Mikroprocesory mgr inż. Sylwia Glińska

Mikroprocesor, zwany potocznie procesorem, określany również skrótem CPU (ang. Central Processing Unit – jednostka centralna, centralna jednostka obliczeniowa) Mikroprocesor odpowiedzialny jest za wykonywanie większości obliczeń systemowych i operacji przetwarzania danych. Mikroprocesor to skomplikowany układ cyfrowy o wielkim stopniu integracji, wykonujący operacje matematyczne i logiczne, zamknięty w szczelnej obudowie. Fizycznie mikroprocesor to krzemowa płytka zawierająca miliony tranzystorów, uzyskana podczas skomplikowanego procesu produkcyjnego.

Podstawowymi elementami mikroprocesora są tranzystory umożliwiające blokowanie lub przepływ prądu Strukturę logiczną mikroprocesora reprezentują bramki logiczne budowane na bazie odpowiedni połączonych tranzystorów. Połączenie bramek w odpowiednie układy tworzy kolejne struktury wewnętrznej budowy procesora.

Podstawowe elementy każdego procesora: • układ sterowania CU (ang. Control Unit) odpowiedzialny za sterowanie blokami mikroprocesora • jednostka arytmetyczno – logiczna ALU (ang. Arithmetic Logic Unit) odpowiedzialna za wykonywanie przez mikroprocesor operacji arytmetycznych na liczbach naturalnych • jednostka zmiennoprzecinkowa FPU (ang. Floating Point Unit) wykonująca operacje arytmetyczne na liczbach zmiennoprzecinkowych • zespół rejestrów do przechowywania danych i wyników • pamięć cache (pamięć podręczna) przyspiesza dostęp do relatywnie wolnej pamięci RAM. Charakteryzuje się bardzo krótkim czasem dostępu. Jest używana do przechowywania danych, które będą w niedługim czasie przetwarzane. Na współczesnych procesorach są 2 lub 3 poziomy pamięci cache: L1(zintegrowana z procesorem), a także L2 i L3 (umieszczone w jednym chipie razem z procesorem, lub na płycie głównej).

Cechy procesora: • długość słowa (liczba bitów), na którym wykonywane są podstawowe operacje obliczeniowe. Jeśli słowo ma np. 32bity, mówimy że procesor jest 32-bitowy. • taktowanie procesora, szybkość z jaką wykonuje on rozkazy. Przy danej architekturze procesora, szybkość ta w znacznym stopniu zależy od czasu trwania pojedynczego taktu • ilość rdzeni • częstotliwość taktowania magistrali FSB Główni producenci procesorów: • IBM • INTEL • AMD • Motorola

Działanie mikroprocesora można opisać jako ciąg wykonywanych zadań: • pobranie rozkazu z pamięci • dekodowanie rozkazu, odczyt rejestrów • wykonywanie rozkazu • pobranie argumentów z pamięci • zapisanie wyniku operacji w pamięci

Magistrale mikroprocesora Magistrala (ang. Bus) jest zestawem ścieżek łączących jednocześnie kilka komponentów umożliwiających komunikację między nimi. Magistrale można scharakteryzować za pomocą dwóch parametrów: • szerokość (bity) • szybkość (Hz) Magistrale dzielimy na: • magistrale danych • magistralę adresową • magistrale pamięci • magistralę sterującą

Gniazda procesorów Procesory na płycie głównej montowane s w tzw. gniazdach. Rodzaj gniazda zależy od generacji procesora, a także od producenta procesora. Najpopularniejszy rodzaj gniazda to gniazdo typu Socket, w którym procesor w postaci samodzielnego układu z wyprowadzeniami (pinami, nóżkami, końcówkami) jest montowany w odpowiadającym mu kształtem gnieździe. Inny rodzaj gniazda to gniazdo typu Slot, w którym procesor montowany jest w postaci karty rozszerzającej.

Architektury mikroprocesora można podzielić ze względu na złożoności wykonywanych instrukcji na: mikroprocesory CISC (ang. Complex Instruction Set Computers) – komputery z pełną listą instrukcji mają bogaty zestaw instrukcji o dużych możliwościach mikroprocesory RISC (ang. Reduced Instruction Set Computers) – komputery o zredukowanej liczbie instrukcji) mają prostszy i mniejszy zestaw instrukcji

Odprowadzanie ciepła Nowe mikroprocesory budowane są na bazie milionów tranzystorów, które nagrzewają się podczas pracy, co przekładają się na wzrost temperatury całego rdzenia. Najpopularniejsza metodą zmniejszenia temperatury mikroprocesora jest zastosowanie radiatora, czyli ożebrowanego elementu odlanego z aluminium lub miedzi, który przyspiesza odprowadzanie ciepła do atmosfery. W celu zwiększenia wydajności radiatory wyposaża się w wentylatory. Istnieją również bardziej wyrafinowane metody zbijania temperatury na mikroprocesorze, na przykład chłodzenie cieczą o obiegu zamkniętym lub otwartym.

Pasta termoprzewodząca – plastyczna masa charakteryzująca się stosunkowo dużym przewodnictwem cieplnym. Jest powszechnie stosowana w komputerach w miejscach styku elementów silnie nagrzewających się z elementami odprowadzającymi ciepło. Cienka warstwa pasty nałożona na chłodzony układ (CPU, GPU, mostek północny, RAM) wypełnia mikro-nierówności powierzchni styku z radiatorem i poprawia chłodzenie układu. Istnieje wiele rodzajów past termoprzewodzących: na bazie silikonu, metali (np. srebra), ceramiki, a także syntetycznych diamentów. Występuje w postaci gęstej, lepkiej pasty podobnej do korektora tekstu lub płynu. Zazwyczaj najlepszą przewodność cieplną oferują produkty na bazie metali. Pasty termo-przewodzące sprzedawane są najczęściej w małych strzykawkach ułatwiających aplikację.