Co to jest procesor i do czego służy?

Najważniejszym elementem twojego komputera, jeśli musisz wskazać tylko jeden, jest procesor, znany również jako jednostka centralna (CPU). To kluczowe centrum przetwarzania, które interpretuje instrukcje pochodzące z aplikacji, systemu operacyjnego oraz innych komponentów komputera.

Zrozumienie systemu binarnego

Dzięki coraz potężniejszym procesorom przeszliśmy od podstawowego wyświetlania obrazów na ekranie do korzystania z serwisów streamingowych, takich jak Netflix, wideoczatu, przesyłania strumieniowego oraz coraz bardziej zaawansowanych gier wideo.

Chociaż procesor jest osią inżynieryjnego geniuszu, w swojej istocie opiera się na fundamentalnej koncepcji interpretacji sygnałów binarnych (jedynki i zera). Różnica polega na tym, że nowoczesne procesory, zamiast czytać karty dziurkowane czy przetwarzać instrukcje za pomocą lamp próżniowych, wykorzystują małe tranzystory do realizacji różnorodnych zadań, od tworzenia filmów TikTok po wypełnianie arkuszy kalkulacyjnych.

Fundamenty działania procesora

Produkcja procesora to złożony proces. Kluczowym elementem jest krzem, w którym znajdują się miliardy mikroskopijnych tranzystorów.

Jak już wspomniano, tranzystory te wykorzystują różne sygnały elektryczne (prąd „włączony” oraz „wyłączony”) do reprezentowania binarnych kodów maszynowych zbudowanych z jedynek i zer. Dzięki dużej liczbie tranzystorów procesory mogą realizować coraz bardziej skomplikowane zadania z większą prędkością niż kiedykolwiek wcześniej.

Choć liczba tranzystorów nie zawsze jest równoznaczna z szybkością procesora, jest to główny powód, dla którego smartfony, które nosisz w kieszeni, mają znacznie większą moc obliczeniową niż cała technologia, która była dostępna podczas pierwszej misji na Księżyc.

Zanim przejdziemy dalej do bardziej zaawansowanych aspektów dotyczących procesorów, warto omówić, jak procesor wykonuje instrukcje oparte na kodzie maszynowym, znane jako „zestaw instrukcji”. Różne procesory mogą mieć różne zestawy instrukcji, chociaż nie jest to regułą.

Na przykład większość komputerów działających na systemie Windows oraz obecnych procesorów Mac korzysta z rozszerzenia zestawu instrukcji x86-64, niezależnie od tego, czy są to procesory Intel, czy AMD. Warto jednak zaznaczyć, że komputery Mac, które zadebiutowały pod koniec 2020 roku, są wyposażone w procesory oparte na architekturze ARM, co oznacza, że korzystają z innego zestawu instrukcji. Istnieje także niewielka liczba komputerów z systemem Windows 10, które używają procesorów ARM.

Rdzenie, pamięć podręczna oraz grafika

Przyjrzyjmy się teraz samemu krzemowi. Powyższy diagram pochodzi z dokumentu opublikowanego przez firmę Intel w 2014 roku dotyczącego architektury procesora Core i7-4770S. To tylko jeden z przykładów, jak może wyglądać procesor – inne modele mają różne układy.

Na diagramie widzimy procesor czterordzeniowy. W przeszłości procesory miały tylko jeden rdzeń, ale teraz, dzięki wielordzeniowym konstrukcjom, mogą przetwarzać instrukcje znacznie szybciej. Rdzenie mogą również wspierać technologię hiperwątkowości (SMT), która sprawia, że każdy rdzeń wydaje się być podzielony na dwa, co dodatkowo zwiększa efektywność przetwarzania.

Na przedstawionym diagramie rdzenie dzielą pamięć podręczną L3, która jest formą wbudowanej pamięci w procesorze. Procesory posiadają także pamięci podręczne L1 i L2 w każdym rdzeniu oraz rejestry, będące rodzajem pamięci niskopoziomowej. Aby zrozumieć różnice między rejestrami, pamięcią podręczną a pamięcią RAM w systemie, warto zapoznać się z tym artykułem na StackExchange.

Prezentowany procesor zawiera również system kontrolujący, kontroler pamięci oraz inne elementy układu scalonego, które zarządzają informacjami przepływającymi do i z procesora.

Na koniec, procesor często ma wbudowaną grafikę, która generuje wszystkie wizualne elementy wyświetlane na ekranie. Należy jednak pamiętać, że nie wszystkie procesory dysponują wbudowaną grafiką. Na przykład procesory AMD Zen w komputerach stacjonarnych wymagają osobnej karty graficznej do renderowania grafiki. Niektóre jednostki Intel Core w komputerach stacjonarnych również nie mają zintegrowanej grafiki.

Procesor na płycie głównej

Rozważając, co dzieje się wewnątrz procesora, warto zwrócić uwagę, jak jest on zintegrowany z innymi podzespołami komputera. Procesor umieszczany jest w tzw. gnieździe na płycie głównej.

Po zainstalowaniu w gnieździe, pozostałe komponenty komputera mogą komunikować się z procesorem za pośrednictwem tzw. „szyn”. Na przykład pamięć RAM łączy się z procesorem za pomocą własnej magistrali, podczas gdy wiele komponentów komputerowych korzysta z magistrali PCIe.

Każdy procesor dysponuje zestawem „linii PCIe”, z których może korzystać. Na przykład procesory AMD Zen 2 oferują 24 linie, które bezpośrednio łączą się z procesorem. Linie te są następnie przydzielane przez producentów płyt głównych zgodnie z wytycznymi AMD.

Dla przykładu, 16 linii zazwyczaj jest przeznaczonych dla gniazda karty graficznej x16, a cztery linie mogą być używane do podłączenia szybciej działających urządzeń pamięci, takich jak dyski SSD M.2. Alternatywnie, te cztery linie mogą zostać podzielone, umożliwiając podłączenie jednego dysku SSD M.2 i jednocześnie dwóch wolniejszych dysków SATA, takich jak tradycyjne dyski twarde lub 2,5-calowe SSD.

W ten sposób wykorzystuje się 20 linii, pozostawiając cztery linie zarezerwowane dla chipsetu, który działa jako centrum komunikacyjne i kontroler ruchu na płycie głównej. Chipset dysponuje własnym zestawem połączeń magistrali, co umożliwia dodanie jeszcze większej liczby komponentów do systemu. Jak można się domyślić, bardziej wydajne komponenty mają bardziej bezpośrednie połączenia z procesorem.

Jak widać, procesor jest odpowiedzialny za większość przetwarzania instrukcji, a w niektórych przypadkach także za generowanie grafiki (jeśli ma odpowiednie możliwości). Niemniej jednak, procesor nie jest jedynym elementem przetwarzającym instrukcje. Inne komponenty, takie jak karta graficzna, mają własne zintegrowane możliwości obliczeniowe. GPU wykorzystuje swoje zasoby obliczeniowe do współpracy z procesorem, co jest niezbędne do uruchamiania gier oraz wykonywania innych zadań wymagających intensywnej grafiki.

Kluczowa różnica polega na tym, że procesory ogólnego przeznaczenia są zaprojektowane do realizacji szerokiego zakresu zadań obliczeniowych, podczas gdy komponenty składowe są zazwyczaj zoptymalizowane do określonych zadań. To dlatego procesor odgrywa kluczową rolę w działaniu całego systemu komputerowego.