Najważniejszą częścią twojego komputera, gdybyś musiał wybrać tylko jedną, byłaby jednostka centralna (CPU). Jest to główne centrum (lub „mózg”), które przetwarza instrukcje pochodzące z programów, systemu operacyjnego lub innych składników komputera.
Spis treści:
1 i 0 jako
Dzięki mocniejszym procesorom przeskoczyliśmy od ledwie do wyświetlenia obrazu na ekranie komputera do serwisu Netflix, czatu wideo, przesyłania strumieniowego i coraz bardziej realistycznych gier wideo.
Procesor jest cudem inżynierii, ale w swej istocie nadal opiera się na podstawowej koncepcji interpretacji sygnałów binarnych (1 i 0). Różnica polega teraz na tym, że zamiast odczytywać karty dziurkowane lub przetwarzać instrukcje za pomocą zestawów lamp próżniowych, nowoczesne procesory używają małych tranzystorów do tworzenia filmów TikTok lub wypełniania liczb w arkuszu kalkulacyjnym.
Podstawy procesora
Produkcja procesora jest skomplikowana. Ważne jest to, że każdy procesor ma krzem (jeden lub kilka), w którym znajdują się miliardy mikroskopijnych tranzystorów.
Jak już wspominaliśmy, tranzystory te wykorzystują szereg sygnałów elektrycznych (prąd „włączony” i prąd „wyłączony”) do reprezentowania kodu binarnego maszyny, składającego się z jedynek i zer. Ponieważ tranzystorów jest tak wiele, procesory mogą wykonywać coraz bardziej złożone zadania z większą prędkością niż wcześniej.
Liczba tranzystorów nie musi oznaczać, że procesor będzie szybszy. Jednak nadal jest to podstawowy powód, dla którego telefon, który nosisz w kieszeni, ma znacznie większą moc obliczeniową niż, być może, cała planeta, gdy najpierw poszliśmy na księżyc.
Zanim przejdziemy dalej w górę po drabinie pojęciowej procesorów, porozmawiajmy o tym, jak procesor wykonuje instrukcje oparte na kodzie maszynowym, zwane „zestawem instrukcji”. Procesory różnych firm mogą mieć różne zestawy instrukcji, ale nie zawsze.
Na przykład większość komputerów z systemem Windows i obecnych procesorów Mac używa rozszerzenia zestaw instrukcji x86-64, niezależnie od tego, czy są to procesory Intel czy AMD. Jednak komputery Mac debiutujące pod koniec 2020 roku będą miały procesory oparte na architekturze ARM, które używają innego zestawu instrukcji. Istnieje również niewielka liczba komputerów z systemem Windows 10 korzystających z procesorów ARM.
Rdzenie, pamięci podręczne i grafika
Spójrzmy teraz na sam krzem. Powyższy diagram pochodzi z białej księgi firmy Intel opublikowanej w 2014 r. Dotyczącej architektury procesora firmy Core i7-4770S. To tylko przykład tego, jak wygląda jeden procesor – inne procesory mają inny układ.
Widzimy, że jest to czterordzeniowy procesor. Był czas, kiedy procesor miał tylko jeden rdzeń. Teraz, gdy mamy wiele rdzeni, przetwarzają one instrukcje znacznie szybciej. Rdzenie mogą również mieć coś, co nazywa się hiperwątkowością lub jednoczesną wielowątkowością (SMT), co sprawia, że jeden rdzeń wydaje się komputerowi dwa. To, jak możesz sobie wyobrazić, pomaga jeszcze bardziej przyspieszyć czas przetwarzania.
Rdzenie na tym diagramie współużytkują coś, co nazywa się pamięcią podręczną L3. Jest to forma wbudowanej pamięci wewnątrz procesora. Procesory mają również pamięci podręczne L1 i L2 zawarte w każdym rdzeniu, a także rejestry, które są formą pamięci niskiego poziomu. Jeśli chcesz zrozumieć różnice między rejestrami, pamięcią podręczną i pamięcią RAM systemu, sprawdź ta odpowiedź na StackExchange.
Pokazany powyżej procesor zawiera również agenta systemowego, kontroler pamięci i inne części układu scalonego, które zarządzają informacjami przychodzącymi i wychodzącymi z procesora.
Wreszcie jest wbudowana grafika procesora, która generuje wszystkie te wspaniałe elementy wizualne, które widzisz na ekranie. Nie wszystkie procesory mają własne możliwości graficzne. Na przykład procesory AMD Zen do komputerów stacjonarnych wymagają oddzielnej karty graficznej, aby wyświetlić cokolwiek na ekranie. Niektóre procesory Intel Core do komputerów stacjonarnych również nie mają wbudowanej grafiki.
Procesor na płycie głównej
Teraz, gdy przyjrzeliśmy się temu, co dzieje się pod maską procesora, przyjrzyjmy się, jak integruje się z resztą komputera. Procesor znajduje się w tak zwanym gnieździe na płycie głównej komputera.
Po umieszczeniu w gnieździe inne części komputera mogą łączyć się z procesorem przez coś, co nazywa się „szynami”. Na przykład pamięć RAM łączy się z procesorem za pośrednictwem własnej magistrali, podczas gdy wiele komponentów komputerów osobistych korzysta z określonego typu magistrali, zwanego „PCIe”.
Każdy procesor ma zestaw „linii PCIe”, z których może korzystać. Na przykład procesory AMD Zen 2 mają 24 linie, które łączą się bezpośrednio z procesorem. Pasy te są następnie dzielone przez producentów płyt głównych według wskazówek AMD.
Na przykład 16 linii jest zwykle używanych do gniazda karty graficznej x16. Następnie są cztery ścieżki do przechowywania, na przykład jedno szybkie urządzenie magazynujące, takie jak dysk SSD M.2. Alternatywnie, te cztery pasy można również podzielić. Dwa tory można wykorzystać dla dysku SSD M.2, a dwa dla wolniejszego dysku SATA, takiego jak dysk twardy lub 2,5-calowy dysk SSD.
To 20 pasów, a pozostałe cztery są zarezerwowane dla chipsetu, który jest centrum komunikacyjnym i kontrolerem ruchu dla płyty głównej. Chipset ma wtedy własny zestaw połączeń magistrali, umożliwiając dodanie jeszcze większej liczby komponentów do komputera. Jak można się spodziewać, wydajniejsze komponenty mają bardziej bezpośrednie połączenie z procesorem.
Jak widać, procesor wykonuje większość instrukcji, a czasami działa nawet grafika (jeśli jest do tego zbudowana). Jednak procesor nie jest jedynym sposobem przetwarzania instrukcji. Inne komponenty, takie jak karta graficzna, mają własne wbudowane możliwości przetwarzania. GPU wykorzystuje również własne możliwości przetwarzania do pracy z procesorem i uruchamiania gier lub wykonywania innych zadań wymagających dużej grafiki.
Duża różnica polega na tym, że procesory składowe są budowane z myślą o konkretnych zadaniach. Jednak procesor jest urządzeniem ogólnego przeznaczenia, zdolnym do wykonania dowolnego zadania obliczeniowego, o które zostanie poproszony. Właśnie dlatego procesor panuje nad twoim komputerem, a reszta systemu polega na nim w działaniu.