Kaj je CPU in kaj počne?

Če bi morali izbrati samo enega, bi bil najpomembnejši del osrednje procesorske enote (CPU). Je primarno vozlišče (ali "možgani") in obdeluje navodila, ki prihajajo iz programov, operacijskega sistema ali drugih komponent v računalniku.

1 in 0

Zahvaljujoč zmogljivejšim procesorjem smo s komaj prikaza slike na računalniškem zaslonu prešli na Netflix, video klepet, pretakanje in vse bolj življenjske video igre.

CPU je čudovito inženirstvo, vendar se v svojem bistvu še vedno opira na osnovni koncept interpretacije binarnih signalov (1 in 0). Zdaj je razlika v tem, da sodobni procesorji namesto branja udarnih kart ali navodil za obdelavo s kompleti vakuumskih cevi uporabljajo majhne tranzistorje za ustvarjanje videoposnetkov TikTok ali izpolnjevanje številk v preglednici.

Osnove CPU

Izdelava CPU je zapletena. Pomembno je, da ima vsak procesor silicij (bodisi en kos ali več), v katerem se nahajajo milijarde mikroskopskih tranzistorjev.

Kot smo že omenili, ti tranzistorji uporabljajo vrsto električnih signalov (tok "vklopljen" in tok "izklopljen") za predstavitev strojne binarne kode, sestavljene iz 1 in 0. Ker je teh tranzistorjev toliko, lahko procesorji opravljajo vedno bolj zapletene naloge z večjimi hitrostmi kot prej.

Število tranzistorjev ne pomeni nujno, da bo CPU hitrejši. Vendar je še vedno temeljni razlog, da ima telefon, ki ga nosite v žepu, veliko več računalniške moči, kot je morda imel ves planet, ko smo prvič odšli na Luno.

Preden gremo naprej po konceptualni lestvici CPU, se pogovorimo o tem, kako CPU izvaja navodila na podlagi strojne kode, imenovane "nabor ukazov". CPU različnih podjetij ima lahko različne nabore navodil, vendar ne vedno.

Večina osebnih računalnikov z operacijskim sistemom Windows in sedanjih procesorjev Mac uporablja na primer ukaz x86-64, ne glede na to, ali gre za procesor Intel ali AMD. Mac, ki bo nastopil konec leta 2020, pa bo imel procesorje na osnovi ARM, ki uporabljajo drugačen nabor navodil. Obstaja tudi majhno število osebnih računalnikov z operacijskim sistemom Windows 10, ki uporabljajo ARM procesorje.

POVEZANE: Kaj je binarno in zakaj ga uporabljajo računalniki?

Jedra, predpomnilniki in grafika

Poglejmo si sam silicij. Zgornji diagram je iz Intelove bele knjige, objavljene leta 2014, o arhitekturi CPU podjetja za Core i7-4770S. To je le primer, kako izgleda en procesor - drugi procesorji imajo drugačno postavitev.

Vidimo, da gre za štirijedrni procesor. Včasih je imel CPU samo eno jedro. Zdaj, ko imamo več jeder, veliko hitreje obdelajo navodila. Jedra imajo lahko tudi nekaj, kar se imenuje hiper-nit ali hkratno večnitnost (SMT), zaradi česar se eno jedro računalniku zdi kot dve. To, kot si lahko predstavljate, pomaga še hitreje obdelati čase obdelave.

Jedra v tem diagramu delijo nekaj, kar se imenuje predpomnilnik L3. To je oblika vgrajenega pomnilnika znotraj CPU. CPU imajo v vsakem jedru tudi predpomnilnika L1 in L2, pa tudi registre, ki so oblika pomnilnika na nizki ravni. Če želite razumeti razlike med registri, predpomnilniki in sistemskim RAM-om, si oglejte ta odgovor na StackExchange.

Zgoraj prikazani CPU vsebuje tudi sistemsko sredstvo, krmilnik pomnilnika in druge dele silicija, ki upravljajo informacije, ki prihajajo v CPU in iz njega izhajajo.

Na koncu je še vgrajena grafika procesorja, ki ustvarja vse tiste čudovite vizualne elemente, ki jih vidite na zaslonu. Vsi CPU ne vsebujejo lastnih grafičnih zmožnosti. Namizni procesorji AMD Zen na primer zahtevajo ločeno grafično kartico, da na zaslonu prikažejo kar koli. Nekateri namizni procesorji Intel Core prav tako ne vključujejo vgrajene grafike.

CPU na matični plošči

Zdaj, ko smo si ogledali, kaj se dogaja pod pokrovom CPU-ja, poglejmo, kako se integrira s preostalim računalnikom. CPU je v tako imenovani vtičnici na matični plošči vašega računalnika.

Ko se namesti v vtičnico, se lahko drugi deli računalnika povežejo s CPU prek nečesa, imenovanega "vodili". RAM se na primer poveže s procesorjem prek lastnega vodila, medtem ko številne komponente računalnika uporabljajo posebno vrsto vodila, imenovano »PCIe«.

Vsak CPU ima nabor "pasov PCIe", ki jih lahko uporablja. AMD-jevi Zen 2 CPU imajo na primer 24 pasov, ki se neposredno povežejo s CPU. Proizvajalci matičnih plošč te pasove nato delijo z navodili AMD.

Na primer, za režo za grafično kartico x16 se običajno uporablja 16 pasov. Nato obstajajo štirje pasovi za shranjevanje, na primer ena hitra naprava za shranjevanje, na primer M.2 SSD. Te štiri pasove je mogoče tudi razdeliti. Za M.2 SSD je mogoče uporabiti dva pasova, za počasnejši pogon SATA pa dva, na primer trdi disk ali 2,5-palčni SSD.

To je 20 pasov, ostali štirje so rezervirani za nabor čipov, ki je komunikacijski center in nadzornik prometa za matično ploščo. Nato ima nabor čipov svoj nabor povezav vodila, kar omogoča dodajanje še več komponent v računalnik. Kot lahko pričakujete, imajo zmogljivejše komponente bolj neposredno povezavo s CPU.

Kot lahko vidite, CPU opravi večino obdelave navodil in včasih celo grafike (če je narejena za to). Vendar CPU ni edini način za obdelavo navodil. Druge komponente, na primer grafična kartica, imajo lastne zmogljivosti za obdelavo. GPU uporablja tudi lastne zmogljivosti obdelave za delo s CPU in izvajanje iger ali izvajanje drugih grafično intenzivnih nalog.

Velika razlika je v tem, da so procesorji komponent zgrajeni s posebnimi nalogami. CPU pa je splošna naprava, ki lahko opravi katero koli računalniško nalogo, ki jo zahteva. Zato CPU kraljuje v vašem računalniku, preostali del sistema pa se zanaša na to, da deluje.