Jeśli zastanawiasz się, do czego służy procesor, musisz wiedzieć kilka rzeczy. Musisz wiedzieć, co to jest CPU (Central Processing Unit) i jakie są rdzenie. Musisz też wiedzieć, czym jest jednostka zarządzania pamięcią i czym jest dekoder instrukcji.
Spis treści
CPU
Centralna jednostka obliczeniowa (CPU) to mózg komputera. Jest odpowiedzialny za wykonywanie instrukcji i przeprowadzanie obliczeń. Procesory są używane w prawie wszystkich urządzeniach elektronicznych. Czasami błędnie nazywa się je „dyskami twardymi” lub „monitorami komputerowymi”.
Centralne jednostki obliczeniowe składają się z czterech podstawowych elementów. Są to: rdzeń, jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU), jednostka sterująca i pamięć. Te cztery elementy są ze sobą połączone i zależą od siebie, aby funkcjonować.
Procesor wykonuje obliczenia, interpretując dane wejściowe z różnych komponentów, a następnie wykonując wymagane operacje. Może to obejmować wykonywanie operacji arytmetycznych, takich jak dodawanie i odejmowanie dwóch liczb, lub operacji logicznych, takich jak ocena dwóch wartości.
Oprócz wykonywania obliczeń procesory są także wykorzystywane do zarządzania przepływem danych między nimi a resztą systemu. Zazwyczaj dane te są przechowywane w pamięci RAM.
Centralna jednostka obliczeniowa
Centralna jednostka obliczeniowa (CPU) to mały układ w komputerze, który wykonuje wiele funkcji. Obejmują one wykonywanie instrukcji, pobieranie danych z pamięci i przesyłanie danych przez interfejsy zewnętrzne. Wykonuje też wiele innych zadań, takich jak obliczanie złożonych formuł matematycznych i interpretowanie instrukcji pochodzących z innych urządzeń.
Najbardziej podstawową funkcją procesora jest interpretowanie danych otrzymywanych z urządzeń peryferyjnych. Obejmuje to drukarki, czytniki kart i wczesne urządzenia pamięci masowej. Współczesne urządzenia, takie jak komputery stacjonarne i laptopy, wykorzystują urządzenia peryferyjne, aby odciążyć je od niektórych zadań przetwarzania.
Najbardziej imponującym osiągnięciem jednostki centralnej jest pojedyncza instrukcja zegarowa, która może być wykonana w czasie około 12,5 nanosekundy. W praktyce oznacza to, że jedna instrukcja jest wykonywana co dwa cykle, czyli około tuzina instrukcji na minutę.
Jednostka zarządzania pamięcią
Jednostka zarządzania pamięcią jest integralną częścią sprzętu procesora. Jej funkcje są w dużej mierze podzielone na trzy obszary: ochrona pamięci, optymalizacja pamięci i obsługa pamięci wirtualnej.
Część MMU dotycząca ochrony pamięci ma za zadanie chronić przed błędnym zachowaniem. Na przykład błąd strony może spowodować błąd magistrali lub nieprawidłowy błąd strony może spowodować błąd segmentacji.
Obsługa pamięci wirtualnej to druga główna rola MMU. MMU efektywnie tłumaczy adresy wirtualne na adresy fizyczne. Ta translacja jest przezroczysta dla aplikacji i odbywa się sprzętowo.
Optymalizacja pamięci jest złożonym obszarem. Pamięć podręczna przechowuje kopie danych z pamięci głównej. Są to pamięci podręczne fizyczne lub logiczne. Zarządzają również ramkami, które są organizowane według wymagań multicast i unicast.
Dekoder instrukcji
Procesor dekodujący instrukcje jest integralnym elementem procesora danych. Jednostka ta tłumaczy instrukcje na sygnały, a następnie wysyła je do odpowiednich jednostek wykonawczych. Istnieje wiele metod generowania sygnałów.
Typowe instrukcje zawierają kod operacyjny i pewną liczbę argumentów. Niektóre instrukcje mogą mieć przedrostki lub kody funkcji. Nie zawsze argumenty te są dostępne natychmiast. W takich przypadkach można określić specjalną procedurę mikroinstrukcji, która wykona wymagane zadanie.
Dekodowanie instrukcji jest zaawansowaną funkcją współczesnych procesorów. Może być wykonywane z dużą szybkością. Jednak nadal wiąże się z kilkoma etapami przetwarzania. Na przykład, wymaga dekodera i mapy instrukcji. Proces ten można łączyć potokowo.
Najpierw aktywowana jest jednostka ALU, która sprawdza zależności między instrukcjami i dostępnymi zasobami. Ponadto umożliwia ona procesorowi dekodowanie wielu instrukcji w jednym cyklu.
Rdzenie
W procesorach rdzenie są elementami konstrukcyjnymi, które współpracują ze sobą w celu wykonywania różnych złożonych zadań. Wykonują przetwarzanie danych, wielozadaniowość i sterowanie urządzeniami peryferyjnymi. W zależności od ich właściwości, rdzenie mogą być w stanie przetwarzać pojedynczą instrukcję lub wiele instrukcji w tym samym czasie.
Rdzenie są klasyfikowane na podstawie ich wydajności, energii i mikroarchitektury. Wydajne rdzenie mają zazwyczaj duże pamięci podręczne, niskie opóźnienia i szybki dostęp do pamięci. Rdzenie te mogą być symetryczne, co oznacza, że mają te same jednostki funkcjonalne i logikę. Alternatywą są rdzenie asymetryczne, które mają różne konfiguracje i mikroarchitekturę.
Procesory wielordzeniowe pozwalają użytkownikom na wykonywanie kilku równoczesnych zadań w tym samym czasie. Ta cecha poprawia czas reakcji i wielozadaniowość. Jednak wielordzeniowość może również powodować problemy ze spójnością pamięci podręcznej.
Na przykład, jeśli aplikacja jest uruchamiana na jednym rdzeniu, drugi rdzeń jest wstrzymany. Trzeci rdzeń jest uruchomiony, a czwarty rdzeń jest uruchomiony. Jeśli wszystkie rdzenie są zablokowane, rdzeń nie może pracować z wymaganą częstotliwością trybu turbo.
