Procesory Autor: Kulhánek Zdeněk Škola: Hotelová škola, Obchodní akademie a Střední průmyslová škola Teplice, Benešovo náměstí 1, příspěvková organizace Kód: VY_32_INOVACE_ICT_825 1.11.2012 1
(CPU Central Processing Unit) [1] Procesor čte z paměti strojové instrukce a na jejich základě vykonává program. Protože procesor, který by vykonával program zapsaný v nějakém vyšším programovacím jazyku by byl příliš složitý, má každý procesor svůj vlastní jazyk - tzv. strojový kód, který se podle typu procesoru skládá z jednodušších nebo složitějších strojových instrukcí. Pod pojmem procesor se dnes téměř vždy skrývá elektronický integrovaný obvod, i když na samých počátcích počítačové éry byly realizovány procesory i elektromechanicky. Když se podařilo umístit základní obvody procesoru do jednoho integrovaného obvodu, vznikl mikroprocesor. Taktovací frekvence procesoru (MHz), udává kolik je procesor schopen vykonat instrukcí za sekundu. (Např. 3GHz = 3 000 000 000 operací/ instrukcí za 1 sekundu). 1.1 Součásti procesoru 1.1.1 - Řadič nebo řídicí jednotka, jejíž jádro zajišťuje řízení činnosti procesoru v návaznosti na povely programu, tj. načítání strojových instrukcí, jejich dekódování (zjištění typu strojové instrukce), načítání operandů instrukcí z operační paměti a ukládání výsledků zpracování instrukcí. 1.1.2 - Sada registrů slouží k dočasnému ukládání operandů a mezivýsledků výpočtů, k nimž je výrazně rychlejší přístup nežli k datům umístěným v operační paměti. 1.1.3 - Aritmeticko-logická jednotka (ALU - Arithmetic-Logic Unit) je určená k provádění aritmetických a logických operací se zpracovávanými daty. ALU současných procesorů je velmi komplexní a výkonná jednotka, kterých je v jádře přítomno několik. 2
1.1.4 - Některé procesory obsahují jednu nebo několik jednotek plovoucí čárky (FPU), které provádí operace v plovoucí řádové čárce. 1.1.5 - Paměť cache, vyrovnává rozdílnou rychlost mezi přístupem k relativně pomalé operační paměti a zpracováním dat v procesoru. Cache procesorů je v dnešní době zpravidla dvojstupňová, rychlá L1 cache a pomalejší, ale větší L2 cache. K nim se postupně přidává i L3 cache. 1.1.6 - Dnešní současné procesory obsahují více jader. Vícejádrový procesor je tedy integrovaný obvod obsahující několik jader procesorů, logiku sloužící k jejich vzájemnému propojení (a případně ještě další jednotky). 1.1.7 - Dalším současným trendem je tzv. systém na čipu (SoC - system on chip). Jde o integrované obvody, které obsahují kromě vlastního procesoru i další subsystémy pro zpracování grafiky, zvuku či připojení periferií. Systémy na čipu mohou být použity například v PDA, herních konzolích, domácí elektronice, nebo v mobilních telefonech, ale jak Intel tak AMD mají dnes integrováno GPU přímo na procesor (řada i3, i5 a i7 resp. A4 a A6). 1.2 Dělení procesorů 1.2.1 - Dělení podle délky operandu v bitech Základní vlastností procesoru je počet bitů, tj. šířka operandu, který je procesor schopen zpracovat v jednom kroku. Zjednodušeně se dá říci, že např. 8bitový procesor umí přímo počítat s čísly od 0 do 255, 16bitový s čísly od 0 do 65535, atd. Operace s většími čísly musí být rozděleny do několika kroků. Dnes jsou procesory již 64bitové. 1.2.2 - Dělení podle struktury procesoru Podle vnitřní architektury RISC s menším počtem strojových instrukcí a CISC s velkým počtem instrukcí. 1.2.3 - Dělení podle počtu jader Jednojádrové a vícejádrové (dnes už běžně až 8 jader) 1.2.4 - Dělení dále dle např. výrobce, typu patice, FSB, výrobního procesu atd. 1.3 Základní parametry procesoru Zásadním parametrem, který je u procesoru důležitý, je frekvence práce jeho jádra. Nejvíce zákazníky sledovaným parametrem je frekvence procesoru, která je významným faktorem jeho výkonu. Ale vzhledem k odlišné konstrukci výpočetních jednotek procesorů a vnitřní paměti se obtížně porovnávají výkony konkurenčních procesorů AMD a Intel podle jejich frekvence. Navíc v současné době vyrábějí oba největší výrobci jedno-dvou, čtyřjádrové i osmijádrové (AMD i tříjádrové) procesory s poměrně velkým rozpětím frekvence. 3
Důležitým faktorem celkového výkonu procesoru je tedy nyní i velikost vyrovnávací paměti procesoru, která se označuje cache. Ta bývá několikaúrovňová, cache s nejrychlejším přístupem má nyní velikost 32-128 kb na jádro (Level 1 cache), další úroveň má nyní 256 kb - 8 MB na jádro (Level 2 cache), Intel má sdílenou L2 cache, AMD zase oddělenou pro každé jádro. Nakonec L3 cache má velikost 2-10MB. Na výkon procesoru má vliv i frekvence sběrnice (Front Side Bus), kterou komunikuje procesor se zbytkem počítače prostřednictvím tak zvaného chipsetu. AMD místo Front Side Bus používá Hyper Transport a Intel u nových CPU Core i7 přešel na QuickPath. Výrobci nabízejí své prakticky identické procesory v různých typových řadách s různou dostupnou velikostí Level 2 cache a i různou frekvencí FSB. Následující parametrizace umožňuje zhruba srovnat rysy procesorů. Parametr Popis Jednotka běžný rozsah MIPS (milonů Počet operací provedených za jednu 0 3400 MIPS (v Rychlost jádra operací za sekundu budoucnu i více) sekundu) Výrobní proces Velikost tranzistorů m 45-22 nm Integrovaný paměťový řadič Integrovaný grafický čip umožňuje efektivnější přístup do operační paměti Zvyšuje řádově několikanásobně výpočetní výkon u grafických operacích než kdyby takové procesy měl vykonávat samotný procesor pro paměť DDR 3 s maximální f=1333 MHz Šířka slova Maximální bitová šířka operandů instrukcí bit 4 128 Počet a typ jader integrovaných Počet jader číslo 1 8 jader v procesoru Počet instrukčních kanálů Efektivita strojového kódu Výkon FPU Maximální počet instrukcí proveditelných jedním jádrem v jednom taktu procesoru Počet instrukcí potřebných pro provádění běžných operací Přítomnost FPU/počet základních operací v jednoduché nebo dvojnásobné přesnosti, které zvládne provést jednotka FPU číslo 1 4 počet Dhrystone na MIPS MFLOPS (megaflops) Intel GMA HD 3000(s f=1350 MHz)? až desítky GFLOPS (gigaflops), podle architekt. a počtu FPU Šířka externí Maximální počet bitů, které je možné datové sběrnice během jediné operace přenést z (do) čipu bit 8 64 Frekvence datové Maximální frekvence přístupu do externí sběrnice (FSB) paměti RAM Hz stovky MHz Interní paměť Kapacita rychlé interní vyrovnávací paměti Byte cache integrované přímo na čipu procesoru i několik MiB Velikost Velikost externí paměti, kterou je procesor adresovatelné Byte schopen přímo používat paměti u 80x86 4 GiB i více GHz a verze Intel Intel Turbo Boost Maximální frekvence s niž je dočasně Hz Turbo Boost Technology schopen pracovat Technology 1.0 / 2.0 4
1.4 Patice procesoru Dělíme je na dva (resp. tři) typy: 1. Pin Grid Array (PGA) krátké piny procesoru jsou uspořádány do čtvercového pole tak, aby souhlasily s otvory v patici. (AMD) procesor PGA patice PGA (AMD 939) 5
2. Land Grid Arry (LGA) zde se pracuje s dotykem kontaktních plošek. (INTEL) Procesor LGA patice LGA (Intel LGA2011) 3. V pozdních 90. letech se využívaly častěji sloty než sockety. Procesorové sloty jsou podobné klasickým rozšiřujícím kartám, tzn. podlouhlá deska s plošnými spoji. Tyto sloty ostatně připomínají vzhledem například AGP. Řešení se sloty mělo některé výhody, umožňovalo doinstalovaní další L2 Cache na desku slotu a často bývala instalace slotu jednodušší než v případě socketu. 6
1.5 Přetaktování procesoru Procesor do slotu (Intel Pentium II) Přetaktování znamená, že daný komponent v počítači je provozován na vyšších hodnotách než jsou pro něj standardní. Takto taktovat můžeme nejen procesor, ale například i GPU, operační paměti. U procesorů zvyšujeme jeho taktovací frekvence. Hlavní důvod přetaktování je, abychom za danou cenu získali ještě větší výkon. Pro uživatele je výhodné pomocí přetaktování zvýšit výkon i o 20% bez finančních výdajů. Větší výkon se ale nesmí dít na úkor stability celého systému v počítači. Overclocking byl ještě před několika léty brán téměř jako něco nelegálního, protože se výrobcům nelíbilo, že zákazník zaplatí za daný výkon a pak si ho s nulovými náklady zvýší. Doba ale pokročila a s ní se změnil přístup k overclockingu. Procesory jsou tak levné, že důvody přetaktování už nejsou ekonomické, ale dnes se z overclockingu stal tak trochu sport. Technologie a různé programy nám dnes dovolují procesor i grafickou kartu přetaktovat téměř jedním kliknutím myši tak proč této možnosti nevyužít? Toto v poslední době pochopili i výrobci a sami začali svůj hardware přetaktovávat. Protože přetaktováním provozujete procesor mimo výrobcem doporučený rozsah, je dobré vědět, že tedy přicházíte o záruku, případně můžete snížit životnost přetaktovaného hardwaru. Všechny rizika jsou pouze na vás. 1.5.1 Základní pojmy Srdcem každého počítače je sice procesor (CPU), ale za nejdůležitější součást počítače považujeme základní desku. Základní deska je základna počítače a má hlavní vliv na 7
spolupráci jednotlivých komponent v počítači. U přetaktování procesoru hraje důležitou roli tedy i deska. I když výkon plyne z procesoru, základní deska ho prakticky řídí. FSB (Front Side Bus) je sběrnice, pomocí které je procesor spojen se základní deskou. Sběrnice FSB má několik parametrů. Rychlost (frekvence) je vyjadřována obvykle pracovní frekvencí (někdy se uvádí přímý takt sběrnice, někdy zase dvojnásobná rychlost přenosu dat.). U procesorů AMD se můžete setkat s frekvencemi FSB 100MHz, 133MHz, 166MHz, 200MHz, dnes i 800MHz apod. (datově: 200, 266, 333, 400 a 1600MHz...). U Intelu je to dnes velmi podobné. Násobič (Multiplier) hodnota, která říká procesoru, na jaké frekvenci má pracovat. Jak zjistit frekvenci procesoru příklad AMD Athlon XP Barton 2500+ je procesorem s násobičem 11 a využívá sběrnice 166MHz. 166MHz fsb x 11 multiplier = 1833MHz Násobič a frekvence FSB jsou základní veličiny, které umožňují přetaktování. Frekvenci FSB je většinou možné upravovat, s multiplikátorem je situace jiná. Určitou přechodnou dobu umožňovaly procesory Athlon XP volnou změnu násobiče. Násobič jste mohli libovolně měnit z 11x na 12x, 13x... Tak jste mohli přetaktovat procesor změnou jednoho čísla v nastavené BIOSu. Seznam nejznámějších procesorů: AMD: Athlon Duron Sempron Barton Phenom Opteron A4, A6, A8 FX - Bulldozer Intel: Pentium Celeron Core Duo, Core 2 Duo Core i3, i5, i7 Xeon 8
Obrázky: Dostupný pod licencí GNU Free Documentation License na WWW: Veškeré výše neodkazované obrázky / fotografie jsou z autorova archivu. Citace: [1] Procesor [online]. 23. 11. 2007 v 09:16 [cit. 2009-10-30]. Dostupný z WWW: < http://cs.wikipedia.org/wiki/procesor>. 9