Mikroprocesory Mikroprocesor je "mozkem" počítače, který slouží k zpracování instrukcí od programů, kterými je řízen. Některé instrukce zpracovává sám, k provedení některých dalších instrukcí používá různé komponenty počítače (např. operační paměť, disky, sběrnice, displej nebo tiskárny). Základní vlastností mikroprocesoru je vytváření dat podle pokynů určitého programu. Jeho kvalita podstatně ovlivňuje rychlost a výkonnost počítače. Jádrem každého mikroprocesoru je logický obvod, který dokáže zpracovat sadu jednoduchých mikroinstrukcí. Mikroinstrukce jsou jen jednoduché příkazy. Každý mikroprocesor je navíc vybaven instrukční sadou, která programátorům poskytuje přívětivější prostředky pro napsání složitějšího aplikačního programu. Převod instrukční sady na mikroinstrukce, které je mikroprocesor schopen řešit, obstarává program napsaný v mikroinstrukcích. Ten je další podstatnou částí mikroprocesoru. Dnes se uplatňují dvě koncepce mikroprocesorů: RISC a CISC, které se liší ve velikosti instrukční sady. CISC, tedy Complete Instruction Set Computer je řešením, kdy je mikroprocesor vybaven co nejúplnější instrukční sadou, a mikroprocesor RISC, tzn. Reduced Instruction Set Computer, pak obsahuje jen základní instrukce, které jsou jednodušší a rychleji proveditelné. Procesory RISC jsou rychlejší, uplatnily se ale jen v mikroprocesoru PowerPC (u IBM, Applu, Motoroly) a u velkých nebo jednoúčelových počítačů. U osobních počítačů převládají mikroprocesory CISC (u Intelu, AMD, Cyrixu), které stále více začínají uplatňovat prvky procesorů RISC. Každý mikroprocesor obsahuje registry. Ty fungují jako vnitřní paměti mikroprocesorů, do kterých se ukládají momentálně zpracovávaná data. Počet registrů a jejich přesné použití se u jednotlivých mikroprocesorů liší. K specifikaci adres v paměti, na kterých se nacházejí zpracovávaná data, se používají různé způsoby adresovacích mechanismů. Instrukční sada mikroprocesoru musí obsahovat instrukce pro přesuny dat mezi pamětí a registry, aritmetické a logické funkce, instrukce pro řízení programu a několik systémových instrukcí. Součástí instrukční sady nových mikroprocesorů jsou i instrukce pro koordinaci ve víceprocesorovém prostředí a další příkazy pro multimediální programy (MMX, AMD-3DNow!, 3Dnow! Professional (u AMD Duronů), instrukce SSE (u Celeronů), SSE 2 (u Pentií IV)). Pro použití takových instrukcí ale musí být program navržen, jinak se jeho běh podstatně neurychlí. Mikroprocesor vyhodnocuje během své činnosti celou řadu přerušení, tzn. signálů, které vysílají hardwarová zařízení nebo programy. Snad všechny moderní mikroprocesory mají vektorový systém přerušení. Vektory uložené v operační paměti, identifikované číslem přerušení, ukazují na adresu v paměti, kde je uložen obslužný program přerušení. Aby se po zpracování přerušení mohl procesor vrátit ke své původní činnosti, ukládá svůj momentální stav do speciálního registru - do zásobníku. Mikroprocesor také může přerušení dočasně zakázat.
Paměť spravuje mikroprocesor pomocí jednotek správy paměti, které v paměti překládají adresy tak, aby to bylo výhodné pro operační systém. Jednotky správy paměti zabezpečují také ochranu paměti, zabraňují programům v narušení běhu ostatních programů nebo operačního systému. Mikroprocesory dále obsahují paměť cache, která je jakýmsi meziskladem dat mezi různě rychlými komponentami počítače. Účelem této paměti je vyrovnávání rychlostí v přenosu dat. Paměť L1 cache slouží k přechovávání dat ze sběrnice, na základní desce je pak instalovaná paměť cache L2, která optimalizuje přesuny dat mezi mikroprocesorem a operační pamětí. Schopnost mikroprocesoru zpracovávat posloupnost instrukcí se nazývá architektura mikroprocesoru. Instrukce se zpracovávají buď sekvenčně, tj. jedna za druhou, nebo superskalárně, tzn. nezávisle na sobě. Dalším zrychlujícím prvkem mikroprocesoru je pipelining, kdy se instrukce zpracovávají najednou ve více fázích. S ostatními komponentami počítače komunikuje mikroprocesor pomocí sběrnic, kterými proudí data, adresy nebo řídící signály (adresové, datové, řídící sběrnice). Čím více vodičů sběrnice má (definuje se tzv. "šířka sběrnice"), tím více dat je schopna přenášet. Veškeré přenášené informace se skládají z nul a jedniček. Pokud má sběrnice 32 vodičů (sběrnice je 32bitová), může přenášet 232 různých informací. Sběrnice se dělí na adresové (obhospodařující paměť) a datové (přenáší data mezi mikroprocesorem a okolím). Elektronické obvody tvořící mikroprocesor pracují v jednotlivých taktech, které udávají jejich pracovní tempo. Každá základní deska je vybavena generátorem taktů, který generuje taktovací impulsy pro mikroprocesor. Základní deska nabízí přepínání více taktovacích frekvencí. Čím je vnitřní frekvence mikroprocesoru vyšší, tím rychleji mikroprocesor pracuje, ale také se více zahřívá. V současnosti dosahují procesory taktovací frekvence až 2 Ghz. Vnitřní frekvence je vždy násobkem frekvence vnější, která určuje rytmus práce periferních zařízení (=> pomalejší práce). Vnější frekvence je generována stejným časovým obvodem jako vnitřní, lze ji nastavovat umístěním jumperů (propojek). Popř. lze nastavit u modernějších BIOSů a základních desek přímo v SETUPu. Na základní desce lze upravit také napájení mikroprocesoru. Napětí, kterým jsou procesory napájeny se neustále snižuje, aby se snížilo jejich zahřívání vlivem spotřeby většího množství elektrické energie. Velikosti napětí se pohybují kolem 3,3 V. Mikroprocesory pro notebooky mají napětí nižší než 3 V. Napájecí zdroj dodává na desku napětí vyšší (asi 5 V), nastavení napětí pro mikroprocesor se provádí pomocí jumperů nebo v SETUPu (všechny potřebné údaje nalezneme v dokumentaci). Dříve se mikroprocesory pájely napevno do základní desky. Dnes jsou upevňovány pomocí patic (socketů). Patice bývají typu ZIF, tzn. že mají na boku páčku, jejímž zvednutím se mikroprocesor z patice uvolní a stlačením se naopak do patice upevní. Do patice je tak možné vložit např. výkonnější procesor, který je s paticí vývodově kompatibilní (nutné je zkontrolovat kompatibilitu napájecího napětí, šířku sběrnice a frekvence podporované zákl. deskou). Asi od Pentií 75 MHz je nezbytné procesory chladit pomocí aktivních a pasivních
chladičů. Pasivní chladiče se skládají z chladících žeber, kterými proudí vzduch. Chladiče se na mikroprocesor lepí, nebo se k němu připínají speciálními klipsami, dále se aktivní chladiče připojují ke konektoru napájecího zdroje. Výrobci chladičů: Cryotech, Titan. Mikroprocesory Intel: Mikroprocesory Intelu se vyvíjely pod označením i80x86 (i80486 ) a jsou zpětně kompatibilní. Od procesoru 80486 se do mikroprocesorů integruje matematický koprocesor, který řeší výhradně matematické operace. Dříve bylo nutné koprocesor dodatečně dokoupit a nastavit pomocí jumperů a SETUPu. Starší typy procesorů Intelu: 4004 - první 4bitový procesor 8086 - první 16bitový procesor Intelu, stal se základem celé další řady. 8088 - zjednodušený 8bitový procesor. Byl použit v prvním počítačích řady IBM PC (- >IBM PC XT). Na těchto počítačích je poprvé použit OS MS-DOS. 80286 - * podstatné vylepšení, počítače s tímto mikroprocesorem byly označovány AT 80386 - první 32bitový procesor, zlepšení práce s pamětí (rozdělování pamětí na oblasti) 80386 SX - navržen do starších desek pro 286. 80486 - má integrovanou interní cache (8 KB) a matematický koprocesor, používá prvky RISC, používá pětistupňový pipelining. Frekvence je 20, 25, 33 a 40 u procesorů 486 DX/2 je dvojnásobná, u procesorů 486 DX/4 překvapivě trojnásobná. Verze 486 SX byla ořezanou verzí bez matematického koprocesoru (výsledek marketingové strategie). LV nebo L je označení 486 s nižší voltáží (3,3 V). Pentium - navíc další superskalární a RISC prvky. Obsahuje zvětšenou paměť cache v režimu write-back. Obsahuje mechanismus snažící se předpovědět cílovou adresu skoků a dokáže zpracovávat i dvě instrukce najednou => je podstatně rychlejší než předešlé mikroprocesory. Pentia s frekvencí 166, 200, 233 obsahují multimediální instrukční sadu MMX, která běžné aplikace zrychlí asi o 10-20%, napájení je 3,3 nebo 2,8 V. Pentia jsou zasunována do patic ZIF (zero input force = nulová vstupní síla). Od Pentií 75, respektive od 100 MHz je nutno mikroprocesor chladit. Pentia je také možno přetaktovávat pomocí nastavení jumperů na vyšší frekvence. Při nadměrném zvýšení frekvence se však mohou objevovat chyby v chodu procesoru, snižuje se jeho životnost (10 let je však až kam) a hrozí jeho přepálení. Pentium Pro - nově obohacená o další prvky RISC, které umožňují navýšení výkonu. Integrována je i cache L2 (256 KB, popř. dvojnásobek), 15,5 mil. tranzistorů. V pipeliningu se instrukce zpracovávají i ve 14 fázích (podstatně rychlejší). Předpovídá se dopředu průběh a zpracovávání programu - sestavuje se časový plán, příkazy nemusí být zpracovávány jeden za
druhým. Mikroprocesor je stále zaměstnán. Mikroprocesory Pentium Pro umožňují i víceprocesorovou spolupráci, byla pro ně vyvinuta sběrnice Pentium Pro Bus. Pentium Pro však není optimalizováno pro starší 16bitové programy (=>nejvýhodnější jsou operační systémy Windows NT, UNIX, Linux (nikoli W95) a vyšší). Frekvence je 150, 166, 200 MHz. Intel Celeron - od r. 1998, vyráběl se 0,25 mikronovou technologií (velikost tranzistorů), pracoval na frekvenci 266 MHz a na rozdíl od Pentia II neměl žádnou vyrovnávací paměť druhé úrovně (cache L2) => levnější varianta Pentií II. Od verze 300A (Intel Celeron A) však bylo přidáno 128 KB cache L2, postupně byla zlepšena výrobní technologie na 0,18 mikronů, bylo změněno zapouzdření procesoru, podporované sběrnice byly i 100 MHz a razantně se zvyšovala frekvence. Procesory Intel Celeron se vkládají do patice Socket 370 (stejně jako Pentia III), obsahují instrukce MMX a SSE. Dnes pracují levnější verze nových Celeronů na 1,2 GHz, použito je jádro Tualatin, 0,13mikronová technologie, 256 cache L2, 32 cache L1 a nové zapouzdření. Oproti Duronům je spotřeba jen 29W. Novější Celerony však nejsou kompatibilní se staršími deskami. Intel Pentium II - na rozdíl od prvních Celeronů obsahují integrovanou cache L2 Intel Pentium III - instrukce SSE2, zasazuje se do patice Socket 370, vyrábí se i v mobilní verzi Mobile Pentium III - velmi nízká spotřeba (0,5 W), velký výkon (od 750/500 (vnitřní/vnější frekvence) Mhz) Intel Pentium IV - frekvence kolem 2 GHz (1,5; 1,8 ), instrukce SSE 2, které podporují rozhraní DirectX8, práce se sběrnicemi na frekvenci až 400 MHz, dvojitá přesnost výpočtů v plovoucí řádové čárce, 256 KB cache L2. Intel Itanium - pod kódovým označením McKinley - vyšší počet prováděných instrukcí v jednom taktu, rozsáhlá podpora interní paměti. Intel Xeon - nástupce Intel Pentia III Xeonu: 1,4 až 1,7 Mhz, vyráběny pro výkonné víceprocesorové stanice a servery, vychází z architektury Pentia IV, nejpoužívanější instrukce jsou prováděny na dvojnásobku frekvence procesoru, obsahuje instrukce pro urychlení předávání instrukcí. Mikroprocesory AMD: Pro neintelovské procesory se používá označování výkonnosti "P-rating", které vyjadřuje výkonovou podobnost s Intelem (např. P100, P100+). AMD486-100, 120 133 Mhz - kompatibilita s i80486 AMD5x86 - výkon srovnatelný s 1. Pentii AMD K5 - zpracování instrukcí je podobné Pentiu Pro (v 1 taktu může dokončit až 4 instrukce), 16 KB cache L1. Může být osazen na základní desku Pentia. AMD K6 - další vylepšení. AMD K6 2 - frekvence 266, 300, 350 MHz, výkonově srovnatelné s Intel Celeronem 300 MHz. V některých aplikacích (3D) má tento mikroprocesor navrch. Obsahuje instrukce AMD 3DNow! AMD Athlon - od r. 1999, 1,4 Mhz, technologie 0,18 mikronu, vkládá se do patice Socket A. Nově se procesory Athlon vyrábějí i do dvouprocesorových serverů a stanic. AMD Duron - od r. 2000, Duron je osekanou verzí AMD Athlonu, osazuje se tradiční patice AMD - do Socketu A (jako Athlon), podporuje i paměti DDR SDRAM. Frekvence se pohybuje od 600-1100 MHz, stejně jako Athlon podporuje 52 instrukcí AMD 3Dnow!
Professional, instrukce 3Dnow+ a je kompatibilní s instrukcemi SSE od Intelu. Nově mají implementovanou i termální diodu, která by měla zabránit přehřátí mikroprocesoru (např. Athlony se při přetaktování mohly snadno upéct). Velikost cache L1 je 128 KB, L2 64 KB, spotřeba 43W, podpora pamětí SDRAM, DDR SDRAM; 0,18 mikronová technologie. Mikroprocesory Cyrix: Své mikroprocesory vyrábí Cyrix na výrobních linkách IBM (proto mají někdy označení IBM). Cyrix 5x86 (kompatibilita s 486, výkonnostně srovnatelné s Pentiem) Cyrix/IBM 6x86 - podobný Pentiu Pro, navíc 16bitová podpora, 133, 200 Mhz, nutnost lepšího chlazení. Cyrix M2 - až 200 Mhz Významné procesory EDSAC první praktický počítač s uloženým programem Navigační počítač Apollo použitý při letech na měsíc MIPS R4000 první 64-bitový mikroprocesor Intel 4004 první mikroprocesor