Zentraleinheit und ihr Gerät

Der Prozessor ist der Hauptchip im Computer. In der Regel ist es auch eine der Hightech- und teuersten PC-Komponenten. Obwohl der Prozessor ein separates Gerät ist, verfügt er in seiner Struktur über eine Vielzahl von Komponenten, die für eine bestimmte Funktion verantwortlich sind. Was sind ihre Besonderheiten?

Prozessor: Gerätefunktionen und Erscheinungsverlauf

Die heute landläufig als Zentraleinheit bezeichnete PC-Komponente zeichnet sich durch eine recht interessante Entstehungsgeschichte aus. Um seine Besonderheiten zu verstehen, ist es daher nützlich, einige Schlüsselfakten über die Entwicklung seiner Entwicklung zu untersuchen. Das Gerät, das dem modernen Benutzer als Zentraleinheit bekannt ist, ist das Ergebnis langjähriger Verbesserung der Technologie zur Herstellung von Rechenmikroschaltungen.

Im Laufe der Zeit änderte sich die Vorstellung der Ingenieure von der Prozessorstruktur. Bei Computern der ersten und zweiten Generation bestanden die entsprechenden Komponenten aus einer Vielzahl einzelner Blöcke, die sich hinsichtlich der zu lösenden Aufgaben stark unterschieden. Ab der dritten Computergeneration wurden die Funktionen des Prozessors in einem engeren Zusammenhang betrachtet. Computerdesigner bestimmten, dass dies die Erkennung und Interpretation von Maschinenbefehlen, deren Eingabe in Register sowie die Steuerung anderer PC-Hardwarekomponenten sein sollte. Alle diese Funktionen wurden in einem Gerät vereint.

Mikroprozessoren

Mit der Entwicklung der Computertechnologie begannen Geräte, die als „Mikroprozessoren“ bezeichnet werden, in die Struktur des PCs eingeführt zu werden. Eines der ersten Geräte dieses Typs war der Intel 4004, der 1971 von einem amerikanischen Unternehmen herausgebracht wurde. Mikroprozessoren in der Größenordnung eines Mikroschaltkreises vereinen in ihrer Struktur jene Funktionen, die wir oben definiert haben. Moderne Geräte arbeiten im Prinzip nach dem gleichen Konzept. So enthält der Zentralprozessor eines Laptops, PCs oder Tablets in seiner Struktur: ein logisches Gerät, Register sowie ein Steuermodul, das für bestimmte Funktionen verantwortlich ist. In der Praxis werden die Komponenten moderner Mikroschaltungen jedoch meistens in einem komplexeren Satz dargestellt. Lassen Sie uns diese Funktion genauer untersuchen.

Die Struktur moderner Prozessoren

Der Zentralprozessor eines modernen PCs, Laptops oder Tablets wird durch den Kern dargestellt - jetzt gilt es als Norm, dass es mehrere davon gibt, Cache-Speicher auf verschiedenen Ebenen sowie Controller: RAM, Systembus. Die Leistungsfähigkeit eines Chips des entsprechenden Typs wird durch seine Schlüsseleigenschaften bestimmt. In welcher Gesamtheit können sie dargestellt werden?

Die wichtigsten Merkmale der CPU auf modernen PCs sind: Mikroarchitekturtyp (normalerweise in Nanometern angegeben), Taktfrequenz (in Gigahertz), Cache-Größe auf jeder Ebene (in Megabyte), Stromverbrauch (in Watt) und Vorhandensein oder Fehlen eines Grafikkartenmoduls.

Lassen Sie uns die Besonderheiten einiger wichtiger CPU-Module genauer untersuchen. Beginnen wir mit dem Kernel.

Prozessorkern

Die zentrale Recheneinheit eines modernen PCs hat immer einen Kern. Es enthält die wichtigsten Funktionsblöcke der Mikroschaltung, durch die es die notwendigen logischen und arithmetischen Funktionen ausführt. In der Regel werden sie in einem bestimmten Satz von Elementen dargestellt. Daher nimmt das Gerät des Zentralprozessors am häufigsten das Vorhandensein von Blöcken an, die für die Lösung der folgenden Aufgaben verantwortlich sind:

Abrufen und Entschlüsseln von Anweisungen;

Datenprobenahme;

Ausführung von Anweisungen;

Berechnungsergebnisse speichern;

Arbeiten mit Interrupts.

Außerdem wird die Struktur von Mikroschaltungen des entsprechenden Typs durch eine Steuereinheit, eine Speichervorrichtung, einen Programmzähler und einen Registersatz ergänzt. Betrachten wir die Besonderheiten der entsprechenden Komponenten genauer.

Prozessorkern: Komponenten

Unter den Schlüsselblöcken im Kern des zentralen Prozessors befindet sich derjenige, der für das Lesen von Anweisungen verantwortlich ist, die in die im Programmzähler festgelegte Adresse geschrieben werden. In der Regel werden während eines Zyklus mehrere Operationen der entsprechenden Art auf einmal durchgeführt. Die Gesamtzahl der zu lesenden Befehle wird durch den Index in Decodierblöcken vorgegeben. Das Hauptprinzip dabei ist, dass bei jedem Zyklus die markierten Komponenten maximal belastet werden. Um dieses Kriterium zu erfüllen, können zusätzliche Hardwareelemente in der Prozessorstruktur vorhanden sein.

Im Dekodierungsblock werden Anweisungen verarbeitet, die den Algorithmus für den Betrieb der Mikroschaltung im Zuge der Lösung bestimmter Probleme bestimmen. Ihr Funktionieren sicherzustellen, ist laut vielen IT-Experten eine schwierige Aufgabe. Dies liegt zum Teil daran, dass die Länge einer Anweisung nicht immer klar definiert ist. Moderne Prozessoren beinhalten meist 2 oder 4 Blöcke, in denen die entsprechende Dekodierung durchgeführt wird.

Hinsichtlich der für das Abrufen von Daten verantwortlichen Komponenten besteht ihre Hauptaufgabe darin, den Empfang von Befehlen aus dem Cache-Speicher oder RAM sicherzustellen, die notwendig sind, um die Ausführung von Anweisungen sicherzustellen. In den Kernen moderner Prozessoren befinden sich meist mehrere Blöcke des entsprechenden Typs.

Auch die im Chip vorhandenen Steuerungskomponenten basieren auf decodierten Anweisungen. Sie dienen dazu, die Arbeit von Blöcken zu steuern, die für die Ausführung von Anweisungen verantwortlich sind, sowie Aufgaben zwischen ihnen zu verteilen und ihre rechtzeitige Ausführung zu steuern. Steuerungskomponenten gehören zu den wichtigsten im Aufbau von Mikroprozessoren.

In den Kernen von Mikroschaltungen des entsprechenden Typs gibt es auch Blöcke, die für die korrekte Ausführung von Anweisungen verantwortlich sind. Ihre Struktur enthält Elemente wie eine arithmetische und logische Einheit sowie eine Komponente, die für Gleitkommaberechnungen zuständig ist.

Es gibt Blöcke in den Prozessorkernen, die die Verarbeitung der Erweiterung von Sätzen steuern, die für Befehle eingestellt sind. Diese Algorithmen, ergänzend zu den Basisbefehlen, dienen der Intensivierung der Datenverarbeitung, der Durchführung von Dateiverschlüsselungs- oder Entschlüsselungsverfahren. Die Lösung solcher Probleme erfordert die Einführung zusätzlicher Register in die Struktur des Mikroschaltungskerns sowie von Befehlssätzen. Moderne Prozessoren enthalten in der Regel die folgenden Erweiterungen: MMX (zur Kodierung von Audio- und Videodateien), SSE (zur parallelen Datenverarbeitung), ATA (zur Beschleunigung von Programmen und Reduzierung des PC-Energieverbrauchs), 3DNow (Erweiterung der Multimedia-Fähigkeiten von Computern), AES (Datenverschlüsselung) sowie viele andere Standards.

Die Struktur der Prozessorkerne enthält normalerweise auch Blöcke, die dafür verantwortlich sind, die Ergebnisse in Übereinstimmung mit der in der Anweisung enthaltenen Adresse im RAM zu speichern.

Wichtig ist die Kernel-Komponente, die den Betrieb des Chips mit Interrupts steuert. Diese Funktion ermöglicht es dem Prozessor, die Stabilität von Programmen unter Multitasking-Bedingungen sicherzustellen.

Die Arbeit des zentralen Prozessors ist auch mit der Verwendung von Registern verbunden. Diese Komponenten sind analog zum RAM, aber der Zugriff auf sie ist um ein Vielfaches schneller. Das Volumen der entsprechenden Ressource ist klein - in der Regel überschreitet es ein Kilobyte nicht. Register werden in mehrere Sorten eingeteilt. Dies können Allzweckkomponenten sein, die an der Durchführung arithmetischer oder logischer Berechnungen beteiligt sind. Es gibt Spezialregister, die Systemdaten enthalten können, die vom Prozessor während des Betriebs verwendet werden.

Die Struktur des Prozessorkerns enthält auch verschiedene Hilfskomponenten. Welche zum Beispiel? Dies könnte ein Sensor sein, der die aktuelle Temperatur der CPU verfolgt. Wenn seine Leistung höher ist als die festgelegten Normen, kann der Mikroschaltkreis ein Signal an die für den Betrieb der Lüfter verantwortlichen Module senden - und sie beginnen sich schneller zu drehen. Es gibt einen Verzweigungsprädiktor in der Kernel-Struktur – eine Komponente, die entwickelt wurde, um zu bestimmen, welche Befehle ausgeführt werden, nachdem bestimmte Zyklen von Operationen, die von der Mikroschaltung ausgeführt werden, abgeschlossen sind. Ein Beispiel für eine weitere wichtige Komponente ist der Programmzähler. Dieses Modul legt die Adresse des entsprechenden Algorithmus fest, die an die Mikroschaltung übertragen wird, sobald sie mit der Ausführung des einen oder anderen Zyklus beginnt.

Dies ist die Struktur des Kernels, der in der zentralen Verarbeitungseinheit des Computers enthalten ist. Lassen Sie uns nun einige Schlüsseleigenschaften von Mikroschaltungen des entsprechenden Typs genauer untersuchen. Nämlich: Prozesstechnologie, Taktfrequenz, Cache-Speicher und Stromverbrauch.

Prozessorspezifikationen: Prozesstyp

Die Entwicklung der Computertechnologie ist normalerweise mit dem Aufkommen neuer Generationen von Computern verbunden, wenn sich die Computertechnologien verbessern. Gleichzeitig kann neben den Leistungsindikatoren auch die absolute Größe als eines der Kriterien für die Zuordnung eines Computers zu einer bestimmten Generation angesehen werden. Die allerersten Computer waren in der Größe vergleichbar mit einem mehrstöckigen Gebäude. Computer der zweiten Generation waren in der Größe beispielsweise mit einem Sofa oder einem Klavier vergleichbar. Computer der nächsten Stufe waren denen, die wir heute kennen, schon sehr nahe. Moderne PCs wiederum sind Computer der vierten Generation.

Wozu das alles eigentlich? Tatsache ist, dass sich im Laufe der Evolution von Computern eine inoffizielle Regel gebildet hat: Je technologisch fortschrittlicher das Gerät ist, desto kleiner sind die Abmessungen bei gleicher Leistung, und sogar bei mehr - es hat. Sie gilt auch in vollem Umfang in Bezug auf das betrachtete Merkmal des Zentralprozessors, nämlich den technischen Prozess seiner Herstellung. In diesem Fall kommt es auf den Abstand zwischen einzelnen Siliziumkristallen an, die die Struktur der Mikroschaltung bilden. Je kleiner es ist, desto größer ist die Dichte der entsprechenden Elemente, die das CPU-Board auf sich selbst platziert. Darüber hinaus kann es jeweils als produktiver angesehen werden. Moderne Prozessoren werden nach der 90-14-nm-Prozesstechnologie hergestellt. Dieser Indikator neigt dazu, allmählich abzunehmen.

Taktfrequenz

Die Taktrate der CPU ist einer der Schlüsselindikatoren für ihre Leistung. Sie bestimmt, wie viele Operationen pro Sekunde der Chip ausführen kann. Je mehr davon, desto produktiver der Prozessor und der Computer insgesamt. Es ist anzumerken, dass dieser Parameter vor allem den Kernel als ein unabhängiges Modul des zentralen Prozessors charakterisiert. Das heißt, wenn auf dem Chip mehrere entsprechende Komponenten vorhanden sind, arbeitet jede von ihnen mit einer separaten Frequenz. Einige IT-Experten halten es für akzeptabel, diese Merkmale über alle Kerne hinweg zusammenzufassen. Was bedeutet das? Wenn der Prozessor beispielsweise 4 Kerne mit einer Frequenz von 1 GHz hat, beträgt der Gesamtleistungsindikator des PCs nach dieser Methode 4 GHz.

Frequenzkomponenten

Der betrachtete Indikator wird aus zwei Komponenten gebildet. Erstens ist dies die Systembusfrequenz - sie wird normalerweise in Hunderten von Megahertz gemessen. Zweitens ist es der Koeffizient, mit dem der entsprechende Indikator multipliziert wird. In einigen Fällen geben Prozessorhersteller Benutzern die Möglichkeit, beide Einstellungen anzupassen. Wenn Sie gleichzeitig ausreichend hohe Werte für den Systembus und den Multiplikator einstellen, können Sie die Leistung der Mikroschaltung erheblich steigern. So wird der Prozessor übertaktet. Es stimmt, es muss sorgfältig verwendet werden.

Tatsache ist, dass während des Übertaktens die Temperatur des Zentralprozessors erheblich ansteigen kann. Wenn auf dem PC kein entsprechendes Kühlsystem installiert ist, kann dies zum Ausfall der Mikroschaltung führen.

Cache-Größe

Moderne Prozessoren sind mit Cache-Speichermodulen ausgestattet. Ihr Hauptzweck ist die vorübergehende Platzierung von Daten, die normalerweise durch eine Reihe spezieller Befehle und Algorithmen dargestellt werden - diejenigen, die am häufigsten beim Betrieb der Mikroschaltung verwendet werden. Was bringt es in der Praxis? Zunächst einmal kann die Belastung des zentralen Prozessors dadurch reduziert werden, dass die gleichen Befehle und Algorithmen online verfügbar sein werden. Nachdem die Mikroschaltung fertige Anweisungen aus dem Cache-Speicher erhalten hat, verschwendet sie keine Zeit, sie von Grund auf neu zu entwickeln. Dadurch läuft der Computer schneller.

Das Hauptmerkmal des Cache-Speichers ist das Volumen. Je größer es ist, desto umfangreicher ist dieses Modul in Bezug auf die Anordnung der eigentlichen Anweisungen und Algorithmen, die vom Prozessor verwendet werden. Umso wahrscheinlicher ist es, dass die Mikroschaltung jedes Mal unter ihnen die findet, die sie benötigt, und schneller arbeitet. Der Cache-Speicher moderner Prozessoren wird meistens in drei Ebenen unterteilt. Die erste arbeitet auf der Basis der schnellsten und modernsten Mikroschaltungen, die anderen sind langsamer. Das Volumen des Cache-Speichers der ersten Ebene beträgt bei modernen Prozessoren etwa 128-256 KB, die zweite - 1-8 MB, die dritte - kann 20 MB überschreiten.

Energieverbrauch

Ein weiterer wichtiger Parameter der Mikroschaltung ist der Stromverbrauch. Die Stromversorgung der CPU kann einen erheblichen Stromverbrauch mit sich bringen. Moderne Modelle von Mikroschaltungen verbrauchen etwa 40-50 Watt. In manchen Fällen ist dieser Parameter von wirtschaftlicher Bedeutung – etwa wenn es darum geht, große Unternehmen mit mehreren hundert oder tausend Rechnern auszustatten. Ein nicht weniger wichtiger Faktor ist jedoch der Stromverbrauch im Hinblick auf die Anpassung von Prozessoren für den Einsatz auf mobilen Geräten - Laptops, Tablets, Smartphones. Je niedriger die entsprechende Anzeige, desto länger ist die Akkulaufzeit des Geräts.