Mikroprocesor

Mikroprocesor

Mikroprocesor je srdcom každého počítača. Hlavne od neho závisí aký bude systém výkonný a rýchly, teda ako rýchlo bude spracovávať zadané údaje.

Mikroprocesor spracováva inštrukcie programu, ktorý ho riadi. Niektoré inštrukcie je schopný spracovávať sám, na spracovanie iných zase využíva iné komponenty počítača. Základnou vlastnosťou mikroprocesora je jeho programovateľnosť a integrácia všetkých obvodov do jedného puzdra.
Jadrom každého mikroprocesoru je logický obvod, ktorý dokáže spracovať sadu jednoduchých inštrukcií, čo sú vlastne jednoduché príkazy

Keď je program skopírovaný do operačnej pamäte, mikroprocesor dostane informáciu, na ktorej adrese v pamäti spustená aplikácia začína. Z tejto adresy si procesor načíta inštrukciu, ktorá sa zapíše do vyrovnávacej pamäte pre ďalšie použitie a odovzdá sa ďalej procesoru.

Inštrukčný dekóder sa stará o to, aby procesor vedel čo má robiť, akú inštrukciu má vykonávať a aké sú jej parametre – dekóduje inštrukciu. Po dekódovaní inštrukcie procesor spozná, aká je dlhá a kde začína nasledujúca inštrukcia.

Podľa toho, o akú inštrukciu sa jedná, zaistí CPU (procesor) jej vykonanie. Riadiaca jednotka určí, kam rozkódovaná inštrukcia poputuje. Či sa o ňu bude starať ALJ (spracováva aritmetické a logické inštrukcie), matematický koprocesor (spracováva inštrukcie pracujúce s desatinnými číslami), alebo iný blok procesora.

Zmeny sa môžu premietnuť do pamäte, alebo len do vnútorných registrov, prípadne program ovplyvňuje chovanie periférií pomocou portov.

Registre - každý procesor má niekoľko pamäťových miest  -  registrov, do ktorých sa ukladajú práve spracovávané údaje. Počet a použitie týchto registrov závisí od typu procesora.

Periférie – zariadenia pripojené k počítaču a riadené počítačom (tlačiareň, monitor, scanner ...)

Samotná inštrukcia môže žiadať ďalšie údaje z pamäte, na ktoré sa potom čaká. Aj  tieto sa zapisujú do vyrovnávacej pamäte, pre prípad, že by boli neskôr potrebné. Aby celý tento systém fungoval synchronizovane, je súčasťou procesoru násobič frekvencie ktorý násobí základnú frekvenciu hodinového impulzu (FSB) čím vytvára pracovnú frekvenciu procesora. Táto určuje momenty, kedy sa inštrukcia odovzdáva  medzi  jednotlivými  časťami procesoru. Počíta tiež tiky pre jednotlivé bloky procesoru v prípade, že im spracovanie inštrukcie trvá dlhšie, než hodinový takt.

Cache pamäť

Na kľúčových miestach procesora sú umiestnené vyrovnávacie pamäte. Cache pamäť je vlastne veľmi rýchly pamäťový zásobník určený na dočasné ukladanie dát, ktoré procesor potrebuje.
Cache sa snaží načítať a uchovávať tie dáta, ktoré procesor bude v najbližšej dobe s veľkou pravdepodobnosťou potrebovať. Vďaka tomu v momente potreby procesor načíta tieto dáta z pamäte rovnakou rýchlosťou ako pracujú jeho ostatné časti -  jadro procesora.
Údaje z operačnej pamäte a iných častí počítača do procesora sa prenášajú cez vodiče, ktoré tvoria systémovú zbernicu.

Charakteristiky mikroprocesora

Každý mikroprocesor má svoje špecifické vlastnosti, ktoré samozrejme ovplyvňujú aj jeho cenu:

• Šírka slova (vnútorná šírka dát) je určená počtom bitov, ktoré je procesor schopný spracovať v rámci jednej inštrukcie. Môže nadobúdať hodnotu 8, 16, 32 a 64 bitov. Táto hodnota vyjadruje šírku vnútornej zbernice procesora.
• Nezávisle od šírky slova je nutné údaje do procesora dodávať a odoberať. Šírka dátovej zbernice je parametrom, ktorý vyjadruje rozmer vonkajšej zbernice určenej na komunikáciu procesora s okolím.  Najdôležitejším dôsledkom vyplývajúcim zo šírky dátovej zbernice je to, že táto šírka definuje aj veľkosť jednej bunky pamäte.
• Šírka adresnej zbernice vlastne definuje veľkosť operačnej pamäte, ktorú je procesor schopný využiť.

486/Pentium                    -32 bitov     - 4 GB
PII, PIII, P4                      - 36 bitov    - 64 GB
ITANIUM                          - 44 bitov    - 16 TB
Intel Core 2 , Athlon X2      - 64 bitov    - 16 EB

• Vnútorné registre určujú koľko informácií je procesor schopný spracovať počas jedného cyklu a akým spôsobom sú dáta v procesore presúvané. Všeobecne sa dá povedať, že väčšina súčasných procesorov obsahuje 64 bitové vnútorné registre.
• Taktovacia frekvencia reprezentuje výkon a „rýchlosť“ procesora. Udáva sa v hertzoch, v súčasnosti v GHz. Tento parameter udáva koľkokrát za sekundu je procesor schopný zmeniť svoj stav. Najmenšou jednotkou času z hľadiska procesora je 1 cyklus. Každá akcia vyžaduje minimálne jeden cyklus, platí však, že väčšina bežných operácií vyžaduje viac cyklov. Napríklad PIII potrebuje pre prvý prenos dát do pamäte aspoň 3 cykly, pre následné 3 až 6 prenosov potrebuje už len 1 cyklus na prenos.
  Pentium a ostatné procesory 5. Generácie počas jedného cyklu vykonali 1 až 2 operácie.
  PII /PIII/P4/Celeron a ATHLON/DURON vykonajú 3 a viac inštrukcií v jednom cykle. Potom napr. PIII pracujúci na 1000 MHz zodpovedá svojím výkonom teoretickému procesoru Pentium bežiacemu na 1500 MHz.

Rýchlosť procesora je násobkom rýchlosti základnej dosky danej frekvenciou FSB. Platí, že rýchlosť procesorovej zbernice sa nastavuje tak, aby zodpovedala rýchlosti pamäťových modulov.

Ďalším problémom pri vzájomnom porovnávaní procesorov je ich architektúra. Dá sa povedať, že procesor s určitou vnútornou architektúrou je schopný vykonávať určité úkony rýchlejšie ako obdobný procesor s inou vnútornou architektúrou.

Preto  je okrem frekvencie základnou jednotkou merania výkonu procesora FLOPS (Floating Point Operations Per Second) udávajúci počet operácií v pohyblivej rádovej čiarke, ktoré je procesor schopný vykonať za jednu sekundu.

Ďalšie vlastnosti ovplyvňujúce výkonnosť mikroprocesora ( jeho architektúra a podporované technológie):

Vyrovnávacia pamäť

V súčasnosti sa v počítačoch používajú tri úrovne vyrovnávacej pamäti: L1 cache, L2 cache a L3 cache.
L1 cache:
Sú ňou vybavené procesory od 486DX (8 kB). V súčasnosti je rozdelená na cache pre dáta a cache pre inštrukcie – procesory Intel štandardne 2 x 16 kB.
Je integrovaná do puzdra procesora a pracuje na plnej rýchlosti (frekvencii) jadra. Preto je procesor schopný k nej pristupovať bez akýchkoľvek čakacích stavov.

Procesor hľadá údaje v L1 cache. Ak tam nie sú načíta ich z L2 cache. Ak nie sú údaje ani v L2 cache čaká procesor na naplnenie cache z operačnej pamäte.
L2 cache:
Pridáva sa, aby nedochádzalo k výraznému spomaleniu systému pri každom chybnom cachovaní. U prvých PC bola L2 cache umiestnená na základnej doske. Pracovala na frekvencii systémovej zbernice a bola rýchlejšia ako operačná pamäť. V súčasnosti je L2 cache integrovaná na čipe a pracuje na plnej frekvencii jadra.

Súčasné mikroprocesory majú v sebe integrovanú aj L3 cache pamäť.


Viacjadrová architektúra

Súčasné procesory pozostávajú z viacerých spúšťacích jadier, ktoré sú začlenené do jedného procesora. Najlepšiu predstavu asi získate, ak si predstavíte viac procesorov v jednom.
Dvojjadrové spracovávanie inštrukcií znamená, že zatiaľ čo jedno jadro je zamestnávané bežiacou aplikáciou alebo vláknom, napríklad zisťovaním vírusov, druhé spúšťacie jadro je stále dostupné, aby mohlo spracovávať ďalšie úlohy vykonávané koncovým používateľom, ako sú prezeranie obsahu na Internete alebo práca s tabuľkovým editorom.

V súčasnosti sa vyrábajú už aj trojjadrové, štvorjadrové, šesťjadrové a osemjadrové mikroprocesory.

Technológie podporujúce prácu s multimédiami :

• MMX - Multi Media eXtension
• SSE , SSE2 a SSE3 – Streaming SIMD eXtension
• 3DNow! A Enhanced 3DNow!

Dôležitou vlastnosťou mikroprocesora je tvar pätice na základnej doske  do ktorej sa vkladá mikroprocesor – socket. Táto vlastnosť neovplyvňuje výkonnosť procesora, ale je rozhodujúca pre voľbu správnej kombinácie základná doska – mikroprocesor (obidva komponenty musia mať rovnaký socket).

V súčasnosti sa na trhu presadzujú dvaja veľký výrobcovia mikroprocesorov :

Intel	AMD

Porovnanie výkonnosti procesorov týchto výrobcov nie je úplne jednoduché. Vo všeobecnosti platí, že výkonnejší je procesor ktorý má:

• väčšiu vnútornú šírku slova a teda aj viacbitové vnútorné registre
• širšiu adresnú zbernicu
• širšiu dátovú zbernicu
• vyššiu pracovnú frekvenciu
• viac jadier
• vaščiu L1, L2 a L3 cache

Skutočná výkonnosť procesora je však ovplyvnená aj jeho vnútornou architektúrou a podporovanými technológiami. Preto sa môže stať, že procesor, ktorý má vyššiu pracovnú frekvenciu, vďaka tomu, že nepodporuje niektorú z technológií (EMT64T, HyperThreading, SSE, SSE2, SSE3 ...) je menej výkonný, ako iný pracujúci na nižšej frekvencii, ale podporujúci tieto technológie.

Preto pre porovnanie procesorov vzniklo niekoľko testov nazývaných benchmark (napr. CPUMARK99, CPUMARK2, 3Dmark05 cpu test, superPI, CPU rightmark, HOT CPU tester pro, sciencemark2 ...). Výsledky týchto benchmarkov sú však väčšinou ovplyvnené aj inými komponentmi zostavy v ktorej je procesor testovaný (RAM, grafika ...). Preto sa používajú aj benchmarky porovnávajúce výkon kompletných počítačových zostáv - PCMARK05, SYSmark®2007 Preview, Everest Ultimate Edition atď.