▷ חלקים של מעבד מבחוץ ומבפנים: מושגי יסוד?

בטח שכולנו יודעים בערך מהו מעבד, אך האם אנו באמת יודעים מהם חלקי המעבד ? כל אחד ואחד מהעיקרים העיקריים, הנחוצים בכיכר הסיליקון הקטנה הזו בכדי להיות מסוגלים לעבד כמויות גדולות של מידע, היכולת להעביר את האנושות לעידן בו, מבלי שיהיו לו מערכות אלקטרוניות, יהיה מכשול מוחלט.

מעבדים הם כבר חלק מחיי היומיום שלנו, במיוחד של אנשים שנולדו בעשרים השנה האחרונות. רבים התערבו לחלוטין עם טכנולוגיה, שלא לדבר על הקטנטנים שמכניסים סמארטפון מתחת לזרועותיהם במקום כיכר… בכל המכשירים הללו, ישנו אלמנט משותף המכונה מעבד, שאחראי על מתן "אינטליגנציה" ל המכונות סביבנו. אם אלמנט זה לא היה קיים, גם מחשבים, מוביילים, רובוטים וקווי הרכבה, בקיצור, לכולם הייתה עבודה… אבל אי אפשר היה להגיע למקום בו הגענו אותם, עדיין אין עולם כמו "מטריקס", אלא הכל ילך.

מדד התוכן

מהו מעבד ולמה זה כל כך חשוב

ראשית עלינו להיות מודעים לכך שלא רק למחשב יש מעבד בפנים. לכל המכשירים האלקטרוניים, כולם, יש בתוכם אלמנט שמתפקד כמעבד, בין אם מדובר בשעון דיגיטלי, אוטומט הניתן לתכנות או סמארטפון.

אך כמובן שעלינו להיות מודעים לכך, תלוי ביכולותיהם ובמה שהם מיוצרים, מעבדים יכולים להיות מורכבים פחות או יותר, החל מביצוע רצף של קודים בינאריים להדלקת לוח LED ועד טיפול בכמויות אדירות של מידע, כולל למידה מהם (למידת מכונה ובינה מלאכותית).

המעבד או יחידת העיבוד המרכזית בספרדית הם מעגל אלקטרוני המסוגל לבצע את המשימות וההוראות הכלולות בתוכנית. הוראות אלה מפושטות מאוד, ומרתחות לחישובי חשבון בסיסיים (תוספת, חיסור, כפל וחילוק), פעולות לוגיות (AND, OR, NOT, NOR, NAND) ובקרת קלט / פלט (קלט / פלט). של המכשירים.

ואז המעבד הוא הגורם האחראי לביצוע כל הפעולות שמהוות הוראות של תוכנית. אם אנו מכניסים את עצמנו לנקודת המבט של המכונה, פעולות אלה מצטמצמות לשרשראות פשוטות של אפסים ואלו, הנקראות ביטים, והן מייצגות את המצבים הנוכחיים / הלא-זרמיים, וכך נוצרים מבנים לוגיים בינאריים שאפילו האדם מסוגל. להבין ולתכנת בקוד מכונה, הרכבה או דרך שפת תכנות ברמה גבוהה יותר.

הטרנזיסטורים, האשמים בכל דבר

מעבדים לא היו קיימים, לפחות כה קטנים, אלמלא הטרנזיסטורים. הם היחידה הבסיסית כביכול, של כל מעבד ומעגל משולב. זהו מכשיר מוליכים למחצה שסוגר או פותח מעגל חשמלי או מגביר אות. באופן זה, כך אנו יכולים ליצור אפסים ואפסים, השפה הבינארית שמעבד ה- CPU מבין.

טרנזיסטורים אלה החלו כשסתומי ואקום, מכשירים ענקיים דמויי נורה המסוגלים לבצע את נסיעות הטרנזיסטור עצמו, אך עם אלמנטים מכניים בוואקום. מחשבים כמו ENIAC או EDVAC היו שסתומי ואקום בתוכם במקום טרנזיסטורים והם היו גדולים להפליא וצרכו את האנרגיה של עיר קטנה. מכונות אלה היו הראשונות עם ארכיטקטורת פון נוימן.

אך בשנות החמישים עד 1960 החלו להקים מעבדי טרנזיסטור ראשונים - למעשה, זה היה יבמ בשנת 1958 כאשר יצרה את המכונה הראשונה מבוססת טרנזיסטור מוליכים למחצה באמצעות IBM 7090. מאז ההתפתחות הייתה מרהיבה, יצרנים כמו אינטל ובהמשך AMD החלו ליצור את המעבדים הראשונים למחשבים שולחניים, תוך יישום ארכיטקטורת ה- x86 המהפכנית, בזכות מעבד Intel 8086. למעשה, גם כיום המעבדים השולחניים שלנו מבוססים על ארכיטקטורה זו, בהמשך נראה את חלקי מעבד ה- x86.

לאחר מכן, הארכיטקטורה החלה להיות מורכבת יותר ויותר, עם שבבים קטנים יותר וגם עם הכניסה ראשונה של יותר ליבות בפנים, ואז עם ליבות שהוקדשו במיוחד לעיבוד גרפי. אפילו בנקי זיכרון מהירים במיוחד הנקראים זיכרון מטמון ואוטובוס החיבור עם הזיכרון הראשי, RAM, הוצג בתוך השבבים הקטנים האלה.

החלקים החיצוניים של המעבד

לאחר סקירה קצרה זו של תולדות המעבדים עד אשר אנו בימנו, נראה אילו אלמנטים חיצוניים יש למעבד הנוכחי. אנו מדברים על אלמנטים פיזיים שאפשר לגעת בהם ונראים למשתמש. זה יעזור לנו להבין טוב יותר את הצרכים הפיזיים והקישוריים של מעבד.

שקע

שקע המעבד או השקע הוא מערכת אלקטרומכנית המותקנת באופן קבוע על לוח האם שאחראית לחבר בין המעבד עם שאר האלמנטים בלוח ובמחשב. ישנם מספר סוגים בסיסיים של שקעים וגם עם הרבה תצורות שונות. ישנם שלושה אלמנטים בשמך או בערך אשר יביאו לנו להבין על איזה אנו מדברים:

היצרן יכול להיות אינטל או AMD במקרה של מחשבים אישיים, זה משהו פשוט להבין. באשר לסוג החיבור יש לנו שלושה סוגים שונים:

• LGA: (מערך מגע רשת), פירושו שסיכות המגע מותקנות בשקע עצמו, בעוד שלמעבד המעבד יש מערך מגע שטוח בלבד. PGA: (מערך רשת של סיכות), זה בדיוק ההפך מקודמו, זה המעבד שיש לו את הסיכות, ושקע החורים כדי להכניס אותם. BGA: (מערך רשת כדור), במקרה זה המעבד מולחם ישירות ללוח האם.

באשר למספר האחרון, הוא מזהה את סוג החלוקה או את מספר סיכות החיבור שיש למעבד עם השקע. יש כמות עצומה של שניהם באינטל וגם ב- AMD.

מצע

המצע הוא בעצם ה- PCB בו מותקן שבב הסיליקון המכיל את המעגל האלקטרוני של הליבות, המכונה DIE. המעבדים של ימינו עשויים להתקין בנפרד יותר מאחד האלמנטים הללו.

אבל גם ה- PCB הקטן הזה מכיל את כל המטריצה ​​של סיכות החיבור עם השקע של לוח האם, כמעט תמיד מצופה זהב כדי לשפר את העברת החשמל, ובהגנה מפני עומסי יתר ויתר זרמים בצורה של קבלים.

למות

ה- DIE הוא בדיוק הריבוע או השבב המכיל את כל המעגלים המשולבים והרכיבים הפנימיים של מעבד. מבחינה ויזואלית זה נראה כאלמנט שחור קטן הבולט מתוך המצע ויוצר קשר עם אלמנט פיזור החום.

מכיוון שמערכת העיבוד כולה נמצאת בתוכה, ה- DIE מגיע לטמפרטורות גבוהות במיוחד, ולכן עליו להיות מוגן על ידי אלמנטים אחרים.

IHS

נקרא גם DTS או מפזר תרמי משולב, ותפקידו ללכוד את כל הטמפרטורה של ליבות המעבד ולהעביר אותם לצינור הקיר שרכיב זה התקין. הוא עשוי נחושת או אלומיניום.

אלמנט זה הוא גיליון או אנקפסולציה המגנים על ה- DIE מבחוץ, ויכולים להיות במגע ישיר עמו באמצעות משחה תרמית או מרותכים ישירות. בציוד משחקים מותאם אישית משתמשים מורידים את ה- IHS הזה בכדי למקם כיורי קירור ישירות במגע עם DIE באמצעות משחה תרמית במתחם מתכת נוזלי. תהליך זה נקרא Delidding ומטרתו לשפר משמעותית את טמפרטורות המעבד.

גוף קירור

האלמנט הסופי שאחראי על לכידת חום רב ככל האפשר והעברתו לאווירה. מדובר בלוקים קטנים או גדולים העשויים אלומיניום ובסיס נחושת, המסופקים עם מאווררים המסייעים בקירור המשטח כולו באמצעות זרם אוויר מאולץ דרך הסנפירים.

כל מעבד מחשב זקוק לכיור קירור כדי לתפקד ולשמור על טמפרטורותיו תחת שליטה.

ובכן אלה הם החלקים של מעבד חיצוני, כעת אנו הולכים לראות את החלק הטכני ביותר, את הרכיבים הפנימיים שלו.

אדריכלות פון נוימן

המחשבים של ימינו מבוססים על הארכיטקטורה של פון נוימן, שהיה המתמטיקאי האחראי על מתן חיים בשנת 1945 למחשבים הראשונים בהיסטוריה, אתם יודעים, ENIAC ושאר חבריה הגדולים. ארכיטקטורה זו היא בעצם האופן בו מופצים האלמנטים או הרכיבים של מחשב כך שתפעולו אפשרי. זה מורכב מארבעה חלקים בסיסיים:

• תוכנית זיכרון נתונים: זהו האלמנט בו מאוחסנים ההוראות שיש לבצע במעבד. זה מורכב מכונני אחסון או כוננים קשיחים, זיכרון RAM לגישה אקראית ותוכניות המכילות את ההוראות עצמן. יחידת עיבוד מרכזית או מעבד: זהו המעבד, היחידה השולטת ומעבדת את כל המידע שמגיע מהזיכרון הראשי והתקני הקלט. יחידת כניסה ויציאה: מאפשרת תקשורת עם ציוד היקפי ורכיבים המחוברים ליחידה המרכזית. מבחינה פיזית יכולנו לזהות אותם כחריצים והנמלים של לוח האם שלנו. אוטובוסי נתונים: הם המסילות, המסילה או הכבלים המחברים פיזית בין האלמנטים, במעבד הם מחולקים לאוטובוס הבקרה, אוטובוס הנתונים ואוטובוס הכתובות.

מעבדים רב ליבתיים

לפני שנתחיל לרשום את הרכיבים הפנימיים של מעבד, חשוב מאוד לדעת מהן ליבות המעבד ותפקידן בו.

ליבה של מעבד הוא המעגל המשולב שאחראי על ביצוע החישובים הדרושים עם המידע העובר דרכו. כל מעבד פועל בתדר מסוים, הנמדד ב- MHz, המציין את מספר הפעולות שהוא מסוגל לבצע. ובכן, למעבדים הנוכחיים לא רק ליבה, אלא לכמה מהם, כולם עם אותם רכיבים פנימיים ומסוגלים לבצע ולפתור הוראות במקביל בכל מחזור שעון.

כך שאם מעבד ליבה יכול לבצע הוראה אחת בכל מחזור, אם היה לו 6, הוא יכול לבצע 6 מהוראות אלה באותו מחזור. זהו שדרוג ביצועים דרמטי, ודווקא מה המעבדים של ימינו עושים. אבל יש לנו לא רק ליבות, אלא גם עיבוד חוטים, שהם כמו סוג של ליבות הגיוניות שדרכן מסתובבים חוטי התוכנית.

בקר במאמר שלנו בנושא: מהם החוטים של מעבד? הבדלים עם הגרעינים כדי לדעת יותר בנושא.

חלקים פנימיים של מעבד (x86)

יש הרבה אדריכלות ותצורות מיקרו-מעבדים שונות, אך זה שמעניין אותנו הוא זה שנמצא בתוך המחשבים שלנו, וזה ללא ספק זה שמקבל את השם x86. יכולנו לראות את זה ישירות פיזית או סכמטית כדי להבהיר מעט יותר, לדעת שכל זה נמצא בתוך ה- DIE.

עלינו לזכור כי יחידת הבקרה, היחידה האריתמטית והלוגית, האגרים וה- FPU יהיו קיימים בכל ליבות המעבד.

בואו נסתכל תחילה על המרכיבים הפנימיים העיקריים:

יחידת בקרה

באנגלית שנקראת Conrol Unit או CU, זה אחראי על הכוונת פעולת המעבד. זה עושה זאת על ידי הוצאת פקודות בצורה של אותות בקרה ל- RAM, ליחידה האריתמטית-לוגית, ולהתקני הכניסה והפלט, כך שיידעו כיצד לנהל את המידע וההוראות שנשלחים למעבד. לדוגמה, הם אוספים נתונים, מבצעים חישובים ומאחסנים תוצאות.

יחידה זו מבטיחה ששאר הרכיבים עובדים בסנכרון באמצעות אותות שעון ותזמון. כמעט לכל המעבדים יש יחידה זו בפנים, אך נניח שהיא מחוץ למה שהוא ליבת העיבוד עצמה. בתורו, נוכל להבחין בתוכה את החלקים הבאים:

• שעון (CLK): הוא אחראי על יצירת אות מרובע המסנכרן את הרכיבים הפנימיים. ישנם שעונים אחרים האחראים על סינכרוניה זו בין אלמנטים, למשל המכפיל, אותו נראה בהמשך. מונה תכניות (CP): מכיל את כתובת הזיכרון של ההוראה הבאה שתבוצע. Register Register (RI): שומר את ההוראות שמבוצעות Sequencer and Decoder: מפרש ומבצע את ההוראות באמצעות פקודות

יחידה אריתמטית-לוגית

אתה בטח יודע זאת על פי ראשי התיבות שלה "ALU". ה- ALU אחראי על ביצוע כל החישובים האריתמטיים והגיוניים עם מספרים שלמים ברמת הסיביות, יחידה זו אכן עובדת ישירות עם ההוראות (אופרנדים) ועם הפעולה שביחידת הבקרה הורתה לה לבצע אותה (מפעיל).

האופרנדים יכולים להגיע בין מהרישומים הפנימיים של המעבד, או ישירות מזיכרון ה- RAM, הם יכולים אפילו להיווצר ב- ALU עצמו כתוצאה מפעולה אחרת. הפלט של זה יהיה תוצאה של הפעולה, ויהיה מילה נוספת שתאוחסן בפנקס. אלה החלקים הבסיסיים שלה:

• רישומי הכניסה (REN): הם שומרים עליהם את האופרנדים שיש להעריך. קוד פעולה: ה- CU שולח את המפעיל כך שהפעולה תבוצע מצבר או תוצאה: תוצאת הפעולה יוצאת מה- ALU כמילה בינארית סטטוס (דגל): היא מאחסנת תנאים שונים שיש לקחת בחשבון במהלך הפעולה.

יחידת נקודה צפה

אתה תדע את זה בתור FPU או יחידת נקודה צפה. בעיקרון זהו עדכון המבוצע על ידי מעבדי הדור החדש המתמחה בחישוב פעולות נקודה צפה בעזרת מעבד מתמטי. ישנן יחידות שיכולות אפילו לבצע חישובים טריגונומטריים או מעריכיים.

בעיקרון מדובר בהתאמה להגדלת ביצועי המעבדים בעיבוד הגרפי בו החישובים שיש לבצע הם הרבה יותר כבדים ומורכבים מאשר בתוכנות רגילות. במקרים מסוימים, הפונקציות של ה- FPU מבוצעות על ידי ה- ALU עצמו באמצעות מיקרו-קוד הוראות.

רשומות

למעבדים של ימינו מערכת אחסון משלהם, כביכול, והיחידה הקטנה והמהירה ביותר היא הרשמים. בעיקרון מדובר במחסן קטן בו מאוחסנים ההוראות המעובדות והתוצאות המתקבלות מהן.

זיכרון מטמון

הרמה הבאה של האחסון היא זיכרון המטמון, שהוא גם זיכרון מהיר במיוחד, הרבה יותר מאשר זיכרון זיכרון RAM שאחראי לאחסון ההוראות שישמשו במיידי על ידי המעבד. או לפחות תנסו לאחסן את ההוראות שלדעתכם ישמשו, מכיוון שלעתים אין ברירה אלא לבקש אותן ישירות מ- RAM.

המטמון של המעבדים הנוכחיים משולב באותו DIE של המעבד, ומחולק לסך הכל לשלוש רמות, L1, L2 ו- L3:

• מטמון רמה 1 (L1): הוא הקטן ביותר אחרי יומני הרישום, והמהיר ביותר מבין השלושה. לכל ליבת עיבוד יש מטמון L1 משלו, אשר בתורו מחולק לשניים, נתוני L1 האחראים על אחסון הנתונים, ו- L1 Instructions, המאחסן את ההוראות לביצוע. זה בדרך כלל 32KB כל אחד. מטמון רמה 2 (L2) - זיכרון זה איטי יותר מ- L2, אך גם גדול יותר. בדרך כלל, לכל ליבה יש L2 משלה, שעשוי להיות בערך 256 קילוגרם, אך במקרה זה הוא אינו משולב ישירות במעגל הליבה. מטמון ברמה 3 (L3): הוא האיטי מבין השלושה, אם כי מהיר בהרבה מ- RAM. הוא ממוקם גם מחוץ לגרעינים ומופץ בין מספר גרעינים. זה נע בין 8 MB ל- 16 MB, אם כי במעבדים חזקים מאוד הוא מגיע עד 30 MB.

אוטובוסים נכנסים ויוצאים

האוטובוס הוא ערוץ התקשורת בין האלמנטים השונים המרכיבים מחשב. אלה הם הקווים הפיזיים שדרכם מסתובבים הנתונים בצורת חשמל, ההוראות וכל האלמנטים הדרושים לעיבוד. ניתן להציב אוטובוסים אלה ישירות בתוך המעבד או מחוצה לו, על לוח האם. ישנם שלושה סוגים של אוטובוסים במחשב:

• אוטובוס נתונים: ללא ספק הקל ביותר להבנה, מכיוון שהוא האוטובוס שדרכו מסתובבים הנתונים שנשלחים והתקבלו על ידי הרכיבים השונים, אל המעבד או ממנו. המשמעות היא שמדובר באוטובוס דו כיווני ודרכו יעבור מילים באורך של 64 סיביות, האורך שהמעבד מסוגל לטפל בו. דוגמה לאוטובוס נתונים הם קווי LANES או PCI Express Lines, אשר מתקשרים את המעבד עם חריצי PCI, למשל, עבור כרטיס גרפי. אוטובוס כתובת: אוטובוס הכתובות לא מפיץ נתונים, אלא כתובות זיכרון כדי לאתר היכן הנתונים שנמצאים בזיכרון. זיכרון RAM הוא כמו מאגר נתונים גדול המחולק לתאים, ולכל אחד מהתאים האלה כתובת משלו. המעבד הוא זה שמבקש מהזיכרון את הנתונים על ידי שליחת כתובת זיכרון, כתובת זו חייבת להיות גדולה כמו שיש לתאים זיכרון ה- RAM. נכון לעכשיו מעבד יכול לפנות לכתובות זיכרון של עד 64 ביט, כלומר נוכל לטפל בזיכרונות של עד 2 ⁶⁴ תאים. אוטובוס בקרה: אוטובוס הבקרה מופקד על ניהול שני האוטובוסים הקודמים, באמצעות אותות בקרה ותזמון בכדי לעשות שימוש מסונכרן ויעיל בכל המידע שמגיע למעבד או ממנו. זה יהיה כמו מגדל בקרת התעבורה האווירית של שדה תעופה.

BSB, יחידת קלט / פלט ומכפיל

חשוב לדעת שלמעבדים הנוכחיים אין FSB או Front Front המסורתיים, ששימשו כדי לתקשר את המעבד עם שאר האלמנטים בלוח האם, למשל ערכות שבבים וציוד היקפי דרך גשר הצפון והגשר הדרומי. הסיבה לכך היא שהאוטובוס עצמו הוכנס למעבד כיחידה לניהול נתונים של קלט ופלט (קלט / פלט) המקשר ישירות את ה- RAM עם המעבד כאילו היה הגשר הצפוני הישן. טכנולוגיות כמו HyperTransport של AMD או HyperThreading של Intel אחראיות על ניהול חילופי המידע על מעבדים בעלי ביצועים גבוהים.

BSB או Back Side Bus הוא האוטובוס האחראי על חיבור המעבד עם זיכרון המטמון האישי שלו, בדרך כלל זה של L2. בדרך זו ניתן לשחרר את האוטובוס הקדמי מעומס לא קטן, וכך לקרב את מהירות המטמון אפילו יותר למהירות הליבה.

ולבסוף יש לנו את המכפילים, שהם סדרת אלמנטים שנמצאים בתוך המעבד או מחוצה לו האחראים על מדידת הקשר בין שעון ה- CPU לשעון של האוטובוסים החיצוניים. בשלב זה אנו יודעים כי ה- CPU מחובר לאלמנטים כמו זיכרון RAM, ערכת השבבים וציוד היקפי אחר דרך אוטובוסים. בזכות המכפילים הללו, יתכן שתדר ה- CPU מהיר בהרבה מהאוטובוסים החיצוניים, בכדי להיות מסוגלים לעבד יותר נתונים.

מכפיל של x10 למשל, יאפשר למערכת שעובדת במהירות 200 מגה הרץ, לעבוד על המעבד במהירות 2000 מגה הרץ. במעבדים הנוכחיים אנו יכולים למצוא יחידות שהמכפיל לא נעול, פירוש הדבר שנוכל להגדיל את התדירות שלו ובכך את מהירות העיבוד שלה. אנו קוראים לזה אוברקלוקינג.

IGP או כרטיס גרפי פנימי

לסיום עם חלקי המעבד איננו יכולים לשכוח את היחידה הגרפית המשולבת שחלקם נושאים. לפני שראינו מהו FPU, ובמקרה זה אנו עומדים בפני משהו דומה, אך עם הרבה יותר כוח, מכיוון שבעצם מדובר בסדרה של ליבות המסוגלות לעבד באופן עצמאי את הגרפיקה של הצוות שלנו, אשר למטרות מתמטיות הן כמות עצומה של חישובי נקודה צפה ועיבוד גרפי שיהיה אינטנסיבי מאוד במעבד.

ה- IGP מבצע את אותה פונקציה כמו כרטיס גרפי חיצוני, זה שהתקנו באמצעות חריץ PCI-Express, רק בקנה מידה קטן יותר או בעוצמה. זה נקרא מעבד גרפיקה משולב מכיוון שמדובר במעגל משולב המותקן באותו מעבד המשחרר את היחידה המרכזית בסדרת תהליכים מורכבים זו. זה יהיה שימושי כאשר אין לנו כרטיס גרפי, אך לעת עתה אין לו ביצועים הדומים לאלה.

גם ל- AMD וגם לאינטל יש יחידות שמשלבות IGP במעבד, ובכך נקראות APU (Accelated Processing Unit). דוגמה לכך היא כמעט כל ליבת ה- Intel של משפחת i, יחד עם ה- AMD Athlon וכמה Ryzen.

מסקנה על חלקי המעבד

ובכן, אנו מגיעים לסוף המאמר הארוך הזה בו אנו רואים בצורה פחות או יותר בסיסית מהם חלקי המעבד, הן מבחינה חיצונית והן מבחינה פנימית. האמת שזה נושא מעניין מאוד אבל מורכב וארוך להסביר, שפרטיו הם מעבר להבנתם של כמעט כולנו שלא שקועים בפסי ההרכבה והיצרנים של מכשירים מסוג זה.

כעת אנו משאירים לכם מספר הדרכות שעשויות לעניין אתכם.

אם יש לך שאלות או שאתה רוצה להבהיר כל נושא במאמר, אנו מזמינים אותך לכתוב את זה בתיבת התגובה. זה תמיד טוב לדעתם של אחרים.