▷ מהו מעבד ואיך זה עובד

היום אנו הולכים לראות קצת חומרה. הצוות שלנו מורכב ממספר גדול של רכיבים אלקטרוניים שיחד מסוגלים לאחסן ולעבד נתונים. המעבד, המעבד או יחידת העיבוד המרכזית הם המרכיב העיקרי שלו. אנחנו הולכים לדבר על מהו מעבד, מהם הרכיבים שלו ואיך זה עובד בפירוט.

מוכנים? נתחיל!

מדד התוכן

מהו מעבד?

הדבר הראשון שנצטרך להגדיר הוא מה מעבד המיקרו לדעת את כל השאר. המעבד הוא המוח של מחשב או מחשב, והוא מורכב ממעגל משולב עטוף בשבב סיליקון המורכב ממיליוני טרנזיסטורים. תפקידו לעבד את הנתונים, לשלוט על פעולת כל התקני המחשב, לפחות חלק גדול מהם והכי חשוב: זה האחראי על ביצוע הפעולות הלוגיות והמתמטיות.

אם אנו מבינים זאת, כל הנתונים המסתובבים במכונה שלנו הם דחפים חשמליים המורכבים מאותות של אפסים ואפסים המכונים ביטים. כל אחד מאותות אלה מקובץ לקבוצה של ביטים המרכיבים הוראות ותוכניות. המיקרו-מעבד אחראי על הגדרת כל זה על ידי ביצוע פעולות בסיסיות: SUM, SUBTRACT ו- AND, OR, MUL, DIV, OPPOSITE AND INVERSE. ואז עלינו לעבד המיקרו:

• זה מפענח ומבצע את הוראות התוכניות הטעונות בזיכרון הראשי של המחשב. מתאמת ושולטת בכל הרכיבים המרכיבים את המחשב ואת ציוד היקפי המחובר אליו, עכבר, מקלדת, מדפסת, מסך וכו '.

המעבדים הם לרוב בצורה מרובעת או מלבנית והם ממוקמים על אלמנט הנקרא שקע המחובר ללוח האם. זה יהיה אחראי להפצת הנתונים בין המעבד לשאר האלמנטים המחוברים אליו.

אדריכלות של מחשב

בפרקים הבאים נראה את כל הארכיטקטורה של מעבד.

אדריכלות פון נוימן

מאז המצאת המעבדים למיקרו ועד היום, הם מבוססים על ארכיטקטורה המחלקת את המעבד למספר אלמנטים שנראה בהמשך. זה נקרא ארכיטקטורת פון נוימן. זוהי ארכיטקטורה שהומצאה בשנת 1945 על ידי המתמטיקאי פון נוימן המתארת ​​את העיצוב של מחשב דיגיטלי המחולק לסדרת חלקים או אלמנטים.

המעבדים הנוכחיים עדיין מבוססים ברובם על ארכיטקטורה בסיסית זו, אם כי מבחינה הגיונית הוכנסו מספר רב של אלמנטים חדשים עד שיש לנו את האלמנטים השלמים ביותר שיש לנו כיום. אפשרות למספרים מרובים באותו שבב, רכיבי זיכרון ברמות שונות, מעבד גרפי מובנה וכו '.

חלקים פנימיים של מחשב

החלקים הבסיסיים של מחשב על פי ארכיטקטורה זו הם הבאים:

• זיכרון: הוא האלמנט בו מאוחסנים ההוראות שהמחשב מבצע והנתונים עליהם פועלות ההוראות. הוראות אלה נקראות התוכנית. יחידת עיבוד מרכזית או מעבד: זהו האלמנט שהגדרנו בעבר. זה אחראי על עיבוד ההוראות המגיעות אליו מהזיכרון יחידת הקלט והפלט: היא מאפשרת תקשורת עם אלמנטים חיצוניים. אוטובוסים נתונים: הם המסילה, המסילה או הכבלים המחברים פיזית בין האלמנטים הקודמים.

אלמנטים של מעבד מיקרו

לאחר שהגדרנו את החלקים העיקריים של המחשב והבנו כיצד מידע זורם דרכו.

• יחידת בקרה (UC): זהו האלמנט האחראי על מתן הוראות באמצעות אותות בקרה, למשל, השעון. הוא מחפש הוראות בזיכרון הראשי ומעביר אותן למפענח ההוראות לביצוע. חלקים פנימיים:
  1. שעון: מייצר גל מרובע לסנכרון פעולות המעבד דלפק התוכנית: מכיל את כתובת הזיכרון של ההוראה הבאה שתבוצע. רשומת הוראות: מכילה את ההוראות שמבצעות כעת רצף: מייצרת פקודות אלמנטריות לעיבוד הדרכה. מפענח הוראות (DI): הוא מופקד על פירוש והביצוע של ההוראות המגיעות, חילוץ קוד הפעולה של ההוראה.

• יחידה אריתמטית לוגית (ALU): היא אחראית על ביצוע החישובים האריתמטיים (SUM, SUBTRACTION, MULTIPLICATION, DIVISION) ופעולות לוגיות (AND, OR,…). חלקים פנימיים.
  1. מעגל תפעולי: הם מכילים את המרבבים והמעגלים לביצוע פעולות. רישומי כניסה: הנתונים מאוחסנים ומופעלים לפני כניסתם למעגל התפעול אקומולטור: מאחסן את תוצאות הפעולות שבוצעו במרשם סטטוס (דגל): מאחסן תנאים מסוימים שיש לקחת בחשבון בפעולות שלאחר מכן.

• יחידת נקודה צפה (FPU): אלמנט זה לא היה בתכנון האדריכלות המקורי, הוא הוצג מאוחר יותר כאשר ההוראות והחישובים הפכו מורכבים יותר עם הופעתן של התוכניות המיוצגות באופן גרפי. יחידה זו אחראית על ביצוע פעולות בנקודה צפה, כלומר מספרים אמיתיים. רשום בנק וקובץ שמור: למעבדים של ימינו יש זיכרון נדיף המגשר בין זיכרון RAM למעבד. זה הרבה יותר מהיר מ- RAM והוא אחראי להאיץ את הגישה של המעבד לזיכרון הראשי.

• אוטובוס קדמי (FSB): ידוע גם כאוטובוס נתונים, אוטובוס ראשי או אוטובוס מערכת. זה השביל או התעלה שמקשרים את המעבד עם לוח האם, במיוחד עם השבב הנקרא גשר הצפון או nothbridge. זה אחראי על בקרת תפעול האוטובוסים הראשיים, זיכרון ה- RAM ויציאות ההרחבה כמו PCI-Express.המונחים המשמשים להגדרת אוטובוס זה הם "Quick Path Interconnect" עבור אינטל ו- "Hypertransport" עבור AMD.

מקור: sleeperfurniture.co

מקור: ixbtlabs.com

• BUS בצד האחורי (BSB): אוטובוס זה מתקשר עם המעבד את זיכרון המטמון ברמה 2 (L2), כל עוד הוא לא משולב בליבת המעבד עצמה. נכון לעכשיו לכל מעבדי המיקרו יש זיכרון מטמון המובנה בתוך השבב עצמו, כך שאוטובוס זה הוא גם חלק מאותו שבב.

שני מעבד מיקרו-מעבד או יותר

באותו מעבד, לא רק שנפיץ את האלמנטים האלה בפנים, אלא שהם משוכפלים כעת. יהיו לנו מספר ליבות עיבוד או מה זהים למספר מעבדי המיקרו בתוך היחידה. לכל אחד מהם יהיה המטמון שלהם L1 ו- L2, בדרך כלל ה- L3 משותף ביניהם, בזוגות או ביחד.

בנוסף לכל זה יהיה לנו ALU, UC, DI ו- FPU עבור כל אחת מהליבות, כך שהמהירות ויכולת העיבוד מתרבים בהתאם למספר הליבות שיש לה. אלמנטים חדשים מופיעים גם במעבדי המיקרו:

• בקר זיכרון משולב (IMC): כעת עם המראה של מספר ליבות יש למעבד מערכת המאפשרת גישה ישירה לזיכרון הראשי. GPU משולב (iGP) - ה- GPU מטפל בעיבוד גרפי. אלה לרוב פעולות בנקודה צפה עם מיתרי סיביות בצפיפות גבוהה, כך שהעיבוד מורכב בהרבה מנתוני התוכנית הרגילים. בשל כך, ישנם טווחי מעבד המיישמים בתוכם יחידה המיועדת בלעדית לעיבוד גרפי.

למעבדים מסוימים, כמו AMD Ryzen, אין כרטיס גרפי פנימי. רק APUs שלך?

פעולת מיקרו-מעבד

מעבד עובד לפי הוראות, כל אחת מההוראות הללו היא קוד בינארי של סיומת מסוימת שמעבד ה- CPU מסוגל להבין.

תוכנית, אם כן, היא מערכת של הוראות וכדי לבצע אותה יש לבצע אותה ברצף, כלומר ביצוע אחת מהוראות אלה בכל שלב או פרק זמן. כדי לבצע הוראה ישנם כמה שלבים:

• חיפוש הוראות: אנו מביאים את ההוראה מהזיכרון לפענוח הוראת המעבד: ההוראה מחולקת לקודים פשוטים יותר שמובנים על ידי ה- CPU המופעל על ידי ה- CPU : כאשר ההוראה נטענת במעבד צריך למצוא את המפעיל המתאים. הוראות: בצע את הפעולה ההגיונית או האריתמטרית הנחוצה שמירת התוצאה: התוצאה נשמרת במטמון

כל מעבד עובד עם מערך הוראות מסוים, אלה התפתחו יחד עם המעבדים. השם x86 או x386 מתייחס לקבוצת ההוראות שאיתן מעבד עובד.

באופן מסורתי מכונים גם מעבדי 32 סיביות x86, הסיבה לכך היא שבארכיטקטורה זו הם עבדו עם קבוצת הוראות זו של מעבד Intel 80386 שהיה הראשון ליישם ארכיטקטורה של 32 סיביות.

יש לעדכן את מערך ההוראות הזה כדי לעבוד ביעילות רבה יותר ועם תוכניות מורכבות יותר. לפעמים אנו רואים שבדרישות לתוכנית להפעיל מגיע קבוצה של ראשי תיבות כמו SSE, MMX וכו '. אלה הן מערך ההוראות שמיקרו-מעבד יכול להתמודד איתן. אז יש לנו:

• SSE (הזרמת תוספות SIMD): הם הסמיכו את המעבדים לעבוד עם פעולות בנקודה צפה. SSE2, SSE3, SSE4, SSE5 וכו ': עדכונים שונים לקבוצת הוראות זו.

אי התאמה של מעבד

כולנו זוכרים מתי מערכת הפעלה של אפל יכולה לפעול במחשב Windows או Linux. זה נובע מסוג ההוראות של המעבדים השונים. אפל השתמשה במעבדי PowerPC, שעבדו עם הוראות אחרות מלבד אינטל ו- AMD. לפיכך, ישנם מספר עיצובים של הוראות:

• CISC (מחשב סט מורכב של הוראות הוראה): זה זה שמשמש את אינטל ו- AMD, מדובר על שימוש בסט של הוראות מעטות, אך מורכבות. יש להם צריכת משאבים גבוהה יותר, בהיותם הוראות מלאות יותר הדורשות מספר מחזורי שעון. RISC (מחשב מופחת הוראות סט): זה זה שמשמש את אפל, מוטורולה, יבמ ו- PowerPC, מדובר במעבדים יעילים יותר עם יותר הוראות, אך פחות מורכבות.

נכון לעכשיו שתי מערכות ההפעלה תואמות מכיוון שאינטל ו- AMD מיישמות שילוב של ארכיטקטורות במעבדים שלהן.

תהליך ביצוע הדרכה

1. המעבד מופעל מחדש כאשר הוא מקבל אות RESET, בדרך זו המערכת מכינה את עצמה על ידי קבלת אות שעון שיקבע את מהירות התהליך. ברשמת CP (דלפק התוכנית) כתובת הזיכרון בה יחידת הבקרה (UC) מנפיקה את הפקודה להביא את ההוראות שאחסן ה- RAM בכתובת הזיכרון שנמצאת במחסום. לאחר מכן, ה- RAM שולח את הנתונים והם מונחים על אוטובוס הנתונים עד המאוחסן ב- RI (Register Instructions). UC מנהל את התהליך וההוראות עוברות לפענוח (D) כדי למצוא את משמעות ההוראה. לאחר מכן עוברים דרך UC לביצוע. ברגע שידוע מה ההוראות ומה הפעולה לבצע, שניהם נטענים ברישומי הקלט של ALU (REN). ה- ALU מבצע את הפעולה ומניח את התוצאה ב אוטובוס נתונים ומחיר נוסף 1 כדי לבצע את ההוראות שלהלן.

כיצד לדעת אם מעבד טוב

כדי לדעת אם מעבד מיקרו טוב או רע, עלינו להסתכל על כל אחד מהמרכיבים הפנימיים שלו:

רוחב האוטובוס

רוחב האוטובוס קובע את גודל הרשמים שיכולים להסתובב דרכו. רוחב זה חייב להתאים לגודל רישומי המעבד. בדרך זו יש לנו שרוחב האוטובוס מייצג את המרשם הגדול ביותר שהוא מסוגל להעביר בפעולה יחידה.

הקשור ישירות לאוטובוס יהיה גם זיכרון RAM, עליו להיות מסוגל לאחסן כל אחד מהרישומים הללו ברוחב שיש להם (זה נקרא רוחב מילת הזיכרון).

מה שיש לנו כרגע כאשר רוחב האוטובוס הוא 32 סיביות או 64 סיביות, כלומר אנו יכולים להעביר, לאחסן ולעבד שרשראות של 32 או 64 סיביות בו זמנית. עם 32 ביטים שלכל אחד מהם האפשרות להיות 0 או 1, אנו יכולים להתייחס לכמות זיכרון של 2 ³² (4GB) ועם 64 ביטים 16 EB Exabytes. זה לא אומר שיש לנו 16 זיכרון זיכרון במחשב שלנו, אלא זה מייצג את היכולת לנהל ולהשתמש בכמות מסוימת של זיכרון. מכאן המגבלה המפורסמת של מערכות 32 סיביות לפנות רק 4 GB זיכרון.

בקיצור, ככל שהאוטובוס רחב יותר, כך קיבולת העבודה רבה יותר.

זיכרון מטמון

זיכרונות אלה קטנים בהרבה מזיכרון RAM אך מהיר בהרבה. תפקידו לאחסן את ההוראות שרק עוברות או אחרונות שעובדות. ככל שזיכרון מטמון רב יותר, כך מהירות העסקה גבוהה יותר שהמעבד יכול להרים ולשחרר.

כאן עלינו להיות מודעים לכך שכל מה שמגיע למעבד מגיע מהכונן הקשיח, וניתן לומר שהוא איטי להפליא מ- RAM ואפילו יותר מזיכרון המטמון. מסיבה זו זיכרונות המצב המוצק הזה נועדו לפתור את צוואר הבקבוק הגדול שהוא הכונן הקשיח.

ונשאל את עצמנו, מדוע אם כן הם לא רק מייצרים מטמון גדול, התשובה היא פשוטה, מכיוון שהם יקרים מאוד.

מהירות מעבד פנימי

מהירות האינטרנט היא כמעט תמיד הדבר הבולט ביותר כשמסתכלים על מעבד. "המעבד פועל במהירות 3.2 ג'יגה הרץ, " אבל מה זה? מהירות היא תדר השעון בו המעבד עובד. ככל שמהירות זו גבוהה יותר כך פעולות ליחידת זמן שהיא תוכל לבצע. זה מתורגם לביצועים גבוהים יותר, וזו הסיבה שיש זיכרון מטמון, כדי להאיץ את איסוף הנתונים על ידי המעבד כך שתבצע תמיד את המספר המרבי של פעולות ליחידת זמן.

תדר שעון זה ניתן על ידי אות גל מרובע תקופתי. הזמן המרבי לביצוע פעולה הוא תקופה אחת. התקופה היא ההיפוכה של התדר.

אבל לא הכל מהירות. ישנם רכיבים רבים המשפיעים על מהירות מעבד. אם לדוגמא יש לנו מעבד בעל 4 ליבות במהירות 1.8 ג'יגה הרץ ועוד ליבת יחיד ב -4.0 ג'יגה הרץ, הוא בטוח שהארבע ליבות המהירות יותר.

מהירות אוטובוס

כשם שמהירות המעבד חשובה, כך גם מהירות אוטובוס הנתונים חשובה. לוח האם עובד תמיד בתדר שעון נמוך בהרבה ממעבד המיקרו, מסיבה זו אנו זקוקים למכפיל שמתאים את התדרים הללו.

אם לדוגמא יש לנו לוח אם עם אוטובוס בתדר שעון של 200 מגה הרץ, מכפיל 10x יגיע לתדר מעבד של 2 גיגה הרץ.

מיקרו-ארכיטקטורה

המיקרו-ארכיטקטורה של מעבד קובעת את מספר הטרנזיסטורים ליחידת מרחק בו. יחידה זו נמדדת כיום בננומטר (ננומטרים) ככל שהיא קטנה יותר, כך ניתן להכניס את מספר הטרנזיסטורים, ולכן ניתן להכיל את המספר הגדול יותר של אלמנטים ומעגלים משולבים.

זה משפיע ישירות על צריכת האנרגיה, מכשירים קטנים יותר יצטרכו פחות זרימת אלקטרונים, ולכן פחות אנרגיה תצטרך לבצע את אותן פונקציות כמו במיקרו-ארכיטקטורה גדולה יותר.

מקור: intel.es

קירור רכיב

בגלל המהירות העצומה שמגיע למעבד, הזרם הנוכחי מייצר חום. ככל שהתדר והמתח גבוהים יותר יהיה דור גדול יותר של חום, ולכן יש צורך לקרר רכיב זה. ישנן כמה דרכים לעשות זאת:

• קירור פסיבי: באמצעות מפזר מתכתי (נחושת או אלומיניום) המגדילים את פני המגע עם האוויר באמצעות סנפירים. קירור פעיל: בנוסף לצינור הקירור מוצב גם מאוורר כדי לספק זרימת אוויר מאולצת בין סנפירי האלמנט הפסיבי.

• קירור נוזלי: הוא מורכב ממעגל המורכב משאבה ורדיאטור סיבי. המים מופצים דרך בלוק שנמצא במעבד, אלמנט הנוזל אוסף את החום שנוצר ומעביר אותו לרדיאטור, אשר באמצעות אוורור מאולץ מפזר את החום, ומוריד שוב את טמפרטורת הנוזל.

מעבדים מסוימים כוללים גוף קירור. בדרך כלל הם לא עניין גדול… אבל הם משמשים להעלאת המחשב והשיפור בו זמנית

• קירור באמצעות צינורות חום: המערכת מורכבת ממעגל סגור של צינורות נחושת או אלומיניום מלאים בנוזל. נוזל זה אוסף חום מהמעבד ומתנדף עולה לחלק העליון של המערכת. בנקודה זו יש צינור קירור סנפירי שמחליף את חום הנוזל מבפנים לאוויר החיצוני, בדרך זו הנוזל מתעבה ויורד חזרה אל גוש המעבד.

אנו ממליצים

זה מסכם את המאמר שלנו על מהו מעבד ואיך הוא עובד לפרטיו. אנו מקווים שאהבת את זה.