Mikroprocesor.

Przetwarzanie informacji odbywa si ę przy u Ŝyciu systemu mikroprocesorowego. Najwa Ŝniejsz ą cz ęś ci ą takiego systemu jest układ przetwarzaj ący informacje, czyli procesor. Procesor przetwarza informacje wykonuj ąc na niej elementarne operacje zwane instrukcjami (rozkazami).

Ci ąg takich instrukcji realizuj ący konkretne zadanie przetwarzania informacji nazywamy programem. Dlatego te Ŝ do systemu mikroprocesorowego oprócz danych nale Ŝy tak Ŝe dostarczy ć tak Ŝe program lub zestaw programów, czyli oprogramowanie (software). Procesor jest układem scalonym, którego działanie polega na wykonywaniu instrukcji programów, czyli jego rol ę mo Ŝna porówna ć do mózgu człowieka. Procesor nadzoruje i synchronizuj e prac wszystkich ę urz ądze ń w komputerze.

Poszczególne rodzaje procesorów ró Ŝni ą si ę od siebie poprzez inn ą architektur ę (CISC lub RISC), liczb ę bitów przetwarzanych w jednym cyklu (mówimy np. o procesorze 16-, 32-, 64- bitowym), czy te Ŝ poprzez cz ęstotliwo ść taktowania podawan ą w MHz.

Poj ęcie procesora jest cz ęsto uto Ŝsamiane z poj ęciem CPU ( – główna jednostka przetwarzania danych). W przypadku komputera jednoprocesorowego CPU oraz procesor oznaczaj ą dokładnie to samo i cz ęś ciej u Ŝywa si ę wła śnie tego drugiego terminu. Kiedy jednak na płycie głównej znajduje si ę wi ęcej procesorów, to słowo CPU nabiera szerszego znaczenia - jest zbiorczym okre śleniem wszystkich procesorów (nie nale Ŝy wi ęc uŜywa ć sformułowania typu - ten komputer posiada 2 CPU"). W celu stworzenia efektywnie pracuj ącego systemu mikroprocesorowego procesor musi współpracowa ć z dodatkowymi układami, takimi jak pami ęć oraz układy wej ścia/wyj ścia.

Znaczenie poszczególnych układów:

• CPU - przetwarzanie informacji oraz sterowanie prac ą pozostałych układów systemu. W skład CPU wchodz ą: mikroprocesor, zegar, koprocesor arytmetyczny oraz opcjonalnie sterownik magistral. • mikroprocesor przetwarza informacje i steruje prac ą reszty układów, • zegar systemowy wytwarza tzw. przebiegi czasowe niezb ędne do pracy mikroprocesora i całego systemu, • sterownik magistral po średniczy w sterowaniu magistralami, wytwarzaj ąc na podstawie informacji z mikroprocesora sygnały steruj ące prac ą pami ęci i układów wej ścia/wyj ścia, • koprocesor arytmetyczny słu Ŝy do wykonywania numerycznych oblicze ń zmiennoprzecinkowych. • Pami ęć - przechowywanie programów (bloków instrukcji) w miejscu, sk ąd mikroprocesor mo Ŝe je szybko, bez zb ędnego oczekiwania, odczytywa ć. W bloku pami ęci systemu stosuje si ę pami ęci RAM (pami ęć operacyjna) oraz ROM (np. BIOS). • Uk łady wej ścia/wyj ścia I/O- po średniczenie w wymianie informacji pomi ędzy mikroprocesorem i pami ęci ą systemu a urz ądzeniami zewn ętrznymi w stosunku do systemu - drukarka, monitor, stacja dysków. • Magistrala danych DB - przesyłanie danych, wyników oraz kodów instrukcji. Jest to magistrala dwukierunkowa, tzn. informacje zarówno wypływaj ą do mikroprocesora, jak i s ą przez niego wysyłane do innych układów. • Magistrala adresowa AB - przesyłanie adresów komórek pami ęci lub układów wej ścia/wyj ścia, z którymi chce si ę komunikowa ć mikroprocesor. Jest to magistrala jednokierunkowa, tzn. adresy s ą generowane przez mikroprocesor i s ą kierowane do pami ęci b ądź układów wej ścia/wyj ścia. • Magistrala steruj ąca CB - sterowanie prac ą układów współpracuj ących z mikroprocesorem oraz sygnalizowanie pewnych okre ślonych stanów tych układów.

Budowa mikroprocesora

Podstawowa budowa procesora sprowadza si ę do jednostki wykonawczej EU (Execution Unit), która przetwarza informacje wykonuj ąc wszelkie operacje arytmetyczne i logiczne oraz jednostki steruj ącej CU, która okre śla rodzaj wykonywanych operacji. W skład jednostki wykonawczej wchodz ą: jednostka arytmetyczno-logiczna ALU oraz zestaw współpracuj ących z ni ą rejestrów. Informacj ą wej ściow ą cz ęś ci wykonawczej s ą dane, za ś wyj ściow ą wyniki (liczby, tekst, sygnały steruj ące prac ą urz ądze ń, itp.).

W skład jednostki steruj ącej CU wchodz ą: rejestr rozkazów IR, dekoder rozkazów i układ sterowania. W rejestrze rozkazów przechowywany jest kod aktualnie wykonywanego rozkazu. Kody rozkazów pobierane s ą do rejestru rozkazów z pami ęci. Ci ąg rozkazów tworzy program wykonywany przez system. Po pobraniu z pamięci kod rozkazu jest dekodowany w dekoderze rozkazów, czyli jest okre ślane, jakiego rozkazu kod znajduje si ę w dekoderze rozkazów. Na tej podstawie układ sterowania wytwarza odpowiedni sygnał steruj ący.

Architektura procesora

CISC (Complex Instruction Set Computing - obliczenia z rozbudowanym zestawem instrukcji) Według architektury CISC były tworzone ju Ŝ pierwsze procesory, które wyposa Ŝano w pełny zestaw instrukcji maj ący im zapewni ć wykonanie ka Ŝdego polecenia uŜytkownika (konkretnie programu). Z czasem okazało si ę jednak, Ŝe w 80 procentach wypadków było wykorzystywanych tylko 20 procent dost ępnych instrukcji, a pozostałe tylko sporadycznie. Zaowocowało to bardziej zaawansowan ą architektur ą o nazwie RISC. Procesory montowane w pecetach, np. procesor , bazuj ą na architekturze typu CISC.

RISC (Reduced Instruction Set Computing - obliczenia ze zredukowanym zestawem instrukcji) Rodzaj architektury procesora, według której produkowane s ą najnowocze śniejsze i najbardziej wydajne procesory, takie jak Alpha czy PowerPC. Architektura RISC charakteryzuje si ę przede wszystkim: nieliczn ą list ą rozkazów (zawieraj ącą tylko proste rozkazy wykonywane typowo w czasie jednego cyklu maszynowego), wył ącznie prostymi trybami adresowania (zwykle tylko adresowanie natychmiastowe, adresowanie bezpo średnie, adresowanie za pomoc ą rejestrów), du Ŝą liczb ą rejestrów uniwersalnych, wykonywaniem operacji arytmetycznych i logicznych wył ącznie na argumentach umieszczonych w rejestrach uniwersalnych, wykorzystaniem mechanizmów przyspieszaj ących prac ę procesora (praca potokowa, pami ęć podr ęczna).

Słowniczek

MIPS (Million Instructions Per Second - milion instrukcji na sekund ę) Coraz rzadziej uŜywany współczynnik mierz ący moc obliczeniow ą procesorów. Okre śla on, ile milionów instrukcji mo Ŝe przetworzy ć dany procesor w ci ągu sekundy. Ró Ŝne instrukcje wymagaj ą ró Ŝnego zaanga Ŝowania si ę w nie procesora, a oprócz tego rzeczywista szybko ść komputera zale Ŝy j eszcze od innych czynników - takich jak szybko ść dysków twardych, pami ęci RAM, magistrali danych, itp.

FLOPS (Floating Point Operations Per Second - operacje zmiennopozycyjne na sekund ę) Jednostka wydajno ści obliczeniowej procesorów. Jeden FLOPS to jedna operacja zmiennopozycyjna wykonana w ci ągu jednej sekundy. Moc obliczeniow ą współczesnych procesorów mierzy si ę w gigaflopsach (GFLOP).

Częstotliwo ść taktowania Jest to rytm pracy procesora w komputerze. Funkcj ę wyznaczaj ącego j ą metronomu pełni kryszta krzemowy, który podaje procesorowi tempo dzia ania (ł ł liczba cykli obliczeniowych na sekund ę). Pierwsze pecety IBM XT miały procesory działaj ące z cz ęstotliwo ści ą taktowania 4,77 MHz. Obecnie produkuje si ę procesory w zakresie do 4 GHz. Zwi ększanie cz ęstotliwo ści taktowania procesorów to nie jedyny sposób na wzrost ich szybko ści działania. Wa Ŝna jest tak Ŝe architektura, liczba przetwarzanych bitów w jednym cyklu, itd.

Częstotliwo ść Parametr okre ślaj ący, jak cz ęsto w ci ągu sekundy powtarza si ę jakie ś cykliczne zjawisko, np. ruch wahadła. Warto ść cz ęstotliwo ści jest podawana w hercach (oznaczane Hz), gdzie 1 Hz to jedno drgnienie (wychylenie od stanu pocz ątkowego i powrót do niego) na sekund ę.

Herc Jednostka miary cz ęstotliwo ści opisująca liczb ę drga ń sygnału na sekund ę. Sygnał 100 herców (Hz) drga wi ęc 100 razy na sekund ę. W kilohercach (kHz) mierzy si ę np. cz ęstotliwo ść próbkowania d źwi ęku, a w megahercach (MHz) cz ęstotliwo ść taktowania procesora. Jednostka herc pochodzi od nazwiska niemieckiego fizyka Heinricha Hertza, który zajmował si ę min. badaniem fal.

Rodzaje gniazd, identyfikacja i układy chłodzenia procesorów

Gniazda procesorów.

Procesory na płycie głównej montowane s ą w tzw. gniazdach. Rodzaj gniazda zale Ŝy od generacji procesora, a tak Ŝe od producenta procesora. Najpopularniejszy rodzaj gniazda to gniazdo typu Socket, w którym procesor w postaci samodzielnego układu z wyprowadzeniami (pinami, nó Ŝkami, ko ńcówkami) jest montowany w odpowiadaj ącym mu kształtem gnie ździe. Inny rodzaj gniazda to gniazdo typu Slot, w którym procesor montowany jest w postaci karty rozszerzaj ącej.

Tabela 1. Zestawienie gniazd procesorów

Poni Ŝej znajduje si ę spis wszystkich dost ępnych gniazd i slotów procesorów z podziałem na producentów:

Sockety firmy AMD

• Super – AMD K6-2, AMD K6-III, Rise Technology, mP6 • Socket 563 – AMD , Mobile Athlon XP, XP-M (µ-PGA Scket) • – Athlon 64, Sempron, Turion 64 • – Athlon 64, Sempron • – Athlon 64, • (Socket 462) – Athlon, Duron, Sempron • Socket AM2 – (znany wcze śniej jako Socket M2) Athlon 64, Opteron 1xx; (PGA 940) • Socket AM2+ – (PGA 94) • Socket AM3 – • Socket AM3+ – • (Socket 1207) – nowa podstawka AMD do procesorów Opteron • – Athlon 64 Mobile • Socket FM1 - nowa podstawka dla APU • Socket FM2 - nowa podstawka dla APU 2 generacji Sockety firmy

• – 486 • – 486 • – 486, AMD 5x86, Cyrix Cx 5x86, Pentium OverDrive; 63-83 MHz • – Pentium oraz Pentium OverDrive; 60/66 MHz • – Intel Pentium 75-133 MHz; AMD K5 • – 486 • Socket 7 – Pentium, MMX, AMD K5, AMD K6, AMD K6-2, AMD K6-III, Cyrix Cx 6x86 • – Intel Pentium Pro • – Intel Pentium III, ; Cyrix III; VIA C3 • – Intel Pentium 4, wycofany tu Ŝ po wprowadzeniu • PAC418 – Intel • PAC611 – Intel Itanium 2, HP PA-RISC 8800 i 8900 • Socket 463 (znany te Ŝ jako Socket NexGen) – NexGen Nx586 • – Intel Pentium 4, Celeron, Pentium 4 Extreme Edition, Pentium M Socket N • – Intel Pentium M i Celeron M • Socket 486 – 486 • Socket 499 – DEC Alpha 21164a • – Intel • – Intel Xeon • LGA 771 (Socket 771) – Intel Xeon • LGA 775 (Socket 775 lub Socket T) – Intel Pentium 4, Pentium D, Celeron D, Pentium Extreme Edition, Core 2 Duo, Core 2 Extreme, Celeron, Xeon 3000 series, Core 2 Quad; (LGA 775). • LGA 1366 (Socket B) – i7 , Xeon (seria 5500) • LGA 1156 - Core i7-8xx , Intel Core i5, Intel Core i3 • LGA 1155 • LGA 2011 • LGA 1150 • Socket H - (LGA 715) • – Intel Core Solo, Intel Core Duo i Intel Core 2 Duo; (µPGA 478) • Socket N – Intel Dual-Core Xeon LV • – (uPGA 478) Sloty i inne

• – Intel Celeron, Pentium II, Pentium III • – Intel Pentium II Xeon, Pentium III Xeon • Slot 3 – Itanium • – Athlon • Slot B – DEC DEC Alpha • Slot M – Itanium • PAC418 – Itanium • PAC611 – Itanium 2 • Slotket

Ustawianie cz ęstotliwo ści zegara

Na starszych płytach nie ma automatycznej konfiguracji za pomoc ą oprogramowania. Z tego powodu nie zaszkodzi znajomo ść trzech zasad konfiguracji manualnej. Z tych samych powodów ludzie przetaktowywuj ący swoje komputery b ędą prawdopodobnie dokonywa ć ustawie ń ręcznie. Oto ró Ŝne sposoby ustawienia cz ęstotliwo ści zegara:

Powy Ŝej znajduje si ę przestarzała metoda przetaktowywania procesorów a poni Ŝej tablica mno Ŝników dla starszych typów płyt.

Czasami na płycie głównej znajdowały si ę przeł ączniki DIP

Nowoczesna metoda konfiguracyjna w biosie.

To, która z tych trzech metod odnosi si ę do waszego przypadku zale Ŝy od płyty głównej. Cho ć ogólne tendencje skłaniaj ą si ę ku BIOS-owi, mo Ŝna od czasu do czasu znale źć blok przełączników DIP. Z drugiej strony metoda ze zworkami jest całkowicie przestarzała.

Firmy Intel i AMD oficjalnie zniosły zmienny mno Ŝnik swoich procesorów jaki ś czas temu. Chciano w ten sposób zapobiec przetaktowywaniu na przykład modelu 1300 MHz na 1500 MHz. W ten sposób mo Ŝna znacznie zwi ększy ć wydajno ść bez wydawania nawet grosza. Dla tych z nas, którzy lubi ą majsterkowa ć, jedynym sposobem na wyci ągni ęcie wi ększej wydajno ści z procesora jest łagodne zwi ększanie cz ęstotliwo ści szyny FSB. Niemniej jednak istnieje kilka sztuczek umo Ŝliwiaj ących usuni ęcie blokady mno Ŝnika, przynajmniej w procesorach AMD. Poniewa Ŝ producenci płyt głównych s ą tego świadomi, przyci ągaj ą oni klientów oferuj ąc co ś, co w rzeczywisto ści jest dodatkow ą regulacj ą mno Ŝnika. Wyra źnie wida ć to na zrzucie ekranu BIOS-u.

Uk łady ch łodzenia procesorów

Procesor jest zazwyczaj jednym z najbardziej energochłonnych układów komputera i w wi ększo ści przypadków bez dodatkowej pomocy radiatora i wentylatora nie jest w stanie odprowadzi ć wytwarzanej energii. Pierwszym stosowanym sposobem ułatwiaj ącym wymian ę ciepła poprzez zwi ększenie powierzchni wymiany s ą radiatory. Takie rozwi ązanie nazywa si ę czasem ch łodzeniem pasywnym a same radiatory radiatorami pasywnymi.

Radiatory montuj ę si ę na procesorach poprzez ich przyklejenie specjaln ą ta śmą ułatwiaj ącą odprowadzanie ciepła (ta śma termoprzewodz ąca) oraz poprzez zamocowanie za pomoc ą tzw. zatrzasku, który zapina si ę na zaczepach gniazda typu socket. W celu wymuszenia przepływu wi ększych porcji powietrza w przypadku współczesnych procesorów stosuje si ę przewa Ŝeni poł ączenie radiatora z wentylatorem. Taki układ nazywa si ę cz ęsto radiatorem aktywnym a sam proces chłodzenia - chłodzeniem aktywnym. Wentylatory do radiatora s ą zazwyczaj przykr ęcone.

Ci ągły wzrost cz ęstotliwo ści pracy procesorów oraz zjawisko tzw. overclockingu przyczyniły si ę do tego, Ŝe zagadnienie potrzeby chłodzenia procesorów stało si ę jednym z nurtów bran Ŝy komputerowej. Obecne układy chłodzenia swoimi konstrukcjami mog ą przypomina ć jakie ś futurystyczne kształty, a do samego chłodzenia wykorzystuje si ę oprócz samego przepływu powietrza tak Ŝe układy chłodzenia ciecz ą, układy z tzw. zimnymi katodami, czy te Ŝ układy wykorzystuj ące jonizacj ę powietrza Oczywi ście najpopularniejszym układem chłodz ącym jest nadal tradycyjny zestaw radiator + wentylator , ale w takich zestawach zacz ęto stosowa ć coraz to bardziej wyrafinowane techniki zwi ązane z regulacj ą obrotów wentylatora, pomiarem temperatury, czy chocia Ŝby z samym wygl ądem.

Najbardziej znane firmy produkuj ące radiatory to AeroCool, Coolermaster, GlacialTech, SwifTech, Thermaltake oraz Zalman.

Coraz wi ększe uznanie w śród zwykłych u Ŝytkowników zyskuj ą zestawy do chłodzenia ciecz ą. Tego typu zestaw wymaga dodatkowej konstrukcji wynikaj ącej z potrzeby monta Ŝu zbiornika z ciecz ą chłodz ącą oraz pomp wymuszaj ących przepływ cieczy. Zalet ą tego typu chłodzenia jest natomiast wi ększa skuteczno ść i redukcja hałasu powodowanego przez obracaj ące si ę wentylatory. Wspominaj ąc o chłodzeniu warto tak Ŝe wspomnie ć o ekstremalnych układach do chłodzenia opartych np. o ciekły azot...

Identyfikacja procesorów

Procesory firmy Intel _ Pentium, Pentium II/III, Celeron, Pentium 4

Procesor Intel Celeron taktowany zegarem 600 MHz ze 128 kilobajtowym cachem i magistral ą 66 MHz, zasilanie j ądra procesora - 1,7 V

Procesor Inlet Pentium III taktowany zegarem 866 MHz z 256 kilobajtowym cachem i magistral ą 133 MHz, zasilanie jądra procesora - 1,7 V

Procesor Inlet Pentium IV taktowany zegarem 1,4 GHz z 256 KB cache'u i magistral ą 400 MHz, zasilanie j ądra -1,7V

W najnowszych procesorach Intel wprowadził inne oznaczenia swoich produktów ł ącz ąc mark ę procesora (rodzin ę procesora) z okre ślonym 3-cyfrowym numerem (tzw. numer procesora).

Numery procesorów składaj ą si ę z sekwencji 3-cyfrowej, takiej jak 7xx, 5xx lub 3xx. Ten numer oraz rodzina procesorów składa si ę na ogóln ą nazw ę procesora. Ka Ŝda sekwencja liczb oznacza okre ślony numer procesora, na przykład 735, 560 lub 320.

Struktura numeru procesora

Przykłady okre ślonych rodzin procesorów firmy Intel

Procesory firmy VIA Cyrix Procesor VIA Cyrix taktowany zegarem 600 MHz, magistrala 100 MHz, mno Ŝnik 1,9 V, napi ęcie zasilania -1,9V

Wielordzeniowo ść i procesory pomocnicze

Współcze śnie wi ększo ść procesorów ma wielordzeniow ą budow ę. Pierwszym procesorem wielordzeniowym ogólnego przeznaczenia był procesor Power 4 firmy IBM wprowadzony na rynek w roku 2001. Pierwszymi procesorami wielordzeniowymi architektury były wersje procesorów Opteron firmy AMD i Pentium Extreme Edition firmy Intel wprowadzone w kwietniu 2005 roku.

Popularnym modelem firmy Intel, który kontynuował ten trend był Intel Pentium D. Prawdziwym przebojem stał się dopiero Intel Core 2 Duo zbudowany na bazie architektury Conroe (65 nm). Najszybsze dzi ś modele maj ą rdze ń taktowany zegarem 3,33 GHz (C2D E8600). Wymieniony procesor oparto o architektur ę Penryn i wykonano w procesie technologicznym 45 nm (tj. najwi ększa długo ść kanału tranzystora wynosi 45 nm).

Najwi ększy konkurent Intela, czyli AMD, wprowadził do sprzeda Ŝy popularny model procesora dwurdzeniowego o nazwie Athlon 64 X2 . Obie firmy maj ą dzi ś w ofercie tak Ŝe modele czterordzeniowe (niektóre Core i5 oraz Core i7 Intela i AMD Athlon II X4 oraz Phenom II X4 AMD) oraz sze ściordzeniowe (Phenom II X6 oraz Core i7 serii 9x0) przeznaczone do komputerów klasy desktop. Dost ępne procesory do zastosowa ń serwerowych mog ą mie ć do 8 (Intel Xeon), lub nawet 16 rdzeni (AMD Opteron) (stan na marzec 2012). Przewiduje si ę, Ŝe w przyszło ści, przez co najmniej kilka nast ępnych lat, liczba rdzeni w procesorach wielordzeniowych dost ępnych na rynku b ędzie si ę podwaja ć w tempie podobnym jak liczba tranzystorów w pojedynczym układzie, czyli zgodnie z prawem Moore'a ok. co 2 lata.

Projektanci procesorów próbuj ą tak Ŝe innych metod zwi ększania wydajno ści procesorów, jak np. Hyper-Threading, gdzie ka Ŝdy rdze ń mo Ŝe si ę zachowywa ć jak dwa procesory logiczne, dziel ące mi ędzy siebie zasoby pami ęci podr ęcznej i jednostek wykonawczych. Gdy jeden z konkuruj ących ze sob ą procesów pozostawia niewykorzystane zasoby, proces przypisany do drugiego procesora logicznego mo Ŝe ich u Ŝyć, co w sprzyjaj ących okoliczno ściach mo Ŝe prowadzi ć do sumarycznego wzrostu wydajno ści o kilka do kilkunastu procent.

W roku 2007 Intel zaprezentował testy układu scalonego wyposa Ŝonego w 80 rdzeni ogólnego przeznaczenia, który osi ągn ął wydajno ść ponad 1 TFlops.