Procesorius

Vilnius, 2019

Temos

• Kas yra procesorius?

• Procesoriaus istorija

• Procesoriaus dalys ir komponentai

• Kaip veikia procesorius?

• Procesorių rūšys

• Procesoriai šiuolaikiniame pasaulyje

Procesorius – kas tai?

• Procesorius – kompiuterio „smegenys“ (arba „širdis“)

• Procesorius – iš angliško žodžio „process“ (apdoroti)

• Procesorius – gana bendra sąvoka. Kai žmonės šneka apie procesorių, dažnai jie turi omenyje būtent centrinį procesorių (CPU)

Procesorius – kas tai?

• Procesorius – svarbiausias bet kurio kompiuterio komponentas. Tai yra programinės įrangos valdomas informacijos apdorojimo įrenginys, pagamintas vieno ar kelių didelių ar ypač didelių integrinių grandynų forma

Procesorius – kas tai?

• Procesorium yra vadinamas įtaisas, kuriame atliekamos:

• visos skaičiavimo operacijos (skaičių sudėtis, daugyba ir tt.)

• loginės operacijos (skaičių palyginimas; patikrinimas, ar įvykdytos skaičiavimo operacijos rezultatas teigiamas, ir tt.)

• skaičiavimų valdymo operacijos (pavyzdžiui, jei rezultatas lygus nuliui, tai skaičiuoti toliau, jei nelygus nuliui, tai rezultatą spausdinti, ir tt.)

• duomenų mainų su pagrindine ir išorine atmintine operacijos (pavyzdžiui, skaičiavimo rezultatų įrašymas į diską ir pan.).

Kas turi procesorių?

Visi kompiuteriai turi procesorių. Šiais laikais, kompiuteriai yra:

...ir daugiau

Procesorius ir mikrovaldiklis

• Kai kurie elektronini įrankiai turi savyje mikrovaldiklį(mikrokontrollerį), į kurių konstrukcija taip pat įeina procesorius

• Kai kurie šaltiniai atskiria mikrovaldiklius nuo procesorių, kadangi mikrovaldikliai dažniausiai yra naudojami tik tam, kad priimti ir vykdyti komandas, bet nedaro jokių kitų operacijų (pvz. skaičiavimas).

Procesoriaus istorija

• Svarbūs įvykiai prieš procesoriaus atsiradimą:

• 1823 – išrastas elementas Silicis (Si), kuris vėliau tapo procesoriaus pagrindiniu materialu

• 1947-1948 – sukurtas ir užpatentuotas tranzistorius

• 1958 – sukurtas pirmas veikiantis integrinis grandynas

• 1965 - Moore'o dėsnis

Procesoriaus istorija

• Pirmas pasaulyje procesorius buvo sukurtas 1946 metais

• Procesorius ENIAC buvo sukurtas karo tikslais – pirmas jo panaudojimas buvo patrankos sviedinių trajektorijos skaičiavimas ir numatymas

• Vietoj tranzistorių, jame buvo naudojamos vakuuminės lempos

Procesoriaus istorija

• Modernesnis procesorius, kuris yra laikomas šiuolaikiniu procesorių pirmtaku – 1971 metais sukurtas Intel 4004 mikroprocesorius.

• Jo konstrukcijoje buvo 2300 tranzistorių

ENIAC vs. Intel 4004

1946 metai5000 operacijų per sekundę18000 vakuuminių lempų150 m2 ploto, 2,5 m aukščioKainavo maždaug $500000

1971 metai60000 operacijų per sekundę2300 tranzistorių12 mm² plotoKainavo $200

Procesoriaus istorija

• 1972 sukurtas Intel 8008 procesorius, kuris vėliau tapo visų kitų modelių standartu

• Pradedant nuo 1979 kitos elektronikos kompanijos irgi pradėjo kurti savo procesorius – Motorola, Sun, Cyrix, AMD ir kiti

• 2001 – pirmas pasaulyje daugiabranduolinis procesorius POWER4, sukurtas IBM. Tokie procesoriai gali keletą operacijų vykdyti vienu metu

Procesoriaus istorija - išvada

Moore’o dėsnis

Kas sudaro procesorių?

Programos skaitiklis

• Būna visuose procesoriuose ir saugo adresą komandos, kuri bus vykdoma po to, kai bus baigta vykdyti dabartinė komanda. Valdymą kitu adresu perduodančios komandos bei pertraukimo signalai pakeičia šio skaitiklio reikšmę.

Aritmetinis loginis įrenginys

• Atlieka procesoriaus vykdomas aritmetines (sudėties, atimties bei kai kada ir dalybos bei daugybos) ir logines (ir, arba) operacijas.

Akumuliatorius

• Jame turi būti iš anksto įrašomas vienas dvinarės operacijos (sudėties, atimties ir pan.) narių. Antrasis narys gali būti bendrosios paskirties registre arba ir atmintyje už procesoriaus ribų. Operacijos rezultatas irgi patalpinamas akumuliatoriuje ir gali būti iš ten perkeltas į reikiamą vietą vėlesnėmis komandomis. Kai kada paprastai nedidelė dalis veiksmų gali būti atliekamos vietoj akumuliatoriaus naudojant ir kurį nors bendrosios paskirties registrą.

Bendrosios paskirties registrai

• Yra labai nedidelė greitai pasiekiama procesoriaus vidinė atmintis duomenims saugoti. Priklausomai nuo procesoriaus tipo, kai kurie aritmetiniai veiksmai gali būti įmanomi tik tarp tokio registro ir akumuliatoriaus.

Steko rodyklė

• Rodo į atminties sritį (steką), kur laikinai įsimintas ankstesnis vykdymo adresas, ankstesnės registrų reikšmės ir kiti panašūs duomenys. Kviečiant paprogramę, procesorius įsimena steke programos skaitiklio reikšmę, kad baigus paprogramę vykdyti galėtų grįžti atgal. Jei paprogramei prireikia naudoti akumuliatorių ar bendrosios paskirties registrus, esamos reikšmės paprastai irgi išsaugomos steke ir iš ten atstatomos prieš grąžinant valdymą kvietusiai programai. Nepakeisti dabar esančių registrų reikšmių ypač svarbu aptarnaujant pertraukimus, nes pagal pertraukimo signalą jo paprogramė gali būti iškviesta bet kada.

Vėliavėlių registras

• Saugo keletą bitų, kurių reikšmės automatiškai nustatomos po kai kurių aritmetinių operacijų ir gali būti naudojamos kitoms aritmetinėms operacijos arba sąlyginio perdavimo komandoms. Pavyzdžiui, sudedant du aštuonženklius (dvejetainėje sistemoje) skaičius, gali būti gautas ir devynženklis dvejetainis skaičius. Perteklinis tokio skaičiaus bitas bus išsaugotas vėliavėlių registro bite „carry“ (angl. perpildymas). Visos vėliavėlių registro reikšmės irgi gali būti perkeliamos į steką bei vėliau iš ten atkuriamos.

Kešas

• Yra nedidelė greito veikimo atmintis kur procesorius papildomai prisimena mažus, dažnai skaitomus pagrindinės atminties fragmentus, kad ir vėl prireikus galėtų juos perskaityti iš ten, nesikreipdamas į pagrindinę atmintį. Būdamas jau procesoriaus viduje, kešas daug greitesnis nei pagrindinė atmintis. Kešas veikia automatiškai ir paprastai nereikalauja programuotojo dėmesio.

Procesoriaus sąveika su kitomis kompiuterio dalimis• Duomenų magistralė

• Adresų magistralė

• Valdymo magistralė

Programos skaitiklis – atsakingas už keturias operacijas (procesų ciklas)

Gavimas – gauna kitą instrukciją iš kompiuterio atminties

Dekoduoja – išsiaiškina ką programa nori, kad kompiuteris padarytų

Vykdo – atlieka reikalingą veiksmą

Atsako (Įrašo) – įrašo gautus rezultatus į registrą arba į atmintį

Aritmetinis loginis įrenginys – atlieka paprastas aritmetines ir logines operacijas

Sudėtį, atimtį, daugybą, dalybą

Dviejų reikšmių palyginimą, nustatyti didesnei ar mažesnei reikšmei

Kaip procesorius veikia?

Control unit ALU

Memory

Kaip procesorius veikia?

Populiarios procesorių rūšys

Intel

• Celeron

• Pentium

• Core

• i3; i5; i7; i9

• Celeron M

• Pentium M

• Core mobile

AMD

• Sempron

• Athlon

• Phenom

• Ryzen

• Sempron

• Athlon

• TurionApple

Qualcomm Snapdragon

Mobilus ir įprastas procesorius

• ARM SoC CPUs naudoja sumažintą instrukcijų rinkinio skaičiavimus (Reduced Instruction Set Computing) (RISC). RISC instrukcijos mažesnės, reikalauja mažiau energijos, atlieka veiksmus greitai, atlaisvina sistemos išteklius ir leidžia įrenginiui nedirbti „idle“, taip taupant akumuliatorių.

• Intel x86 CPUs naudoja kompleksinių intrukcijų rinkinius(Complex Instruction Set Computing) (CISC). CISC daug sudėtingesnės, su daugeliu instrukcijų.

Mobilus procesorius

• Telefonų procesoriai yra System on a Chip(SoC) architektūros.

• SoC nėra tik processorius, tai ir GPU, radijos, sensoriai, apsaugos ir kitos funkcijos. Visa tai 1 luste.

Samsung Galaxy S8’s Exynos 8895 SoC CPU:

Kompiuterių procesoriai

• X86 architektūros procesoriai skirti sunkiausioms užduotims, jie geba suskaičiuoti milijonus instrukcijų.

• Visa tai reikalauja daug energijos ir

išskiria daug šilumos.

Mobiliųjų procesorių gamintojai• Daugumą mobiliųjų procesorių sukuria ARM.

• ARM parduoda licenczijas Apple ir Qualcomm(Snapdragon) gamintojams.

• ARM procesorių archtektūra sufokusuota našumui ir baterijų veikimo laikui.

Mikrokodas

• Visi šie procesoriai naudoja mikrokodą.

• Mikrokodas yra vidinis procesoriaus kodo tipas, kuris nurodo procesoriui, kokius veiksmus reikia atlikti, suskirstant operacijas į mažesnes instrukcijas. Mikrokodas veikia skirtingai RISC procesoriuose. Kadangi RISC instrukcijos jau yra palyginti mažos, jas suskaidyti į mažesnius mikrokodo veiksmus galima greičiau.

Ačiū už jūsų dėmesį

Šaltiniai:

• https://www.computerhope.com/history/processor.htm

• http://ragaine.su.lt/tests/centrinis_procesorius.pdf

• https://www.elprocus.com/microprocessor-history-and-brief-information-about-its-generations/

• https://techspirited.com/history-of-computer-processors

• https://www.trustedreviews.com/news/what-is-a-cpu-2950255

• https://www.britannica.com/technology/ENIAC

• https://www.computerhope.com/jargon/t/transist.htm

• https://en.wikipedia.org/wiki/Central_processing_unit

• https://www.makeuseof.com/tag/smartphone-desktop-processor-differences/

• https://en.wikipedia.org/wiki/ARM_architecture