DoporučujemeZaložit web nebo e-shop

Procesor

Procesor (CPU – Central Processing Unit) je základní součástí počítače. Pokud bychom přirovnali počítač např. k automobilu, postavení procesoru by odpovídalo motoru. Někdy bývá také přirovnáván k "srdci" nebo "mozku" počítače. Procesor čte z paměti strojové instrukce a na jejich základě vykonává program. Protože procesor, který by vykonával program zapsaný v nějakém vyšším programovacím jazyku by byl příliš složitý, má každý procesor svůj vlastní jazyk - tzv. strojový kód, který se podle typu procesoru skládá z jednodušších nebo složitějších strojových instrukcí. Pod pojmem procesor se dnes téměř vždy skrývá elektronický integrovaný obvod, i když na samých počátcích počítačové éry byly realizovány procesory i elektromechanicky. Zpravidla se nachází na základní desce počítače. Rodina procesorů, které zpracovávají stejný strojový kód tvoří specifickou architekturu procesoru.
Procesory prvních počítačů se skládaly z obvodů obsahujících množství tzv. diskrétních součástek - elektronek nebo tranzistorů, rezistorů a kondenzátorů. Takový procesor obvykle zabíral velkou skříň, nebo i několik skříní. Teprve počátkem 70. let 20. století se s nástupem integrovaných obvodů začaly procesory miniaturizovat. Nejprve byly procesory stavěny z procesorových řezů - procesor byl pak složen z několika desítek nebo stovek integrovaných obvodů. Když se podařilo umístit základní obvody procesoru do jednoho integrovaného obvodu, vznikl mikroprocesor.
V obecnějším pojetí může být označení "procesor" použito pro jakékoli funkční jednotky schopné provádět operace s daty, například "obrazový procesor", "přenosový procesor pro styk s periferiemi", "audioprocesor", atp.
 
 
 
 
 
NAHOŘE - AMD Athlon X2
DOLE - Intel Core i5
 
 
 
 
 
OBSAH
 
2.1 Dělení podle délky operandu v bitech
2.2 Dělení podle struktury procesoru
2.3 Dělení podle počtu jader
2.4 Základní parametry procesoru
5.1 Architektury mikropočítačů a osobních počítačů
5.2 Architektury mikročipů
5.3 Architektury procesorů pracovních stanic a serverů
5.4 Malé/střední/velké architektury procesorů
 
 
 
 
řadič nebo řídicí jednotka, jejíž jádro zajišťuje řízení činnosti procesoru v návaznosti na povely programu, tj. načítání strojových instrukcí, jejich dekódování (zjištění typu strojové instrukce), načítání operandů instrukcí z operační paměti a ukládání výsledků zpracování instrukcí.
sada registrů (v řadiči) k uchování operandů a mezivýsledků. Přístup k registrům je mnohem rychlejší než přístup do rozsáhlých pamětí umístěných na externí sběrnici. Registry dělíme na obecné (pracovní, universální) a řídící (např. čítač instrukcí, stavové registry, registr vrcholu zásobníku, indexregistry). Bitová šířka pracovních registrů je jednou ze základních charakteristik procesoru.
jedna nebo více aritmeticko logických jednotek (ALU - Arithmetic-Logic Unit), které provádí s daty příslušné aritmetické a logické operace.
některé procesory obsahují jednu nebo několik jednotek plovoucí čárky (FPU), které provádí operace v plovoucí řádové čárce
Je třeba poznamenat, že současné procesory zpravidla obsahují mnoho dalších rozsáhlých funkčních bloků jako třeba paměť cache a různých periferií, které z ortodoxního hlediska nejsou součástí procesoru. Proto vzniknul pojem „jádro procesoru“, aby bylo možné rozlišit mezi vlastním procesorem a integrovanými periferními obvody. Pro úplnost dodejme, že integrované periferie bývají většinou velmi dobře sladěny s jádrem, takže je z tohoto hlediska lze chápat jako „součást procesoru“. Vzhledem k současné vysoké integraci tak mnohde dochází k rozmazávání hranice mezi pojmem mikroprocesor a mikropočítač.
Některé současné procesory obsahují „více jader“. Vícejádrový procesor je tedy integrovaný obvod obsahující několik jader procesorů, logiku sloužící k jejich vzájemnému propojení (a případně ještě další jednotky).
Dalším současným trendem je tzv. „systém na čipu“ (SoC - system on chip). Jde o integrované obvody, které obsahují kromě vlastního procesoru i další subsystémy pro zpracování grafiky, zvuku či připojení periferií (ty jsou v osobních počítačích obvykle v tzv. chipsetech nebo na samostatných kartách). „Systémy na čipu“ mohou být použity například v PDA, herních konzolích, thin-clientech, domácí elektronice, nebo v mobilních telefonech.
Moderním trendem je rovněž kombinace procesorů s programovatelnými hradlovými poli, která dovoluje maximální přizpůsobení procesoru dané aplikaci. Prakticky to může vypadat například tak, že některé typy hradlových polí obsahují procesorové bloky, z kterých lze pomocí speciálních nástrojů sestavit procesor (nebo pole procesorů) podle požadavků aplikace. Výhodou je nový stupeň flexibility při dodatečných úpravách firmware.
 
 
 
Jak už jsme zmínili, když to velmi zjednodušíme procesor zastává v počítači podobnou úlohu jako motor v automobilu. Podobně jako se liší motor v motorce, miniautomobilu, automobilu vyšší třídy nebo v těžkém nákladním autě nebo v lodi se pro různé aplikace používají různé druhy procesorů.
 
 
 
  • 2.1 Dělení podle délky operandu v bitech
 
Základní vlastností procesoru je počet bitů, tj. šířka operandu, který je procesor schopen zpracovat v jednom kroku. Zjednodušeně se dá říci, že např. 8bitový procesor umí přímo počítat s čísly od 0 do 255, 16bitový s čísly od 0 do 65535 (tj. 0 až 216-1), atd. Operace s většími čísly musí být rozděleny do několika kroků.
Pro velmi jednoduché aplikace se používají 4bitové nebo 8bitové procesory. To platí například pro zabudované systémy (embedded) např. v mikrovlnných troubách, kalkulačkách, počítačových klávesnicích a infračervených dálkových ovládání.
Pro středně složité aplikace, jako jsou programovatelné automaty, jednoduché mobilní telefony, PDA nebo přenosné videohry se používají zpravidla 8bitové nebo 16bitové procesory.
Současné osobní počítače již většinou obsahují vícejádrové 64bitové procesory. Starší osobní počítače, laserové tiskárny, mobilní telefony střední a vyšší třídy a jiná komplikovaná zařízení většinou obsahují 32bitové procesory. Protože zvyšování frekvence a rozšiřování počtu bitů jsou spojeny s řadou problémů, jde vývoj směrem k vícejádrovým procesorům.
 
 
 
  • 2.2 Dělení podle struktury procesoru
 
  • Podle vnitřní architektury
 
Procesory RISC s menším počtem strojových instrukcí a CISC s velkým počtem intrukcí. Nedostatkem architektury RISC je větší spotřeba paměti pro program, procesory založené na architektuře CISC potřebují zase více času pro zpracování strojové instrukce. Současné procesory Intel a kompatibilní obcházejí nedostatky instrukční sady typu CISC tím, že vnitřně používají pro interpretaci strojového kódu architekturu RISC, čímž za cenu zesložitění procesoru dochází ke spojení výhod obou architektur. To je umožněno masivními investicemi firmy Intel umožněnými obrovským objemem výroby procesorů do osobních počítačů. Procesory RISC jsou velmi úspěšné např. v mobilních telefonech, nebo v superpočítačích, protože jednodušší architektura se projevuje nižší spotřebou energie.
Srovnání výkonu RISC a CISC:                   SPEC CPU2006 Results
 
 
  • Procesory umožňující / neumožňující plnohodnotný chod komplexních operačnich systémů
 
Pro jednoduché aplikace nebo pro jednoduché operační systémy nemusí procesor integrovat jednotku pro správu a ochranu paměti (tzv. MMU - memory management unit). To byl případ osobních počítačů s procesorem do 80286 a s 16bitovou instrukční sadou, kde bylo možné provozovat operační systémy DOS až Windows 3.11. Pro efektivní provoz plnohodnotných operačních systémů, které zajišťují ochranu paměti, stránkování paměti, a umožňují současný chod více programů (preemptivní multitasking) a současnou práci více uživatelů na jednom počítači, nebo dokonce virtualizaci je nutné, aby tyto možnosti procesor podporoval. Takovými operačními systémy jsou například UNIX, většinu zmíněných rysů podporují i současné operační systémy Windows (Windows NT, 2000, XP, Vista, W7 ...).
 
 
  • Jednočipový mikropočítač nebo také mikrokontrolér (MCU)
 
Procesor s univerzálním jádrem, s kterým jsou současně zaintegrovány základní periferní obvody, takže je schopen samostatné funkce. Za průkopníky v této kategorii můžeme považovat 8bitový procesor Intel i8051, který poprvé integroval všechny základní periferie (jádro procesoru, paměť RAM, EEPROM, čítače a časovače) na jediném čipu a 16bitový technologický procesor Siemens SAB 80C166, který poprvé integroval A/D převodníky, komunikační linky a masivní systém čítačů/časovačů/přerušení (následníky řady 80166 dnes vyrábí Infineon (řada C167 a C166 SV2) a SGS Thomson (řada ST10)).
 
 
 
  • Digitální signálový procesor (DSP)
 
procesor zaměřený na zpracování signálu. DSP jsou optimalizovány na co nejrychlejší opakování jednoduchých matematických algoritmů zaměřených na zpracování signálu. Typickou aplikací DSP je filtrace signálu pomocí filtrů FIR a IIR nebo Fourierova analýza. DSP se dnes používají především ve spotřební elektronice a v telekomunikační technice. Současné DSP obsahují proti svým předchůdcům navíc také rychlé komunikační linky, aby bylo možné přenášet velký datový tok protékající těmito procesory. Často můžeme rovněž pozorovat snahu o spojení výhod DSP a jednočipových mikropočítačů ať už je to cestou rozšiřování DSP o periferie nebo rozšiřováním mikrokontrolérů o DSP jednotky.
 
 
 
  • 2.3 Dělení podle počtu jader
 
V současnosti jde vývoj směrem k integraci více jader, tedy více procesorů do jediného čipu. Tento trend můžeme pozorovat u procesorů pro osobní počítače. Procesory se tedy dělí na jednojádrové a vícejádrové. Zvyšování počtu jader je v podstatě vynuceno fyzikálními omezeními. Ukazuje se, že integrací většího počtu jednodušších jader je teoreticky možné dosáhnout při stejné výrobní technologii na stejné ploše křemíku mnohem vyšší výpočetní výkon, než použitím jediného složitého jádra.
 
Není dosud zcela jasné, kterým směrem se bude ubírat vývoj. Systémy obsahující několik jader jsou zatím v podstatě jen konzervativním rozšířením současných procesorů. Otevřenou otázkou je, jakým způsobem bude řešena struktura, sdílení paměti a vzájemné vnitřní propojení např. u stojádrových procesorů. Dále jakým způsobem a jakými nástroji budou takové čipy programovány a v neposlední řadě vyvstává otázka, jak budou takové procesory obsluhovány operačním systémem.
Něco naznačuje např. architektura zakázkového procesoru IBM, který je používán v Sony Playstation 3, kdy hlavní „složité“ jádro založené na architektuře PowerPC rozděluje práci šesti jednodušším DSP, vzájemně propojeným pomocí hradlového pole. Se zvětšováním počtu jader pravděpodobně dojde k jejich specializaci.
 
 
 
 
 
 
2.4 Základní parametry procesoru
 
 
Protože existují stovky architektur procesorů specializovaných pro různé aplikační oblasti, přičemž některé architektury mají stovky zástupců, je velmi obtížné stanovit několik jednoduše srozumitelných obecných parametrů, které by umožnily objektivní srovnání různých procesorů. Následující parametrizace umožňuje zhruba srovnat základní rysy procesorů.



 
 
 
 
 
 
 
 
Zásadním parametrem, který je procesoru důležitý, je frekvence práce jeho jádra. Zdánlivě jde o banální záležitost, protože stačí spočítat kolik milionů či miliard instrukcí je procesor schopen vykonat za sekundu, tj. počet MIPS. Ovšem z praktického hlediska je počet MIPS např. u 8bitového procesoru PIC a u procesoru Intel Pentium zcela nesrovnatelnou veličinou, protože instrukční sady těchto procesorů jsou zásadně odlišné a na výpočet v plovoucí čárce, který udělá Pentium v jediném taktu může PIC potřebovat několik tisíc operací, zatímco jednoduché bitové operace zvládnou oba procesory v několika taktech.
Zdálo by se, že tedy alespoň srovnání výkonu v rámci jedné řady procesorů je snadné, ale není tomu vždy tak. Moderní procesory jsou totiž podstatně rychlejší než externí operační paměť, takže reálný výkon značně závisí také na rychlosti a šířce externí paměti a na velikosti a uspořádání vyrovnávacích pamětí cache uvnitř procesoru.
 
 
V této souvislosti je vhodné rovněž připomenout, že celkový výkon systému je určen výkonem procesoru pouze z jedné části. Rychlost je vždy určena úzkým místem v systému. Pokud je např. malá operační paměť, operační systém se ji pokusí nahradit odkládáním na řádově pomalejší pevný disk a chod paměťově náročných aplikací bude výrazně zpomalen. Taková situace se dá přirovnat k postupnému převážení mnoha předmětů v autě s malým kufrem - vyšší maximální rychlost ani vyšší výkon motoru nevyváží nedostatek prostoru. Rovněž vhodně navržená struktura periferií může výrazně odlehčit zátěž procesoru.
Integrovaný řadič operační paměti mají dnes všechny procesory AMD (Socket 754, Socket 939, Socket 940, Socket AM2, Socket AM2+, Socket AM3) a nová rodina procesorů Intel Core ix (postavených na jádru Nehalem).
 
Nejvíce zákazníky sledovaným parametrem je frekvence procesoru, která je významným faktorem jeho výkonu. Vzhledem k odlišné konstrukci výpočetních jednotek procesorů a vnitřní paměti se obtížně porovnávají výkony konkurenčních procesorů AMD a Intel podle jejich frekvence. Navíc v současné době vyrábějí oba největší výrobci jedno-dvou i čtyřjádrové(AMD i tříjádrové) procesory s poměrně velkým rozpětím frekvence.
 
 
AMD u Phenom II použila frekvence okolo 3 GHz a rozdíly u modelů dané řady se někdy liší i o pouze 300 MHz.
 
 
Důležitým faktorem celkového výkonu procesoru je tedy nyní i velikost vyrovnávací paměti procesoru, která se označuje cache. Ta bývá několikaúrovňová, cache s nejrychlejším přístupem má nyní velikost 32-128 kB na jádro (Level 1 cache), další úroveň má nyní 256 kB - 8 MB na jádro (Level 2 cache), Intel má sdílenou L2 cache, AMD zase oddělenou pro každé jádro. Nakonec L3 cache má velikost 2-6 MB. Na výkon procesoru má vliv i frekvence sběrnice (Front Side Bus), kterou komunikuje procesor se zbytkem počítače prostřednictvím tak zvaného chipsetu. AMD místo Front Side Bus používá Hyper Transport a Intel u nových CPU Core i7 přešel na QuickPath. Výrobci nabízejí své prakticky identické procesory v různých typových řadách s různou dostupnou velikostí Level 2 cache a i různou frekvencí FSB.
 
 
 
 
 
 
 
 
Patice neboli Socket či Slot je konektor na základní desce určený pro připojení procesorů. Dnešní osobní počítače používají až na výjimky v řádu procent procesory architektury x86 výrobců AMD a Intel. Dlouhou dobu byly procesory obou značek v osobních počítačích záměnné (podobně i dalších značek, jako byl například Cyrix nebo IDT), protože se osazovaly do identických patic, označovaných též jako sockety. V roce 1997 ale společnost Intel začala vyvíjet novou patici nazvanou Slot 1 a vývoj procesorů obou nejvýznamnějších výrobců se od té doby ubíral odlišně. Dnešní procesory se proto obvykle dělí podle patic, přičemž doba trvání výroby těchto řad je stále kratší. Patice se označují často podle počtu pinů nebo kódovým označením, dnes jsou na trhu například:
Socket 462 (Socket A, AMD Athlon, Duron, výběhový)
  • Socket 478 (Intel Pentium III, Pentium 4 (Northwood), Celeron Pentium 4, výběhový)
  • Socket 479 (Intel, původně pro mobilní počítače, výběhový)
  • Socket 604 (Intel pro servery, výběhový)
  • Socket 754 (AMD, výběhový)
  • Socket 771 (Intel pro servery)
  • Socket 775 (Intel)
  • Socket 939 (AMD, výběhový)
  • Socket 940 (AMD pro servery, výběhový)
  • Socket AM2 (AMD, 1 a 2 jádrový)
  • Socket AM2+ (AMD, 3 a 4 jádrový (Phenom))
  • Socket AM3 (AMD, 3 a 4 jádrový (Phenom II))
  • Socket 1156 (Intel Core i5 4 jádrový)
  • Socket 1366 (Intel Core i7 4 jádrový)
  • Socket 1567 (Intel Core i7 NEHALEM-EX (XEON 5500) 8 jádrový pro servery)
  • Socket F (AMD pro servery)
 
 
 
 
5.1 Architektury mikropočítačů a osobních počítačů
 
  • Intel: x86
  • AMD: x86-64
  • Motorola (dnes Freescale): 6800, 6809 a 68000
  • MOS Technology 6502
  • Zilog Z80
  • IBM a později AIM alliance: PowerPC
 
 
5.2 Architektury mikročipů
 
  • PowerPC 440 firmy IBM
  • 8051
  • Atmel AVR
  • PIC firmy Microchip
  • ARM
 
 
5.3 Architektury procesorů pracovních stanic a serverů
  • SPARC firmy Sun Microsystems
  • POWER firmy IBM
  • Architektura MIPS od MIPS Computer Systems Inc. a její instrukční sada je nosnou částí knihy Davida A. Pattersona a Johna L. Hennessyho Computer Organization and Design ISBN 1-55860-428-6 1998 (2. vydání)
  • PA-RISC od HP
  • Alpha od DEC
  • Advanced RISC Machines (původně Acorn) architektury ARM a StrongARM/XScale
  • Procesor LEON2
 
 
5.4 Malé/střední/velké architektury procesorů
 
  • System/360 od IBM
  • PDP-11 od DEC a jeho následníci, architektura VAX
  • SuperH od SuperH
  • UNIVAC série 1100/2200 (momentálně používaná v počítačích ClearPath IX od Unisysu)
  • AP-101 – počítač raketoplánu
 
 
 
  • Cell od IBM (Sony/IBM/Toshiba)
 
 
 
  • EDSAC – první praktický počítač s uloženým programem
  • Navigační počítač Apollo použitý při letech na měsíc
  • MIPS R4000 – první 64bitový mikroprocesor
  • Intel 4004 – první mikroprocesor
 
 
 
 
 
 
 
  • 1971 - Intel 4004 - první mikroprocesor - 4bitový
  • 1972 - Intel 8008 - 8bitový mikroprocesor
  • 1974 - Intel 8080 - 8bitový mikroprocesor, který se stal základem prvních        8bitových osobních počítačů
  • 1975 - MOS Technology 6502 - 8bitový mikroprocesor, montovaný do Apple II,        Commodore 64 a Atari
  • 1975 - Motorola 6800 - první procesor firmy Motorola
  • 1975 - AMD nastupuje na trh s řadou Am2900
  • 1976 - TI TMS 9900 - 16bitový mikroprocesor
  • 1976 - Zilog Z80 - 8bitový mikroprocesor, s rozšířenou instrukční sadou          Intel 8080, frekvence až 10 MHz
  • 1978 - Intel 8086 - 16bitový mikroprocesor, první z architektury x86
  • 1978 - Intel 8088 - 16bitový mikroprocesor s 8bitovou sběrnicí, který byl        použit v prvním IBM PC v roce 1981
  • 1979 - Motorola 68000 - 32/16bitový mikroprocesor
  • 1979 - Zilog Z8000 - 16bitový mikroprocesor
  • 1980 - IBM 801 - 24bitový experimentální procesor s revoluční RISC                architekturou dosahující vynikajícího výkonu
  • 1980 - Intel 8051 - 8bitový mikroprocesor se základní sadou periferií pro        emebedded systémy
  • 1982 - Intel 80286 - 16bitový mikroprocesor
  • 1983 - TMS32010 - první DSP firmy Texas Instruments
  • 1985 - Intel 80386 - 32bitový mikroprocesor (měl 275 000 tranzistorů)
  • 1986 - Acorn ARM - 32bitový RISC mikroprocesor, z Advanced RISC Machine,          původně Acorn RISC Machine, použit i v domácích počítačích
  • 1989 - Intel 80486 - 32bitový mikroprocesor s integrovaným matematickým          koprocesorem
  • 1989 - Sun SPARC - 32bitový RISC mikroprocesor, z Scalable (původně Sun          Processor ARChitecture)
  • 1992 - DEC Alpha - 64bitový RISC mikroprocesor
  • 1992 - Siemens 80C166 - 16bitový mikroprocesor pro průmyslové embedded            systémy s bohatou sadou periferií
  • 1993 - Intel Pentium - 32bitový mikroprocesor nové generace (3,3 milionu          tranzistorů)
  • 1995 - Intel Pentium Pro - 32bitový mikroprocesor nové generace pro              servery a pracovní stanice (5,5 milionu tranzistorů)
  • 1995 - Sun UltraSPARC - 64bitový RISC mikroprocesor
  • 1997 - Intel Pentium II - 32bitový mikroprocesor nové generace s novou            sadou instrukcí MMX (7,5 milionu tranzistorů)
  • 1997 - Sun picoJava - mikroprocesor pro zpracování Java bytekódu
  • 1999 - Intel Celeron - 32bitový mikroprocesor odvozený původně od Intel          Pentium II pro nejlevnější PC
  • 1999 - Intel Pentium III - 32bitový mikroprocesor nové generace s novou          sadou instrukcí SIMD (9,5 milionu tranzistorů)
  • 2000 - Intel Pentium 4 - 32bitový mikroprocesor s řadou technologií              orientovaných na dosažení vysoké frekvence
  • 2001 - Intel Itanium - 64bitový mikroprocesor nové generace pro servery
  • 2003 - AMD Athlon 64 - 64bitový mikroprocesor nové generace pro desktopy s        instrukční sadou AMD64, zpětně kompatibilní s x86
  • 2006 - Intel Core - 64bitová architektura, na které jsou postaveny                procesory Core Duo, Core 2 Duo, Core Solo, Core 2 Quad
  • 2007 - AMD uvádí novou řadu procesorů Phenom
  • 2008 - Intel Core i7 - nová řada CPU od Intelu