Přeskočit na hlavní obsah

Otázka č. 7 - Mikroprocesory a komunikace s okolím

  • Mikroprocesor je "mozkem" počítače
  • Slouží k zpracování instrukcí od programů
  • Některé instrukce zpracovává sám
  • Provedení některých dalších instrukcí používá různé komponenty počítače (např. operační paměť, disky, sběrnice, displej nebo tiskárny)

Von-Neumannova architektura​

Klasická architektura počítače definovaná Johnem von Neumannem – základ dnešních CPU:

  • Vstupně/výstupní zařízení (I/O) – klávesnice, myš, monitor…
  • Aritmeticko-logická jednotka (ALU) – provádí výpočty
  • Řadič (Control Unit) – řídí tok instrukcí
  • Operační paměť – uchovává program i data
  • Společná sběrnice pro data i instrukce (na rozdíl od Harvardské architektury)

Obsah

Logický obvod​

  • Dokáže zpracovat sadu jednoduchých mikroinstrukcí
  • Je jádrem každého mikroprocesoru
  • Mikroinstrukce jsou jen jednoduché příkazy

Instrukční sada​

  • Instrukční sada poskytuje programátorům přívětivější prostředky pro napsání složitějšího aplikačního programu

Program napsaný v mikroinstrukcích​

  • Převod instrukční sady na mikroinstrukce, které je mikroprocesor schopen řešit

Registry​

  • Malé, velmi rychlé paměti přímo v CPU
  • Slouží pro mezivýpočty, adresy, stavové informace
  • Mají omezenou kapacitu (desítky až stovky registrů)

Cache paměť​

Vyrovnávací paměť integrovaná přímo v procesoru – slouží k uchování nejčastěji používaných dat/instrukcí a snižuje nutnost pomalého přístupu do RAM.

ÚroveňVelikostRychlostPopis
L1KBnejrychlejšíKaždé jádro má vlastní; instrukce i data
L2stovky KBrychláKaždé jádro má vlastní; větší než L1
L3MB–desítky MBpomalejšíSdílená mezi jádry; největší kapacita
  • Čím nižší číslo → tím menší kapacita, ale vyšší rychlost a blíže k jádru

Frekvence procesoru​

Vnitřní vs. vnější frekvence​

  • Vnější (základní) frekvence – generována generátorem taktů na základní desce; typicky 100–200 MHz
  • Vnitřní frekvence – udávaná při koupi (např. 4 GHz); odvozena od vnější pomocí násobitele (multipliéru)
    • Příklad: 100 MHz × 40 = 4 000 MHz (4 GHz)
  • Dnes procesory mají mnoho jader místo dalšího zvyšování frekvence

Přetaktování (overclocking)​

  • Zvýšení násobitele nebo základní frekvence nad výrobní hodnotu
  • Vyšší výkon, ale i vyšší teplota a spotřeba; riziko nestability

Interní sběrnice CPU​

  • Intel – architektura Ring Bus (kruhová sběrnice propojuje jádra a sdílenou cache)
  • AMD – architektura Infinity Fabric – vysokorychlostní propojení jader, cache i IO části čipu

APU - Accelerated Processing Unit

  • Pokud je GPU přímo zakomponováno v CPU nazývá se tento procesor APU
  • Obsahuje tedy jak CPU tak GPU
  • odstraňuje řadu problémů díky zlepšení komunikace mezi jádry CPU a jádry GPU
  • Vlivem této integrace se u počítačů s APU výrazně zlepšuje poměr výkon/cena
  • Dnes již klasické použití APU je pro vysoce mobilní přístroje, jako jsou mobilní telefony, netbooky, tablety
  • Nižší spotřeba
  • Použito například i v konzolích PS4, Xbox One

Rozdělení

podle instrukční sady​

  • RISC (Reduced Instruction Set Computing)

    • procesory s redukovanou instrukční sadou
    • nemají složité instrukce
      • př. Násobení provádí tak, že spolu několikrát za sebou sečtou číslo( 3*4 = 3+3+3+3)
    • jejichž návrh je zaměřen na jednoduchou, vysoce optimalizovanou sadu strojových instrukcí
    • používá se popisnější název architektura load-store
      • že celkový počet instrukcí RISC procesoru může být paradoxně vyšší, než u jiných architektur (musí si hodněkrát ukládat a načítat data)
    • obsahuje relativně velké množství registrů – kvůli častému ukládání a načítání
    • použití
      • servery
      • laserové tiskárny
      • v osobních počítačích

  • CISC (Complex Instruction Set Computing)

    • procesory s kompletní instrukční sadou
    • obsahují složité instrukce
    • procesor obsahuje relativně nízký počet registrů
    • Použití
      • Osobní počítače

RISC vs CISC​

  • Složitost CISC procesorů vede k problémům při výrobě
  • velká spotřeba materiálu
  • větší pravděpodobnost vady
  • komplikovaný návrh
  • Procesory RISC jsou rychlejší, levnější, jednodušší
  • Větší uplatnění CISC u osobních PC
  • Ovšem stále více začínají uplatňovat prvky procesorů RISC

Podle počtu jader​

  • V současné době vývoj spěje k dodávání více jader do CPU

Jednojádrové​

Vícejádrové​

Podle šířky slova (v bitech)​

  • Zjednodušeně řečeno – s jak velkými čísly dokáže procesor počítat
  • Pokud mikroprocesor nemá dostatečnou šířku slova na práci s číslem, musí být akce rozdělena do více kroků
    • Například pokud chceme například sčítat čísla 500 a 300 na 8 bitovém procesoru
  • 4bitové ……. 0 - 15
  • 8bitové …… 0 - 255
  • 16bitové
  • 32bitové
  • 64bitové

Patice procesoru

  • Socket (patice) či Slot je konektor na základní desce určený pro připojení procesorů
  • každá kombinace patice a čipsetu podporuje jenom určitou řadu procesorů
  • Správné zasazení procesoru do patice – mikroprocesor má na sobě v jednom rohu malý trojúhelníček, podle kterého poznáme, jak se má CPU vložit

Socket​

  • Procesory určené pro patici Socket mají tvar čtverce s kontakty na spodní straně nebo v patici
  • Dnes dominantní typ

Aktuální sockety​

VýrobceSocketGenerace procesorů
AMDAM5Ryzen 7000, 8000, 9000
AMDAM4Ryzen 1000–5000
IntelLGA 1700Core 12.–14. gen (Alder/Raptor Lake)
IntelLGA 1200Core 10.–11. gen (Comet/Rocket Lake)

Slot​

  • Procesory do Slotu mají tvar přídavné karty s vývody uspořádanými do jedné řady
  • Toto řešení používaly starší procesory Intel Pentium II, III a Intel Celeron
  • Dnes již obsolentní

Sběrnice

  • svazek vodičů, kterým proudí informace mezi jednotlivými komponentami (0 nebo 1)
  • pokud máme pomalou sběrnici, je nám k ničemu i ten nejrychlejší procesor
  • lze rozdělit na skupiny:
    • řídicí vodiče
    • adresové vodiče
    • datové vodiče

Řady procesorů

Intel​

  • Core i (i3/i5/i7/i9) – hlavní produktová řada pro spotřebitele; vyšší číslo = vyšší výkon
  • Core Ultra – nová generace s integrovaným NPU (neural processing unit) pro AI
  • Xeon – servery a pracovní stanice
  • Pentium / Celeron – vstupní třída (dnes již ukončeno/přejmenováno)
  • Core Duo – starší dvoujádrová řada

AMD​

  • Ryzen (3/5/7/9) – hlavní řada pro spotřebitele; konkurence Intel Core
  • Ryzen Threadripper – HEDT (high-end desktop) a workstation
  • EPYC – serverová řada
  • Phenom – starší předchůdce Ryzenu
  • Athlon – vstupní třída
  • Bulldozer / FX – starší architektura (před Ryzeny)

Historie

  • Vývoj mikroprocesorů začal po 2. sv. válce
  • První počítač ENIAC o Pro výpočty dělostřeleckých tabulek pro americkou armádu o Dokončen až po válce
  • V 70. letech začalo docházet ke zmenšování procesorů, které dříve byly velké jako místnost

Současnost​

  • součástí mnoha elektronických zařízení
  • neustále klesající cena a rostoucí možnosti mikroprocesorů

Použití

  • PC
  • Rádia
  • Televize
  • Chladničky/mrazáky
  • Mobilní telefony
  • Tiskárny
  • Pračky
  • Televizory

IRQ – Interrupt ReQuest

  • Označení signálu, kterým procesor zažádá o pozornost
  • Zažádá o přerušení probíhajícího procesu za účelem provedení důležitější akce
  • Některé procesory mají řadič přerušení integrovaný, ale je řadič logicky oddělen
  • Řadič vyhodnocuje priority přerušení, umožňuje některá přerušení ignorovat a pamatuje si, která přerušení čekají na vyřízení.

Postup

  1. Zařízení sdělí řadiči přerušení, že potřebuje provést přerušení
  2. Řadič upozorní CPU
  3. Když se CPU dostane do stavu kdy je ochotné přerušení přijmout, přeruší probíhající výpočet
  4. Zeptá se řadiče na nejdůležitější nezamaskované čekající přerušení a spustí jeho obsluhu
  5. Obsluha informuje řadič o dokončení obsluhy přerušení