¿Quines són les quatre parts principals d'un processador?

Fem servir galetes a les nostres pàgines web per entregar els nostres serveis en línia. Detalls sobre com utilitzem galetes i com podeu deshabilitar- les seran establerts a la nostra Etiqueta de privadesa . Utilitzant aquest lloc web estàs d'acord amb el nostre ús de galetes. ×

Les cames dels dissenys anteriors, com ara Babbage's Motor diferència I els sistemes de targetes principals dels anys 70, tenen un impacte significatiu en els sistemes informàtics d'avui. En el meu primer article en aquesta sèrie històrica, Ordinador de la història i ordinadors moderns per als sysadmins He parlat de diversos precursors a l'ordinador modern i he llistat característiques que defineixen el que avui anomenem ordinador.

Més recursos de Linux

En aquest article, parlo de la unitat de processament central (CPU), incloent els seus components i funcionalitat. Molts dels temes es refereixen al primer article, així que assegureu-vos de llegir-ho si encara no ho heu fet.

La unitat de processament central (CPU)

La CPU dels ordinadors moderns és l'encarnació del motor de diferències del Babbage. El terme Unitat de processament central S'origina de nou en la boira del temps de l'ordinador quan un sol gabinet massiu conté el circuit necessari per interpretar les instruccions del programa de nivell màquina i realitzar operacions en les dades proporcionades. La unitat de processament central també ha completat tot el procés per a qualsevol dispositiu perifèric. Perifèrics va incloure impressores, lectors de targetes i dispositius d'emmagatzematge primerencs com ara el tambor i els discs. Els dispositius moderns perifèrics tenen una quantitat significativa d'energia de processament ells mateixos i de càrrega d'algunes tasques de processament de la CPU. Això lliure de la CPU des de les tasques d' entrada/ sortida de manera que el seu poder s' aplica a la tasca primària a mà.

No hi ha res a veure aquí que no sigui el paquet del processador. El paquet de processador és un xip que conté el processador(s) segellat dins d' un recipient metàl·lic i muntat en un petit circuit imprès (PC) tauler. El paquet simplement es deixa caure en lloc del sòcol de la CPU en una pissarra i s'assegura amb un arranjament de palanca de bloqueig. Un paquet de processadors més guai de la CPU. Hi ha diversos sòcols físics diferents amb números específics de contactes, així que aconseguir el paquet correcte per ajustar el sòcol de mareboard és essencial si construïu els vostres propis ordinadors.

Com funciona la CPU

Mirem la CPU amb més detall. La figura 2 és un diagrama conceptual d'una CPU hipotètica per a que pugueu visualitzar els components més fàcilment. El rellotge de la RAM i el sistema estan ombrejats perquè no formen part de la CPU i només es mostren per claredat. A més, no es dibuixen cap connexió entre el rellotge de la CPU i la unitat de control dels components de la CPU. Sigliqueu-lo per dir que els senyals del rellotge i la unitat de control formen part integral de tots els altres components.

Aquest disseny no sembla especialment simple, però la realitat és encara més complicada. Aquesta figura és suficient per als nostres propòsits sense ser molt complex.

Unitat de lògica Aritmètica

La Unitat de lògica aritmètica (ALU) realitza l'aritmètica i funcions lògiques que són la feina de l'ordinador. La Acard symbol i B S' estan registrantThe role of the transaction, in present tense Agafa les dades d' entrada i la accumulator rep el resultat de l'operació. La Registre d' instruccions conté les instruccions que l' ALU és per dur a terme.

Per exemple, quan s' afegeixen dos nombres, es col· loca un número a la caixa registradora A i l'altre a la caixa registradora B. L'ALA fa l'addició i posa el resultat en l'accumulador. Si l' operació és un lògic, les dades a comparar es col· loca a la Registres d' entrada . El resultat de la comparació, un 1 o 0, es posa en l' acumulador. Si això és una operació lògica o aritmètica, el contingut de l' accumulador és llavors situat a la localització de la memòria cau reservada pel programa pel resultat.

Hi ha un altre tipus d'operació realitzada per l'ALU. El resultat és un adreça En memòria, s'utilitza per calcular una nova ubicació en memòria per començar a carregar instruccions. El resultat està situat al Registre del punter d' instrucció .

Registre d' instruccions i punter

La Apuntador d' instruccions Especifica la localització en memòria que conté la següent instrucció a executar per la CPU. Quan la CPU completa l' execució de la instrucció actual, la següent instrucció està carregada en la caixa d' instruccions des de la ubicació de la memòria apuntant al punter d' instruccions.

Després de la instrucció es carrega al registre d' instruccions, el punter d' instrucció s' incrementarà per una adreça d' instruccions. L' increment permet moure les següents instruccions en el registre d' instruccions.

Memòria cau

La CPU mai accedeix directament a la RAM. Les CPU modernes tenen una o més capes de Cau . L'habilitat de la CPU per realitzar càlculs és molt més ràpid que la capacitat de la RAM per alimentar les dades a la CPU. Les raons per això estan més enllà de l'abast d'aquest article, però l'exploraré més enllà en el següent article.

La memòria cau és més ràpida que la RAM del sistema, i està més a prop de la CPU perquè està en el xip de processador. La memòria cau proporciona l' emmagatzematge de dades i les instruccions per evitar que la CPU esperi a les dades a recuperar de la RAM. Quan la CPU necessita instruccions de dades de les seves ordres de programa i de programació també es consideren que les dades de la memòria cau determinen si les dades ja estan en residència i les proporciona a la CPU.

Si les dades sol· licitada no són a la memòria cau, s' han recuperat de la RAM i usa algorismes preditius per a moure més dades des de la RAM a la memòria cau. El controlador de memòria cau analitza les dades sol· licitada i intenta predir quines dades addicionals seran necessàries de la RAM. Carrega les dades anticipades a la memòria cau. En mantenir algunes dades més properes a la CPU en un cau que sigui més ràpid que la RAM, la CPU pot estar ocupada i no perdre cicles esperant dades.

La nostra simple CPU té tres nivells de memòria cau. Els nivells 2 i 3 estan dissenyats per predir quines dades i instruccions de programa seran necessàries després, moure aquestes dades de la RAM, i moure' l més a prop de la CPU per estar llest quan sigui necessari. Aquestes mides de memòria cau normalment abasten 1 MB a 32 MB, depenent de la velocitat i l' ús pensat del processador.

La memòria cau del nivell 1 és més propera a la CPU. A la nostra CPU, hi ha dos tipus de memòria cau de L1. L1i és el cau d' instruccions, i L1d és el cau de dades. Mida del nivell 1 normalment de la memòria cau des de 64 KB a 512 KB.

Unitat de gestió de memòria

La Unitat de gestió de memòria (MU) gestiona el flux de dades entre la memòria principal (RAM) i la CPU. També proporciona protecció de memòria necessària en entorns de diversitat i conversió entre adreces de memòria virtuals i adreces físiques.

Unitat de rellotge i control de la CPU

Tots els components de la CPU han d' estar sincronitzats per treballar bé junts. La unitat de control Fa aquesta funció a un ritme determinat per la Velocitat del rellotge i és responsable de dirigir les operacions de les altres unitats utilitzant senyals de temps que s'estenen a través de la CPU.

Memòria d' accés aleatòria (RAM)

Encara que la RAM, o l' emmagatzematge principal, es mostra en aquest diagrama i en el següent, no és realment una part de la CPU. La funció és emmagatzemar programes i dades de manera que estiguin llests per a usar- los quan la CPU les necessita.

Com funciona

Les CPU treballen en un cicle que està gestionat per la unitat de control i sincronitzada pel rellotge de la CPU. Aquest cicle s'anomena el cicle d' instrucció de la CPU , i consisteix en una sèrie de components de recuperació/decodi/ execute. Les instruccions, que poden contenir dades estàtics o punters a dades variables, s' obtenen i es col·loquen al registre d' instruccions. La instrucció està descodificada, i qualsevol dada està situada al registre de dades A i B. La instrucció s' executa usant els registres A i B, amb el resultat posat en l' acumulador. La CPU incrementa el valor de l' apuntador de les instruccions a la longitud de l' anterior i torna a començar.

El cicle bàsic d' instrucció de la CPU es veu així.

La necessitat de velocitat

Tot i que la CPU bàsica funciona bé, les CPU que s'executen en aquest cicle simple es poden utilitzar encara més eficientment. Hi ha múltiples estratègies per augmentar el rendiment de la CPU, i ens fixem en dos d'ells aquí.

Supercarregant el cicle d' instruccions

S'ha trobat un problema amb els dissenyadors de CPU en els diversos components de la CPU. Una de les primeres estratègies per millorar el rendiment de la CPU va ser sobreposades Les porcions del cicle d' instruccions de la CPU per a utilitzar les diverses parts de la CPU més completament.

Per exemple, quan s' ha descodificat la instrucció actual, la següent s' agafa i s' ha posat al registre d' instruccions. Tan aviat com s'hagi produït, el punter d' instrucció s' actualitza amb l' adreça de memòria de la següent instrucció. L' ús dels cicles d' instruccions sobreposades és il· lustrat en la figura 4.

Aquest disseny sembla agradable i suau, però els factors com esperar que I/O pugui desactivar el flux. No tenir les dades o instruccions correctes a la memòria cau requereix que la MU per localitzar les correctes i moure'ls cap a la CPU, i això pot trigar una estona. Certes instruccions també prenen més cicles de CPU per completar que d'altres, basant-se en una sobreverança suau.

No obstant això, aquesta és una estratègia poderosa per millorar el rendiment de la CPU.

HyperthreadingCity name (optional, probably does not need a translation)

Una altra estratègia per millorar el rendiment de la CPU és hiperthreadingCity name (optional, probably does not need a translation) . Hyperthreading crea un nucli de processador simple com dos CPU donats dues dades i fluxos d' instruccions. Afegir una segona instrucció i una caixa d' instruccions a la nostra hipotètica CPU, com es mostra a la Figura 5, el fa funcionar com dues CPU, executar dos fluxos d' instruccions separades durant cada cicle d' instruccions. A més, quan un espai de corrent d'execució s'espera de les dades de nou, les instruccions també són de les dades de l' ordre de sortida del segon flux continua processant. Cada nucli que implementa hiperfilisme és l'equivalent a dues CPU en la seva capacitat de processar instruccions.

Recordeu que això és un diagrama molt simplificat i una explicació de la nostra hipotètica CPU. La realitat és molt més complexa.

Més terminologia

M'he trobat amb molta terminologia de CPU diferent. Per a definir la terminologia una mica més explícitament, mirem la pròpia CPU utilitzant la lscpuunit description in lists ordre.

El processador Intel mostrat a dalt és un paquet que té un sol sòcol a la pissarra. El paquet de processador conté sis nuclis. Cada nucli és capaç d'hiperfilir, de manera que cada un pot executar dos fils simultanis per un total de 12 CPU.

Core - Un nucli és la unitat de maquinari físic més petita capaç de realitzar la tasca de processament. Conté una ALU i una o dues conjunts de registres de suport. El segon joc de registres i de suport permet hiperfilar. Un o més nuclis es poden combinar en un sol paquet físic.
CPU - Una unitat de maquinari lògica capaç de processar un sol fil d' execució. L' ús modern del terme Unitat de processament central Es refereix al total de fils que un paquet de processador és capaç d'executar simultàniament. Un processador únic que no permet hiperthreading és l'equivalent a una sola CPU. En aquest cas, la CPU i el nucli són sinònims. Un processador d' hiperfilisme amb un únic nucli és l'equivalent funcional de dues CPU. Un processador d'hiperfilisme amb vuit nuclis és l'equivalent funcional de 16 CPU.
Paquet - El component físic que conté un o més nuclis, com el que es mostra a la Figura 1 dalt.
Processador - 1) Un dispositiu que envia les instruccions del programa per a manipular les dades. 2) usat més freqüentment com a sinònim del paquet.
Sòcol - de vegades usat com a altre sinònim per al paquet, però es refereix amb més precisió al sòcol físic de la mareboard en el qual s' insereix el paquet del processador.

Els termes sòcol , Processador , i paquet Sovint s'utilitza intercanviable, que pot causar certa confusió. Com veiem des de la lscpuunit description in lists Els resultats de l'ordre de dalt, Intel·ligència ens proporciona amb la seva pròpia terminologia, i considero que la font autoritiva. En realitat, tots utilitzem aquests termes de diferents maneres, però mentre ens entenem els uns als altres en qualsevol moment, això és el que realment importa.

Fixeu- vos que el processador de dalt té dos cau de 512 KiB cadascun, un per instruccions (L1i) i un per a dades (L1d). La memòria cau del nivell 1 s'acosta a la CPU, i accelerarà les coses per tenir instruccions i dades separades en aquest punt. Nivell 2 i Nivell 3 cau són més grans, però instruccions i co-exis de dades en cadascun.

Què vol dir tot això?

Consell d' exposició

Bona pregunta. En els primers dies de les centrals, cada ordinador només tenia una CPU única i era incapaç d'executar més d'un programa alhora. L'ordinador principal podria executar nòmina, llavors la comptabilitat de l'inventari, després la factura de clients, i així successivament, però només una aplicació podia executar en un moment. Cada programa havia d' acabar abans que l' operador del sistema pogués iniciar el següent.

Alguns intents primers en executar múltiples programes a la vegada van tenir un enfocament simple i es van apuntar a una millor utilització d'una única CPU. Per exemple. programa1 i programa2 Estaven carregats, i programa1 Va córrer fins que es va bloquejar l'espera que passés I/O. En aquest punt, programa2 Va córrer fins que es va bloquejar. Aquesta aproximació s'anomenava multiprocessant i va ajudar a utilitzar tot el temps d'ordinadors valuós.

Intents primers en la indústria de tots els implicats canviant el context de l' execució d' una única CPU molt ràpidament entre els fluxos d' execució de múltiples tasques. Aquesta pràctica no és veritat com ho entenem perquè, en realitat, només es processa un sol fil d'execució en un moment. S'anomena més correctament compartir el temps.

Ordinadors moderns, de rellotges intel·ligents i tauletes als superordinadors, totes accepten la monoculació real amb múltiples CPU. Múltiples CPU permeten als ordinadors executar moltes tasques simultàniament. Cada CPU realitza les seves pròpies funcions alhora que totes les altres CPU. Un processador de vuit-core amb hiperfils (és a dir, 16 CPU) pot executar 16 tasques simultàniament.

Pensaments finals

Hem mirat a una CPU conceptualitzada i simplificat per aprendre una mica sobre estructures. Amb prou feines vaig esquiar la superfície de la funcionalitat del processador en aquest article. Podeu aprendre més mitjançant els enllaços encastats per als temes que vàrem explorar.

Recordeu que els diagrames i descripcions d'aquest article són purament conceptuals i no representen cap CPU real.

En la següent part d'aquesta sèrie, vaig a mirar a la RAM i als discs com a diferents tipus d'emmagatzematge i per què cadascun és necessari per als ordinadors moderns.

David ambdues

En David ambdues parts és un advocat de codi obert i GNU/Linux, entrenador, escriptora, i altaveu que viu a Raleigh, NC. És fort. Proporció de "i enom," per a l'"Linux Philosophiy." En David ha estat a la indústria informàtica durant més de 50 anys. Més sobre mi.

La Cimera de Red Hat 2022: En Demand

Aconsegueix l'última sobre Ansible, Red Hat Enterprise Linux, OpenSMaj, i més del nostre esdeveniment virtual sota demanda.

Subscriu ara

Les opinions que han expressat en aquesta pàgina web són aquelles de cada autor, no de l'empresa o de Red Hat. El contingut publicat en aquest web són contribucions a la comunitat i són només per a un propòsit informatiu i no són, i no són includes, RED HATACIÓ EL DOCUMENT, SUPORT, O ADT.

Red Hat i el logo Red Hat són marques de Red Hat, Inc., registrats als Estats Units i d'altres països.