Quines tres coses fan un processador?
L' ordinador que esteu usant per llegir aquesta pàgina usa un microprocessador per fer la seva feina. El microprocessador és el centre de qualsevol ordinador normal, si és un màquina d' escriptori , a servidor o a portàtil . Hi ha molts tipus de microprocessadors, però tots fan aproximadament el mateix de la mateixa manera.
Un microprocessador també conegut com a a CPU o la unitat de processament central és un motor de càlcul complet que es fabrica en un xip únic. El primer microprocessador va ser l'Intel 4004, introduït el 1971. El 4004 no era molt poderós kdeaccessibility tot el que podia fer era afegir i restar, i només podia fer això 4 bits De tant en tant. Però va ser increïble que tot estava en un xip. Abans dels 4004, els enginyers van construir ordinadors de col·leccions de xips o dels components discrets ( Transistors N'hi ha un al mateix temps. Una de les primeres calculadores electròniques portàtils de 4004.
Advertiment
Si mai us heu preguntat què fa el microprocessador en el vostre ordinador, o si mai us heu preguntat sobre les diferències entre tipus de microprocessadors, llavors llegiu-vos. En aquest article, aprendràs com són tècniques de lògica digital simples permeten a un ordinador fer la seva feina, si està jugant a un joc o a l'encanteri que comprova un document!
Progressió del microprocessador: Intel
El primer microprocessador per a convertir-lo en un ordinador a casa Era l'Intel 8080 , un ordinador complet de 8 bits en un xip, introduït el 1974. El primer microprocessador per fer una nota real en el mercat era el 8088, introduït en 1979 i incorporat al PC IBM (que va aparèixer primer al voltant de 1982). Si esteu familiaritzat amb el mercat PC i la seva història, sabeu que el mercat del PC es va traslladar des de la 8088 fins al 80386 fins al 80486 fins a la sèrie Pentiui a la sèrie principal de Xenon. Tots aquests microprocessadors estan fets per Intel·ligència i tots ells són millores sobre el disseny bàsic dels 8088.
Des de 2004, Intel·ligència ha introduït microprocessadors amb múltiples nuclis i milions més transistors. Però fins i tot aquests microprocessadors segueixen les mateixes regles generals que les anteriors.
Advertiment
Un processador d'Intel Core i9 pot tenir fins a vuit nuclis , cada un d'ells pot executar qualsevol tros de codi que va córrer en l'original 8088, només uns 6,700 vegades més ràpid! Cada nucli pot gestionar diversos fils d' instruccions, permetent que l' ordinador gestioni les tasques de manera més eficient.
L'abast del producte de la Intel·ligència s'ha ampliat substancialment dels anys 70. A partir d'aquesta escriptura, l'empresa encara fa que Pentiui i les CPU base per als ordinadors, però els PC i servidors puguin usar el xip Xeon. A més, Intel·ligència ofereix línies de Celeron i processador Atom. El Celeron té l'objectiu d'usuaris d'ordinadors d'entrada, i els processadors Atom són millors per a dispositius mòbils i dispositius que formen part de l'Internet de les coses.
Mentre Intel·ligència encara té una gran part del mercat, té més que la seva justa part de competidors. ADM competir amb Intel·ligència en el mercat de processadors de PC, però també negocia gran en fitxes de processadors gràfics que són populars amb els jugadors de PC. Nvidia, famosa per les seves fitxes gràfiques, també profereix CPU. L'any 2020, Apple va introduir les seves fitxes de M-series, que estan reemplaçant les fitxes d'Intel Apple estava utilitzant pels seus ordinadors Macintoshs. SamsungCity name (optional, probably does not need a translation) També pot estar funcionant. sobre els seus propis dissenys de processador propietari. Moltes empreses construeixen processadors per a altres usos electrònics, com cotxes i productes a casa intel·ligents. El mercat s'està fent cada vegada més competitiva.
Acard symbol xip També s'anomena un circuit integrat . Generalment és una petita peça de silici prima sobre la qual els transistors que fan que el microprocessador s'han posat. Un xip podria ser tan gran com una polzada en un costat i pot contenir desenes de milions de transistors. Els models senzills poden consistir en uns milers de transistors que es van ficar en un xip només uns pocs mil·límetres quadrats. S'ha tornat comú veure xips en tot tipus de dispositius amb múltiples nuclis, cadascun d'ells és un processador.
Advertiment
La lògica microprocessador
Per entendre com funciona un microprocessador, és útil mirar dins i aprendre la lògica usada per crear-ne un. En el procés també podeu aprendre Idioma de muntatge ascii, la llengua nativa d'un microprocessador, i moltes de les coses que els enginyers poden fer per augmentar la velocitat d'un processador.
Un microprocessador executa una col· lecció d' instruccions de màquines que diuen al processador què fer. Basat en les instruccions, un microprocessador fa tres coses bàsiques:
Advertiment
- Usant la seva unitat ALU (Arithmetic/Logic), un microprocessador pot realitzar operacions matemàtiques com a suma, resta, multiplicació i divisió. Els microprocessadors moderns contenen processadors de coma flotant complets que poden realitzar operacions extremadament sofisticades en grans quantitats de coma flotant.
- Un microprocessador pot prendre decisions i saltar a un nou conjunt d' instruccions basant-se en aquestes decisions.
Pot haver-hi coses molt sofisticades que ho faci un microprocessador, però aquestes són les seves tres activitats bàsiques. El diagrama següent mostra un microprocessador extremadament simple capaç de fer aquestes tres coses:
Això és tan senzill com un microprocessador. Aquest microprocessador té:
- An bus d' adreça (Això pot ser 8, 16, 32 o 64 bits d' amplada) que envia una adreça a la memòria
- Acard symbol bus de dades (que pot ser 8, 16, 32 o 64 bits d' amplada) que poden enviar dades a la memòria o rebre dades de la memòria
- An RD (lleça) i WR Línia per a dir- li a la memòria si s' ha d' establir o obtenir la ubicació adreçada
- Acard symbol Línia de rellotge que permet una seqüència de pols de rellotge el processador
- Acard symbol Reinicia la línia això reinicia el comptador del programa a zero (o el que sigui) i reinicia l' execució
Suposem que tant l'adreça com els autobusos de dades són de 8 bits d'ample en aquest exemple.
Aquests són els components d'aquest microprocessador senzill:
- Registres A, B i C simplement estan agafats d'arrop-flops. (Mira la secció en "caixa-mares llançades" Com funcionen amb lògica Booleana per als detalls.)
- L'adreça és igual que els registres A, B i C.
- El comptador del programa és una connexió amb la capacitat extra d' increment per 1 quan s' ha dit que ho faci, i reiniciar fins a zero quan se li digui que ho faci.
- L' ALU podria ser tan simple com un addador de 8 bits (veure la secció dels adders a Com funcionen amb lògica Booleana per als detalls), o podria afegir, restar, multiplicar i dividir els valors de 8 bits. Suposem que aquest últim.
- El registre de proves és un domini especial que pot tenir els valors de les comparacions realitzades a l'ALU. Una ALU normalment pot comparar dos nombres per determinar si són iguals, si una és més gran que l'altra, etc. El registre de proves també pot tenir una mica de mà des de l'última etapa del adder. Emmagatzema aquests valors en els girs i llavors el descodificador d' instruccions pot utilitzar els valors per prendre decisions.
- Hi ha sis caixes marcades en el diagrama. Aquestes són Memòria intermèdia tri- estat . Una memòria intermèdia de Tri- estat pot passar un 1, 0 o pot desconnectar- se essencialment la seva sortida (imaginina un interruptor que desconnecti totalment la línia de sortida del cable que es dirigeix la sortida). Una memòria intermèdia de Tria- estat permet múltiples sortides per connectar- se a un cable, però només una d' elles per conduir un o un 0 a la línia.
- El registre d' instruccions i el descodificador d' instrucció són els responsables de controlar tots els altres components.
Tot i que no es mostren en aquest diagrama, hi hauria línies de control del descodificador d' instruccions que podrien:
- Digueu al registre que s' activi el valor actualment a l' autobús de dades
- Digueu al registre B per posar el valor actualment a l' autobús de dades
- Digues al registre que activi la sortida actual del valor de l' ALU
- Digueu-li al registre del registre del programa que ocupi el valor actualment en l' bus de dades
- Digueu-li al registre de l' adreça a tancar el valor actualment en l' bus de dades
- Digueu al registre d' instruccions per posar el valor actualment a l' autobús de dades
- Digueu al comptador del programa a increment
- Digueu al comptador del programa que es reiniciarà a zero
- Activa qualsevol de les sis memòria intermèdia a l' estat de la dreta ( sis línies separades)
- Digueu-li a l'ALAU quina operació realitzar
- Digues al registre de proves que activi els bits de la prova de l'ALU
- Activa la línia RD
- Activa la línia WR
Entrar en el descodificador d' instruccions són els bits del registre de proves i la línia del rellotge, així com els bits de la caixa d' instruccions.
Advertiment
Memòria microprocessador
La secció anterior parlava de l' adreça i els autobusos de dades, així com les línies RD i WR. Aquests autobusos i línies es connecten a la RAM o a ROM generalment a les dues. En el microprocessador de mostres, tenim una adreça de bus 8 bits d'amplada i un bus de dades de 8 bits d'ample. Això vol dir que el microprocessador pot enviar 256 bytes de memòria, i pot llegir o escriure 8 bits de la memòria en un moment. Suposem que aquest microprocessador simple té 128 bytes de ROM començant per adreça 0 i 128 bytes de la RAM començant a l'adreça 128.
ROM Es tracta de memòria de només lectura. Un xip de ROM està programat amb una col· lecció permanent de bytes pre-set. L' adreça de bus li diu al xip de ROM que té el byte per anar a l'autobús de dades. Quan la línia RD canvia l' estat, el xip de ROM presenta els bytes seleccionats a l' autobús de dades.
Advertiment
RAM Té la memòria d'accés a l'atzar. RAM conté bytes d' informació, i el microprocessador pot llegir o escriure a aquests bytes depenent de si la línia RD o WR està senyalada. Un problema amb les fitxes RAM d'avui és que ho oblidaran tot un cop la energia Se'n va. Per això l'ordinador necessita ROM.
Per cert, gairebé tots els ordinadors contenen una certa quantitat de ROM (és possible crear un ordinador senzill que no conté la RAM n'hi ha molts microcontroladors Feu- ho col·locant un grapat de bytes RAM en el xip de processador en si mateix, excepte generalment impossible crear- ne un que no tingui ROM). En una PC , es diu ROM. BIOS (System d' entrada Basic/ sortida). Quan comença el microprocessador, comença a executar instruccions que troben a la BIOS. La BIOS instruccions a fer coses com posar a prova el maquinari a la màquina, i després va al disc dur per portar el sector d' arrencada (mireu Com funcionen els discs durs per als detalls). Aquest sector d' arrencada és un altre programa petit i la BIOS el desa a la RAM després de llegir-lo del disc. El microprocessador comença a executar les instruccions del sector d' arrencada de la RAM. El programa sector d' arrencada explicarà al microprocessador una altra cosa del disc dur a la RAM, que el microprocessador executa, i així successivament. Així és com es carrega el microprocessador i executa tot el Sistema operatiu .
Advertiment
Instruccions del microprocessador
Fins i tot el microprocessador increïblement simple que es mostra en l' anterior exemple té un gran conjunt d' instruccions que pot realitzar. La col· lecció d' instruccions està implementada com a patrons de bit, cadascun dels quals té un significat diferent quan es carrega al registre d' instruccions. Els humans no són especialment bons per recordar patrons de bit, així que un conjunt de paraules curtes es defineix per representar els diferents patrons de bit. Aquesta col· lecció de paraules s' anomena Idioma de muntatge del processador. An SunerCity name (optional, probably does not need a translation) Podeu traduir les paraules en els seus patrons de bit molt fàcilment, i després la sortida del muntador es situa en memòria per a que el microprocessador executi.
Aquí teniu les instruccions de llenguatge d' assemblador que el dissenyador pot crear pel microprocessador simple en el nostre exemple:
Advertiment
- Membiment LOADA - Carrega registre A des de l' adreça de memòria
- LOADB memm - Carrega el registre B des de l' adreça de memòria
- CONB con - Carrega un valor constant al registre B
- SalvableB mem - Desa el registre B a l' adreça de memòria
- SalvableC mem - Desa el registre de C a l' adreça de memòria
- ADD - Afegir A i B i emmagatzemar el resultat en C
- SUBSuccessful message after an user action - Resta A i B i desa el resultat en C
- MULLanguage - Multiply A i B i desa el resultat en C
- DIV - Divideix A i B i desa el resultat en C
- COM - Compara A i B i desa el resultat en proves
- JUMP addr - Salta a una adreça
- JEQ addr - Salta, si és igual, a l'adreça
- JNEQ addr - Jump, si no és igual, a l' adreça
- JG addr - Salta, si és més gran que, a l'adreça
- JGE addr - Salta, si és més gran o igual, a l'adreça
- JL addr - Salta, si més no, a l'adreça
- JLE addr - Salta, si menys o igual, a l'adreça
- STOP - Atura l' execució
Si heu llegit Com funciona la programació de programació , llavors vostè sap que aquesta simple peça del codi C calcularà el factorial de 5 (a on el factorial de 5 = 5! = 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 120):
Al final de l' execució del programa, la variable f conté el factorial de 5.
Idioma d' assemblador
Acard symbol Compilador tradueix aquest codi C en llenguatge d'assemblació. Suposant que la RAM comenci a l' adreça 128 en aquest processador, i ROM (que conté el programa de llenguatge d' assemblador) s' inicia a l' adreça 0, aleshores per al nostre simple microprocessador el llenguatge de muntatge pot semblar així:
ROM
La pregunta és: "Com es veuen totes aquestes instruccions en ROM?" Cadascuna d'aquestes instruccions de llenguatge de muntatge s' ha de representar per un número binari. Per al bé de la simplicitat, suposem que cada instrucció de llenguatge d' assemblador té un número únic, com aquest:
- LOADA - 1
- LOADB - 2
- CONB - 3
- SAVEB - 4
- Salvant- mem - 5
- ADD - 6
- SUBSUB - 7
- MULT - 8
- DIV - 9
- COM - 10
- JUMP addr - 11
- JEQ addr - 12
- JNEQ addr - 13
- JG addr - 14
- JGE addr - 15
- JL addr - 16
- JLE addr - 17
- STOP - 18
Els números són coneguts com a opòscodsunit synonyms for matching user input . En ROM, el nostre petit programa tindria aquest aspecte:
Podeu veure que set línies de codi C es van convertir en 18 línies de llenguatge de muntatge, i que es van convertir en 32 bytes en ROM.
Descodificació
El descodificador d' instrucció necessita convertir cada un dels codis d'ops en un conjunt de senyals que condueixen els diferents components dins del microprocessador. Agafem la instrucció ADD com a exemple i mirem què cal fer:
- Durant el primer cicle del rellotge, hem de carregar les instruccions. Per tant, el descodificador d' instruccions necessita:
- activa la memòria intermèdia tri- estat per al comptador del programa
- activa la línia RD
- activa la memòria intermèdia de les dades en la memòria intermèdia de tri- estat
- Obtén l' instrucció al registre d' instruccions
- Durant el segon cicle, es descodificarà la instrucció ADD. Necessita fer molt poc:
- estableix l' operació de l' ALU a afegir
- Posa la sortida de l' ALU al registre de C
- Durant el tercer cicle del rellotge, el comptador del programa s' incrementarà (en teoria que es pot sobreposar en el segon cicle del rellotge).
Cada instrucció es pot dividir com un conjunt d' operacions en seqüència com aquestes que manipulen els components del microprocessador en l' ordre adequada. Algunes instruccions, com aquesta instrucció ADD, poden prendre dos o tres cicles de rellotge. Altres poden prendre cinc o sis cicles de rellotge.
Advertiment
Rendiment de microprocessadors i Trends
El nombre de Transistors disponible té un efecte enorme en el rendiment d' un processador. Com es va veure abans, una instrucció típica en un processador com un 8088 va prendre 15 cicles de rellotge per executar. A causa del disseny del multiplicador, va costar aproximadament 80 cicles per fer una multiplicació de 16 bits sobre el 8088. Amb més Transistors , molt més potent multiplicadors capaços de fer-se possible de velocitats d'un sol cicle.
Més transistors també permeten una tecnologia anomenada paral· lelisme . En una arquitectura canonada, l'execució d' instruccions coincideix. Així que tot i que pot trigar cinc cicles del rellotge a executar cada instrucció, pot haver-hi cinc instruccions en diverses fases d'execució simultàniament. Així sembla que una instrucció completa cada cicle del rellotge.
Advertiment
Molts processadors moderns tenen diverses instruccions descodificadores, cadascuna amb la seva propia canonada. Això permet múltiples fluxos d' instruccions, el que significa que més d' una instrucció pot completar- se durant cada cicle del rellotge. Aquesta tècnica pot ser molt complex per implementar, així que pren molts transistors.
TrempesCity name (optional, probably does not need a translation)
Avui dia sembla que els processadors estan per tot arreu, i aquesta tendència no sembla anar més lent. Els investigadors han trobat maneres de fer-ho make microprocessadors flexibles , habilitar elements com ara roba intel· ligent . Els investigadors han treballat de maneres d'utilitzar llum, en lloc de l'electricitat. per operar processadors. Probablement el canvi més gran de l'horitzó és el desenvolupament dels ordinadors quàntics, que no estan restringits a utilitzar 1s i 0s per resoldre problemes. Mentre aquests ordinadors puguin processeu problemes més difícils Més eficientment, poc probable veuràs un ordinador quàntic al teu escriptori aviat.
Advertiment
Microprocessadors de 64 bits
Seixanta-quatre processadors de bits han estat amb nosaltres des de 1992, i al segle XXI s'han tornat convencionals. Aquests processadors tenen de 64 bits ALUs, registres de 64 bits, autobusos de 64 bits, etc.
Una raó per la qual el món necessita processadors de 64 bits és per culpa seva. Espais d' adreça ampliat . Les fitxes de 30 bits es constren sovint a un màxim de 2 GB o 4 GB de Accés a la RAM . Això semblava molt quan la majoria d'ordinadors de casa empraven només 256 MB a 512 MB de RAM. Però els ordinadors de casa del segle XXI poden processar les dades (les dades complexes característiques d'un munt de números reals) més ràpid. La gent ho fa. Edició de vídeo i la gent que fa edició fotogràfica sobre imatges molt grans beneficiades d'aquest tipus d'energia informàtica. Els jugadors d'alta resolució també es beneficien dels jocs d'alta resolució més detallada.
Advertiment
Un xip de 64 bits s' obre més opcions perquè un espai d' adreça RAM de 64 bits és essencialment infinit per al futur curt de la RAM 2^64 bytes és quelcom en l'ordre d'una mil milions de gigabytes de la RAM. Amb un bus d'adreça de 64 bits i amples, autobusos de dades d'alta velocitat a la MareboardCity name (optional, probably does not need a translation) Les màquines de 64 bits també ofereixen velocitats d' E/O més ràpides (entrada/ output) a les coses com Disc dur i targetes de vídeo . Aquestes característiques poden augmentar molt el rendiment del sistema.
Per a més informació sobre microprocessadors i temes relacionats, comproveu els següents enllaços.
Advertiment
Font original: abril 1, 2000
Preguntes respostes més freqüents
Per què s'utilitza un microprocessador?
Artículos Relacionados:
- Quins són els tres tipus de processadors?
- Quin és el processador més comú?
- Quin és el meu tipus de processador?
- Quina és la mida del tipus de processador?
- ¿Quines són les mides del processador?
- Processador -