4. díl - Stavíme si počítač - Procesor (CPU) 1/2

Hardware PC Stavíme si počítač Stavíme si počítač - Procesor (CPU) 1/2

V minulém dílu našeho seriálu o stavbě počítače jsme si popsali základní desku a BIOS. Dnešní díl bude věnován procesoru.

Procesor, zkráceně CPU (Central Processing Unit), je často laicky označován jako "mozek počítače". Jedná se o mikročip, který dokáže rychle provádět jednoduché logické operace, kterým se říká instrukce. Pomocí instrukcí jsou potom zapsané počítačové programy (software). Ty se nahrají do paměti a procesor jejich instrukce postupně spouští, čímž se vykonává běh programu. Ačkoli se seriál zabývá převážně stavbou počítače, přišla mi historie a vnitřní stavba procesorů natolik zajímavá, že jsem ji věnoval tento díl.

Historie

První počítače nebylo možné vůbec programovat. Byly jednoduše postavené tak, aby vykonávaly jednu určitou úlohu. Nejslavnějším z těchto počítačů je bezpochyby ENIAC, který byl vytvořen ve 40. letech 20. století americkou armádou. Vážil 30 tun a zabíral 180m2. Úlohou počítače byl výpočet balistických křivek střel, díky čemuž bylo možné přesně sestřelit nacistické letadlo. Počítač s ohledem na rychlost střely, její dráhu a rychlost letadla vypočítal bod na obloze, na který se má vystřelit. Než na místo střela doletěla, doletělo tam i letadlo. Později byl počítač použit např. pro vývoj nukleárních zbraní.

Počítač ENIAC

Foto: corbisimages.com

Prvním programovatelným počítačem byl Colossus, který byl použit k dešifrování nacistických rádiových přenosů (Lorenzova šifra). Říká se, že pomohl velkou měrou vyhrát válku a nacisté neměli nikdy tušení o tom, že jsou jejich zprávy čteny spojenci. Ačkoli počítač pracoval s děrnými štítky, programoval se pomocí přepínačů a přepojování jednotek.

Počítač Colossus

Foto: techtv101.com

Instrukční sada

Postupem času vznikly tzv. instrukční sady, což je seznam instrukcí, které umí procesor vykonat. Počítače se tak staly naprosto univerzální a mohly vykonávat jakoukoli činnost, která jim byla předána jako posloupnost instrukcí na nějakém médiu. Procesor četl kódy těchto instrukcí a vykonával je. Jedním z prvních počítačů tohoto druhu byl EDVAC.

Mezi ty nejzákladnější instrukce procesoru patří např: čtení a zápis z/do médií, aritmetické operace (sčítání, odčítání, násobení, dělení), porovnávaní nebo podmínečné spuštění instrukce. Každý počítačový software, jakkoli složitý, se ve finále skládá z velkého počtu těchto jednoduchých instrukcí, které jsou postupně vykonávány.

V současné době používají osobní počítače instrukční sadu x86, nejčastěji v 64bitové verzi. Tu podporují všichni výrobci procesorů a právě díky tomu si např. Windows nainstalujeme jak na procesor AMD, tak na procesor Intel. Za zmínku stojí, že většina mobilních zařízení používá architekturu ARM. Proto si aplikace z PC nespustíme na telefonu, pokud je pro něj někdo neupraví. Instrukční sadě se často říká architektura.

Tranzistory

Samotnou logiku počítače dříve vykonávalo velké množství mechanických přepínačů. Ty byly náročné na údržbu, pracovaly pomalu a často chybovaly. Proto byly postupem času nahrazeny elektronkami (vakuovými trubicemi), kde byl mechanický kontakt nahrazen elektronickým. S dalším vývojem byly stále ještě nespolehlivé elektronky nahrazeny tranzistory, které se dále začaly shlukovat do tzv. integrovaných obvodů. V dnešní době jich není problém naskládat několik miliard do čipu o velikosti několika mm2. Tento čip nazýváme mikroprocesor. Při architektuře ENIACu by tento náš domácí procesor zabíral 25km2 a k napájení by potřeboval několik elektráren.

Elektronka a tranzistor Mikroprocesor osobního počítače – CPU Intel 386 DX Mikroprocesor osobního počítače – CPU Intel i7

Zleva: Elektronka, tranzistor, mikroprocesor 386 se statisíci tranzistory, mikroprocesor Intel Core i7 s miliardou tranzistorů.

K historii bych ještě rád zmínil, že než bylo technologicky možné vyrobit levný osobní počítač, používaly se tzv. mainframy. Jednalo se o výkonné počítače, ke kterým bylo připojeno několik terminálů, pomocí kterých s počítačem najednou komunikovalo několik uživatelů. Některé mainframy dodnes řídí banky nebo letiště.

Vnitřní stavba mikroprocesorů

Čip s procesorem je rozdělen do několika částí, v dnešní době to jsou obvykle tyto:

Diagram vnitřní stavby procesoru – CPU

Jádra

Jeden tranzistor v procesoru měří okolo 30nm. Tento údaj uvádí výrobce u každého procesoru. Zmenšovat je je stále těžší a těžší. Dalším limitem je rychlost samotného elektrického proudu. Z tohoto důvodu jde vývoj procesorů nejen cestou stále obtížnějšího zvyšování počtu tranzistorů a taktovací frekvence, ale také cestou zvyšování počtu jader. Procesor v sobě jednoduše řečeno obsahuje několik podprocesorů.

Různé aplikace potom využívají různé čipy a počítač funguje rychleji. Ačkoli je to poměrně komplikované, může jedna aplikace používat i více jader a fungovat potom rychleji (dělá to např. webový prohlížeč).

V současné době se vyskytují procesory s obvykle 4mi jádry.

ALU

ALU (aritmetická a logická jednotka) je část jádra, zodpovědná za vykonávání instrukcí.

Registr

Každé jádro obsahuje tzv. registr. Jedná se o extrémně rychlou paměť, které je také omezené množství. Právě sem si procesor přehraje data aplikací, se kterými momentálně pracuje, aby k nim měl rychlejší přístup, než např. z RAM.

Cache

Jakmile potřebuje jádro nějaká data velmi často, je pro něj nevýhodné sahat stále znovu a znovu do paměti RAM. A registr je omezený, může obsahovat pouze data nutná pro běh aktuálních programů. Proto existuje další stupeň mezipaměti - cache. Ten má ještě 3 stupně - L1, L2 a L3. (L1 a L2 by měly být rychlé, L3 hlavně velké) Rychlost i kapacita cache se pohybuje mezi RAM a registry. Cache jsou většinou sdílené mezi jádry.

RAM a pamětem v CPU se někdy dohromady říká primární paměť. Pevné disky jsou poté paměť sekundární.

Grafický procesor

Dříve byla grafická karta integrována na základní desce, novější procesory ji mají stále častěji přímo v sobě. Umí s ní však pracovat jen některé základní desky. Jak jsme si říkali minule, základní desku vybíráme pečlivě podle typu procesoru, který v ní chceme používat. Tyto integrované GPU nejsou zatím tolik výkonné, jako plnohodnotné grafické karty, nicméně se velmi zlepšují a je na nich možné hrát i hry. Do budoucna se zdá soustředění výkonové části počítače do jednoho čipu výhodné.

Kontrolery

Procesor dále obsahuje několik kontrolerů, které řídí tok dat mezi jeho jednotlivými částmi a okolím.

Taktování

Procesor řídí hodinový obvod, který běží na určité frekvenci (clock rate). Jednoduše řečeno ho určitým tempem vybízí k vykonávání instrukcí. Čím má procesor vyšší taktovací frekvenci, tím rychleji instrukce vykonává. Taktovací frekvence byla u prvních IBM PC kolem 5 MHz. Dnes je běžně kolem 3 GHz (tedy 600x vyšší).

Posledních několik let roste frekvence již jen velmi pomalu. Důvodem je, že rychlost procesoru omezuje rychlost samotného elektrického proudu (jehož nosiči jsou elektrony). Aby procesorem elektřina rychleji prošla, musí být stále menší. A daní za miniaturizaci a soustředění výkonu do malého bodu jsou obrovské tepelné ztráty. Vyšší taktovací frekvence jednoduše nedokážeme za současných technologií uchladit. Nejvyšší dosažená frekvence je kolem 9 GHz, ovšem za nutnosti chlazení tekutým dusíkem, což je velmi nepraktické. Dalším stupněm ve vývoji procesorů již proto není zvyšování taktovací frekvence, ale zvyšování počtu jejich jader a zavádění dalších technologií, aby za stávající frekvence fungovaly rychleji.

Procesor kupujeme s předepsanou taktovací frekvencí od výrobce. Tu výrobce zjistí tak, že nový procesor podrobí sérii testů a určí za jakých podmínek funguje nejkvalitněji. Nicméně nic nám nebrání, abychom tuto frekvenci zvýšili. O procesoru se potom říká, že je přetaktovaný (overclocking). Přetaktování procesorů je rozšířené zejména mezi nadšenci a obyčejně se neprovádí. Důvodem je zejména zvýšení produkce tepla procesoru a proto je nutné pořizovat kvalitnější chlazení. Pokud to s frekvencí přeženeme, můžeme procesor i zničit. Pokud však máme s hardware zkušenosti, nemělo by se nám to stát, jelikož je jeho teplota monitorována.

Přetaktování CPU

Příští díl bude na rozdíl od dnešního hodně praktický, popíšeme si aktuálně dostupné modely CPU od Intelu a AMD a řeč bude také o chlazení.


 

  Aktivity (1)

Článek pro vás napsal David Čápka
Avatar
Autor pracuje jako softwarový architekt a pedagog na projektu ITnetwork.cz (a jeho zahraničních verzích). Velmi si váží svobody podnikání v naší zemi a věří, že když se člověk neštítí práce, tak dokáže úplně cokoli.
Unicorn College Autor se informační technologie naučil na Unicorn College - prestižní soukromé vysoké škole IT a ekonomie.

Jak se ti líbí článek?
Celkem (13 hlasů) :
4.692314.692314.692314.692314.69231


 


Miniatura
Všechny články v sekci
Stavíme si počítač

 

 

Komentáře

Avatar
Ondřej Langr (andysekcze):

Jednou jsem zkoušel přetaktovat starej Celeron :) byl z toho dobrej radiátor :D

Odpovědět 24.7.2015 12:28
I have a charger. I have Note 7. Umh I haven't Note7.
Avatar
Odpovídá na Ondřej Langr (andysekcze)
Luboš Běhounek (Satik):

Celeron ani moc netopí, kdybys chtěl radiátor, pořiď si tenhle: http://www.czc.cz/…0399/produkt :D

Odpovědět 24.7.2015 12:50
:)
Avatar
Odpovídá na Luboš Běhounek (Satik)
Ondřej Langr (andysekcze):

:D tk to už není radiátor ;) to už je takovej menší ohníček :D

Odpovědět 24.7.2015 12:57
I have a charger. I have Note 7. Umh I haven't Note7.
Děláme co je v našich silách, aby byly zdejší diskuze co nejkvalitnější. Proto do nich také mohou přispívat pouze registrovaní členové. Pro zapojení do diskuze se přihlas. Pokud ještě nemáš účet, zaregistruj se, je to zdarma.

Zobrazeno 3 zpráv z 3.