Lekce 5 - Stavíme si počítač - Procesor - Historie a popis

V minulé lekci, Stavíme si počítač - Základní deska - Komponenty a firmware, jsme si popsali další části základní desky a řekli jsme si, co je to BIOS a UEFI.

V dnešním dílu tutoriálu o stavbě PC si představíme procesor. Popíšeme si jeho vývoj a vnitřní stavbu. Popisu jednotlivých modelů a kritérií výběru pak věnujeme samostatnou lekci.

Procesor, zkráceně CPU (Central Processing Unit), je často laicky označován jako "mozek počítače". Jedná se o mikročip, který dokáže rychle provádět jednoduché logické operace, jimž 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.

Historický vývoj

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:

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:

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:

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

Mainfarmy

V rámci historického úvodu musíme ještě zmínit tzv. mainframy. Používaly se, než bylo technologicky možné vyrobit levný osobní počítač. Jednalo se o výkonné počítače, ke kterým bylo připojeno několik terminálů. Díky nim s počítačem najednou komunikovalo několik uživatelů. Některé mainframy dodnes řídí banky nebo letiště:

Vnitřní stavba mikroprocesorů

Čip s procesorem je rozdělen do několika částí, níže jsou uvedeny části čtyř-jádrového procesoru:

Jádra

Jeden tranzistor v procesoru měří okolo 10nm. Zmenšovat tranzistory je už nyní stále těžší a těžší. Dalším limitem je rychlost samotného elektrického proudu. Z tohoto důvodu se vývoj procesorů ubírá 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 šesti až osmi jádry.

Aritmetická a logická jednotka

Tato jednotka, kterou označujeme zkratkou ALU (arithmetic logic unit) je část jádra, zodpovědná za vykonávání instrukcí.

Registr

Každé jádro obsahuje tzv. registr. Jedná se o extrémně rychlou paměť, která má také omezenou velikost. Právě sem si procesor přehraje data aplikací, se kterými momentálně pracuje, aby k nim měl rychlejší přístup, než např. z paměti 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.

Cache má ještě tři stupně - L1, L2 se vyznačují rychlostí a stupeň L3 disponuje větším objemem paměti. 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 označovány jako paměť sekundární.

Grafický procesor

Dříve byla grafická karta integrována na základní desce, dnes se vyskytuje v procesoru. 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. Integrované grafické karty jsou skoro jen v procesorech AMD. Tyto integrované GPU nejsou zatím tolik výkonné, jako plnohodnotné grafické karty.

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). Hodinový obvod procesor 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 4 GHz (tedy 800x 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. Proto je pak nutné pořizovat kvalitnější chlazení. Pokud to s frekvencí přeženeme, můžeme procesor i zničit.

V příští lekci, Stavíme si počítač - Procesor - Chlazení a kritéria výběru, si představíme procesory Intel a AMD, popíšeme si kritéria jejich výběru a dostaneme se i k problematice chlazení.