Procesor

Z Multimediaexpo.cz

Verze z 16. 7. 2022, 09:11

Intel 386DX: první plně 32-bitový procesor nasazený v masovém měřítku

Intel 486: první multimediální procesor

Procesor (CPU – Central Processing Unit) je ústřední výkonnou jednotkou počítače, která čte z paměti instrukce a na jejich základě vykonává program. Pokud bychom přirovnali počítač např. k automobilu, postavení procesoru by odpovídalo motoru. Protože procesor, který by vykonával program zapsaný v nějakém vyšším programovacím jazyku by byl příliš složitý, má každý procesor svůj vlastní jazyk - tzv. strojový kód, který se podle typu procesoru skládá z jednodušších nebo složitějších instrukcí. Pod pojmem procesor se dnes téměř vždy skrývá elektronický integrovaný obvod, i když na samých počátcích počítačové éry byly realizovány procesory i elektromechanicky.

Původní procesory počítačů byly sestaveny z diskrétních součástek (elektronek, později tranzistorů, doplněné rezistory a kondenzátory). Velikost takového procesoru odpovídala obvykle jedné velké skříni. Teprve počátkem 70. let 20. století se s nástupem integrovaných obvodů začaly procesory miniaturizovat. Nejprve byly procesory stavěny z procesorových řezů, (procesor byl pak složen z několika desítek jednodušších integrovaných obvodů). Když došlo k integraci procesoru do jediného čipu, vzniknul mikroprocesor.

Součásti procesoru

• řadič nebo řídicí jednotka, jejíž jádro zajišťuje řízení činnosti procesoru v návaznosti na povely programu, tj. načítání instrukcí, jejich dekódování (zjištění typu instrukce), načítání operandů instrukcí z operační paměti a ukládání výsledků zpracování instrukcí.
• sada registrů (v řadiči) k uchování operandů a mezivýsledků. Řadič obsahuje celou řadu rychlých pracovních pamětí malé kapacity, tzv. registrů, které slouží k jeho činnosti. Registry dělíme na obecné (pracovní, universální)a řídící (např. registr adres instrukcí, stavové registry, indexregistry). Velikost pracovních registrů je jednou ze základních charakteristik procesoru.
• jedna nebo více aritmeticko logických jednotek (ALU - Arithmetic-Logic Unit), které provádí s daty příslušné aritmetické a logické operace.
• některé procesory obsahují jednu nebo několik jednotek plovoucí čárky (FPU), které provádí operace v plovoucí řádové čárce

Je třeba poznamenat, že současné čipy zpravidla obsahují mnoho dalších rozsáhlých funkčních bloků jako třeba paměť cache a různých periferií, které z ortodoxního hlediska nejsou součástí procesoru. Proto vzniknul pojem „jádro procesoru“, aby bylo možné rozlišit mezi vlastním procesorem a integrovanými periferními obvody. Pro správnost je třeba dodat, že integrované periferie bývají většinou velmi dobře sladěny s jádrem, takže je z tohoto lze chápat jako „součást procesoru“. Vzhledem k současné vysoké integraci tak mnohde dochází k rozmazávání hranice mezi pojmem mikroprocesor a mikropočítač.

Některé současné procesory obsahují „více jader“. Vícejádrový procesor je tedy integrovaný obvod obsahující několik jader procesorů a logiku sloužící k jejich vzájemnému propojení (a další jednotky).

Dalším současným trendem je tzv. „systém na čipu“ (SoC - system on chip). Jde o integrované obvody, které obsahují kromě vlastního procesoru i další subsystémy pro zpracování grafiky, zvuku či připojení periférií (ty jsou v osobních počítačích obvykle v tzv. chipsetech nebo na samostatných kartách). Takovéto SoC se používají v PDA, herních konzolích, thin-clientech, domácí elektronice, ale i v mobilních telefonech.

Nejmodernějším trendem je kombinace procesorů s programovatelnými hradlovými poli, která vede k maximální pružnosti při přizpůsobení se dané aplikaci.

Rodina procesorů, která vychází ze stejného jádra nebo zpracovává stejný strojový kód, tvoří specifickou architekturu procesoru.

Dělení procesorů

Jak už jsme zmínili, když to velmi zjednodušíme procesor zastává v počítači podobonou úlohu jako motor v automobilu. Podobně jako se liší motor v motorce, miniautomobilu, automobilu vyšší třídy nebo v těžkém nákladním autě nebo v lodi se pro různé aplikace používají růzené druhy procesorů.

Dělení podle délky operandu v bitech

Základním ukazatelem procesoru je počet bitů, tj. šířka operandu, který je procesor schopen zpracovat v jednom kroku. Zjednodušeně se dá říci, že např. osmibitový procesor umí počítat s čísly od 0 do 255, 16bitový s čísly od 0 do 65535 atd.

• Pro velmi jednoduché aplikace se používají čtyřbitové nebo osmibitové procesory. To platí například pro zabudované (embedded) systémy např. v mikrovlnných troubách, kalkulačkách, počítačových klávesnicích a infračervených dálkových ovládání.

• Pro středně složité aplikace, jako jsou programovatelné automaty, mobilní telefony, PDA nebo přenosné videohry se používají zpravidla osmibitové nebo šestnáctibitové procesory.

• Osobní počítače a laserové tiskárny obsahují 32bitové procesory, přičemž u osobních počítačů dnes dochází k přechodu na 64bitové procesory. Nyní jsme svědky rozmachu vícejádrových procesorů, protože zvyšování frekvence je spojeno s řadou problémů a další prostý přechod na vyšší počet bitů z hlediska aplikací není tak významný skok, jako tomu bylo u přechodu z 16 na 32 bitů.

Dělení podle struktury procesoru

• Procesor určený do osobního počítače nebo serveru. Jedná se zpravidla o velmi rychlé procesory s rozsáhlou instrukční sadou, jednotkou pro ochranu a mapování paměti, jednotkou pro výpočty v plovoucí řádové čárce a rozsáhlou pamětí cache. Základním požadavkem na procesory tohoto typu je jednotka pro ochranu a mapování paměti, aby umožňovaly chod víceúlohových víceuživatelských operačních systémů jako Unix, Linux nebo Window NT, 2000, XP, … . Prvními masově vyráběnými procesory, které by bylo možné zařadit do této kategorie, byly procesory řady Motorola 68000 a procesory řady Intel 80x86.

• Jednočipový mikropočítač nebo také mikrokontrolér (MCU) bývá procesor s univerzálním jádrem, s kterým jsou současně zaintegrovány základní periferní obvody, takže je schopen samostatné funkce. Za průkopníky v této kategorii můžeme považovat 8bitový procesor Intel i8051, který poprvé integroval všechny základní periferie (jádro procesoru, paměť RAM, EEPROM, čítače a časovače) na jediném čipu a 16bitový technologický procesor Siemens SAB 80C166, který poprvé integroval A/D převodníky, komunikační linky a masivní systém čítačů/časovačů/přerušení (následníky řady 80166 dnes vyrábí Infineon (řada C167 a C166 SV2) a SGS Thomson (řada ST10)).

• DSP neboli digitální signálový procesor je procesor zaměřený na zpracování signálu. DSP jsou optimalizovány na co nejrychlejší opakování jednoduchých matematických algoritmů zaměřených na zpracování signálu. Typickou aplikací DSP je filtrace signálu pomocí filtrů FIR a IIR nebo Fourierova analýza. DSP se dnes používají především ve spotřební elektronice a v telekomunikační technice. Současné DSP obsahují proti svým předchůdcům navíc také rychlé komunikační linky, aby bylo možné přenášet velký datový tok protékající těmito procesory. Často můžeme rovněž pozorovat snahu o spojení výhod DSP a jednočipových mikropočítačů ať už je to cestou rozšiřování DSP o periferie nebo rozšiřováním mikrokontrolérů o DSP jednotky.

Athlon 64: 64-bitový procesor taktovaný na 2 200 MHz

Rychlost procesoru

Zásadním parametrem, který je procesoru důležitý je frekvence práce jeho jádra. Zdánlivě jde o banální záležitost, protože stačí spočítat kolik milionů či miliard instrukcí je procesor schopen vykonat za sekundu, tj. počet MIPS. Ovšem z praktického hlediska je počet MIPS např. u osmibitového procesoru PIC a u procesoru Intel Pentium zcela nesrovnatelnou veličinou, protože instrukční sady těchto procesorů jsou zásadně odlišné a na výpočet v plovoucí čárce, který udělá Pentium v jediném taktu může PIC potřebovat několik tisíc operací, zatímco jednoduché bitové operace zvládnou oba procesory v několika taktech.

Zdálo by se, že tedy alespoň srovnání výkonu v rámci jedné řady procesorů je snadné, ale není tomu vždy tak. Moderní procesory jsou totiž podstatně rychlejší než externí operační paměť, takže reálný výkon značně závisí také na rychlosti a šířce externí paměti a na velikosti a uspořádání vyrovnávacích pamětí cache uvnitř procesoru.

V této souvislosti je vhodné rovněž připomenout že celkový výkon systému je určen výkonem procesoru pouze z jedné části. Rychlost je vždy určena úzkým místem v systému. Pokud je např. malá operační paměť, takže operační systém se ji pokusí nahradit odkládáním na řádově pomalejší pevný disk, tak bude prostě na některé nutné aplikace čekat. Je to asi jako když potřebujete něco převézt s malým kufrem v autě. Rovněž vhodně navržená struktura periferií může výrazně odlehčit zátěž procesoru.

Dnešní procesory osobních počítačů

Dnešní osobní počítače používají až na výjimky v řádu procent procesory architektury x86 výrobců AMD a Intel. Dlouhou dobu byly procesory obou značek v osobních počítačích záměnné (podobně i dalších značek, jako byl například Cyrix nebo IDT), protože se osazovaly do identických patic, označovaných též jako sockety. V roce 1997 ale společnost Intel začala vyvíjet novou patici nazvanou Slot 1 a vývoj procesorů obou nejvýznamějších výrobců se od té doby ubíral odlišně. Dnešní procesory se proto obvykle dělí podle patic, přičemž doba trvání výroby těchto řad je stále kratší. Patice se označují často podle počtu pinů nebo kódovým označením, dnes jsou na trhu například:

Profesionální čtyřjádrový Opteron 2360 SE pro Socket F (třetí generace)

• Socket A (Socket 462, 32-bitový AMD Athlon, Duron, výběhový)
• Socket 478 (Intel Pentium III, Pentium 4 (Northwood), výběhový)
• Socket 479 (Intel, původně pro mobily, výběhový)
• Socket 604 (Intel pro servery, výběhový)
• Socket 754 (AMD, výběhový)
• Socket 771 (Intel pro servery, výběhový)
• Socket 775 (Intel)
• Socket 939 (AMD, výběhový)
• Socket 940 (AMD pro servery, výběhový)
• Socket AM2 (AMD, aktuální se širokou podporou)
• Socket F (AMD pro špičkové servery)

Nové procesory AMD mají do vlastního procesoru integrován řadič operační paměti, proto mají větší počet pinů.

Nejvíce zákazníky sledovaným parametrem je frekvence procesoru, která je významným faktorem jeho výkonu. Vzhledem k odlišné konstrukci výpočetních jednotek procesorů a vnitřní paměti se obtížně porovnávají výkony konkurenčních procesorů AMD a Intel podle jejich frekvence. Navíc v současné době vyrábějí oba největší výrobci jedno- i dvoujádrové procesory s poměrně velkým rozpětím frekvence. Důležitým faktorem celkového výkonu procesoru je tedy nyní i velikost vyrovnávací paměti procesoru, která se označuje cache. Ta bývá několikaúrovňová, cache s nejrychlejším přístupem má nyní velikost 32-64 kB na jádro (Level 1 cache), další úroveň má nyní 256-2048 kB na jádro (Level 2 cache), u nejmodernějších procesorů je Level 2 cache pro obě jádra společná. Na výkon procesoru má vliv i frekvence sběrnice (Front Side Bus), kterou komunikuje procesor se zbytkem počítače prostřednictvím tak zvaného chipsetu. Výrobci nabízejí své prakticky identické procesory v různých typových řadách s různou dostupnou velikostí Level 2 cache a i různou frekvencí FSB.

Významné architektury procesorů

Architektury mikropočítačů a osobních počítačů

• Intel: x86
• AMD: x86-64
• Motorola: 6800, 6809 a 68000
• MOS Technology 6502
• Zilog Z80
• IBM a později AIM alliance: PowerPC

Architektury mikročipů

• PowerPC 440 firmy IBM
• 8051
• Atmel AVR
• PIC firmy Microchip
• ARM

Architektury procesorů pracovních stanic a serverů

• SPARC firmy Sun Microsystems
• POWER firmy IBM
• Architektura MIPS od MIPS Computer Systems Inc. a její instrukční sada je nosnou částí knihy Davida A. Pattersona a Johna L. Hennessyho Computer Organization and Design ISBN 1-55860-428-6 1998 (2. vydání)
• PA-RISC od HP
• Alpha od DEC
• Advanced RISC Machines (původně Acorn) architektury ARM a StrongARM/XScale
• Procesor LEON2

Malé/střední/velké architektury procesorů

• System/360 od IBM
• PDP-11 od DEC a jeho následníci, architektura VAX
• SuperH od SuperH
• UNIVAC série 1100/2200 (momentálně používaná v počítačích ClearPath IX od Unisysu)
• AP-101 – počítač raketoplánu

Nadcházející architektury procesorů

• Cell od IBM (Sony/IBM/Toshiba)

Historicky významné procesory

• EDSAC – první praktický počítač s uloženým programem
• Navigační počítač Apollo použitý při letech na měsíc
• MIPS R4000 – první 64-bitový mikroprocesor
• Intel 4004 – první komerčně dostupný mikroprocesor

Historie mikroprocesorů

• 1971 – Intel 4004 – první mikroprocesor - čtyřbitový
• 1972 – Intel 8008 – osmibitový mikroprocesor
• 1974 – Intel 8080 – osmibitový mikroprocesor, který se stal základem prvních osmibitových osobních počítačů
• 1975 – MOS Technology 6502 – osmibitový mikroprocesor, montovaný do Apple II, Commodore 64 a Atari
• 1975 – Motorola 6800 – první procesor firmy Motorola
• 1975 – AMD nastupuje na trh s řadou Am2900
• 1976 – TI TMS 9900 – 16bitový mikroprocesor
• 1976 – Zilog Z80 – 8bitový mikroprocesor, s rozšířenou instrukční sadou Intel 8080, frekvence až 10 MHz
• 1978 – Intel 8086 – 16bitový mikroprocesor, první z architektury x86
• 1978 – Intel 8088 – 16bitový mikroprocesor s osmibitovou sběrnicí, který byl použit v prvním IBM PC v roce 1981
• 1979 – Motorola 68000 – 32/16bitový mikroprocesor
• 1978 – Zilog Z8000 – 16bitový mikroprocesor
• 1980 – IBM 801 – 24bitový experimentální procesor s revoluční RISC architekturou dosahující vynikajícího výkonu
• 1982 – Intel 80286 – 16bitový mikroprocesor (měl 134 000 tranzistorů)
• 1985 – Intel 80386 – 32bitový mikroprocesor (měl 275 000 tranzistorů)
• 1986 – Acorn ARM – 32bitový RISC mikroprocesor z Advanced RISC Machine byl použit i v domácích počítačích
• 1989 – Intel 80486 – 32bitový mikroprocesor s integrovaným matematickým koprocesorem a 8 KB cache paměti
• 1989 – Sun SPARC – 32bitový RISC mikroprocesor, z Scalable (původně Sun Processor ARChitecture)
• 1992 – DEC Alpha – 64bitový RISC mikroprocesor
• 1993 – Intel Pentium – 32bitový mikroprocesor nové generace (měl 3,3 miliónu tranzistorů)
• 1995 – Intel Pentium Pro – 32bitový mikroprocesor nové generace pro servery a pracovní stanice (měl 5,5 milionu tranzistorů)
• 1995 – Sun UltraSPARC – 64bitový RISC mikroprocesor
• 1997 – Intel Pentium II – 32bitový mikroprocesor nové generace s multimediální sadou instrukcí MMX (měl 7,5 milionu tranzistorů)
• 1997 – Sun picoJava – mikroprocesor pro zpracování Java bytekódu
• 1998 – AMD K6-2 – 32bitový mikroprocesor s novou multimediální sadou instrukcí 3DNow! (měl 9,3 milionu tranzistorů)
• 1999 – Intel Celeron – 32bitový mikroprocesor odvozený původně od Intel Pentium II pro nejlevnější PC
• 1999 – Intel Pentium III – 32bitový mikroprocesor nové generace s novou sadou instrukcí SIMD (měl 9,5 milionu tranzistorů)
• 2000 – Intel Pentium 4 – 32bitový mikroprocesor s řadou technologií orientovaných na dosažení vysoké frekvence
• 2001 – Intel Itanium – 64-bitový mikroprocesor nové generace pro servery. Dnes do značné míry mrtvý (prosinec 2014).
• 2003 – AMD Athlon 64 – 64bitový mikroprocesor nové generace pro desktopy s instrukční sadou AMD64, zpětně kompatibilní s x86.
• 2006 – Intel Core 2 – 64bitová architektura, na které jsou postaveny procesory Core Duo, Core 2 Duo, Core Solo, Core 2 Quad.
• 2006 – AMD uvádí novou řadu procesorů AMD Opteron druhé generace.
• 2007 – AMD uvádí novou řadu procesorů AMD Phenom.
• 2007 – AMD uvádí novou řadu procesorů AMD Opteron třetí generace s jádrem Barcelona.^[1]
• 2008 – AMD uvádí novou řadu procesorů AMD Phenom II, které staví na 45 nm výrobě.
• 2008 – AMD uvádí novou řadu procesorů AMD Opteron třetí generace s jádrem Shanghai.^[1]
• 2012 – Intel vydává novou architekturu Ivy Bridge s tzv. "3D" (Tri-Gate) technologií tranzistorů ve 22 nm výrobním procesu
• 2013 – Intel vydává architekturu Haswell vycházející z Ivy Bridge, která má velmi znatelně snížit spotřebu
• 2017 – AMD vydává procesory Ryzen 1. generace (ZEN 1), které mají nahradit FX, zvýšit výkon a snížit spotřebu, a procesory Threadripper, které mají velký počet jader.
• 2018 – AMD vydává procesory Ryzen 2. generace (ZEN 1+) a Threadrippery 2. generace (ZEN 1+), které vylepšují první generaci.
• 2019 – AMD vydává procesory Ryzen 3. generace (ZEN 2), které se stávají silnějšími, než kdy předtím. Jde o první procesory vyrobené 7nm technologií.

Reference

1. ↑ ^{1,0 1,1} AMD Third Generation Opteron microprocessor family (anglicky)

Externí odkazy

• RETBLEED: nedořešené chyby v procesorech nás budou stát až desítky procent výkonu !
• How Microprocessors Work (anglicky)