Processzor (CPU - Central Processing Unit)

Átírás

1 Készíts saját kódolású WEBOLDALT az alábbi ismeretanyag felhasználásával! A lap alján lábjegyzetben hivatkozz a fenti oldalra! Processzor (CPU - Central Processing Unit) A központi feldolgozó egység a számítógép azon egysége, amely az utasítások értelmezését és végrehajtását vezérli. Feladata A számítógép működésének vezérlése, a perifériákkal való kapcsolattartás, matematikai és logikai műveletek végzése, a táron belüli adatáramlás lebonyolítása, az adatforgalom lebonyolítása a perifériákkal A bemeneti eszközök segítségével kódolt információkat feldolgozza, majd az eredményt a kimeneti eszközök felé továbbítja, melyek ezeket az adatokat információvá alakítják vissza. A számítógépek nagyon bonyolult feladatokat is végre tudnak hajtani, ha azok olyan egyszerű lépések sorozatára vannak bontva, melyeket a számítógép értelmezni tud. Felépítése A mikroprocesszor (CPU) egy vagy több szilícium kristályra integrált, több millió tranzisztort tartalmazó integrált áramkör, amelyben további részegységek különíthetők el. Rendelkezik az adatok ki- és beviteléhez szükséges sínrendszerrel, és rendelkezik egy utasításkészlettel, amelynek utasításait képes végrehajtani. A processzor a számítógép agya. A CPU-nak, memóriának és alaplapnak összhangban kell lennie.

2 Részei CU (Control Unit) Vezérlőegység A vezérlőmű szervezi, ütemezi a processzor egész munkáját, látja el az utasítások megfelelő sorrendű végrehajtását (címszámítási mechanizmus), az utasítások kiválasztását, valamint a külső várt és nem várt eseményekre való reagálást. A gép irányításáért, a folyamatok vezérléséért felelős, a memóriában tárolt program dekódolását és végrehajtását végzi. Pl.: Lehívja a memóriából a soron következő utasítást, értelmezi és végrehajtja azt, majd meghatározza a következő utasítás címét. ALU (Arithmetical and Logical Unit) Aritmetikai és Logikai Egység Az aritmetikai egység végzi el az utasításokban kijelölt műveleteket a processzorban elhelyezett regisztereken keresztül, ez a processzor számológépe, alapvető matematikai és logikai műveleteket hajt végre. Az adatok feldolgozásáért felelős, képes a megszokott aritmetikai és logikai műveletek elvégzésére, valamint a relációk kiértékelésére, ill. összetettebb típusok esetén a lebegőpontos műveletek elvégzésére is. Az ALU alapműveletként többnyire az összeadást, kivonást, az ÉS és a VAGY műveleteket tudja elvégezni. A szorzást és az osztást összeadások illetve kivonások segítségével valósítja meg. A számítási műveletek gyorsítására egy segédprocesszort, úgynevezett co-processzort alkalmaznak. Ezeket elsősorban a lebegőpontosan ábrázolt számok feldolgozására fejlesztették ki. Az FPU (Floating Point Unit) Lebegőpontos Műveleteket végző Egység. A PC-kben található főprocesszorok csak egész számokkal tudnak számolni, a lebegőpontos műveleteket programokkal valósítják meg s ez lényegesen lassabb, mint a hardveres megoldás Register (Regiszter) A regiszterek a processzorok belsejében található, névvel rendelkező belső tároló elemei. A programállapot és az adatok átmeneti tárolására szolgálnak. Speciális célra lefoglalt, gyorsan címezhető memóriaterületek (néhány byte vagy szó nagyságú memóriahely, melyeknek nincs címük). Részt vesznek a címek képzésében, állapotokat tárolhatnak. A regiszterek a belső sínrendszeren keresztül tartanak kapcsolatot a processzor más részeivel. A processzor adatbuszai mindig akkorák, amekkora a regiszterek mérete, így egyszerre tudja az adatokat betölteni. Pl. egy 32 bites regisztert egy 32 bites busz kapcsol össze a RAM-mal. Cache (Gyorsítótár) A modern processzorok fontos része a gyorsítótár. A cache a processzorba, vagy a processzor környezetébe integrált memória, ami a viszonylag lassú rendszermemória elérést hivatott kiváltani. Azokat a programrészeket és adatokat beolvassa, amikre a végrehajtásnak közvetlenül szüksége lehet. A mai PC processzorok két gyorsítótárt használnak. L1 kisebb és gyorsabb elérésű, L2 nagyobb, de lassabb. Processzor CHIP:

3 A processzor jellemzői Sebesség A végrehajtott utasítások száma másodpercenként (IPS = Instruction Per Second). A számítógépnél az egy másodperc alatti órajelek számától függ a gép sebessége. Órajel frekvencia (MHz, GHz) Az óra az egész számítógép működéséhez szükséges ütemet biztosítja. Az óra magába foglal egy kvarckristályt, mely az órajel előállításához szükséges rezgést adja. A processzor részegységei az órajel ütemére végzik feladataikat. Mikor egy részegység megkapja az órajelet egy elektronikus jel formájában, akkor elvégzi a soron következő műveletet. Az egyes gépi utasítások végrehajtása az órajel hatására történik. Az órajelre a vezérlő egység megkezdi a következő utasítás végrehajtását. Az utasításnak a ciklusidőn belül be kell fejeződnie, hiszen az újabb órajel hatására megkezdődik a következő utasítás végrehajtása. Egy utasítás végrehajtása több órajel-ciklust is igénybe vehet. Az órajel a vezérlőbuszokon keresztül jut el az egyes egységekhez. Címbusz: A címbusz továbbítja az operatív tár és a buszra csatlakozó berendezések címét. A címbusz szélességétől függ, hogy mekkora nagyságú területet tudunk megcímezni. Mivel minden címvezetékben kétféle információ lehet, így a 2 megfelelő hatványa adja a címezhető terület maximumát. 20 címvezeték esetén: 2 20 =1 MB = 1024 KB = byte; 24 címvezeték esetén: 2 24 =16 MB = KB = byte; 32 címvezeték esetén: 2 32 =4 GB = 4096 MB = KB = byte. Adatbusz: A címbusszal együtt működik, feladata, hogy adatokat továbbítson a számítógépen belül. Ha a busz 8 bites, azt jelenti, hogy egyidejűleg 1 byte (8bit) továbbítására képes. Az adatbusz szélessége a számítógép működési sebességének meghatározó része. Szóhosszúság A szóhossz azt fejezi ki, hogy a CPU mekkora számokkal képes műveleteket végezni (hány bitet tud egyszerre kezelni). Mivel a számítógép a kettes számrendszerben dolgozik, ezt bitekben (kettes számrendszerbeli helyi értékek) számában fejezzük ki. Pl. egy 32 bites processzor, egyidejűleg 32 bit információ feldolgozására alkalmas. Utasításkészlet Az utasítások nem önmagukban álló teendők, hanem műveletek a hozzájuk tartozó adatokkal. Az adatok meghatározásának módjait nevezzük címzési módoknak. Az egyes processzorok esetében az alkalmazható utasítások halmazát az adott processzor utasításkészletének nevezzük. Egy processzor utasításkészlete gépi kódú (elemi) utasítások összessége, melyek végrehajtására a processzor hardver szinten alkalmas. Ez azt jelenti, hogy az utasítások megvalósítása vagy áramköri szinten valósul meg, vagy a gépben tárolt vezérlő mikroprogram segítségével.

4 A számítástechnika fejlődése folyamán a processzorok tervezésében két fő irányvonal alakult ki. A processzor által ismert műveletek és utasítások összességét értjük a processzor utasításkészlete alatt. Legelőször a RISC (Reduced Instructions Set Computer) utasításkészletet használták, ez leegyszerűsített, rövid utasításokat tartalmazott. Elsődlegesnek tekintette a sebességet, és az egyszerűséget. Később a CISC-et (Complex Instructions Set Computer) alkalmazták, ez már több, hosszabb utasítást tartalmazott, ám a túl sok, bonyolult utasítás nem bizonyult célravezetőnek, ezért visszatértek a RISC-hez. Ma már rengeteg utasításkészlet van, melyben keverednek a RISC, és a CISC irányelvei. Tokozás Tokozáson a processzor külső burkát, érintkezőinek kialakítását értjük. A legtöbb foglalat ZIF (Zero Insertion Force) kialakítású, ami azt jelenti hogy a processzor behelyezéséhez nem szükséges semennyi fizikai erőt kifejteni, a CPU könnyen megy a foglalatba ahol egy kar lehajtásával tudjuk azt rögzíteni. Három elterjedt fajtája van: LGA (Land Grid Array)-tokozás: a tűsor az alaplapon helyezkedik el, míg a processzoron csak úgynevezett érintőpadok találhatóak. PGA (Pin Grid Array)-tokozás: itt a csatlakozók a négyzet alakú tok alján helyezkednek el. (CPGA - kerámiatok, PPGA - műanyag tok)

5 SECC (Single Edge Contact Cartridge )-tokozás: a tok inkább egy kazettára hasonlít, az érintkezők (tűk) az alján vannak. Forrás: