Processor İşlemcinin dış ve iç kısımları: temel kavramlar?

Elbette hepimiz bir CPU'nun ne olduğunu kabaca biliyoruz, ancak bir işlemcinin parçalarının ne olduğunu gerçekten biliyor muyuz ? Bu küçük silikon karesinin büyük miktarlarda bilgiyi işleyebilmesi, insanlığı elektronik sistemlere sahip olmadan tam bir çöküşün olacağı bir döneme aktarabilmesi için gerekli olan her biri.

İşlemciler zaten günlük hayatımızın bir parçası, özellikle de son 20 yılda doğan insanlar. Birçoğu teknoloji ile tamamen karıştı, bir akıllı telefon yerine somun yerine bir Akıllı Telefon getiren küçüklerden bahsetmiyorum… Tüm bu cihazlarda, işlemci olarak adlandırılan ve "istihbarat" vermekten sorumlu ortak bir unsur var . etrafımızdaki makineler. Bu unsur olmasaydı, bilgisayarlar, cep telefonları, robotlar ve montaj hatları da kısacası herkes işe yarardı… ama onları yaptığımız yere ulaşmak imkansız olurdu, ama hala "Matrix" gibi bir dünya yok ama her şey gidecek.

İçindekiler dizini

İşlemci nedir ve neden bu kadar önemlidir?

Her şeyden önce, sadece bir bilgisayarın içinde bir işlemci olmadığını bilmeliyiz. Tüm elektronik cihazların hepsinde, dijital saat, programlanabilir otomat veya akıllı telefon olsun, işlemci olarak işlev gören bir öğe bulunur .

Ancak, elbette, yeteneklerine ve ürettiklerine bağlı olarak, işlemcilerin ikili kodları art arda bir LED paneli aydınlatmaya kadar büyük miktarlarda işlem yapmaya kadar az ya da çok karmaşık olabileceğinin farkında olmalıyız . onlardan öğrenme de dahil olmak üzere bilgiler (Makine Öğrenmesi ve Yapay Zeka).

CPU veya Merkezi İşlem Birimi , bir programda yer alan görevleri ve yönergeleri yürütebilen bir elektronik devredir. Bu talimatlar büyük ölçüde basitleştirilmiştir ve temel aritmetik hesaplamalar (toplama, çıkarma, çarpma ve bölme), mantıksal işlemler (AND, OR, NOT, NOR, NAND) ve giriş / çıkış (G / Ç) kontrolüne kadar kaynatılır. cihazların.

Daha sonra işlemci, bir programın talimatlarını oluşturan tüm işlemleri gerçekleştirmekle görevli unsurdur. Kendimizi makinenin bakış açısına koyarsak, bu işlemler sıfır ve zincir adı verilen basit zincirlere indirgenir ve bunlar mevcut / güncel olmayan durumları temsil eder, böylece insanın bile yapabileceği ikili mantıksal yapılar oluşturur. makine kodu, montajcı veya daha üst düzey bir programlama dili aracılığıyla anlamak ve programlamak.

Transistörler, her şeyin suçluları

Transistörler olmasaydı, işlemciler en azından küçük olmazdı. Bunlar, herhangi bir işlemci ve entegre devrenin temel birimidir. Bir elektrik devresini kapatan veya açan veya bir sinyali yükselten yarı iletken bir cihazdır. Bu şekilde, CPU'nun anladığı ikili dil olanları ve sıfırları nasıl oluşturabiliriz.

Bu transistörler , transistörün kendi komütasyonlarını gerçekleştirebilen, ancak bir vakumda mekanik elemanlarla, büyük ampul benzeri cihazlar olan vakum valfleri olarak başladı. ENIAC veya EDVAC gibi bilgisayarların içinde transistörler yerine vakum vanaları vardı ve bunlar son derece büyüktü ve neredeyse küçük bir şehrin enerjisini tüketiyorlardı. Bu makineler Von Neumann mimarisi ile ilk makinelerdi.

Ancak 1950'lerden 1960'lara kadar ilk transistör CPU'ları oluşturulmaya başladı - aslında, IBM 7090 ile ilk yarı iletken transistör tabanlı makinesini yarattığı 1958'de IBM idi. O zamandan beri evrim muhteşemdi, Intel ve daha sonra AMD gibi üreticiler, Intel 8086 CPU sayesinde devrim niteliğindeki x86 mimarisini uygulayarak masaüstü bilgisayarlar için ilk işlemcileri oluşturmaya başladı. Aslında, bugün bile, masaüstü işlemcilerimiz bu mimariye dayanıyor, daha sonra x86 işlemcinin parçalarını göreceğiz.

Bundan sonra, mimari giderek daha karmaşık hale gelmeye başladı, daha küçük yongalarla ve aynı zamanda içeride daha fazla çekirdek ilk kez tanıtıldıktan sonra, özellikle grafik işlemeye adanmış çekirdekler ile. Önbellek olarak adlandırılan ultra hızlı bellek bankaları ve ana bellek olan RAM ile bağlantı yolu bile bu küçük yongaların içine sokuldu.

İşlemcinin dış parçaları

Günümüze kadar işlemcilerin tarihinin bu kısa incelemesinden sonra, mevcut bir işlemcinin hangi harici unsurlara sahip olduğunu göreceğiz. Dokunulabilen ve kullanıcı görüşünde olan fiziksel unsurlardan bahsediyoruz. Bu işlemcinin fiziksel ve bağlantı ihtiyaçlarını daha iyi anlamamıza yardımcı olacaktır.

soket

CPU soketi veya soketi, işlemciyi karttaki ve bilgisayardaki diğer öğelerle bağlamaktan sorumlu olan bir anakarta sabit olarak monte edilmiş bir elektromekanik sistemdir. Piyasada ve farklı konfigürasyonlarda birçok temel soket tipi vardır. Adınızdan veya mezhebinizden hangisinden bahsettiğimizi anlamamızı sağlayacak üç unsur vardır:

Kişisel bilgisayarlarda üretici Intel veya AMD olabilir, bu anlaşılması kolay bir şeydir. Bağlantı türüne gelince, üç farklı tipimiz var:

• LGA: (şebeke temas dizisi), CPU'nun yalnızca düz bir temas dizisi varken kontak pimlerinin soketin kendisine takıldığı anlamına gelir. PGA: (pim ızgarası dizisi), öncekinin tam tersidir, pimlere sahip olan işlemcidir ve sokmak için delikleri soket. BGA: (bilyalı ızgara dizisi), bu durumda işlemci doğrudan anakarta lehimlenir.

Son numaraya gelince, CPU'nun soketle sahip olduğu dağıtım türünü veya bağlantı pimi sayısını tanımlar. Hem Intel hem de AMD'de muazzam miktarda var.

alt tabaka

Substrat temelde DIE adı verilen çekirdeklerin elektronik devresini içeren silikon çipin kurulduğu PCB'dir. Günümüzün işlemcilerinde bu öğelerin birden fazlası ayrı olarak kurulmuş olabilir.

Ancak bu küçük PCB, anakartın soketi ile bağlantı pimlerinin tüm matrisini içerir, neredeyse her zaman elektrik transferini iyileştirmek için altın kaplama ve aşırı yüklere ve kondansatörler şeklinde akım dalgalanmalarına karşı koruma sağlar.

DİE

DIE, bir işlemcinin tüm entegre devresini ve dahili bileşenlerini içeren tam olarak kare veya yongadır. Görsel olarak, substrattan çıkıntı yapan ve ısı dağıtma elemanı ile temas eden küçük bir siyah eleman olarak görülür.

Tüm işleme sistemi içinde olduğundan, DIE inanılmaz derecede yüksek sıcaklıklara ulaşır, bu nedenle diğer elemanlarla korunmalıdır.

IHS

DTS veya Entegre Termal Difüzör olarak da adlandırılır ve işlevi, işlemci çekirdeklerinin tüm sıcaklığını yakalamak ve bu elemanın kurduğu soğutucuya aktarmaktır. Bakır veya alüminyumdan yapılmıştır.

Bu eleman, DIE'yi dışarıdan koruyan ve termal macun ile doğrudan temas halinde olan veya doğrudan kaynaklı olabilen bir tabaka veya kapsülleme malzemesidir. Özel oyun ekipmanlarında kullanıcılar, soğutucuları bir sıvı metal bileşiğindeki termal macun kullanarak doğrudan DIE ile temas ettirmek için bu IHS'yi çıkarırlar. Bu işleme Delidding adı verilir ve amacı işlemci sıcaklıklarını önemli ölçüde artırmaktır.

soğutucu

Mümkün olduğunca fazla ısı yakalamaktan ve atmosfere aktarmaktan sorumlu olan son unsur. Alüminyum ve bakır tabandan yapılmış küçük veya büyük bloklardır, yüzgeçlerin tümünden basınçlı hava akımı ile tüm yüzeyi soğutmaya yardımcı olan fanlar bulunur.

Her PC işlemcisinin işlevlerini yerine getirmesi ve sıcaklıklarını kontrol altında tutması için bir soğutucuya ihtiyacı vardır.

Bunlar bir işlemcinin harici olarak parçaları, şimdi en teknik kısmı, dahili bileşenlerini göreceğiz.

Von Neumann mimarisi

Günümüzün bilgisayarları, 1945'te tarihin ilk bilgisayarlarına hayat vermekle görevli matematikçi Von Neumann'ın mimarisine dayanıyor, bilirsiniz, ENIAC ve diğer büyük arkadaşları. Bu mimari , temel olarak bir bilgisayarın elemanlarının veya bileşenlerinin, çalışmasının mümkün olması için dağıtıldığı yoldur. Dört temel bölümden oluşur:

• Program ve veri belleği: işlemcide uygulanacak talimatların saklandığı öğedir. Depolama sürücüleri veya sabit sürücüler, rasgele erişim RAM'i ve talimatları içeren programlardan oluşur. Merkezi İşlem Birimi veya CPU: bu işlemci, ana bellek ve giriş aygıtlarından gelen tüm bilgileri kontrol eden ve işleyen birimdir. Giriş ve çıkış ünitesi: merkezi üniteye bağlı çevre birimleri ve bileşenlerle iletişime izin verir. Fiziksel olarak onları anakartımızın yuvaları ve bağlantı noktaları olarak tanımlayabiliriz. Veri yolları: öğeleri fiziksel olarak bağlayan izler, parçalar veya kablolardır.Bir CPU'da kontrol veriyoluna, veri yoluna ve adres veriyoluna ayrılırlar.

Çok çekirdekli işlemciler

Bir işlemcinin dahili bileşenlerini listelemeye başlamadan önce, bir işlemcinin çekirdeklerinin ne olduğunu ve içindeki işlevlerini bilmek çok önemlidir.

Bir işlemcinin çekirdeği, içinden geçen bilgilerle gerekli hesaplamaları yapmaktan sorumlu entegre devredir. Her işlemci, gerçekleştirebileceği işlem sayısını gösteren, MHz olarak ölçülen belirli bir frekansta çalışır. Mevcut işlemcilerin sadece bir çekirdeği değil, hepsi aynı dahili bileşenlere sahip olan ve her bir saat döngüsünde aynı anda talimatları yürütebilen ve çözebilen bir çekirdeğe sahip.

Dolayısıyla, bir çekirdek işlemci her döngüde bir komut yürütebiliyorsa, 6'ya sahipse, bu komutların 6'sını aynı döngüde yürütebilir. Bu çarpıcı bir performans yükseltmesi ve bugünün işlemcilerinin yaptığı şey tam olarak bu. Ama sadece çekirdeklerimiz değil, aynı zamanda bir programın ipliklerinin dolaştığı bir tür mantıksal çekirdek gibi olan iplikleri de işliyoruz.

Şu konudaki makalemizi ziyaret edin: işlemcinin konuları nelerdir? Konuyla ilgili daha fazla bilgi edinmek için çekirdeklerle farklılıklar.

İşlemcinin iç parçaları (x86)

Birçok farklı mikroişlemci mimarisi ve yapılandırması var, ancak bizi ilgilendiren bilgisayarlarımızın içinde olan ve şüphesiz x86 adını alan mimaridir. Bunu biraz daha açık hale getirmek için doğrudan fiziksel veya şematik olarak görebiliriz, tüm bunların DIE içinde olduğunu biliriz.

İşlemci çekirdeklerinin her birinde Kontrol Ünitesi, Aritmetik-Mantık Ünitesi, Kayıtlar ve FPU'nun bulunacağını unutmamalıyız.

İlk önce ana dahili bileşenlere bakalım:

Kontrol ünitesi

Kontrol Ünitesi veya CU olarak adlandırılan İngilizce'de, işlemcinin çalışmasını yönetmekten sorumludur. Bunu , RAM'e, aritmetik mantık birimine ve giriş ve çıkış aygıtlarına kontrol sinyalleri şeklinde komutlar vererek işlemciye gönderilen bilgileri ve talimatları nasıl yöneteceklerini bilerek yapar. Örneğin, veri toplarlar, hesaplamalar yaparlar ve sonuçları saklarlar.

Bu birim , bileşenlerin geri kalanının saat ve zamanlama sinyallerini kullanarak senkronizasyonda çalışmasını sağlar. Hemen hemen tüm işlemcilerin içinde bu birim var, ancak diyelim ki işlemenin çekirdeğinin dışında. Buna karşılık, içinde aşağıdaki bölümleri ayırt edebiliriz:

• Clock (CLK): dahili bileşenleri senkronize eden bir kare sinyal oluşturmaktan sorumludur. Öğeler arasında bu senkronizasyondan sorumlu olan başka saatler de vardır, örneğin, daha sonra göreceğimiz çarpan. Program sayacı (CP): yürütülecek bir sonraki talimatın bellek adresini içerir. Komut Kaydı (RI): yürütülmekte olan komutu kaydeder Sıralayıcı ve Kod Çözücü: komutları komutlar aracılığıyla yorumlar ve yürütür

Aritmetik-Mantıksal Birim

Bunu “ALU” kısaltması ile kesinlikle bileceksiniz. ALU , bit düzeyinde tamsayılarla tüm aritmetik ve mantıksal hesaplamaları yapmaktan sorumludur, bu ünite doğrudan talimatlarla (işlenenler) ve kontrol ünitesinin yapmasını istediği işlemle (operatör) çalışır.

İşlenenler ya işlemcinin dahili kayıtlarından ya da doğrudan RAM belleğinden gelebilir, hatta başka bir işlemin sonucu olarak ALU'da üretilebilirler. Bunun çıktısı, bir kayıtta saklanacak başka bir sözcük olmak üzere, işlemin sonucu olacaktır. Bunlar temel parçaları:

• Giriş kayıtları (REN): İçlerinde değerlendirilecek işlenenleri tutarlar. İşlem kodu: CU operatörü, işlemin gerçekleştirilmesi için gönderir Akümülatör veya Sonuç: işlemin sonucu ALU'dan ikili bir kelime olarak gelir Durum kaydı (Bayrak): işlem sırasında dikkate alınması gereken farklı koşulları saklar.

Kayan nokta birimi

Bunu FPU veya Kayan Nokta Birimi olarak bileceksiniz. Temel olarak, yeni nesil işlemciler tarafından, bir matematiksel yardımcı işlemci kullanarak kayan nokta işlemlerinin hesaplanmasında uzmanlaşmış bir güncellemedir. Trigonometrik veya üstel hesaplamalar bile yapabilen birimler vardır.

Temel olarak, gerçekleştirilecek hesaplamaların normal programlardan çok daha ağır ve karmaşık olduğu grafik işlemedeki işlemcilerin performansını artırmak için bir uyarlamadır. Bazı durumlarda, FPU'nun işlevleri bir talimat mikrokodu kullanılarak ALU'nun kendisi tarafından gerçekleştirilir.

kayıtlar

Bugünün işlemcilerinin kendi depolama sistemi var, tabiri caizse, en küçük ve en hızlı birim kayıtlardır. Temel olarak, işlenmekte olan talimatların ve bunlardan elde edilen sonuçların depolandığı küçük bir depodur .

Önbellek

Bir sonraki depolama düzeyi, son derece hızlı bir bellek olan ve işlemci tarafından yakın bir zamanda kullanılacak talimatları saklamaktan sorumlu RAM belleğinden çok daha fazla olan önbellektir. Veya en azından kullanılacağını düşündüğünüz talimatları saklamaya çalışacaksınız, çünkü bazen doğrudan RAM'den istemekten başka seçenek yoktur.

Mevcut işlemcilerin önbelleği, işlemcinin aynı DIE'sine entegre edilmiştir ve L1, L2 ve L3 olmak üzere toplam üç seviyeye ayrılmıştır:

• Seviye 1 Önbellek (L1): Günlüklerden sonra en küçük ve üçünden en hızlısıdır. Her işlem çekirdeğinin kendi L1 önbelleği vardır ve bu da ikiye bölünür, verilerin depolanmasından sorumlu L1 Verileri ve yürütülecek talimatları saklayan L1 Talimatı. Genellikle her biri 32 KB'dir. Seviye 2 Önbellek (L2) - Bu bellek L2'den daha yavaş fakat aynı zamanda daha büyük. Tipik olarak, her çekirdeğin yaklaşık 256 KB olabilen kendi L2'si vardır, ancak bu durumda doğrudan çekirdek devresine entegre edilmez. Seviye 3 Önbellek (L3): RAM'den çok daha hızlı olmasına rağmen, üçünün en yavaşıdır. Ayrıca çekirdeklerin dışında bulunur ve birkaç çekirdek arasında dağıtılır. Çok güçlü CPU'larda 30 MB'a kadar ulaşmasına rağmen , 8 MB ile 16 MB arasında değişir.

Gelen ve giden otobüsler

Veri yolu , bilgisayarı oluşturan farklı unsurlar arasındaki iletişim kanalıdır. Bunlar, verilerin elektrik şeklinde dolaştığı fiziksel çizgiler, talimatlar ve işlemek için gerekli tüm unsurlardır. Bu otobüsler doğrudan işlemcinin içine veya dışına, anakart üzerine yerleştirilebilir. Bilgisayarda üç tür veri yolu vardır:

• Veri yolu: kesinlikle en kolayı, çünkü farklı bileşenler tarafından gönderilen ve alınan verilerin işlemciye veya işlemciden dolaştığı veriyoludur. Bu, çift yönlü bir veri yolu olduğu ve işlemcinin işleyebileceği uzunluk olan 64 bit uzunluğunda kelimeler dolaştıracağı anlamına gelir. Veri yolu örneği, CPU'yu PCI ekranlarıyla, örneğin bir grafik kartı için ileten LANES veya PCI Express Lines'tır. Adres veri yolu: adres veri yolu dolaşımı yapmaz, bellekte saklanan verinin yerini bulmak için bellek adresleri. RAM, hücrelere bölünmüş büyük bir veri deposu gibidir ve bu hücrelerin her birinin kendi adresi vardır. Bir bellek adresi göndererek veri için bellek isteyen işlemci olacaktır, bu adres hücrelerin RAM belleğine sahip olduğu kadar büyük olmalıdır. Şu anda bir işlemci 64 bite kadar bellek adreslerini ele alabilir, yani 2 ⁶⁴ hücreye kadar bellekleri işleyebiliriz. Kontrol veriyolu: kontrol veriyolu , işlemciye veya işlemciden dolaşan tüm bilgilerin senkronize ve verimli kullanımı için kontrol ve zamanlama sinyallerini kullanarak önceki iki veri yolunu yönetmekten sorumludur. Bir havaalanının hava trafik kontrol kulesi gibi olurdu.

BSB, giriş / çıkış birimi ve çarpan

Mevcut işlemcilerin, CPU'yu anakartın diğer unsurlarıyla, örneğin yonga seti ve çevre birimleri ile kuzey köprüsü ve güney köprüsü aracılığıyla iletmek için hizmet veren geleneksel FSB veya Ön Veri Yolu'na sahip olmadığını bilmek önemlidir. Bunun nedeni , veri yolunun kendisinin eski kuzey köprüsü gibi RAM'i işlemciyle doğrudan ileten bir giriş ve çıkış (G / Ç) veri yönetim birimi olarak CPU'ya yerleştirilmiş olmasıdır. AMD'nin HyperTransport veya Intel'in HyperThreading gibi teknolojileri, yüksek performanslı işlemciler hakkında bilgi alışverişini yönetmekle sorumludur.

BSB veya Arka Taraf Veri Yolu, mikroişlemciyi kendi önbellekine, normalde L2'ye bağlayan veri yoludur. Bu şekilde Ön Veri Yolu bir yükten kurtarılabilir ve böylece önbelleklerin hızını çekirdeğin hızına daha da yakınlaştırabilir.

Ve son olarak , CPU saati ile harici otobüslerin saati arasındaki ilişkiyi ölçmekten sorumlu olan işlemcinin içinde veya dışında bulunan bir dizi eleman olan çarpanlarımız var . Bu noktada CPU'nun RAM, yonga seti ve diğer çevre birimleri gibi öğelere veri yolu ile bağlı olduğunu biliyoruz. Bu çarpanlar sayesinde, daha fazla veri işleyebilmek için CPU frekansının harici veri yollarından çok daha hızlı olması mümkündür.

Örneğin, x10 çarpanı , 200 MHz'de çalışan bir sistemin 2000 MHz'de CPU üzerinde çalışmasına izin verecektir. Mevcut işlemcilerde, çarpanı kilitli olmayan birimleri bulabiliriz, bu da frekansını ve dolayısıyla işlem hızını artırabileceğimiz anlamına gelir. Buna hız aşırtma diyoruz.

IGP veya dahili grafik kartı

İşlemcinin parçalarıyla bitirmek için, bazılarının taşıdığı entegre grafik birimini unutamayız. Bir FPU'nun ne olduğunu görmeden önce ve bu durumda benzer bir şeyle karşı karşıyayız, ancak çok daha fazla güçle karşı karşıyayız, çünkü bunlar temel olarak matematiksel amaçlar için ekibimizin grafiklerini bağımsız olarak işleyebilen bir çekirdekler serisi. çok yoğun işlemci gerektiren çok sayıda kayan nokta hesaplaması ve grafik oluşturma.

IGP, PCI-Express yuvasına taktığımız harici grafik kartıyla aynı işlevi görür, yalnızca daha küçük bir ölçekte veya güçte. Entegre Grafik İşlemci olarak adlandırılır, çünkü aynı işlemciye kurulan ve bu karmaşık işlem serisinin merkezi birimini rahatlatan entegre bir devredir. Bir grafik kartımız olmadığında faydalı olacaktır, ancak şimdilik bunlarla karşılaştırılabilir bir performansa sahip değil.

Hem AMD hem de Intel, IGP'yi CPU'ya entegre eden ve böylece APU (Hızlandırılmış İşlem Birimi) olarak adlandırılan birimlere sahiptir. Bunun bir örneği, AMD Athlon ve bazı Ryzen ile birlikte i ailesinin neredeyse tüm Intel Core'udur.

İşlemcinin bölümleri hakkında sonuç

İşlemcinin parçalarının ne olduğunu hem dış hem de iç bakış açısından az ya da çok basit bir şekilde gördüğümüz bu uzun makalenin sonuna geldik. Gerçek şu ki, çok ilginç bir konu ama çok karmaşık ve açıklanması uzun, ayrıntıları bu tür cihazların montaj hatlarına ve üreticilerine batırılmayan neredeyse hepimizin anlayışının ötesinde.

Şimdi sizi ilginizi çekebilecek birkaç öğretici ile bırakıyoruz.

Herhangi bir sorunuz varsa veya makaledeki herhangi bir sorunu açıklığa kavuşturmak istiyorsanız, sizi yorum kutusuna yazmaya davet ediyoruz. Başkalarının görüşüne ve bilgeliğine sahip olmak her zaman iyidir.