▷ İşlemci nedir ve nasıl çalışır?

Bugün bazı donanımlar göreceğiz. Ekibimiz, birlikte veri depolayabilen ve işleyebilen çok sayıda elektronik bileşenden oluşmaktadır. İşlemci, CPU veya merkezi işlem birimi ana bileşenidir. Bir işlemcinin ne olduğu, bileşenlerinin ne olduğu ve nasıl çalıştığı hakkında konuşacağız.

Hazır? Başlayalım!

İçindekiler dizini

İşlemci nedir?

Tanımlamamız gereken ilk şey, bir mikroişlemcinin diğer her şeyi bilmesidir. Mikroişlemci bir bilgisayarın veya bilgisayarın beynidir, milyonlarca transistörden oluşan bir silikon çip içinde kapsüllenmiş entegre bir devreden oluşur. İşlevi, verileri işlemek, bilgisayarın tüm cihazlarının, en azından büyük bir kısmının çalışmasını kontrol etmek ve en önemlisi: mantıksal ve matematiksel işlemleri yapmaktan sorumludur.

Bunu fark edersek, makinemizden dolaşan tüm veriler, elektrik sinyalleri, bitlerden sıfırlar ve sıfırlardan oluşan sinyallerden oluşur. Bu sinyallerin her biri, talimatları ve programları oluşturan bir bit kümesine gruplanır. Mikroişlemci, temel işlemleri gerçekleştirerek bunların tümünü anlamlandırmakla yükümlüdür: TOPLA, SUBTRACT ve VEYA, MUL, DIV, OPPOSİT VE INVERSE. Sonra mikroişlemciye ihtiyacımız var:

• Bilgisayarın ana belleğine yüklenen programların yönergelerini çözer ve yürütür. Bilgisayarı oluşturan tüm bileşenleri ve bilgisayara bağlı olan çevre birimlerini, fareyi, klavyeyi, yazıcıyı, ekranı vb. Koordine eder ve denetler.

İşlemciler şu anda genellikle kare veya dikdörtgen şeklindedir ve anakarta bağlı soket adı verilen bir eleman üzerinde bulunur. Bu, verilerin işlemci ile ona bağlı diğer öğeler arasında dağıtılmasından sorumlu olacaktır.

Bilgisayar mimarisi

Aşağıdaki bölümlerde bir işlemcinin tüm mimarisini göreceğiz.

Von Neumann mimarisi

Mikroişlemcilerin buluşundan bugüne kadar, işlemciyi daha sonra göreceğimiz birkaç öğeye ayıran bir mimariye dayanıyorlar. Buna Von Neumann mimarisi denir. 1945 yılında matematikçi Von Neumann tarafından icat edilen ve bir dizi parçaya veya öğeye bölünmüş dijital bir bilgisayarın tasarımını tanımlayan bir mimaridir.

Mevcut işlemciler hala büyük ölçüde bu temel mimariye dayanıyor, ancak mantıksal olarak bugün sahip olduğumuz son derece eksiksiz unsurlara sahip olana kadar çok sayıda yeni eleman tanıtıldı. Aynı çip üzerinde birden fazla sayı, çeşitli düzeylerde bellek öğeleri, dahili grafik işlemci vb.

Bilgisayarın dahili parçaları

Bir bilgisayarın bu mimariye göre temel parçaları şunlardır:

• Bellek: bilgisayarın yürüttüğü yönergelerin ve yönergelerin çalıştığı verilerin saklandığı öğedir. Bu talimatlara program denir. Merkezi İşlem Birimi veya CPU: daha önce tanımladığımız unsurdur. Hafızadan gelen talimatların işlenmesinden sorumlu Giriş ve çıkış ünitesi: harici elemanlarla iletişime izin verir. Veri yolları: önceki elemanları fiziksel olarak bağlayan raylar, raylar veya kablolardır.

Mikroişlemcinin öğeleri

Bir bilgisayarın ana bölümlerini tanımlamış ve bilginin bilgisayarda nasıl dolaştığını anlayabilmeli.

• Kontrol ünitesi (UC): kontrol sinyalleri, örneğin saat aracılığıyla sipariş vermekle görevli unsurdur. Ana bellekteki talimatları arar ve bunları yürütmek için talimat kod çözücüsüne iletir. Dahili parçalar:
  1. Saat: İşlemci işlemlerini senkronize etmek için kare bir dalga oluşturur Program Sayacı: Yürütülecek sonraki komutun bellek adresini içerir Talimat Kaydı: Şu anda yürütülen talimatı içerir Sıralayıcı: İşleme için temel komutları üretir talimat. Komut kodu çözücü (DI): gelen talimatları yorumlamak ve yürütmekle, talimatın çalışma kodunu çıkarmakla görevlidir.

• Mantıksal aritmetik birim (ALU): aritmetik hesaplamaların (SUM, SUBTRACTION, MULTIPLICATION, DIVISION) ve mantıksal işlemlerin (AND, OR,…) yapılmasından sorumludur. İç parçalar.
  1. İşletim devresi: işlemleri gerçekleştirmek için çoklayıcılar ve devreler içerirler. Giriş kayıtları: veriler çalışma devresine girmeden önce saklanır ve çalıştırılır Akümülatör: gerçekleştirilen işlemlerin sonuçlarını saklar Durum kaydı (Bayrak): sonraki işlemlerde dikkate alınması gereken belirli koşulları saklar.

• Kayan nokta birimi (FPU): Bu öğe orijinal mimari tasarımında değildi, daha sonra talimatlar ve hesaplamalar grafik olarak temsil edilen programların görünümü ile daha karmaşık hale geldiğinde tanıtıldı. Bu birim kayan nokta işlemlerini, yani gerçek sayıları gerçekleştirmekle sorumludur. Kayıt Bankası ve Önbellek: Günümüzün işlemcileri, RAM'den CPU'ya köprü oluşturan uçucu belleğe sahiptir. Bu RAM'den çok daha hızlıdır ve mikroişlemcinin ana belleğe erişimini hızlandırmaktan sorumludur.

• Ön Veri Yolu (FSB): Veri yolu, ana veri yolu veya sistem veri yolu olarak da bilinir. Mikroişlemciyi anakartla, özellikle kuzey köprüsü veya nohbridge adı verilen çip ile iletişim kuran yol veya kanaldır. Bu, ana CPU veri yolu, RAM ve PCI-Express gibi genişletme bağlantı noktalarının çalışmasından sorumludur.Bu veriyolunu tanımlamak için kullanılan terimler Intel için "Hızlı Yol Ara Bağlantısı" ve AMD için "Hypertransport" dur.

Kaynak: sleeperfurniture.co

Kaynak: ixbtlabs.com

• Arka Taraf BUS (BSB): bu veriyolu, CPU çekirdeğine entegre olmadığı sürece, 2. seviye önbellek (L2) ile işlemci arasında iletişim kurar. Şu anda tüm mikroişlemciler çipin içine yerleştirilmiş önbellek içerir, bu nedenle bu veri yolu aynı çipin bir parçasıdır.

İki veya daha fazla çekirdek mikroişlemci

Aynı işlemcide, yalnızca bu öğelerin içinde dağıtılacak değil, aynı zamanda çoğaltılmaktadır. Birkaç işlem çekirdeğine veya ünitede aynı birkaç mikroişlemciye sahip olacağız. Bunların her birinin kendi önbelleği L1 ve L2 olacaktır, normalde L3 aralarında, çiftler halinde veya birlikte paylaşılır.

Buna ek olarak, her bir çekirdek için bir ALU, UC, DI ve FPU'ya sahip olacağız, bu nedenle hız ve işleme kapasitesi sahip olduğu çekirdek sayısına bağlı olarak çoğalır. Mikroişlemcilerin içinde yeni öğeler de görünür:

• Tümleşik bellek denetleyicisi (IMC): Şimdi birkaç çekirdeğin ortaya çıkmasıyla, işlemci ana belleğe doğrudan erişmenizi sağlayan bir sisteme sahiptir. Tümleşik GPU (iGP) - GPU grafik işlemeyi gerçekleştirir. Bunlar çoğunlukla yüksek yoğunluklu bit dizeleri ile kayan nokta işlemleridir, bu nedenle işlem normal program verilerinden çok daha karmaşıktır. Bu nedenle, içinde sadece grafik işlemeye adanmış bir birimi uygulayan mikroişlemci aralıkları vardır.

AMD Ryzen gibi bazı işlemcilerin dahili grafik kartı yoktur. Sadece APU'larınız mı?

Mikroişlemci çalışması

Bir işlemci talimatlarla çalışır, bu talimatların her biri CPU'nun anlayabildiği belirli bir uzantının ikili kodudur.

Bu nedenle, bir program bir talimatlar dizisidir ve onu yürütmek için sıralı olarak, yani her adımda veya zamanda bu talimatlardan birini yürütmek gerekir. Bir talimatı yürütmek için birkaç aşama vardır:

• Talimat arama: talimatı bellekten işlemciye getiriyoruz Talimat kod çözme: talimat, CPU tarafından anlaşılabilen daha basit kodlara ayrılır Kumandalı arama: CPU'ya yüklenen talimatla ilgili operatörü bulmanız gerekir . komutu: gerekli mantıksal veya aritmetik işlemi gerçekleştirme Sonucu kaydetme: sonuç önbelleğe alınır

Her işlemci belirli bir talimat setiyle çalışır, bunlar işlemcilerle birlikte gelişmiştir. X86 veya x386 adı, işlemcinin birlikte çalıştığı talimatlar grubunu belirtir.

Geleneksel olarak 32 bit işlemcilere x86 da denir, çünkü bu mimaride 32 bit mimariyi ilk uygulayan Intel 80386 işlemcinin bu yönergeleriyle çalışmışlardır.

Bu talimatlar dizisinin daha verimli ve daha karmaşık programlarla çalışabilmesi için güncellenmesi gerekir. Bazen bir programın çalışma gereksinimlerinde SSE, MMX, vb. Gibi bir dizi kısaltma geldiğini görüyoruz. Bunlar bir mikroişlemcinin başa çıkabileceği bir dizi talimattır. Yani:

• SSE (Akış SIMD Uzantıları): CPU'ları kayan nokta işlemleriyle çalışacak şekilde güçlendirdiler. SSE2, SSE3, SSE4, SSE5, vb: bu talimatlar dizisinde farklı güncellemeler.

İşlemci uyumsuzluğu

Apple işletim sisteminin bir Windows veya Linux bilgisayarda ne zaman çalışabileceğini hepimiz hatırlıyoruz. Bu, farklı işlemcilerden gelen talimatların türünden kaynaklanmaktadır. Apple, Intel ve AMD dışındaki talimatlarla çalışan PowerPC işlemcileri kullandı. Bu nedenle, birkaç talimat tasarımı vardır:

• CISC (Karmaşık Komut Seti Bilgisayarı): Intel ve AMD tarafından kullanılanıdır, birkaç talimat kümesi kullanmakla ilgilidir, ancak karmaşıktır. Birkaç saat döngüsü gerektiren daha eksiksiz talimatlar olan daha yüksek kaynak tüketimine sahiptirler. RISC (Azaltılmış Komut Seti Bilgisayarı): Apple, Motorola, IBM ve PowerPC tarafından kullanılan, daha fazla talimat içeren, ancak daha az karmaşık olan daha verimli işlemcilerdir.

Şu anda her iki işletim sistemi de uyumludur, çünkü Intel ve AMD işlemcilerinde bir dizi mimariyi uygular.

Talimat yürütme süreci

1. Bir RESET sinyali alındığında işlemci yeniden başlatılır, bu şekilde sistem, işlemin hızını belirleyecek bir saat sinyali alarak kendini hazırlar.PP kaydında (program sayacı) Kontrol ünitesi (UC), RAM'in CP'deki bellek adresinde sakladığı yönergesini alma komutunu verir.Daha sonra RAM verileri gönderir ve veri yoluna yerleştirilir. UC işlemi yönetir ve talimat, talimatın anlamını bulmak için dekodere (D) geçer. Bu daha sonra yürütülecek UC'den geçer.Talimin ne olduğu ve hangi işlemin gerçekleştirileceği bilinirse, her ikisi de ALU giriş kayıtlarına (REN) yüklenir.AlU işlemi yürütür ve sonucu veri yolu ve CP aşağıdaki talimatı uygulamak için 1 eklenir.

İşlemcinin iyi olup olmadığını nasıl öğrenebilirim?

Bir mikroişlemcinin iyi mi yoksa kötü mü olduğunu bilmek için dahili bileşenlerinin her birine bakmalıyız:

Veri yolu genişliği

Bir veri yolunun genişliği, içinden dolaşabilen kayıtların boyutunu belirler. Bu genişlik işlemci kayıtlarının boyutuyla eşleşmelidir. Bu şekilde, otobüsün genişliğinin, tek bir işlemde taşıyabileceği en büyük kaydı temsil ettiğini gösteririz.

Veri yolu ile doğrudan ilgili olan RAM belleği de olacaktır, bu kayıtların her birini sahip oldukları genişlikte saklayabilmelidir (buna bellek sözcüğü genişliği denir).

Şu anda veri yolu genişliği 32 bit veya 64 bit olduğunda, yani aynı anda 32 veya 64 bit zincirlerini taşıyabilir, depolayabilir ve işleyebiliriz. Her biri 0 veya 1 olma olasılığına sahip 32 bit ile 2 ³² (4GB) ve 64 bit 16 EB Exabyte bellek miktarına değinebiliriz. Bu, bilgisayarımızda 16 Exabyte belleğimiz olduğu anlamına gelmez, aksine belirli bir belleği yönetme ve kullanma yeteneğini temsil eder. Bu nedenle, 32 bit sistemlerin sadece 4 GB belleği adresleme konusundaki ünlü sınırlaması.

Kısacası, daha geniş otobüs, daha fazla çalışma kapasitesi.

Önbellek

Bu anılar RAM'den çok daha küçük ama çok daha hızlı. İşlevi, sadece işlenecek veya son işlenen talimatları saklamaktır. Önbellek ne kadar fazla olursa, CPU'nun alıp bırakabileceği işlem hızı o kadar yüksek olur.

Burada, işlemciye ulaşan her şeyin sabit sürücüden geldiğinin farkında olmalıyız ve bunun RAM'den çok daha yavaş ve hatta önbellekten daha da yavaş olduğu söylenebilir. Bu nedenle, bu katı hal bellekleri, sabit disk olan büyük darboğazın çözümü için tasarlanmıştır.

Ve kendimize soracağız, neden o zaman sadece büyük önbellek üretmiyorlar, cevap basit, çünkü çok pahalılar.

Dahili işlemci hızı

İnternet hızı, bir işlemciye bakıldığında neredeyse her zaman en çarpıcı şeydir. "İşlemci 3, 2 GHz hızında çalışıyor" ama bu nedir? Hız, mikroişlemcinin çalıştığı saat frekansıdır. Bu hız ne kadar yüksek olursa, birim zaman başına o kadar çok işlem gerçekleştirebilir. Bu, işlemci tarafından veri toplamayı her zaman için maksimum işlem sayısını yapmak üzere hızlandırmak için daha yüksek performans anlamına gelir, bu nedenle bir önbellek vardır.

Bu saat frekansı periyodik kare dalga sinyali ile verilir. İşlem yapmak için maksimum süre bir süredir. Dönem, frekansın tersidir.

Ama her şey hız değil. İşlemcinin hızını etkileyen birçok bileşen vardır. Örneğin 1.8 GHz'de 4 çekirdekli bir işlemcimiz ve 4.0 GHz'de başka bir tek çekirdekli işlemci varsa, dört çekirdekli modelin daha hızlı olduğundan emin olabilirsiniz.

Veri yolu hızı

İşlemcinin hızı önemli olduğu gibi, veri yolunun hızı da önemlidir. Anakart her zaman mikroişlemciden çok daha düşük bir saat frekansında çalışır, bu nedenle bu frekansları ayarlayan bir çarpana ihtiyacımız olacaktır.

Örneğin, 200 MHz saat frekansında veri yoluna sahip bir anakartımız varsa, 10x çarpanı 2 GHz CPU frekansına ulaşacaktır.

mikro mimarisi

Bir işlemcinin mikro mimarisi, içindeki mesafe birimi başına transistör sayısını belirler. Bu birim şu anda nm (nanometre) olarak ölçülür, ne kadar küçük olursa, transistör sayısı o kadar fazla eklenebilir ve bu nedenle daha fazla sayıda eleman ve entegre devre yerleştirilebilir.

Bu, enerji tüketimini doğrudan etkiler, daha küçük cihazlar daha az elektron akışına ihtiyaç duyacaktır, bu nedenle daha büyük bir mikro mimari ile aynı işlevleri yerine getirmek için daha az enerji gerekecektir.

Kaynak: intel.es

Komponent soğutma

CPU'nun ulaştığı muazzam hız nedeniyle, akım akışı ısı üretir. Frekans ve voltaj ne kadar yüksek olursa, daha fazla ısı üretimi olacaktır, bu nedenle bu bileşeni soğutmak gerekir. Bunu yapmanın birkaç yolu vardır:

• Pasif soğutma: kanatçıklar vasıtasıyla hava ile temas yüzeyini arttıran metalik dağıtıcılar (bakır veya alüminyum) ile. Aktif soğutma : Soğutucunun yanı sıra, pasif elemanın kanatçıkları arasında cebri hava akışı sağlamak için bir fan da yerleştirilir.

• Sıvı soğutma: bir pompa ve kanatlı bir radyatörden oluşan bir devreden oluşur. Su CPU'da bulunan bir bloktan dolaştırılır, sıvı eleman üretilen ısıyı toplar ve radyatöre aktarır, bu da zorlamalı havalandırma yoluyla ısıyı dağıtır, sıvının sıcaklığını tekrar düşürür.

Bazı işlemciler bir soğutucu içerir. Normalde büyük bir anlaşma değiller… ama PC'yi çalışır duruma getirmek ve aynı zamanda geliştirmek için hizmet ediyorlar

• Isı Boruları ile Soğutma: Sistem sıvı ile dolu bakır veya alüminyum tüplerden oluşan kapalı bir devreden oluşur. Bu sıvı CPU'dan ısı toplar ve sistemin tepesine yükselen buharlaşır. Bu noktada, sıvının ısısını içeriden dış havaya değiştiren kanatlı bir soğutucu vardır, bu şekilde sıvı yoğunlaşır ve CPU bloğuna geri döner.

Biz tavsiye

Bu, bir işlemcinin ne olduğu ve nasıl çalıştığı ile ilgili makalemizi sonlandırıyor. Umarız beğenmişsinizdir.