Centrālais procesors

AMD Turion 64 Lancaster MT-34 procesors.

Centrālais procesors (angļu: Central Processing Unit — CPU) ir jaudīgs mikroprocesors. Terminu procesors bieži izmanto kā saīsinājumu no centrālais procesors (angļu: central processor) vai mikroprocesors (angļu: microprocessor). Centrālais procesors ir datora mezgls, kas pēc norādītās programmas, realizē datu matemātisko un loģisko apstrādi un attiecīgajos momentos ierosina pārējo mezglu darbību. Centrālais procesors var nebūt vienīgais procesors datorā, jo procesorus var saturēt arī citas datora sastāvdaļas, piemēram, video karte. Šo procesoru uzdevums ir daļēji atvieglot centrālā procesora uzdevumus no specifisko ievades/izvades uzdevumu veikšanas.

Centrālais procesors ir arī personālā datora sastāvdaļa, kas veic datu apstrādi un ļauj datoram darboties. Dažkārt to dēvē par datora "smadzenēm". Datu apstrādes gaitā procesors veic instrukciju interpretāciju un vada citu datora bloku darbību. To parasti dzesē ar siltuma novadošu radiatoru un ventilatoru. Procesors tieši ietekmē datora ātrdarbību. Centrālā procesora veiktspēja ir atkarīga gan no tā tipa, gan takts frekvences, kuru mēra hercos.

Centrālā procesora darbība, neskatoties uz to fizisko formu, ir izpildīt uzkrāto instrukciju secību, kuru sauc par programmu. Programma ir skaitļu sērija, kura tiek turēta kādā datora atmiņas ierīcē. Ir četri soļi, kurus lieto gandrīz visi centrālie procesori to darbībā: saņemt, atšifrēt, izpildīt un atbildēt.

Vēsture

EDVAC, viens no pirmajiem datoriem.

Centrālais procesors ir kā mašīna, kas var izpildīt datora programmas. Šī definīcija varētu tikt attiecināta uz daudziem agrāko paaudžu datoriem, kuri pastāvēja ilgi pirms termina "centrālais procesors" plašākas izplatības. Pats termins un tā iniciāļi (CPU — angļu: Central Processing Unit) tiek lietoti datoru rūpniecībā jau kopš 1960. gadu sākuma. Salīdzinājumā ar pirmsākumiem, forma, konstrukcija un centrālā procesora jauda ir dramatiski mainījusies, bet būtiskākās pamatdarbības ir saglabājušās nemainīgas. Agrāk centrālais procesors bija pamatkonstrukcija — kā daļa no lielāka datora. Standartizācija tendence sāka atsevišķu tranzistoru lieldatoru un personāldatoru ērā un ātri paātrināja mikroshēmu popularizēšanu. Zinātnes un tehnikas straujā attīstība pavēra aizvien plašākas iespējas centrālo procesoru attīstībā. Miniaturizācija un standartizācija ir palielinājusi šo ciparu ierīču klātbūtni modernā pasaulē tālu ārpus skaitļošanas mašīnām. Moderni mikroprocesori ir sastopami it visur — no automašīnām un mobilajiem telefoniem, līdz pat bērnu rotaļlietām.

Attīstības vēstures nozīmīgākie notikumi

• 1971 — mikroprocesoru attīstības sākums. Kompānija Intel izlaida pirmo mikroprocesoru Intel 4004. Procesoram bija 2300 tranzistori. Tā takts frekvence bija tikai 108 kHz, tas veica 60 000 darbību sekundē. Šo procesoru izmantoja mikrokalkulatoru ražošanā.
• 1972 — tika izlaists pasaulē pirmais 8 bitu procesors Intel 8008. Tā takts frekvence bija jau 200 kHz un procesoram bija 3500 tranzistori. Intel 8008 veica 60 000 darbību sekundē. Uz šī procesora bāzes 1973. gadā tika izveidots pasaulē pirmais personālais dators Micral.
• 1974 — kompānija Intel izlaida 8 bitu procesoru 8080. Tam bija 6000 tranzistori, takts frekvence pieauga līdz pat 2 MHz un tas veica 640 000 darbību sekundē. Tam varēja pievienot 64 kilobaitu lielu operatīvo atmiņu. Uz šī procesora bāzes tika izveidots viens no pirmajiem personālajiem datoriem ar iebūvētu programmēšanas valodu — Altair 8800.
• 1976 — kompānija Zilog izlaida 8 bitu procesoru Z-80 (2,5 MHz). Uz šī procesora bāzes tikai Krievijā vien 1990. gados bija salikti daži miljoni Sinclair sistēmas personālo datoru.
• 1978 — kompānija Intel izlaida 16 bitu procesoru Intel 8086. Tā takts frekvence bija 4,77 MHz. Šim procesoram varēja pievienot 1 MB lielu operatīvo atmiņu, tam bija 29 000 tranzistori un tas veica 330 000 darbību sekundē. Nākamie modeļi strādāja ar 8 MHz (660 000 darbību sekundē) un 10 MHz (750 000 darbību sekundē).
• 1979:
  • Kompānija Motorola izlaida savu 16 bitu procesoru Motorola 68 000. Šie procesori kļuva par pamatu Macintosh datoriem.
  • Tika izlaists Intel 8088 procesors.
• 1982 — tiek izlaists 80286 procesors (16 bitu, 6 MHz, 134 000 tranzistoru, 16 MB RAM). Procesors varēja veikt 900 000 darbību sekundē. Nākamo modeļu takts frekvence bija jau 10 MHz (1,5 miljoni darbību sekundē) un 12 MHz (2,66 miljoni darbību sekundē).
• 1984 — kompānija Motorola izlaida savu pirmo 32 bitu procesoru Motorola 68020.
• 1985 — pirmais 32 bitu procesors x86 sērijā — 80386DX. Tas bija 32 bitu, 275 000 tranzistoru, un tam bija 16 MHz takts frekvence. Procesoram bija iespējams pievienot pat 4 GB operatīvo atmiņu. Nākamie modeļi strādāja ar 25, 33 un 40 MHz takts frekvenci.
• 1989 — tika izlaists Intel 80486DX mikroprocesors. Tajā apvienoti Intel 80386DX un 80387 procesori un pievienota kešatmiņa. Procesora takts frekvence bija 25 MHz un tam bija 1,2 miljoni tranzistoru. Nākamās versijas 486DX2 un 486DX4 strādāja ar 40 MHz takts frekvenci. Procesors varēja veikt 20 miljonus operāciju sekundē.
• 1993 — tika izlaisti Pentium 60 procesori (100 miljoni darbību sekundē) un Pentium 66 (112 miljoni darbību sekundē). Procesoriem bija 3,1 miljons tranzistoru un tiem varēja pievienot 4 GB operatīvās atmiņas.
• 1994 — Intel Pentium procesoru otrā paaudze — Pentium 75, 90 un 100. Darba spriegums samazināts no 5 V uz 3,3 V.
• 1995:
  • Modeļi Intel Pentium 120 un 133 (3,2 miljoni tranzistoru un 220 miljoni darbību sekundē).
  • Jaunas paaudzes procesors Intel Pentium Pro ar 150 MHz takts frekvenci. Tam bija 5,5 miljoni tranzistoru. Nākamie modeļi bija jau ar 166, 180 un 200 MHz takts frekvenci.
• 1996 — Intel Pentium 150, 166 un 200 modeļi.
• 1997:
  • Intel Pentium MMX procesori. To takts frekvence ir 166, 200 un 233 MHz.
  • Intel Pentium II procesori. Takts frekvences - 233, 266 un 300 MHz.
• 1998 — Intel Pentium II procesori ar 350 un 400 MHz takts frekvenci.
• 2000:
  • AMD paziņoja par x86-64 izlaišanu uz x86 mikroarhitektūras bāzes.
  • Intel Netburst, kas kļuva par pamatu visām Pentium 4 versijām un vēlāk pakāpās par labu Core arhitektūrai.
• 2002 — Pentium 4 ar Hyper-Threading tehnoloģijas atbalstu.
• 2003 — Intel Pentium M.
• 2005 — AMD paziņoja par Athlon 64 X2, pirmo x86 divkodolu procesora izlaišanu.
• 2008 — aptuveni 10 miljardi centrālo procesoru tika saražoti 2008. gadā.
• 2010 - Intel paziņo par Core i3, i5 un i7 procesoru izlaišanu.
• 2011 - AMD paziņo par pirmo 8 kodolu centrālo procesoru, kas paredzēts galddatoriem, izlaišanu.
• 2017 - AMD paziņo par Ryzen sērija procesoriem, kas balstīti Zen arhitektūrā.
• 2020 - Apple paziņo par M1 procesoru izlaišanu, kas balstīti uz ARM arhitektūrā.

Centrālā procesora galvenās sastāvdaļas

• Vadības bloks (angļu: Control Unit — CU) atkodē no atmiņas saņemtās komandas un formē to izpildei nepieciešamos vadības signālus, kā arī atkarībā no loģisko komandu rezultātiem realizē vadības maiņu (izpilda to vai citu komandu).
• Aritmētiski loģiskā ierīce (angļu: Aritmetic Logic Unit — ALU) izpilda aritmētiskās (saskaitīšana, atņemšana, reizināšana, dalīšana), loģiskās (skaitļu salīdzināšanu) un citas datu apstrādes operācijas.
• Reģistru bloks, kas satur reģistrus — maza apjoma, ātrdarbīgu atmiņu, kas paredzēta datu īslaicīgai glabāšanai. Universālos reģistrus izmanto starprezultātu glabāšanai, bet atmiņas reģistros esošos datus — datu vai komandas adreses veidošanai. Procesors satur arī specializētus reģistrus, kas ir paredzēti konkrētai informācijai, piemēram, komandas koda vai nākamās izpildāmās komandas adresei.
• Kešatmiņa, kura tiek izmantota komandu, datu un starprezultātu glabāšanai. Šādas atmiņas izmantošana uzlabo procesora ātrdarbību, jo datu nolasīšanai vai ierakstīšanai brīvpiekļuves atmiņā, salīdzinot ar kešatmiņu ir nepieciešams ilgāks laiks.

Raksturojošie lielumi

Svarīgākie centrālo procesoru raksturojošie lielumi ir takts frekvence, konveijera dziļums, kešatmiņas apjoms, tranzistoru izmērs, kristālvirsmas izmērs, ligzdas tips un atbalstītās tehnoloģijas.

Takts frekvence

Intel 80486DX2 procesors.

Izpildot algoritmus, procesors veic milzīgu skaitu vienkāršu soļu. Šos soļus sauc par taktīm, un to skaitu, ko procesors spēj izpildīt vienā sekundē, sauc par procesora takts frekvenci. Procesora takts frekvence tiek mērīta megahercos (MHz), agrāk takta frekvenci mērīja kilohercos (1KHz = 1000Hz), bet mūsdienās tā tiek mērīta megahercos (1MHz = 1000KHz), bet bieži tā tiek izteikta gigahercos (1GHz = 1000MHz). Mūsdienās takts frekvences lielums procesoros sasniedz 4000 MHz un vairāk. Jo skaitlis ir lielāks, jo procesors ir ātrāks, tomēr procesora takts frekvence nav tā ātrdarbības galīgais rādītājs, vēl ir jāņem vērā, kādu skaitu komandu procesors spēj izpildīt vienā taktī un lai to izdarītu, tika ieviesta mērvienība, ar kuru var mērīt procesora ātrdarbību. Šo mērvienību sauc MIPS (angļu: Millions of Instructions Per Second — miljons instrukciju sekundē). Takts frekvence ir viena no noteicošajiem rādītājiem, kas ietekmē procesora ātrdarbību, tomēr svarīgākais ir pareiza proporcija visos procesora raksturlielumos, kā arī to var ietekmēt procesora tips, atmiņas apjoms un pat mātes plates veids. Jāņem vērā, ka dažādu tipu procesoru ātrdarbība pie vienas un tās pašas frekvences var ļoti atšķirties. Katrs procesors ir konstruēts un ražots darbam pie noteiktas frekvences, kuras pārsniegšana var izraisīt procesora darbības traucējumus un tā mūža saīsināšanos. Svarīgi ievērot, ka frekvence, ar kuru strādā pats procesors, saukta par iekšējo frekvenci, tiek realizēta tikai pašā procesorā un nosaka tikai paša procesora ātrdarbību. Datu apmaiņa ar pamatplati notiek ar ārējo frekfenci, kura parasti ir robežās no 60—800 MHz. Iekšējo frekvenci veido ārējā ar reizinātāju 1,5—4.

Intel procesoriem un AMD K6 procesoriem skaitlis pēc nosaukuma norāda iekšējo frekvenci, piemēram, Pentium III 800 MHz. AMD K5, AMD Althon, AMD Duron un Cyrix procesoriem nosaukumā neuzdod reālo frekvenci, bet gan uzdod salīdzinājumā ar Intel Pentium frekvenci. Piemēram, AMD Athlon XP 2100+ strādā ar 1733 MHz frekvenci, Cyrix 6x — P200+ strādā ar 150MHz frekvenci. Tomēr šie procesora ražīguma salīdzinājumi nav korekti.

Centrālā procesora takts frekvence parasti ir noteikta pēc kristāla ģeneratora frekvences. Pirmais komerciālais personālais dators "Altair 8800" izmantoja Intel 8080 CPU ar takts frekvenci 2 MHz (2 miljoni darbības sekundē). Sākotnējam IBM personālajam datoram (1981. gads) takts frekvence bija 4,77 MHz (4 772 727 darbības sekundē). 1995. gadā, Intel Pentium plate darbojās 100 MHz (100 miljoni darbības sekundē), bet 2002. gadā, Intel Pentium 4 bija pirmais centrālais procesors ar takts frekvenci 3 GHz (trīs miljardi darbības sekundē).

Modifikācijas

Jebkuram centrālajam procesoram, aizvietojot kristālu ar citu kristālu, kura frekvence ir uz pusi mazāka (angļu: underclocking), tā izpildījuma īpašības samazināsies uz pusi. Tas arī liek procesoram izdalīt uz pusi mazāk siltuma. Turpretīm ir lietotāji, kas mēģina palielināt centrālā procesora izpildījuma gaitu aizstājot kristāla ģeneratoru ar augstākas frekvences kristālu (angļu: overclocking). Tomēr, pastāv risks sastapties ar kādu no 2 takts frekvences robežām:

• Pēc katra takts impulsa, signāls "apstājas" centrālajā procesorā, jo vajadzīgs laiks, lai "nomierinātos" jaunam stāvoklim. Ja nākamie takts impulsi ienāk pārāk agri, iekams signāli vēl nav "nomierinājušies" (pirms katrs signāls ir beidzis pāreju no 0 uz 1, vai no 1 uz 0), rezultāti būs nepareizi. Kristāla ražotāji publicē "maksimālās takts frekvences" specifikācijas, un viņi testē kristālus pirms tos izlaist tirdzniecībā, lai pārliecinātos, ka tie atbilst specifikācijai, pat izpildot vissarežģītākās instrukcijas ar datu paraugiem, kas aizņem vislielāko slodzi (pārbaudot kādā temperatūrā un spriegumā darbojas ar viszemāko izpildes gaitu).
• Daļa enerģijas iet zudumā kā siltums (galvenokārt iekšējiem pārejas tranzistoriem), kad signāla pozīcija veic pāreju no 0 uz 1 stāvokli vai otrādi. Kad jāizpilda sarežģītas instrukcijas, kas rada ļoti daudz pārejas stāvokļu, augstākā takts frekvencē rodas daudz siltuma. Ja elektroenerģija tiek pārvērsta siltumā ātrāk nekā attiecīgā datora dzesēšanas sistēma var atbrīvoties no tā, tad tranzistori var pietiekami sakarst, lai tie izietu no ierindas.

Konveijera dziļums

Konveijera dziļums parāda, cik procesi var tikt vienlaicīgi apstrādāti, protams, katrs savā gatavības formā. Pārāk dziļš konveijers ir par lielu un daudzas taktis tiek laistas pa tukšo (ja programmā ir sazarojums, konvejieru nākas iztukšot (pabeigt visus iesāktos procesus) un ja konveijers ir garāks, stipri sazarotām programmām tas ir neefektīvāks). Intel izrāda savu varu, ieliekot 32 konvejiera rindas, bet patiesībā tas ir absolūti lieki un palēnina citus procesus. AMD ar savām 14 rindām ir nošāvuši divus zaķus ar vienu šāvienu - konvejieris nestāv tukšs un tiek atvēlēta vieta svarīgākām lietām, kā, piemēram, L1.

Kešatmiņa

L1 ir kešatmiņa, kas noder, lai ātri piegādātu atkārtoti nepieciešamo informāciju. Nav daudz, ko teikt - jo vairāk, jo labāk. L1 ir pirmā līmeņa kešatmiņa, kas parasti strādā ar procesora kodola frekvenci, L2 ir otrā līmeņa kešatmiņa, un tā var būt lēnāka.

Skatīt arī

• Dators
• Divkodolu procesors
• Līdzprocesors
• Personālā datora aparatūra

Ārējās saites

• Centrālā procesora pamatraksturojums
• Great moments in microprocessor history IBM.com (angliski)

Procesoru ražotāju mājaslapas

• Advanced Micro Devices
• Intel Semiconductor
• IBM Microelectronics Arhivēts 2007. gada 29. augustā, Wayback Machine vietnē.
• AMCC
• Freescale (agrāk Motorolas kompānija)
• ARM
• MIPS Technologies
• TI Semiconductors^{[novecojusi saite]}
• http://www.tomshardware.com/
• http://www.anandtech.com/
• Informācija par procesoru uzbūvi