Mi az a CPU, és mit csinál?

A számítógép legfontosabb része, ha csak egyet kellett választania, a központi processzor (CPU) lenne. Ez az elsődleges hub (vagy „agy”), és feldolgozza az utasításokat, amelyek a programok, az operációs rendszer vagy a számítógép más összetevői részéről származnak.

1 és 0

Az erősebb CPU-knak köszönhetően a számítógép képernyőjén alig képes képet megjeleníteni a Netflix, a videocsevegés, a streaming és az egyre életszerűbb videojátékok felé.

A CPU a mérnöki csoda, de lényegében mégis a bináris jelek (1 és 0) értelmezésének alapkoncepciójára támaszkodik. A különbség most az, hogy a modern CPU ahelyett, hogy lyukkártyákat olvasna vagy vákuumcsövek készleteivel feldolgozná az utasításokat, apró tranzisztorokkal hozza létre a TikTok videókat, vagy kitölti a számokat egy táblázaton.

A CPU alapjai

A CPU gyártása bonyolult. A fontos szempont az, hogy minden CPU-ban van szilícium (akár egy darab, akár több), amely több milliárd mikroszkopikus tranzisztort tartalmaz.

Amint arra korábban utaltunk, ezek a tranzisztorok elektromos jelek sorozatát (áram „be” és „áram” kikapcsolt állapotban) jelzik a gép bináris kódját, amely 1-ből és 0-ból áll. Mivel ilyen sok tranzisztor van, a CPU-k az eddiginél nagyobb sebességgel képesek egyre bonyolultabb feladatok elvégzésére.

A tranzisztorszám nem feltétlenül jelenti azt, hogy a CPU gyorsabb lesz. Ez azonban még mindig alapvető oka annak, hogy a zsebében hordott telefon sokkal nagyobb számítási erővel bír, mint talán az egész bolygó, amikor először a Holdra mentünk.

Mielőtt továbbmennénk a CPU-k fogalmi létráján, beszéljünk arról, hogy a CPU hogyan hajt végre utasításokat gépi kód alapján, az úgynevezett „utasításkészletnek”. Különböző vállalatok CPU-knak lehetnek különböző utasításkészleteik, de nem mindig.

A legtöbb Windows PC és a jelenlegi Mac processzor például az x86-64 utasításkészletet használja, függetlenül attól, hogy Intel vagy AMD processzorról van-e szó. A 2020 végén debütáló Mac-eknek azonban ARM-alapú CPU-k lesznek, amelyek más utasításkészletet használnak. Néhány ARM processzort használó Windows 10 PC is létezik.

KAPCSOLÓDÓ: Mi az a bináris, és miért használják a számítógépek?

Magok, gyorsítótárak és grafikák

Most nézzük meg magát a szilíciumot. A fenti ábra egy Intel által 2014-ben megjelent fehér könyvből származik, amely a vállalat Core i7-4770S processzor-architektúrájáról szól. Ez csak egy példa az egyik processzor kinézetére - más processzorok eltérő elrendezéssel rendelkeznek.

Láthatjuk, hogy ez egy négymagos processzor. Volt idő, amikor a CPU-nak csak egyetlen magja volt. Most, hogy több magunk van, sokkal gyorsabban feldolgozzák az utasításokat. A magok tartalmazhatnak úgynevezett hiperszálat vagy szimultán többszálas menetet (SMT), ami miatt az egyik mag kettőnek tűnik a PC számára. Ez, amint elképzelheti, még jobban felgyorsítja a feldolgozási időt.

Az ábrán látható magok megosztják az úgynevezett L3 gyorsítótárat. Ez a processzoron belüli beépített memória egy formája. A CPU-k mindegyik magjában vannak L1 és L2 gyorsítótárak, valamint regiszterek is, amelyek az alacsony szintű memória egyik formája. Ha meg szeretné érteni a nyilvántartások, a gyorsítótárak és a rendszer RAM közötti különbségeket, nézze meg ezt a választ a StackExchange-on.

A fent bemutatott CPU tartalmazza a rendszerügynököt, a memória vezérlőt és a szilícium egyéb részeit is, amelyek a CPU-ba érkező és onnan kilépő információkat kezelik.

Végül ott van a processzor beépített grafikája, amely azokat a csodálatos látványelemeket generálja, amelyeket a képernyőn lát. Nem minden CPU tartalmazza a saját grafikus képességeit. Az AMD Zen asztali CPU-khoz például diszkrét grafikus kártya szükséges ahhoz, hogy bármi megjelenjen a képernyőn. Néhány Intel Core asztali CPU szintén nem tartalmaz beépített grafikát.

A CPU az alaplapon

Most, hogy megnéztük, mi folyik a CPU burkolata alatt, nézzük meg, hogyan integrálódik a számítógép többi részével. A CPU a számítógép alaplapjának úgynevezett foglalatában helyezkedik el.

Miután a foglalatba került, a számítógép más részei úgynevezett „buszokon” keresztül csatlakozhatnak a CPU-hoz. Például a RAM a saját buszán keresztül csatlakozik a CPU-hoz, míg számos PC-komponens egy adott típusú buszt használ, úgynevezett „PCIe” -t.

Minden CPU-nak van egy sor „PCIe sávja”, amelyet használhat. Az AMD Zen 2 processzorainak például 24 sávja van, amelyek közvetlenül csatlakoznak a CPU-hoz. Ezeket a sávokat az alaplapgyártók az AMD útmutatásával elosztják.

Például 16 sávot használnak egy x16-os grafikus kártya foglalathoz. Ezután négy sáv áll rendelkezésre a tároláshoz, például egy gyors tároló eszköz, például egy M.2 SSD. Alternatív megoldásként ez a négy sáv is felosztható. Két sáv használható az M.2 SSD-hez, kettő pedig egy lassabb SATA meghajtóhoz, például egy merevlemezhez vagy 2,5 hüvelykes SSD-hez.

Ez 20 sáv, a másik négy pedig a chipset számára van fenntartva, amely az alaplap kommunikációs központja és forgalomirányítója. Ezután a chipset saját buszcsatlakozással rendelkezik, amely lehetővé teszi még több komponens hozzáadását a PC-hez. Ahogy várható volt, a nagyobb teljesítményű komponensek közvetlenebb kapcsolatot mutatnak a CPU-val.

Mint látható, a CPU végzi az utasítások nagy részét, és néha még a grafika is működik (ha erre épül). A CPU azonban nem az egyetlen módja az utasítások feldolgozásának. Más alkatrészek, például a grafikus kártya, saját beépített feldolgozási képességekkel rendelkeznek. A GPU emellett saját feldolgozási képességeit használja a CPU-val való együttműködéshez, játékok futtatásához vagy egyéb grafikailag intenzív feladatok végrehajtásához.

A nagy különbség abban rejlik, hogy a komponens processzorok speciális feladatokat szem előtt tartva készülnek. A CPU azonban általános célú eszköz, amely bármilyen számítási feladatot képes végrehajtani, amelyre kérték. Ezért a CPU uralkodik a számítógép belsejében, és a rendszer többi része a működésére támaszkodik.