Procesor

Procesor (CPU – Central Processing Unit) je základní součástí počítače. Pokud bychom přirovnali počítač např. k automobilu, postavení procesoru by odpovídalo motoru. Někdy bývá také přirovnáván k "srdci" nebo "mozku" počítače. Procesor čte z paměti strojové instrukce a na jejich základě vykonává program. Protože procesor, který by vykonával program zapsaný v nějakém vyšším programovacím jazyku by byl příliš složitý, má každý procesor svůj vlastní jazyk - tzv. strojový kód, který se podle typu procesoru skládá z jednodušších nebo složitějších strojových instrukcí. Pod pojmem procesor se dnes téměř vždy skrývá elektronický integrovaný obvod, i když na samých počátcích počítačové éry byly realizovány procesory i elektromechanicky. Zpravidla se nachází na základní desce počítače. Rodina procesorů, které zpracovávají stejný strojový kód tvoří specifickou architekturu procesoru.

Procesory prvních počítačů se skládaly z obvodů obsahujících množství tzv. diskrétních součástek - elektronek nebo tranzistorů, rezistorů a kondenzátorů. Takový procesor obvykle zabíral velkou skříň, nebo i několik skříní. Teprve počátkem 70. let 20. století se s nástupem integrovaných obvodů začaly procesory miniaturizovat. Nejprve byly procesory stavěny z procesorových řezů - procesor byl pak složen z několika desítek nebo stovek integrovaných obvodů. Když se podařilo umístit základní obvody procesoru do jednoho integrovaného obvodu, vznikl mikroprocesor.

V obecnějším pojetí může být označení "procesor" použito pro jakékoli funkční jednotky schopné provádět operace s daty, například "obrazový procesor", "přenosový procesor pro styk s periferiemi", "audioprocesor", atp.

Součásti procesoru

• řadič nebo řídicí jednotka, jejíž jádro zajišťuje řízení činnosti procesoru v návaznosti na povely programu, tj. načítání strojových instrukcí, jejich dekódování (zjištění typu strojové instrukce), načítání operandů instrukcí z operační paměti a ukládání výsledků zpracování instrukcí.
• sada registrů (v řadiči) k uchování operandů a mezivýsledků. Přístup k registrům je mnohem rychlejší než přístup do rozsáhlých pamětí umístěných na externí sběrnici. Registry dělíme na obecné (pracovní, universální) a řídící (např. čítač instrukcí, stavové registry, registr vrcholu zásobníku, indexregistry). Bitová šířka pracovních registrů je jednou ze základních charakteristik procesoru.
• jedna nebo více aritmeticko logických jednotek (ALU - Arithmetic-Logic Unit), které provádí s daty příslušné aritmetické a logické operace.
• některé procesory obsahují jednu nebo několik jednotek plovoucí čárky (FPU), které provádí operace v plovoucí řádové čárce

Je třeba poznamenat, že současné procesory zpravidla obsahují mnoho dalších rozsáhlých funkčních bloků jako třeba paměť cache a různých periferií, které z ortodoxního hlediska nejsou součástí procesoru. Proto vznikl pojem „jádro procesoru“, aby bylo možné rozlišit mezi vlastním procesorem a integrovanými periferními obvody. Pro úplnost dodejme, že integrované periferie bývají většinou velmi dobře sladěny s jádrem, takže je z tohoto hlediska lze chápat jako „součást procesoru“. Vzhledem k současné vysoké integraci tak mnohde dochází k rozmazávání hranice mezi pojmem mikroprocesor a mikropočítač.

Rychlost procesoru

Frekvence práce jádra procesoru je důležitým a zásadním parametrem. Zdánlivě jde o banální záležitost, protože stačí spočítat kolik milionů či miliard instrukcí je procesor schopen vykonat za sekundu, tj. počet MIPS. Ovšem z praktického hlediska je počet MIPS např. u 8bitového procesoru PIC a u procesoru Intel Pentium zcela nesrovnatelnou veličinou, protože instrukční sady těchto procesorů jsou zásadně odlišné a na výpočet v plovoucí čárce, který udělá Pentium v jediném taktu může PIC potřebovat několik tisíc operací, zatímco jednoduché bitové operace zvládnou oba procesory v několika taktech.

Zdálo by se, že tedy alespoň srovnání výkonu v rámci jedné řady procesorů je snadné, ale není tomu vždy tak. Moderní procesory jsou totiž podstatně rychlejší než externí operační paměť, takže reálný výkon značně závisí také na rychlosti a šířce externí paměti a na velikosti a uspořádání vyrovnávacích pamětí cache uvnitř procesoru.

V této souvislosti je vhodné rovněž připomenout, že celkový výkon systému je určen výkonem procesoru pouze z jedné části. Rychlost je vždy určena úzkým místem v systému. Pokud je např. malá operační paměť, operační systém se ji pokusí nahradit odkládáním na řádově pomalejší pevný disk a chod paměťově náročných aplikací bude výrazně zpomalen. Taková situace se dá přirovnat k postupnému převážení mnoha předmětů v autě s malým kufrem - vyšší maximální rychlost ani vyšší výkon motoru nevyváží nedostatek prostoru. Rovněž vhodně navržená struktura periferií může výrazně odlehčit zátěž procesoru.

Integrovaný řadič operační paměti mají dnes všechny procesory AMD (Socket 754, Socket 939, Socket 940, Socket AM2, Socket AM2+, Socket AM3) a nová rodina procesorů Intel Core ix (postavených na jádru Nehalem).

Nejvíce zákazníky sledovaným parametrem je frekvence procesoru, která je významným faktorem jeho výkonu. Vzhledem k odlišné konstrukci výpočetních jednotek procesorů a vnitřní paměti se obtížně porovnávají výkony konkurenčních procesorů AMD a Intel podle jejich frekvence. Navíc v současné době vyrábějí oba největší výrobci jedno-dvou i čtyřjádrové(AMD i tříjádrové) procesory s poměrně velkým rozpětím frekvence. AMD u Phenom II použila frekvence okolo 3 GHz a rozdíly u modelů dané řady se někdy liší i o pouze 300 MHz.

Důležitým faktorem celkového výkonu procesoru je tedy nyní i velikost vyrovnávací paměti procesoru, která se označuje cache. Ta bývá několikaúrovňová, cache s nejrychlejším přístupem má nyní velikost 32-128 kB na jádro (Level 1 cache), další úroveň má nyní 256 kB - 8 MB na jádro (Level 2 cache), Intel má sdílenou L2 cache, AMD zase oddělenou pro každé jádro. Nakonec L3 cache má velikost 2-6 MB. Na výkon procesoru má vliv i frekvence sběrnice (Front Side Bus), kterou komunikuje procesor se zbytkem počítače prostřednictvím tak zvaného chipsetu. AMD místo Front Side Bus používá Hyper Transport a Intel u nových CPU Core i7 přešel na QuickPath. Výrobci nabízejí své prakticky identické procesory v různých typových řadách s různou dostupnou velikostí Level 2 cache a i různou frekvencí FSB.

Historie mikroprocesorů

• 1971 - Intel 4004 - první mikroprocesor - 4bitový
• 1972 - Intel 8008 - 8bitový mikroprocesor
• 1974 - Intel 8080 - 8bitový mikroprocesor, který se stal základem prvních 8bitových osobních počítačů
• 1975 - MOS Technology 6502 - 8bitový mikroprocesor, montovaný do Apple II, Commodore 64 a Atari
• 1975 - Motorola 6800 - první procesor firmy Motorola
• 1975 - AMD nastupuje na trh s řadou Am2900
• 1976 - TI TMS 9900 - 16bitový mikroprocesor
• 1976 - Zilog Z80 - 8bitový mikroprocesor, s rozšířenou instrukční sadou Intel 8080, frekvence až 10 MHz
• 1978 - Intel 8086 - 16bitový mikroprocesor, první z architektury x86
• 1978 - Intel 8088 - 16bitový mikroprocesor s 8bitovou sběrnicí, který byl použit v prvním IBM PC v roce 1981
• 1979 - Motorola 68000 - 32/16bitový mikroprocesor
• 1979 - Zilog Z8000 - 16bitový mikroprocesor
• 1980 - IBM 801 - 24bitový experimentální procesor s revoluční RISC architekturou dosahující vynikajícího výkonu
• 1980 - Intel 8051 - 8bitový mikroprocesor se základní sadou periferií pro emebedded systémy
• 1982 - Intel 80286 - 16bitový mikroprocesor
• 1983 - TMS32010 - první DSP firmy Texas Instruments
• 1985 - Intel 80386 - 32bitový mikroprocesor (měl 275 000 tranzistorů)
• 1986 - Acorn ARM - 32bitový RISC mikroprocesor, z Advanced RISC Machine, původně Acorn RISC Machine, použit i v domácích počítačích
• 1989 - Intel 80486 - 32bitový mikroprocesor s integrovaným matematickým koprocesorem
• 1989 - Sun SPARC - 32bitový RISC mikroprocesor, z Scalable (původně Sun Processor ARChitecture)
• 1992 - DEC Alpha - 64bitový RISC mikroprocesor
• 1992 - Siemens 80C166 - 16bitový mikroprocesor pro průmyslové embedded systémy s bohatou sadou periferií
• 1993 - Intel Pentium - 32bitový mikroprocesor nové generace (3,3 milionu tranzistorů)
• 1995 - Intel Pentium Pro - 32bitový mikroprocesor nové generace pro servery a pracovní stanice (5,5 milionu tranzistorů)
• 1995 - Sun UltraSPARC - 64bitový RISC mikroprocesor
• 1997 - Intel Pentium II - 32bitový mikroprocesor nové generace s novou sadou instrukcí MMX (7,5 milionu tranzistorů)
• 1997 - Sun picoJava - mikroprocesor pro zpracování Java bytekódu
• 1999 - Intel Celeron - 32bitový mikroprocesor odvozený původně od Intel Pentium II pro nejlevnější PC
• 1999 - Intel Pentium III - 32bitový mikroprocesor nové generace s novou sadou instrukcí SIMD (9,5 milionu tranzistorů)
• 2000 - Intel Pentium 4 - 32bitový mikroprocesor s řadou technologií orientovaných na dosažení vysoké frekvence
• 2001 - Intel Itanium - 64bitový mikroprocesor nové generace pro servery
• 2003 - AMD Athlon 64 - 64bitový mikroprocesor nové generace pro desktopy s instrukční sadou AMD64, zpětně kompatibilní s x86
• 2006 - Intel Core - 64bitová architektura, na které jsou postaveny procesory Core Duo, Core 2 Duo, Core Solo, Core 2 Quad
• 2007 - AMD uvádí novou řadu procesorů Phenom
• 2008 - Intel Core i7 - nová řada CPU od Intelu
• 2010 - Core i3 a Core i5. - integrovaný grafický čip

Některé současné procesory obsahují „více jader“. Více jádrový procesor je tedy integrovaný obvod obsahující několik jader procesorů, logiku sloužící k jejich vzájemnému propojení (a případně ještě další jednotky).

Dalším současným trendem je tzv. „systém na čipu“ (SoC - system on chip). Jde o integrované obvody, které obsahují kromě vlastního procesoru i další subsystémy pro zpracování grafiky, zvuku či připojení periferií (ty jsou v osobních počítačích obvykle v tzv. chipsetech nebo na samostatných kartách). „Systémy na čipu“ mohou být použity například v PDA, herních konzolích, thin-clientech, domácí elektronice, nebo v mobilních telefonech.

Moderním trendem je rovněž kombinace procesorů s programovatelnými hradlovými poli, která dovoluje maximální přizpůsobení procesoru dané aplikaci. Prakticky to může vypadat například tak, že některé typy hradlových polí obsahují procesorové bloky, z kterých lze pomocí speciálních nástrojů sestavit procesor (nebo pole procesorů) podle požadavků aplikace. Výhodou je nový stupeň flexibility při dodatečných úpravách firmware.

--Tkouba 28. 4. 2010, 17:12 (UTC)tkouba