A számítógép részei

Processzor (CPU - Central Processing Unit)

A központi feldolgozó egység a számítógép azon egysége, amely az utasítások értelmezését és végrehajtását vezérli.

Intel Core-i3

AMD Athlon

Felépítése

A mikroprocesszor egy vagy több szilícium kristályra integrált, többmillió tranzisztort tartalmazó integrált áramkör, amelyben további részegységek különíthetők el. Rendelkezik az adatok ki- és beviteléhez szükséges sínrendszerrel, és rendelkezik egy utasításkészlettel, amelynek utasításait képes végrehajtani.
A processzor a számítógép „agya”.
A CPU-nak, memóriának és alaplapnak összhangban kell lennie.

Feladata

• A számítógép működésének vezérlése,
• a perifériákkal való kapcsolattartás,
• matematikai és logikai műveletek végzése,
• a táron belüli adatáramlás lebonyolítása,
• az adatforgalom lebonyolítása a perifériákkal.

A bemeneti eszközök segítségével kódolt információkat feldolgozza, majd az eredményt a kimeneti eszközök felé továbbítja, melyek ezeket az adatokat információvá alakítják vissza.

A számítógépek nagyon bonyolult feladatokat is végre tudnak hajtani, ha azok olyan egyszerű lépések sorozatára vannak bontva, melyeket a számítógép értelmezni tud.

Részei

CU (Control Unit) – Vezérlőegység

A vezérlőmű szervezi, ütemezi a processzor egész munkáját, látja el az utasítások megfelelő sorrendű végrehajtását (címszámítási mechanizmus), az utasítások kiválasztását, valamint a külső várt és nem várt eseményekre való reagálást.

A gép irányításáért, a folyamatok vezérléséért felelős, a memóriában tárolt program dekódolását és végrehajtását végzi. Pl.: Lehívja a memóriából a soron következő utasítást, értelmezi és végrehajtja azt, majd meghatározza a következő utasítás címét.

ALU (Arithmetical and Logical Unit) – Aritmetikai és Logikai Egység

Az aritmetikai egység végzi el az utasításokban kijelölt műveleteket a processzorban elhelyezett regisztereken keresztül, ez a processzor számológépe, alapvető matematikai és logikai műveleteket hajt végre.

Az adatok feldolgozásáért felelős, képes a megszokott aritmetikai és logikai műveletek elvégzésére, valamint a relációk kiértékelésére, ill. összetettebb típusok esetén a lebegőpontos műveletek elvégzésére is.

Az ALU alapműveletként többnyire az összeadást, kivonást, az ÉS és a VAGY műveleteket tudja elvégezni. A szorzást és az osztást összeadások illetve kivonások segítségével valósítja meg.

Co-Processzor (Társprocesszor) az ALU működését gyorsítja. FPU (Floating Point Unit) – Lebegőpontos Műveleteket végző Egység. A PC-kben található főprocesszorok csak egész számokkal tudnak számolni, a lebegőpontos műveleteket programokkal valósítják meg, s ez lényegesen lassabb, mint a hardveres megoldás.

A számítási műveletek gyorsítására egy segédprocesszort, úgynevezett co-processzort alkalmaznak. Ezeket elsősorban a lebegőpontosan ábrázolt számok feldolgozására fejlesztették ki. Ma már minden processzor tartalmaz társprocesszort.

Register (Regiszter)

A regiszterek a processzorok belsejében található, névvel rendelkező belső tároló elemei. A programállapot és az adatok átmeneti tárolására szolgálnak.

Speciális célra lefoglalt, gyorsan címezhető memóriaterületek (néhány byte vagy szó nagyságú memóriahely, melyeknek nincs címük).

Részt vesznek a címek képzésében, állapotokat tárolhatnak. A regiszterek a belső sínrendszeren keresztül tartanak kapcsolatot a processzor más részeivel.

A processzor adatbuszai mindig akkorák, amekkora a regiszterek mérete, így egyszerre tudja az adatokat betölteni. Pl. egy 32 bites regisztert egy 32 bites busz kapcsol össze a RAM-mal.

Cache (Gyorsítótár)

A modern processzorok fontos része a gyorsítótár.

A cache a processzorba, vagy a processzor környezetébe integrált memória, ami a viszonylag lassú rendszermemória elérést hivatott kiváltani. Azokat a programrészeket és adatokat beolvassa, amikre a végrehajtásnak közvetlenül szüksége lehet.

A mai PC processzorok két gyorsítótárt használnak. L1 – kisebb és gyorsabb elérésű, L2 – nagyobb, de lassabb.

Működése

CPU működése

Az utasítás beolvasása a memóriából a processzorba: A memória címtárólójából, az AR-ból (address register - címregiszter) kerül át a processzor címtárolójába az IP-be (instruction pointer). Ezek után a memória adattároló regiszteréből, a DR-ből (data register - adatregiszter) kerülnek át az adatok a processzor adattárolójába, az IR-be (instruction register).

A beolvasott utasítás dekódolása, elemzése: Az ALU az utasítás kódját értelmezi, melyből kiderül, milyen műveletet kell elvégeznie, és hogy mennyi adatot kell beolvasni még ahhoz, hogy meghatározhatóak legyenek az operandusok, amelyeken a műveleteket végzi.

Az operandusok beolvasása: Kiolvasásra kerülnek a memóriából az operandusok címei (ha ez szükséges), illetve maguk az operandusok. Ezek kétfélék lehetnek, vagy a memóriában vannak (és akkor onnan ki kell olvasni őket) vagy regiszterek és akkor már a processzorban tartózkodnak. Az ALU két segédregisztere szolgál arra, hogy a kiolvasott operandusokat tárolja (LR1 és LR2, latch - segédregiszter). Általában az ALU maximum kétoperandusú műveleteket képes végrehajtani.

A művelet végrehajtása, mely eredménye az LR3 segédregiszterbe kerül.

Eredmény tárolása: az LR3 segédregiszterből vagy egy másik regiszterbe, vagy a DR-en keresztül a memóriacímre kerül.

A következő utasítás címének meghatározása: A szekvenciális program esetében az IP értékének megnövelésével jut el az ALU a következő utasítás címéhez. Ellenkező esetben egy regiszter tartalmazza a következő utasítás címét, melyet a processzor az IP-be ír.

A belső busz szolgál arra, hogy a processzoron belül adatok áramoljanak rajta az egyik helyről a másikra.

A flag-ek (jelzők) olyan speciális, 1 bites regiszterek, amelyek a processzor működését befolyásolják illetve állapotát mutatják.

Az SP (stack pointer - verem mutató) regiszter az eljáráshívások és az eljárásokból való visszatérések során játszik jelentős szerepet.

A processzor jellemzői

Sebesség

A végrehajtott utasítások száma másodpercenként (IPS = Instruction Per Second). A számítógépnél az egy másodperc alatti órajelek számától függ a gép sebessége.

Órajel frekvencia (MHz, GHz)

Az óra az egész számítógép működéséhez szükséges ütemet biztosítja. Az óra magába foglal egy kvarckristályt, mely az órajel előállításához szükséges rezgést adja.

A processzor részegységei az órajel ütemére végzik feladataikat. Mikor egy részegység megkapja az órajelet egy elektronikus jel formájában, akkor elvégzi a soron következő műveletet.

Az egyes gépi utasítások végrehajtása az órajel hatására történik. Az órajelre a vezérlő egység megkezdi a következő utasítás végrehajtását. Az utasításnak a ciklusidőn belül be kell fejeződnie, hiszen az újabb órajel hatására megkezdődik a következő utasítás végrehajtása.

Egy utasítás végrehajtása több órajel-ciklust is igénybe vehet. Az órajel a vezérlőbuszokon keresztül jut el az egyes egységekhez.

Adat-, címbusz szélessége (bit)

A számítógép belső vezérlő áramköreit a busz köti össze. A busz az alaplapon lévő, közösen használt vezetékrendszer, melyre rácsatlakoznak a számítógép vezérlő, irányító egységei.

Címbusz:

A címbusz továbbítja az operatív tár és a buszra csatlakozó berendezések címét. A címbusz szélességétől függ, hogy mekkora nagyságú területet tudunk megcímezni.

Mivel minden címvezetékben kétféle információ lehet, így a 2 megfelelő hatványa adja a címezhető terület maximumát.

20 címvezeték esetén: 2²⁰=1 MB = 1024 KB = 1048576 byte;
24 címvezeték esetén: 2²⁴=16 MB = 16384 KB = 16777216 byte;
32 címvezeték esetén: 2³²=4 GB = 4096 MB = 4194304 KB = 4294967296 byte.

Adatbusz:

A címbusszal együtt működik, feladata, hogy adatokat továbbítson a számítógépen belül.

Ha a busz 8 bites, azt jelenti, hogy egyidejűleg 1 byte továbbítására képes. 16 bites adatbusz esetén az adatokat 16 szavas egységekben tudjuk továbbítani.

Az adatbusz szélessége a számítógép működési sebességének meghatározó része.

Szóhosszúság

A szóhossz azt fejezi ki, hogy a CPU mekkora számokkal képes műveleteket végezni (hány bitet tud egyszerre kezelni). Mivel a számítógép a kettes számrendszerben dolgozik, ezt bitekben (kettes számrendszerbeli helyi értékek) számában fejezzük ki.

Pl. egy 32 bites processzor, egyidejűleg 32 bit információ feldolgozására alkalmas.

Utasításkészlet

Az utasítások nem önmagukban álló teendők, hanem műveletek a hozzájuk tartozó adatokkal. Az adatok meghatározásának módjait nevezzük címzési módoknak (addressing modes).

Az egyes processzorok esetében az alkalmazható utasítások halmazát az adott processzor utasításkészletének nevezzük. Egy processzor utasításkészlete gépi kódú (elemi) utasítások összessége, melyek végrehajtására a processzor hardver szinten alkalmas. Ez azt jelenti, hogy az utasítások megvalósítása vagy áramköri szinten valósul meg, vagy a gépben tárolt vezérlő mikroprogram segítségével.

A számítástechnika fejlődése folyamán a processzorok tervezésében két fő irányvonal alakult ki.

A processzor által ismert műveletek és utasítások összességét értjük a processzor utasításkészlete alatt. Legelőször a RISC (Reduced Instructions Set Computer) utasításkészletet használták, ez leegyszerűsített, rövid utasításokat tartalmazott. Elsődlegesnek tekintette a sebességet, és az egyszerűséget. Később a CISC-et (Complex Instructions Set Computer) alkalmazták, ez már több, hosszabb utasítást tartalmazott, ám a túl sok, bonyolult utasítás nem bizonyult célravezetőnek, ezért visszatértek a RISC-hez.

Ma már rengeteg utasításkészlet van, melyben keverednek a RISC, és a CISC irányelvei.

Tokozás

Tokozáson a processzor külső burkát, érintkezőinek kialakítását értjük.

A legtöbb foglalat ZIF (Zero Insertion Force) kialakítású, ami azt jelenti hogy a processzor behelyezéséhez nem szükséges semennyi fizikai erőt kifejteni, a CPU könnyen megy a foglalatba ahol egy kar lehajtásával tudjuk azt rögzíteni.

Három elterjedt fajtája van:

LGA (Land Grid Array)-tokozás: a tűsor az alaplapon helyezkedik el, míg a processzoron csak úgynevezett érintőpadok találhatóak.
PGA (Pin Grid Array)-tokozás: itt a csatlakozók a négyzet alakú tok alján helyezkednek el. (CPGA - kerámiatok, PPGA - műanyag tok)
SECC (Single Edge Contact Cartridge )-tokozás: a tok inkább egy kazettára hasonlít, az érintkezők (tűk) az alján vannak.

LGA és PGA socket

SECC tokozású processzor és Slot-1 foglalat