Mikroprocesori (Central processing unit)

Hardver PC računara » Mikroprocesori

Osnovni element svakog računara je mikroprocesor ili centralna procesorska jedinica (Central Processing Unit – CPU).

Mikroprocesor je realizovan u vidu jednog integrisanog kola i u njemu se obavlja najveći broj operacija tokom rada računara.
Te operacije se obavljaju koristeći podesno uređen skup komandi (instrukcija), odnosno program (software).
Mikroprocesor se u principu može podeliti na četiri glavna elementa, koja su šematski prikazana na sledećoj slici.

cpu1.jpg

Ti elementi su:

  • Adresna jedinica (Address Unit) koja ima zadatak da upravlja pristupom memoriji i njenom zaštitom. Na primer ona proverava da li je dozvoljen pristup određenoj zoni memorije, što može da bude izuzetno značajno u multitasking okruženjima.
  • Jedinica magistrala ili ulazno izlazna jedinica (BUS Unit) predstavlja mesto preko koga se mikroprocesor povezuje sa spoljašnjim svetom, to jest prima i šalje podatke. Ova jedinica takođe pristupa instrukcijama koje se nalaze u memoriji.
  • Instrukcijska jedinica (Istruction Unit) prihvata instrukcije koje dolaze iz jedinice magistrala i dekoduje ih (prepoznaje ih), pa ih u odgovarajućem formatu šalje u izvršnu jedinicu.
  • Izvršna jedinica (Execution Unit) je srce mikroprocesora.Ona se, kao što se sa slike vidi, sastoji od tri glavna dela:
    • Aritmetička i logička jedinica (ALU - Arithmetic and Logical Unit ). U ovoj jedinici se obavljaju peracije koje su zadane instrukcijom.
    • Skup registara. Uloga registara je da privremeno sačuva podatke koji su potrebni da bi se obavila zadata instrukcija. Broj registara, njhova vrsta i veličina (broj bitova) je različita kod različitih mikroprocesora. Veličina registara određuje bitnost procesora. Kada se kaže da je, na primer, Pentijum procesor 32-bitni, to znači da njegovi registri imaju veličinu od 32 bita.
    • Mikrokod je blok u kome se nalazi skup instrukcija i tabela na osnovnom nivou koje kontrolišu i određuju rad samog mikroprocesora.

Magistrale

Mikroprocesori komuniciraju sa spoljašnjim svetom preko grupa električnih signala, koje se nazivaju magistralama.

Magistrala je grupa električnih signala koji prenose istu vrstu informacija, na primer adrese, podatke i tako dalje.

Uopšteno rečeno, postoje nekoliko magistrala kod mikroprocesora, i to:

  • Adresna magistrala, koja definiše memorijsku lokaciju kojoj procesor treba da pristupi.
  • Magistrala podataka se koristi za predaju i prijem podataka (za očitavanje sadržaja memorije ili za upisivanje rezultata operacije). Današnji Intel Pentijum i AMD Athlon procesori imaju 64-bitnu magistralu podataka, što opet ne znači da su oni 64-bitni, već pošto su im registri širine 32 bita, oni su 32-bitni.
  • Kontrolna magistrala definiše vrstu pristupa i smer prenosa podataka (R/W očitavanje/upis). Ova magistrala takođe omogućava periferijskim uređajima da komuniciraju sa mikroprocesorom. Koristeći kontrolnu magistralu, periferijski uređaji mogu da prekinu trenutni posao mikroprocesora i da ga angažuju za svoje potrebe.

Na primer, prilikom svakog pritiska na bilo koji taster na tastaturi, kontroler tastature preko kontrolne magistrale zaustavlja rad mikroprocesora i predaje mu kod pritisnutog tastera. Kada mikroprocesor prihvati taj kod i obradi ga, on se vraća svom prethodnom poslu.
Određena linija kontrolne magistrale takođe definiše da li mikroprocesor pristupa memoriji ili ulazno/izlaznim uređajima (M)/(I/O).
Kada mikroprocesor pristupa memoriji, READY linija kontrolne magistrale označava kada su podaci spremni na magistrali za ciklus očitavanja ili upisivanja.
Preko ove magistrale se dovode i takt impulsi koji određuju i trajanje svake operacije koja se izvodi u mikroprocesoru, a time i brzinu rada samog mikroprocesora.

Da bi se sagledao način funkcionisanja mikroprocesora, potrebno je objasniti kako se informacije prenose u mikroprocesor i iz mikroprocesora.
Naravno da se informacije kreću preko odgovarajućih magistrala.

Kada mikroprocesor treba da zatraži neku instrukciju, adresna jedinica postavi na adresnu magistralu adresu na kojoj se nalazi potrebna instrukcija.
R/W (Read/Write) linija na kontrolnoj magistrali dobije vrednost logičke jedinice. Time započinje ciklus očitavanja. Očitani podatak (instrukcija) se preko magistrale podataka dopremi u jedinicu magistrala, gde se pročita i prosledi u instrukcijsku jedinicu.
Dobijeni podaci se u instrukcijskoj jedinici dekoduju i zatim šalju na izvršenje u izvršnu jedinicu.
Dekodovana instrukcija sadrži podatke o tome koje registre mora da upotrebi izvršna jedinica, kao i da li mikroprocesor treba da pristupi memoriji da bi u nju smestio rezultat koji je dobijen izvršenjem instrukcije.
Ako rezultat operacije treba da bude smešten u memoriju, izvršna jedinica prosleđuje adresu adresnoj jedinici radi kontrole (provere). Ako je pristup navedenoj adresi dozvoljen, rezultat i adresa se onda prenose u jedinicu magistrala, koja podatak i njegovu odredišnu adresu postavlja na magistralu podataka, odnosno adresnu magistralu. R/W linija na kontrolnoj magistrali dobija vredost logičke nule, čime započinje ciklus upisivanja u memoriju.
Memorijski uređaj koji je adresiran će onda pročitati podatak sa magistrale podataka i smestiti ga u memorijsku lokaciju definisanu adresom na adresnoj magistrali.

Blok šema mikroprocesora prikazana na slici je opšta i na njoj se zasnivaju svi mikroprocesori.
Kako su zahtevi za performansama PC računara vremenom sve više rasli, to su se i mikroprocesori razvijali i poboljšavali, pa su osim osnovnih elemenata sa slike, dobijali i dodatne mogućnosti i funkcije.

Matematički koprocesor

Prvo proširenje funkcija mikroprocesora sa prethodne slike se odnosi na dodavanje jedinice za rad sa decimalnim brojevima (Floating Point Unit).
Naime, aritmetičko-logička jedinica (ALU) radi samo sa celim brojevima.
U slučaju da je potrebna obrada decimalnih brojeva, to se može izvršiti i u ALU jedinici, ali to zahteva veoma mnogo izračunavanja a samim tim i vremena.
Zato je kod prvih generacija PC računara pored mikroprocsora na matičnu ploču bilo moguće postaviti i takozvani koprocesor (matematički koprocesor).
Koprocesor je bio zadužen za rad sa decimalnim brojevima.

Počevši od generacije 486 procesora, jedinica za rad sa decimalnim brojevima je uključena u sam mikroprocesor, što je omogućilo znatno povećanje brzine rada sa decimalnim brojevima.
Procesori su postajali sve brži i brži, ali ostali elelementi računara nisu mogli da prate tako brzi razvoj.
To se naročito odnosi na memoriju.

Keš memorija procesora

Brzina RAM memorije je sve više zaostajala za brzinom mikroprocesora.
Da bi se ta nesrazmera smanjila, uvedena je takozvana keš memorija. Za razliku od radne RAM memorije koja je dinamičkog tipa, keš memorija je statičkog tipa i ima za red veličine (oko 10 puta) kraće vreme pristupa.
Keš memorija je postavljena između mikroprocesora i radne memorije, a njenim radom je upravljao posebni keš kontroler.
Ovaj kontroler je na osnovu podatka kojeg je mikroprocesor tražio iz memorije pokušavao da predvidi koji će sledeći podatak biti potreban mikroprocesoru, pa je unapred, nečekajući zahtev, taj podatak očitavao iz radne memorije i smeštao ga u keš memoriju.

Ako je predviđanje bilo dobro, kada mikroprocesor zatraži taj podatak, on će ga dobiti iz keš memorije, a to će biti desetak puta brže nego da ga je čekao iz radne memorije.

Drugi uzrok ubrzanja rada računaraje u tome da kada mikroprocesor treba da smesti neke podatke u memoriju, on ih predaje brzoj keš memoriji, odakle se ti podaci pod upravljanjem keš kontrolera šalju u radnu memoriju. Za to vreme je procsor slobodan da obavlja neke druge poslove.
Keš memorija se prvobitno smeštala na matičnu ploču, ali je već od 486 procesora delimično premeštena u sam mikroprocesor.

Pojavom Pentijum procesora, pojavila su se i dva nivoa keš memorije.

  • Keš memorija prvog nivoa (L1 nivo) je smeštena u samo jezgro mikroprocesora. Ova veoma brza memorija ima relativno mali kapacitet i podeljna je na dva bloka, jedan služi za instrukcije a drugi za podatke. Ona obično radi na istom taktu kao i sam procesor.
  • Keš memorija drugog nivoa (L2 nivo) ima znatno veći kapacitet i kod današnjih mikroprocesora je takođe smeštena unutar samog procesorskog čipa. Zavisno od tipa procesora, ova keš memorija može da radi na punom taktu procesora ili na nižem taktu (obično polovina učestanosti takta procesora).

Uvođenjem keš memorije u sam mikoprocesor dobilo se dalje povećanje brzine rada računara, sa tim da ta brzina dosta zavisi od kvaliteta keš kontrolera, odnosno od toga koliko dobro on predviđa sledeće podatke kojo će biti potrebni mikroprocesoru, da bi mogao unapred da ih pripremi.

Radni napon mikroprocesora

Kako dolaze sve novije generacije mikroprocesora sa sve boljim karakteristikama, to raste broj tranzistora u mikroprocesoru, a sa time i problemi sa potrošnjom energije i zagrevanjem tokom rada.
Da bi se ti problemi smanjili teži se ka smanjenju radnih napona mikroprocesora.
Smanjenjm radnih napona se dobija manja potrošnja električne energije, odnosno manja snaga koju procesor zahteva da bi normalno radio.
To je naročito značajno kod prenosnih računara koji rade na baterije.
Smanjenjem radnog napona se takođe smanjuje i toplota koja se razvija tokom rada mikroprocesora, pa je potreban i manji hladnjak za procesor, a to znači i manje zauzetog prostora, a takođe i duži zivotni vek samog procesora.
I konačno, ako se procesor tokom rada manje zagreva, može se lakše ubrzati povećanjem učestanosti radnog takta.

Sve do pojave Pentijum MMX procesora, ceo procesor, dakle i jezgro i ulazno/izlazne jedinice su napajane istim naponom, prvobitno sa +5V, a zatim sa +3,3V.
Takvi procesori imaju jednostruko napajanje.
Od Pentijum MMX procesora pa na dalje, uvedeno je dvostruko napajanje.
Kod njih se naponom +3,3V napajaju ulazno/izlazne jedinice (radi očuvanja kompatibilnosti sa ostojećim magistralama, memorijskim modulima, čip setom i ostalim logičkim elementima.
Za razliku od ulazno/izlaznih jedinica, samo jezgro mikroprocesora se napaja nižim naponima.
Ti naponi su prvobitno bili oko 2,8V, a kod današnjih mikroprocesora su već spušteni na oko 1,5V, sa tendencijom daljeg smanjivanja.

Sa ulazno/izlazne jedinice preko adresne magistrale, magistrale podataka i kontrolne magistrale, mikroprocesor je povezan sa spoljašnjim elementima (matičnom pločom).
Napon napajanja ulazno/izlazne jedinice se dobija iz stepena za napajanje (kod današnjih ATX računara), dok se napon napajanja jezgra procesora dobija posebnim prekidačkim stepenom za napajanje koji je smešten na samu matičnu ploču.
Kod Pentijum 4 računara taj prekidački stepen se napaja naponom +12V iz stepena za napajanje računara, i od tog napona se dobija napon jezgra od oko 1,5V.

Noviji mikroprocesori imaju posebne izvode preko kojih se konfiguriše perkidački stepen za napajanje na matičnoj ploči, koji daje napon za napajanje jezgra procesora.
Kod takvih mikroprocesora nema potrebe za podešavanjem napona jezgra, jer sa on automatski podešava.
Međutim, kod nekih starijih mikroprocesora, napon napajanja jezgra se mora podesiti postavljanjem odgovarajućih kratkospojnika na igličastim konektorima na matičnoj ploči, podešavanjem posebnih mikroprekidača na matičnoj ploči, ili podešavanjem u okviru Setap programa.
Za takve mikroprocesore se mora znati tačan napon napajanja i on se mora podesiti na jedan od tri pomenuta načina.

Hladjenje mikroprocesora

cpu2.jpg

I pored toliko smanjenog napona napajanja, savremeni mikroprocesori se dosta greju i ne bi mogli da rade bez odgovarajućeg odvođenja toplote proizvedene u njima. To odvođenje toplote se postiže korišćenjem odgovarajućih aluminijumskih ili bakarnih hladnjaka, koji se učvršćuju na gornju površinu mikroprocesora.
Na vrhu hladnjaka se nalazi ventilator koji se napaja naponom +12V sa matične ploče. Ventilator omogućava efikasno hlađenje, a pošto je njegov ispravan rad neohodan za sigurnost mikroprocesora, obično se logikom na matičnoj ploči
kontroliše brzina njegovog obrtanja.
U slučaju da ta brzina padne ispod određene vrednosti, ili da se ventilator čak i zablokira, logika daje upozorenje ili u zavisnosti od načina podešenosti može i da obezbedi isključenje računara.

Učestanost (radna frekvencija) mirkoprocesora

Svi mikroprocesori preko jedne linije na kontrolnoj magistrali dobijaju takt signal (pravougaone impulse odrđene učestanosti).
Učestanost tog takt signala je u stvari učestanost sistemskog takta matične ploče.
Samo jezgro savremenih mikroprocesora radi na znatno većoj učestanosti internog takta.

Ta učestanost je određena takozvanim množiocem, to jest brojem kojim treba pomnožiti učestanost sistemske magistrale da bi se dobila interna učestanost na kojoj radi jezgro mikroprocesoora.

Kod većine starijih matičnih ploča je postojala mogućnost da se podešavanjem kratkospojnicima, mikroprekidačima ili u nekoj od opcija Setap programa, podese i sistemska učestanost matične ploče i množilac koji određuje internu radnu učestanost mikroprocesora. Većina današnjnih mikroprocesora ima fabrički fiksiran množilac, tako da nema potrebe za njegovim podešavanjem. Time se sprečavaju pokušaji da se mikroprocesor natera da radi na višoj učestanosti radnog takta nego što je fabrički predviđeno, čime se obezbeđuje njegov stabilan rad i duži životni vek.

Tokom razvoja PC računara, promenjano je dosta generacija i tipova mikroprocesora.
Broj izvoda na procesorskim čipovima se kretao od početnih 40-tak, a danas kod nekih tipova prelazi i 900. Kako su se pojavljivali novi tipovi mikroprocesora, tako je rastao broj izvoda (pinova) na njima, pa su se pojavljivali i novi tipovi podnožja za priključenje na matičnu ploču.

Danas se praktično isključivo koriste mikroprocesori u obliku čipa koji ima kvadratni oblik.
Izgled jednog takvog mikroprocesora (Pentium 4) je prikazan na narednoj slici. Sa slike se vidi da su izvodi (pinovi) raspoređeni sa donje strane lipa, dok je gornja strana pokrivena metalnim poklopcem preko koga se montira hladnjak sa ventilatorom. Sa donje srane, na kojoj su izvodi, u jednom uglu nedostaje jedan pin.

cpu3.jpg

To je način za označavanje početka brojanja izvoda, odnosno omogućivanja ispravne orijentacije procesora prilikom postavljanja u podnožje na matičnoj ploči.
Naime i u podnožju nedostaje jedan otvor u odgovarajućem uglu, tako da se mikroprocesor u podnožje može postaviti samo u jednom položaju.
Način postavljanja mikroprocesora u podnožje je prikazan na sledećoj slici.

cpu4.jpg

Posle postavljanja procesora u podnožje, potrebno je na njega montirati hladnjak sa ventilatorom. Način montaže hladnjaka zavisi od tipa procesora, i obično je opisan u uputstvu koje stiže uz matičnu ploču. Korisno je između procesora i hladnjaka naneti tanak sloj termoprovodne paste, koja poboljšava prenošenje toplote sa procesora na hladnjak, a time obezbeđuje i njegovo bolje hlađenje. Kod većine novih matičnih ploča, u središnjem delu podnožja za mikroprocesor postoji ugrađen NTC otpornik (otpornik sa negativnim temperaturskim koeficijentom) koji se može iskoristiti za merenje temperature kućišta mikroprocesora.


Današnji mikroprocesori su veoma pouzdani i retko se kvare, pod uslovom da im je obezbeđeno odgovarajuće hlađenje i da se ne koriste na radnim višim učestanostima od fabrički predviđenih. Ono što je korisno je aktivirati softver za nadgledanje brzine okretanja ventilatora na hladnjaku i temperature kućišta mikroprocesora.
Takav softver se često nalazi i u okviru BIOS-a matične ploče, a ako ga neka matična ploča nema, postoji veći broj nezavisnih programa (na primer Hardware monitor), koji pored ostalih poslova vrlo uspešno obavljaju i ova nadgledanja i u slučaju neke opasnosti štite mikroprocesor od oštećenja.

Izvor :M. Milosavljević, M. Milić & rand0m


Add a New Comment
or Sign in as Wikidot user
(will not be published)
- +
Unless otherwise stated, the content of this page is licensed under GNU Free Documentation License.