Prosesor dan Fungsinya

Prosesor dan Fungsinya.

Pengantar

Prosesor (CPU, Central Processing Unit) adalah otak komputer. Hal ini memungkinkan pengolahan data numerik, yang berarti informasi yang dimasukkan dalam biner bentuk, dan eksekusi instruksi yang tersimpan dalam memori.

Mikroprosesor pertama (Intel 4004) ditemukan pada tahun 1971. Itu adalah 4-bit perhitungan perangkat dengan kecepatan 108 kHz. Sejak itu, kekuasaan mikroprosesor telah tumbuh secara eksponensial. Jadi apa sebenarnya potongan-potongan kecil silikon yang menjalankan komputer kita?

Operasi

Prosesor (disebut CPU, Central Processing Unit) adalah sebuah sirkuit elektronik yang beroperasi pada kecepatan jam berkat internal untuk kristal kuarsa yang, ketika mengalami sebuah kismis listrik, kirim pulsa, yang disebut "puncak". Kecepatan clock (juga disebut siklus), sesuai dengan jumlah pulsa per detik, ditulis dalam Hertz (Hz). Dengan demikian, sebuah komputer MHz 200 memiliki jam yang mengirimkan pulsa 200.000.000 per detik. Frekuensi clock umumnya merupakan kelipatan dari frekuensi sistem (FSB, Front-Side Bus), yang berarti kelipatan dari motherboard frekuensi.

Dengan setiap puncak jam, prosesor melakukan tindakan yang sesuai dengan instruksi atau bagian daripadanya. Sebuah ukuran yang disebut CPI (Cycles Per Instruksi) memberikan representasi dari rata-rata jumlah siklus clock yang diperlukan untuk mikroprosesor untuk mengeksekusi sebuah instruksi. A € microprocessorâ (TM) daya sehingga dapat ditandai dengan jumlah instruksi per detik yang ia mampu pengolahan. MIPS (juta instruksi per detik) adalah satuan yang digunakan dan sesuai dengan frekuensi prosesor dibagi dengan CPI.

Instruksi

Sebuah instruksi adalah operasi dasar yang prosesor dapat menyelesaikan. Instruksi disimpan dalam memori utama, menunggu untuk diproses oleh prosesor. Sebuah instruksi memiliki dua bidang:

• kode operasi, yang merupakan tindakan yang prosesor harus mengeksekusi;
• kode operan, yang mendefinisikan parameter dari tindakan. Kode operan tergantung pada operasi. Hal ini dapat data atau alamat memori.

Kode Operasi

Operan Lapangan

Jumlah bit dalam sebuah instruksi bervariasi menurut jenis data (antara 1 dan 4 byte 8-bit).

Instruksi dapat dikelompokkan berdasarkan kategori, di antaranya yang utama adalah:

• Memory Access: mengakses memori atau mentransfer data antara register.
• Operasi Aritmatika: operasi seperti penambahan, pengurangan, perkalian atau pembagian.
• Logika Operasi: operasi seperti AND, OR, NOT, TIDAK EKSKLUSIF, dll
• Kontrol urutan, koneksi bersyarat, dll: Kontrol

Register

Ketika prosesor mengeksekusi instruksi, data disimpan sementara di kecil, lokasi memori lokal dari 8, 16, 32 atau 64 bit yang disebut register. Tergantung pada jenis prosesor, jumlah keseluruhan dari register dapat bervariasi dari sekitar sepuluh sampai ratusan.

Register utama adalah:

• akumulator register (ACC), yang menyimpan hasil operasi aritmatika dan logika;
• register status (PSW, Processor Status Word), yang memegang indikator status sistem (membawa digit, overflow, dll);
• register instruksi (RI), yang berisi instruksi saat ini sedang diproses;
• counter ordinal (OC atau PC untuk Program Counter), yang berisi alamat dari instruksi berikutnya untuk proses;
• buffer register, yang menyimpan data sementara dari memori.

Cache Memory

Memori cache (juga disebut memori buffer) memori lokal yang mengurangi waktu tunggu untuk informasi yang tersimpan dalam RAM (Random Access Memory). Akibatnya, komputer memori utama lebih lambat dibandingkan dengan prosesor. Namun demikian, jenis memori yang lebih cepat, tetapi yang memiliki biaya sangat meningkat. Oleh karena itu solusinya adalah untuk menyertakan jenis memori lokal dekat dengan prosesor dan untuk sementara menyimpan data primer untuk diproses di dalamnya. Model komputer terbaru memiliki berbagai tingkatan memori cache:

• Tingkat satu cache memori (disebut L1 Cache, untuk Level 1 Cache) secara langsung terintegrasi ke dalam prosesor. Hal ini dibagi menjadi dua bagian:
  • bagian pertama adalah cache instruksi, yang berisi petunjuk dari RAM yang telah diterjemahkan saat mereka datang di pipa.
  • bagian kedua adalah data cache, yang berisi data dari RAM dan data terakhir digunakan selama operasi prosesor.

Level 1 cache dapat diakses dengan sangat cepat. Akses menunggu waktu mendekati bahwa dari register prosesor internal yang.

• Tingkat dua cache memory (L2 Cache disebut, untuk Level 2 Cache) terletak dalam kasus bersama dengan prosesor (dalam chip). Tingkat dua cache perantara antara prosesor dengan cache internal, dan RAM. Hal ini dapat diakses lebih cepat dari RAM, tetapi kurang cepat daripada tingkat satu tembolok.
• Tingkat tiga cache memori (disebut L3 Cache, untuk Level 3 Cache) terletak pada motherboard.

Semua tingkat ini cache mengurangi waktu latency berbagai jenis memori saat memproses atau mentransfer informasi. Sementara prosesor bekerja, tingkat satu cache controller dapat antarmuka dengan tingkat dua controller untuk mentransfer informasi tanpa menghambat prosesor. Selain itu, tingkat dua antarmuka Cache dengan RAM (cache tingkat tiga) untuk memungkinkan transfer tanpa menghalangi operasi prosesor normal.

Kontrol Sinyal

Sinyal kontrol adalah sinyal elektronik yang mengatur berbagai unit prosesor berpartisipasi dalam pelaksanaan sebuah instruksi. Sinyal kontrol dikirim menggunakan elemen yang disebut sequencer. Sebagai contoh, sinyal Read / Write memungkinkan memori yang akan diberitahu bahwa prosesor ingin membaca atau menulis informasi.

Unit Fungsional

Prosesor terdiri dari sekelompok unit yang saling terkait (atau control unit). Arsitektur mikroprosesor sangat bervariasi dari satu desain yang lain, namun unsur utama mikroprosesor adalah sebagai berikut:

• Sebuah unit kontrol yang menghubungkan data yang masuk, decode itu, dan mengirimkannya ke unit eksekusi: Unit kontrol terdiri dari unsur-unsur berikut:
  • sequencer (atau monitor dan logic unit) yang mensinkronisasikan eksekusi instruksi dengan clock speed. Hal ini juga mengirimkan sinyal kontrol;
  • kontra ordinal yang berisi alamat dari instruksi saat ini sedang dijalankan;
  • instruksi register yang berisi instruksi berikut.
• Sebuah unit eksekusi (atau unit pengolahan) yang menyelesaikan tugas yang diberikan kepadanya oleh unit instruksi. Unit eksekusi terbuat dari unsur-unsur berikut:
  • The aritmatika dan logika Unit (ALU ditulis). ALU melakukan perhitungan aritmatika dasar dan fungsi logika (AND, OR, EXCLUSIVE OR, dll);
  • Unit floating point (FPU tertulis) yang melakukan perhitungan yang kompleks parsial yang tidak dapat dilakukan oleh unit aritmatika dan logika.
  • Register status;
  • Akumulator mendaftar.
• Sebuah unit manajemen bus (atau unit input-output) yang mengelola arus informasi masuk dan keluar dan yang interface dengan sistem RAM ;

Diagram di bawah ini memberikan representasi yang disederhanakan dari unsur-unsur yang membentuk prosesor (layout fisik dari elemen-elemen berbeda dari tata letak mereka yang sebenarnya):

Transistor

Untuk memproses informasi, mikroprosesor memiliki sekelompok instruksi, yang disebut "set instruksi", yang dimungkinkan oleh sirkuit elektronik. Lebih tepatnya, set instruksi dibuat dengan bantuan semikonduktor, sedikit "circuit switch" yang menggunakan efek transistor, ditemukan pada tahun 1947 oleh John Barden, Walter H. Brattain dan William Shockley yang menerima Hadiah Nobel pada tahun 1956 untuk itu.

Sebuah transistor (kontraksi resistor transfer) adalah komponen semi-konduktor elektronik yang memiliki tiga elektroda dan mampu memodifikasi arus yang melalui itu menggunakan salah satu elektroda (disebut kontrol elektroda). Ini disebut sebagai "komponen aktif", berbeda dengan "komponen pasif", seperti resistensi atau kapasitor yang hanya memiliki dua elektroda (disebut sebagai "bipolar").

A MOS (metal, oksida, silikon) transistor adalah jenis yang paling umum dari transistor digunakan untuk merancang sirkuit terpadu. Transistor MOS memiliki dua area bermuatan negatif, masing-masing disebut sumber (yang memiliki hampir nol biaya) dan tiriskan (yang memiliki muatan 5V), dipisahkan oleh suatu wilayah bermuatan positif, disebut substrat). Substrat memiliki elektroda kontrol dilapis, disebut gerbang, yang memungkinkan biaya yang akan diterapkan pada substrat.

Ketika tidak ada biaya pada elektroda kontrol, substrat bermuatan positif bertindak sebagai penghalang dan mencegah gerakan elektron dari sumber ke saluran pembuangan. Namun, ketika biaya diterapkan ke pintu gerbang, muatan positif dari substrat yang ditolak dan saluran komunikasi bermuatan negatif dibuka antara sumber dan sia-sia.

Oleh karena itu transistor bertindak sebagai saklar diprogram, berkat kontrol elektroda. Ketika biaya diterapkan ke elektroda kontrol, ia bertindak sebagai interrupter tertutup dan, ketika tidak ada biaya, ia bertindak sebagai interrupter terbuka.

Sirkuit Terpadu

Setelah digabungkan, transistor dapat membuat sirkuit logika, yang, bila dikombinasikan, prosesor form. Sirkuit terpadu pertama tanggal kembali ke tahun 1958 dan dibangun oleh Texas Instruments.

Oleh karena itu transistor MOS terbuat dari irisan silikon (disebut wafer) yang diperoleh setelah beberapa proses. Irisan silikon ini dipotong menjadi elemen-elemen segi empat membentuk "sirkuit". Sirkuit kemudian ditempatkan dalam kasus-kasus dengan konektor input-output dan jumlah dari bagian-bagian ini membuat "sirkuit terpadu". The kecilnya ukiran, yang ditulis dalam mikron (mikrometer, ditulis Âμm) mendefinisikan jumlah transistor per unit permukaan. Ada dapat jutaan transistor pada satu prosesor tunggal.

Hukum Moore, ditulis pada tahun 1965 oleh Gordon E. Moore, pendiri Intel, meramalkan bahwa kinerja prosesor (dengan perluasan dari jumlah transistor terintegrasi dalam silikon) akan berlipat ganda setiap dua belas bulan. Undang-undang ini direvisi pada tahun 1975, membawa jumlah bulan sampai 18. Moorea € (TM) Hukum masih terbukti hari ini.

Karena kasus persegi panjang berisi pin input-output yang menyerupai kaki, istilah "kutu elektronik" digunakan di Perancis untuk merujuk sirkuit terpadu.

Keluarga

Setiap jenis prosesor memiliki set instruksi sendiri. Prosesor dikelompokkan ke dalam keluarga berikut, sesuai dengan set instruksi yang unik:

• 80x86: "x" mewakili keluarga. Sebutkan karena itu dibuat untuk 386, 486, 586, 686, dll
• ARM
• IA-64
• MIPS
• Motorola 6800
• PowerPC
• SPARC
• ...

Hal ini menjelaskan mengapa program diproduksi untuk jenis tertentu prosesor hanya dapat bekerja langsung pada sistem dengan jenis lain dari prosesor jika ada terjemahan instruksi, yang disebut emulasi. Istilah "emulator" digunakan untuk merujuk pada program melakukan terjemahan ini.

Instruction Set

Sebuah set instruksi adalah jumlah operasi dasar yang prosesor dapat menyelesaikan. A € processorâ (TM) s instruksi set adalah faktor yang menentukan dalam arsitektur, meskipun arsitektur yang sama dapat mengakibatkan implementasi yang berbeda oleh produsen yang berbeda.

Prosesor ini bekerja secara efisien berkat sejumlah instruksi, didesain untuk sirkuit elektronik. Sebagian besar operasi dapat dilakukan dengan menggunakan fungsi dasar. Beberapa arsitektur, bagaimanapun, termasuk fungsi prosesor canggih.

CISC Architecture

CISC (Complex Instruction Set Computer) arsitektur berarti bawaan prosesor dengan instruksi kompleks yang sulit untuk membuat menggunakan petunjuk dasar.

CISC sangat populer di tipe prosesor 80x86. Jenis arsitektur memiliki biaya tinggi karena fungsi-fungsi lanjutan tercetak pada silikon.

Instruksi adalah variabel panjang dan kadang-kadang mungkin memerlukan lebih dari satu siklus clock. Karena prosesor CISC berbasis hanya dapat memproses satu instruksi pada satu waktu, waktu proses adalah fungsi dari ukuran instruksi.

RISC Architecture

Prosesor dengan RISC (Reduced Instruction Set Computer) teknologi tidak memiliki tertanam, fungsi-fungsi lanjutan.

Program karena itu harus diterjemahkan ke dalam instruksi sederhana yang mempersulit pengembangan dan / atau membutuhkan prosesor yang lebih kuat. Arsitektur tersebut memiliki biaya produksi berkurang dibandingkan dengan prosesor CISC. Selain itu, instruksi, sederhana di alam, dieksekusi hanya dalam satu siklus clock, yang mempercepat eksekusi program bila dibandingkan dengan prosesor CISC. Akhirnya, prosesor ini bisa menangani beberapa instruksi secara bersamaan dengan memproses mereka secara paralel.

Perbaikan teknologi

Sepanjang waktu, produsen mikroprosesor (disebut pendiri) telah mengembangkan sejumlah perbaikan yang mengoptimalkan kinerja prosesor.

Pengolahan Paralel

Pemrosesan paralel terdiri dari secara simultan mengeksekusi instruksi dari program yang sama pada prosesor yang berbeda. Ini dilakukan dengan membagi program menjadi beberapa proses yang ditangani secara paralel untuk mengurangi waktu eksekusi.

Jenis teknologi, bagaimanapun, membutuhkan sinkronisasi dan komunikasi antara berbagai proses, seperti pembagian tugas dalam bisnis: pekerjaan dibagi ke dalam proses diskrit kecil yang kemudian ditangani oleh departemen yang berbeda. Operasi suatu perusahaan dapat sangat dipengaruhi ketika komunikasi antara layanan tidak bekerja dengan benar.

Pipelining

Pipelining adalah teknologi yang meningkatkan kecepatan eksekusi instruksi dengan meletakkan langkah-langkah menjadi paralel.

Untuk memahami € pipelineâ (TM) s mekanisme, pertama-tama perlu untuk memahami fase eksekusi dari sebuah instruksi. Fase eksekusi dari instruksi untuk prosesor dengan 5-langkah "klasik" pipa adalah sebagai berikut:

• FETCH: (mengambil instruksi dari cache;
• DECODE: decode instruksi dan terlihat untuk operan (mendaftar atau nilai-nilai langsung);
• Jalankan: melakukan instruksi (misalnya, jika itu adalah instruksi ADD, penambahan dilakukan, jika instruksi SUB, pengurangan dilakukan, dll);
• MEMORY: mengakses memori, dan menulis data atau mengambil data dari itu;
• MENULIS KEMBALI (pensiun): mencatat nilai yang dihitung di register.

Instruksi tersebut akan disusun dalam baris dalam memori dan dimuat satu demi satu.

Berkat pipa, pengolahan instruksi tidak memerlukan lebih dari lima langkah sebelumnya. Karena urutan langkah-langkah ini tak berubah (FETCH, DECODE, EXECUTE, MEMORY, TULIS KEMBALI), adalah mungkin untuk membuat sirkuit khusus dalam prosesor untuk masing-masing.

Tujuan dari pipa ini adalah untuk melakukan setiap langkah secara paralel dengan tahapan sebelum dan sesudah, yang berarti membaca instruksi (FETCH) sementara langkah sebelumnya sedang dibaca (DECODE), sedangkan langkah sebelum yang sedang dieksekusi (Jalankan), sementara langkah sebelum yang sedang ditulis ke memori (MEMORY), dan sementara langkah pertama dalam seri ini yang dicatat dalam register (MENULIS KEMBALI).

Secara umum, 1 sampai 2 clock cycle (jarang lebih) untuk setiap langkah pipa atau maksimal 10 jam siklus per instruksi harus direncanakan untuk. Untuk dua instruksi, maksimal 12 siklus clock yang diperlukan (10 +2 = 12 bukan 10 * 2 = 20) karena instruksi sebelumnya sudah di dalam pipa. Kedua petunjuk karena itu yang diproses secara bersamaan, namun dengan penundaan 1 atau 2 siklus jam. Untuk 3 instruksi, 14 siklus clock yang diperlukan, dll

Prinsip pipa dapat dibandingkan dengan jalur perakitan mobil. Mobil bergerak dari satu workstation ke yang lain dengan mengikuti jalur perakitan dan benar-benar selesai pada saat meninggalkan pabrik. Untuk benar-benar memahami prinsip, jalur perakitan harus melihat secara keseluruhan, dan tidak kendaraan dengan kendaraan. Tiga jam yang diperlukan untuk memproduksi masing-masing kendaraan, tapi satu diproduksi setiap menit!

Harus dicatat bahwa ada berbagai jenis pipa, bervariasi 2-40 langkah, tetapi prinsipnya tetap sama.

Superscaling

Superscaling terdiri dari menempatkan beberapa unit pengolahan secara paralel untuk memproses beberapa instruksi per siklus.

HyperThreading

HyperThreading (HT tertulis) teknologi terdiri dari menempatkan dua prosesor logika dengan prosesor fisik. Dengan demikian, sistem mengakui dua prosesor fisik dan berperilaku seperti sistem multitasking dengan mengirimkan dua thread secara simultan, disebut sebagai SMT (Simultaneous multi Threading). Ini "deception" memungkinkan sumber daya prosesor yang akan lebih baik digunakan dengan menjamin pengiriman sebagian besar data ke prosesor.