PROCESOR

System mikroprocesorowy . Przetwarzanie informacji odbywa się przy użyciu systemu mikroprocesorowego. najważniejszą częścią takiego systemu jest układ przetwarzający informacje, czyli procesor. Procesor przetwarza informacje wykonując na niej elementarne operacje tzw. instrukcjami (rozkazami). Ciąg takich instrukcji realizujący konkretne zadanie przetwarzania informacji nazywamy Programem.

Procesor (z j. ang. Central Processing Unit.- skrót CPU)- Procesor jest urządzeniem cyfrowym, mózg komputera, najważniejsza część komputera.
Procesor znajduje się w gnieździe tzw. Socket lub slot na płycie głównej pod wiatrakiem i radiatorem. Jego rola to przetwarzanie informacji i nadzorowanie pracą wszystkich podłączonych w komputerze urządzeń.
Procesory różnią się od siebie poprzez inną architekturę (CISC lub RISC), liczbę bitów przetwarzanych w jednym cyklu np. 16,32,64- bity oraz częstotliwość taktowania zegara podawaną w jednostkach MHz/GHz.
Główni producenci procesorów to: Intel np. Core 2 Duo, Pentium, Celeron AMD np. Sempron, Athlon, Duron

W skład Procesora wchodzą:

mikroprocesor - jego rola to przetwarzanie informacji i sterowanie pracą reszty układów,

zegar systemowy - jego rola to wytwarzanie przebiegów czasowych niezbędnych do pracy mikroprocesora,

Sterownik magistral- jego rola to pośredniczenie w sterowaniu magistralami, wytwarzając na podstawie informacji z mikroprocesora sygnały sterujące pracą pamięci i układów wejścia/wyjścia,

Koprocesor arytmetyczny - jego rola to obliczenia zmiennoprzecinkowe.

Pamięć - W pamięci są przechowywane programy (instrukcje) skąd procesor może je szybko pobrać i przetworzyć. W bloku pamięci systemu stosuje się pamięci RAM (z j.ang Random Access Memory- pamięć operacyjna) i ROM (z j. ang Read Only Memoery- BIOS).

Układy wejścia/wyjścia (I/O)- Ten układ pośredniczy w wymianie informacji pomiędzy procesorem i pamięcią systemu a urządzeniami zewnętrznymi w stosunku do systemu - drukarka, stacja dysków, monitor.

Magistrala danych (DB)- Jest magistralą dwukierunkową. Informacje wpływają do procesora, jak i przez niego wysyłane są do innych układów.

Magistrala Adresowa (AB)- Jest magistralą jednokierunkową adresy są generowane przez procesor i wysyłane do pamięci lub układów wejścia/wyjścia.

Magistrala Sterująca (CB)- sterowanie pracą układów współpracujących z procesorem oraz sygnalizowanie pewnych określonych stanów tych układów.

Budowa Procesora

• Procesor jest zbudowany z jednostki wykonawczej (z j. ang Execution Unit), która przetwarza informacje wykonując wszelkie operacje arytmetyczne i logiczne oraz jednostki sterującej (z j. ang.Control Unit), która określa rodzaj wykonywanych operacji. W skład jednostki wykonawczej wchodzą jednostka arytmetyczno - logiczna (z j. ang Arithmetic Logical Unit) oraz współpracujących z nią rejestry. Informacją wejściową części wykonawczej są dane, zaś wyjściową wyniki. A Jednostka sterująca jest zbudowana Rejestrów rozkazów, dekoder rozkazów oraz układ sterowania.

• Rejestry Procesora
  Jednostka arytmetyczno-logiczna i Układ sterowania współpracują z określonym zestawem rejestrów. Zawartość części tych rejestrów może być zmieniana w wyniku wykonywania programu. Rejestry takie są dostępne programowo. Do pozostałych rejestrów użytkownik nie ma dostępu.
  Rejestry dostępne programowo:

• Akumulator - rejestr, który zawiera jeden z argumentów wykonywanej operacji i do którego ładowany jest wynik wykonywanej operacji.
• Rejestr flagowy - ten rejestr zawiera dodatkowe cechy wyniki wykonywanej operacji, potrzebne do podjęcia decyzji o dalszym przetwarzaniu informacji. Cechami tymi mogą być np. znak wyniku Wystąpienie określonego przypadku, np. wyniku dodatniego lub ujemnego sygnalizowane jest ustawieniem lub wyzerowaniem danego bitu w rejestrze flagowym. Ustawiony bit nazywamy znacznikiem lub flagą
  przykłady flag:
  • CF (Curry flag)
  • ZF (Zero flag)
  • SF (sing flag)
  • PF (Party sing)
  • OF (Overflow flag)
  • AF (auxilitary curry flag)
• Licznik rozkazów - Ten rejestr zawiera adres komórki pamięci, w której przechowywany jest kod rozkazu przeznaczonego do wykonania jako następny.
• Wskaźnik Stosu - Ten rejestr zawiera adres ostatnio zapełnionej komórki stosu (wierzchołek stosu). Stosem nazywamy wyróżniony obszar pamięci używany według reguł:
  • informacje zapisuje się na stos do kolejnych komórek, przy czym żadnego adresu nie wolno pominąć,
  • odczyt wiadomości odczytuje się w kolejności odwrotnej
  • informacje są odczytywane z ostatnio zapełnionej komórki, natomiast zapisujemy do pierwszej wolnej.
• Rejestry robocze- Te rejestry mogą przechowywać argumenty wykonywanych operacji.

• Architektura procesora

• CISC- Obliczenia z rozbudowanym zestawem instrukcji (z j.ang Complex Instruction Set Computing)- Rodzaj architektury procesora. Według architektury CISC były tworzone pierwsze procesory, które wyposażano w pełny zestaw instrukcji mający im zapewnić wykonanie każdego polecenia użytkownika (a konkretnie programu). Z czasem okazało się jednak, że w 80 procentach wypadków było wykorzystywanych tylko 20 procent dostępnych instrukcji, a pozostałe tylko sporadycznie. Wszystkie procesory montowane w pecetach, np. Pentium czy K6, bazują na architekturze typu CISC.
• RISC- Obliczenia z zredukowanym zestawem instrukcji (Reduced Instruction Set Computing)- Rodzaj architektury procesora. W tej architekturze są produkowane najnowocześniejsze i najlepsze procesory np. Alpha, Power PC, AMD 29000 Zredukowana liczba rozkazów do niezbędnego minimum. Ich liczba wynosi kilkadziesiąt, podczas gdy w procesorach CISC sięga setek. Upraszcza to znacznie dekoder rozkazów. Ograniczenie komunikacji pomiędzy pamięcią, a procesorem. Przede wszystkim do przesyłania danych pomiędzy pamięcią, a rejestrami służą dedykowane instrukcje, które zwykle nazywają się load (załaduj z pamięci), oraz store (zapisz do pamięci); pozostałe instrukcje mogą operować wyłącznie na rejestrach. Zwiększenie liczby rejestrów (np. 32, 192, 256, podczas gdy np. w architekturze x86 jest zaledwie 8 rejestrów), co również ma wpływ na zmniejszenie liczby odwołań do pamięci. Dzięki przetwarzaniu potokowemu (ang. pipelining) wszystkie rozkazy wykonują się w jednym cyklu maszynowym, co pozwala na znaczne uproszczenie bloku wykonawczego, a zastosowanie superskalarności także na zrównoleglenie wykonywania rozkazów. Dodatkowo czas reakcji na przerwania jest krótszy.

• Procesory się identyfikuje za pomocą szybkości działania, typu magistrali, tryb pracy.

• Magistrala danych wejścia/wyjścia (I/O)
  Dane w komputerze są przesyłane w postaci binarnej "dwójkowej" (a oto jest przykład zapisu binarnego "dwójkowy" 01010101) informacji składającej się z przedziałów czasu przez przewód podawane jest napięcie 5 Volt lub 3,3 volt odpowiada to liczbie binarnej 1 lub 0 Volt (brak napięcia) odpowiada liczbie binarnej 0. Współczesne procesory np. Pentium, Athlon, Sempron, mają 64 bitową magistralę danych.
  Najważniejszą magistralą procesora jest jego zewnętrzna magistrala danych ta magistrala wysyła i odbiera dane. Szerokość magistrali danych procesora wyznacza rozmiar banku pamięci operacyjnej.
• Magistrala adresowa - jest zestawem przewodów, za pomocą których przenoszone są dane dotyczące adresowania informacji. Dane takie zawierają opis adresów komórek pamięci, do których informację zostaną wysyłane lub z których będą czytane. Każda ścieżka szyny adresowej przenosi pojedynczy bit informacji 1 lub 0. Im większa ilość ścieżek zostanie wykorzystana do adresowania, tym większa jest ilość komórek adresów, które można obsłużyć. Rozmiar magistrali adresowej określa maksymalna pojemność pamięci RAM, z którą współpracuje procesor.

• Rejestry procesora to umieszczone wewnątrz procesora komórki pamięci o niewielkich rozmiarach (najczęściej 4/8/16/32/64/128 bitów) służące do przechowywania tymczasowych wyników obliczeń, adresów lokacji w pamięci operacyjnej itd. Większość procesorów przeprowadza działania wyłącznie korzystając z wewnętrznych rejestrów, kopiując do nich dane z pamięci i po zakończeniu obliczeń odsyłając wynik do pamięci. Rejestry procesora stanowią najwyższy szczebel w hierarchii pamięci, będąc najszybszym z rodzajów pamięci komputera, zarazem najdroższą w produkcji, a co za tym idzie - o najmniejszej pojemności. Realizowane zazwyczaj za pomocą przerzutników dwustanowych, z reguły jako tablica rejestrów (blok rejestrów, z ang. register file).

• Tryby pracy procesora

• Tryb rzeczywisty (z ang. Real mode)- Trybie rzeczywistym pracował procesor 8088 a przy użyciu 16 bitowych rejestrów wewnętrznych wykonywał instrukcje 16 bitowe. Ten że procesor posiadał 20 bitową magistralę adresową i komunikował się z pamięcią RAM o rozmiarze 1 Megabajt (MB). W trybie rzeczywistym uruchamiało się system operacyjny firmy Microsoft MS-DOS był to system 16 bitowy. Procesor 286 i kolejne wykonywały 16 bitowe instrukcje, ale znacznie szybciej od procesora 8088. W tym trybie można było uruchamiać tylko jeden program. Jeśli się uruchomiło więcej niż jedną aplikację mogło to spowodować zawieszenie się systemu operacyjnego MS-DOS. Po jakimś czasie pojawiły się narzędzia, programy które pozwalały rozszerzyć pamięć RAM o ponad 1 MB. Takie programy nazywa się ekspanderem systemu DOS sposób pracy takiego narzędzia został opisany protokołem DPMI (DOS Protected Mode Inerface) za pomocą tego protokołu można uruchamiać system DOS w trybie chronionym. Procesory nowsze, tzn. i286, i386 itd., mają szersze szyny adresowe (24-, 32- lub 36- bitowe) toteż pracując w trybie rzeczywistym mogą adresować całe 1088 KB pamięci. System DOS począwszy od wersji 4.0 potrafił wykorzystać te dodatkowe 65536-16 B pamięci, która została nazwana pamięcią wysoką (HMA � High Memory Area). Jednak powoduje to niepełną zgodność z procesorami Intel 8086 i dlatego w komputerach zgodnych z IBM/PC została wprowadzona możliwość blokowania 21. linii adresowej nowszych procesorów, co sprawia, że programy pracujące w trybie rzeczywistym mają dostęp do 20 linii. Blokowanie i odblokowywanie linii 21 jest udostępniane przez ustawienie w biosie komputera bramkę A20 (ang. A20 gate; A20 to numer linii adresowej, liczony od 0).
• Tryb chroniony (ang. protected mode) - to tryb pracy mikroprocesorów serii x86 wprowadzony w mikroprocesorze Intel 80286. Tryb chroniony umożliwia adresowanie pamięci w większym zakresie niż 1MB (tryb rzeczywisty), wprowadza wiele nowych udogodnień wspierających wielozadaniowość, takich jak: sprzętowa ochrona pamięci (układ MMU), wsparcie przełączania kontekstu procesora i wiele innych. Większość nowoczesnych systemów operacyjnych wykorzystuje procesory serii x86 właśnie w trybie chronionym. Zaliczają się do nich m.in.: Linux, Windows w wersji 3.0 i wyższych, systemy z rodziny BSD.
• Tryb Wirtualny - (z ang. virtual mode)- W Trybie wirtualnym uruchamiało się systemy i programy 32 bitowe ale można było również uruchamiać programy z trybu rzeczywistego (16 bitowe).

• Szybkość pracy Procesora Za częstotliwość taktowania zegara procesora odpowiedzialny jest oscylator. Oscylator jest to krzemowa płytka, która zintegrowana jest z chipsetem płyty głównej. Po przyłożeniu napięcia, kwarc zaczyna drgać. Te drgania są przenoszone poza płytkę w postaci prądu, który zmienia swoją wartość zgodnie z częstotliwością drgań płytki. Generowany prąd zmienny stanowi sygnał zegarowy, który wyznacza podstawę czasu, zgodnie, z którą komputer wykonuje obliczenia. PC-et wykonuje w ciągu sekundy miliony a nawet miliardy cykli, częstotliwość pracy procesora jest mierzona w MHz i GHz (Hz-Hertz). Cykl oczekiwania (wait states)- Jest taktem zegara procesora w czasie którego nie jest wykonywana żadna operacja. Współczesne procesory osiągają częstotliwość taktowania zegara do 5 GHz.

• Pamięć podręczna procesora - Cache procesora Pamięć cache przyspiesza dostęp do relatywnie wolnej pamięci RAM. Charakteryzuje się bardzo krótkim czasem dostępu. Jest używana do przechowywania danych, które będą w niedługim czasie przetwarzane. Na współczesnych procesorach są 2 lub 3 poziomy pamięci podręcznej cache: L1 (zintegrowana z procesorem), a także L2 i L3 (umieszczone w jednym chipie razem z procesorem, lub na płycie głównej).

• pamięć podręczna I poziomu - L1 - zlokalizowana we wnętrzu procesora pamięć podręczna pierwszego poziomu. Przyspiesza dostęp do bloków pamięci wyższego poziomu, który stanowi zależnie od konstrukcji pamięć operacyjną lub pamięć podręczną drugiego poziomu (L2). Z uwagi na ograniczenia rozmiarów i mocy procesora zawsze jest najmniejsza. Umieszczona jest najbliżej głównego jądra procesora i umożliwia najszybszą komunikację procesora.
• pamięć podręczna II poziomu - L2 (pamięć podręczna drugiego poziomu) - pamięć, która służy do buforowania pamięci RAM. Charakteryzuje się tym, że trzymane są w niej najbardziej potrzebne w określonej chwili informacje, które są potrzebne w określonej chwili. W procesorach czterordzeniowego Intela Core 2 Extreme występują dwie pamięci cache L2 (posiada jej 8 MB) po jednej dla każdych dwóch rdzeni.

Gniazda Procesorów

Gniazdo procesora jest to rodzaj złącza znajdującego się na płycie głównej; pełni ono rolę interfejsu pomiędzy procesorem a pozostałymi elementami systemu komputerowego umożliwiając jego współpracę z systemem za pośrednictwem odpowiednich magistral i układów znajdujących się na płycie głównej. Na każdej płycie głównej musi być przynajmniej jedno takie gniazdo; determinuje ono rodzaj procesora, jaki jest przez nią obsługiwany. Producenci wyposażają swoje płyty w różne wersje gniazd umożliwiających zastosowanie jednego z dostępnych procesorów, przy czym rodzaj procesora często zależy również od zainstalowanego na płycie chipsetu. Typ gniazda dla procesora musi być zgodny z określonym procesorem, odznacza się kształtem, napięciem, prędkością komunikacji z procesorem. W pierwszych płytach głównych procesory były wlutowane, ale z powodu coraz większej oferty procesorów i ich nieustannie zmieniającej się budowy pojawiły się gniazda, które umożliwiły dopasowanie budowy płyty oraz jej możliwości do potrzeb danego użytkownika. W efekcie użytkownik chcąc wymienić procesor na procesor innej firmy, musi wymieniać całą płytę główną. Obecnie najpopularniejszym typem gniazda procesora jest gniazdo typu Socket w tym gnieździe łato się instaluje procesor Procesor montuje się pinami do otworów gniazda i przytrzymując go dźwignią.

• Podział Gniazd:

• Socket- Jest to podstawka kwadratowa z dźwignią zaciskową w której montuje się procesor.
  
• Slot- Gniazdo w którym montuje się procesor podobnie jak kartę rozszerzającą jest podobna do gniazd sloty PCI, ISA, AGP
  

Chłodzenie Procesorów

Chłodzenie pasywne - Pierwszym stosowanym sposobem ułatwiającym wymianę ciepła poprzez zwiększenie powierzchni wymiany jest radiator. Radiator montuje się na powierzchni procesora za pomocą specjalnej pasty termo przewodzącej i przy pomocy zatrzasków, które się zapinają na za trzepach gniazda Socket.

Chłodzenie aktywne - W tym sposobie chłodzenia wykorzystuje się radiator z wentylatorem. obracający się wentylator wymusza większy przepływ powietrza. Wentylatory są przykręcane na powierzchni radiatora.

Chłodzenie cieczą - W chłodzeniu cieczą używa się specjalnego płynu (tzw. woda destylowana) oraz sprzętu montażowego składającego się z pompki, zbiornika, rurek, bloków wodnych, chłodnica (radiator + wentylator) itp. Który się montuje wewnątrz komputera. Płyn się wlewa do zbiornika następnie pompka pompuje płyn rozprowadzając płyn po całym komputerze chłodząc procesor oraz inne podzespoły komputera.