Procesor

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání

Procesor (též mikroprocesor, zkratka CPU, anglicky Central Processing Unit)[1] je základní součástí počítače. V současné době jde většinou o velmi složitý číslicový integrovaný obvod, který vykonává jednotlivé strojové instrukce, ze kterých je složen počítačový program umístěný v té chvíli v operační paměti počítače. Obvykle jde o operační systém nebo spuštěné programy, které se nahrávají do operační paměti z harddisku, CD nebo DVD disku, flash disku, diskety atd.

V minulosti byl procesor realizován na jedné nebo spíše více deskách plošných spojů, které obsahovaly integrované obvody nízké nebo střední integrace. V současnosti se používají prakticky výlučně mikroprocesory, což jsou procesory realizované v jednom nebo v několika integrovaných obvodech s vysokou až extrémně vysokou integrací. Mikroprocesor může být také implementován jako firmware běžící v hradlovém poli. Jádro jednoduchých 8bitových mikroprocesorů se skládá z 5 až 10 tisíc hradel, současné procesory pro smartphony a PC mohou obsahovat desítky i stovky milionů hradel. První mikroprocesory byly vyvinuty okolo roku 1971.

V osobních počítačích a malých pracovních stanicích bývá procesor realizován jako integrovaný obvod umístěný na základní desce počítače. Procesory pro osobní počítače jsou rozsáhlé integrované obvody, které mohou zabírat několik centimetrů čtverečních, mít stovky pinů a obsahovat desítky nebo stovky milionů hradel.

Velké počítače mohou obsahovat celá procesorová pole. Používají se distribuované výpočty, které řeší simulace a matematické problémy propojením většího počtu procesorů. Některé superpočítače používají vektorové procesory, skládající se z většího počtu paralelních výpočetních prvků, z nichž žádný není považován za centrální či hlavní.

Naproti tomu v drobných zařízeních na baterie, jako jsou například kardiostimulátory, náramkové hodinky atd., se z důvodu delší výdrže a často také nižší ceny, používají méně složité procesory.

Charakteristika[editovat | editovat zdroj]

Srovnání lícových stran mikroprocesorů AM486 DX2-80 od AMD a i486 DX2-66 od Intelu

Procesor, který by vykonával program zapsaný ve vyšším programovacím jazyku by byl příliš složitý, a především omezený zaměřením daného jazyka. Proto se i při návrhu moderních procesorů stále zůstává u strojového kódu, tedy u nevelké sady instrukcí, které více odpovídají způsobu práce procesoru (např. přesun čísla z registru do registru) než způsobu práce programátora. Přesto každá architektura procesorů definuje svůj vlastní strojový jazyk. Například architektura Intelovská x86 používá jiný strojový kód než architektura ARM. Programy psané ve vyšších jazycích musí být přeloženy do strojového kódu dané architektury - ať už předem (pomoci tzv. překladače) nebo za běhu programu (pomoci tzv. interpretu).

Procesory prvních počítačů se skládaly z obvodů obsahujících množství tzv. diskrétních součástek – elektronek nebo tranzistorů, rezistorů a kondenzátorů. Takový procesor mohl zabírat i několik skříní. Počátkem 70. let 20. století započala miniaturizace procesorů. Nejprve byly složeny z několika desítek nebo stovek integrovaných obvodů. Když se pak podařilo umístit základní obvody procesoru do jediného integrovaného obvodu, vznikl mikroprocesor.

V obecnějším pojetí může být pojem „procesor“ použit pro jakoukoli funkční jednotku schopnou provádět operace s daty nebo signály, například „signálový procesor“, „obrazový procesor“, „přenosový procesor pro styk s periferiemi“, „audioprocesor“, atp.

CPU provádí základní aritmetické, logické, a vstupně/výstupní operace systému. Procesor má v počítači podobné postavení jako motor v autě, případně jako mozek v těle. Termín procesor (CPU) je v počítačovém průmyslu užíván již od počátku raných šedesátých let. I když se technologie procesorů od jejich vzniku dramaticky změnila, jejich základní operace zůstávají téměř stejné.

Součásti procesoru[editovat | editovat zdroj]

  • Řadič nebo řídicí jednotka, která zajišťuje řízení součinnosti jednotlivých částí procesoru dle prováděných strojových instrukcí (jejich dekódování, načítání operandů instrukcí z operační paměti a ukládání výsledků zpracování instrukcí).
  • Sada registrů pro uchování operandů a mezivýsledků. Přístup k registrům je mnohem rychlejší než přístup do operační paměti připojené k procesoru pomocí sběrnice. 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, anglicky Arithmetic-Logic Unit), které provádí nad daty aritmetické a logické operace.
  • Některé procesory obsahují jeden (nebo více) matematických koprocesorů (FPU, anglicky Floating Point Unit), které provádějí operace v plovoucí řádové čárce.

Procesory zpravidla obsahují mnoho dalších rozsáhlých funkčních bloků jako například 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. Vzhledem k současné vysoké integraci tak mnohde dochází k rozmazávání hranice mezi pojmem mikroprocesor a mikropočítač. Příkladem jsou tzv. „systém na čipu“ (SoC - system on chip). Jde o integrované obvody, které obsahují kromě vlastního procesoru i další subsystémy, např. 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, tenkých klientech, domácí elektronice, nebo v mobilních telefonech.

Některé současné procesory obsahují více jader, takže v jednom pouzdru je obsaženo více samostatných procesorů.

Dělení procesorů[editovat | editovat zdroj]

Procesory lze podle jejich charakteristik rozdělit na různé skupiny.

Podle délky operandu v bitech[editovat | editovat zdroj]

Základní vlastností procesoru je délka slova (operandu). Délka slova vyjadřuje počet bitů, který je procesor schopen zpracovat v jednom kroku. Zjednodušeně se dá říci, že např. 8bitový procesor umí přímo počítat s čísly od 0 do 255, 16bitový s čísly od 0 do 65535 (tj. 0 až 216-1), atd. Operace s většími čísly musí být rozděleny do několika kroků.

  • V minulosti se používaly 4bitové procesory. Jeden z prvních procesorů byl právě 4bitový procesor Intel 4004. 4bitové procesory se dnes již používají zřídka (digitální teploměry, měřicí přístroje, hodinky, časovače, případně kalkulačky).
  • Pro speciální účely se dříve používaly 24 bitové DSP procesory (Motorola 56000). Důvodem k použití délky slova 24 bitů bylo jejich primární určení pro zpracování audio signálů.
  • Současné osobní počítače již většinou obsahují 64bitové procesory. Protože další zvyšování frekvence a dnes již i superskalární zpracování jsou spojeny s řadou problémů, jde nyní vývoj cestou vícejádrových procesorů a tím k vícevláknovému zpracování (viz.: Vlákno (program) ).

Podle struktury procesoru[editovat | editovat zdroj]

Podle vnitřní architektury
Procesory RISC s menším počtem strojových instrukcí a CISC s velkým počtem instrukcí. Nedostatkem architektury RISC je větší spotřeba paměti pro program, procesory založené na architektuře CISC potřebují zase více času pro zpracování strojové instrukce. Současné procesory Intel a kompatibilní obcházejí nedostatky instrukční sady typu CISC tím že vnitřně používají pro interpretaci strojového kódu architekturu RISC čímž za cenu zesložitění procesoru dochází ke spojení výhod obou architektur. Procesory RISC jsou velmi úspěšné např. v mobilních telefonech nebo v superpočítačích, protože jednodušší architektura se projevuje nižší spotřebou energie.[2]
Procesory podle schopnosti podpory skutečného operačního systému
Pro jednoduché aplikace nebo pro jednoduché operační systémy nemusí procesor integrovat jednotku pro správu a ochranu paměti (MMU, anglicky memory management unit), například 16bitové procesory pro první IBM PC kompatibilní počítače (procesory 808880286 a jejich operační systémy DOSWindows 3.0. Pro provoz plnohodnotných operačních systémů (například Windows NT, Linux, Mac OS X atd), které zajišťují ochranu paměti a současný chod více programů (preemptivní multitasking), současnou práci více uživatelů na jednom počítači nebo dokonce virtualizaci je nutné, aby tyto možnosti procesor podporoval (v případě procesorů pro IBM PC jsou to architektura IA-32, tj. procesory 386 a novější).
Jednočipový mikropočítač nebo také mikrokontrolér (MCU)
Procesor s univerzálním jádrem, s kterým jsou současně zaintegrovány základní periferní obvody, takže je schopen samostatné funkce. Za průkopníky v této kategorii můžeme považovat 8bitový procesor Intel i8051, který poprvé integroval všechny základní periferie (jádro procesoru, paměť RAM, EEPROM, čítače a časovače) na jediném čipu a 16bitový technologický procesor Siemens SAB 80C166, který poprvé integroval A/D převodníky, komunikační linky a masivní systém čítačů/časovačů/přerušení (následníky řady 80166 dnes vyrábí Infineon (řada C167 a C166 SV2) a SGS Thomson (řada ST10)).
Digitální signálový procesor (DSP)
procesor zaměřený na zpracování signálu. DSP jsou optimalizovány na co nejrychlejší opakování jednoduchých matematických algoritmů zaměřených na zpracování signálu. Typickou aplikací DSP je filtrace signálu pomocí filtrů FIR a IIR nebo Fourierova analýza. DSP se dnes používají především ve spotřební elektronice a v telekomunikační technice. Současné DSP obsahují proti svým předchůdcům navíc také rychlé komunikační linky, aby bylo možné přenášet velký datový tok protékající těmito procesory. Často můžeme rovněž pozorovat snahu o spojení výhod DSP a jednočipových mikropočítačů ať už je to cestou rozšiřování DSP o periferie nebo rozšiřováním mikrokontrolérů o DSP jednotky.

Podle počtu jader[editovat | editovat zdroj]

V současnosti jde vývoj směrem k integraci více jader, tedy více procesorů do jediného čipu. Tento trend můžeme pozorovat u procesorů pro osobní počítače. Procesory se tedy dělí na jednojádrové a vícejádrové. Zvyšování počtu jader je v podstatě vynuceno fyzikálními omezeními. Integrací většího počtu jednodušších jader je teoreticky možné dosáhnout při stejné výrobní technologii na stejné ploše křemíku mnohem vyšší výpočetní výkon, než použitím jediného složitého jádra.

Procesor IBM Cell používaný např. v Sony Playstation 3 obsahuje jádro založené na architektuře PowerPC, které rozděluje práci až osmi jednodušším matematický koprocesorům vzájemně propojeným pomocí hradlového pole.

Základní parametry procesoru[editovat | editovat zdroj]

Díky složitosti procesorů není možné stanovit několik jednoduše srozumitelných obecných parametrů, které by umožnily objektivní srovnání různých procesorů. Následující parametrizace umožňuje zhruba srovnat rysy procesorů.

Parametr Popis Jednotka běžný rozsah
Rychlost jádra Počet operací provedených za jednu sekundu MIPS (milionů instrukcí za sekundu) 0 – 10000 MIPS (v budoucnu i více)
Výrobní proces Velikost tranzistorů nm 65-22 nm (v budoucnu i méně)
Šířka slova Maximální bitová šířka operandů instrukcí bit 4 – 64 (nebo FP vektory až 8x64bit)
Počet jader Počet a typ jader integrovaných v procesoru číslo běžně 1 – 16 jader
Efektivita strojového kódu Počet instrukcí potřebných pro provádění běžných operací např. počet Dhrystone na MIPS  ?
Výkon FPU Přítomnost FPU/počet základních operací v jednoduché nebo dvojnásobné přesnosti, které zvládne provést jednotka FPU MFLOPS (megaflops) až jednotky TFLOPS (teraflops), podle architektury a počtu FPU
Šířka externí datové sběrnice Maximální počet bitů, které je možné během jedné operace přenést z/do čipu bit 8 – 128
Frekvence externí datové sběrnice (FSB) Maximální frekvence přístupu do externí paměti RAM Hz stovky MHz
Interní paměť cache Kapacita rychlé interní vyrovnávací paměti integrované přímo na čipu procesoru Byte i několik MiB (většinou 4-12MiB)
Velikost adresovatelné paměti Velikost externí paměti, kterou je procesor schopen přímo používat Byte u 32bitových CPU řádově 4 GiB i více

Rychlost procesoru[editovat | editovat zdroj]

Procesor Intel Celeron D taktovaný na 2,53 GHz.

Nejčastěji používaným vyjádřením rychlosti procesoru je takt procesoru (taktovací frekvence). V jednom taktu jsou uvnitř procesoru provedeny přesně definované operace. Kvůli různým technikám zvýšení výkonu však již dnes není frekvence rozhodujícím faktorem a nelze ji využít jako srovnání ani mezi kompatibilními procesory.

Skutečnou rychlost procesu je kombinace taktovací frekvence a dalších jeho vlastností. V procesorech typu RISC trvala každá strojová instrukce právě jeden takt, zatímco v procesorech typu CISC trvala každá strojová instrukce různý počet taktů (jeden až řádově desítky taktů), a proto nelze tyto dvě různé rodiny procesorů přímo porovnávat na základě taktovací frekvence.

Dnes se však rozdíly mezi oběma architekturami stírají, takže i CISC procesor může za takt vykonat několik instrukcí. RISC procesory v současné době vykonávají až kolem dvanácti jednoduchých instrukcí za takt. Takové procesory se nazývají superskalární.

Pokud je v procesoru implementován pipelining (pro zvýšení taktu) a/nebo superskalární provádění (pro zvýšení počtu vykonaných instrukcí za takt), je v procesoru více strojových instrukcí v různém stupni rozpracování. V takovém případě má smysl tzv.: Out-of-order execution neboli provádění mimo pořadí kdy pořadí strojových instrukcí je změněno (při zachování správnosti výsledků) pro omezení závislostí mezi zpracovávanými instrukcemi a tedy pro zvýšení výkonu.

Pipelining a superskalární provádění se v současnosti často kombinují, takže například procesory stolních počítačů již běžně mají implementován superskalární pipelining.

Rychlost procesoru ovlivňuje též přítomnost cache, která urychluje přístupy do operační paměti typu RAM. Pokud cache není přítomna, musí procesor při čtení nebo zápisu do paměti čekat na dokončení této operace, což je typicky několik taktů sběrnice, která paměť spojuje s procesorem. Rychlost této sběrnice je typicky nižší, než takt procesoru (ve většině současných procesorů je dokonce interní takt procesoru násobkem této frekvence), a proto je toto zdržení velmi významné. Vřazení rychlé cache mezi procesor a paměť může tyto čekací stavy omezit nebo dokonce úplně eliminovat, což závisí na úspěšnosti cache v predikci následujících operací s pamětí a také na celkové velikosti cache. Proto mají současné procesory integrovánu cache ve velikosti řádově jednotek MiB (mebibajtů). Cache může být několikastupňová (L1, L2, L3 – čím nižší číslo, tím blíže k procesoru) a může být umístěna i na základní desce počítače. Na výkonnost cache má též vliv optimalizace programu.

Rychlost procesoru je jen jedním z faktorů, které ovlivňují celkovou rychlost počítače. Mezi další faktory patří velikost dostupné operační paměti RAM, rychlost pevného disku, propustnost propojujících sběrnic, ale i rychlost dalších vstupně/výstupních součástí počítače (pro hraní her například grafická karta).

Patice procesoru[editovat | editovat zdroj]

Podrobnější informace naleznete v článku Patice procesoru.

Patice neboli Socket či Slot je konektor na základní desce určený pro připojení procesoru. Původně osobní počítače IBM PC obsahovaly stejné patice pro procesory (tzv. sockety). V roce 1997 společnost Intel začala vyvíjet novou patici nazvanou Slot 1 a společnost AMD na základě koupě licencí k procesoru DEC Alpha vytvořila Slot A. Proto dnes není možné zaměňovat procesory zcela volně.

Poslední socket, který používaly všechny společnosti společně, byl Socket 7 do něhož šlo upevnit bezpočet procesorů, firmy jako Cyrix (MII), Intel (Pentium MMX), AMD (K6) nebo IBM vyráběly pro tento socket procesory s frekvencemi v rozmezí 75 - 266MHz, tou nejsilnější verzí pak bylo AMD K6 s frekvencí 300MHz. Socket 7 byl poté vylepšen a výsledná verze s názvem Super Socket 7 byla obohacena o vyšší frekvenci sběrnice tzv. FSB, ta byla zvýšena na 100MHz a dále podporovala slot AGP do kterého se dal vložit grafický adaptér. Poté začala společnost Intel vyrábět procesory pro Slot 1 (Pentium 2) a cesty se rozešly.

S příchodem Slotu 1 (Slotu A) se na krátkou dobu změnila podoba procesorů, tak jak je známe dnes. Až s nástupcem Slotu A, Socketem A též nazývaným 462 (AMD) se procesory vrátily zpět přímo na základní desku a zde též započala myšlenka více jader. Ta byla realizována na Socketu 939. Na přelomu let 2012/2013 jsou nejrozšířenější patice AMD AM3+, G34(pro server) a Intel 1155 pro střední třídu a 2011 pro nejdražší desktopové i serverové procesory.

Společnosti zabývající se výrobou procesorů[editovat | editovat zdroj]

Intel[editovat | editovat zdroj]

Podrobnější informace naleznete v článku Intel.

Intel Corporation je největší mezinárodní výrobce procesorů a polovodičových součástek se sídlem v kalifornském Křemíkovém údolí ve Spojených Státech. Intel založili Robert Noyce a Gordon Moore roku 1968 jako Integrated Electronics Corporation. Společnost Intel vyvinula architekturu x86, která se v současné době používá ve většině osobních počítačů. Až do roku 1981 se Intel zaměřoval především na vývoj paměťových čipů SRAM a DRAM, ale souběžně vyvíjel i procesory. Po úspěchu osobních počítačů v 90. letech Intel investoval velké prostředky do jejich vývoje, a stal se tak dominantním dodavatelem pro osobní počítače. V současné době se Intel věnuje především vývoji procesorů řad x86 a x86-64, čipových sad nebo grafických karet.

AMD[editovat | editovat zdroj]

Podrobnější informace naleznete v článku Advanced Micro Devices.

Advanced Micro Devices (zkráceně AMD) je mezinárodní výrobce procesorů se sídlem v kalifornském Sunnyvale ve Spojených Státech. V únoru roku 1982 podepsala firma AMD kontrakt se společností Intel a stala se licencovaným výrobcem procesorů řad 8086 a 8088, později i Am286. Později však firma Intel odmítla poskytnout technické specifikace procesoru i386, což vedlo k vleklým soudním sporům, které později AMD vyhrálo. V roce 2006 společnost AMD ohlásila akvizici společnosti ATI Technologies a stala se tak předním světovým výrobcem grafických čipů. Firma AMD se v současné době věnuje hlavně vývoji procesorů (zejména x86 kompatibilních), grafických karet a čipsetů.

VIA[editovat | editovat zdroj]

Podrobnější informace naleznete v článku VIA Technologies.

VIA Technologies je tchaj-wanský výrobce integrovaných obvodů, procesorů, pamětí a největší nezávislý výrobce čipsetů na světě. Společnosti založil v roce 1983 zaměstnanec Intelu Wen Chi Chen a zabývá především integrací čipů na základní desce, snižováním spotřeby a vývojem čipů pro práci se zvukem, obrazem nebo čipů pro optické mechaniky, síťové karty, grafické karty a počítačové periferie. V únoru 2005 firma oslavila výrobu 100 milionů čipsetu VIA AMD.

IBM[editovat | editovat zdroj]

Podrobnější informace naleznete v článku IBM.

International Business Machines Corporation (IBM) se řadí mezi největší společnosti na světě a mezi její hlavní činnosti patří v současnosti výroba a prodej počítačového hardwaru a softwaru. Společnost má sídlo v New Yorku, USA. Firma vznikla již roku 1880 jako Computing-Tabulating-Recording Company a zabývala se vývojem prostředků ke čtení dat z děrných štítků, zpracování dat, ale například i výrobou kráječů masa, kuchyňských vah nebo minutek. Firma dodávala prostředky ke zpracování velkých objemů dat vládě Spojených Států nebo Třetí říši. IBM v roce 1957 vyvinula jazyk FORTRAN. Počítače IBM také pomáhaly NASA počítat údaje při letech do vesmíru. V roce 1981 začalo IBM prodávat počítač IBM PC, který se stal jedním z nejúspěšnějších počítačů tehdejší doby. V roce 2005 firma IBM odprodala divizi výroby počítačů společnosti Lenovo a zabývá se už pouze výrobou serverů a superpočítačů jako Blue Gene nebo IBM Watson, který dokázal porazit člověka ve hře Jeopardy!

Motorola[editovat | editovat zdroj]

Podrobnější informace naleznete v článku Motorola.

Motorola, Inc. je americký výrobce mobilních technologií a telefonů. Firma je ale známa i svými procesory. Firma byla založena roku 1928 a zabývala se vývojem elektronických součástek především z oblasti radiové elektroniky. Počínaje rokem 1958 a letem Exploreru 1 do vesmíru se Motorola stala dodavatelem radiové techniky pro většinu letů do vesmíru. V 80. letech byla Motorola významným dodavatelem integrovaných obvodů a mikročipů řad 6800 a 68000, které používaly firmy jako Atari ST, Amiga nebo Apple. Firma vyvinula princip sítě GSM a souvisejících technologií (jako například GPRS ve spolupráci s firmou Cisco)

Významné architektury procesorů[editovat | editovat zdroj]

Architektury mikropočítačů a osobních počítačů[editovat | editovat zdroj]

Architektury mikročipů[editovat | editovat zdroj]

Architektury procesorů pracovních stanic a serverů[editovat | editovat zdroj]

Malé/střední/velké architektury procesorů[editovat | editovat zdroj]

Nadcházející architektury procesorů[editovat | editovat zdroj]

Historicky významné procesory[editovat | editovat zdroj]

Historie mikroprocesorů[editovat | editovat zdroj]

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. Weik, Martin H.(1961)."A Third Survey of Domestic Electronic Digital Computing Systems". Ballistic Research Laboratories. 
  2. SPEC CPU2006 Results

Literatura[editovat | editovat zdroj]

Související články[editovat | editovat zdroj]

Externí odkazy[editovat | editovat zdroj]

Logo Wikimedia Commons
Wikimedia Commons nabízí obrázky, zvuky či videa k tématu