Kurs obsługi komputera – Procesor część 1

    Pierwszym elementem składowym komputera jaki omówię będzie procesor. Nie bez podstawy jest on czasem nazywany mózgiem komputera. Bez procesora komputer byłby bezużyteczną kupą złomu. Czym jest więc to urządzenie?

Procesor często jest kojarzony tylko i wyłącznie z komputerem. Tak naprawdę z tego pożytecznego wynalazku korzysta ogromna ilość otaczających nas urządzeń. Procesory choć nie tak skomplikowane jak w komputerze, występują w wszelkich urządzeniach elektronicznych które do swojej pracy potrzebują obliczeń. Wieże Hi-Fi, telewizory, czy tez elektronika samochodów zawierają układy scalone, które są odpowiedzialne za prawidłową pracę tych urządzeń.

Układ scalony to nic innego jak tysiące, a czasem miliony mikroskopijnych tranzystorów, które połączone w odpowiedni sposób potrafią wykonywać wiele skomplikowanych obliczeń. Oczywiście procesor komputera to nie tylko układ scalony. Składa się on z wielu ściśle ze sobą powiązanych części. Nie wdając się w szczegóły można powiedzieć że układ scalony do pracy potrzebuje odpowiedniego napięcia. Musi się on także znajdować wśród innych elementów które w całości potrafią wykonywać coś pożytecznego jak np. wyświetlanie obrazu na ekranie naszego telewizora.

HISTORIA

    Zanim zagłębimy się bardziej w tą tematykę parę słów o tym jak to się zaczęło. A zaczęła firma Intel już w roku 1971. Wtedy to firma ta zaprezentowała pierwszy procesor o nazwie dość mało przystępnej….4004.  Następnie wyszedł 8086, 8088, 80286, 80386, 80486…. I ktoś się zorientował że dalsze numerowanie kolejnych procesorów nie dla każdego może być zrozumiale i pogubić się można. Dlatego następcę 80486 nazwano już bardziej po ludzku… Pentium.

Wielu ludzi spytanych o procesor komputera, odruchowo skojarzy to z nazwa Pentium. Nic dziwnego marka ta mocno wbiła się w świadomość ludzi.

Jednak procesory to nie tylko Intel. To także firma AMD która cały czas rywalizuje z tym gigantem. Reszta firm , mimo iż kiedyś były obecne na rynku komputerów, powoli zeszła na margines i zajęła się innymi wymagającymi rynkami, jak choćby telekomunikacja (komórki), samochody i inny sprzęt który do swojego działania potrzebuje procesorów. Nie są one wprawdzie tak zaawansowane jak te w komputerach (często to pojedyncze układy scalone , nadzorujące tylko pracę danej części urządzenia), jednak potrafią dużo. Te inne firmy to między innymi IBM (choć tu akurat ciągle zaznaczona jest obecność tej firmy na rynku komputerów, głównie w stanach), Fujitsu, Sony, Toshiba, Freescale Semiconductor (dawniej Motorola) i inne.

Interesują nas komputery więc w dalszej części zajmiemy się tylko dwiema firmami , które zdominowały ten rynek, a więc Intel i AMD.

Budowa

    Dokładna budowa procesorów to temat na niejedną książkę. Jednak Wszystkie od dawien dawna maja podobną budowę. Sercem procesora (rdzeniem) jest  monokryształ krzemu, na którym naniesiono specjalną techniką szereg półprzewodników. W zależności od modelu i zastosowania tworzą one od tysięcy do milionów tranzystorów. A to wszystko na malutkim kawałku krzemu. Połączenia wykonywane są głównie z aluminium. Aby procesor mógł się komunikować z komputerem, musi mieć złącza, które umożliwia otrzymywanie i wysłanie rozkazów (operacje które wykonuje procesor , nazywane są rozkazami). Są one często pozłacane, i umieszczone na płytce, na której znajduje się rdzeń i inne pomocnicze układy procesora, zamknięte razem w hermetycznej obudowie.

Jednak na przestrzeni lat , wygląd procesorów dość często ulegał drobnym zmianom. Był umieszczany w plastikowych obudowach, zmieniał się trochę jego kształt. Wszystko to, plus zamieszanie w nazwach kolejnych modeli , oraz gniazd do których dane procesory pasowały, sprawiło iż bardzo trudno się w tym można połapać. Jednak o tym później.

Terminologia

Największą trudność sprawia zrozumienie terminów które często są podawane w fachowej literaturze, a także w sklepach do określania parametrów procesorów. Jednak zwykłemu użytkownikowi komputera wystarczy  znajomość niewielkiej ilości z tych terminów.

Mówiąc o procesorze często słyszy się też określenie CPU (ang. Central Processing Unit). Jest to inna nazwa dla procesora. Jednak niektórzy wolą nazywać procesor jednostką centralną. Wszystkie te terminy oznaczają w zasadzie  to samo.

Porównując procesory, pierwsze co się podaje to tak zwaną częstotliwość ( szybkość) zegara. Procesor wykonuje rozkazy kolejno w bardzo szybkim czasie. Jednak pracę całego procesora kontroluje właśnie wewnętrzny zegar, tzw. Taktowanie. Im szybciej ów zegar „bije” tym szybciej wykonywane są rozkazy, i tym szybszy jest procesor.  Częstotliwość tą podaje się w hercach. Pierwsze procesory były taktowane 4,77 MHz (Mega herca –  mega to tysiąc). Z biegiem lat częstotliwości te wzrastały. W końcu przekroczono magiczną liczbę jednego Giga herca (1024 Mega). W tej chwili prędkości procesorów przekroczyły wartość kilku GHz. Sprawa jest prosta. Teoretycznie im większa częstotliwość tym lepiej, w praktyce czasami duże znaczenie mają także inne czynniki (dokładnie o tym w części drugiej tego tematu). Jednak walka o coraz szybszy zegar trochę osłabła gdyż pojawiła się inna możliwość przyspieszenia procesora bez przyspieszania zegara. Zwiększona ilość rdzeni.

Najpierw wprowadzono procesor dwurdzeniowy. Na jednej podstawce procesora zostały umieszczone dwa rdzenie, komunikujące się ze sobą. Idea była prosta. Skoro jeden procesor wykonuje jakieś zadania , to dwa procesory będą to robić szybciej. W praktyce , firmy produkujące sprzęt zanadto wybiegły w przyszłość i z początku procesory dwurdzeniowe nie miały szans pokazać swoich możliwości z prostej przyczyny – braku odpowiedniego oprogramowania. Obecnie sytuacja się już poprawiła i  dwa rdzenie potrafi wykorzystać zarówno system operacyjny jaki i coraz więcej oprogramowania. Mimo wszystko część użytkowników nie do końca wie o co w tym chodzi. Dwa rdzenie nie oznaczają ze procesor będzie dwa razy szybszy (maksymalnie wydajność procesora dwu rdzeniowego w stosunku do tego z jednym rdzeniem, zwiększona jest o około 80%). Przy normalnej pracy zachowuje się on jak zwykły procesor jednordzeniowy. Dopiero przy bardziej wymagających aplikacjach widać różnicę (pod warunkiem, że potrafią one dwa rdzenie wykorzystać). Także uruchomienie dwóch wymagających programów  równocześnie, cechuje się większą wydajnością na procesorze z dwoma rdzeniami.

Jeśli dwa rdzenie to czemu nie cztery? I tak w sklepach pojawiły się też procesory 4-rdzeniowe. I znów trochę za szybko. W tej chwili praktycznie , zwykły użytkownik komputera nie ma jak w pełni wykorzystać 4 rdzeni. Skorzystają z tego tylko ci co pracują nad zaawansowaną obróbka video czy grafiki. W zwykłych zadaniach w zupełności starcza procesor 2 rdzeniowy. Oczywiście sytuacja ciągle się zmienia i za kilka miesięcy zapewne cztery   rdzenie powoli będą mieć coraz więcej roboty.

Mówiąc o procesorach często się słyszy i czyta iż są wykonane w technologii np. 0.18 mikrona. Na początku procesory posiadały mało tranzystorów upakowanych nie dość gęsto. Wynikało to oczywiście z niedoskonałej technologii. Z czasem nauczono się coraz bardziej miniaturyzować układy scalone. Procesor 80486  był jednym z pierwszych, w którym szerokość ścieżek była mniejsza od jednego mikrona (jedna milionowa metra). Od tamtego czasu zaczął się istny wyścig o miniaturyzację układów. Im mniejsze ścieżki tym więcej tranzystorów można umieścić na takim samym obszarze. Wraz  z kolejnymi generacjami procesorów , zmienia się też technologia ich wykonania. Stopniowo wprowadzano technologie 0.35 mikrona , 0.18. Następnie przekroczono barierę 0.09 mikrona i na tym się nie skończyło. Miniaturyzacja trwa dalej. I będzie trwała, dopóki nie osiągnie się bariery technologicznej. Jednak już teraz myśli się o komputerach kwantowych i innych rozwiązaniach, które jeśli w końcu zostaną zrealizowane, będzie nas czekać kolejna rewolucja. Często przy opisywaniu technologii wykonania procesora , mówi się o nanometrach zamiast mikronach. Terminy te są stosowane zamiennie, lecz oznaczają to samo. Gęstość upakowania układów. Obecne procesory produkowane są w technologii 45 nm.

Co technologia wykonania w praktyce daje użytkownikowi prócz szybszych  procesorów? Mniejsze zużycie energii. Im mniejsze układy, tym mniej energii potrzeba na ich zasilanie, przy równoczesnej większej szybkości działania. Mniej energii to także mniej wydzielanego ciepła przez procesor w czasie pracy, a co za tym idzie nie trzeba stosować coraz większego układu chłodzącego.

Bity

Kolejna ważna sprawa jeśli idzie o procesory to czy jest on 32 czy 64 bitowy. Często mówi się też o długości słowa równej 32 lub 64 bity.

Początkowo procesory były 4, a potem 8 – bitowe. Mieliśmy procesory 16 bitowe, a następnie 32 bitowe. Co właściwie daje nam większa ilość bitów? Długo można by o tym pisać. Jednak jedne z najważniejszych korzyści to adresowanie pamięci RAM. Procesory 32-bitowe mogą zaadresować do 2³² komórek pamięci czyli maksymalnie 4 Gb. W tej chwili powoli 4 giga pamięci staje się niewystarczające. Dlatego gdy chcemy więcej musimy mieć procesor 64 bitowy. Pozwala on zaadresować do 16 Eb (eksabajtów) pamięci! Wielkość ta jest w tej chwili niewyobrażalna jednak w informatyce nigdy nie mówi się nigdy. Paręnaście lat temu uważano ze 1 Mb pamięci w zupełności wystarczy 🙂 . Jak widać mocno się pomylono.

Większa ilość bitów to także więcej możliwości dla programistów. Niesie to za sobą lepsze i wydajniejsze programy, a także np. coraz lepszą grafikę w grach komputerowych. Jednak istnieje tu jedna zasada. Aby wykorzystać procesor 64-bitowy musimy mieć także system operacyjny 64 – bitowy. Bez 64-bitowego systemu możemy zapomnieć o zaletach  procesora 64-bitowego. Nie zostaną one po prostu wykorzystane. Jeśli 64-bitowy system to i sterowniki. Bez tego sprzęt nie będzie prawidłowo korzystał z 64 bitowego procesora.

Oczywiści da się uruchomić aplikację 32-bitowe (większość obecnych programów i gier to 32 -bity) a nawet dosowe 16-bitowe, na  procesorze i systemie operacyjnym 64 bitowym. Wprowadzono bowiem specjalny emulator który na to pozwala. Problemy mogą się jednak pojawić przy tych aplikacjach które odwołują się do jądra systemu operacyjnego.  Zostało ono zmienione w stosunku do tego 32- bitowego i w takim wypadku mogą się pojawić problemy.

W przyszłości zapewne 64 bity w końcu całkowicie wyprą 32 bity, tak jak to kiedyś miało miejsce z 16 – bitami. Póki co jeśli chcemy korzystać z 64-bitowego procesora, musimy pamiętać o 64-bitowym systemie.

Jeszcze jedna ważna uwaga. Nie da się uruchomić 64-bitowego systemu na procesorze 32 bitowym! Sprzęt tu dyktuje ilość możliwych bitów.

Pamięć podręczna cache

Przy opisach procesora spotykamy się także z określeniem pamięci podręcznej cache. Obecnie mamy do 3 poziomów pamięci cache. Poziom L1 (zintegrowany z procesorem) a także poziomy L2 i L3 umieszczane w jednym chipem w procesorze lub oddzielnie na płycie głównej komputera.

Co daje nam pamięć cache? Przyspiesza dostęp do relatywnie wolnej pamięci RAM.  Cache charakteryzuje się bowiem bardzo krótkim czasem dostępu. Jest używana do przechowywania danych, które będą w niedługim czasie przetwarzane. Dzięki temu procesor nie musi czekać na dane z pamięci RAM. Jeśli posiada potrzebne dane w cache pobiera je właśnie stamtąd co znacznie przyspiesza jego działanie.

Oczywiście pamięć cache ma znaczni mniejsze rozmiary niż RAM (a to dlatego że jest   znacznie droższa). Zazwyczaj waha się ona od kilkuset kilobajtów do kilku mega. W zasadzie im większa pamięć cache procesora, tym jego większa wydajność w niektórych zastosowaniach. Jednak więcej cache to także  wyższa cena procesora. Poza tym nie zawsze różnice są widoczne. Różnica wydajności np. między pamięcią cache drugiego poziomu  512 Kb, a 1 Mb jest  w sumie symboliczna. Jednak kupując i porównując procesory warto zwrócić uwagę na ilość pamięci cache. Pamięć cache L1 jest najszybsza, a pamięć L3 najwolniejsza. Wszystkie one są o wiele szybsze niż pamięć RAM i to wpływa ogromnie na podniesienie wydajności pracy procesora.

FSB i mnożnik

Kolejnymi elementami ważnymi w procesorach jest FSB i mnożnik.

FSB to magistrala systemowa, która łączy procesor z pamięcią RAM. FSB generowane jest przez płytę główną, jakkolwiek każdy procesor ma przypisane nominalne FSB, podczas gdy mnożnik jest, właściwością procesora. I tak np. procesor o taktowaniu  800 Mhz będzie miał mnożnik 8x (osiem razy), a jego FSB będzie wynosić 100 Mhz. Z tego 100Mhz razy 8 daje 800 Mhz.

Mnożnik procesora i FSB ważne jest przede wszystkim dla tych co chcą podwyższyć szybkość pracy swojego procesora, powyżej tego co dał producent. Skoro częstotliwość procesora jest wynikiem pomnożenia mnożnika i FSB to wydaje się logicznym iż jeśli podwyższymy FSB zwiększy się też szybkość procesora. A jeśli zwiększymy mnożnik? Tak samo.

W praktyce zwiększenie częstotliwości  FSB to nie taka prosta sprawa. Pozwala na to tylko niewiele płyt głównych z wysokiej półki. Natomiast    zwiększenie mnożnika jest np. w procesorach Intela już zupełnie niemożliwe, gdyż producent zablokował możliwość zmieniania mnożnika.

Informacje te należy traktować raczej jako ciekawostkę. Podkręcanie procesora to ryzykowna sprawa i zwykłym użytkownikom nie jest to polecane. Jednak często częstotliwość procesora jest podawana nie jako np. 2,5 Ghz tylko mamy informację o FSB 333 Mhz i mnożnik 7,5x. Dzięki tym informacjom możemy łatwo dowiedzieć się jaka prędkość taktowania ma dany procesor.

Inne terminy

To  wszystko powyżej to podstawowe informacje o procesorze. Kupując procesor często spotkamy się z tymi terminami i dobrze jest choć ogólnie wiedzieć „z czym to się je”.

Jednak przy reklamowaniu procesora producent często podaje także inne hasła. Oto niektóre z nich:

MMX – technologie MMX wprowadził po raz pierwszy Intel w swoim Pentium MMX. To zestaw specjalnych instrukcji , które zwiększają wydajność procesora przy aplikacjach multimedialnych. Są one wykorzystywane głównie do określonych zadań. Potem większość procesorów również innych producentów korzystała z MMX

SSE – kolejne rozszerzeni zestawu instrukcji procesora. Następnie pojawiały się SSE2, 3,4 i SSE5 które stopniowo dodawały nowe instrukcje. Wszystko to aby   procesor był wykorzystywany jak najbardziej wydajnie.

3DNow! – kolejne rozszerzenie, tym razem wspierające tworzenie grafiki trójwymiarowej. Zostało wprowadzone przez firmę AMD. Potem wprowadzono 3dNow!Professional zawierające dodatkowo SSE co sprawiło iż procesory AMD stały się 100% kompatybilne  z intelowskim SSE.

HT (Hyper-Threading) hiperwątkowość – wprowadzone przez firmę Intel. Pozwalało   osiągnąć większą wydajność o  około 20%. Procesor z HT widziany jest w  systemie jako dwa oddzielne procesory. Często technologia ta jest  mylona z wieloma rdzeniami procesora co jest   całkowicie mylne. W praktyce powoli odchodzi się od tego pomysłu na rzecz zwiększenia liczby rdzeni w procesorze co bardziej zwiększa  wydajność (do 80%).

 

Poszczególni  producenci procesorów stale próbują wprowadzać coraz to nowsze rozwiązania i technologię aby przyspieszyć działanie procesorów. Jednak tak szybki postęp niesie za sobą utrudnienia. W zasadzie kolejne generacje procesorów wymagają coraz to nowszych płyt głównych, gdyż nie pasują gniazda. Przez to mamy niemałe zamieszane i często trudność w tym aby  dobrać płytę główna do procesora, tak aby pasowały.

Planowałem aby umieścić wszystkie informacje w jednym odcinku jednak temat ten jest tka rozległy iż dokończenie będzie w kolejnej części. Tam opiszę po kolei wszystkie procesory Intela i AMD (prócz tych co już praktycznie się nie używa), a także jakie podstawki są do nich potrzebne. Spróbuję też odpowiedzieć na pytanie czym kierować się przy zakupie procesora i jakie problemy mogą z nim wyniknąć. Kolejna część za tydzień.

Informację które tu zawarłem są efektem długiego przeszukiwania różnych źródeł , tak aby były one jak najbardziej rzetelne, a jednocześnie w miarę prosty sposób wyjaśniały co i jak. Jednak zdaję sobie sprawę iż w tekście tym mogą zdarzyć się pomyłki. Wszystkich którzy takowe wynajdą proszę o kontakt. Zachęcam także do zadawania własnych pytań w dziedzinie procesorów. Temat ten jest na tyle rozległy, że nie sposób go wyczerpać. Na wszystkie pytania odpowiem w następnej części.