Centrālais procesors

Vēsture

Centrālais procesors ir kā mašīna, kas var izpildīt datora programmas. Šī definīcija varētu tikt attiecināta uz daudziem agrāko paaudžu datoriem, kuri pastāvēja ilgi pirms termina "centrālais procesors" plašākas izplatības. Pats termins un tā iniciāļi (CPU — angļu: Central Processing Unit) tiek lietoti datoru rūpniecībā jau kopš 1960. gadu sākuma. Salīdzinājumā ar pirmsākumiem, forma, konstrukcija un centrālā procesora jauda ir dramatiski mainījusies, bet būtiskākās pamatdarbības ir saglabājušās nemainīgas. Agrāk centrālais procesors bija pamatkonstrukcija — kā daļa no lielāka datora. Standartizācija tendence sāka atsevišķu tranzistoru lieldatoru un personāldatoru ērā un ātri paātrināja mikroshēmu popularizēšanu. Zinātnes un tehnikas straujā attīstība pavēra aizvien plašākas iespējas centrālo procesoru attīstībā. Miniaturizācija un standartizācija ir palielinājusi šo ciparu ierīču klātbūtni modernā pasaulē tālu ārpus skaitļošanas mašīnām. Moderni mikroprocesori ir sastopami it visur — no automašīnām un mobilajiem telefoniem, līdz pat bērnu rotaļlietām.

Raksturojošie lielumi

Svarīgākie centrālo procesoru raksturojošie lielumi ir takts frekvence, konveijera dziļums, kešatmiņas apjoms, tranzistoru izmērs, kristālvirsmas izmērs, ligzdas tips un atbalstītās tehnoloģijas.

Takts frekvence

Izpildot algoritmus, procesors veic milzīgu skaitu vienkāršu soļu. Šos soļus sauc par taktīm, un to skaitu, ko procesors spēj izpildīt vienā sekundē, sauc par procesora takts frekvenci. Procesora takts frekvence tiek mērīta megahercos (MHz), agrāk takta frekvenci mērīja kilohercos (1KHz = 1000Hz), bet mūsdienās tā tiek mērīta megahercos (1MHz = 1000KHz), bet bieži tā tiek izteikta gigahercos (1GHz = 1000MHz). Mūsdienās takts frekvences lielums procesoros sasniedz 4000 MHz un vairāk. Jo skaitlis ir lielāks, jo procesors ir ātrāks, tomēr procesora takts frekvence nav tā ātrdarbības galīgais rādītājs, vēl ir jāņem vērā, kādu skaitu komandu procesors spēj izpildīt vienā taktī un lai to izdarītu, tika ieviesta mērvienība, ar kuru var mērīt procesora ātrdarbību. Šo mērvienību sauc MIPS (angļu: Million Operations Per Second — miljons operāciju sekundē). Takts frekvence ir viena no noteicošajiem rādītājiem, kas ietekmē procesora ātrdarbību, tomēr svarīgākais ir pareiza proporcija visos procesora raksturlielumos, kā arī to var ietekmēt procesora tips, atmiņas apjoms un pat mātes plates veids. Jāņem vērā, ka dažādu tipu procesoru ātrdarbība pie vienas un tās pašas frekvences var ļoti atšķirties. Katrs procesors ir konstruēts un ražots darbam pie noteiktas frekvences, kuras pārsniegšana var izraisīt procesora darbības traucējumus un tā mūža saīsināšanos. Svarīgi ievērot, ka frekvence, ar kuru strādā pats procesors, saukta par iekšējo frekvenci, tiek realizēta tikai pašā procesorā un nosaka tikai paša procesora ātrdarbību. Datu apmaiņa ar pamatplati notiek ar ārējo frekfenci, kura parasti ir robežās no 60—800 MHz. Iekšējo frekvenci veido ārējā ar reizinātāju 1,5—4.
Intel procesoriem un AMD K6 procesoriem skaitlis pēc nosaukuma norāda iekšējo frekvenci, piemēram, Pentium III 800 MHz. AMD K5, AMD Althon, AMD Duron un Cyrix procesoriem nosaukumā neuzdod reālo frekvenci, bet gan uzdod salīdzinājumā ar Intel Pentium frekvenci. Piemēram, AMD Athlon XP 2100+ strādā ar 1733 MHz frekvenci, Cyrix 6x — P200+ strādā ar 150MHz frekvenci. Tomēr šie procesora ražīguma salīdzinājumi nav korekti.
Centrālā procesora takts frekvence parasti ir noteikta pēc kristāla ģeneratora frekvences. Pirmais komerciālais personālais dators "Altair 8800" izmantoja Intel 8080 CPU ar takts frekvenci 2 MHz (2 miljoni darbības sekundē). Sākotnējam IBM personālajam datoram (1981. gads) takts frekvence bija 4,77 MHz (4 772 727 darbības sekundē). 1995. gadā, Intel Pentium plate darbojās 100 MHz (100 miljoni darbības sekundē), bet 2002. gadā, Intel Pentium 4 bija pirmais centrālais procesors ar takts frekvenci 3 GHz (trīs miljardi darbības sekundē).

Konveijera dziļums

Konveijera dziļums parāda, cik procesi var tikt vienlaicīgi apstrādāti, protams, katrs savā gatavības formā. Pārāk dziļš konveijers ir par lielu un daudzas taktis tiek laistas pa tukšo (ja programmā ir sazarojums, konvejieru nākas iztukšot (pabeigt visus iesāktos procesus) un ja konveijers ir garāks, stipri sazarotām programmām tas ir neefektīvāks). Intel izrāda savu varu, ieliekot 32 konvejiera rindas, bet patiesībā tas ir absolūti lieki un palēnina citus procesus. AMD ar savām 14 rindām ir nošāvuši divus zaķus ar vienu šāvienu - konvejieris nestāv tukšs un tiek atvēlēta vieta svarīgākām lietām, kā, piemēram, L1.

Kešatmiņa

L1 ir kešatmiņa, kas noder, lai ātri piegādātu atkārtoti nepieciešamo informāciju. Nav daudz, ko teikt - jo vairāk, jo labāk. L1 ir pirmā līmeņa kešatmiņa, kas parasti strādā ar procesora kodola frekvenci, L2 ir otrā līmeņa kešatmiņa, un tā var būt lēnāka.