Mikä on CPU ja mitä se tekee?

Tietokoneesi tärkein osa, jos joudut valitsemaan vain yhden, olisi keskusyksikkö (CPU). Se on ensisijainen keskus (tai "aivot"), ja se käsittelee ohjelmista, käyttöjärjestelmästä tai muista tietokoneesi komponenteista tulevat ohjeet.

1 ja 0

Tehokkaampien suorittimien ansiosta olemme siirtyneet tuskin mahdollisuudesta näyttää kuvaa tietokoneen näytöllä Netflixiin, videokeskusteluun, suoratoistoon ja yhä todentuntuisempiin videopeleihin.

CPU on tekniikan ihme, mutta ytimessä se perustuu edelleen binaarisignaalien (1 ja 0) tulkinnan peruskäsitteeseen. Erona on nyt se, että nykyaikaiset suorittimet käyttävät pienikokoisia transistoreita sen sijaan, että lukisivat boolikortteja tai käsittelisivät tyhjöputkisarjoja.

Suorittimen perusteet

Suorittimen valmistus on monimutkaista. Tärkeä seikka on, että jokaisessa suorittimessa on piitä (joko yksi tai useampi kappale), johon mahtuu miljardeja mikroskooppisia transistoreita.

Kuten aiemmin mainitsimme, nämä transistorit käyttävät sarjaa sähköisiä signaaleja (virta "päällä" ja virta "pois") edustamaan koneen binäärikoodia, joka koostuu 1: stä ja 0: sta. Koska näitä transistoreita on niin paljon, suorittimet voivat tehdä yhä monimutkaisempia tehtäviä suuremmilla nopeuksilla kuin ennen.

Transistorin määrä ei välttämättä tarkoita, että prosessori on nopeampi. Se on kuitenkin edelleen perustavanlaatuinen syy, miksi puhelimessasi, jota pidät taskussa, on paljon enemmän laskentatehoa kuin ehkä koko planeetalla, kun menimme ensimmäisen kerran kuuhun.

Ennen kuin siirrymme ylöspäin prosessorien käsitteellisiä tikkaita, puhutaan siitä, kuinka CPU suorittaa konekoodiin perustuvia ohjeita, joita kutsutaan "komentojoukoksi". Eri yritysten suorittimilla voi olla erilaiset ohjeet, mutta eivät aina.

Esimerkiksi useimmat Windows-tietokoneet ja nykyiset Mac-suorittimet käyttävät x86-64-komentosarjaa riippumatta siitä, ovatko ne Intel- vai AMD-suorittimia. Vuoden 2020 loppupuolella debytoivilla Mac-tietokoneilla on kuitenkin ARM-pohjaiset suorittimet, jotka käyttävät erilaista komentojoukkoa. ARM-prosessoreita käyttävissä Windows 10 -tietokoneissa on myös pieni määrä.

RELATED: Mikä on binaarinen, ja miksi tietokoneet käyttävät sitä?

Ytimet, välimuistit ja grafiikat

Katsotaan nyt itse piitä. Yllä oleva kaavio on Intelin vuonna 2014 julkaistusta valkoisesta paperista, joka kertoo yrityksen suorittimen arkkitehtuurista Core i7-4770S: lle. Tämä on vain esimerkki yhdestä prosessorista - muilla prosessoreilla on erilaiset asettelut.

Voimme nähdä, että tämä on neljän ytimen prosessori. Oli aika, jolloin CPU: lla oli vain yksi ydin. Nyt kun meillä on useita ytimiä, ne käsittelevät ohjeita paljon nopeammin. Ytimissä voi olla myös jotain, jota kutsutaan hyperlangaksi tai samanaikaiseksi monisäikeiseksi (SMT), mikä tekee yhdestä ytimestä PC: lle kaksi. Kuten voit kuvitella, tämä nopeuttaa käsittelyaikoja entisestään.

Tämän kaavion ytimet jakavat jotain, jota kutsutaan L3-välimuistiksi. Tämä on eräänlainen sisäinen muisti prosessorin sisällä. Suorittimissa on myös L1- ja L2-välimuistit jokaiseen ytimeen sekä rekisterit, jotka ovat eräänlainen matalan tason muisti. Jos haluat ymmärtää eroja rekisterien, välimuistien ja järjestelmän RAM-muistien välillä, tutustu tähän vastaukseen StackExchangessa.

Edellä esitetty CPU sisältää myös järjestelmäagentin, muistiohjaimen ja muut piiosat, jotka hallitsevat tietoja, jotka tulevat CPU: han ja lähtevät siitä.

Lopuksi on prosessorin sisäinen grafiikka, joka tuottaa kaikki ne upeat visuaaliset elementit, jotka näet näytölläsi. Kaikki prosessorit eivät sisällä omia grafiikkatoimintojaan. Esimerkiksi AMD Zen -tietokoneen suorittimet vaativat erillisen näytönohjaimen näyttääkseen mitä tahansa näytöllä. Jotkin Intel Core -tietokoneen suorittimet eivät myöskään sisällä sisäistä grafiikkaa.

CPU emolevyllä

Nyt kun olemme tarkastelleet, mitä tapahtuu suorittimen konepellin alla, katsotaanpa, kuinka se integroituu muun tietokoneen kanssa. Suoritin on tietokoneen emolevyn ns. Liitännässä.

Kun se on asetettu pistorasiaan, muut tietokoneen osat voivat muodostaa yhteyden keskusyksikköön niin sanotun väylän kautta. Esimerkiksi RAM muodostaa yhteyden keskusyksikköön oman väylän kautta, kun taas monet PC-komponentit käyttävät tietyntyyppistä väylää, jota kutsutaan "PCIe: ksi".

Jokaisella suorittimella on joukko PCIe-kaistoja, joita se voi käyttää. Esimerkiksi AMD: n Zen 2 -prosessoreilla on 24 kaistaa, jotka yhdistävät suoraan prosessoriin. Emolevynvalmistajat jakavat nämä kaistat sitten AMD: n ohjeiden mukaan.

Esimerkiksi 16 kaistaa käytetään tyypillisesti x16-näytönohjainpaikkaan. Sitten on neljä kaistaa varastointiin, kuten yksi nopea tallennuslaite, kuten M.2 SSD. Vaihtoehtoisesti nämä neljä kaistaa voidaan myös jakaa. Kaksi kaistaa voidaan käyttää M.2 SSD: lle ja kaksi hitaammalle SATA-asemalle, kuten kiintolevy tai 2,5 tuuman SSD.

Se on 20 kaistaa, loput neljä varattu piirisarjalle, joka on emolevyn viestintäkeskus ja liikenteenohjain. Piirisarjalla on sitten oma joukko väyläyhteyksiä, mikä mahdollistaa vieläkin useamman komponentin lisäämisen tietokoneeseen. Kuten voit odottaa, tehokkaampilla komponenteilla on suorempi yhteys suorittimeen.

Kuten näette, CPU suorittaa suurimman osan käskyjen prosessoinnista ja joskus jopa grafiikka toimii (jos se on rakennettu sitä varten). Suoritin ei kuitenkaan ole ainoa tapa käsitellä ohjeita. Muilla komponenteilla, kuten näytönohjaimella, on omat prosessorin ominaisuudet. GPU käyttää myös omia prosessointikykyjään työskennellessään suorittimen kanssa ja pelien pelaamiseksi tai muiden grafiikkaa intensiivisten tehtävien suorittamiseksi.

Suurin ero on se, että komponenttiprosessorit on rakennettu tiettyjä tehtäviä ajatellen. Suoritin on kuitenkin yleiskäyttöinen laite, joka kykenee suorittamaan mitä tahansa laskutustehtävää, jota sitä pyydetään tekemään. Siksi CPU hallitsee korkeinta tietokonettasi, ja muu järjestelmä luottaa siihen, että se toimii.