Ako funguje procesor. Určené pre stredné školy

Procesor, označovaný aj ako centrálna procesorová jednotka (CPU), je najzákladnejšou a stále najdôležitejšou súčasťou počítača. Ide o tú časť, ktorá spracúva a vykonáva všetky úlohy dané inštrukciami, ktoré sa počítaču zadávajú prostredníctvom kódu programov, súčasne sa k nej rôznymi spôsobmi pripájajú periférne zariadenia, operačná pamäť a úložisko (disk, SSD a predtým napríklad aj pásky). Je to teda naozaj centrálny prvok počítača.

Úloha CPU

Procesor, ktorý sa odborne nazýva aj centrálna procesorová jednotka (CPU), sa niekedy zjednodušene prirovnáva k mozgu počítača (niekedy sa objavuje aj prirovnanie k srdcu, čo však môže byť zavádzajúce, pretože by sa dalo namietať, že funkcii krvného obehu v počítači zodpovedá skôr napájanie elektrinou, zatiaľ čo jadro funkcie počítača je obdobou myslenia). Ani pripodobnenie k mozgu nie je perfektné, pretože mozog zabezpečuje aj dlhodobú a krátkodobú pamäť—zatiaľ čo v počítači sú tieto funkcie zabezpečené nie centrálnou procesorovou jednotkou, ale úložiskom a operačnou pamäťou.

V informatike platí, že procesor (CPU) je tým komponentom počítača, ktorý vykonáva program—teda jednotlivé strojové inštrukcie, ktoré program tvoria. Musí súčasne s tým aj obsluhovať vstupy a výstupy dát, ktoré program ovládajú alebo s ktorými program pracuje či ich tvorí. CPU je teda najdôležitejším elementom tvoriacim akýkoľvek počítač a najdôležitejšou časťou jeho funkcionality (nie však celou, stále sú potrebné ony funkcie úložiska a pracovnej pamäte a fyzické zariadenia, ktoré nejako do počítača dostanú vstupy a z neho von výstupy).

Prvé procesory zložené zo súčiastok a mikroprocesorová revolúcia

Procesory alebo elektronické obvody zodpovedajúce ich funkcii boli v historických počítačoch najprv tvorené samostatnými súčiastkami. Na začiatku na základe elektrónok a relé (z nich konštruované počítače boli veľmi veľké a menej spoľahlivé), neskôr na základe polovodičových tranzistorov. Aj procesor tvorený oddelenými tranzistormi, alebo integrovanými obvodmi malej a strednej integrácie s viacerými tranzistormi v jednom puzdre (TTL), mohol celkovo zaberať značnú veľkosť, tvorený mohol byť aj niekoľkými doskami plošných spojov.

To, ako si dnes procesor predstavujeme, sa objavilo pod označením mikroprocesor na začiatku 70. rokov. Mikroprocesor je procesor, ktorý je celý vyrobený ako integrovaný obvod, čiže čip. Ideálne jediný, ale môže ísť aj o niekoľko menších čipov (pozoruhodné je, že v najnovších CPU sa začala konštrukcia z viacerých tzv. čipletov opäť objavovať). Za prvý mikroprocesor sa zvyčajne označuje značne obmedzený 4-bitový Intel 4004 pre kalkulačky z roku 1971. Avšak v rovnakom čase bolo vo vývoji viac kandidátov od rôznych firiem, z ktorých bol Intel 4004 prvý na trhu.

Mikroprocesory boli pre vývoj počítačov a všetkej od nich odvodenej pokročilej elektroniky a techniky revolučné. Po nejaký čas v sedemdesiatych rokoch a na začiatku osemdesiatych rokov ešte použitie procesorov zložených zo súčiastok pretrvávalo vo výkonnejších, tzv. sálových počítačoch a minipočítačoch, kým schopnosti a spočiatku nižší výkon mikroprocesorov po tomto prechodnom období neprekonali možnosti procesorov zostavených z TTL.

Postupom času ale s pokrokom výrobných technológií neustále pokračujúce vylepšovanie a pokrok mikroprocesorov umožnili veľmi rýchly rozvoj sofistikovaných architektúr, otvorili možnosť využívať pre ne čím ďalej vyšší počet tranzistorov a celkovo dosahovať lepšieho a lepšieho výkonu. A to zároveň pri znižovaní ceny a zjednodušovaní výroby celého počítača. Mikroprocesory sa preto zhruba počas osemdesiatych rokov postupne stali jedinou používanou formou procesorov. Všetky dnešné procesory (CPU) sú mikroprocesory, ale väčšinou už toto dlhšie pomenovanie nepoužívame.

Procesor a jadrá

Historicky vyvinutá koncepcia počítača pracovala s procesorom, ktorý spracovával jeden program (proces), tzv. v jednom vlákne—tzv. sériovo. Avšak postupne sa vyvinuli počítače s viacerými procesormi (keď každý bol vo vlastnej pätici na doske) fungujúcimi súčasne, ktoré umožňovali beh viacerých vlákien (procesov) súčasne, tzv. paralelne. S viacprocesorovými systémami sa stále stretávate v serveroch, sú označované napríklad „2S“, „4S“, „8S“ podľa počtu procesorov (písmeno S tu označuje socket, alebo päticu pre procesor—tieto označenia teda doslova uvádzajú počet pätíc pre procesory na doske počítača).

V prvých rokoch 21. storočia sa potom objavili dvoj- a viacjadrové procesory. V osobných počítačoch to bolo v roku 2005 s procesormi AMD Athlon 64 a Intel Pentium D. Procesor s viacerými jadrami znamená, že v jednom celku označenom ako procesor je vlastne integrovaných paralelne niekoľko CPU/procesorov, ktoré môžu súčasne spracovávať každý vlastné procesy/vlákna. Ide vlastne o spojenie skoršieho viacprocesorového systému do jedného procesora, ktorý zaberá len jednu päticu na doske.

Týmto jednotlivým procesorom sa odvtedy hovorí jadrá a termínom „procesor“ v súčasnosti označujeme až celok, ktorý všetky jadrá združuje. Opäť možno povedať, že dnes už sú takmer všetky štandardné procesory viacjadrové, výnimky by sa našli len v špeciálnejších nasadeniach (zabudované zariadenia a procesorové jadrá v mikroradičoch).

Od mikroprocesora k „SoC“

Okrem prechodu od skorejších čisto jednojadrových procesorov k dnešným viacjadrovým prešli procesory počnúc zhruba začiatkom 21. storočia ďalšou premenou, keď sa zo súčiastky, ktorá implementovala len funkcionalitu tradične spájanú s koncepciou procesora (v zmysle CPU, čiže onej centrálnej procesorovej jednotky), stáva čip integrujúci mnohé ďalšie funkcie, ktoré sa do neho postupne začali pridávať.

Na čip tvoriaci CPU sa začali presúvať radiče rôznych rozhraní a konektivity (počnúc radičom pamätí), ktoré predtým bývali poskytované externou čipovou súpravou, ale aj celé periférie, ako napríklad grafický adaptér a akcelerátor (čiže GPU), prípadne sieťové adaptéry.

Tým vzniká typ procesora, ktorému sa hovorí SoC (system on a chip, čiže „systém na čipe“). Táto skratka znamená, že v jednom procesore (čipe) je integrovaná celá alebo takmer celá funkcionalita, ktorú počítač vyžaduje. Táto definícia zvyčajne nezahŕňa do SoC úložisko a operačnú pamäť. Procesor typicky tieto komponenty neobsahuje a pre vytvorenie počítača tak v praxi potrebujete nielen SoC, ale ešte operačnú pamäť a SSD, ako aj nejakú základnú dosku či iný spôsob, ako ich prepojiť.

Označenie SoC sa dnes najčastejšie používa pre mobilné procesory s architektúrou ARM v telefónoch a mobilných zariadeniach, ale súčasné procesory x86 v osobných počítačoch už bežne ponúkajú prakticky rovnako kompletnú funkcionalitu počítača a tiež ich možno považovať za plnohodnotné SoC, hoci sa pre ne tento termín používa menej často.

Článok pokračuje na ďalšej strane…

⠀⠀⠀