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.

Jadrá

V samotnom čipe procesora možno rozlíšiť bloky zabezpečujúce rôznu funkcionalitu. Najpodstatnejšou súčasťou sú tzv. jadrá, ktoré vykonávajú spracovanie inštrukcií programu, resp. jadro funkcionality CPU. Každé jadro je z hľadiska fungovania vlastne jedným procesorom—dnešný procesor prakticky vždy zahŕňa viacero CPU (jadier). Fungovaním samotného jadra sa budeme zaoberať v poslednej kapitole.

Vyrovnávacie pamäte (cache)

Pôvodný koncept počítača priraďoval k procesoru pracovnú pamäť, z ktorej sa vyvinula operačná pamäť (RAM). Už pomerne skoro sa zistilo, že operačná pamäť zvyčajne má nižšiu rýchlosť prístupu a prenosu dát, než ako rýchlo je schopný pracovať procesor a CPU preto často nemôže pokračovať v práci, pretože čaká, kým dorazia dáta z pamäte, alebo kým budú odoslané dáta zapísané do pamäte.

Tento problém riešia vyrovnávacie pamäte, inak povedané cache. Ich zmysel je v tom, že sú menšie, ale oveľa rýchlejšie než RAM. Procesor v nich tak môže udržiavať najčastejšie používané alebo práve spracovávané dáta a pracovať s nimi rýchlejšie, než by umožňovala samotná RAM—zmeny dát urobené vo vyrovnávacej pamäti je potom ale potrebné spätne zaniesť aj do operačnej pamäte. Dnešné procesory majú zvyčajne niekoľko hierarchií vyrovnávacích pamätí, pričom vyrovnávacia pamäť prvej úrovne má najvyšší výkon (najkratší čas prístupu, resp. latenciu a najvyššiu priepustnosť dát pri čítaní a zápise) vďaka tomu, že je najbližšie k výpočtovým a load/store jednotkám v jadre CPU, ale najnižšiu kapacitu v ráde jednotiek až desiatok kilobajtov.

Vyrovnávacia pamäť druhej úrovne má vyššiu kapacitu (v ráde stoviek kilobajtov až jednotiek megabajtov), ale aj dlhšiu latenciu a nižšiu priepustnosť a tak ďalej. Najčastejšie majú procesory tri úrovne vyrovnávacích pamätí (L1, L2, L3) s tým, že posledná je zdieľaná viacerými či všetkými jadrami. Navyše býva v procesoroch niekedy systémová vyrovnávacia pamäť (SLC, system level cache), ktorá sa považuje za odlišnú od bežnej pamäte poslednej úrovne preto, že do nej nemajú prístup iba jadrá CPU, ale aj ďalšie časti procesora (SoC), ako sú jednotky NPU na akceleráciu umelej inteligencie. SLC môže byť niekedy pridružená k radiču pamätí.

Prepojenie jadier a ďalších blokov

Jadrá musia byť pripojené k nejakému typu zbernice alebo prepojovacej logiky, ktorý z nich robí jeden procesor. Táto logika zabezpečuje, aby všetky jadrá mohli pristupovať k operačnej pamäti a mohli s ňou synchronizovať obsah svojich vyrovnávacích pamätí (je pritom dôležité zabezpečiť, aby žiadne jadro nepracovalo so starým obsahom RAM potom, čo ho zmenilo nejaké iné jadro v rámci svojej vyrovnávacej pamäte—táto zmena musí byť najprv premietnutá späť do RAM, aby ďalšie jadrá nepočítali s nesprávnymi hodnotami dát). Prepojovacia logika v procesore môže mať rôznu topológiu podobnú topológii sietí—môže byť plne prepojená (crossbar switch, keď každé jadro má priame prepojenie s každým), kruhová (ring bus), alebo typu mesh. Niekedy sú použité aj rôzne kombinácie, napríklad dvojice kruhových prepojení v určitých bodoch premostených.

Podobne ako sa v procesore nachádza prepojovacia logika prenášajúca dáta, musí obsahovať aj ďalšie systémy: napríklad systém šírenia hodinového signálu čipom a systém vodičov, ktoré do čipu privádzajú a v ňom rozvádzajú elektrický prúd zo základnej dosky. U moderných procesorov je napájanie komplexné—má niekoľko rôznych vetiev s rôznym napätím a vyžaduje veľmi precízne riadenie výšky napätia (chybné riadenie môže ľahko čip poškodiť) a veľká časť kontaktov procesora je dnes v skutočnosti používaná na privádzanie napätia a na uzemňovacie vodiče.

Radiče konektivity a pamätí

Procesor dnes obsahuje priamo v sebe bloky zabezpečujúce rôznu konektivitu, ktoré sú tiež napojené na jeho interné prepojenie. Z nich je najdôležitejší radič pamätí (operačnej pamäte), ktorý pracuje s RAM na pamäťových moduloch. Radiče konektivity PCI Express zabezpečujú túto konektivitu, ktorou sa k procesoru pripájajú periférie vrátane GPU, ale aj úložisko v podobe NVMe SSD. Prostredníctvom konektivity PCI Express alebo jej odvodených upravených verzií sa pripája aj prídavná čipová súprava. Procesory môžu mať ale integrované napríklad aj radič USB alebo ďalších rozhraní (I2C, SPI Flash na pripojenie čipu s firmvérom, a ďalších) a obrazových výstupov zo svojho integrovaného GPU.

Časti tejto konektivity sú funkcionalitou, ktorá sa do procesora presunula z predtým samostatných čipových súprav. Preto sa niekedy uvádza, že procesor má integrovaný severný mostík (pod čím sa typicky myslí integrovaný radič PCI Express) či južný mostík (čo sú radiče USB alebo rozhrania SATA pre pamäťové úložiska a optické mechaniky a podobné). Ide o historické označenia, takto sa predtým prezývali jednotlivé čipy čipových súprav v osobných počítačoch.

Integrované periférie

Do procesora sa k jadrám CPU pridávali postupne rôzne ďalšie funkcie. Dnes typicky obsahuje integrované GPU zabezpečujúce funkcie zodpovedajúce grafickej karte (ako grafickú pamäť využíva časť operačnej pamäte), hoci niektoré CPU pre stolové počítače a serverové CPU ho neobsahujú. Novšie sa do procesora pridáva NPU, čo je akcelerátor určený na výpočty umelej inteligencie. S GPU môžu byť integrované multimediálne bloky (enginy) na kompresiu a dekompresiu videa. Do budúcna môžu pribúdať rôzne ďalšie komponenty podľa potrieb počítačov—niektoré mobilné procesory už napríklad integrujú adaptér bezdrôtovej konektivity Wi-Fi, Bluetooth alebo modem mobilnej dátovej siete 5G (tieto adaptéry ale zvyčajne vyžadujú ďalší prídavný čip, do ktorého je vyčlenená analógová funkcionalita samotného rádiového vysielača a prijímača).

Riadiace jednotky, mikrokód

Dnešný SoC je extrémne komplexný systém a zvyčajne má nejakú vlastnú riadiacu jednotku, ktorá obsahuje vlastné samostatné zabudované jadro či jadrá, na ktorých beží firmvér, alebo dokonca má mnoho rôznych firmvérov pre rôzne svoje súčasti (u jadier CPU označovaný aj ako mikrokód). Tieto riadiace jednotky a ich firmvér nie sú bežne pre užívateľa a jeho softvér viditeľné, bežia na pozadí a zabezpečujú správnu inicializáciu a prevádzku jadier CPU, ktoré sú viditeľné pre užívateľa počítača a rôzny spúšťaný softvér. Tieto riadiace jednotky tiež môžu implementovať rôzne bezpečnostné technológie a ochrany—napríklad kontrolu autenticity (kryptografického podpisu) u spúšťaného firmvéru a operačného systému.

Operačná pamäť blízko procesora

Operačná pamäť je samostatný komponent mimo procesora, rovnako ako trvalé úložisko (SSD, HDD). Kvôli úspore miesta a prínosom, ktoré to môže mať na zníženie spotreby, ale niekedy procesory majú čipy s RAM (zvyčajne ide o mobilné typy LPDDR, napríklad LPDDR5X) osadené priamo na procesor (hovorí sa o on-package memory). Nie sú však integrované priamo v CPU v tom zmysle, že by sa nachádzali na rovnakom čipe—sú iba prispájkované na rovnaký substrát.

Výhoda tohto postupu je, že vodiče sú skrátené oproti situácii, keď najprv prejdú substrátom, jednou súpravou kontaktov do dosky plošných spojov tvoriacich základnú dosku, a až potom do pamäťových čipov. Z hľadiska architektúry ale toto osadenie funguje rovnako, ako keby pamäť bola osadená až na základnej doske. V budúcnosti je však možné, že integrácia pamätí na puzdro procesora prinesie rýchlejšie a výkonnejšie prepojenie medzi pamäťou RAM a CPU, než máme dnes.

Článok pokračuje na ďalšej strane…

⠀⠀⠀