▷ Què és un processador i com funciona

Avui ens disposem a veure una mica de maquinari. El nostre equip està format per gran quantitat de components electrònics que en el seu conjunt són capaços de emmagatzema i processar dades. El processador, CPU o unitat central de processament és el seu component principal. Anem a parlar que és un processador, quins són els seus components i com funciona aquest en forma detallada.

Preparat? Comencem!

Índex de continguts

Què és un processador?

El primer que haurem de definir és què és un microprocessador per saber tota la resta. El microprocessador és el cervell d'un ordinador o ordinador, està compost per un circuit integrat encapsulat en un xip de silici que el componen milions de transistors. La seva funció és processar les dades, controlar el funcionament de tots els dispositius de l'ordinador, al menys de gran part d'ells i el més important: s'encarrega de realitzar les operacions lògiques i matemàtiques.

Si ens adonem, totes les dades que circular per la nostra màquina són impulsos elèctrics, compostos per senyals d'uns i zeros anomenats bits. Cadascuna d'aquestes senyals s'agrupen en un conjunt de bits que formen les instruccions i els programes. El microprocessador és l'encarregat de donar sentit a tot això realitzant operacions bàsiques: SUMA, RESTA, AND, OR, MUL, DIV, OPOSAT I INVERS. Llavors tenim que el microprocessador:

• Decodifica i executa les instruccions dels programes carregats en la memòria principal de l'ordinador. Coordina i controla tots els components que formen el ordenats i els perifèrics que estan connectats a aquest, ratolí, teclat, impressora, pantalla, etc.

Els processadors solen ser actualment de forma quadrada o rectangular i es troben col·locats sobre un element anomenat sòcol fixat a la placa base. Aquesta s'encarregarà de distribuir les dades entre el processador i la resta d'elements connectats a ella.

Arquitectura d'un ordinador

En les següents seccions veurem tot l'arquitectura d'un processador.

Arquitectura de Von Neumann

Des de la invenció dels microprocessadors fins a dia d'avui aquests estan basats en una arquitectura que divideix el processador en diversos elements que després veurem. Aquesta rep el nom d'arquitectura de Von Neumann. És una arquitectura inventada el 1945 pel matemàtic Von Neumann que descriu el disseny d'un computador digital dividit en una sèrie de parts o elements.

Els processadors actuals encara estan basats en la seva gran majoria en aquesta arquitectura bàsica, encara que lògicament s'han introduït gran quantitat d'elements nous fins a comptar amb els extremadament complets elements que avui dia tenim. Possibilitat de múltiples números en un mateix xip, elements de memòria en diversos nivells, processador de gràfics incorporat, etc.

Parts internes d'un ordinador

Les parts bàsiques d'un ordinador segons aquesta arquitectura són les següents:

• Memòria: és l'element on es guarden les instruccions que executa el computador i les dades sobre els quals operen les instruccions. Aquestes instruccions reben el nom de programa. Unitat Central de Procés o CPU: és l'element que ja hem definit anteriorment. És l'encarregat de processar les instruccions que li arriben de la memòria Unitat d'entrada i sortida: permet la comunicació amb els elements de l'exterior. Busos de dades: són les pistes, vies o cables que connecten físicament els elements anteriors.

Elements d'un microprocessador

Un cop definides les parts principals d'un ordinador i havent entès com circula la informació per ella.

• Unitat de control (UC): és l'element que s'encarrega d'impartir les ordres mitjançant els senyals de control, per exemple, el rellotge. Busca les instruccions en la memòria principal i les passa a l'descodificador d'instruccions perquè s'executin. Parts internes:
  1. Rellotge: genera una ona quadrada per sincronitzar les operacions de l'processador Comptador de programa: conté l'adreça de memòria de la següent instrucció que es va a executar Registre d'instruccions: conté la instrucció que s'està executant actualment Seqüenciador: genera ordres elementals per al processament de la instrucció. Descodificador de instruccions (DI): s'encarrega d'interpretar i executar les instruccions que arriben, extraient el codi d'operació de la instrucció.

• Unitat aritmètic lògica (ALU): s'encarrega de fer els càlculs aritmètics (SUMA, RESTA, MULTIPLICACIÓ, DIVISION) i operacions lògiques (AND, OR,…). Parts internes.
  1. Circuit operacional: contenen els multiplexors i circuits per fer operacions. Registres d'entrada: s'emmagatzemen les dades i operat abans d'entrar a l'circuit operacional Acumulador: emmagatzema els resultats de les operacions realitzades Registre d'estat (Flag): emmagatzema certes condicions que s'han de tenir en compte en operacions posteriors.

• Unitat de coma flotant (FPU): aquest element no estava en el disseny original de l'arquitectura, posteriorment va ser introduït quan les instruccions i càlculs es van fer més complexos amb l'aparició dels programes representats gràficament. Aquesta unitat s'encarrega de realitzar les operacions en coma flotant, és a dir, nombres reals. Banc de registres i la memòria cau (Cache): els processadors actuals compten amb una memòria volàtil que fa de pont des de la memòria RAM fins a la CPU. Aquesta és molt més ràpida que la memòria RAM i s'encarrega d'accelerar els accessos de l'microprocessador a la memòria principal.

• Bus frontal (Front Side Bus, FSB): També es coneix com a bus de dades, bus principal o bus de sistema. És la via o canal que comunica el microprocessador amb la placa base, concretament amb el xip anomenat pont nord o nothbridge. Aquest s'encarrega de controlar el funcionament de l'bus principal de la CPU, la RAM i els ports d expansió com són els PCI-Express.Los termes utilitzats per definir a aquest bus són "Quick Path Interconnect" per a Intel i "HyperTransport" per AMD

Font: sleeperfurniture.co

Font: ixbtlabs.com

• Bus del darrere (Back Side BUS, BSB): aquest bus comunica la memòria cau de nivell 2 (L2) amb el processador, sempre que aquesta no estigui integrada en el propi nucli de la CPU. En l'actualitat tots els microprocessadors disposen de memòria cau integrada en el propi xip, de manera que aquest bus també forma part de el mateix xip.

Microprocessador de dos o més nuclis

En un mateix processador no només tindrem aquests elements distribuïts en el seu interior, sinó que a més ara es troben replicats. Disposarem de diversos nuclis de processament o el que és el mateix diversos microprocessadors dins de la unitat. Cada un d'aquests comptarà amb la seva pròpia memòria cau L1 i L2, normalment la L3 es reparteix entre ells, a parells o en conjunt.

A més d'això comptarem amb una ALU, UC, DI i FPU per a cada un dels nuclis de manera que la velocitat i capacitat de processament es multipliquen en funció de la quantitat de nuclis que tingui. També apareixen nous elements dins dels microprocessadors:

• Controlador de memòria integrat (IMC): Ara amb l'aparició de diversos nuclis el processador compta amb un sistema que li permet accedir directament a la memòria principal. GPU integrada (IGP): la GPU s'encarrega de el processament de gràfics. Aquests són majoritàriament operacions de coma flotant amb cadenes de bits de gran densitat, de manera que el processament és molt més complex que les dades de programa normals. A causa d'això, hi ha gammes de microprocessador que implementen en el seu interior una unitat exclusivament destinada a el processament de gràfics.

Alguns processadors, com els AMD Ryzen, no integren targeta gràfica interna. Només els seus APU?

Funcionament d'un microprocessador

Un processador funciona mitjançant instruccions, cadascuna d'aquestes instruccions és un codi binari d'una determinada extensió que la CPU és capaç d'entendre.

Un programa, per tant, és un conjunt d'instruccions i per a executar-s'ha de realitzar de forma seqüencial, és a dir, executant en cada pas o període de temps d'aquestes instruccions. Per executar una instrucció hi ha diverses fases:

• Cerca d la instrucció: portem la instrucció des de la memòria a l'procesadorDecodificación de la instrucció: la instrucció es divideix en codis més simple entenedores per la CPU Recerca de operats: amb la instrucció carregada en la CPU cal buscar l'operador de correspondre Execució de la instrucció: es realitza l'operació lògica o aritmètica necessària Emmagatzematge de el resultat: el resultat s'emmagatzema a la memòria cau

Cada processador treballa amb un determinat conjunt d'instruccions, aquestes han anat evolucionant a la vegada que els processadors. La denominació de x86 o X386 es refereix a el conjunt d'instruccions amb les que un processador treballa.

Tradicionalment als processadors de 32 bits se les ha anomenat també x86, això es deu al fet que en aquesta arquitectura han treballat amb aquest conjunt d'instruccions des del processador Intel 80386 que va ser el primer a implementar una arquitectura de 32 bits.

Aquest conjunt d'instruccions és necessari actualitzar-lo per treballar més eficientment i amb programes més complexos. A vegades veiem que en els requisits perquè un programa s'executi vénen un conjunt de sigles com SSE, MMX, etc. Aquestes són el conjunt d'instruccions amb les que un microprocessador pot tractar. Així tenim:

• SSE (Streaming SIMD Extensions): van dotar a les CPU per treballar amb operacions en coma flotant. SSE2, SSE3, SSE4, sse5, etc: diferents actualitzacions d'aquest conjunt d'instruccions.

Incompatibilitat entre processadors

Tots recordem cunado un sistema operatiu d'Apple o es podia executar en un PC amb Windows o Linux. Això és degut a el tipus d'instruccions dels diferents processadors. Apple usada processadors PowerPC, que treballaven amb unes instruccions diferents de Intel i AMD. D'aquesta forma existeixen diversos dissenys d'instruccions:

• CISC (Complex Instruction Set Computer): és la que utilitzen Intel i AMD, es tracta d'utilitzar un conjunt de poques instruccions, però complexes. Tenen major consum de recursos, a l'ésser instruccions més completes que necessiten diversos cicles de rellotge. RISC (Reduced Instruction Set Computer): és la que utilitzaven Apple, Motorola, IBM i PowerPC, aquests són processadors més eficients a l'comptar amb més instruccions, però de menor complexitat.

Actualment els dos sistemes operatius són compatibles perquè Intel i AMD implementen una combinació d'arquitectures en els seus processadors.

Procés d'execució d'una instrucció

1. El processador es reinicia a l'rebre un senyal de RESET, d'aquesta manera es prepara el sistema rebent un senyal de rellotge que determinarà la velocitat de l'procés.En el registre CP (comptador de programa) es carrega l'adreça de memòria en la qual comença el programa.La unitat de control (UC) emet l'ordre per portar la instrucció que la RAM té emmagatzemada en la direcció de memòria que hi ha al CP.A continuació, la RAM envia la dada i aquest es col·loca en el bus de dades fins que s'emmagatzema en el RI (Registre d'instrucció).La UC gestiona el procés i la instrucció passa a l'descodificador (d) per trobar el significat de la instrucció. Seguidament aquesta passa per la UC per ser ejecutadaUna vegada que se sap quina és la instrucció i quina operació s'ha de realitzar, es carreguen totes dues en els registres d'entrada (REN) de la ALU.La ALU executa l'operació i col·loca el resultat en el bus de dades i a l'CP se li suma 1 per a executar la següent instrucció.

Com saber si un processador és bo

Per saber si un microprocessador és bo o dolent ens hem de fixar en cadascun dels seus components interns:

Amplada de l'bus

L'amplada d'un bus determina la mida dels registres que poden circular per ell. Aquesta amplada ha de coincidir amb la mida dels registres de l'processador. D'aquesta manera tenim que l'amplada que té el bus representa el registre més gran que aquest és capaç de transportar en una sola operació.

Directament relacionat amb el bus estarà també la memòria RAM, aquest ha de ser capaç d'emmagatzemar cada un d'aquests registres amb l'amplada que aquests tinguin (això es diu ample de paraula de la memòria).

El que tenim actualment en tant a ample de bus és 32 bits o 64 bits, és a dir, podrem transportar, emmagatzema i processar de forma simultània cadenes de 32 o 64 bits. Amb 32 bits tenint cada un la possibilitat de ser 0 o 1 podrem adreçar una quantitat de memòria de 2 ³² (4GB) i amb 64 bits 16 EB Exabytes. Això no vol dir que tinguem 16 Exabytes de memòria en el nostre equip, sinó que representa la capacitat de direcció i utilitzar una determinada quantitat de memòria. D'aquí surt la famosa limitació dels sistemes de 32 bits d'adreçar només 4 GB de memòria.

En definitiva, com més ample de bus més capacitat de treball

memòria cau

Aquestes memòries són molt més petites que la memòria RAM però molt més ràpides. La seva funció és emmagatzemar les instruccions que justament es van a processar o les últimes processades. Com més memòria cau, major serà la velocitat de transaccions que la CPU pugui agafar i deixar anar.

Aquí hem de ser conscients que tot el que arriba a el processador provenen de el disc dur, i aquest es pot dir que és tremendament més lent que la memòria RAM i encara molt més que la memòria cau. És per aquest motiu pel que es van dissenyar aquestes memòries en estat sòlid, per solució el gran coll d'ampolla que és el disc dur.

I ens preguntarem, per què llavors no fabriquen solament memòries caixets de grans dimensions, la resposta és simple, perquè són molt cares.

Velocitat interna de l'processador

La velocitat internet és gairebé sempre és el més cridaner quan mirem un processador. "El processador va a 3, 2 GHz", però, què és això? La velocitat és la freqüència de rellotge a la qual treballar el microprocessador. Com més gran sigui aquesta velocitat més quantitat d'operacions per unitat de temps serà capaç de realitzar. Això es tradueix en major rendiment, per això mateix hi ha la memòria cau, per accelerar la presa de dades per part de l'processador per fer sempre el màxim d'operacions per unitat de temps.

Aquesta freqüència de rellotge ve donada per un senyal d'ona quadrada periòdica. El temps màxim per fer una operació és d'un període. El període és la inversa de la freqüència.

Però no tot és velocitat. Hi ha molts components que influeixen en la velocitat d'un processador. Si per exemple tenim un processador de 4 nuclis a 1, 8 GHz i un altre d'un sol nucli a 4, 0 GHz, és segur que el de quatre nuclis és més ràpid.

Velocitat de el Bus

A l'igual que és important la velocitat de l'processador, també és important la velocitat de l'bus de dades. La placa base sempre treballa a una freqüència de rellotge molt menor que la de l'microprocessador, per aquest motiu necessitarem un multiplicador que ajusti aquestes freqüències.

Si per exemple tenim una placa base amb un bus a una freqüència de rellotge de 200 MHz un multiplicador de 10x arribarà a una freqüència de CPU de 2 GHz.

microarquitectura

La microarquitectura d'un processador determina la quantitat de transistors que hi ha per unitat de distància en ell. Aquesta unitat es mesura actualment en nm (nanòmetres) mentre menor sigui, més quantitat de transistors es podrà introduir, i, per tant, més quantitat d'elements i circuits integrats es podran albergar.

Això influeix directament en el consum d'energia, dispositius més petits necessitarà un menor flux d'electrons, de manera que menor serà la quantitat d'energia necessària per fer les mateixes funcions que en una microarquitectura de major grandària.

Font: intel.es

Refrigeració de components

A causa de l'enorme velocitat que arriba a la CPU, el pas de corrent genera calor. A més freqüència i voltatge hi haurà una major generació de calor, per això és necessari refrigerar aquest component. Hi ha diverses maneres de fer això:

• Refrigeració passiva: mitjançant dissipadors metàl·lics (coure o alumini) que incrementen la superfície de contacte amb l'aire mitjançant aletes. Refrigeració activa: a més de l'dissipador també es col·loca un ventilador per proporcionar un flux d'aire forçat entre les aletes de l'element passiu.

• Refrigeració líquida: consta d'un circuit compost per una bomba i un radiador aletejat. Es fa circular l'aigua per un bloc situat a la CPU, l'element líquid recull la calor generada i el transporta fins al radiador, que mitjançant ventilació forçada dissipa la calor disminuint novament la temperatura de el líquid.

Alguns processadors inclouen dissipador. Normalment no són res de l'altre món… però serveixen per fer caminar el PC i millorar-ho a el temps

• Refrigeració per Heatpipes: el sistema està format per un circuit tancat de tubs de coure o alumini plens de fluid. Aquest fluid recull la calor de la CPU i s'evapora pujant fins a la part superior de sistema. en aquest punt hi ha un dissipador aletejat que intercanvia la calor de el fluid des de l'interior a l'aire exterior, d'aquesta manera el fluid es condensa i torna a baixar fins al bloc de la CPU.

et recomanem

Amb això conclou el nostre article sobre què és un processador i com és el seu funcionament de forma detallada. Esperem que t'hagi agradat.