▷ Parti di un processore all'esterno e all'interno: concetti di base?

Sicuramente sappiamo tutti che cos'è una CPU, ma sappiamo davvero quali sono le parti di un processore ? Ognuno dei principali, che sono necessari per questo piccolo quadrato di silicio per essere in grado di elaborare grandi quantità di informazioni, essere in grado di trasferire l'umanità in un'era in cui, senza avere sistemi elettronici, sarebbe una vera e propria debacle.

I trasformatori fanno già parte della nostra vita quotidiana, in particolare delle persone che sono nate negli ultimi 20 anni. Molti si sono completamente mescolati con la tecnologia, per non parlare dei piccoli che portano uno smartphone sotto le braccia invece di una pagnotta… In tutti questi dispositivi, c'è un elemento comune chiamato un processore, che è responsabile di dare "intelligenza" a le macchine intorno a noi. Se questo elemento non esistesse, né computer, cellulari, robot e linee di assemblaggio, in breve, tutti avrebbero lavoro… ma sarebbe impossibile arrivare dove li abbiamo fatti, non esiste ancora un mondo come "Matrix" ma andrà tutto.

Indice dei contenuti

Che cos'è un processore e perché è così importante

Prima di tutto, dobbiamo essere consapevoli che non solo un computer ha un processore all'interno. Tutti i dispositivi elettronici, tutti, hanno al loro interno un elemento che funziona come un processore, che si tratti di un orologio digitale, un automa programmabile o uno Smartphone.

Ma ovviamente, dobbiamo anche essere consapevoli che, a seconda delle loro capacità e per ciò che vengono prodotti, i processori possono essere più o meno complessi, dalla semplice esecuzione di una successione di codici binari all'illuminazione di un pannello LED, alla gestione di enormi quantità di informazioni, compreso l'apprendimento da esse (apprendimento automatico e intelligenza artificiale).

La CPU o Central Processing Unit in spagnolo è un circuito elettronico in grado di eseguire i compiti e le istruzioni contenute in un programma. Queste istruzioni sono notevolmente semplificate e si riducono ai calcoli aritmetici di base (addizione, sottrazione, moltiplicazione e divisione), operazioni logiche (AND, OR, NOT, NOR, NAND) e controllo input / output (I / O). dei dispositivi.

Quindi il processore è l'elemento responsabile dell'esecuzione di tutte le operazioni che formano le istruzioni di un programma. Se ci mettiamo nel punto di vista della macchina, queste operazioni sono ridotte a semplici catene di zeri e quelle, chiamate bit, e che rappresentano gli stati corrente / non corrente, formando così strutture logiche binarie di cui persino l'essere umano è capace. comprendere e programmare in codice macchina, assemblatore o attraverso un linguaggio di programmazione di livello superiore.

I transistor, i colpevoli di tutto

I processori non esisterebbero, almeno altrettanto piccoli, se non fosse per i transistor. Sono l'unità base per così dire di qualsiasi processore e circuito integrato. È un dispositivo a semiconduttore che chiude o apre un circuito elettrico o amplifica un segnale. In questo modo, è come possiamo creare uno e zero, il linguaggio binario che la CPU comprende.

Questi transistor sono nati come valvole del vuoto, enormi dispositivi simili a lampadine in grado di eseguire le stesse commutazioni del transistor, ma con elementi meccanici nel vuoto. Computer come l' ENIAC o l'EDVAC avevano al loro interno delle valvole del vuoto invece dei transistor ed erano immensamente grandi e praticamente consumavano l'energia di una piccola città. Queste macchine furono le prime con l' architettura Von Neumann.

Ma negli anni '50 -'60, iniziarono a essere create le prime CPU a transistor - infatti, fu IBM nel 1958 quando creò la sua prima macchina basata su transistor a semiconduttore con IBM 7090. Da allora l'evoluzione è stata spettacolare, produttori come Intel e successivamente AMD hanno iniziato a creare i primi processori per computer desktop, implementando la rivoluzionaria architettura x86, grazie alla CPU Intel 8086. In effetti, anche oggi, i nostri processori desktop si basano su questa architettura, in seguito vedremo le parti del processore x86.

Successivamente, l'architettura ha iniziato a diventare sempre più complessa, con chip più piccoli e anche con la prima introduzione di più core all'interno, e quindi con core appositamente dedicati all'elaborazione grafica. Anche i banchi di memoria ultraveloci chiamati cache memory e il bus di connessione con la memoria principale, RAM, sono stati introdotti all'interno di questi piccoli chip.

Le parti esterne di un processore

Dopo questa breve rassegna della storia dei processori fino ai nostri giorni, vedremo quali elementi esterni ha un processore attuale. Stiamo parlando di elementi fisici che possono essere toccati e che sono in vista dell'utente. Questo ci aiuterà a comprendere meglio le esigenze fisiche e di connettività di un processore.

presa di corrente

Il socket o socket della CPU è un sistema elettromeccanico installato in modo fisso su una scheda madre che è responsabile dell'interconnessione del processore con gli altri elementi sulla scheda e sul computer. Esistono diversi tipi base di socket sul mercato e anche con molte configurazioni diverse. Ci sono tre elementi nel tuo nome o denominazione che ci faranno capire di quale stiamo parlando:

Il produttore può essere Intel o AMD nel caso di personal computer, questo è qualcosa di semplice da capire. Per quanto riguarda il tipo di connessione, abbiamo tre diversi tipi:

• LGA: (array di contatti di rete), significa che i pin di contatto sono installati nel socket stesso, mentre la CPU ha solo un array di contatti piatto. PGA: (array di griglia di pin), è esattamente l'opposto del precedente, è il processore che ha i pin e il socket i fori per inserirli. BGA: (array griglia a sfera), in questo caso il processore è direttamente saldato alla scheda madre.

Per quanto riguarda l'ultimo numero, identifica il tipo di distribuzione o il numero di pin di connessione che la CPU ha con il socket. Ce ne sono moltissimi sia in Intel che in AMD.

sottofondo

Il substrato è fondamentalmente il PCB in cui è installato il chip di silicio che contiene il circuito elettronico dei nuclei, chiamato DIE. I processori di oggi possono avere più di uno di questi elementi installati separatamente.

Ma anche questo piccolo PCB contiene l'intera matrice di pin di connessione con la presa della scheda madre, quasi sempre placcata in oro per migliorare il trasferimento di elettricità e con protezione da sovraccarichi e sovratensioni sotto forma di condensatori.

DIE

Il DIE è precisamente il quadrato o il chip che contiene tutto il circuito integrato e i componenti interni di un processore. Visivamente, è visto come un piccolo elemento nero che sporge dal substrato e fa contatto con l'elemento di dissipazione del calore.

Poiché l'intero sistema di elaborazione è al suo interno, il DIE raggiunge temperature incredibilmente elevate, quindi deve essere protetto da altri elementi.

IHS

Chiamato anche DTS o Integrated Thermal Diffuser, e la sua funzione è catturare tutta la temperatura dei core del processore e trasferirla sul dissipatore di calore che questo elemento ha installato. È fatto di rame o alluminio.

Questo elemento è un foglio o incapsulamento che protegge il DIE dall'esterno e può essere a diretto contatto con esso mediante pasta termica o saldato direttamente. Nelle apparecchiature di gioco personalizzate, gli utenti rimuovono questo IHS per mettere i dissipatori di calore direttamente a contatto con il DIE usando la pasta termica in un composto di metallo liquido. Questo processo si chiama delidding e il suo scopo è migliorare sostanzialmente le temperature del processore.

dissipatore

L'elemento finale che è responsabile per catturare più calore possibile e trasferirlo nell'atmosfera. Sono blocchi piccoli o grandi in alluminio e una base in rame, dotati di ventole che aiutano a raffreddare l'intera superficie mediante una corrente d'aria forzata attraverso le alette.

Ogni processore per PC ha bisogno di un dissipatore di calore per funzionare e mantenere le sue temperature sotto controllo.

Bene, queste sono le parti di un processore esternamente, ora vedremo la parte più tecnica, i suoi componenti interni.

Von Neumann architecture

I computer di oggi si basano sull'architettura di Von Neumann, che era il matematico incaricato di dare vita ai primi computer della storia nel 1945, sai, ENIAC e gli altri suoi grandi amici. Questa architettura è sostanzialmente il modo in cui gli elementi o i componenti di un computer sono distribuiti in modo da renderne possibile il funzionamento. Si compone di quattro parti di base:

• Memoria di programma e dati: è l'elemento in cui sono memorizzate le istruzioni da eseguire nel processore. È costituito da unità di archiviazione o dischi rigidi, RAM ad accesso casuale e programmi che contengono le istruzioni stesse. Central Processing Unit o CPU: questo è il processore, l'unità che controlla ed elabora tutte le informazioni che provengono dalla memoria principale e dai dispositivi di input. Unità di input e output: consente la comunicazione con periferiche e componenti collegati all'unità centrale. Fisicamente potremmo identificarli come slot e porte della nostra scheda madre. Bus dati: sono le tracce, le tracce o i cavi che collegano fisicamente gli elementi, in una CPU sono divisi in bus di controllo, bus di dati e bus di indirizzo.

Processori multi-core

Prima di iniziare a elencare i componenti interni di un processore, è molto importante sapere quali sono i core di un processore e la loro funzione in esso.

Il nucleo di un processore è il circuito integrato responsabile dell'esecuzione dei calcoli necessari con le informazioni che lo attraversano. Ogni processore funziona a una certa frequenza, misurata in MHz, che indica il numero di operazioni che è in grado di eseguire. Bene, i processori attuali non hanno solo un core, ma molti di essi, tutti con gli stessi componenti interni e in grado di eseguire e risolvere istruzioni contemporaneamente in ogni ciclo di clock.

Quindi, se un core processor può eseguire un'istruzione in ciascun ciclo, se ne avesse 6, potrebbe eseguire 6 di queste istruzioni nello stesso ciclo. Questo è un drammatico aggiornamento delle prestazioni, ed è esattamente quello che fanno i processori di oggi. Ma non abbiamo solo i core, ma anche l'elaborazione dei thread, che sono come una sorta di core logici attraverso i quali circolano i thread di un programma.

Visita il nostro articolo su: quali sono i thread di un processore? Differenze con i nuclei per saperne di più sull'argomento.

Parti interne di un processore (x86)

Esistono diverse architetture e configurazioni di microprocessori, ma quella che ci interessa è quella che si trova all'interno dei nostri computer, e questo è senza dubbio quello che riceve il nome di x86. Potremmo vederlo direttamente fisicamente o schematicamente per renderlo un po 'più chiaro, sapere che tutto ciò è all'interno del DIE.

Dobbiamo tenere presente che l'unità di controllo, l'unità aritmetica-logica, i registri e la FPU saranno presenti in ciascuno dei core del processore.

Diamo prima un'occhiata ai principali componenti interni:

Unità di controllo

In inglese chiamato Conrol Unit o CU, è incaricato di dirigere il funzionamento del processore. Lo fa inviando comandi sotto forma di segnali di controllo alla RAM, all'unità logica aritmetica e ai dispositivi di input e output in modo che sappiano come gestire le informazioni e le istruzioni che vengono inviate al processore. Ad esempio, raccolgono dati, eseguono calcoli e archiviano i risultati.

Questa unità assicura che il resto dei componenti funzioni in sincronia usando i segnali di clock e temporizzazione. Praticamente tutti i processori hanno questa unità all'interno, ma diciamo che è al di fuori di ciò che è il nucleo dell'elaborazione stessa. A sua volta, possiamo distinguere al suo interno le seguenti parti:

• Clock (CLK): è responsabile della generazione di un segnale quadrato che sincronizza i componenti interni. Esistono altri orologi responsabili di questa sincronia tra elementi, ad esempio il moltiplicatore, che vedremo più avanti. Program counter (CP): contiene l'indirizzo di memoria dell'istruzione successiva da eseguire. Registro istruzioni (RI): salva le istruzioni in esecuzione Sequencer e Decoder: interpreta ed esegue le istruzioni tramite comandi

Unità aritmetica-logica

Lo saprai sicuramente con il suo acronimo "ALU". L'ALU è responsabile dell'esecuzione di tutti i calcoli aritmetici e logici con numeri interi a livello di bit, questa unità funziona direttamente con le istruzioni (operandi) e con l'operazione che la centrale le ha impartito (operatore).

Gli operandi possono provenire dai registri interni del processore o direttamente dalla memoria RAM, e possono anche essere generati nella stessa ALU a seguito di un'altra operazione. L'output di questo sarà il risultato dell'operazione, essendo un'altra parola che verrà memorizzata in un registro. Queste sono le sue parti base:

• Registri di ingresso (REN): mantengono in essi gli operandi da valutare. Codice operazione: la CU invia l'operatore in modo che l'operazione venga eseguita Accumulatore o Risultato: il risultato dell'operazione esce dall'ALU come un registro di stato di parola binaria (Flag): memorizza diverse condizioni da prendere in considerazione durante l'operazione.

Unità a virgola mobile

Lo saprai come FPU o Floating Point Unit. Fondamentalmente si tratta di un aggiornamento effettuato dai processori di nuova generazione specializzato nel calcolo delle operazioni in virgola mobile utilizzando un coprocessore matematico. Esistono unità che possono persino eseguire calcoli trigonometrici o esponenziali.

Fondamentalmente si tratta di un adattamento per aumentare le prestazioni dei processori nell'elaborazione grafica in cui i calcoli da eseguire sono molto più pesanti e complessi rispetto ai normali programmi. In alcuni casi, le funzioni della FPU sono eseguite dalla stessa ALU usando un microcodice di istruzioni.

record

I processori di oggi hanno il loro sistema di archiviazione, per così dire, e l'unità più piccola e più veloce sono i registri. Fondamentalmente si tratta di un piccolo magazzino in cui sono memorizzate le istruzioni che vengono elaborate e i risultati ottenuti da esse.

Memoria cache

Il prossimo livello di archiviazione è la memoria cache, che è anche una memoria estremamente veloce, molto più della memoria RAM che è responsabile della memorizzazione delle istruzioni che verranno utilizzate immediatamente dal processore. O almeno proverai a memorizzare le istruzioni che ritieni verranno utilizzate, poiché a volte non c'è altra scelta che richiederle direttamente dalla RAM.

La cache degli attuali processori è integrata nello stesso DIE del processore ed è divisa in un totale di tre livelli, L1, L2 e L3:

• Cache di livello 1 (L1): è il più piccolo dopo i log e il più veloce dei tre. Ogni core di elaborazione ha la propria cache L1, che a sua volta è divisa in due, i dati L1 che sono responsabili della memorizzazione dei dati e l' istruzione L1, che memorizza le istruzioni da eseguire. Di solito è 32 KB ciascuno. Cache di livello 2 (L2) - Questa memoria è più lenta di L2, ma anche più grande. In genere, ogni core ha il proprio L2, che può essere di circa 256 KB, ma in questo caso non è direttamente integrato nel circuito principale. Cache di livello 3 (L3): è la più lenta delle tre, sebbene molto più veloce della RAM. Si trova anche al di fuori dei nuclei ed è distribuito tra diversi nuclei. Si estende tra 8 MB e 16 MB, anche se nelle CPU molto potenti arriva fino a 30 MB.

Autobus in entrata e in uscita

Il bus è il canale di comunicazione tra i diversi elementi che compongono un computer. Sono le linee fisiche attraverso le quali circolano i dati sotto forma di elettricità, le istruzioni e tutti gli elementi necessari per l'elaborazione. Questi bus possono essere posizionati direttamente all'interno del processore o all'esterno di esso, sulla scheda madre. Esistono tre tipi di bus su un computer:

• Bus dati: sicuramente il più semplice da capire, perché è il bus attraverso il quale circolano i dati inviati e ricevuti dai diversi componenti, da o verso il processore. Ciò significa che è un bus bidirezionale e attraverso di esso farà circolare le parole con una lunghezza di 64 bit, la lunghezza che il processore è in grado di gestire. Un esempio di bus dati è LANES o PCI Express Lines, che comunicano la CPU con gli slot PCI, ad esempio per una scheda grafica. Bus indirizzo: il bus indirizzo non fa circolare i dati, ma gli indirizzi di memoria per individuare dove si trovano i dati memorizzati. La RAM è come un grande archivio dati diviso in celle e ognuna di queste celle ha il suo indirizzo. Sarà il processore che richiede i dati alla memoria inviando un indirizzo di memoria, questo indirizzo deve essere grande quanto le celle hanno la memoria RAM. Attualmente un processore può indirizzare indirizzi di memoria fino a 64 bit, ovvero potremmo gestire memorie fino a 2 ⁶⁴ celle. Bus di controllo: il bus di controllo è responsabile della gestione dei due bus precedenti, utilizzando segnali di controllo e temporizzazione per fare un uso sincronizzato ed efficiente di tutte le informazioni che circolano da o verso il processore. Sarebbe come la torre di controllo del traffico aereo di un aeroporto.

BSB, unità di input / output e moltiplicatore

È importante sapere che gli attuali processori non hanno il tradizionale FSB o Front Bus, che serviva per comunicare la CPU con il resto degli elementi della scheda madre, ad esempio chipset e periferiche attraverso il ponte nord e il ponte sud. Questo perché il bus stesso è stato inserito nella CPU come unità di gestione dei dati di input e output (I / O) che comunica direttamente la RAM con il processore come se fosse il vecchio ponte nord. Tecnologie come HyperTransport di AMD o HyperThreading di Intel sono responsabili della gestione dello scambio di informazioni su processori ad alte prestazioni.

Il BSB o Back Side Bus è il bus che si occupa di collegare il microprocessore con la propria memoria cache, normalmente quella di L2. In questo modo il Front Bus può essere liberato da un bel carico, portando così la velocità delle cache ancora più vicino alla velocità del core.

E infine abbiamo i moltiplicatori, che sono una serie di elementi situati all'interno o all'esterno del processore che sono responsabili della misurazione della relazione tra il clock della CPU e il clock dei bus esterni. A questo punto sappiamo che la CPU è collegata ad elementi come RAM, chipset e altre periferiche tramite bus. Grazie a questi moltiplicatori, è possibile che la frequenza della CPU sia molto più veloce rispetto ai bus esterni, al fine di poter elaborare più dati.

Un moltiplicatore di x10, ad esempio, consentirà a un sistema che funziona a 200 MHz, di lavorare sulla CPU a 2000 MHz. Negli attuali processori, possiamo trovare unità con il moltiplicatore sbloccato, questo significa che possiamo aumentare la sua frequenza e quindi la sua velocità di elaborazione. Lo chiamiamo overclocking.

IGP o scheda grafica interna

Per finire con le parti di un processore non possiamo dimenticare l' unità grafica integrata che alcuni di loro portano. Prima di vedere cos'è una FPU, e in questo caso ci troviamo di fronte a qualcosa di simile, ma con molta più potenza, dal momento che sostanzialmente sono una serie di core in grado di elaborare autonomamente la grafica del nostro team, che per scopi matematici sono un'enorme quantità di calcoli in virgola mobile e rendering grafico che richiederebbe un uso intensivo del processore.

L'IGP svolge la stessa funzione di una scheda grafica esterna, quella che abbiamo installato sullo slot PCI-Express, solo su scala ridotta o potenza. Si chiama Integrated Graphics Processor perché è un circuito integrato installato nello stesso processore che allevia l'unità centrale di questa serie di processi complicati. Sarà utile quando non abbiamo una scheda grafica, ma per ora non ha prestazioni paragonabili a queste.

Sia AMD che Intel hanno unità che integrano IGP nella CPU, in questo modo vengono chiamate APU (Accelerated Processing Unit). Un esempio di questo è quasi tutto Intel Core della famiglia i, insieme a AMD Athlon e alcuni Ryzen.

Conclusione sulle parti di un processore

Bene, arriviamo alla fine di questo lungo articolo in cui vediamo in modo più o meno elementare quali sono le parti di un processore, sia dal punto di vista esterno che da quello interno. La verità è che si tratta di un argomento molto interessante ma dannatamente complesso e lungo da spiegare, i cui dettagli sono al di là della comprensione di quasi tutti noi che non siamo immersi nelle linee di assemblaggio e nei produttori di questo tipo di dispositivo.

Ora ti lasciamo con alcuni tutorial che potrebbero essere interessanti per te.

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