Tranzystory buduje się na bazie trzech warstw półprzewodnikowych w strukturach: PNP lub NPN.

Transkrypt

1 4. PROCESOR. BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA. Mikroprocesor - potocznie nazywany procesorem, często określany skrótem CPU (ang. Central Processing Unit) jest układem cyfrowym o wysokim stopniu integracji, wykonujący operacje matematyczne i logiczne, zamknięty w szczelnej obudowie. Procesor wykonuje operacje cyfrowe przy pomocy dostarczonego ciągu instrukcji. Oprócz przetwarzania informacji, procesor odpowiada również za sterowania pracą pozostałych układów systemu. Biorąc pod uwagę budowę fizyczną procesora, to jest to krzemowa płytka, zawierające miliony tranzystorów, uzyskiwana podczas skomplikowanego procesu produkcyjnego. Podstawowymi elementami budującymi procesor są tranzystory, które umożliwiają blokowanie lub przepływ prądu. Logiczną strukturę procesora reprezentują bramki logiczne, budowane z odpowiednio połączonych tranzystorów. Natomiast połączenia bramek w odpowiednie układy, tworzy kolejne struktury wewnętrznej budowy procesora. Czym jest tak naprawdę tranzystor? Elektronicznym przełącznikiem zbudowanym z dwóch rodzajów półprzewodników: N - (ang. Negative) - ujemny ładunek elektryczny P - (ang. Positive) - dodatni ładunek elektryczny Rozróżnia się dwa rodzaje tranzystorów: Bipolarne - sterowane są za pomocą prądu Unipolarne - tranzystory polowe, sterowane są napięciem Tranzystory buduje się na bazie trzech warstw półprzewodnikowych w strukturach: PNP lub NPN. ELEMENTY BUDOWY PROCESORA Układ zarządzający magistralami BU (ang. Bus Unit) - odpowiada za współpracę procesora z pamięcią (ma trzy niezależne magistrale: adresów, danych i sterowania). Dekoder instrukcji IU - (ang. Instruction Unit) - dekoder odtwarzający rozkazy do wykonania przez procesor, czekające w kolejce. Prefetch - układ mający na celu przyspieszenie pracy procesora poprzez redukcję czasu oczekiwania. Podczas fazy wykonania jednego rozkazu jest już wykonywana faza pobierania następnego rozkazu. Pamięć ROM (ang. Read Only Memory) - pamięć wspomagająca dekoder IU, umożliwiająca dostęp do słownika tłumaczącego przyjmowane kody rozkazowe na sekwencje operacji. Mateusz Pańkowski 1

2 Układ wykonawczy EU (ang. Execution Unit) - układ do którego przekazywane są rozkodowane instrukcje. W skład wchodzą: Jednostka arytmetyczno-logiczna ALU (ang. Arithmetic Logic Unit) - zwana również arytmometrem. Jest uniwersalnym układem cyfrowym, w którym wykonywane są operacje arytmetyczne (dodawanie, odejmowanie, mnożenie oraz dzielenie) i logiczne na dostarczonych do niego danych. Dane pobierane są z pamięci lub rejestrów, a o tym, jaka operacja zostanie wykonana decydują sygnały sterujące. DANA ALU WYNIK DANA SYGNAŁY STERUJĄCE Rys. 1. Schemat jednostki ALU. Układ sterowania CU (ang. Control Unit) - zwany również dekoderem rozkazów, odpowiedzialny jest za dekodowanie dostarczonych mikroprocesorowi instrukcji oraz za sterowanie ALU. Jednostka zmiennoprzecinkowa FPU (ang. Floating Point Unit) - koprocesor, którego zadaniem jest wspomaganie procesora w obliczeniach na liczbach binarnych zmiennoprzecinkowych. We współczesnych konstrukcjach jednostki FPU są zintegrowane z procesorem w jednym układzie. W przeszłości stanowiły one opcjonalny komponent procesora i nie były standardem. Jednostka adresowa AU (ang. Addressing Unit) - jednostka obsługująca operacje m.in. pobierania argumentów rozkazów. Zawiera w sobie: Układ zarządzania pamięcią MMU (ang. Memory Management Unit) - moduł zarządzania realizujący dostęp do pamięci fizycznej żądanej przez CPU Rejestry procesora - są to komórki pamięci o niewielkich rozmiarach (4/8/ /128 bitów) umieszczone wewnątrz procesora i służące do przechowywania tymczasowych wyników obliczeń, adresów lokacji w pamięci RAM itd. Biorąc pod uwagę hierarchię szybkości pamięci, to rejestry stoją na najwyższym jej szczeblu, będąc najszybszym z rodzajów pamięci komputera, a co za tym idzie - najdroższą w produkcji, ale o najmniejszej pojemności. Liczba rejestrów procesora zależy od jego zastosowania i zarazem jest jednym z kryteriów podziału procesorów na klasy RISC i CISC. Procesory do zastosowań domowych mogą mieć tych rejestrów kilkanaście, natomiast zaawansowane procesory do zastosowań np. serwerowych, mogą mieć tych rejestrów kilkaset. Proste mikroprocesory miały tylko jeden rejestr zwany akumulatorem. Możemy wyróżnić m.in.: Rejestr rozkazów IR (ang. Instruction Register) - jednostka, w której przechowywana jest obecnie wykonywana instrukcja. Licznik rozkazów PC (ang. Program Counter) - przechowuje kolejne adresy pamięci z rozkazami. Mateusz Pańkowski 2

3 Akumulator A - (ang. Accumulator) przechowuje wynik wykonywanych operacji. Wskaźnik stosu SP (ang. Stack Pointer) - służy do adresowania pamięci, przechowuje dane w trybie LIFO (ang. Last In First Out), czyli ostatni wchodzi, pierwszy wychodzi. Rejestr flagowy F - przechowuje informacje dotyczące realizacjo wykonywanej operacji. Pamięć cache - pamięć podręczna procesora (ang. CPU cache) jest pamięcią typu SRAM (statyczna) o krótkim czasie dostępu. Przechowuje wyniki najczęściej wykonywanych operacji. Połączenia - wewnętrzne szyny łączące elementy procesora. Podsumowując, schemat blokowy przykładowego procesora wygląda następująco: Adres Kod programu Prefetch AU Dane BU IU ROM MMU Sygnały sterujące Dane ALU CU EU FPU Rys. 2. Schemat blokowy procesora. OBUDOWY PROCESORÓW Procesor jest krzemową płytką o wielkości ok. 1cm 2. Ze względu na to, iż jest on podatny na działanie czynników zewnętrznych, należy umieścić go w powłoce ochronnej. Powłoka ta może być plastikowa, ceramiczna lub metalowa. Obudowa procesora posiada wyprowadzenia (nóżki, piny) mające na celu umożliwienie przepływu informacji w postaci impulsów elektrycznych po zamontowaniu go w gnieździe płyty głównej. Obecne procesory mają kilka różnych typów obudów. Wyróżnia się: PGA (ang. Pin Grid Array) - jest to popularny standard obudów z nóżkami w kształcie symetrycznej siatki. Rys. 3. Wygląd obudowy typu PGA. Powstało kilka odmian standardu PGA: PPGA (ang. Plastic PGA) - obudowa PGA, w której osłona rdzenia wykonana jest z plastikowej powłoki. Mateusz Pańkowski 3

4 CPGA (ang. Ceramic PGA) - obudowa PGA, w której osłona rdzenia wykonana jest z ceramicznej powłoki. FC-PGA (ang. Flip Chip PGA) - rdzeń przeniesiony na górną część obudowy w celu lepszego odprowadzania ciepła i zatopiony w plastikowej osłonie. FC-PGA2 (ang. Flip Chip PGA2) - rdzeń przeniesiony na górną część obudowy w celu lepszego odprowadzania ciepła oraz zatopiony w plastikowej osłonie i ukryty pod metalową blaszką. Rys. 4. Rodzaje obudów PGA. Od lewej: PPGA, CPGA, FC-PGA, FC-PGA2 SECC (ang. Single Edge Contact Cartridge) - dość specyficzny rodzaj obudowy. Powstał tylko dlatego, że nie potrafiono umieścić pamięci cache L2 w strukturze rdzenia procesora (Pentium II i III, Athlon). Procesor przylutowany jest do płytki drukowanej wraz z pamięcią L2, a całość umieszczona w plastikowej obudowie w postaci kartridża. SEPP (ang. Single Edge Processor Package) - obudowa podobna do SECC, ale bez zastosowania plastikowej osłony. Obudowy tej używano do tańszych modeli procesorów (Duron, Celeron). Rys. 5. Obudowy typu (od lewej) SECC i SEPP. LGA (ang. Land Grid Array) - typ obudowy opracowany przez firmę Intel, w którym nóżki zastąpiono specjalnymi pozłacanymi stykami. Obecnie stosowany. Rys. 6. Obudowa typu LGA. BGA (ang. Ball Grid Array) - typ obudowy, w której wyprowadzenia są w postaci kulek ze stopu lutowniczego. Wyprowadzenia te znajdują na znacznej (lub całej) części układu. Pojawiło się dużo problemów z tym typem obudowy. Mateusz Pańkowski 4

5 GNIAZDA PROCESORÓW Każdy procesor musi być zamontowany na płycie głównej w specjalnie do tego przystosowanym złączu. Złącze te nazywane gniazdem procesora pełni rolę interfejsu pomiędzy procesorem a pozostałymi elementami systemu komputerowego umożliwiając jego współpracę z systemem za pośrednictwem odpowiednich magistrali i układów na płycie głównej. Do wymiany informacji pomiędzy pamięcią operacyjną i chipsetem służą procesorowi wyprowadzenia w postaci nóżek lub pinów, które fizycznie muszą zostać połączone z końcówkami magistrali pamięci i danych. Każdy typ obudowy procesora wymaga zastosowania odpowiedniego gniazda. Powstało kilka odmian gniazd, które różnią się od siebie kształtem obudowy i liczbą pinów procesora. Najczęściej stosowane to: Socket - gniazda typu socket przeznaczone są do obudów procesorów typu PGA. Wraz z rozwojem procesorów i idącym za tym zwiększaniem liczby nóżek, w które procesory były wyposażone, trzeba było opracowywać kolejne gniazda. Przykłady gniazd typu socket: Socket 1, 2, 3, 4 - dla procesorów Intel 486. Socket 5, 6, 7, 8 - dla procesorów Intel Pentium oraz AMD K5/K6. Socket dla procesorów Intel Pentium III FC-PGA. Socket 754, 939, dla procesorów AMD Athlon 64, Athlon 64 v2, Opteron. Socket P - dla procesorów Intel Core 2. Socket AM3 - dla procesorów AMD Athlon II, Phenom II. Rys. 6. Gniazda typu socket. Od lewej (góra): Socket 5, Socket 370, Socket 604. Od lewej (dół): Socket 754, Socket 939, Socket AM2. Mateusz Pańkowski 5

6 Slot - typ gniazda opracowany dla procesorów w obudowach typu SECC i SEPP: Slot 1 - dla procesorów Intel Pentium (Celeron) II i III. Slot A - dla procesorów AMD Athlon (Duron) K7. Slot 2 - dla procesorów serwerowych Intel Pentium II, III Xeon. Rys. 7. Gniazda typu (od lewej): Slot 1, Slot A. LGA - specjalny typ gniazda przeznaczony dla procesorów w obudowach typu LGA bez nóżek. Przykłady gniazd typu LGA: LGA dla procesorów Intel Pentium 4, Celeron D, Core 2 Duo, Celeron, Core 2 Quad. Socket F - dla procesorów AMD Opteron. LGA dla procesorów Intel Core i3, i5, i7. LGA 2011/Socket R - dla procesorów Intel Core i7 Rys. 8. Gniazda typu (od lewej, góra): LGA 775, LGA 1156, LGA 2011/Socket R. Na dole: Socket F Mateusz Pańkowski 6

7 Dodatkowo, gniazda typu Socket można ze względu na sposób montażu podzielić na: LIF (ang. Low Insertion Force) - aby zamontować processor należało użyć siły nacisku około 20 kg. Niestety miało to jedną wadę - bardzo łatwo można było uszkodzić układ. Rozwiązanie to nie jest już stosowane. ZIF (ang. Zero Insertion Force) - gniazdo, w którym montaż procesora nie wymaga nacisku. Po wsunięciu nóżek procesora do gniazda, zabezpiecza się procesor przy pomocy specjalnej dźwigni. MAGISTRALE PROCESORA Magistrala (ang. bus) jest zestawem układów i ścieżek łączących jednocześnie kilka komponentów i umożliwiających komunikację między nimi. W zależności od użytej technologii, magistrala może przesyłać informację równolegle lub szeregowo, a w zależności od sposobu kontroli przepływu danych - synchronicznie lub asynchronicznie. Magistrala jest elementem, który sprawia, że system komputerowy staje się całością. Magistrale można scharakteryzować za pomocą dwóch parametrów: szerokość - określa, ile bitów może ona przesłać za jednym razem (w jednym takcie). Jeśli jednocześnie magistrala równoległa przesyła np. 32 bity, to mówi się, że jest ona magistralą (szyną) 32-bitową. szybkość - określa jak szybko dane mogą być przesyłane przez ścieżki magistrali. Szybkość określana jest w hercach (Hz) lub krotnościach tej jednostki (MHz - megaherc, GHz - gigaherc). Do grupy magistral umożliwiających komunikację CPU z pozostałymi komponentami komputera należą: magistrala danych, magistrala adresowa, magistrala pamięci, magistrala sterująca. Magistrala danych (ang. data bus) - umożliwia wymianę danych pomiędzy procesorem a chipsetem płyty głównej. Najważniejsza magistrala w systemie. Obecnie spotyka się w komputerach PC cztery rozwiązania: FSB (ang. Front Side Bus) - najstarsze rozwiązanie, pamiętające jeszcze czasy pierwszych procesorów. Jest częścią architektury DIB opartej o dwie magistrale: FSB i BSB. FSB jest magistralą równoległą pracującą z prędkością płyty głównej i umożliwia przesył danych w trybie half-duplex. Magistrala tego typu łączy procesor z chipsetem. Pośredniczy również w wymianie danych pomiędzy procesorem a pamięcią RAM (kontroler pamięci jest zintegrowany z płytą główną). Hyper Transport - rozwiązanie opracowane przez firmę AMD w 2003 dla wchodzących procesorów Athlon 64 z wbudowanym kontrolerem pamięci. Jest to magistrala szeregowa będąca rozwiązaniem typu punkt-punkt. Wykorzystuje się ją do tworzenia szybkich połączeń między różnymi komponentami. Magistrala HT umożliwia transfer w trybie full-duplex, czyli na jednoczesne wysyłanie i odbieranie danych. Czasem można spotkać się z oznaczeniem tej magistrali jako LDT (ang. Lightning Data Transport) QPI (ang. Quick Path Interconnect) - w związku z ograniczeniami architektury DIB, firma Intel musiała opracować nowe rozwiązania, które byłyby odpowiedzią na Hyper Transport od AMD. Wraz z wprowadzeniem na rynek procesora Intel Core i7, zastąpiono leciwą FSB nową, szeregową magistralą QPI. Magistrala ta cechuje się dużą Mateusz Pańkowski 7

8 wydajnością i małymi opóźnieniami. Dodatkowo mamy full-duplex oraz punkt-punkt. Oparta została na architekturze magistrali PCI Express. Dzięki integracji kontrolera pamięci z procesorem, można było zastąpić przestarzałą FSB szybkim rozwiązaniem szeregowym. QPI pozwala na połączenie procesora z chipsetem płyty głównej, ale jej specyfikacja została tak opracowana, aby można było ją wykorzystać do łączenia także innych komponentów i urządzeń. DMI/FDI - wprowadzając na rynek chipset Z68, firma Intel przebudowała swoją dotychczasową koncepcję budowania układów tego typu. Nowe procesory z serii Intel Core drugiej generacji przejęły kontrolę nad obsługą magistrali PCI-Ex co spowodowało wyeliminowanie stosowania dwóch układów scalonych. W układach z wbudowanym chipsetem graficznym zrezygnowano z magistrali QPI i pozostawiono interfejs DMI o przepustowości 20 Gb/s. Aby można było umożliwić współpracę wbudowanego w procesor chipsetu graficznego i zewnętrznej karty graficznej, dodano magistralę FDI. Magistrala adresowa (ang. address bus) - jeszcze przed pobraniem lub zapisaniem danych, procesor musi poinformować pamięć RAM o tym, z których jej komórek pamięci będzie korzystać. Do tego celu (adresowania pamięci) służy specjalny zestaw ścieżek, czyli magistrala adresowa. Znając szerokość magistrali adresowej, jesteśmy w stanie określić z jaką ilością pamięci może współpracować procesor. Dawne procesory z serii 80xx miały 20-bitową magistralę adresową i mogły obsłużyć tylko do 1 MB pamięci RAM. We współczesnych procesorach szerokość tej magistrali przekracza 32 bity, co pozwala na adresowanie nawet kilkunastu TB pamięci operacyjnej. Magistrala pamięci (ang. memory bus) - łączy procesor z pamięcią operacyjną RAM umożliwiając wymianę danych. Po zaadresowaniu konkretnych komórek następuje proces zapisu lub odczytu danych przez procesor. Procesory ze zintegrowanym kontrolerem pamięci są bezpośrednio połączone z RAM, właśnie przy pomocy tej magistrali. Dzięki temu nie trzeba angażować chipsetu podczas wymiany danych między procesorem a pamięcią operacyjną. Współczesne magistrale umożliwiają transfer nawet do 12 GB/s (pamięć DDR3). Magistrala sterująca (ang. control bus) - jest odpowiedzialna za przesyłanie sygnałów sterujących między mikroprocesorem, pamięcią RAM i pozostałymi urządzeniami I/O. Dzięki niej urządzenia współpracujące z procesorem są informowane o przydzielonych im zadaniach. ZASADA DZIAŁANIA PROCESORA Procesor współpracuje z pamięcią operacyjną (cache) przechowującą dane (argumenty) oraz sekwencyjne ciągi instrukcji zwane programem. Każda komórka pamięci ma swój adres. Wymiana danych pomiędzy procesorem a pamięcią odbywa się przy pomocy magistrali pamięci, natomiast adresowanie - za pomocą magistrali adresowej. Procesor pobiera z pamięci operacyjnej dane wskazane przez licznik rozkazów PC i umieszcza je w rejestrze rozkazów IR. Układ sterujący CU dekoduje rozkaz oraz ustala argumenty i rodzaj operacji - na tej podstawie dane przesyłane są z rejestru do jednostki ALU. Po przetworzeniu danych przez ALU, wyniki umieszczane są w rejestrze A lub trafiają do pamięci operacyjnej. Cała procedura odbywa się cyklicznie. Mateusz Pańkowski 8

9 Aby umożliwić urządzeniom peryferyjnym korzystanie z mocy obliczeniowej procesora, opracowano mechanizm przerwań (ang. interrupt). Jeśli urządzenie I/O zgłosi przerwanie, procesor przerywa bieżące operacje, zapisuje zawartości rejestrów na stosie (ang. stack) i przystępuje do wykonania kodu związanego z obsługą urządzenia. Po zakończeniu obsługi urządzenia, procesor przywraca zawartość rejestrów ze stosu i kontynuuje wykonywanie wcześniej przerwanych operacji. Magistrale wejścia-wyjścia (I/O) połączone są z kontrolerem przerwań przy pomocy kanałów IRQ (ang. Interrupt Request Channel), a kontroler połączony jest bezpośrednio z procesorem. ARCHITEKTURA PROCESORA Pojęcie architektury procesora odnosi się do wewnętrznej budowy oraz sposobu komunikacji mikroprocesora z pamięcią oraz urządzeniami I/O. W zależności od sposobu przechowywania danych i rozkazów przez procesor, wyróżnia się: architekturę Princeton - dane i programy przechowywane są w tym samym bloku pamięci. architekturę harwardzką - rozkazy i dane przechowywane są w oddzielnych pamięciach. architekturę mieszaną - połączenie dwóch architektur (Princeton i harwardzkiej). Rozdzielono pamięci rozkazów i danych, jednak wykorzystują one wspólne magistrale. Obecnie stosuje się rozwiązanie harwardzkie, co umożliwia wykonywanie jednocześnie większej liczby operacji. Inny podział architektury wynika ze złożoności wykonywanych instrukcji: CISC - komputer z pełną listą instrukcji, czyli bogaty zestaw instrukcji o dużych możliwościach. RISC - komputer o zredukowanej liczbie instrukcji, czyli prostszy i mniejszy zestaw instrukcji. Procesory RISC mają mniejszy i prostszy zestaw instrukcji co pozwala na wydajniejszą pracę. Współczesne procesory oparte są jednak o architekturę CISC, jednak zestawy instrukcji są porozbijane na mikrorozkazy przez blok wykonawczy zgodny z architekturą RISC. WYDAJNOŚĆ PROCESORA Wydajności procesora nie da opisać się za pomocą jednego parametru. Wydajność procesora jest bardzo często mylona przez użytkowników z jego prędkością. Ogólnie, na wydajność procesora wpływa kilka czynników: wewnętrzna architektura procesora - szerokość magistrali, rejestrów i jednostek ALU oraz sposób współpracy procesora z RAM-em i urządzeniami I/O. Budowa wielordzeniowa w najnowszych procesorach i sposób rozdzielania zadań pomiędzy rdzenie. szybkość pracy zegara - procesor wykonujący pracę, sterowany jest sygnałem zegarowym. Im wyższa jest częstotliwość (MHz, GHz) tym szybciej procesor będzie wykonywał operacje. pamięć cache - nowoczesne procesory mają po kilka MB pamięci cache (pamięć SRAM) poziomów L1, L2 i L3. Większa ilość cache u pozwala na wydajniejszą i szybszą prace procesora bez modyfikowania jego wewnętrznej struktury. Mateusz Pańkowski 9

10 dodatkowe funkcje - procesory wyposażone są w dodatkowe funkcje, których zadaniem jest zwiększenie możliwości CPU. Przykładem może być zestaw instrukcji MMX lub 3DNow. W Internecie dostępne są programy testujące, które pozwalają na określenie wydajności procesora (lub całego zestawu komputerowego). Jednak należy pamiętać o tym, żeby stosować kilka różnych tzw. benchmarków, aby wyniki były jak najbardziej rzetelne. Przykładowe parametry procesora: Parametr Wartość Nazwa Intel Core i7-3770t Liczba rdzeni 4 Szybkość zegara (taktowanie) Mnożnik Magistrala QPI Zestaw instrukcji Pamięć cache Obsługiwana pamięć (max) 2500 MHz x25 5 GT/s 64 bit L1: 4 x 32 KB (instrukcje) L1: 4 x 32 KB (dane) L2: 4 x 256 KB L3: 8 MB 32 GB Typ gniazda LGA 1155 Typ obudowy Technologia wykonania Pobór mocy Wbudowana karta graficzna LGA mikrona 45 W TAK PAMIĘĆ CACHE i DODATKOWE FUNKCJE PROCESORA Procesor współpracuje z pamięcią RAM znajdującą się na płycie głównej. Pamięć ta jest wolniejsza od rdzenia procesora i żeby uniknąć wolniejszych taktów procesora, podczas których jednostka obliczeniowa czeka na dane z pamięci, umieszcza się wewnątrz rdzenia CPU szybką pamięć podręczną - cache. Pamięć ta zbudowana jest na bazie pamięci typu SRAM pracującej z pełną prędkością rdzenia CPU. Odpowiedni algorytm pobiera dane z RAM i kopiuje je do cache. W momencie zapotrzebowania na te dane przez CPU, zostają one natychmiast przesłane z cache u zamiast sciągania ich z pamięci RAM. Obecne procesory mogą mieć kilka poziomów pamięci podręcznej: Level 1 (L1, poziom pierwszy) - kilkadziesiąt KB pamięci SRAM. Pamięć podręczną poziomu L1 mają wszystkie procesory od czasów 486. Level 2 (L2, poziom drugi) - montowana początkowo na płycie głównej ze względu na ograniczenia technologiczne. Później montowana na specjalnych płytkach z procesorem (SEPP, SECC). W końcu udało zintegrować cache L2 z rdzenien. Dzięki temu wymiana danych wykonywana jest z pełną prędkością rdzenia. Mateusz Pańkowski 10

11 Level 3 (L3, poziom trzeci) - montowany najczęściej w procesorach do serwerów i w tych najlepszych (najwydajniejszych) procesorach do stacji roboczych, komputerów PC. Przykładem są procesory Intel Core i7, AMD FX, Itanium. Umieszczony na płycie głównej lub w rdzeniu procesora, zwiększa wydajność i trafność pobierania danych z pamięci RAM. Im większy rozmiar pamięci cache, tym szybsza praca procesora podczas odczytu danych z RAM. Jeśli jest dużo pamięci podręcznej, procesor może komunikować się praktycznie tylko z nią bez potrzeby sięgania do RAM-u. Dodatkowe poziomy polepszają trafność pobrania danych z pamięci operacyjnej. Poza pamięcią podręczną cache, procesory do komputerów klasy PC wyposażone są w różne dodatkowe funkcje mające na celu poprawę wydajności i zwiększające ich możliwości. Najważniejsze z nich to: MMX - dodatkowe funkcje opracowane przez Intel mające na celu wspomaganie procesor w operacjach takich jak rendering grafiki 3D, kompresja i dekompresja MPEG itp. SSE, SSE2-4 - kolejne operacje działające podobnie jak MMX. Również do polepszenia przetwarzania grafiki 3D, dźwięku i obrazu. 3DNow, 3DNow! Professional - odpowiedź AMD na intelowskie SSE. Analogiczna technologia. Hyper-Threading - hiperwątkowość, HT. Umożliwia wykonywanie przez jeden rdzeń dwóch niezależnych strumieni kodów programów (wątków). Procesory jednordzeniowe obsługujące HT, wykrywane są przez systemy operacyjne jako dwurdzeniowe. Dynamic Execution - zapewnia wykonywanie większej liczby instrukcji w jednym cyklu zegara. AMD PowerNow! - technologia umożliwiająca włączanie i wyłączanie elementów procesorów AMD w celu oszczędzania energii. Intel Turbo Boost - umożliwia automatyczną regulację częstotliwości procesora w zależności od obciążenia. Zastosowano po raz pierwszy w procesorach Core i5 oraz i7. ODPROWADZANIE CIEPŁA (CHŁODZENIE PROCESORA) Do prawidłowej i stabilnej pracy, procesor potrzebuje odpowiedniej temperatury. Aby ją utrzymać stosuje się specjalne elementy chłodzące lub ułatwiające odprowadzanie ciepła. Obecne procesory zbudowane są na bazie milionów tranzystorów nagrzewających się podczas pracy. Przekłada się to na wzrost temperatury całego rdzenia. Najpopularniejszą metodą obniżenia temperatury pracy procesora jest zastosowanie tzw. radiatora, czyli metalowego elementu z aluminium lub miedzi, mającego na celu szybsze odprowadzanie ciepła na zewnątrz. Aby zwiększyć wydajność takiego radiatora, wyposaża się je dodatkowo w wentylatory. Mamy dwa typy radiatorów: pasywne - mają mniejszą wydajność, ale są większe z uwagi na konieczność zastosowania ich na dużych powierzchniach wypromieniowujących ciepło. Radiatory tego typu często stanowią element tzw. komina termicznego. Polega to na tym, że elementy takie jak procesor, pamięć i chipset ulokowane są w jednym ciągu i Mateusz Pańkowski 11

12 chłodzone są dużym wolnoobrotowym wentylatorem zamontowanym na obudowie komputera. Zaletą takich układów jest (pasywnych) jest mniejsza emisja hałasu lub jego kompletny brak. Rys. 9. Radiator typu pasywnego. aktywne - połączenie tradycyjnego metalowego radiatora z wentylatorem, którego zadaniem jest chłodzenie ożebrowania i zwiększanie tym samym wydajności chłodzenia. Zastosowanie wentylatora znacznie poprawia odprowadzanie ciepła, jednak skutkuje zwiększeniem poziomu hałasu. Rys. 10. Radiator typu aktywnego (z dołączonym wentylatorem). Oba typy chłodzenia (odprowadzania ciepła) są najpowszechniej stosowanymi. Dodatkowo do radiatorów stosuje tzw. pasty (termo-)przewodzące poprawiające przewodnictwo cieplne pomiędzy procesorem a radiatorem. Zadaniem pasty jest zniwelowanie niedoskonałości powierzchniowych radiatora i procesora poprzez ich wypełnienie i dzięki temu przylegają one do siebie równomiernie. Rys. 11. Przykłady past termoprzewodzących w tubkach. Mateusz Pańkowski 12

13 Istnieją jeszcze inne metody chłodzenia procesora mające główne zastosowanie przy overclockingu (podkręcaniu zegara): heat pipe (rurki cieplne) - układ miedzianych lub aluminiowych rurek wypełnionych specjalną cieczą. Pod wpływem zmiany temperatury ciecz paruje, przemieszcza się do zimnego fragmentu rurki i ponownie skrapla spływając do cieplejszego fragmentu rurki. Układ może być wspomagany wentylatorem na radiatorze. chłodzenie wodne - podobne do sposobu chłodzenia w silniku spalinowym. Układ tworzony jest przez pompkę wodną, pojemnik na płyn, wymiennik ciepła, zestaw rurek i złączek. Przepływająca woda odbiera ciepło z rdzenia CPU (może również z chipsetu, układu graficznego itp.) i transportowana jest do zbiornika gdzie zostaje schłodzona i ponownie pobrana do obiegu chłodzącego. ogniwo Peltiera - element półprzewodnikowy zbudowany na bazie dwóch płytek ceramicznych połączonych półprzewodnikami typu p i n. Po podłączeniu napięcia złącza p i n pochłaniają ciepło z otoczenia i powodują, że górna płytka ceramiczna znacznie się schładza. Ogniwo Peltiera często stosowane jest przez overclockerów. Wadą jest szronienie i możliwość pomylenia strony ciepłej z zimną. Rys. 12. Od lewej: Heat Pipe, chłodzenie wodne, ogniwa peltiera. Mateusz Pańkowski 13