Procesor – co to jest i jakie są jego rodzaje?

Co to jest procesor? Zdecydowanie warto poznać jego parametry, ponieważ specyfikacja techniczna procesora to jeden z najważniejszych elementów podawanych w opisie komputera. Ten element ma też wpływ na działanie wielu innych urządzeń – smartfonów, tabletów czy zegarków, w tym takich typu smartwatch. Dlatego dobrze wiedzieć, co to jest procesor i jak działa. W artykule wyjaśniamy jego rolę, a także różnice wpływające na działanie różnych procesorów.

Co to jest procesor?

Procesor jest elektroniczną jednostką przetwarzającą – układem odpowiedzialnym za sterowanie innymi układami lub elementami, zwykle komputera. Procesor otrzymuje instrukcje, które wykonuje. Według klasyfikacji rozróżnia się procesory sprzętowe i programowe.

Procesor programowy jest programem zmieniającym polecenia przychodzące na dane wyjściowe. W kontekście procesorów programowych często używa się pojęcia „przetwarzanie tekstu”. W poniższym tekście jest mowa wyłącznie o tym, co to jest procesor sprzętowy.

Zastosowanie procesorów

Procesory są najczęściej wykorzystywane w systemach wbudowanych („embedded systems”), czyli komputerach wbudowanych w urządzenie techniczne. Typowymi systemami wbudowanymi są na przykład pralka, samochód, dekoder STB, telewizor, samolot lub odtwarzacz DVD. Do systemów wbudowanych zalicza się również urządzenia elektroniki użytkowej.

Co ciekawe, tylko pięć procent procesorów na rynku znajduje się w komputerach PC. W komputerze stacjonarnym procesor główny steruje kolejnymi wbudowanymi procesorami. Nowoczesne procesory wielordzeniowe, jak Intel Core i7 i AMD Athon, są wyposażone w dwa, cztery lub nawet osiem rdzeni.

Klasyfikacja procesorów – procesory główne i mikroprocesory

Procesor główny określany jest również jako CPU („central processing unit”). W języku potocznym pojęcia „procesor główny” i „procesor” są często używane synonimicznie. Procesor główny jest najważniejszym elementem komputera.

Obecnie większość procesorów głównych jest umieszczonych w mikroukładzie – stąd pojęcie „mikroprocesor”. Już na początku lat siedemdziesiątych ubiegłego wieku firma Texas Instruments opracowała pierwsze mikroprocesory. Procesory wielordzeniowe również należą do grupy mikroprocesorów. W tym wypadku w jednym mikroukładzie znajduje się wiele jednostek procesorów, które wspólnie działają jako procesor.

Procesory do notebooków – co warto o nich wiedzieć?

Wśród różnych rodzajów procesorów znajdziemy także takie do do notebooków, zwane również procesorami do urządzeń przenośnych. Znajdują się głównie w takich komputerach jak notebooki lub netbooki. W porównaniu do procesorów stosowanych w komputerach stacjonarnych procesory do notebooków są wydajniejsze energetycznie, ponieważ ich rdzenie są zasilane niższym napięciem, które w razie potrzeby można bardzo szybko zwiększyć. W trakcie pisania tekstu napięcie między dwoma naciśnięciami klawiszy jest na przykład mocno obniżane, aby zużycie energii było niskie. Zużycie prądu przez procesory do notebooków jest również znacznie niższe w stanie spoczynku, co sprawia, że czas pracy akumulatora laptopów i netbooków jest dłuższy.

Procesory do notebooków mają często większą moc obliczeniową od procesorów w systemach wbudowanych, dlatego są odpowiednie do zastosowań multimedialnych i biurowych. Ze względu na dobrą wydajność są również stosowane w instalacjach przemysłowych i kasach fiskalnych. Procesory do urządzeń przenośnych są z reguły droższe od procesorów do komputerów stacjonarnych.

Różne typy i rodzaje procesorów

Warto wiedzieć o tym, że klasyfikacja procesorów jest dość złożona. Ze względu na ich budowę i funkcję można wymienić wiele typów. W tym miejscu zajmiemy najważniejszymi rodzajami.

• Procesory asynchroniczne składają się z kilku jednostek, które działają niezależnie od siebie, dlatego nie wymagają określonej centralnie prędkości zegara do przetwarzania danych. Polecenia mogą więc zostać przekazane innej jednostce w dowolnym czasie. Aby przetwarzać większe pasma bitowe naraz, w procesorze segmentowym jest zagnieżdżonych kilka procesorów.

• Mikrokontrolery (znane również pod nazwą µC lub MCU) są systemami komputerowymi składającymi się z pojedynczego układu, który zawiera prawie wszystkie elementy systemu, jak procesor, pamięć programowa i pamięć RAM.

• Procesory sygnałowe (DSP) przetwarzają sygnały analogowe przy użyciu systemów cyfrowych.

• Urządzenia wejściowe i wyjściowe obsługiwane są przez procesory wejściowe i wyjściowe.

• Procesor graficzny (GPU) przetwarza dane graficzne. Jest on coraz częściej określany skrótem VPU (Visual lub Video Processing Unit).

• Procesor audio (SPU, Sound Processing Unit) oblicza dane audio.

• Procesor fizyczny (PPU – Physics Processing Unit) steruje procesami fizycznymi.

Co to jest rdzeń procesora i na co wpływają jego parametry?

Rdzeń to najważniejszy element, jaki posiada procesor. Co to jest? Fachowa definicja mówi, że to fizyczna część procesora odpowiedzialna za realizację wszelkich operacji obliczeniowych. Klasyfikację procesorów można też rozpisać właśnie ze względu na liczbę rdzeni.

• Wszystkie procesory mają co najmniej jeden rdzeń z jednostką arytmetyczno-logiczną i sterującą oraz innymi elementami. W przypadku tylko jednego rdzenia mówi się o procesorach single core.

• Procesory wielordzeniowe, jak sama nazwa wskazuje, składają się z kilku rdzeni. Procesory dual core mają dwa, triple core trzy, a quad core cztery rdzenie.

Zaletą procesorów wielordzeniowych jest większa prędkość, której nie można osiągnąć za pomocą procesora single core. Proces techniczny, za pomocą którego produkowane są procesory, podlega coraz większej miniaturyzacji, dlatego w jednym mikroukładzie można bez problemu zmieścić kilka rdzeni. Zastosowanie wielordzeniowych procesorów jest w dzisiejszych czasach powszechne. Przykładowo średniej klasy procesor INTEL Core i5-9400F jest procesorem 6-rdzeniowym.

Elementy procesora

Oprócz rdzenia warto wymienić w tym miejscu jeszcze kilka innych elementów decydujących o jakości procesora.

• Rejestry są pamięciami umieszczonymi wewnątrz procesora, które umożliwiają szybką komunikację z innym jego elementami. Istnieją różne rejestry, jak rejestr danych, akumulacji lub instrukcji. Liczba rejestrów ma wpływ na wydajność całego procesora.

• Jednostka arytmetyczno-logiczna procesora (ALU) wykonuje operacje podstawowe, zarówno arytmetyczne (jak dodawanie dwóch liczb), jak i logiczne (na przykład przy użyciu operatorów „i” oraz „lub”).

• Dekoder rozkazów zmienia rozkazy binarne na instrukcje sterujące odpowiednimi układami.

• Jednostka sterująca odpowiada za kontrolę odpowiedniego wykonywania rozkazów obejmującą dekoder rozkazów w rejestrze instrukcji i jednostkę arytmetyczno-logiczną.

• Magistrala składa się z linii danych, za pomocą których procesor jest połączony z innymi elementami systemu. Wymiana danych z pamięcią RAM odbywa się przy użyciu szyny danych. Przez szynę adresową wysyłane są dane adresowe. Szyna adresowa umożliwia podłączenie interfejsów, jak portów USB lub magistrali PCI.

• Pamięć podręczna jest buforem, w którym przechowywane są ostatnio przetwarzane dane, co znacznie poprawia szybkość dostępu do informacji, które mają być wykorzystane ponownie. Procesor jest z reguły wyposażony w klika pamięci podręcznych. Pamięć podręczna poziomu 1 (w skrócie: L1) ma pojemność od 4 do 256 kilobajtów i ma najkrótszy czas dostępu. Pamięć podręczna L2 również znajduje się w rdzeniu procesora – jej pojemność wynosi od 64 kilobajtów do 12 megabajtów. Pamięć podręczna poziomu 3 (L3) jest najwolniejszym typem pamięci podręcznej, która ma jednak największą pojemność (do 256 megabajtów). W przypadku procesorów wielordzeniowych każdy rdzeń ma zwykle do dyspozycji własną pamięć podręczną L1 i L2. Pamięć podręczna L3 jest tak duża, że jest wykorzystywana przez wiele rdzeni.

Jak działa procesor?

Z pamięci RAM ładowane są instrukcje kodu maszynowego do rejestru akumulacji, w którym dekoder rozkazów zamienia kod binarny na instrukcje aktywujące odpowiednie układy odpowiedzialne za wykonanie rozkazu. Dodatkowe dane, wymagane do wykonania instrukcji, ładowane są do rejestru danych z dysku twardego lub innych nośników danych, jak pamięci USB. Transfer odbywa się przez odpowiednie magistrale. Następnie rozkaz jest wykonywany. Rozkazy mogą dotyczyć sterowania urządzeniami peryferyjnymi, operacji w jednostce sterującej lub zmian w rejestrze akumulacji. Czasami wykonywane są również inne czynności sterujące.

Wydajność procesora a zużycie energii

Wydajność procesora zależy od szerokości słowa maszynowego, liczby tranzystorów i prędkości zegara. Obecnie szerokość słowa (zwana również długością słowa lub szerokością magistrali) wynosi 32 lub 64 bity. Prędkość zegara można czasami ustawić ręcznie. W tym wypadku należy jednak zachować ostrożność: system można łatwo nadmiernie przyspieszyć lub zwolnić i w konsekwencji nieodwracalnie zniszczyć. Niektóre procesory automatycznie dostosowują prędkość zegara w zależności od obciążenia. Na ogólną wydajność systemu wpływają także inne czynniki, jak pojemność pamięci podręcznej i pamięci RAM.

Większa prędkość zegara, a w konsekwencji wydajność oznaczają jednak również większe zużycie prądu. Producenci procesorów próbują zwiększać ich energooszczędność przy użyciu nowych metod produkcji. Większe zużycie prądu powoduje również wydzielanie większej ilości ciepła, co obciąża wentylator. W przypadku dużych sieci komputerowych wydzielane ciepło wpływa również na temperaturę w pomieszczeniu i wymaga zwiększenia mocy klimatyzacji. Nowoczesne komputery zużywają obecnie od 45 do 140 watów.

Rodzaje procesorów Intel

W komputerach najczęściej stosuje się procesory Intel. Który będzie odpowiedni? Łatwo to ocenić, znają zastosowanie dodanej serii procesorów.

• Intel Core i3 – seria procesorów przeznaczonych do podstawowych zastosowań biurowych. Często stosowane w tanich urządzeniach. Są to procesory dwu- albo czterordzeniowe, nie nadają się do obsługi wymagających gier.

• Intel Core i5 – uniwersalne procesory do nabycia w rozsądnej cenie, odpowiednie do komputerów ze średniej półki. Radzą sobie bardzo dobrze z pracą biuro i w podstawowym zakresie z grami. Występują w wersji z 2, 4 albo 6 rdzeniami.

• Intel Core i 7 i Intel Core i9 – zaawansowane procesory dla najbardziej wymagających. Mają zastosowanie w komputerach dla graczy, potężnych ultrabookach albo innych komputerach przeznaczonych do programowania czy pracy na zaawansowanych komputerach, przy montażu video czy tworzeniu grafiki 3D.

Oprócz procesorów Intel na rynku popularne są procesory AMD. Dodatkowo układy do różnych urządzeń tworzą takie firmy jak Toshiba, Fujitsu, Sony. W smartfonach z systemem Android bardzo popularne są procesory firmy Qualcomm.