aプロセッサとは何ですか？

今日はいくつかのハードウェアを見ていきます。 私たちのチームは、一緒にデータを保存および処理できる多数の電子コンポーネントで構成されています。 プロセッサ 、 CPU、または中央処理装置がその主要コンポーネントです。 プロセッサーとは何か、そのコンポーネントとは何か、そしてプロセッサーがどのように機能するかについて詳しく説明します。

準備はいい？ 始めましょう！

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プロセッサとは何ですか？

最初に定義する必要があるのは、マイクロプロセッサが他のすべてを知ることです。 マイクロプロセッサは、コンピュータまたはコンピュータの頭脳であり、何百万ものトランジスタで構成されるシリコンチップにカプセル化された集積回路で構成されています。 その機能は、データを処理し、コンピューターのすべてのデバイスの操作を制御することです。少なくともそれらの大部分、そして最も重要なことは、論理的および数学的操作の実行を担当することです。

私たちがそれを理解すると、私たちのマシンを循環するすべてのデータは、ビットと呼ばれる1と0の信号で構成される電気インパルスです。 これらの各信号は、命令とプログラムを構成する一連のビットにグループ化されます。 マイクロプロセッサは、SUM、SUBTRACT、AND、OR、MUL、DIV、OPPOSITE AND INVERSEなどの基本的な操作を実行して、これらすべての意味を理解します。 次に、マイクロプロセッサを使用する必要があります。

• コンピュータのメインメモリにロードされたプログラムの命令をデコードして実行します。 コンピューターを構成するすべてのコンポーネントとそれに接続されている周辺機器、マウス、キーボード、プリンター、画面などを調整および制御します。

プロセッサーは通常、正方形または長方形の形状で、マザーボードに取り付けられたソケットと呼ばれる要素に配置されています。 これは、プロセッサとそれに接続されている残りの要素との間でデータを分配する責任があります。

コンピュータのアーキテクチャ

次のセクションでは、プロセッサのアーキテクチャ全体を見ていきます。

フォンノイマンアーキテクチャ

今日までのマイクロプロセッサの発明以来、それらは、後で見るであろういくつかの要素にプロセッサを分割するアーキテクチャに基づいています。 これはフォンノイマンアーキテクチャと呼ばれます。 1945年に数学者フォンノイマンによって発明されたアーキテクチャであり、一連のパーツまたは要素に分割されたデジタルコンピュータの設計を記述しています。

現在のプロセッサは依然としてこの基本的なアーキテクチャに基づいていますが、今日の非常に完全な要素ができるまで、論理的に多数の新しい要素が導入されています。 同じチップ上の複数の数値、さまざまなレベルのメモリ要素、内蔵グラフィックプロセッサなどの可能性

コンピュータの内部部品

このアーキテクチャによるコンピュータの基本的な部分は次のとおりです。

• メモリ：コンピュータが実行する命令と命令が動作するデータが格納される要素です。 これらの命令はプログラムと呼ばれます。 中央処理装置またはCPU：これは、以前に定義した要素です。 メモリからの命令の処理を担当し、入出力ユニット：外部要素との通信を可能にします。 データバス：前の要素を物理的に接続するトラック、トラック、またはケーブルです。

マイクロプロセッサの要素

コンピュータの主要部分を定義し、情報がコンピュータを循環する方法を理解した。

• 制御ユニット（UC）：クロックなどの制御信号を介して命令を出すことを担当する要素です。 メインメモリで命令を検索し、命令デコーダに渡して実行します。 内部部品：
  1. クロック：矩形波を生成してプロセッサ操作を同期化しますプログラムカウンター：実行される次の命令のメモリアドレスが含まれます命令レコード：現在実行中の命令が含まれますシーケンサー：処理用の基本コマンドを生成します指導の。 命令デコーダ（DI）：到着した命令を解釈および実行し、命令のオペレーションコードを抽出します。

• 論理演算装置（ALU）：算術計算（SUM、SUBTRACTION、MULTIPLICATION、DIVISION）と論理演算（AND、OR、…）を行います。 内部部品。
  1. 演算回路：マルチプレクサと演算を実行する回路が含まれています。 入力レジスター：データは保存され、操作回路に入る前に操作されます。 アキュムレーター：実行された操作の結果を保存します。 ステータスレジスター（フラグ）：後続の操作で考慮する必要がある特定の条件を保存します。

• 浮動小数点ユニット（FPU）：この要素は元のアーキテクチャ設計には含まれていませんでしたが、グラフィカルに表現されたプログラムの外観によって命令と計算がより複雑になったときに導入されました。 このユニットは、浮動小数点演算、つまり実数を実行します。 レコードバンクとキャッシュ：今日のプロセッサには、RAMからCPUにブリッジする揮発性メモリがあります。 これはRAMよりもはるかに高速であり、マイクロプロセッサからメインメモリへのアクセスを高速化します。

• フロントサイドバス（FSB）：データバス、メインバス、またはシステムバスとも呼ばれます。 マイクロプロセッサとマザーボード、特にノースブリッジまたはノースブリッジと呼ばれるチップと通信するのは、パスまたはチャネルです。 メインCPUバス、RAM、PCI-Expressなどの拡張ポートの動作を制御します。このバスを定義するために使用される用語は、Intelの場合は「Quick Path Interconnect」、AMDの場合は「Hypertransport」です。

出典：sleeperfurniture.co

出典：ixbtlabs.com

• バックサイドバス（BSB）：このバスは、CPUコア自体に統合されていない限り、レベル2キャッシュメモリ（L2）をプロセッサと通信します。 現在、すべてのマイクロプロセッサにはキャッシュメモリがチップ自体に組み込まれているため、このバスも同じチップの一部です。

2つ以上のコアマイクロプロセッサ

同じプロセッサで、これらの要素が内部に分散されるだけでなく、複製されます。 ユニット内には複数のプロセッシングコアまたは同じいくつかのマイクロプロセッサがあります。 これらはそれぞれ独自のキャッシュL1とL2を持ち、通常L3はペアで、または一緒に共有されます。

これに加えて、各コアにALU、UC、DI、およびFPUがあるため、速度と処理能力は、コアの数によって異なります。 新しい要素もマイクロプロセッサの内部に表示されます。

• 統合メモリコントローラー（IMC）：いくつかのコアが登場したことで、プロセッサはメインメモリに直接アクセスできるシステムを備えています。 統合GPU（iGP）-GPUはグラフィックス処理を処理します。 これらはほとんどが高密度ビット文字列を使用した浮動小数点演算であるため、処理は通常のプログラムデータよりもはるかに複雑です。 このため、グラフィック処理専用のユニットを内部に実装するマイクロプロセッサの範囲があります。

AMD Ryzenなどの一部のプロセッサには、内部グラフィックスカードがありません。 あなたのAPUだけ？

マイクロプロセッサ操作

プロセッサは命令によって機能します。これらの各命令は、CPUが理解できる特定の拡張子のバイナリコードです。

したがって、プログラムは命令のセットであり、それを実行するには、順次実行する必要があります。つまり、各ステップまたは期間でこれらの命令の1つを実行します。 命令を実行するには、いくつかのフェーズがあります。

• 命令の検索：メモリからプロセッサに命令を読み込みます命令のデコード：命令は、CPU が理解できるより単純なコードに分割されます。 命令：必要な論理演算または算術演算を実行します。 結果の保存：結果はキャッシュされます

各プロセッサは特定の命令セットで動作し、これらはプロセッサとともに進化しました。 x86またはx386という名前は、プロセッサが動作する一連の命令を指します。

従来、32ビットプロセッサはx86とも呼ばれていました。これは、このアーキテクチャでは、最初に32ビットアーキテクチャを実装したIntel 80386プロセッサからのこの一連の命令を使用していたためです。

この命令セットは、より効率的かつより複雑なプログラムで機能するように更新する必要があります。 実行するプログラムの要件に、SSE、MMXなどの頭字語のセットが含まれる場合があります。 これらは、マイクロプロセッサが処理できる一連の命令です。 だから私たちは：

• SSE（ストリーミングSIMD拡張機能）：浮動小数点演算を処理するようにCPUを強化しました。 SSE2、SSE3、SSE4、SSE5など：この一連の命令に対するさまざまな更新。

プロセッサーの非互換性

アップルのオペレーティングシステムがWindowsまたはLinux PCで実行できる時期は誰でも覚えています。 これは、異なるプロセッサからの命令のタイプが原因です。 AppleはPowerPCプロセッサを使用しましたが、これはIntelおよびAMD以外の命令で動作しました。 したがって、いくつかの命令設計があります。

• CISC（Complex Instruction Set Computer）： IntelおよびAMDで使用されているもので、いくつかの命令のセットを使用することですが、複雑です。 リソースの消費量が多く、数クロックサイクルを必要とするより完全な命令です。 RISC（Reduced Instruction Set Computer）： Apple、Motorola、IBM、PowerPCで使用されているもので、これらはより効率的なプロセッサであり、命令数は多くなりますが、複雑度は低くなります。

IntelとAMDはプロセッサにアーキテクチャの組み合わせを実装しているため、現在両方のオペレーティングシステムに互換性があります。

命令実行プロセス

1. プロセッサはRESET信号を受信すると再起動します。このようにして、システムは、プロセスの速度を決定するクロック信号を受信することにより、システム自体を準備します。CPレジスタ（プログラムカウンター）では、コントロールユニット（UC）は、RAMがCP内のメモリアドレスに格納している命令をフェッチするコマンドを発行します。次に、RAMがデータを送信し、データバスに配置されます。これはRI（命令レジスタ）に格納されます。UCはプロセスを管理し、命令はデコーダ（D）に渡されて命令の意味を見つけます。 次に、これはUCを通過して実行されます。命令と実行する操作がわかると、両方がALU入力レジスター（REN）にロードされます。ALUは操作を実行し、結果をデータバスとCPが1つ追加され、次の命令が実行されます。

プロセッサーが優れているかどうかを知る方法

マイクロプロセッサの良し悪しを知るには、内部の各コンポーネントを調べる必要があります。

バス幅

バスの幅によって、バスを循環できるレジスタのサイズが決まります。 この幅は、プロセッサレジスタのサイズと一致する必要があります。 このようにして、バスの幅が、1回の操作で転送できる最大のレジスタを表すことがわかります。

バスに直接関連するのはRAMメモリでもあり、これらのレジスタのそれぞれを、それらが持つ幅（これをメモリワード幅と呼びます）で格納できる必要があります。

バス幅が32ビットまたは64ビットの場合、つまり32ビットまたは64ビットのチェーンを同時に転送、格納、および処理できる場合の現在の状態。 それぞれが0または1の可能性がある32ビットで、2 ³² （4GB）のメモリ量と64ビットで16 EBエクサバイトのアドレスを指定できます。 これは、コンピュータに16エクサバイトのメモリがあることを意味するのではなく、特定の量のメモリを管理および使用する能力を表しています。 したがって、32ビットシステムでは4 GBのメモリしかアドレスできないという有名な制限があります。

要するに、バスが広いほど、より多くの作業能力があります。

キャッシュメモリ

これらのメモリはRAMよりはるかに小さいですが、はるかに高速です。 その機能は、処理しようとしている命令または最後に処理された命令を格納することです。 キャッシュメモリが多いほど、CPUがピックアップおよびドロップできるトランザクション速度が高くなります。

ここで、プロセッサに到達するすべてのものがハードドライブからのものであることに注意する必要があります。これは、RAMよりも非常に遅く、キャッシュメモリよりもさらに遅いと言えます。 このため、これらのソリッドステートメモリは、ハードドライブである大きなボトルネックを解決するために設計されました。

そして、なぜそれが大きなキャッシュを製造するだけでなく、非常に高価であるため、答えは簡単です。

内部プロセッサー速度

プロセッサを見ると、ほとんどの場合、インターネットの速度が最も印象的です。 「プロセッサは3.2 GHzで動作します」とは何ですか？ 速度は、マイクロプロセッサが動作するクロック周波数です。 この速度が高いほど、実行できる単位時間あたりの操作が多くなります。 これは、パフォーマンスが向上すること、つまりキャッシュメモリが存在することを意味し、プロセッサによるデータ収集を高速化して、常に単位時間あたりの操作の最大数を実行します。

このクロック周波数は、周期的な方形波信号によって与えられます。 操作を行う最大時間は1周期です。 周期は周波数の逆数です。

しかし、すべてがスピードであるとは限りません。 プロセッサの速度に影響を与える多くのコンポーネントがあります。 たとえば、1.8 GHzの4コアプロセッサと4.0 GHzの別のシングルコアがある場合、クアッドコアの方が高速です。

バス速度

プロセッサの速度が重要であるのと同様に、データバスの速度も重要です。 マザーボードは常にマイクロプロセッサよりもはるかに低いクロック周波数で動作します。このため、これらの周波数を調整する乗算器が必要になります。

たとえば、クロック周波数200 MHzのバスを備えたマザーボードがある場合、10倍の乗算器は2 GHzのCPU周波数に達します。

マイクロアーキテクチャ

プロセッサのマイクロアーキテクチャは、プロセッサ内の距離の単位あたりのトランジスタ数を決定します。 この単位は現在nm（ナノメートル）で測定され、それが小さいほど、導入できるトランジスタの数が増えるため、より多くの要素と集積回路に対応できます。

これはエネルギー消費に直接影響し、デバイスが小さいほど電子の流れが少なくて済むため、より大きなマイクロアーキテクチャと同じ機能を実行するために必要なエネルギーが少なくなります。

出典：intel.es

コンポーネントの冷却

CPUの到達速度が非常に大きいため、電流が流れると熱が発生します。 周波数と電圧が高くなると、発熱が大きくなるため、このコンポーネントを冷却する必要があります。 これにはいくつかの方法があります。

• パッシブ冷却：フィンを使用して空気との接触面を増やす金属製の放熱器（銅またはアルミニウム）を使用。 アクティブ冷却：ヒートシンクに加えて、ファンも配置され、パッシブエレメントのフィン間に強制空気流を提供します。

• 液体冷却：ポンプとフィン付きラジエーターで構成される回路で構成されています。 水はCPU内にあるブロックを介して循環し、液体要素は発生した熱を収集してラジエーターに運びます。ラジエーターは強制換気によって熱を放散し、再び液体の温度を下げます。

一部のプロセッサにはヒートシンクが含まれています。 通常それらは大したことではありません…しかし、それらはPCを起動して実行すると同時にそれを改善するのに役立ちます

• ヒートパイプによる冷却：システムは、流体で満たされた銅またはアルミニウムのチューブの閉回路で構成されています。 この流体はCPUから熱を集め、蒸発してシステムの上部に上昇します。 この時点で、流体の熱を内側から外側の空気に交換するフィン付きヒートシンクがあります。このようにして、流体は凝縮し、CPUブロックに落下します。

お勧めします

これで、プロセッサーとは何か、そしてプロセッサーがどのように機能するかについての記事は終わりです。 よろしくお願いします。