3.3.1. CPU (mikroprocesor)

Procesor (CPU) je najvažniji elektronički sklop računala, koji preuzima programske komande i naredbe i na osnovu njih obrađuje podatke. može se sastojati od više sklopovskih komponenti, a naziv 'mikro' koristi se kad su sve objedinjene u jedno kućište malih dimenzija. Sadrži milione tranzistora ukomponiranih na silicijumskoj pločici upakiranoj u plastično kućište.

Vrijeme izvođenja instrukcija je reda mikrosekunda, a broj instrukcija i veličina binarnog podatka osnovni su parametri koji definiraju kvalitetu mikroprocesora. Mikroprocesori koji se u računalnim sustavima opće namjene koriste dizajnirani su za rad s podacima duljine 4, 8, 16, 32 i 64 bit-a. Prvi je u sastavu jednostavnih kalkulatora, a posljednji naveden veće je uobičajena praksa u osobnim računalima (Pentium).

Prijenos podataka između sklopova unutar mikroprocesora i unutar računala vrlo je značajan dio posla, a obavlja se preko SABIRNICA (BUS), višežilnim prijenosnim putovima između pojedinih sklopova. Broj vodova sabirnice ovisi o broju bit-a koji opisuju podatke koje je potrebito prenjeti. U suštini prijenos podataka je paralelan.

Dakle, postoje dva osnovna sustava sabirnica:

            1.) Unutrašnje sabirnice - veze unutar mikroprocesora.
            2.) Vanjske sabirnice ---- veze u računalu izvan mikroprocesora.

Međusobno su odvojene upravljačkim međusklopovima jer se često promet na njima ne odvija istom brzinom. Razmjena podataka u mikroprocesoru obavlja se višestruko brže nego između sklopova računala, te ih je stoga potrebito odvojiti. O prijenosu podataka između unutrašnje i vanjske sabirnice brinu se posebni upravljači (controller).

Počeci razvoja mikroprocesora vezani su za arhitekturu s jednom zajedničkom sabirnicom, kao kod modela na slici 3.3.3, ne koristi se više, ali je prihvatljiv za prikaz načela rada mikroprocesora.

Slika* 3.3.3 Načelna arhitektura mikroprocesora s jednom sabirnicom. ( + / - )

Akumulator je najvažniji registar (spremnik) u mikroprocesoru. Spremnik je privremena memorija za podatke. Podaci sa sabirnice dolaze u akumulator i iz njega preslikavaju preko buffer-a B1 (međuspremnik) na prvi ulaz ALU. Ako je potrebno sačeka se drugi podatak koji će preko buffer-a B2 proslijediti na drugi ulaz ALU koja potom vrši zbrajanje, logičku operaciju ili prosljeđuje podatke u registar (spremnik) rotacije i tu obavlja računske radnje. Rezultat se potom vraća natrag na sabirnicu, po potrebi ponovo dovodi u ALU na daljnju obradu ili trenutno sprema u jednom od registara opće namjene (R0 - RN) tako da je 'pri ruci' akumulatoru. Broj registara opće namjene ovisi o konstrukciji procesor i obično ih je oko 10-20, te jedan ili više akumulatora.

Ako tijekom računskih operacija dođe do preljeva ili nekog drugog neprihvatljivog rezultata, u registru statusa (RS), koji čuva niz neovisnih bit-ova, mijenja se stanje jednog od njih te se ukazuje na nastalu promjenu, kao kod linijskih sudaca u nogometu kada se zastavicom (FLAG) signaliziraju zbivanja. Uvid u sadržaj registra (spremnika) statusa omogućava programeru usmjeravanje tijeka programa.

Dakle, u registre opće namjene pohranjuju se podaci koji se imaju proslijediti akumulatoru i spremaju se međurezultati rada ALU. Osim registara opće namjene tu su i registri posebne namjene i to:

• Programsko brojilo (PB) u kojem se čuva adresa instrukcije koja se ima izvršiti u slijedećem ciklusu.
• Instrukcijski registar (IR) u koji se upisuje kod instrukcije pribavljene s adrese koju sadrži. programsko brojilo
• Brojilo podataka (BP) sadrži adresu operanda koji se pribavlja.

Suradnja svih navedenih komponenti unutar mikroprocesora najbolje se može po fazama ilustrirati jednostavnim primjerom zbrajanja dva broja:

1. U programsko brojilo (PB) postavljena je adresa instrukcije.
2. Instrukcija s te adrese postavlja se u instrukcijski registar (IR).
3. Sadržaj instrukcijskog registra (IR) tumači se kao nalog da se akumulator napuni sadržajem koji se nalazi na adresi koja će se pribaviti u narednoj fazi.
4. Programsko brojilo (PB) puni se sadržajem koji pokazuje na adresu podatka.
5. Instrukcijski registar 'zna' da podatak koji dolazi treba upisati u brojilo podataka (BP) odnosno mjesto gdje se pohranjuje adresa operanda.
6. Puni se akumulator s podatkom koji se nalazi pohranjen na adresi zapisanoj u brojilu.
7. U programsko brojilo (PB) 'puni' se adresa slijedeće instrukcije pribavljene iz instrukcijskog registra (IR) koja nalaže da se sadržaju akumulatora pribroji sadržaj koji se nalazi na adresi koja se tek ima pročitati.
8. Pribavljanje drugog operanda je prema već opisanom postupku i podatak se potom nalazi na unutrašnjoj sabirnici.
9. Podatak iz akumulatora preslikava se u međuspremnik s kojim je povezan (B1), a podatak s unutrašnje sabirnice u drugi međuspremnik (B2).
10. Upravljačka jedinica šalje ALU nalog da zbroji ova dva binarna podatka i rezultat se šalje preko unutrašnje sabirnice u jedan od registara opće namjene (R0 - RN).

Navedena lista opisuje vrlo pojednostavljeno rad mikroprocesora, ali je ujedno dobar uvid u osnove njegovog funkcioniranja. Podaci se po obradi preko buffer-a B0 mogu proslijediti vanjskoj sabirnici, a upravljačkoj jedinici (UJ) proslijedi se poruka kojemu uređaju da omogući pristup na vanjsku sabirnicu. Iz pojednostavnjenog opisa rada mikroprocesora očigledno je da se sve radnje obavljaju u malim koracima, ali je ukupna brzina obrade tih koraka toliko velika da njihova jednostavnost nije od značaja.

Moderni mikroprocesori imaju u svom okruženju, osim navedenih sklopova, raznovrsna brojila, memoriju, adresne i indeksne spremnike i još štošta drugo. Unutarnja i vanjska komunikacija odvija se preko tri odvojene sabirnice:

            1.) Podatkovne sabirnice --- dvosmjerna
            2.) Adresne sabirnice ------ jednosmjerna
            3.) Upravljačke sabirnice -- jednosmjerna

Naravno, komunikacija posredstvom triju sabirnica ubrzava sustav. Podatku koji je na sabirnici podataka, preko adresne sabirnice određuje se mjesto na koje će se uputiti, a upravljačka sabirnica će prijenos odobriti. Sve to obavljalo se je na modelu prikazanom na prethodnoj slici izmjenično preko jedne sabirnice. Glede povećanja učinkovitosti dizajn mikroprocesora najprije je proširen dodavanjem joj jedne ALU logičke skupine, kao što je prikazano na slici 3.5.3, uz smanjenje veličine elementarnog logičkog sklopa i povećanje radnog takta mikroprocesora, te je potom sam dizajn proširen na način da je u istom kućištu logički povezano više procesorskih jezgri kako bi se istovremeno (paralelno) moglo izvršiti više instrukcija, te čak moderne inačice imaju ukomponiran GPU kao u primjeru chipset-a Intel Z77, Z87, Z97, z170, z270, z390 i z490.

Tip mikroprocesora najčešće se definira prema broju bit-a podatkovne sabirnice te se po tome razlikuju kao 8 bit-ni, 16 bit-ni, 32 bit-ni, 64 bit-ni (danas najrašireniji) i drugi, ili prema skupu instrukcija (instuction set) koje koriste. Ako je u pitanju obiman set složenih instrukcija, kao Intel x86 skup instrukcija, radi se o CISC (Complex Instruction Set Computing) ahitekturi procesora, a ako se radi o malom skupu jednostavnih instrukcija radi se o RISC (Reduced Instruction Set Computing) ahitekturi procesora. Prema navedenom CISC procesor i stanju je odjednom izvršiti kompleksne zadaće te mu je logika složenija i sporija, dok nasuprot tome RISC procesor s jednostavnijom logikom i jednostavnim zadaćama u jedinici vremena u stanju izvršiti više instrukcija od CISC procesora. Često se koristi kombinacije ova dva pristupa, jezgra mikroprocesora je RISC tipa, dok je ostalo CISC, što znači da se mali broj složenih instrukcija prevodi jezgri mikroprocesora u veliki broj jednostavnih instrukcija što je osobitost nove generacije x86 mikroprocesora. CISC arhitektura prevladava u PC računalima, dok je RISC arhitektura prisutna kod PowerPC procesora (koje je nekad koristio Mac) i jednostavnijih procesora za mobilne uređaje, kao ARM (Advanced RISC Machines) mikroprocesor, te Intel ATOM mikroprocesora, koji ne rabi x86 instrukcije, već jednostavne mikro-operacije.

Ako je riječ on istovremenom izvršavanju više instrukcija radi se u superskalarnom mikroprocesoru koje su koristila na primjer Cray super računala, a i osobitost je višejezgrenih i / ili višenitnih procesora (SMT - Simultaneous MultiThreading). Ako je riječ o mikroprocesoru posebne namijene - ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) radi se o nekoj specifičnoj konstrukciji za neku osobitu svrhu, kao što su DSP (Digital Signal Prosessor) procesor sa zadaćom pretvaranja analognog video ili audio signala u digitalni i obratno, koje koristi SONAR ili RADAR u svom radu. Uz još neke dodatne funkcionalnosti mikroprocesori mogu djelovati kao zasebna mala računala koja nadziru neki proces, no o tome u poglavlju 7.2 o mikrokontrolerima.

Primjer I

Ono na što većina korisnika računala najmanje obraća pažnju, a u stvarnosti je računalu i mikroprocesoru najveći neprijatelj, to je - TEMPERATURA. Hladilo je neizostavni uređaj računalne tehnologije.

Slika** 3.3.4 Pasivno hladilo. ( + / - )

Kako se sve veći broj tranzistora 'pakuje' u integrirane krugove mikroprocesora radna temperatura novijih inačica mikroprocesora sve se više povećava. Prekomjernim porastom temperature može doći do greške tijekom rada i u krajnjem slučaju do pregorijevanja i oštećenja mikroprocesora. Da bi se ovo izbjeglo mikroprocesor treba hladiti. Posebnu pažnju treba posvetiti u odabiru hladila za 'jače' mikroprocesore. Koriste se aktivna i pasivna hladila. Glavna osobina pasivnog hladila je rebrasta izvedba (slika 3.3.4a) i hlađenje bez stvaranja buke, ali su za moderne procesore, kojima je potrošnja preko 100 W, nedostatni. Aktivna hladila koriste podlogu koja se postavlja na mikroprocesor s koje se toplovodnim (heatpipe) cijevima toplota predaje rebrastoj konstrukciji radijatora te se s rebara odvodi ispuhivanjem pomoću kontroliranog ventilatora. Jeftinija aktivna hladila zasnivaju se na kontroliranom hlađenju rebara pasivnog hladila pomoću ventilatora.

Postoje i specijalne izvedbe hladila s vodenim blokom koji se postavlja na mikroprocesor te se ugrijana voda pumpicom odvodi do radijatora i hladi, slično hlađenju automobilskog motora, ili izvedbe hlađenja s poluvodičkim pločama (Peltier); ako se pusti struja kroz dva različita povezana metala tada će metali reagirati tako da će početi 'prebacivati' toplinu s jednog kraja na drugi. Otud naziv i termička pumpa. No to je novi teret za izvor napajanja.

Novije izvedbe mikroprocesora koriste mehanizam automatskog snižavanja radnog takta kada procesor nije opterećen kao bi učinak zagrijavanja bio što manji. Da bi s toplota (disipacija) s tijela mikroprocesora što bolje prenijela na podlogu hladila koristi se termalna pasta koja se u tankom sloju namaže na metalno kućište mikroprocesora prije postavljanja hladila, kako bi se smanjio efekt spajanja neravnih površina. Na taj način u većoj ili manjoj mjeri pospješuje se odvod toplote s mikroprocesora ovisno o vrsti i osobinama paste. Iako se mikroprocesor u računalu hladi na poseban način, mnogo je drugih vrlo zagrijanih komponenti unutar kućišta koje zahtijevaju dobro zračno hlađenje. Stoga vrsti kućišta i ventiliranju kućišta treba posvetiti posebnu pažnju.

Posebni slučaj su robusna i industrijska računala, kao na slici povrh ovog paragrafa te prikazana na slikama 3.3.4b i 3.3.4c, koja moraju raditi i u prašnjavim uvijetima, te ventilator kao ispomoć pri hlađenju komponeti nije rješenje. Tada se cijelo kućište dizajnira kao hladilo. Posebna pažnja posvećena je programskoj potpori koja ne smije prestati raditi bez upozorenja, te rad programske potpore nadzire posebno brojilo (Watch Dog Timer) kao kod mikrokontrolera. Obratite pažnju na radni temperaturni raspon prikazan na gornjoj slici.