Procesor - mozek notebooku

2. 9. 2009 07:00    Rubrika: Technologie    Autor: Aleš Lalík

Procesor patří mezi základní komponenty každého počítače, notebooky nevyjímaje. Zároveň je jedním z prvků výrazně ovlivňujících výkon počítače, a v případě mobilních zařízení svou spotřebou ovlivňuje také výdrž při práci na baterii a zahřívání celého notebooku. Podíváme se, z čeho se skládá.

V moderním pojetí je procesor (CPU - Central Processing Unit) tvořen integrovaným obvodem, umístěným na malé systémové patici. Tato představa však platí až od 70. let 20. století, kdy se začaly vyrábět procesory coby miniaturní integrované obvody, zatímco dřívější procesory a potažmo celé počítače zabíraly výrazně větší prostor (mnohdy velké sály) kvůli prostorově náročnějším součástkám.

Ačkoliv procesory prošly za poslední desetiletí bouřlivým vývojem, základní stavební kameny procesoru přetrvaly až do dnešních dnů. Jsou jimi řadič, sada registrů, aritmeticko-logická jednotka a také se sem řadí jednotka pro operace v plovoucí řádové čárce. Úkoly jednotlivých součástí jsou následující:

Řadič procesoru se stará o řízení chodu procesoru v návaznosti na programové příkazy, představující načítání a dekódování instrukcí, načítaní operandů instrukcí z operační paměti a následného ukládání zpracovaných výsledků do paměti.

Sada registrů slouží k dočasnému ukládání operandů a mezivýsledků výpočtů, k nimž je výrazně rychlejší přístup nežli k datům umístěným v operační paměti.

Aritmeticko-logická jednotka (ALU - Arithmetic-Logic Unit) je určená k provádění aritmetických a logických operací se zpracovávanými daty. ALU současných procesorů je velmi komplexní a výkonná jednotka, kterých je v jádře přítomno několik.

U procesoru se můžeme setkat i se specializovanými jednotkami pro zpracování operací v plovoucí řádové čárce (FPU - Float-Pointing Unit). Další nedílnou součástí moderních procesorů je rychlá paměť cache, vyrovnávající rozdílnou rychlost mezi přístupem k relativně pomalé operační paměti a zpracováním dat v procesoru. Cache procesorů je v dnešní době zpravidla dvojstupňová, rychlá L1 cache a pomalejší, ale větší L2 cache. K nim se postupně přidává i L3 cache. Řada procesorů Core 2 Duo má například výkon velmi závislý na kapacitě L2 cache, kam se na základě prediktivních algoritmů nahrávají data z (z hlediska CPU velmi pomalé a vzdálené) paměti RAM dříve, než budou pravděpodobně potřeba.

Fungování procesoru se dá zjednodušeně popsat jako vykonávání instrukcí tvořících počítačový program, jež si procesor načítá z paměti. Aby byl procesor univerzálně použitelný, zpracovává instrukce ve vlastním strojovém kódu, do kterého musí být přicházející instrukce přeloženy. Zde se od počátku integrovaných procesorů objevily dvě různé architektury, lišící se právě zpracovávanými instrukcemi, představované složitějším CISC (Complex Instruction Set Computer) a jednodušším RISC (Reduced Instruction Set Computer) modelem.

Instrukce vykonávané CISC procesorem nemají pokaždé stejnou délku, takže jejich vykonání může trvat různě dlouhou dobu. Architektura CISC procesoru je kvůli tomu také složitější, naopak velké množství instrukcí usnadňuje programování. CISC instrukce sice byly vykonávány rychleji než kdyby se měly skládat z několika jednodušších instrukcí, jenže postupně se zjistilo, že v běžné praxi se využívá pouze určité množství instrukcí a zbývající jsou volány jen výjimečně. Proto se v roce 1983 objevily první experimenty s odlišnou architekturou nazvanou RISC.

Architektura RISC sice nabízí menší počet instrukcí než CISC, jak ostatně plyne z jejího názvu, nicméně tyto instrukce pokrývají všechny běžné potřeby. Instrukce mají navíc stejnou délkou, a tudíž stejně dlouhou dobou vykonávání. Výhodou je pak snadnější řetězení instrukcí a jednodušší návrh procesoru, což se projeví také ve výrobě.

V dnešní době se nedá mluvit o stávajících architekturách stolních počítačů a notebooků jako o "čistých" CISC procesorech, jelikož vnitřně vykazují také některé rysy RISC architektury. Přesto jsou do této kategorie zařazovány jako typičtí zástupci procesory Intel x86 a kompatibilní, tedy všechny běžně dostupné a používané procesory v osobních počítačích. Označení x86 vychází z podpory instrukční sady x86, která se poprvé objevila u procesoru Intel 8086 uvedeného v roce 1978.

Další způsob dělení procesorů je podle délky operandu v bitech, kterou je schopen procesor zpracovat v jednom kroku. Možnost práce s delšími operandy zkracuje zpracování rozměrnějších instrukcí, a ty přesahující tento rozsah musí být rozdělené do více částí. V dřívějších dobách byly značně rozšířené procesory pracující s 8 a 16bitovými operandy, ovšem u novějších stolních počítačů je standardem 32bitů. Nové procesory také zvládají pracovat s 64bitovými instrukcemi, které se postupně začínají prosazovat díky přechodu na 64bitové operační systémy.

Jaký je tedy rozdíl mezi mobilním procesorem a verzí pro stolní počítače? Dříve se jednalo o přítomnost pokročilejších funkcí snižujících spotřebu energie a také zahřívání procesorů, ovšem postupně se tyto funkce začaly běžně používat i u stolních procesorů. Nejviditelnějším rozdílem je nižší TDP (Thermal Design Power – volně přeloženo maximální vyzářené teplo) u mobilních verzí, dané výběrem kvalitněji vyrobených procesorových jader. Vzhledem k tomuto faktu nepřekvapí výrazně vyšší cena mobilních procesorů oproti stolním protějškům.

Integrace pokračuje

Trend vývoje procesorů vedl dříve hlavně ke zvyšování pracovní frekvence, později následované zásadními změnami celé architektury procesorů a zaměření na vícejádrové systémy. V současnosti začínají výrobci přicházet s odlišným řešením tzv. systému na čipu (SoC – System on Chip), integrující k samotnému jádru procesoru například grafický čip, řadič paměti a další komponenty.

Tento přístup je dlouho běžný zejména u malých mobilních zařízení jako PDA nebo smartphone, ovšem u osobních počítačů je novinkou. Názornou ukázkou směřující k tomuto řešení je druhá generace procesoru Intel Atom, přidávající k procesoru úspornější grafické jádro a řadič pamětí. Tímto krokem se nejen sníží prostorové nároky systému, ale také poklesne celková spotřeba a příjemnou vlastností by měl být pokles výrobních nákladů.