Procesors

Ievads

Centrālais procesors ir augstas integrācijas pakāpes, uz silīcija kristāla pamatnes bāzēta mikroshēma, kas sastāv no vadības bloka, aritmētiski loģiskā bloka un atmiņas. Pašu procesoru mēdz dēvēt arī par mikroprocesoru vai vienkārši saīsināti – par procesoru. Procesors (Central Procesor Unit, "CPU") ir datora neatņemama sastāvdaļa, kas veic datu apstrādi, nodrošinot pamata aritmētisko un loģisko bloku darbību, kā arī ievades un izvades sistēmas funkcionalitāti. Datu apstrādes gaitā procesors veic instrukciju interpretāciju un vada citu datora komponenšu darbību. Neatkarīgi no to fiziskās formas, galvenā procesora veicamā operācija ir izpildīt uzkrāto instrukciju secību, jeb programmu, kur programma tiek attēlota kā binārā ciparu virkne, kas tiek glabāta datora atmiņā.

Procesors, savas darbības gaitā nodrošina četru dažādu soļu, jeb operāciju izpildi un noriti. Darbības gaitā tas nodrošina:

• nepieciešamās informācijas uzkrāšanu;
• savāktās informācijas dekodēšanu, jeb atšifrēšanu;
• izpildi un apstrādi;
• atbildes sniegšanu.

Pirmais solis ietver informācijas savākšanu no programmas atmiņas. Tās vietu nosaka programmas skaitītājs, kas ietver skaitli, kas identificē noteiktu pozīciju programmā. Respektīvi – programmas skaitītājs seko procesora vietai programmā. Šī savāktā informācija nosaka, kas procesoram jādara. Instrukcija tiek sadalīta daļās, jo katrai procesora daļai ir sava nozīme. Veids, kādā ciparu instrukcija ir interpretēta, tiek definēta caur instrukciju kopas arhitektūru (Instruction Set Architecture, "ISA"). Ciparu grupa instrukcijā, saukta par operāciju kodu, norāda, kura darbība ir jāveic. Jebkura operācija, kas sastāda programmu, ir uzrakstīta noteiktā kodā (visbiežāk binārajā). Procesora uzdevums ir šīs nullītes un vieniniekus atkodēt konkrētās instrukcijās.

Par izpildes procesu ir atbildīgs aritmētiskās loģikas bloks (Arithmetic logic unit, "ALU") kas satur shēmas, kuras ļauj veikt vienkāršas aritmētiskās un loģiskās bitu operācijas, nodrošinot ievades skaitļu pārvietošanu, apstrādi un izvadi. Izpildes procesā noteiktas procesora daļas ir cieši saistītas, lai tās varētu veikt vēlamo uzdevumu.

Visbeidzot pēdējā solī notiek atpakaļ rakstīšana (Writeback), jeb atbildes sniegšana. Instrukciju izpildes rezultāti tiek atrakstīti atpakaļ kādā no atmiņām. Ļoti bieži rezultāti tiek ierakstīti kādā no iekšējiem procesora reģistriem, lai vēlāk varētu piekļūt sekojošajai instrukcijai. Citos gadījumos rezultāti tiek ierakstīti lēnākajā, tomēr ietilpībā lielākajā galvenajā atmiņā.

Pirmie procesori tika izstrādāti kā pasūtījuma produkti, kas pamatā tika radīti un derēja tikai kādam konkrētam lieldatoram. Taču metode, kādā tika izgatavoti pasūtījuma procesori, pavēra ceļu sāncensībai. Intensīvās konkurences rezultātā, kā arī, pateicoties straujajai un nemitīgajai tehnoloģiju attīstībai, procesori ir kļuvuši parmasveidā ražotu preci.

Centrālais procesors jau no pašiem pirmsākumiem bija ļoti advancēta un komplicēta iekārta, kuru raksturoja milzum daudz tehnisko parametru, jeb raksturlielumu. Centrālā procesora veiktspēja pamatā ir atkarīga no trim būtiskiem mainīgajiem raksturlielumiem, kuri tieši ietekmē un nosaka datora ātrdarbību:

• procesora kodolu skaits;
• procesora takts frekvence;
• procesora buferatmiņas, jeb ķešatmiņas (Cache) ietilpība.

Par galveno un būtiskāko mainīgo raksturlielumu patreiz tiek uzskatīts procesora kodolu skaits.

Sākotnēji procesori tika izstrādāti tikai ar 1 kodolu, taču, tehnoloģijām un programmām attīstoties, radās nepieciešamība pēc daudzkodolu procesoriem.Tas nekādā gadījumā nenozīmē to, ka vienkodolu procesori šobrīd nav pieejami. Tie, protams, ir patērētājiem pieejami un sastopami zemākajā budžeta līmeņa segmentā. Taču tie vairs nav tik populāri un aktuāli, kopš parādījās daudzkodolu procesori. Lai arī tie ir ievērojami dārgāki, to sniegtās iespējas, veiktspēja un funkcionalitāte ir krietni augstākā līmenī.

Lielākā daudzkodolu procesoru priekšrocība ir to spēja vienlaikus apstrādāt un izpildīt vairākas instrukciju plūsmas. Jāsaprot to, ka daudzkodolu procesori nenodrošina ātrāku datora darbību, bet vienkārši ļauj efektīvāk izmantot esošos resursus, palielinot sistēmas kopējo veiktspēju un jaudu.

Patreiz šādus procesorus, kā pamatproduktus savā sortimentā piedāvā abas vadošās procesoru ražotājkompānijas "Inel" un "AMD". Katrai no tām ir milzīga, sava sortimenta un produkcijas kolekcija, kura tiek iedalīta pēc vairākiem kritērijiem, no kuriem viens ir procesora kodolu skaits. Šobrīd patērētājiem lielākoties tiek piedāvāti dažādi divkodolu, četrkodolu, seškodolu un astoņkodolu procesori. Taču, kā ekskluzīva prece, piedāvāti tiek arī 10, 12 un pat 16 kodolu procesori, kas paredzēti un lielākoties tiek izmantoti smagu apstrādes darbu veikšanai.

Ļoti ilgu laika posmu, par galveno mainīgo procesora veiktspēju raksturojošo parametru tika uzskatīta tā takts frekvence. Pašreiz tai vēl joprojām ir milzīga nozīme, jo tā norāda ar kādu frekvenci, jeb ātrumu procesors apstrādā datus un izpilda komandas. Šis raksturlielums jau vairāk nekā piecdesmit gadus tiek izteiks un mērīts megahercos (MHz), taču retos gadījumos, mūsdienās to mēdz izteikt arī gigahercos (GHz).

Jau no pašiem pirmsākumiem, par visefektīvāko veiktspēju paaugstinošo veidu tika uzskatīta procesora takts frekvences palielināšana. Attīstības rezultātā tika sasniegtas arvien jaunas robežas, virs kurām procesora takts frekvenci paaugstināt praktiski vairs nebija iespējams, izmantojot gan standarta, gan alternatīvās dzesēšanas sistēmas. Dzesēšanas sistēmas uzdevums ir nodrošināt optimālu procesora darbības temperatūru, sniedzot pietiekamu siltuma novadīšanu no procesora virsmas.

Lai pēdējās paaudzes ģenerācijas un tehnoloģijas procesori spētu veiksmīgi darboties, ražotāja noteiktajās maksimālajās darbības takts frekvencēs, tiem vidēji nepieciešama no 1.1V līdz 1.3V konstanta sprieguma padeve. Noteiktai sērijai piederoši procesori, kā arī specifiski modeļi var arī tikt pakļauti virstaktēšanai (Overclocking).

Virstaktēšana ir specifisku, kompleksu darbību kopums, kuru realizējot var tikt paātrināta procesora, videokartes vai operatīvās atmiņas maksimālā takts darbības frekvence, pāri ražotāja noteiktajiem standartiem. Palielinot takts darbības frekvenci, tiek palielināta gan atsevišķās virstaktēšanai pakļautās komponentes veiktspēja, gan kopējās sistēmas veiktspēja.

Pastāv divu veidu procesora virstaktēšanas metodes – manuālā un automātiskā. Ar manuālo virstaktēšana metodi, jāsaprot apzinātu iejaukšanos iekš sistēmas "BIOS", ar mērķi izmainīt noteiktu vērtību lielumus. Ar automātisko virstaktēšanas metodi jāizprot specifisku – tam radītu programmu pielietojumu, ar kuru palīdzību daudz ātrāk, vieglāk, bez nopietnu, advancētu priekšzināšanu palīdzības, var panākt līdzīgus rezultātus.

Pamatā galvenā vērtība, kuru nepieciešams paaugstināt, lai sasniegtu vēlamo takts frekvenci, ir procesoram piegādātās strāvas stiprums. Palielinot spriegumu, tiek pavērtas iespējas, stabili palielināt procesora maksimālo darbības takts frekvenci, ievērojami ārpus ražotāja noteiktajiem standartiem. Jāņem vērā, ka šo darbību rezultātā, pieaugs ne tikai procesora veiktspēja, bet arī kopējais sistēmas enerģijas patēriņš. Līdz ar palielināto elektroenerģijas patēriņu, pieaugs arī izdalītā siltuma daudzums.

Katram procesora modelim, ražotājs ir noteicis tā maksimālo, drošo operacionālās darbības temperatūru. To pārkāpjot, var tikt radīti neatgriezeniski bojājumi, kas pat var novest pie priekšlaicīgas procesora bojāejas. Protams, visi mūsdienu procesori ir aprīkoti ar dažnedažādām aizsardzības instrukcijām, kuras nostrādā, procesoram pārkāpjot ražotāja noteiktos temperatūras sliekšņus. Tām ieslēdzoties, tiek samazināts procesoram padotais strāvas spriegums, kas automātiski arī atspoguļojas kā procesora takts frekvences samazināšanās, jeb zemtaktēšana, tādejādi cenšoties to pasargāt no pārkaršanas.

Ja arī plānojam nodarboties ar virstaktēšanu, jeb procesora veiktspējas palielināšanu, tad:

• Noteikti vajadzētu ievērot ražotāja notiektos termālos sliekšņus un censties nepārsniegt maksimālo rekomendēto un drošo, procesoram padotās strāvas spriegumu, kas lielākoties svārstās robežās no 1,4V līdz 1,45V;
• Noteikti vajadzētu apsvērt ievērojami lielākas un jaudīgākas alternatīvās dzesēšanas sistēmas iegādi un uzstādīšanu, jo tā ievērojami efektīvāk spēs tikt galā ar procesora izdalīto siltumu un nodrošināt optimālu darbības temperatūru;
• Mēs nedrīkstam aizmirst, ka katrs procesors ir individuāls un atšķirīgs. Ne katrs no procesoriem ir spējīgs darboties ievērojami ārpus ražotāja noteiktajiem frekvenču diapazoniem. To pārsniegšana var izraisīt procesora darbības traucējumus, veicinot sistēmas nestabilitāti.

Patreiz pārdošanā esošo procesoru takts frekvence lielākoties svārstās robežās no 3000MHz līdz 4000MHz. Taču specifiskiem modeļiem šī frekvence var pat sasniegt iespaidīgu 4500MHz robežu. Lietderīgi zināt, to, ka, jo lielāks ir šis skaitlis, jo procesors darbosies ātrāk, veicot vairāk instrukciju, jeb apstrādājot vairāk datu noteiktā laika periodā. Jāsaprot arī to, ka frekvence, ar kuru strādā pats procesors, saukta par iekšējo frekvenci, tiek realizēta tikai pašā procesorā un nosaka tikai paša procesora ātrdarbību. Visbeidzot, jāsaprotto, ka dažādu tipu procesoru ātrdarbība pie vienas un tās pašas frekvences var ļoti atšķirties. To nosaka procesora mikroarhitektūra, ģenerācijas paaudze un abi atlikušie darbā aprakstītie un aplūkotie mainīgie procesoru raksturojošie tehniskie raksturlielumi, jeb parametri.

Mazāksvarīgs tomēr nozīmīgs mainīgais tehniskais raksturlielums ir procesora kešatmiņas apjoms. Kešatmiņa ir ļoti ātra atmiņa, kuru izmanto datora centrālais procesors. Kešatmiņā tiek glabāti procesoram nepieciešamie dati instrukciju izpildei. Pati atmiņa ir integrēta, jeb novietota procesora mikroshēmu kompleksā. Datu apmaiņa starp procesoru un operatīvo atmiņu notiek ar kešatmiņas, jeb buferatmiņas starpniecību. Tai ir būtiska nozīme datora veiktspējā, jo kešatmiņa nodrošina samazinātu vidējo piekļūšanas laiku operatīvajai atmiņai "RAM".

Kešatmiņas apjomu mēra, norāda un apzīmē megaibaitos (MB). Centrālā procesora kešatmiņa tiek iedalīta vairākos, dažādas nozīmes un pakāpes līmeņos. Katrs no līmeņiem ir apveltīts ar dažādas ietilpības atmiņas apjomu, kuru nosaka procesora modelis. Jo ar atmiņu bagātāks, jeb ietilpīgāks ir katrs no kešatmiņas līmeņiem, jo vairākpagaidu datu tur ir iespējams ievietot un sagatavot priekš centrālā procesora, lai tas maksimāli ātri piekļūtu nepieciešamajiem datiem un spētu tos apstrādāt. Tiešā piekļūšana pie pašiem datiem, kas atrodas kešatmiņā, ar programmu pieeju nav iespējama.

Patreiz pārdošanā nonākušie,stacionārajiem datoriem paredzētie, jaunākās arhitektūras paaudzes un ģenerācijas procesori, lielākoties ir aprīkoti ar 3 līmeņu kešatmiņu. Šo tehnoloģiski attīstītāko procesoru, ietilpībā vismazākās, bet visātrākās pirmā līmeņa "L1" kešatmiņas ietilpības apjoms, lielākoties variē robežās no 32KB līdz 64KB. "L1" kešatmiņa ir primārā procesora kešatmiņa, kura novietota maksimāli tuvu pašam procesoram. Ietilpībā ievērojami lielāka, bet krietni lēnāka ir otrā līmeņa kešatmiņa "L2", kuras ietilpības apjoms variē robežās no 256(KB) līdz 4(MB) megabaitiem. Ietilpības apjomā lielākā, bet lēnākā ir trešā līmeņa "L3" kešatmiņa, kuras ietilpības apjoms variē robežās no 4MB līdz 32MB megabaitiem.

Atliek vien piebilst, ka visi kešatmiņas līmeņi savā starpā ir atdalīti. Tie darbojas roku rokā, paralēli viens ar otru, lai nodrošinātu maksimālu sistēmas ātrdarbību. Katra līmeņa sniegtais kešatmiņas apjoms, tāpat, kā līmeņu skaits ir atkarīgs no procesora modeļa, tā arhitektūras un klasifikācijas piederības kādai no procesoru moduļu grupām.

Procesora izvēle

Gadiem ejot un tehnoloģijām attīstoties, arī procesori ir izgājuši cauri vairākiem attīstības posmiem un piedzīvojuši strauju attīstības kāpumu. Attīstības kāpums, galvenokārt pamatojas ar:

• tehnoloģiju sniegtajām iespējam – radīt jaunus, revolucionārus un inovatīvus produktus;
• aktīvu savstarpējo konkurenci starp procesoru ražotājkompānijām;
• programmatūru un datu apstrādei nepieciešamās veiktspējas pakāpenisku augšanu;
• pakāpeniski un nepārtraukti augošo pieprasījumu no patērētāju puses.

Nozarei attīstoties, kā arī attīstoties automatizācijai ražošanas, apkalpošanas un citās sfērās/nozarēs pasaulē, kuru vajadzībām arvien vairāk kļuva nepieciešama datortehnikas palīdzība, ar hiperboliskas līknes ātrumu pieauga datoru procesoru daudzveidība. Tirgū ienākot daudzām jaunām procesoru paaudzēm, sērijām un to modeļiem ar inovatīviem risinājumiem, strauji pieauga patērētājiem piedāvāto procesoru klāsts.

Iepriekš minētais norāda uz to, ka personālo datoru procesori ar katru brīdi kļūst arvien veiktspējīgāki, attīstītāki (advancētāki) un sarežģītāki, jeb komplicētāki. Tas pamatojams ar jaunu procesora mikroarhitektūru izstrādi un izveidi kā arī tehnoloģiju sniegtajām iespējām, izgatavot tehnoloģiski modernizētākus procesorus kuri balstīti uz arvien smalkākām, izmēros mazākām (nanometros), ražošans/izstrādes tehnoloģijām.

Intensīvās konkurences rezultātā, kā arī, pateicoties straujajai un nemitīgajai tehnoloģiju attīstībai, procesori kļuva par masveidā ražotu preci, pēc kuras pieprasījums no patērētāju puses ar katru gadu vien pieauga.

Mūsdienās ar personālo datoru procesora izstrādi nodarbojas galvenokārt tādas, pasaulē un vairumam patērētāju labi zināmas kompānijas, kā "Intel" un "AMD". Neskatoties uz šo kompāniju dominējošo monopola stāvokli, to starpā tik un tā valda milzīga konkurence.

Patreiz – 2017. gadā, šo kompāniju savstarpējā konkurence un cīņa ir neiedomājama. Tas pamatojams ar jaunu, inovatīvu un konkurētspējīgu procesoru pieplūdumu no ražotājkompānijas "AMD". Šie jaunie procesori, ar apzīmējumu "RYZEN" ir balstīti uz pilnīga jaunas mikroarhitektūras un platformas. Tie ievērojami pārspēj līdz šim pārākās, un izteikti dominējošās ražotājkompānijs "Intel" jaunākos un aktuālākos procesorus. Taču, neaizmirsīsim, ka katra no kompānijām tirgū pozicionē dažādas klases, arhitektūras un ģenerācijas paaudzes procesorus, kuri tiek iedalīti notiektos segmentos – atbilstoši to klasifikācijai.

Katrai no abām kompānijām ir savas produktu līnijas, kuras tiek iedalītas atbilstoši:

• ražošanas, jeb izstrādes tehnoloģijai
• mikroarhitektūrai
• savietojamībai
• veiktspējai, jeb jaudai
• energoefektivitātei

Abu minēto kompāniju procesori ir piedzīvojuši vairākus un dažādus attīstības periodus, kā arī produkcijas arhitektūras izmaiņas. Katrai no paaudzēm ir savs nosacītais apzīmējums, jeb nosaukums (codename), pēc kura patērētāji var vieglāk orientēties un saprast, kādai arhitektūras paaudzei pieder izvēlētais procesora modelis. Jāņem vērā apstāklis, ka, lai arī cik ātrs būtu procesors, tas būs bez darba, ja to fiziski nevarēsim pievienot datoram.

Neveiksmīgi, jeb nezināšanu rezultātā izvēloties sev nepiemērotu procesoru:

• sliktākajā gadījumā mēs to fiziski nevarēsim ievietot tam paredzētajā vietā mātesplatēs ligzdā – savienotāju, jeb tā saucamo konektoru skaits, izvietojums, gabarītizmeri un forma to vienkārši neļaus mums izdarīt;
• labākajā gadījumā būsim neapmierināti ar procesora veiktspēju un būsim vīlušies procesora ātrdarbībā.

Lai nenonāktu tādā situācijā, kad iegādātais procesors neatbilst mūsu vēlmēm, vajadzībām un prasībām, darba autors nolēma sniegt vairākus lietderīgus padomus:

• Primārais, noteikti, būtu noteikt – kāda ražotāja un arhitektūras, jeb tehnoloģijas paaudzes sērijas procesoru atbalsta jau esošā vai izvēlētā mātesplate;
• Rūpīgi pārliecināties vai izvēlētais procesors nāk komplektā ar tam darbībai nepieciešamo dzesēšanas sistēmu;
• Veikt padziļinātu izpēti, kas izpaužas kā – noskatīto, jeb izvēlēto procesoru salīdzināšna un veiktspējas analizēšana;
• Iespēju robežās konsūltēties ar zinošiem lietpratējiem, savas jomas profesionāļiem/ekspertiem;
• Rūpīgi apsvērt procesora aktualitāti un tā potenciālo veiktspēju arī tuvā nākotnē.

Vēl joprojām tiek diskutēts par to, cik kodolu procesoru labāk izvēlēties. Atbilde uz šo jautājumu var rast tikai pats datora lietotājs, jo lielā mērā to nosaka ikdienā izmantojamo programmu pielietojums. Vienkāršu ikdienas darbu veikšanai, jeb vieglu lietojumprogrammu un utilītprogrammu atvēršanai un darbināšanai, pilnīgi pietiek ar viena kodola (vienkodola) vai divu kodolu (divkodolu) procesoru. Taču, ja ikdienas darbos, dators tiks noslogots ar daudz prasīgākām un smagākām programmām, tai skaitā liela apjoma datu apstrādes programmām un nopietnām datorspēlēm, tad ļoti vēlams, lai dators būtu aprīkots ar, minimums – četrkodolu procesoru.

Arī ja raugāmies no energoefektivitātes viedokļa, atšķirība starp dažādu kodolu skaitu procesoriem lielā mērā ir atkarīga no paša procesora arhitektūras, izgatavošanas tehnoloģijas un procesora modulī integrētajām energotaupīšanas funkcijām.

Lai patērētaji neapjuktu un spētu vieglāk orientēties bagātīgajā procesoru daudzveidībā, jeb klāstā, uz katra procesora moduļa iepakojuma vienmēr tiek norādītas sekojošas lietas:

• procesora modelis;
• ligzda (socket), kādai procesora modelis ir paredzēts;
• fizisko kodolu skaits;
• takts darbības frekvene (MHz);
• trešā līmeņa "L3" kešatmiņas ietilpības apjoms (MB).

Deatalizēta, jeb padziļināta tehniskā informācija par izvēlētā procesora modeli ir norādīta tehniskajā specifikācijā, kura pieejama ražotāja mājaslapā.