1
Είναι το «μυαλό» του υπολογιστή μας. Αυτός κάνει όλους τους υπολογισμούς και τις πράξεις. Έχει δική του ενσωματωμένη μνήμη, τη λεγόμενη κρυφή μνήμη(cache). Η cache είναι πολύ σημαντική, πολύ γρήγορη, μικρή σε μέγεθος και πολύ ακριβή. Μέσα του βρίσκονται και οι καταχωρητές οι οποίοι αποτελούν τις μικρότερες αλλά και γρηγορότερες μονάδες μνήμης. Όταν επιθυμούμε να αγοράσουμε έναν επεξεργαστή συγκρίνουμε το πόσους πυρήνες διαθέτει, σε ποια συχνότητα δουλεύουν και πόση είναι η cache. Ο πιο αξιόπιστος όμως τρόπος είναι ελέγχοντας ειδικά τεστ επιδοσεων, που λέγονται benchmarks. 2
Η Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (Central Processing Unit CPU) ή απλούστερα επεξεργαστής αποτελεί το μέρος του υλικού που εκτελεί τις εντολές ενός προγράμματος υπολογιστή χρησιμοποιώντας βασικές αριθμητικές και λογικές πράξεις καθώς και λειτουργίες εισόδου-εξόδου. Ο επεξεργαστής αποτελείται από τρία βασικά στοιχεία, σύμφωνα με την αρχιτεκτονική φον Νόιμαν: την ΜΕ, την ΑΛΜ και τους καταχωρητές. 3
1. Στην Αριθμητική και Λογική Μονάδα (Arithmetic and Logic Unit ALU), εκτελούνται οι βασικές μαθηματικές πράξεις (πρόσθεση, αφαίρεση, πολλαπλασιασμός, διαίρεση) και πράξεις λογικής (σύζευξη, διάζευξη, άρνηση, συγκρίσεις). 2. Η Μονάδα Ελέγχου, κατευθύνει τη λειτουργία του επεξεργαστή. Η μονάδα αυτή διαβάζει, ερμηνεύει τις εντολές του προγράμματος και καθορίζει τη σειρά επεξεργασίας των δεδομένων. Επίσης, ελέγχει την επικοινωνία και τον συντονισμό μεταξύ των συσκευών εισόδου/εξόδου. 3. Τέλος οι Καταχωρητές (Registers), είναι μικρά κύτταρα μνήμης στο εσωτερικό του επεξεργαστή, που χρησιμοποιούνται για την προσωρινή αποθήκευση των δεδομένων κατά την επεξεργασία τους. 4
Μερικοί καταχωρητές έχουν ειδική λειτουργία όπως: ο Μετρητής Προγράμματος (Program Counter), στον οποίο είναι αποθηκευμένη η διεύθυνση της επόμενης εντολής που θα ανακτηθεί από τη μνήμη, για να εκτελεστεί. ο Καταχωρητής Εντολής (Instruction Register). Σε έναν απλό επεξεργαστή κάθε εντολή που ετοιμάζεται να εκτελεστεί φορτώνεται στον καταχωρητή εντολής. Ο συγκεκριμένος καταχωρητής «κρατάει» την εντολή για όσο χρόνο χρειάζεται ο επεξεργαστής για την αποκωδικοποίηση, προετοιμασία και τελικά εκτέλεσή της, μια διαδικασία που μπορεί να χρειαστεί αρκετά βήματα. ο Συσσωρευτής (Accumulator), που συνήθως χρησιμοποιείται για τις αριθμητικές και λογικές πράξεις. 5
Α. Η συχνότητα του ρολογιού. Οι επεξεργαστές έχουν ένα εσωτερικό ρολόι. Το ρολόι αυτό παράγει συγχρονισμένα (σε τακτά χρονικά διαστήματα) ηλεκτρικούς παλμούς για να οργανώσει την εκτέλεση των εντολών και το συγχρονισμό επικοινωνίας με τα υπόλοιπα μέρη του υπολογιστή.. Το πλήθος των παλμών που στέλνονται σ ένα δευτερόλεπτο ονομάζεται συχνότητα του επεξεργαστή. Κάποιες εντολές για να εκτελεστούν χρειάζονται έναν παλμό ενώ άλλες περισσότερους. Επομένως όσους περισσότερους παλμούς παράγει το δευτερόλεπτο τόσο πολλές εντολές εκτελεί, άρα «τρέχει» γρηγορότερα. Η συχνότητα λειτουργίας του επεξεργαστή μετριέται σε Gigahertz ή σε συντομία GHz (1 GHz = 1.000.000.000 Hz = 1 δις παλμοί το δευτερόλεπτο). 6
Β. Η Αρχιτεκτονική Συνόλου Εντολών (Instruction Set Architecture - ISA). Είναι το μέρος της αρχιτεκτονικής υπολογιστών που σχετίζεται με τον προγραμματισμό. Περιλαμβάνει το σετ εντολών και το είδος των δεδομένων που μπορούν να υποστηριχθούν από τον επεξεργαστή, καθώς επίσης και τους καταχωρητές, την αρχιτεκτονική μνήμης και τους τρόπους διευθυνσιοδότησης. Υπάρχουν δύο αρχιτεκτονικές προσεγγίσεις, η CISC και η RISC. 7
Γ. Μέγεθος λέξης Μας δείχνει το μέγεθος των δεδομένων που μπορεί να χρησιμοποιήσει ο επεξεργαστής. Κάθε λέξη αποτελείται από ένα πλήθος δυαδικών ψηφίων 0 και 1. Το μέγεθος αυτό επηρεάζει τη λειτουργία του υπολογιστή. Ένας υπολογιστής που μπορεί να επεξεργάζεται μεγαλύτερες λέξεις μπορεί να εκτελεί και σε λιγότερο χρόνο (πιο γρήγορα) μεγάλα προγράμματα. Οι σημερινοί η/υ χρησιμοποιούν λέξεις 32 ή 64 bit. 8
Γενικά ένας επεξεργαστής λειτουργεί όπως παρακάτω: 1. Μεταφορά Γίνεται μεταφορά της προς εκτέλεση εντολής από τη θέση μνήμης στην οποίο δείχνει ο PC. Επειδή η μνήμη είναι πιο αργή από τον επεξεργαστή θα πρέπει να την περιμένει. *** 2. Αποκωδικοποίηση Η εντολή χωρίζεται στα διάφορα τμήματα για της για να εκτελεστούν. 3. Εκτέλεση Η ΚΜΕ εκτελεί τα διάφορα τμήματα της εντολής 4. Αποθήκευση Τα αποτελέσματα της εντολής μεταφέρονται σε κάποιον καταχωρητή για να ξαναχρησιμοποιηθούν ή στο σκληρό δίσκο. Τα βήματα επαναλαμβάνονται μέχρι τον τερματισμό του προγράμματος. Μνήμη Επεξεργαστής 9
10
Σχολικό βιβλίο σελίδες: 13-14 Πως Λειτουργεί ο μικρο-επεξεργαστής (μέρος Ι) https://www.youtube.com/watch?v=91i7pz1ogd0 Πως Λειτουργεί ο μικρο-επεξεργαστής (μέρος ΙΙ) https://www.youtube.com/watch?v=4ceya6srufy Αρχιτεκτονική_συνόλου_εντολών https://el.wikipedia.org/wiki/αρχιτεκτονική_συνόλου_εντολών CISC https://el.wikipedia.org/wiki/complex_instruction_set_computer RISC https://el.wikipedia.org/wiki/reduced_instruction_set_computer Να ασχοληθείτε με τη Δραστηριότητα 1, σελ 14. 11