Hva er en CPU, og hva gjør den?

Den viktigste delen av datamaskinen din, hvis du bare måtte velge en, ville være den sentrale prosessorenheten (CPU). Det er det primære navet (eller "hjernen"), og det behandler instruksjonene som kommer fra programmer, operativsystem eller andre komponenter på PC-en.

1 og 0

Takket være kraftigere prosessorer har vi hoppet fra å knapt kunne vise et bilde på en dataskjerm til Netflix, videochat, streaming og stadig mer naturtro videospill.

CPU-en er et underverk innen ingeniørfag, men i sin grunn er den fortsatt avhengig av det grunnleggende konseptet med å tolke binære signaler (1 og 0). Forskjellen er nå at i stedet for å lese hullkort eller behandle instruksjoner med sett med vakuumrør, bruker moderne CPUer små transistorer til å lage TikTok-videoer eller fylle ut tall på et regneark.

Grunnleggende om CPU

CPU-produksjon er komplisert. Det viktige poenget er at hver prosessor har silisium (enten ett stykke eller flere) som huser milliarder mikroskopiske transistorer.

Som vi antydet tidligere, bruker disse transistorene en serie elektriske signaler (nåværende "på" og nåværende "av") for å representere maskinens binære kode, bestående av 1 og 0. Fordi det er så mange av disse transistorer, kan CPUer gjøre stadig mer komplekse oppgaver i større hastigheter enn før.

Transistorantallet betyr ikke nødvendigvis at en CPU vil være raskere. Imidlertid er det fortsatt en grunnleggende grunn til at telefonen du har i lommen har mye mer datakraft enn kanskje hele planeten gjorde da vi først gikk til månen.

Før vi drar videre opp den konseptuelle stigen til CPUer, la oss snakke om hvordan en CPU utfører instruksjoner basert på maskinkode, kalt "instruksjonssett." CPUer fra forskjellige selskaper kan ha forskjellige instruksjonssett, men ikke alltid.

De fleste Windows-PC-er og nåværende Mac-prosessorer bruker for eksempel instruksjonssettet x86-64, uansett om de er en Intel- eller AMD-prosessor. Mac-maskiner som debuterer i slutten av 2020, vil imidlertid ha ARM-baserte CPUer, som bruker et annet instruksjonssett. Det er også et lite antall Windows 10-PCer som bruker ARM-prosessorer.

RELATERT: Hva er binært, og hvorfor bruker datamaskiner det?

Kjerner, hurtigbuffere og grafikk

La oss nå se på selve silisiumet. Diagrammet ovenfor er fra en Intel-papir som ble publisert i 2014 om selskapets CPU-arkitektur for Core i7-4770S. Dette er bare et eksempel på hvordan en prosessor ser ut - andre prosessorer har forskjellige oppsett.

Vi kan se at dette er en firekjerners prosessor. Det var en tid da en CPU bare hadde en enkelt kjerne. Nå som vi har flere kjerner, behandler de instruksjonene mye raskere. Kjerner kan også ha noe som kalles hyper-threading eller simultan multi-threading (SMT), noe som får en kjerne til å virke som to på PC-en. Dette hjelper, som du kanskje forestiller deg, å øke hastigheten på behandlingstiden enda mer.

Kjernene i dette diagrammet deler noe som heter L3-cache. Dette er en form for innebygd minne inne i CPUen. CPUer har også L1 og L2 cacher i hver kjerne, samt registre, som er en form for minne på lavt nivå. Hvis du vil forstå forskjellene mellom registre, cacher og system-RAM, kan du sjekke ut dette svaret på StackExchange.

CPU vist ovenfor inneholder også systemagenten, minnekontrolleren og andre deler av silisiumet som administrerer informasjon som kommer inn i og går ut av CPUen.

Til slutt er det prosessorens innebygde grafikk, som genererer alle de fantastiske visuelle elementene du ser på skjermen. Ikke alle prosessorer har sine egne grafiske muligheter. AMD Zen-stasjonære CPU-er krever for eksempel et diskret grafikkort for å vise noe på skjermen. Noen Intel Core desktop-prosessorer inkluderer heller ikke innebygd grafikk.

CPU på hovedkortet

Nå som vi har sett på hva som skjer under hetten på en CPU, la oss se på hvordan den integreres med resten av PCen. CPU-en sitter i det som kalles en stikkontakt på PC-ens hovedkort.

Når den sitter i kontakten, kan andre deler av datamaskinen koble seg til CPU-en via noe som kalles "busser". RAM kobles for eksempel til CPU-en via sin egen buss, mens mange PC-komponenter bruker en bestemt busstype, kalt "PCIe".

Hver CPU har et sett med "PCIe-baner" den kan bruke. AMDs Zen 2-prosessorer har for eksempel 24 baner som kobles direkte til prosessoren. Disse banene deles deretter opp av hovedkortprodusenter med veiledning fra AMD.

For eksempel brukes 16 baner vanligvis til et x16-grafikkortspor. Deretter er det fire baner for lagring, for eksempel en hurtiglagringsenhet, som en M.2 SSD. Alternativt kan disse fire banene også deles. To baner kan brukes til M.2 SSD, og ​​to for en tregere SATA-stasjon, som en harddisk eller 2,5-tommers SSD.

Det er 20 baner, med de andre fire reservert for brikkesettet, som er kommunikasjonssenter og trafikkontroller for hovedkortet. Brikkesettet har da sitt eget sett med busstilkoblinger, slik at enda flere komponenter kan legges til en PC. Som du kanskje forventer, har komponentene med høyere ytelse en mer direkte forbindelse til CPU.

Som du kan se, gjør CPU mesteparten av instruksjonsbehandlingen, og noen ganger fungerer til og med grafikken (hvis den er bygget for det). CPU er imidlertid ikke den eneste måten å behandle instruksjoner på. Andre komponenter, for eksempel grafikkortet, har sine egne prosesseringsmuligheter ombord. GPU bruker også sine egne prosesseringsmuligheter for å jobbe med CPU og kjøre spill eller utføre andre grafikkintensive oppgaver.

Den store forskjellen er at komponentprosessorer er bygget med spesifikke oppgaver i tankene. CPU-en er imidlertid en enhet for generell bruk som er i stand til å utføre hvilken som helst databehandling som den blir bedt om å gjøre. Det er derfor CPU-en troner øverst inne i PC-en, og resten av systemet er avhengig av at den fungerer.