Centrální procesorová jednotka, známá pod zkratkou CPU, představuje klíčovou součást každého počítače. Lze ji považovat za hlavní řídicí centrum, nebo chcete-li „mozek“, který zpracovává instrukce z programů, operačního systému a dalších hardwarových prvků.
Základní stavební kameny: Jedničky a nuly
Díky pokročilým procesorům jsme svědky obrovského pokroku. Od dřívějších, sotva funkčních zobrazení na obrazovkách, až po dnešní streamovací platformy, videochaty a realistické videohry. Srdcem CPU je však stále základní princip, a to interpretace binárních signálů – jedniček a nul. Moderní CPU již nepoužívají děrné štítky ani elektronky, ale miniaturní tranzistory, které umožňují vytváření videí na TikToku či editaci tabulek.
Architektura a principy fungování CPU
Výroba CPU je komplexní proces. Každá CPU obsahuje křemíkový čip, jenž v sobě ukrývá miliardy mikroskopických tranzistorů. Tyto tranzistory, pomocí elektrických signálů (proud „zapnuto“ a proud „vypnuto“), reprezentují binární kód. Díky tomuto obrovskému množství tranzistorů mohou CPU provádět stále složitější úkoly rychleji než dříve. Nicméně, samotný počet tranzistorů automaticky nezaručuje vyšší rychlost procesoru. Je to však jeden z klíčových faktorů, který umožnil, že chytrý telefon v kapse má dnes větší výpočetní výkon, než měla celá NASA v době prvního letu na Měsíc, jak uvádí tento článek.
Pojďme se podívat na to, jak CPU zpracovává instrukce založené na strojovém kódu, které se nazývají „instrukční sada“. Různé společnosti mohou používat odlišné instrukční sady. Většina počítačů s Windows a současné Macy používají instrukční sadu x86-64, a to bez ohledu na to, zda je procesor od Intelu nebo AMD. Nicméně, Macy uvedené na trh koncem roku 2020, používají procesory založené na ARM s odlišnou instrukční sadou. I v některých počítačích s Windows 10 najdeme ARM procesory.
Jádra, Mezipaměť a Grafické Funkce
Podívejme se nyní na strukturu křemíkového čipu. Uvedený diagram, pochází z dokumentace společnosti Intel z roku 2014, představuje architekturu CPU pro server Core i7-4770S. Je to jen příklad, a jednotlivé procesory se mohou v uspořádání lišit.
Tento procesor je čtyřjádrový. V minulosti měly CPU pouze jedno jádro, ale díky vícejádrovým procesorům se zpracování instrukcí výrazně zrychlilo. Jádra mohou mít takzvaný hyper-threading nebo simultaneous multi-threading (SMT), díky kterým se jedno jádro tváří jako dvě. To přispívá k dalšímu zrychlení zpracování.
Jádra v tomto schématu sdílejí mezipaměť L3, což je forma integrované paměti uvnitř CPU. Každé jádro má také mezipaměti L1 a L2 a registry, což jsou nízkoúrovňové paměti. Pro objasnění rozdílů mezi registry, mezipamětí a systémovou RAM se můžete podívat na tuto odpověď na StackExchange.
CPU na obrázku má také systémového agenta, paměťový řadič a další prvky, které řídí tok dat do a z CPU.
Kromě toho, procesory mohou mít integrovanou grafickou kartu, která generuje vizuální výstup na obrazovku. Ne všechny procesory ji však obsahují. Například stolní procesory AMD Zen vyžadují samostatnou grafickou kartu pro zobrazení na monitoru. Stejně tak, některé procesory Intel Core nemají integrovanou grafiku.
CPU a Základní Deska
Nyní se podívejme, jak je CPU integrována do zbytku počítače. Procesor se umísťuje do patice na základní desce.
Jakmile je procesor v patici, ostatní komponenty počítače se k němu připojují pomocí sběrnic. RAM se například připojuje k CPU prostřednictvím své vlastní sběrnice, zatímco mnoho PC komponent používá sběrnici „PCIe“.
Každý CPU má sadu „PCIe pruhů“, které může využívat. Například procesory AMD Zen 2 mají 24 drah. Výrobci základních desek tyto pruhy rozdělují. 16 pruhů se obvykle používá pro slot grafické karty x16. Čtyři pruhy jsou vyhrazeny pro rychlá paměťová zařízení jako M.2 SSD. Případně je lze rozdělit i pro další zařízení. Zbylé čtyři pruhy slouží pro čipovou sadu, která je řídicím centrem pro základní desku. Čipová sada má vlastní sběrnicová připojení, což umožňuje přidání dalších komponent do PC. Komponenty s vyšším výkonem mají přímější spojení s CPU.
Procesor tedy vykonává většinu zpracování instrukcí. Grafická karta může také provádět zpracování úloh, zejména těch náročných na grafiku. Rozdíl je v tom, že procesory komponent jsou navrženy pro specifické úkoly, zatímco CPU je univerzální zařízení, které zvládne jakoukoli výpočetní úlohu. Právě proto hraje CPU klíčovou roli a zbytek systému na něj spoléhá.