3.3.1. CPU (mikroprocesor)

Mikroprocesor (CPU) je najvažniji elektronički sklop računala, koji preuzima programske komande i naredbe i na osnovu njih obrađuje podatke. Naziv 'mikro' koristi se zbog malih dimenzija. Sadrži milione tranzistora ukomponiranih na silicijumskoj pločici upakiranoj u plastično kućište.

Vrijeme izvođenja instrukcija je reda mikrosekunda, a broj instrukcija i veličina binarnog podatka osnovni su parametri koji definiraju kvalitet mikroprocesora. Mikroprocesori koji se u računalnim sustavima opće namjene koriste dizajnirani su za rad s podacima duljine 4, 8, 16, 32 i 64 bit-a. Prvi je u sastavu jednostavnih kalkulatora, a posljednji naveden veće je uobičajena praksa u osobnim računalima (Pentium).

Prijenos podataka između sklopova unutar mikroprocesora i unutar računala vrlo je značajan dio posla, a obavlja se preko SABIRNICA (BUS), višežilnim prenosnim putovima između pojedinih sklopova. Broj vodova sabirnice ovisi o broju bit-a koji opisuju podatke koje je potrebito prenjeti. U suštini prijenos podataka je paralelan.

Dakle postoje dva osnovna sustava sabirnica:

  1.) Unutrašnje sabirnice - veze unutar mikroprocesora.
  2.) Vanjske sabirnice - veze u računalu izvan mikroprocesora

Međusobno su odvojene međusklopovima jer se često promet na njima ne odvija istom brzinom. Razmjena podataka u mikroprocesoru obavlja se višestruko brže nego između sklopova računala, te ih je stoga potrebito odvojiti. O prijenosu podataka između unutrašnje i vanjske sabirnice brinu se posebni upravljači (controller).

Počeci razvoja mikroprocesora vezani su za arhitekturu s jednom zajedničkom sabirnicom, kao kod modela na slici 3.3.3, ne koristi se više, ali je prihvatljiv za prikaz načela rada mikroprocesora.

Slika* 3.3.3 Načelna arhitektura mikroprocesora s jednom sabirnicom.

Akumulator je najvažniji registar (spremnik) u mikroprocesoru. Spremnik je privremena memorija za podatke. Podaci sa sabirnice dolaze u akumulator i iz njega preslikavaju preko buffer-a B1 (međuspremnik) na prvi ulaz ALU. Ako je potrebno sačeka se drugi podatak koji će preko buffer-a B2 proslijediti na drugi ulaz ALU koja potom vrši zbrajanje, logičku operaciju ili proslijeđuje podatke u registar (spremnik) rotacije i tu obavlja računske radnje. Rezultat se potom vraća natrag na sabirnicu, po potrebi ponovo dovodi u ALU na daljnju obradu ili trenutno sprema u jednom od registara opće namjene (R0-RN) tako da je 'pri ruci' akumulatoru. Broj registara opće namjene ovisi o konstrukciji procesor i obično ih je oko 10-20, te jedan ili više akumulatora.

Ako tijekom računskih operacija dođe do preljeva ili nekog drugog neprihvatljivog rezultata, u registru statusa (RS), koji čuva niz neovisnih bit-ova, mijenja se stanje jednog od njih te se ukazuje na nastalu promjenu, kao kod linijskih sudaca u nogometu kada se zastavicom (FLAG) signaliziraju zbivanja. Uvid u sadržaj registra (spremnika) statusa omogućava programeru usmjeravanje tijeka programa.

Dakle, u registre opće namjene pohranjuju se podaci koji se imaju proslijediti akumulatoru i spremaju se međurezultati rada ALU. Osim registara opće namjene tu su i registri posebne namjene i to:

• Programsko brojilo (PB) u kojem se čuva adresa instrukcije koja se ima izvršiti u slijedećem ciklusu
• Instrukcijski registar (IR) u koji se upisuje kod instrukcije pribavljene s adrese koju sadrži programsko brojilo
• Brojilo podataka (BP) sadrži adresu operanda koji se pribavlja

Suradnja svih navedenih komponenti unutar mikroprocesora najbolje se može po fazama ilustrirati jednostavnim primjerom zbrajanja dva broja:

1. U programsko brojilo (PB) postavljena je adresa instrukcije.
2. Instrukcija s te adrese postavlja se u instrukcijski registar (IR).
3. Sadržaj instrukcijskog registra (IR) tumači se kao nalog da se akumulator napuni sadržajem koji se nalazi na adresi koja će se pribaviti u narednoj fazi.
4. Programsko brojilo (PB) puni se sadržajem koji pokazuje na adresu podatka.
5. Instrukcijski registar 'zna' da podatak koji dolazi treba upisati u brojilo podataka (BP) odnosno mjesto gdje se pohranjuje adresa operanda.
6. Puni se akumulator s podatkom koji se nalazi pohranjen na adresi zapisanoj u brojilu.
7. U programsko brojilo (PB) 'puni' se adresa slijedeće instrukcije pribavljene iz instrukcijskog registra (IR) koja nalaže da se sadržaju akumulatora pribroji sadržaj koji se nalazi na adresi koja se tek ima pročitati.
8. Pribavljanje drugog operanda je prema već opisanom postupku i podatak se potom nalazi na unutrašnjoj sabirnici.
9. Podatak iz akumulatora preslikava se u međuspremnik s kojim je povezan (B1), a podatak s unutrašnje sabirnice u drugi međuspremnik (B2).
10. Upravljačka jedinica šalje ALU nalog da zbroji ova dva binarna podatka i rezultat se šalje preko unutrašnje sabirnice u jedan od registara opće namjene (R0-RN).

Navedena lista opisuje vrlo pojednostavljeno rad mikroprocesora, ali je ujedno dobar uvid u osnove njegovog funkcioniranja. Podaci se po obradi preko buffer-a B0 mogu proslijediti vanjskoj sabirnici, a upravljačkoj jedinici (UJ) proslijedi se poruka kojemu uređaju da omogući pristup na vanjsku sabirnicu. Iz pojednostavnjenog opisa rada mikroprocesora očevidno je da se sve radnje obavljaju u malim koracima, ali je ukupna brzina obrade tih koraka toliko velika da njihova jednostavnost nije od značaja.

Moderni mikroprocesori imaju u svom okruženju, osim navedenih sklopova, raznovrsna brojila, memoriju, adresne i indeksne spremnike i još štošta drugo. Unutarnja i vanjska komunikacija odvija se preko tri odvojene sabirnice:

          1.) Podatkovne sabirnice  ---  dvosmjerna
          2.) Adresne sabirnice  ------  jednosmjerna
          3.) Upravljačke sabirnice  --  jednosmjerna

Naravno, komunikacija posredstvom triju sabirnica ubrzava sustav. Podatku koji je na sabirnici podataka, preko adresne sabirnice određuje se mjesto na koje će se uputiti, a upravljačka sabirnica će prijenos odobriti. Sve to obavljalo se je na modelu prikazanom na predhodnoj slici izmjenično preko jedne sabirnice.

Primjer I

Ono na što većina korisnika računala najmanje obraća pažnju, a u stvarnosti je računalu i mikroprocesoru najveći neprijatelj, to je - TEMPERATURA. Hladilo je neizostavni uređaj računalne tehnologije.

Slika 3.3.4 Pasivno hladilo

Kako se sve veći broj tranzistora 'pakuje' u integrirane krugove mikroprocesora radna temperatura novijih inačica mikroprocesora sve se više povećava. Prekomjernim porastom temperature može doći do greške tijekom rada i u krajnjem slučaju do pregorijevanja i oštećenja mikroprocesora. Da bi se ovo izbjeglo mikroprocesor treba hladiti. Posebnu pažnju treba posvetiti u odabiru hladila za 'jače' mikroprocesore. Koriste se aktivna i pasivna hladila. Glavna osobina pasivnog hladila je rebrasta izvedba i hlađenje bez stvaranja buke, ali su za moderne procesore, kojima je potrošnja preko 100W, nedostatni. Aktivna hladila koriste podlogu koja se postavlja na mikroprocesor i s koje se toplovodnim cijevima toplota predaje rebrastoj konstrukciji radijatora te se s rebara odvodi ispuhivanjem pomoću kontroliranog ventilatora. Jeftinija aktivna hladila zasnivaju se na kontroliranom hlađenju rebara pasivnog hladila pomoću ventilatora.

Postoje i specijalne izvedbe hladila s vodenim blokom koji se postavlja na mikroprocesor te se ugrijana voda pumpicom odvodi do radijatora i hladi, slično hlađenju automobilskog motora, ili izvedbe hlađenja s poluvodičkim pločama (Peltier); ako se pusti struja kroz dva različita povezana metala tada će metali reagirati tako da će početi 'prebacivati' toplinu s jednog kraja na drugi. Otud naziv i termička pumpa. No to je novi teret za izvor napajanja.

Novije izvedbe mikroprocesora koriste mehanizam automatskog snižavanja radnog takta kada procesor nije opterećen kao bi učinak zagrijavanja bio što manji. Da bi s toplota (disipacija) s tijela mikroprocesora što bolje prenijela na podlogu hladila koristi se termalna pasta koja se u tankom sloju namaže na metalno kućište mikroprocesora prije postavljanja hladila, kako bi se smanjio efekat spajanja neravnih površina. Na taj način u većoj ili manjoj mjeri pospješuje se odvod toplote s mikroprocesora ovisno o vrsti i osobinama paste. Iako se mikroprocesor u računalu hladi na poseban način, mnogo je drugih vrlo zagrijanih komponenti unutar kućišta koje zahtijevaju dobro zračno hlađenje. Stoga vrsti kućišta i ventiliranju kućišta treba posvetiti posebnu pažnju.