პროცესორი

(Central Processing Unit-CPU)-არის პერსონალური კომპიუტერის ერთ-ერთი ძირითადი ნაწილი, მისი "ტვინი", რომლის საშუალებითაც ხდება პროგრამების შესრლება და მოწყობილობების მართვა.
      პროცესორი არის პატარა მიკროსქემა, რომელიც დედაპლატაზე ზის მისთვის განკუთვნილ  ბუდეში Soket-ში ან Slot-ში და გადახურებისგან დასაცავად თავზე რადიატორი და ვენტილატორი ადგას.

Slot

Socket

     

Soket-ის ბუდე უზრუნველყოფს დედაპლატისა და თავად პროცესორის კავშირს. დღეს პროცესორების უმრავლესობაში გამოიყენება არქიტექტურა PGA (Pin Grid Array) და LGA (land grid array), რაც საშუალებას იძლევა პროცესორის ქვედა მხარეს არსებული  კონტაქტები (Pin)  ჩაისვას პროცესორის ბუდეში.

PGA

LGA

პროცესორები ერთმანეთისაგან განსხვავდებიან შემდეგი მახასიათებლებით: ტიპი (მოდელი) და ტაქტური სიხშირე.

ტაქტური სიხშირე განსაზღვრავს რამდენი ელემენტალური ოპერაცია სრულდება ერთ წამში. რაც უფრო მაღალი მოდელისაა პროცესორი, მით უფრო ნაკლებ ტაქტურ იმპულსს საჭიროებს ერთი ოპერაციის შესასრულებლად. ტაქტურ სიხშირეს ხშირად პროცესორის და შესაბამისად კომპიუტერის სიჩქარესაც უწოდებენ. მაგალიტად, კომპიუტერი ,რომლის ტაქტური სიხშირეა 2700 მგც (მეგაჰერცი) წამში ასრულებს 2700 მილიონ ოპერაციას, 3000 მგც-იანი - 3000 მლნ ოპერაციას და ა.შ. ტაქტური სიხშირე ორი სახისაა: შიდა და გარე. შიდა ტაქტური სიხშირე ის სიხშირეა, რომლითაც მიმდინარეობს მუშაობა პროცესორიდან შიგნით, ხოლო გარე ტაქტური სიხშირით ხდება მონაცემთა გაცვლა პროცესორსა და კომპიუტერის ოპერატიულ მეხსიერებას შორის.

პროცესორის თანრიგობა. პროცესორს გააჩნია რეგისტრები, რომლებსაც შიდა მეხსიერებასაც უწოდებენ. რეგისტრებში პროცესორი მონაცემებს ინახავს. დროის გარკვეულ მონაკვეთში კომპიუტერს შეუძლია ოპერირება ინფორმაციის განსაზღვრულ რაოდენობაზე, რაც დამოკიდებულია შიდა რეგისტრების თანრიგობაზე. თანრიგი - ეს არის ინფომარციის ერთეული (ერთი ბიტი ინაფორმაცია, 0 ან 1). თუ კომპიუტერს შეუძლია დროის ერთეულში დაამუშაოს ინფორმაციის 8 თანრიგი, მაშინ რეგისტრი და შესაბამისად, პროცესორი 8 თანრიგაა, თუ - 32 თანრიგი , მაშინ პროცესორი 32 თანრიგაა და ა.შ.

 დღეისათვის არსებობს პროცესორები ოთხ გეგაბაიტზე მეტი ტაქტური სიხშირით. ამ უკანასკნელ პერიოდში პროცესორების ტაქტური სიხშირის გაზრდა უფრო და უფრო ძნელი გახდა. რამეთუ პროცესორში ტაქტური სიხშირის გაზრდის შესაბამისად იზრდება ტრანზისტორების, გამტარებისა და სქემოტექნიკის სხვა ელემენტების რაოდენობა. ეს უკანასკნელი იწვევს გამოყოფილი სითბოს რაოდენობის ზრდას. პროცესორის გაცივება სქემოტექნიკის ერთ-ერთი მთავარი პრობლემაა. ტემპერატურული ბალანსის დარღვევა კი უარყოფითად მოქმედებს პროცესორის მუშაობაზე. მეცნიერების წინაშე დაისვა სერიოზული ამოცანა, შეექმნათ ისეთი ახალი ტექნოლოგია, რომელიც პროცესორის ტაქტური სიხშირის ამაღლების გარეშე გაზრდიდა კომპიუტერის მწარმოებლურობას. მეცნიერებმა აღნიშნული პრობლემა გადაწყვიტეს პრცესორში ბირთვების რაოდენობის გაზრდით.

რას ნიშნავს პროცესორის მრავალსბირთვიანობა? მაგალითად, რას გულისხმობს ორბირთვიანი პროცესორი? ორბირთვიანი (Dual Core - ორი გული, ორი ბირთვი) პროცესორი ეს არის ერთ „ჩიპში“ ანუ ერთ მიკროსქემაში გაერთიანებული ორი პროცესორი.

ერთბირთვიანისგან გასნხვავებით ორბირთვიან პროცესორს შეუძლია იმუშაოს მრავალ ნაკადიან ინფორმაციასთან. მისი ოპერაციული სისტემა პროგრამულ ნაკადებს უნაწილებს თითოეულ ბირთვს ცალ-ცალკე. რაც თავის მხრივ ზრდის პროცესორის მწარმოებლურობას ტაქტურ სიხშირის გაზრდის გარეშე.

სურათზე მოყვანილია 2 ბირთვიანი პროცესორის სქემა, სადაც შუაში გვერდი გვერდ გამოსახულია 2 ბირთვი

 

                      

პროცესორის მაასიათებლები

ძირითადი არხი, რომლის მეშვეობითაც მონაცემები მოძრაობენ პროცესორისკენ და პროცესორიდან პირიქით, სისტემური ან მონაცემთა სალტე ეწოდება FSB (Front Side Bus). ამ სალტის სიხშირე და გამტარობა (იგივე თანრიგი) პროცესორის ძირითად მახასიათებელს წარმოადგენს და მისი სწრაფქმედება ამ მონაცემებზეა დამოკიდებული. მონაცემთა სალტის გავლით ინფორმაცია შედის პროცესორში. შესული ინფორმაცია პროცესორმა უნდა მიიღოს, დაამუშაოს და დადასცეს მოწყობილობებს. პროცესორმა, რომ მოასწროს ამ მოქმედებების განხორციელება მისი სამუშაო სიხშირე უნდა აღემატებოდეს  სალტის სიხშირესზე რამდენიმეჯერ. პროცესორის შიდა სამუშაო სიხშირეს ეწოდება ტაქტური სიხშირე (Frequency).

       როგორ მიიღწევა ტაქტური სიხშირე? როდესაც პროცესორი მზადდება, მწარმოებელი წინასწარ განსაზღვრავს თუ რა დანიშნულებისათვის უნდა იყოს გამოყენებული იგი და მისი სალტის სიხშირისაგან გამომდინარე განსაზღვრავს, თუ რამდენჯერ უნდა აღემატებოდეს ტაქტური სიხშირე სალტის სიხშირეზე. შესაბამისად აგეგმარებს პროცესორის არქიტექტურას და განუსაზღვრავს მას გარკვეულ კოეფიციენტს, რათა ტაქტური სიხშირე გახდეს მონაცემთა სალტის სიხშირის ჯერადი. ამ კოეფიციენტს უწოდებენ მამრავლს (Multiplayer). იგი შეიძლება იყოს 1-დან 25-მდე. ანუ მივიღეთ მარტივი ფორმულა;

Freq = FSB (Mhz) *  Multiplayer

       FSB სიხშირე სხვადასხვა პროცესორისთვის შეიძლება იყოს 66, 100, 133, 266, 333, 400, 533, 800 MHz და მეტი. თუ პროცესორს მწარმოებლისგან განსაზღვრული აქვს მამრავლი 4,5. მაშინ 100 MHz სალტის მქონე პროცესორი იმუშავებს 450 MHz ტაქტურ სიხშირეზე, ხოლო 800 Mhz სალტეზე ტაქტური სიხშირე იქნება 800*4,5=3600 MHz ანუ  3,6 GHz. 

    ზოგიერთ შემთხვევაში შესაძლებელია პროცესორის ტაქტური სიხშირე ხელოვნურად გავზარდოთ, მას აჩქარებას, აქსელერაციას უწოდებენ (Overclocking, Разгон). არსებობს აქსელერაციის ორი გზა. ფორმულიდან გამომდინარე შეიძლება ბიოსიდან გავზარდოთ სალტის სიხშირე და მამრავლი, ან  სალტის სიხშირე გავზარდოთ დედაპლატაზე არსებული გადამრთველების მეშვეობით, რომელიც დედაპლატის პასპორტში ან დედაპლატაზე იქნება მითითებული.

      პროცესორი შედგება მიკროსკოპული ტრანზისტორებისაგან, რომელთა ფიზიკური ზომა მიკრო და ნანო განზომილებებია. თანამედროვე პროცესორები 0,032 მიკრომეტრი და 0,045მკმ ტექნოლოგიითაა დამზადებული. არსებობს აგრეთვე 0,065 0,09; 0,13; 0,18; 0,25 მკმ ზომის ტრანზისტორიანი პროცესორებიც (ეს ზომები ნანომეტრებში შესაბამისად იქნება 32, 45, 65, 90, 130, 180, 250 ნმ). რაც უფრო პატარაა ტრანზისტორი, მით მეტი რაოდენობა ეტევა პროცესორის კრისტალში, მით ნაკლებ ენერგიას მოიხმარს და სითბოს გამოყოფაც ნაკლები აქვს. თანამედროვე პროცესორებში მათმა რაოდენობამ ერთ მილიარდს გადააჭარბა.

      ტრანზისტორები გარკვეული ლოგიკით უკავშირდბიან ერთმანეთს და მათგან მომავალი იმპულსები გამოდის პროცესორის ფეხებზე, რომლებითაც ის გადაეცემა დედაპლატას. რაც მეტი ტრანზისტორია მოთავსებული პროცესორში, მით მეტი იმპულსი გამოდის მათგან, შესაბამისად მეტი რაოდენობის კონტაქტები აქვს პროცესორს, ამიტომ არსებობს სხვადასხვა რაოდენობის კონტაქტიანი პროცესორები, მაგ; 370, 462, 478, 771, 775, 1155, 1156 და ა.შ. შესაბამისად რაც მეტი კონტაქტიანი აქვს პროცესორს, მით მეტი დავალების შესრულება შეუძლია და უფრო ძლიერია.

ტრანზისტორები განლაგებული არიან პროცესორის 4 ძირითად კვანძში

არითმეტიკული ლოგიკური მოწყობილობა - ALU (Arithmetic and Logic Unit). ამ კვანძში ხდება არითმეტიკული მოქმედებები და ლოგიკური ოპერაციები. როდესაც ჩვენ ვმუშაობთ საოფისე ან სხვადასხვა მარტივ პროგრამებში ამ დროს პროცესორში ხდება მონაცემთა არითმეტიკული (შეკრება, გამოკლება, გაყოფა, გამრავლება) დამუშავება და სხვადასხვა გარდამქმნელების მეშვეობით ვხდავთ ჩვენი მუშაობის შედეგს.

მცურავ მძიმიან რიცხვებთან მომუშავე მოწყობილობა - FPU (Fload Point Unit). რთულ გრაფიკულ და მულტიმედიურ პროგრამებში მუშაობისას პროცესორს უწევს წილად რიცხვებთან რთული მათემატიკური ოპერაციების ჩატარება, აგრეთვე ტრიგონომეტრიული გამოთვლები. ამ სამუშაოს შესრულებაზე პასუხისმგებელია ეს კვანძი. მას თანაპროცესორსაც უწოდებენ.

მაკონტროლებელი მოწყობილობა - CU (Control Unit). ეს კვანძი აკონტროლებს პროცესორში შემომავალ და გამავალ მონაცემებს და უზრუნველყოფს დანიშნულების ადგილამდე მათ მისვლას.

 ქეშმეხსიერება - Cache. იგი წარმოადგენს მცირე ზომის ბუფერს (საწყობს), სადაც პროცესორი ინახავს ყველაზე აუცილებელ მონაცემებს, რადგან საჭიროების შემთხვევაში ყოველთვის გვერდით ჰქონდეს. 

   ქეშმეხსიერება  

 CPU ასრულებს პროგრამას, რომელიც წარმოადგენს ბრძანებათა თანამიმდევრობას. პროცესორის ყოველ მოდელს შესასრულებელი აქვს ბრძანებების ნაკრები. პროგრამაში მუშაობის დროს CPU მონაცემების ყველა ელემენტს ამუშავებს ბრძანებათა ნაკრების შესაბამისად. სანამ CPU ასრულებს პროგრამის ერთ ნაბიჯს, დანარჩენი ბრძანებები და მონაცემები ინახება გვერდით სპეციალურ მეხსიერებაში, რომელსაც CACHE (ქეშ მეხსიერება) ეწოდება.

       ქეშ-მეხსიერება არის ზესწრაფი მეხსიერება, სადაც ინახება წინასწარ გამზადებული ინფორმაცია, რომელიც პროცესორს დაჭირდება დასამუშავებლად. ელექტრონულად ქეშის მოვალეობას ტრანზისტორები ასრულებენ, რომლებიც ჩიპებშია განთავსებული და პროცესორის კრისტალშია ჩაშენებული.

ქეშის მაქსიმალური ეფექტურობა მიიღწევა მაშინ, როდესაც მისი და პროცესორის შემაერთებელი არხის სიხშირე უახლოვდება ტაქტურ სიხშირეს. ამიტომ მოხერხდა ქეშის ინტეგრაცია პროცესორის კრისტალში და ამ შემთხვევაში იგი უშუალოდ პროცესორის ტაქტურ სიხშირეზე მუშაობს. პროცესორში განლაგებული ტრანზისტორების ნახევარზე მეტი ქეშმეხსიერებას ეკუთვნის.

       პრიორიტეტის მიხედვით ქეში იყოფა სამ დონედ (Level). პირველი დონეში (L1) ინახება ის ინფორმაცია, რომელსაც კონკრეტულ მომენტში იყენებს პროცესორი. მეორე დონეში (L2) ინახება ინფორმაცია, რომელიც ცოტა ხანში დაჭირდება პროცესორს, ხოლო მესამე დონე (L3) აგროვებს და ინახავს ინფორმაციას, რომელსაც გამოიყენებს პროცესორი უახლოეს მომავალში.

        L1 ქეშის მოცულობა 32 KB-დან 128 KB-მდე მერყეობს, L2-128 KB-დან 12 MB-მდე. L3-32 MB და მეტიც შეიძლება იყოს.

პროცესორის ინსტრუქციები 

სიჩქარის გასაზრდელად ზოგიერთ CPU-ში გამოიყენება HT (Hyper Threading) ტექნოლოგია. ამ ტექნოლოგიით დამზადებულ პროცესორებს ოპერაციული სისტემა ერთ ფიზიკურ ბირთვს აღიქვავს ორ ლოგიკურ ბირთვად და ჰყოფს მათ რესურსებს სხვადასხვა დავალებების შესასრულებლად. ასეთ შემთხვევაში CPU შეუძლია ყოველ კონვეიერზე  კოდის  რამდენიმე  ფრაგმენტი  დაამუშაოს.

       MMX არის მულტიმედიურ ინსტრუქციათა ნაკრები, რომელიც ჩაშენებულია Intel-ის პროცესორებში. პროცესორებს MMX ტექნოლოგიით შეუძლიათ შეასრულონ უამრავი მულტიმედიური ტიპის ოპერაცია, რომლებიც ჩვეულებრივ ცალკე სრულდება ვიდეო ან აუდიოკარტაში. MMX ინსტრუქციათა ნაკრებით სარგებლობა შეუძლიათ მხოლოდ იმ პროგრამებს, რომლებიც სპეციალურად ამ ბრძანებებისათვის დაიწერა. ყველა თანამედროვე პროცესორი შეიცავს ასეთ ინსტრუქციებს და შეგვხვდება პროცესორები SSE, SSE2, SSE3, SSE4.1, SSE4.2 AVX ინსტრუქციათა კრებულით, ხოლო AMD იყენებს 3D now და Enhanced 3D now ინსტრუქციებს.

                          SSE-შეიცავს 70 ინსტრუქციას

                          SSE2-შეიცავს 144 ინსტრუქციას

                          SSE3-შეიცავს 13 ინსტრუქციას

                          SSE4.1-შეიცავს 47 ინსტრუქციას

                          SSE4.2-შეიცავს 7 ინსტრუქციას

      SMM (System Management Mode) სისტემის მართვის რეჟიმი, პროცესორს საშუალებას აძლევს არეგულიროს თავისი კვება მუშაობის რეჟიმის შესაბამისად, ანუ თუ მას არ აქვს სრული დატვირთვა იმუშაოს ნაკლებ ტაქტურ სიხშირეზე და შესაბამისად ნაკლები ენერგია მოიხმაროს.ასეთი პროცესორები აუცილებელია პორტატულ კომპიუტერებში, სადაც კვება ბატარიებიდან ხდება და შესაბამისად ეკონომიაა საჭირო.

OEM და BOX პროცესორები

კორპორაცია Intel და AMD ს პროცესორები გაყიდვაში გამოდის ორი სახით:  BOX- ირებული პროცესორი და OEM პროცესორი. პროცესორის ყიდვისას BOX-ირებული პროცესორის კომპლექტში შედის ფრიალა (ქულერი) თავისი თბოამრიდებლით (პასიური გამაგრილებელი), თერმოპასტა და საგარანტიო ფურცელი. BOX-ირებული, ცენტრალური პროცესორის შეძენისას მასზე ვრცელდება დამამზადებელი ქარხნის 3 წლიანი გარანტია, როდესაც OEM-ის ცენტრალურ პროცესორს ფირმა ყიდულობს დიდი რაოდენობით (თითოეულ ყუთში არის 100 ცენტრალური პროცესორი), საგარანტიო პირობებზე პასუხისმგებელი თვითონ შემსყიდველი ფირმაა, რომელიც ახდენს ამ პროცესორების რეალიზაციას. მას არ მოყვება  ქარხნული გარანტია, ფრიალა თავისი თბო ამრიდებლით და არც თერმოპასტა.

                    

BOX

OEM

დამყარდა მსოფლიო რეკორდი, მაქსიმალური ტაქტური სიხშირის განვითა-
რებაზე. ტაქტური სიხშირის გაზრდა ცენტრალური პროცესორის გაყინვით 
შეიძლება, რისთვისაც იყენებენ აზოტის ქვეჟანგს.