20. Procesory

  • Rozdělení procesorů
  • Architektury procesorů
  • Parametry procesorů, výrobní technologie

1. Definice procesoru (CPU)

  • Procesor (CPU – Central Processing Unit) je hlavní řídicí a výpočetní jednotka počítače. Jedná se o vysoce komplexní integrovaný obvod, který vykonává instrukce tvořící počítačový program. Jeho úkolem je načítat data z paměti, interpretovat jejich význam a následně provádět výpočty nebo řídit ostatní součásti systému.

center

Procesor grafické karty

center

Procesor usazený v základní desce

  • 1.1 Základní části procesoru

    1. Řídicí jednotka (Control Unit): Dekóduje instrukce z paměti a řídí činnost všech ostatních částí procesoru i celého počítače (posílá signály do RAM, na disk atd.).
    2. Aritmeticko-logická jednotka (ALU): Provádí veškeré matematické operace (sčítání, násobení) a logické operace (porovnávání, AND, OR).
    3. Registry: Velmi malé, ale extrémně rychlé paměťové buňky přímo uvnitř procesoru, které slouží k dočasnému ukládání právě zpracovávaných dat a adres.

  • 1.2 Princip činnosti (Cyklus procesoru)

    1. Fetch (Načtení): Procesor si z operační paměti (RAM) vyžádá další instrukci k provedení.
    2. Decode (Dekódování): Řídicí jednotka zjistí, co instrukce znamená (např. „sečti dvě čísla“).
    3. Execute (Vykonání): ALU provede výpočet a výsledek se uloží buď do registru, nebo zpět do paměti.

2. Rozdělení procesorů

  • Procesory můžeme dělit podle několika kritérií, od jejich účelu až po vnitřní schopnosti.

  • 2.1 Podle účelu použití:

    • Univerzální (CPU): Klasické procesory v PC, noteboocích a serverech (Intel Core, AMD Ryzen).
    • Grafické (GPU): Specializované na masivně paralelní výpočty (tisíce jader), klíčové pro grafiku a AI.
    • Mikrokontroléry (MCU): Jednočipové počítače pro řízení jednoduchých zařízení (pračky, auta, Arduino). Obsahují CPU, RAM i úložiště na jednom čipu.
    • Signálové (DSP): Určené pro zpracování signálu v reálném čase (audio, video, telekomunikace).
    • NPU (Neural Processing Unit): Moderní trend (v roce 2026 standard), jádra specializovaná na výpočty umělé inteligence.

  • 2.2 Podle šířky datové sběrnice (bitovosti):

    • 32-bitové: Dnes již na ústupu, omezená adresace RAM (max 4 GB).
    • 64-bitové: Současný standard, umožňují pracovat s obrovským množstvím dat a paměti.

3. Architektury procesorů

  • Architektura určuje, jak je procesor vnitřně uspořádán a jakou sadu instrukcí používá.

  • 3.1 Koncepce uspořádání (Paměť a Sběrnice)

    • 3.1.1 Von Neumannova architektura

      • Základním rysem je jedna společná paměť pro program (instrukce) i pro data.
      • Procesor přistupuje k paměti prostřednictvím jedné adresové a jedné datové sběrnice.
      • Instrukce se vykonávají sekvenčně v pořadí, jak jsou uloženy v paměti.
      • Výhody: jednoduchost, univerzálnost.
      • Nevýhody: možnost přepsání programu daty, omezená rychlost (tzv. „Von Neumannův bottleneck“).
      • Praktický příklad: Osobní počítače a většina běžných procesorů (např. Intel Core i7) stále vychází z von Neumannovy koncepce.

      center

      Von Neumannova architektura

    • 3.1.2 Harvardská architektura

      • Tato architektura vznikla z potřeby zrychlení. Odděluje paměť programu od paměti dat a každá má svou vlastní sběrnici.
      • Princip: Procesor může zároveň číst instrukci z paměti programu a přitom ukládat výsledek předchozí operace do paměti dat.
      • Využití: Mikrokontroléry (Arduino/Atmel, PIC), signálové procesory (DSP) a vnitřní mezipaměti (L1 Cache) moderních procesorů.
      • Praktický příklad: Mikrokontroléry a jednoúčelová zařízení, např. Arduino (ATmega) nebo digitální signálové procesory (DSP)

      center

      Blokové schéma Harvardské architektury
      VlastnostVon NeumannHarvard
      PaměťSpolečná pro data i programOddělená pro data a program
      SběrniceJedna společnáDvě nezávislé
      RychlostPomalá (úzké hrdlo)Vyšší (paralelní přístup)
      VyužitíPC, notebooky, serveryJednočipy, DSP, Cache
      SložitostJednodušší konstrukceSložitější (více vodičů/sběrnic)

  • 3.2 Architektury instrukčních sad:

    • 3.2.1 CISC (Complex Instruction Set Computing)

      • Procesory CISC mají komplexní instrukční sadu, obsahují desítky až stovky různých instrukcí, často složitých.
      • Umožňují provádět složitější operace jedinou instrukcí.
      • Instrukce mají proměnnou délku, využívají více adresovacích režimů.
      • Výhody: snadnější programování ve vyšších jazycích, hustý kód.
      • Nevýhody: složitější hardware, delší doba provádění některých instrukcí.
      • Praktický příklad: Procesory Intel x86 (Pentium, Core), AMD Ryzen

    • 3.2.2 RISC (Reduced Instruction Set Computing)

      • Procesory RISC mají zjednodušenou instrukční sadu, typicky kolem 32 instrukcí.
      • Každá instrukce je provedena velmi rychle (často v jednom taktu).
      • Filosofie: „méně je více“ – jednoduchá architektura, více registrů, důraz na rychlost a efektivitu.
      • Výhody: vysoký výkon při stejné technologii, jednodušší návrh procesoru.
      • Nevýhody: složitější překladače (kompilátory musí generovat více instrukcí).
      • Praktický příklad: Procesory ARM (používané v mobilních telefonech, tabletech a IoT), MIPS, nebo moderní Apple M4/M5.
      ArchitekturaVýhodyNevýhody
      CISCŠetří místo v paměti (kód je kratší), vysoká kompatibilita (x86).Složité dekódování instrukcí, vyšší spotřeba a zahřívání.
      RISCVysoká rychlost vykonávání, nízká spotřeba, ideální pro mobilní zařízení.Programy jsou delší (více instrukcí), náročnější na optimalizaci kompilátorem.

4. Parametry procesorů

  • Počet jader a vláken (Cores/Threads): Více jader umožňuje paralelní zpracování úloh. Technologie jako Hyper-Threading (Intel) nebo SMT (AMD) umožňují jednomu jádru zpracovávat dvě vlákna najednou.
  • Taktovací frekvence (GHz): Počet operací za sekundu. Dnes se běžně pohybuje mezi 3–5 GHz.
  • Cache (L1, L2, L3): Velmi rychlá vnitřní paměť procesoru. Snižuje potřebu čekat na data z pomalé RAM.
  • TDP (Thermal Design Power): Udává se ve Wattech (W). Určuje, kolik tepla musí chladič zvládnout odvést.
  • Socket (Patice): Fyzické rozhraní na základní desce (např. AM5 u AMD, LGA1700/1851 u Intelu).

Příchozí odkazy