Processor

Motorola 68020-processor

Een processor ook wel CPU (Engels: Central Processing Unit) of in het Nederlands Centrale verwerkingseenheid (CVE) genoemd, is het hart van een computer. De eerste processors waren uitgevoerd als printplaten vol met losse componenten en IC's, maar sinds de jaren 70 ontstonden de eerste zogenaamde microprocessoren, waarbij het hele systeem op één enkele chip werd vervaardigd. De eerste microprocessor was de i4004 van Intel.

Kenmerken

Een processor heeft in hoofdzaak een stel adreslijnen en een aantal datalijnen, die aangesloten zitten op de adresbus en de databus van de computer. Via de adresbus geeft de processor aan, op welk adres van het geheugen hij iets wil lezen of schrijven en via de databus schrijft of leest hij dan vervolgens die geheugenplaats uit. Hij doet dit met zowel code, die voor hem opdrachten bevatten om uit te voeren als met data, oftewel de gegevens die hij aan het verwerken is. Hij communiceert met de buitenwereld doordat bepaalde geheugenadressen met interfaces van randapparatuur zijn verbonden, zoals toetsenborden en beeldschermen etc.

Alle huidige computers werken volgens dit John Von Neumann model. Von Neumann maakte dit model voordat de eerste computer bestond. Het model omschrijft kortweg de situatie dat een CPU communiceert met enerzijds het RAM geheugen, en anderzijds de randapparatuur zoals printers, beeldschermen, toetsenborden e.d.

Een processor genereerd afhankelijk van zijn activiteit meer of minder warmte en wordt daarom meestal gekoeld door middel van één of meerdere koelribben en ventilatoren.

Werking van een processor

Voor veel mensen lijkt het op magie dat een apparaat op commando instructies uitvoert. Toch is dit niet bijster ingewikkeld. We geven hier een voorbeeld van een optelling. Stel op positie 10 in het geheugen staat de volgende machinetaal-instructie:

add r1,r2

...wat betekent dat in de registers r1 en r2 getallen zitten die bij elkaar opgeteld moeten worden. Onze denkbeeldige processor slaat het resultaat op in het register dat we het eerst vermelden, dus na deze instructie bevat register r1 de som van beide getallen.

De instructie hierboven is de vorm hoe wij mensen hem zien. De computer ziet de instructie in de vorm van een reeks nullen en eenen. Hoe werkt dit? Iedere instructie heeft een nummer. Stel onze processor gebruikt 8 bits voor het instructienummer, dan kunnen we 2^8 = 256 verschillende instructies in onze processor stoppen. Stel "add" is instructienummer 21. Dat is een decimaal getal. Als we dat omzetten in een binair getal dan wordt dat 00010101

Stel onze processor heeft 16 registers. Om aan te geven welke registers we willen gebruiken, kunnen we gewoon de nummers van beide registers vermelden. Om 16 registers te kunnen nummeren heb je vier bits nodig. Register nummer 1 wordt dan binair 0001, en register 2 wordt dan binair 0010.

Onze totale instructie ziet er dan zo uit:

0001010100010010

Een processor dient instructies in volgorde uit te voeren, dus heeft de processor een teller die de positie van de volgende instructie bijhoudt. Het uitvoeren van een instructie begint met de zogeheten "fetch"-fase, waarbij een instructie op die positie uit het geheugen wordt opgehaald. Onze instructie stond op positie 10, dus de teller van onze processor staat ook op 10. Stel onze processor kan 65536 verschillende posities aan, dan hebben we 16 bits nodig voor onze teller. Het getal 10 ziet er binair dan zo uit:

0000000000001010

Dit getal wordt via de elektrische lijntjes naar het geheugen geleid en onze instructie die op die plaats in het geheugen stond wordt via andere lijntjes terug de processor in geleid.

Vervolgens begint de "decode"-fase. Een instructie is feitelijk een reeks bits en de "decode"-fase heeft tot taak te bepalen wat er moet gebeuren; aan de hand van deze reeks bits worden de componenten in de processor die de instructie uitvoeren in de juiste stand gezet zodat zij de gewenste bewerking uitvoeren.

Over het algemeen zal het instructienummer naar ieder component gestuurd worden, en ieder component heeft een klein stukje geheugen waar het zijn configuratie uitleest. Ons instructienummer was 21, en dus zal de rekeneenheid van de processor op positie 21 in zijn eigen geheugen kijken en daar staat dat hij in optelstand moet gaan staan. Dus stelt de rekeneenheid zich in op optellen.

Welke getallen moesten opgeteld worden? Die in register r1 en r2. De registers, waar de getallen in opgeslagen staan zijn kleine stukjes geheugen in de processor met logica er omheen. Als een register zijn nummer voorbij ziet komen dan wordt dit register actief, hij zet zich klaar om zijn inhoud te zetten op de elektrische leidinkjes naar andere delen van de processor, in ons geval de rekeneenheid.

Vervolgens begint de zogeten "execute"-fase. De processor staat in de juiste stand en berekening wordt gestart. De twee getallen in de registers r1 en r2 stromen naar de rekeneenheid van de processor welke een optelling uitvoert. Vervolgens wordt het resultaat in een klein stukje tijdelijk geheugen opgeslagen.

Vervolgens begint de "store"-fase. Het nummer waarin opgeslagen (dat is dus r1) wordt wordt weer naar alle registers gestuurd en het register waar het voor bestemd is gaat in de luisterstand, als op de elektrische leidingen een getal voorbij komt dan vervangt hij het getal dat hij bewaart met het getal dat hij ziet voorbijkomen. Het getal dat berekend is wordt vervolgens op de leidinkjes gezet.

Vervolgens wordt de teller verhoogd (naar positie 11 dus) en wordt de processor voorbereid op het uitvoeren van de volgende instructie. Het uitvoeren van de instructie is nu afgerond.

Synchroon vs Asynchroon

Synchrone processors

De meeste processors werken tegenwoordig met een klok. Dat wil zeggen dat alle transistoren tegelijk, per klokpuls, hun instructie uitvoeren. Instructies worden bij complexere processors in meerdere klokcycli opgedeeld. RISC-processors daarentegen zijn in staat om in een enkele klokpuls een volledige instructie uit te voeren.

Voordelen hiervan zijn een relatief eenvoudig chipontwerp, omdat duidelijk is wanneer informatie van een voorgaande stap (de vorige klokpuls) beschikbaar is. Nadeel van de synchrone processor is dat de klok slechts zo snel kan lopen als de traagste schakel toelaat. Een ander nadeel is dat alle transistoren, ook al vervullen zij op dat moment geen functie, wel geschakeld worden en dus ook stroom gebruiken.

Bij de huidige technologie van Gigahertz-processors speelt de traagheid steeds meer een rol. Immers, elektrische signalen reizen met lichtsnelheid, maar zelfs dat kost enige tijd. Bij een processor die op 3GHz loopt kan het signaal in een enkele klokpuls dus slechts 10 cm afleggen.

Er wordt beweerd dat een van de ontwerpproblemen van de huidige snelle CPU's is om het kloksignaal overal op de chip tegelijk aanwezig te krijgen. Hiertoe wordt met complexe schakelingen tot wel 30% van de chip gebruikt.

Asynchrone processors

Asynchrone processors werken zonder centrale klokpuls. Zij hebben dus geen last van bovengenoemde problemen.

Een asynchrone processor werkt volgens het principe dat een deelschakeling, naast de 'datalijn' een extra lijn heeft om aan te geven dat zijn staat stabiel is. Op dat moment kan de volgende schakeling in werking treden. Het voordeel hiervan is dat de processor zo snel functioneert als mogelijk. Ook gebruiken niet-schakelende delen nagenoeg geen stroom wat het energiegebruik drastisch reduceert.

Een nadeel is het complexere chipontwerp. Voor een asynchrone processor met dezelfde functionaliteit als zijn synchrone variant zijn wel 3 keer zoveel transistoren nodig.

In de huidige markt zijn asynchrone processors schaars, mede door hun complexiteit. Analisten sluiten niet uit dat asynchrone processors in de toekomst een grotere rol gaan spelen. Waarschijnlijk zullen zij als eerste gebruikt worden in toepassingen waar energiezuiniggebruik een rol speelt, denk aan apparaten die op batterijen werken, zoals PDA-computers of notebooks.

Instructieset

Kenmerkend aan een processor is de instructieset. Ieder type processor kan een beperkte verzameling instructies uitvoeren en deze verschilt vaak tussen verschillende typen processor. Dat betekent dat een programma voor een type processor niet uitgevoerd kan worden door een ander type processor. Aan de andere kant worden processors ook vaak ontwikkeld voor een al bekende instructieset, zodat deze juist wel alle bestaande programma's voor deze processor kan uitvoeren. Een instructieset wordt normaal genoemd naar de processor die deze kan uitvoeren.

Zie ook

Lijst van microprocessoren