Ghid pentru CPU și Microprocesoare

Acest ghid prezintă diferite aspecte cheie ale procesoarelor și microprocesoarelor, inclusiv cum să alegeți unul în funcție de nevoile voastre specifice de utilizare. De asemenea, vor fi definite procesoarele și microprocesoarele, se vor explica diferențele dintre ele și se vor prezenta elementele de bază ale modului în care funcționează. Parcurgând acest material, veți ști câteva dintre lucrurile cheie de luat în considerare atunci când cumpărați microprocesoare online și cum să alegeți cel mai bun procesor pentru aplicația dorită.

Pe parcursul ghidului, ne vom referi la cipurile găsite în computerele desktop și laptop ca bază pentru înțelegerea subiectului. Cu toate acestea, rețineți că principiile generale ale formei și funcției CPU și microprocesorului vor fi aproape aceleași pentru toate tipurile de dispozitive electronice care le conțin.

Ce este un CPU?

Termenii CPU și microprocesor sunt adesea folosiți interschimbabil. Acest lucru are sens în multe privințe, deoarece tehnologia modernă a permis ca funcții puternice de procesare să fie conținute în pachete (cipuri) mult mai mici și mai compacte. Cele mai multe procesoare de calitate pentru consumatori sunt acum fabricate și vândute ca microprocesoare.

Cu toate acestea, deși CPU și microprocesor sunt adesea folosite pentru a se referi la aceeași componentă, este important să înțelegeți că nu sunt întotdeauna același lucru. În următoarea secțiune a acestui ghid, vom acoperi diferențele tehnice dintre definiția unui CPU și a unui microprocesor.

De la ce vine notația CPU?

Pentru început, să clarificăm ce este un procesor, deoarece acest lucru ne va oferi o mai bună înțelegere a modului exact în care se raportează la un microprocesor. CPU înseamnă unitate centrală de procesare, care uneori este scrisă ca unitate centrală de procesor sau, adesea, pur și simplu procesor.

CPU sau procesorul este o piesă mică, dar extrem de importantă a circuitelor electronice, care operează și controlează o întreagă gamă de hardware de computer. În esență, acesta poate fi considerat creierul sistemului vostru – fie că este vorba despre un computer desktop sau laptop, sau orice alt dispozitiv electronic care necesită un procesor pentru a funcționa.

Într-adevăr, gândindu-ne la procesor ca fiind creierul sistemului ar trebui să ne ajute să răspundem la întrebarea de ce are nevoie un computer de un procesor?

CPU este responsabil pentru executarea întregii game de operațiuni și programe pe care le poate efectua un computer. Se ocupă de toate funcțiile de bază aritmetice, logice și de intrare și ieșire ale dispozitivului.

Până la instalarea unui CPU, niciuna dintre celelalte componente ale sistemului nu va putea să-și îndeplinească rolurile sau să comunice între ele. Chiar și atunci când sunt conectate la o sursă de alimentare, alte componente hardware, cum ar fi memorii RAM, plăci grafice separate și hard disk-uri vor fi efectiv inutile fără un procesor care să le controleze.

Cu toate acestea, în timp ce un procesor este o componentă vitală a unui computer care funcționează, este doar o mică parte a circuitului de bază al dispozitivului. Multe alte tipuri de circuite și tranzistoare sunt necesare pentru a permite comunicarea completă între CPU și restul sistemului.

În trecut, acestea trebuiau, adesea, găzduite separat din cauza limitărilor în spațiul fizic și a distribuției energiei. Cu toate acestea, progresele moderne în microtehnologie au dus la micșorarea considerabil a multor CPU-uri moderne. Ca rezultat, ele sunt acum plasate direct alături de alte circuite cheie pe un singur circuit integrat (IC), cunoscut sub numele de microprocesor.

Ce este un microprocesor și ce legătură are acesta cu CPU-urile?

În majoritatea calculatoarelor de acasă sau de birou de astăzi, CPU-ul este găzduit alături de alte circuite cheie într-un singur cip de siliciu multifuncțional. Același lucru este valabil și pentru multe alte tipuri de dispozitive și sisteme electronice inteligente.

Acest singur cip este, de obicei, denumit microprocesor (sau uneori cip logic). Un microprocesor va conține, de asemenea, numeroase alte tranzistoare, circuite și componente, fiecare proiectat pentru a gestiona sau facilita diferite funcții cheie în cadrul sistemului mai larg.

Din acest motiv, un microprocesor este un tip de circuit integrat (IC). Deoarece majoritatea procesoarelor moderne sunt acum construite și găzduite pe circuite integrate cu un singur cip în acest fel, termenii CPU și microprocesor au devenit oarecum interschimbabili. În ciuda acestui fapt, este de remarcat faptul că, în timp ce majoritatea procesoarelor sunt acum furnizate ca microprocesoare, nu toate microprocesoarele sunt procesoare.

Circuitele integrate cu microprocesor sunt, de asemenea, folosite pentru a găzdui alte tipuri de circuite, cum ar fi GPU-uri (unități de procesare grafică) discrete. Multe computere moderne, de exemplu, folosesc plăci grafice dedicate pentru a gestiona randarea și afișarea rezultatului extern de la procesorul central. Aceste plăci grafice discrete vor avea, de asemenea, circuite integrate cu microprocesor, dar cu un GPU mai degrabă decât un procesor.

Pe scurt, un microprocesor poate avea sau nu un procesor, alături de alte tranzistoare și circuite pentru gestionarea mai multor operațiuni ale sistemului. Acolo unde este prezent un procesor, microprocesorul oferă căi pentru a comunica direct cu restul hardware-ului computerului.

SoC (Sistem pe cip)

Un microprocesor cu un CPU la bord este adesea numit SoC sau ‘system-on-chip’. Acestea prezintă, adesea, diverse alte componente cheie, cum ar fi memoria integrată sau interfețele periferice și pot executa funcții și programe în întregul sistem al unui dispozitiv. Datorită acestei capacități multifuncționale, microprocesoarele sunt, adesea, potrivite pentru utilizare independentă în dispozitive electronice mai mici sau mai puțin complexe, precum și în multe computere moderne.

Trebuie remarcat că microprocesoarele nu trebuie confundate cu microcontrolere, acestea fiind o versiune redusă a unui principiu similar. Microcontrolerele sunt cipuri mult mai limitate, frecvent găsite în dispozitivele programate să îndeplinească o singură funcție de bază în mod repetat.

Explicații CPU

Ce face un microprocesor? Răspunsul la această întrebare poate fi destul de simplu sau extrem de complex, în funcție de profunzimea explicației. Ca rezultat, ne vom concentra pe conturarea elementelor de bază ale construcției și utilizării acestora.

Ce face un CPU?

Un procesor gestionează și execută toate instrucțiunile necesare pentru a rula un program. Aceasta include calcule aritmetice și logice de bază (adunare/scădere/ȘI-SAU), numeroase funcții de control și decizii cheie de intrare/ieșire (I/O). Setul de instrucțiuni de bază al procesorului este conectat în circuitul său, reprezentat de biți (cifre binare) care se combină pentru a forma un limbaj de mașină sau un cod operațional.

Cum lucrează un CPU?

Componentele discrete din CPU sunt fiecare alocate pentru sarcini specifice, adesea grupate ca preluare, decodare sau execuție. ALU (unitatea logică aritmetică) se ocupă de calcule, în timp ce registrul procesorului stochează și încarcă datele operaționale cheie pentru o recuperare rapidă. Între timp, unitatea de control (controlerul CPU) gestionează interacțiunile dintre componentele discrete, permite preluarea din memorie și permite executarea multor instrucțiuni rapide.

Arhitectura microprocesoarelor

Când proiectați și construiți un microprocesor, există anumite limitări ale complexității generale pe care o puteți obține pe un singur IC. Acestea includ spațiul disponibil pentru tranzistoare, câte terminații de capsulă (conexiuni) poate suporta la alte componente ale sistemului și cantitatea de căldură generată pe care o poate disipa.

Tehnologia modernă IC permite ansambluri de tip sistem pe cip (SoC) mult mai complexe într-un singur microprocesor, decât a fost posibil până acum. Aceasta include avansarea rapidă de la limbajele CPU pe 8-biți și pe 16-biți la scrierea de astăzi pe 32- și 64-biți. De asemenea, acum pot încorpora pe deplin multe comportamente cablate care, cândva, trebuiau abordate folosind software extern.

În plus, generațiile succesive cu dimensiuni din ce în ce mai mici ale pastilei procesorului, înseamnă că un număr mai mare de alte componente pot fi grupate pe același IC. Tranzistoarele pentru memoria cache a procesorului sau controlere suplimentare permit procesarea și recuperarea mult mai rapidă a instrucțiunilor complexe și a seturilor de date.

Similar, procesoarele proiectate ca procesoare multi-core pentru uzul consumatorilor sunt, acum, disponibile pe scară largă. Acestea sunt microprocesoare puternice, cu mai multe nuclee de procesor (circuite CPU integrate multiple). Acestea permit executarea mai multor funcții simultane decât era posibil anterior la aceeași putere și temperatură (denumită putere de proiectare termică sau TDP).

Istoria CPU

În ceea ce privește procesoarele de calitate pentru consumatori, pentru utilizare în majoritatea computerelor desktop și laptop-uri, Intel Core și AMD sunt cei mai mari și mai cunoscuți producători actuali. Procesoarele pentru desktop Intel Core utilizate pe scară largă includ diverse generații de cipuri i3, i5, i7 și i9, în timp ce echivalentele populare de procesoare pentru desktop AMD includ familiile Athlon și Ryzen.

Cu toate acestea, procesoarele există într-o formă sau alta de la sfârșitul anilor 1940. Cele mai vechi tipuri de procesoare erau foarte diferite de ceea ce am recunoaște astăzi drept un adevărat procesor desktop, construit din mii de dispozitive de comutare, cum ar fi tuburi de vid și relee.

Versiunile foarte timpurii (inclusiv faimosul Manchester Baby) au funcționat pe post de computere cu programe stocate. Acestea au fost urmate de dezvoltarea CPU-urilor cu tranzistoare de-a lungul anilor 1950 și 1960, dar abia după dezvoltarea IC-urilor timpurii, la sfârșitul anilor 1960, am început să ne îndreptăm către procesoare cu integrare la scară mică și mare.

Prima tehnologie reală de microprocesor – un design Intel cu un singur cip – a devenit disponibilă comercial în 1971. Până în 1975, tendințele observabile în dezvoltarea microprocesoarelor au dat naștere regulii generale specifice industriei, cunoscută sub numele de Legea lui Moore. Această predicție a susținut că numărul de componente (tranzistoare) care ar putea fi montate pe un singur circuit integrat s-ar dubla aproximativ în fiecare an.

Deși imposibilitatea miniaturizării subatomice înseamnă că această regulă trebuie în cele din urmă dovedită falsă, ea a rămas în mare măsură exactă până în prezent. Cu alte cuvinte, evoluțiile în procesoarele moderne continuă să fie exponențiale, până în prezent.

Interesant este că, în ciuda progreselor uriașe ale arhitecturii microprocesoarelor, complexității și metodelor de construcție de-a lungul deceniilor, designul de bază și funcția CPU-urilor moderne rămân în mare parte aceleași ca în generațiile anterioare. Ele încă funcționează pe baza unui ciclu de instrucțiuni fundamentale, adică o serie standard de pași de preluare, decodare și execuție. Dimensiunea redusă a pastilei de siliciu, controlerele de memorie îmbunătățite și memoria cache mai mare a CPU înseamnă, pur și simplu, că acești pași pot fi finalizați mai repede ca oricând.

Teste de performanță CPU

Prin benchmark CPU se înțelege un tip specific de test de performanță. De obicei, testarea este efectuată pentru a oferi date importante despre cât de bine poate funcționa un cip. Benchmark-urile sunt utilizate pe scară largă în industriile IT pentru a valida sau prezenta diferite valori cheie de performanță a procesorului.

Testarea de performanță presupune trecerea unui microprocesor printr-o serie de teste sintetice de anduranță și viteză. Acestea sunt programe create pentru a stresa procesorul, plasându-l în mod deliberat sub o sarcină ridicată susținută. Majoritatea utilizatorilor finali vor experimenta doar creșteri periodice ale cererii în timpul utilizării normale, motiv pentru care astfel de teste sunt adesea denumite sintetice.

Benchmarkingul de precizie poate prezenta o provocare semnificativă, datorită diferitelor proprietăți inerente ale siliciului, arhitecturii cipurilor și electronicii. Pentru ca testele să fie utile pentru orice utilizare comercială sau științifică reală, ele necesită mai multe execuții în condiții strict controlate și monitorizate îndeaproape.

Când sunt realizate în mod responsabil, rezultatele testelor de performanță pot oferi o modalitate utilă de a compara diferite mărci de microprocesoare sau arhitecturi CPU în ceea ce privește performanța maximă absolută. În schimb, pentru a avea rezultate mai bune, rezultatele analizei comparative concurente pot implica “overclock-area” componentelor (creșterea frecvenței de ceas de bază, forțându-l să accepte valori mai mari decât cele specificate, riscând defecțiuni sau deteriorare), ceea ce nu este o comparație reală.

În aceste scenarii, considerații importante, altele decât vitezele de calcul brute, sunt ignorate în mod obișnuit. Ca atare, aceste tipuri de teste ar trebui să fie întotdeauna luate în considerare alături de alți factori atunci când alegeți și cumpărați un procesor. Fiabilitatea globală a produsului și valoarea performanței la sarcini normale ar trebui să fie întotdeauna prioritare față de cifrele de referință.

Înțelegerea frecvenței de ceas a CPU

Viteza CPU sau mai exact frecvența de lucru a CPU este o măsură a câte cicluri poate rula un procesor pe secundă. Măsurată la o frecvență de ordinul megaherți (MHz) sau gigaherți (GHz), frecvența de ceas oferă o indicație generală a vitezei maxime a procesorului.

Fiecare ciclu implică milioane sau miliarde de tranzistoare care se deschid și se închid în secvență, în funcție de setul specific de instrucțiuni care se execută. O frecvență de MHz sau GHz la evaluarea frecvenței de ceas indică de câte ori un procesor poate rula aceste cicluri într-o secundă. Frecvența MHz indică o citire de milioane de ori pe secundă, în timp ce frecvența GHz indică o citire în miliarde.

Frecvențele de ceas mai mari înseamnă, în general, un procesor mai rapid. Există totuși avertismente aici, deoarece diferitele arhitecturi ale microprocesorului afectează, de asemenea, cât de mult are nevoie fiecare ciclu. Un procesor mai nou construit pe o arhitectură mai modernă ar putea funcționa mai rapid în termeni reali decât un model mai vechi, care susține o frecvență de ceas mai mare, deoarece este probabil să împartă sarcinile pe mai multe nuclee și să beneficieze de o memorie cache a CPU mai mare.

Cum se alege un CPU

A ști cum să alegi procesorul potrivit pentru nevoile tale înseamnă adesea înțelegerea echilibrului. Trebuie să realizați un echilibru între propriile nevoi de performanță și costuri și, de asemenea, să optimizați alegerea voastră de microprocesor cu celelalte componente din dispozitiv sau sistem.

Aceste două lucruri vor însemna lucruri diferite pentru utilizatori diferiți, dar se vor rezuma întotdeauna la o chestiune de valoare. Ce microprocesor oferă cea mai bună valoare pentru ceea ce încercați să realizați?

Cum se caută CPU

În primul rând, gândiți-vă la ce trebuie să facă sistemul. Nu are rost să cumperi componente CPU extrem de puternice, cu 16 nuclee, 32 de nuclee sau chiar 64 de nuclee pentru gestionarea sarcinilor de bază. Pe de altă parte, o investiție inițială poate fi asiguratoare pe termen lung dacă trebuie să gestionați în mod regulat sarcini care necesită un procesor puternic. Exemplele ar putea include analiza datelor, indexare puternică sau orice alte aplicații care vor beneficia direct de performanța puternică ‘multi-threaded’.

În al doilea rând, luați în considerare celelalte componente din dispozitivul sau sistemul vostru. Va trebui să echilibrați prețul, performanța și puterea procesorului vostru față de acestea. Ceea ce încercați să evitați aici este blocarea sau limitarea severă a performanței oricărei componente cu alta.

Un procesor „low-end”, de exemplu, ar putea avea dificultăți să țină pasul cu un GPU puternic. Acesta este un exemplu de blocaj, în care componenta mai slabă o reține pe cea mai puternică în unele aplicații. Amintiți-vă că orice computer va putea îndeplini anumite sarcini numai la capacitatea superioară a celei mai slabe verigi din lanțul său.

Este important să țineți cont de acest lucru atunci când încercați să găsiți cel mai bun CPU pentru nevoile și sistemul vostru. Nu doriți să ajungeți cu un dezechilibru care limitează sever performanța oricărei componente. În schimb, încercați să alegeți unele care au viteze și capacități mai asemănătoare.

Furnizăm mărci de microprocesoare de top, inclusiv Broadcom Pi, Microchip, NXP, Renesas Electronics, Seeed Studio și Zilog. Acest ghid și-a propus să evidențieze diferite aspecte cheie ale procesoarelor și microprocesoarelor, inclusiv cum să alegeți unul în funcție de nevoile voastre specifice de utilizare. Pentru mai multe informații vă invităm să accesați www.ro.rsdelivers.com.

Microprocesor Cortex RZ/A3UL 64-biți MPU 1GHz

Nr. stoc RS 249-4134 – Producător Renesas Electronics – Cod de producător R9A07G063U01GBG#AC0

RZ/A3UL furnizează performanțe semnificative, inclusiv o frecvență de operare de 1GHz și abilitatea de conectare la memoria RAM de mare viteza DDR3L/DDR4. Suplimentar caracteristicilor de performanță, RZ/A3UL este un dispozitiv „entry-level”, oferind o soluție economică pentru echipamente HMI, porți IoT, precum și echipamente audio.

Caracteristici tehnice

■ Soluție economică bazată pe o frecvență de operare ridicată de 1GHz pe un CPU de 64-biți
■ Compatibilitate cu RTOS importante – Azure RTOS și FreeRTOS
■ Permite construcția de sisteme compacte și economice cu un startup bazat pe RTOS rapid
■ Libertate de a alege între interfețe de memorie DDR3L/DDR4 sau Octal-SPI, în funcție de care se potrivește mai bine designului de produs
■ Interfața de memorie Octal-SPI permite dimensiuni compacte și cost redus, datorat numărului mai mic de straturi necesare pe PCB.

Aplicații: camere simple/interfețe om mașina simple în aparate casnice și display-uri industriale; puncte de vânzare (POS); controler / gateway IoT; sisteme de sunet.

Microprocesor Microchip SAM9X60D1G-I/LZB, ARM926EJ-S SAM9X60 600MHz

Nr. stoc RS 249-9776 – Producător Microchip – Cod de producător SAM9X60D1G-I/LZB

SAM9X60 este un microprocesor integrat (MPU) bazat pe procesor CPU ARM926EJ-S, de înaltă performanță, ultra-joasă putere, ce rulează până la 600 MHz. SAM9X60 suportă diferite interfețe NVM, incluzând NAND Flash, Quad SPI și eMMC Flash. Dispozitivul integrează periferice puternice pentru conectivitate și aplicații de interfațare cu utilizatorul. El oferă funcții de securitate moderne precum capabilitate Secure Boot cu stocare sigură a cheilor pe cip (OTP), accelerator de criptare de înaltă performanță (SHA, AES și TDES), precum și pini tamper.

Microchip oferă pentru diferite configurații de surse de alimentare, soluții de management energetic complet testate, respectând specificațiile de secvențiere a alimentării SAM9X60.

Cost redus al sistemului și Valoare ridicată a integrării:

Nucleu 600MHz ARM926EJ-S, sistem/magistrală de memorie 200MHz
32 kB cache de date și 32kB cache pentru instrucțiuni

Memorii:

Magistrală de date 16-biți DDR
Memorie internă 64 kB SRAM

Capabilitate îmbunătățită de interfațare cu utilizatorul:

Controler LCD 24-biți cu o rezoluție de până la 1024×768
Motor grafic 2D, interfață cameră
Amplificator integrat Clasă D

Număr ridicat de opțiuni de conectivitate:

Dual 10/100 Ethernet, Dual CAN, Dual SD Card/eMMC
Două High-speed USB Host + Un High-speed Host sau Dispozitiv
13 FLEXCOM (USART, SPI și I²C)

Microprocesor NXP MCIMX6Q5EYM10AC, ARM Cortex A9 i.MX6 32-biți MPU 1GHz 624-Pin FCPBGA

Nr. stoc RS 169-7284 – Producător NXP – Cod de producător MCIMX6Q5EYM10AC

Procesorul de aplicație i.MX 6 Dual/6 Quad este caracterizat de implementarea avansată a nucleului quad ARM® Cortex®-A9, care operează la viteze de până la GHz. Procesoarele includ o interfață de memorie de 64-biți DDR3/LVDDR3/LPDDR2-1066, precum și alte interfețe pentru conectare WLAN, Bluetooth®, GPS, hard drive, display-uri și senzori pentru camere. Printre alte caracteristici cheie ale i.MX 6 Dual/6 Quad sunt și grafica 2D și 3D, procesarea video 3D 1080p și managementul energetic integrat. Aplicațiile includ netbook-uri, nettop-uri, dispozitive mobile de înaltă clasă, PDA-uri, media playere portabile cu capabilitate video HD, console de jocuri și dispozitive portabile de navigare.