Εσωτερικά μέρη μιας CPU και η λειτουργία της;

Τα εσωτερικά τμήματα μιας CPU (κεντρική μονάδα επεξεργασίας) είναι πολύπλοκα και διασυνδεδεμένα, αλλά μπορούν να ταξινομηθούν ευρέως σε διάφορα βασικά συστατικά:

1. Μονάδα ελέγχου (Cu):

* Λειτουργία: Το CU είναι ο "εγκέφαλος" της CPU, η ανάληψη οδηγιών από τη μνήμη, η αποκωδικοποίηση τους και η κατεύθυνση της εκτέλεσης αυτών των οδηγιών. Λειτουργεί ως ελεγκτής κυκλοφορίας, συντονίζοντας όλα τα άλλα στοιχεία. Διαχειρίζεται τον κύκλο Execute-Execute Fetch.

2. Μονάδα αριθμητικής λογικής (ALU):

* Λειτουργία: Το ALU εκτελεί αριθμητικές λειτουργίες (προσθήκη, αφαίρεση, πολλαπλασιασμός, διαίρεση) και λογικές λειτουργίες (και, ή, xor, όχι) σε δεδομένα. Είναι όπου συμβαίνουν οι πραγματικοί υπολογισμοί.

3. Μητρώοι:

* Λειτουργία: Τοποθεσίες αποθήκευσης υψηλής ταχύτητας εντός της CPU. Διαθέτουν δεδομένα και οδηγίες που υποβάλλονται σε επεξεργασία. Υπάρχουν διαφορετικοί τύποι μητρώων, συμπεριλαμβανομένων:

* Μητρώα γενικής χρήσης: Χρησιμοποιείται για προσωρινή αποθήκευση δεδομένων κατά τη διάρκεια των υπολογισμών.

* Μητρώο οδηγιών (IR): Κατέχει την τρέχουσα εντολή που εκτελείται.

* Counter Program (PC): Διατηρεί τη διεύθυνση μνήμης της επόμενης εντολής που πρέπει να ληφθεί.

* Καταχωρητής κατάστασης (SR/σημαίες): Διατηρεί πληροφορίες σχετικά με τα αποτελέσματα των εργασιών (π.χ. μεταφορά, μηδέν, υπερχείλιση).

4. Cache:

* Λειτουργία: Εξαιρετικά γρήγορη μνήμη που βρίσκεται στο ίδιο το τσιπ CPU. Αποθηκεύει συχνά πρόσβαση σε δεδομένα και οδηγίες, επιταχύνοντας σημαντικά την επεξεργασία μειώνοντας την ανάγκη πρόσβασης στην πιο αργή κύρια μνήμη (RAM). Υπάρχουν διαφορετικά επίπεδα προσωρινής μνήμης (L1, L2, L3), με το L1 να είναι το ταχύτερο και το μικρότερο και το L3 να είναι το πιο αργό και μεγαλύτερο.

5. Μονάδα διεπαφής λεωφορείου (BIU):

* Λειτουργία: Διαχειρίζεται την επικοινωνία μεταξύ της CPU και άλλων στοιχείων του συστήματος υπολογιστή, όπως συσκευές μνήμης και εισόδου/εξόδου. Αυτό περιλαμβάνει τη μεταφορά δεδομένων και οδηγιών προς και από την CPU.

6. Μονάδα πλωτού σημείου (FPU):

* Λειτουργία: Μια εξειδικευμένη μονάδα για το χειρισμό της αριθμητικής κυμαινόμενης σημείας (υπολογισμοί που περιλαμβάνουν δεκαδικούς αριθμούς). Αυτό είναι απαραίτητο για επιστημονικές και γραφικές εφαρμογές. Πολλές σύγχρονες CPU ενσωματώνουν την FPU στον πυρήνα, ενώ μερικοί παλαιότεροι το είχαν ως ξεχωριστό τσιπ.

7. Μονάδα διαχείρισης μνήμης (MMU):

* Λειτουργία: (Που δεν υπάρχει σε όλες τις CPU, ειδικά απλούστερες) διαχειρίζεται τη μετάφραση των διευθύνσεων εικονικής μνήμης σε διευθύνσεις φυσικής μνήμης. Αυτό είναι ζωτικής σημασίας για τη λειτουργία πολλαπλών εργασιών και εικονικής μνήμης.

Πώς δουλεύουν μαζί:

Ο κύκλος Execute-Execute Fetch είναι η καρδιά της λειτουργίας CPU:

1. fetch: Το CU παίρνει την επόμενη εντολή από τη μνήμη (συχνά βοηθούμενη από την προσωρινή μνήμη και το BIU). Η διεύθυνση της εντολής λαμβάνεται από τον υπολογιστή.

2. Αποκάλυψη: Το CU αποκωδικοποιεί την εντολή που έχει ληφθεί για να προσδιορίσει τη λειτουργία που πρόκειται να εκτελεστεί και τους εμπλεκόμενους τελεστές (δεδομένα).

3. Εκτέλεση: Το CU κατευθύνει την ALU ή την FPU για να εκτελέσει την καθορισμένη λειτουργία στα δεδομένα που διατηρούνται στα μητρώα. Τα αποτελέσματα αποθηκεύονται σε μητρώα.

4. Αποθήκευση (σιωπηλός): Τα αποτελέσματα της λειτουργίας θα μπορούσαν να αποθηκευτούν στη μνήμη ή σε άλλους καταχωρητές. Ο υπολογιστής ενημερώνεται για να δείξει την επόμενη εντολή.

Αυτός ο κύκλος επαναλαμβάνεται συνεχώς, οδηγίες επεξεργασίας το ένα μετά το άλλο, επιτρέποντας στην CPU να εκτελέσει τις υπολογιστικές εργασίες της. Η ταχύτητα και η αποτελεσματικότητα αυτών των διαδικασιών καθορίζουν τη συνολική απόδοση της CPU.