Central Processing Unit

Du har någon gång hört att processorn är datorns hjärna. Vi kan lägga till att processor kontrollerar och bestämmer över datorns olika delar samtidigt som den utför beräkningar och exekverar instruktioner. För att förstå processorns roll i en datorn måste man komma ihåg att data inkluderar instruktioner, adresser, information, kontroller och att allting representeras med binära tal och koder.

CPU är egentligen en komplex kretskort som innehåller flera processorer och komponenter som tillsammans utgör datorns processor, därför namnet Central Processing Unit eller CPU. Processorer placeras på ett moderkort där alla trådar sammanbinder datorns hårdvara. Vi kan illustrera denna föreställning som följande:

Bild 1: Processors buss

De finna linjer representerar trådarna som sammanbinder datorkomponenter, dessa trådar brukar kallas buss. Denna förenklat skiss visar hur processor sammanbinds med RAM minnet och andra komponenter. Minnet utformas olika därmed olika minnestyper, men huvudminnet kallas primära minnet och det innehåller allt processorn behöver för att utföra sitt arbete. Det innebär att processorn och det primära minnet kommunicerar varandra konstant. Processor behöver instruktioner för att bearbeta data, de finns på RAM minnet. Se bilden nedan:

Bild 2: Processor och RAM-minnet

När en processor kör ett program behöver instruktioner och data, dessa hämtas från RAM-minnet. Först behöver processor läsa av adresser som identifierar minnesceller där instruktioner och data finns. När instruktioner eller data har hämtats kan processor exekvera instruktioner som load, add, store, compare, jump if, output, input, mm. Skissen nedan illustrerar detta och hur processor använder eget minnet (register) och RAM-minnet:

Bild 3: Processors minne

Enheten som tar emot instruktioner som hämtats från minnet kallas för kontrollenhet och har för uppgift att exekvera instruktioner med ett antal kommando. Kontrollenheten arbetar nära till en ALU-enhet som utför alla beräkningar processorn behöver under sitt arbete. Kommandonas resultat lagras i olika register för vidare processhantering och när processorn avslutar en arbetsprocess lagrar alla resultat på RAM minnet. Se bilden nedan:

cpu3
Bild 4: Processorns kontrollenhet

Att hämta samma instruktion eller data gång på gång från RAM minne till CPU tar tid som kan förkortas om processor utrustas med en snabbare minne, cacheminnet. Detta minne placeras inne i processorkrets och där lagras de instruktioner och data som används mest. Cacheminne finns i olika nivåer (levels) L1, L2 och L3. Bilden nedan illustrerar en tvåkärnig processor arkitektur där varje kärna har ett eget L1 cacheminne och processor själv har ett L2 cachemine.

cpu4
Bild 5: Processors cacheminne

CPU tillverkare – AMD

Det finns ett antal företag som tillverkar processorer men för det mesta endast två konkurrenter AMD och INTEL.

Intel grundades år 1968 av Robert Noyce och Gordon Moore och började tillverka minneskretsar.

År 1969 bildades AMD av Jerry Sanders samt sju andra från företaget Fairchild Semiconductor.

AMD har precis som Intel flera familjer av processorer. AMD själva klassar dagens processorer som ”APU:er” (Accelerated Processing Units) istället för CPU:er. AMD vill nämligen poängtera att detta inte bara är vanliga processorer, utan att det är processorer som är utrustade med ­riktiga, avancerade och kraftfulla grafikkretsar. Trors skillnader använder man begreppet CPU som akronym till dators processor.

En APU eliminerar behovet av ett separat grafikkort i enklare datorer. Denna grafiksatsning har visat sig lyckosam för AMD.

AMD grupperar sina processorer för stationära, laptops och servrar.

Desktop processorer finns för vanliga datoranvändare och för företag.

  • AMD Ryzen Threadriper Processors med upp till 64 kärnor och 128 trådprocesser
  • AMD Ryzen with Radeon Graphics med kärnor från 4 till 16 och 32 trådprocesser
  • AMD Athlon with Radeon Graphics

CPU tillverkare – Intel

Intel processorer är indelade i familjer: Intel Core, Xeon, Pentium, Celeron, Quark, Movidius. Vi fokuserar oss på Intel Core processorer:

  • Intel Core X-Series
  • Intel Core i9, upp till 10 kärnor, 20 trådprocesser, 10e generation
  • Intel Core i7, upp 4 kärnor, 8 trådprocesser, 11e generation
  • Intel Core i5, upp 4 kärnor, 8 trådprocesser, 11e generation
  • föregående generationer

Processor anslutningskontakter

Processor Intel 8088 som släpptes 1974. Den var inkapslad i  en DIP modul, Dual In-Line Package. Processorn 8088 kunde anslutas till moderkortet som passade till modulens stifts.

Bild 6: DIP module
Single edge Contact Cartridge (SECC).

Processorn Intel Pentium II krävde en sådan annorlunda sockeltyp som underlättade den fysiska hantering vid installationen. Den inkapslade kretsen visas separat till höger där processorn sitter i mitten och omkring den flera andra integrerade kretsar.

Bild 7: Pentium II med SECC kontakt
Moderkortet med anslutningskontakt till Pentium II processorer kallades för Slot 1. Se bilden till höger.

Bild 8: Slot 1

ZIF sockel (socket)

Återigen insåg Intel att processorns fysisk storlek tog alldeles för mycket plats på moderkortet och därför utvecklades en ny sockel, ZIF eller Zero Insertion Force.

Namnet själv säger att den fysiska installationen av processorn behöver ingen kraftig fysisk hantering.

Bild 9: ZIF sockel
De små hål i sockeln passar exakt till processorns stifts som är placerad runt i form av en array (Pin Grid Array, PGA, LGA).

Bild 10: PGA sockel

LGA sockel (socket)

Dagens processorer (Intel i3, i5, i7 och i9) använder en ny typ av sockel med namn Land Grid Array (LGA). Det intressanta med denna sockel är att processorn har inte längre stifts eftersom dem finns redan på moderkortet. Med en sådan design utesluts att processorer kan gå sönder vid fysiska installationer.

AMD processorer har andra sockeltyp och namn som skiljer processortyper. Till exempel A-serie processorer använder FM2+ sockel. En annan sockel är AM3+ som används för prestandaprocessorer.

Bild 11: LGA sockel

Att välja processor

När man vill ha en framtidssäker PC så förväntar man sig att systemet ska vara effektivt och kompatibel med ny teknik även om några år. Processorn är en av komponenterna som man brukar utgå ifrån. En av de viktigaste frågorna är hur länge man förväntar sig att processorn ska vara effektiv för ens egna ändamål  tills att man behöver uppgradera.

Om man vill ha en Intel processor så är det bra att titta på hur länge nuvarande generation har varit tillgänglig på marknaden. Om man köper en nuvarande processor precis innan lansering av nästa generation så kan det hända att man betalar fullt pris samt att efter ett antal månader så kanske priset sjunker vilket gör att köpet inte blev kostnadseffektivt.

Intel processorers arbetsnamn (code name)

Precis lika många som processorer och dess versioner. ”Code name” är ett namn som varje processors arkitektur identifieras med. Arbetsnamnet innefattar många tekniska definitioner som beskriver specifika processorers funktioner. Bland dessa definitioner finns flera tekniska begrepp exempelvis

  • Smart cache – ett sätt att använda bättre processors cache minne. Cacheminnet är ett minne som finns mellan RAM och CPU och därmed fungerar som en tillfällig mellanlagrings minne. Det finns flera ”nivåer” eller på engelska Levels, exempelvis L1, L2, L3 och L4 beroende på hur nära till processor cacheminnet har placerats eller hur mycket de används. Till exempel L1 cacheminnet är den första att använda, men den är oftast mindre i storlek än L2 cacheminnet. L1 cacheminnet brukar delas i två en för instruktioner och en för data. Dagens processorer inkluderar cacheminnet i själva CPU-chip.
  • Hyper-Threading – en teknik som tillåter processorn bearbeta andra instruktioner under tiden RAM minnet hanterar lagring/läsning/sökning av data. Allt detta på grund av att processor är betydligt snabbare än arbetsminnet.
  • Turbo Boost – en teknik som effektiviserar en processors kärnor. Det händer att kärnorna inte är lika upptagna, det vill säga att en eller två av fyra arbetar mest medan andra är inte aktiva. Med Turbo Boost kan öka frekvensen för aktiva kärnor, något som utvecklar värme som inte alla processorer klarar av att leda bort den.
  • TDP – Thermal Design Power är den maximala värmeutveckling en/ett chip kan utveckla och processors kylsystemet kan hantera.

Generationer och ”Code Name” hänger ihop, de är alldeles för många för att kunna komma ihåg men två av de bör vi kunna känna igen. Här nedan anges den äldsta och den senaste processors arkitektur Bloomfield, och Skylake:

Generationer Storlek Kärnor (Threads) Cache RAM Socket TDP År
Bloomfield 45 nm 4 (8) L1 2 x 32 kB/kärna

L2 256 kB /kärna

L3 8 MB (utdelad)

DDR3-800 LGA 1366 130 Watt 2008
Skylake 14 nm 4 (8) L1 4 x 32 kB/kärna

L2 4 x 256 kB /kärna

L3 8 MB (utdelad)

DDR3-1600, 2133 LGA 1151 91 Watt 2015
Basin Falls