Tietokoneen suorittimet

 

 

Toiminta

 

Suorittimet sisältävät miljoonia transistoreita. Transistorien muodostama mikroprosessorin sisäinen toiminta voidaan jakaa kahteen ryhmään: ohjausyksikköön ja aritmeettisloogiseen yksikköön (ALU). Ohjausyksikkö noutaa konekäskyjä muistista ja vastaa niiden suorittamisesta. ALU taas toimii ohjausyksikön käskyjen alaisena ja suorittaa yksinkertaisia lasku- ja vertailutoimenpiteitä. Prosessori on siis oikeastaan vain nopea laskukone, joka muokkaa syötettyä dataa haluttuun muotoon. Suorittimen elektroniikka kykenee suorittamaan muistiin tallennettuja konekäskyjä käsky kerrallaan. Suorittimen suorittamat käskyt ovat toiminnaltaan hyvin yksinkertaisia. Näitä käskyjä ovat yhteenlasku, lukujen vertailu ja luvun muistista hakeminen ja muistiin vieminen. Suoritin on yhdistetty muistiin väylällä, jonka kautta se voi käsitellä muistissa olevia tietoja. Suorittimen toiminnan nopeutta säätelevät väylän nopeudet, jotka ovat piirin sisällä huomattavasti suurempia, kuin piirin ulkopuolella. Suorittimelle tyypillinen kellotaajuus tarkoittaa suorittimen sisäisen väylän nopeutta.

 

 

Välimuisti

 

Suorittimen toimintaa voidaan nopeuttaa välimuistien avulla. Sisäistä välimuistia käytetään varastoimaan usein käytettyjä käskyjä ja dataa prosessorin sisällä. Tämä mahdollistaa sen, että käskyä ei tarvitse hakea uudestaan. Tällaista prosessorin sisäistä välimuistia nimitetään L1-muistitksi. Jos prosessori ei löydä tarvitsemaansa tietoa sen omasta sisäisestä muististaan, silloin se yleensä etsitään ulkoisesta välimuistista. Ulkoinen välimuisti sijaitsee yleensä tietokoneen emolevyllä ja sitä nimitetään L2 ja L3-muistiksi. Sisäinen välimuisti on huomattavasti nopeampaa kuin ulkoinen välimuisti, koska suorittimen sisäinen väylä on paljon nopeampi kuin emolevyllä suorittimen ulkopuolella olevat väylät.

 

 

Keskusmuisti

 

Jos prosessori ei löydä tarvitsemaansa tietoa sisäisestä eikä ulkoisesta välimuistista, se on haettava tietokoneen keskusmuistista. Tämä luku/kirjoitusmuisti on tietokoneen ohjelmamuisteista hitainta. Emolevyllä olevaa keskusmuistia kutsutaan RAM-muistiksi. Aina kun tietokone pyytää tiedon RAM-muistista, se vie kopion tiedoista myös nopeisiin välimuisteihin. Sekä välimuistit, että RAM-muisti ovat väliaikaista. Kun tietokone sammutetaan nämä muistit tyhjenevät.

 

 

Jäähdytys

Varsinkin korkealla kellotaajuudella toimivat prosessorit tuottavat huomattavasti lämpöä, joka täytyy johtaa niistä pois. Jos prosessori toimii liian kuumana, se saattaa lakata toimimasta kunnolla tai voi kokonaan rikkoutua. Jäähdytyksessä käytetään yleensä jäähdytyslevyjä ja/tai tuulettimia. Jäähdytyslevy sijoitetaan prosessorin päälle, jossa se siirtää lämmön pois prosessorista ja haihduttaa sitä tehokkaammin paremman muotoilunsa ansiosta kuin prosessori. Jäähdytyslevyn päälle on myös usein asennettuna tuuletin, joka puhaltaa kuumaa ilmaa pois prosessorilta.

 

 

Ylikellotus

 

Prosessorien valmistus on melko kallista. Jos jokainen prosessori tehtäisiin niin, että se toimisi tasan yhdellä kellotaajuudella, se edellyttäisi montaa eri tuotantolinjaa ja maksaisi liikaa. Tämän takia prosessori, joka pystyy esim. 600 MHz kellotaajuuteen saatetaan myydä 500 MHz:n taajuisena. Tällöin prosessori on mahdollista virittää itse 600 MHz:n taajuuteen. Prosessorit kuumenevat ylikellottamattominakin voimakkaasti, ja ylikellotus lisää lämmöntuottoa entisestään. Tämän takia ylikellottaessa prosessorille tarvitaan kunnollinen jäähdytys. Ylikellotusennätyksiä yritettäessä prosessorin jäähdytykseen saatetaan käyttää jopa nestemäistä typpeä.

 

Prosessoria voidaan ylikellottaa nostamalla sen väylätaajuutta. Esimerkiksi:

Prosessorin kellotaajuus on 500 MHz ja väylätaajuus 66 MHz. Tällöin prosessorin kerroin on 500 / 66 = 7,5. eli jos väylätaajuus nostetaan 100 megahertsiin, nousee kellotaajuus 7,5 * 100 = 750 megahertsiin.

 

Toinen tapa ylikellottaa prosessoria on kertoimen nostaminen. Esimerkiksi:

Prosessorin kellotaajuus on 500 MHz ja kerroin on 5. Kun kerroin nostetaan 6:n nousee kellotaajuus 600 megahertsiin.

 

Väylätaajuuksia nostettaessa täytyy huomioida myös että tietokoneen muut osat(muistit ja emolevy) tukevat suurempaa väylätaajuutta.

 

Joissakin prosessoreissa kertoimien nostaminen saattaa olla lukittu, ja lukitus täytyy poistaa ennen kuin kertoimia voidaan nostaa.

 

Emolevystä riippuen kertoimia ja väylätaajuutta voidaan muuttaa BIOS:sta tai emolevyllä olevista jumppereista.

 

 

Valmistajat

 

Merkittävimpiä suoritinvalmistajia ovat AMD ja Intel. Muita suoritinvalmistajia ovat Cyrix, Motorola, Sparc ja IBM.

 

Prosessorien pakkaustiheys eli transistorin leveys on esim. 0.25 mikronia (millimetrin tuhannesosa). Mitä suurempi pakkaustiheys on, sitä suuremmalla kellotaajuudella prosessoreita voidaan käyttää. Suurin yleisesti käytetty pakkaustiheys on tällä hetkellä 0.09 mikronia.

 

Mooren lain mukaan tietokoneiden suorittimien monimutkaisuus kaksinkertaistuu noin puolessatoista vuodessa. Suorittimien kohdalla tämä laki on toistaiseksi pitänyt melko hyvin paikkansa.

 

 

Ostaminen

 

Prosessoria ostaessa on tärkeää huomioida, että prosessorin kanta on samaa mallia kuin emolevyssä oleva kanta. Esimerkiksi Socket 754-kantaista prosessoria ei voida asentaa emolevyyn, jonka kanta on Socket 939. Prosessorin tehoon vaikuttaa kellotaajuuden lisäksi myös välimuisti, jonka koosta on hyvä ottaa selvää ennen prosessorin ostamista. AMD:n mallimerkintöjen ei kannata antaa hämätä, sillä esimerkiksi AMD Athlon 64 4000+:n kellotaajuus on vain 2,4 GHz. Intelin Pentium 4 toimii jopa 3,8 GHz kellotaajuudella. Kuitenkin nämä kaksi prosessoria ovat tehoiltaan hyvin lähellä toisiaan. Prosessoria valittaessa kannattaa siis luottaa enemmän suorituskykytesteihin kuin prosessorien mallimerkintöihin.

 

 

Uutuudet

 

Prosessoreissa uusinta uutta ovat kaksiytimiset prosessorit. Kaksiytimisiä prosessoreita ovat AMD:n Athlon X2-perheen prosessorit ja Intelin Pentium EE 840. Nämä ovat kuitenkin vielä hyvin kalliita eikä kaksiytimiseen prosessoriin ole vielä juuri kenelläkään tarvetta. Merkittävää hyötyä kahdesta ytimestä on mm. videoeditoinnissa.

 

Lähteet:

 

http://www.amtek.eskk.fi/vkoulu/Virtuaalikoulu-web/tietokonelaitteet/suorittimet/Suoritin.htm

 

http://fi.wikipedia.org/wiki/Prosessori

 

http://www.jathardware.com/oppaat/1999/ylikellotus.html