Mikroprocesor (zwany potocznie procesorem, także CPU od Central Processing Unit) – układ cyfrowy wykonany jako pojedynczy układ scalony o wielkim stopniu integracji (LSI) zdolny do wykonywania operacji cyfrowych według dostarczonego ciągu instrukcji.
Mikroprocesor odpowiada za wykonanie większości obliczeń matematycznych i logicznych oraz operacji przetwarzania danych.
Pierwszy mikroprocesor powstał w 1971 roku. Był to 4-bitowy mikroprocesor Intela oznaczony symbolem 4004. Nie miał on zbyt wiele możliwości (właściwie był skutkiem ubocznym produkcji układów przeznaczonych do kalkulatorów). Pomimo swoich wad, Intel zapoczątkował rozwój centralnych jednostek obliczeniowych.
Budowa Mikroprocesora
Mikroprocesor jest skomplikowanym układem cyfrowym o wielkim stopniu integracji, który wykonuje operacje matematyczne i logiczne, zamknięty w szczelnej obudowie.
Fizycznie jest to krzemowa płytka zawierający miliony tranzystorów, uzyskiwana podczas skomplikowanego procesu produkcyjnego.
Podstawowymi elementami mikroprocesora są tranzystory, które umożliwiają przepływ lub blokowanie prądu. Strukturę logiczną mikroprocesora reprezentują bramki logiczne budowane na bazie odpowiednio połączonych tranzystorów. Połączenie bramek w odpowiednie układy tworzy kolejne struktury wewnętrznej budowy procesora.
Podstawowymi elementami każdego mikroprocesora są:
1. układ sterowania CU (ang. Control Unit) – odpowiedzialny za sterowanie blokami mikroprocesora.
2. Jednostka arytmetyczno-logiczna ALU znana także jako arytmometr (ang. Arithemic Logic Unit) – odpowiedzialna za wykonywanie operacji arytmetycznych i logicznych na liczbach naturalnych binarnych.
3. Jednostka zmiennoprzecinkowa FPU znana także jako koprocesor (ang. Floating Point Unit) – wykonująca operacje arytmetyczne na liczbach zmiennoprzecinkowych.
4. Rejestry:
a) Rejestr rozkazów IR (ang. Instruction Register) – wewnętrzna komórka pamięci mikroprocesora, która przechowuje przetwarzaną obecnie instrukcję.
b) Licznik rozkazów PC (ang. Program Counter) – przechowujący kolejne adresy pamięci z rozkazami.
c) Akumulator A – przechowuje wynik wykonywanej operacji.
d) Wskaźnik stosu SP (ang. Stack Pointer) – służący do adresowania pamięci.
e) Rejestr flagowy F – przechowujący informacje dotyczące rejestracji wykonywanej operacji.
f) Pamięć cache – „inteligentna” pamięć SRAM przechowująca wyniki najczęściej wykonywanej operacji.
Typy obudów mikroprocesora
Fizycznie mikroprocesor to płytka wykonana z krzemu o wielkości około 1 cm². Mikroprocesor jest podatny na działanie czynników zewnętrznych, przez co należy się znajdować w ochronnej powłoce: ceramicznej, plastikowej lub metalowej. Obudowa posiada wyprowadzenia, nazywane pinami lub nóżkami. Wyprowadzenia pozwalają na zamontowanie w gnieździe płyty głównej.
Obecnie można spotkać kilka różnych typów obudów mikroprocesora:
1. PGA (ang. Pin Grid Array) – popularny standard obudów z nóżkami w kształcie symetralnej siatki.
Powstało kilka odmian standardu PGA:
- PPGA (ang. Plastic PGA) – obudowa z osłoną rdzenia wykonanej z plastikowej powłoki.
- CPGA (ang. Ceramic PGA) – obudowa z ceramiczną powłoką.
- FC-PGA (ang. Flip Chip PGA) – w tej wersji rdzeń został przeniesiony na górną część obudowy w celu lepszego odprowadzenia ciepła. Rdzeń otoczono plastikową osłoną.
- FC-PGA2 (ang. Flip Chip PGA2) – obudowa FC-PGA, którą dodatkowo ukryto pod stalową blaszką.
2. SPGA (ang. Staggered PGA) – odmiana PGA, w której nóżki są rozmieszczone w rzędach i kolumnach niesymetrycznie.
3. SECC (ang. Single Edge Contact Cartridge) – nietypowy typ obudowy z czasów, w których nie było wiadomo, jak umieścić pamięć cache drugiego poziomu w strukturze rdzenia mikroprocesora (Pentium II i III, Athlon).
Mikroprocesor został przylutowany do płytki drukowanej wraz z pamięcią cache L2, a całość została umieszczona w plastikowej obudowie w postaci kartridża.
4. SEPP (ang. Single Edge Processor Package) – obudowa podobna do SECC bez plastikowej osłony. Stosowana była w tańszych wersjach procesorów rodzaju Duron i Celeron.
5. Micro-FCBGA (ang. Flip Chip Ball Grid Array) – typ obudowany bazujący na BGA (ang. Ball Grid Array) z nóżkami zakończonymi małymi kulkami, które poprawiały przepływ prądu między procesorem a gniazdem.
6. LGA (ang. Land Grid Array) – typ obudowany Intel, w którym nóżki zamieniono na styki.
Typy gniazd mikroprocesorów
Każdy mikroprocesor musi zostać zamontowany w specjalnie przystosowanym gnieździe umieszczonym na płycie głównej. Nóżki lub piny pozwalają na wymianę informacji między chipsetem a pamięcią operacyjną. Nóżki muszą zostać fizycznie połączone z końcówkami magistrali pamięci i danych.
Każdy typ obudowy mikroprocesora wymaga zastosowania odpowiedniego gniazda.
Powstało kilka odmian gniazd, które różnią się kształtem obudowy i liczbą pinów mikroprocesora:
1. Socket – gniazda przeznaczona do obudów mikroprocesora typu PGA.
Ze względu na montaż, gniazda Socket można podzielić na:
- LIF (ang. Low Insertion Force) – w celu zamontowania mikroprocesora trzeba było użyć nacisku ponad 20 kg. Użycie drugiej siły wiązało się z ryzykiem uszkodzenia układu, przez co zrezygnowano z tego rozwiązania.
- ZIF (ang. Zero Insertion Force) – gniazdo, do którego nie wymagano nacisku podczas montowania.
