Jak działa procesor (CPU – Central Processing Unit)

1. Wprowadzenie

Procesor (CPU) to centralna jednostka obliczeniowa komputera. Jest nazywany „mózgiem komputera”, ponieważ odpowiada za wykonywanie wszystkich obliczeń i sterowanie pracą pozostałych elementów systemu.

2. Budowa procesora

Procesor składa się z kilku podstawowych bloków funkcjonalnych:

  • Jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU) – wykonuje operacje matematyczne (dodawanie, odejmowanie, mnożenie, dzielenie) i logiczne (AND, OR, NOT).

  • Jednostka sterująca (CU – Control Unit) – kieruje przepływem danych, pobiera instrukcje z pamięci, interpretuje je i wydaje polecenia ALU, rejestrom oraz magistralom.

  • Rejestry – bardzo szybka pamięć wewnętrzna w procesorze, przechowuje aktualne dane i wyniki operacji. Przykłady: rejestr akumulatora, rejestr rozkazów, licznik rozkazów.

  • Cache (pamięć podręczna) – mała, ale bardzo szybka pamięć wewnętrzna, przechowująca najczęściej używane dane i instrukcje. Występuje w poziomach L1, L2 i L3.

  • Magistrale (szyny) – łączą procesor z innymi podzespołami:

    • szyna danych – przenosi dane,
    • szyna adresowa – wskazuje miejsce w pamięci,
    • szyna sterująca – przekazuje sygnały kontrolne.

3. Zasada działania procesora

Działanie procesora można opisać jako cykl rozkazowy (ang. Instruction Cycle), składający się z trzech etapów:

  • Pobranie (Fetch) – procesor pobiera instrukcję z pamięci RAM.

  • Dekodowanie (Decode) – jednostka sterująca rozpoznaje, jaki rodzaj operacji ma zostać wykonany.

  • Wykonanie (Execute) – ALU przeprowadza obliczenia lub procesor wysyła sygnały do innych urządzeń. Wyniki są zapisywane w rejestrach lub w pamięci.

Procesor powtarza ten cykl miliardy razy na sekundę.

4. Parametry procesora

Najważniejsze cechy określające moc procesora to:

  • Taktowanie (częstotliwość zegara, GHz) – liczba cykli rozkazowych wykonywanych w ciągu sekundy.

  • Liczba rdzeni – nowoczesne procesory mają wiele rdzeni, co pozwala wykonywać kilka instrukcji równocześnie (praca wielowątkowa).

  • Pamięć cache – im większa i szybsza, tym mniej procesor musi czekać na dane z RAM.

  • Architektura procesora – np. x86, ARM – zestaw instrukcji i sposób organizacji wewnętrznej.

  • Wydajność na wat (TDP – Thermal Design Power) – ile ciepła generuje procesor i jak efektywnie zużywa energię.

5. Procesor a pamięć

Procesor sam nie przechowuje dużych ilości danych – korzysta z pamięci operacyjnej RAM. Współpraca wygląda tak:

  • Procesor pobiera instrukcje i dane z RAM,
  • zapisuje wyniki z powrotem do RAM,
  • najczęściej używane informacje trzyma w pamięci cache.

6. Rozwój procesorów

  • Pierwsze procesory (lata 70.) – np. Intel 4004, obsługiwał 4 bity danych.
  • Procesory jedno- i wielordzeniowe – od Pentium do Core i9, Ryzen itp.
  • Nowoczesne rozwiązania – energooszczędne ARM w smartfonach, procesory wielordzeniowe w serwerach, układy hybrydowe (np. big.LITTLE).

7. Podsumowanie

  • Procesor to centralna jednostka sterująca i obliczeniowa komputera.
  • Jego działanie opiera się na cyklu rozkazowym: pobierz – dekoduj – wykonaj.
  • Szybkość i wydajność procesora zależą od częstotliwości zegara, liczby rdzeni, wielkości pamięci cache i architektury.
  • Procesory stale się rozwijają, zwiększając wydajność i zmniejszając zużycie energii.
Wróć do spisu lekcji