Procesor

Mikroprocesor je víceúčelové, programovatelné zařízení, které na vstupu akceptuje digitální data, zpracuje je pomocí instrukcí uložených v paměti a jako výstup zobrazí výsledek. Mikroprocesor představuje příklad sekvenčního logického obvodu, který pro uložení dat používá dvojkovou soustavu.

Mikroprocesor bývá součástí mnoha elektronických zařízení. Vzhledem k tomu, že softwarem je možné jednoduše realizovat i velmi složité požadavky a vzhledem k neustále klesající ceně a rostoucím možnostem mikroprocesorů, se používají téměř v každém složitějším elektronickém zařízení (rádia, počítače, tiskárny, pračky, chladničky,televizory a pod.).

Druhy mikroprocesorů

• CPU (Central Processing Unit) - hlavní (mikro)procesor počítače (v minulosti však CPU neměl vždy podobu mikroprocesoru)
• GPU (grafický procesor) – hlavní mikroprocesor grafické karty
• APU (Accelerated Processing Unit) - CPU a GPU v jednom pouzdře
• matematický procesor (FPU), označovaný také jako matematický koprocesor, dnes je většinou integrovaný s CPU v jednom pouzdře.
• zvukový procesor
• signálový procesor (DSP procesor)
• jiné specializované procesory

Před vynálezem mikroprocesorů byly elektronické CPU vyrobené z oddělených TTL integrovaných obvodů; předtím z jednotlivých tranzistorů; a ještě dříve založené na elektronkách. Existovaly návrhy jednoduchých počítacích strojů založených na mechanických součástkách jako ozubené kola, hřídele, páky atd. Leonardo da Vinci navrhl jeden z nich, bohužel ho nebylo možné sestavit výrobními postupy jeho doby.

Vývoj mikroprocesorů dosud sleduje Mooreův zákon týkající se stálého zvyšovaní výkonu v čase. Tento zákon nám říká, že se „komplexnost integrovaného obvodu s ohledem na minimální cenu komponent zdvojnásobí každých přibližně 18 měsíců“, což se ve všeobecnosti i překvapivě dělo od začátku 70. let. Od samotných začátků jako mozek kalkulaček viděl zvyšující se výkon k dominanci mikroprocesorů v každé jiné formě počítače; každý systém od největšího mainframe (sálový počítač) po nejmenší handheld dnes v jádře používá mikroprocesor.

Rozdělení CPU

Podle instrukční sady

CPU se v současné době dělí podle podporované instrukční sady jsou (podle doby zrodu) CISC, RISC, VLIW a EPIC.

Mezi představitele CPU s instrukční sadou CISC patří v současnosti zejména mikroprocesory řady x86-64. Mezi představitele CPU s instrukční sadou RISC patří zejména mikroprocesory ARM, MIPS, PowerPC a Alpha. Mezi představitele VLIW patří zejména mikroprocesory Tilera a některé GPU fy AMD. Nakonec, představitelé instrukční sady typu EPIC jsou mikroprocesory IA-64 a ev. mikroprocesory Elbrus.

Podle šířky slova (v bitech)

CPU v prvních mikroprocesorech byly 4bitové, což bylo dáno tím, že často počítaly přímo s čísly v desítkové soustavě. Brzy přišly 8bitové procesory, u nichž se zjednodušeně se dá říci, že umí přímo počítat s čísly od 0 do 255, zatímco 16bitový procesor s čísly od 0 do 65535 (tj. 0 až 216-1) atd. Operace s většími čísly pak musí být rozděleny do několika kroků. Procesory se slovem 32bitů byly dlouho dostačující, ale protože kvůli návrhu dokázaly přímo adresovat jen 4 GB operační paměti, byly nahrazeny procesory 64bitovými.

Existovaly i procesory, které měly exotické šířky slova, například 10 nebo 24 bitů (například DSP z řady Motorola 56000). V počítačích se však prosadily procesory s šířkou slova danou mocninou 2 (kvůli jednodušší manipulaci a vzájemné zaměnitelnosti jednotlivých operandů).

Podle architektury procesoru

Procesory RISC s redukovanou sadou strojových instrukcí a CISC procesory s velkým počtem strojových instrukcí. Jako výhodnější se ukazují instrukční sady typu RISC, avšak některé architektury z důvodu zachování zpětné kompatibility pracují i se strojovým kódem typu CISC (Intel x86). Procesory RISC jsou velmi úspěšné např. v mobilních telefonech nebo v superpočítačích, protože jednodušší architektura se projevuje nižší spotřebou energie.

Podle podpory operačního systému

Pro jednoduché aplikace nemusí procesor integrovat jednotku pro správu a ochranu paměti (MMU, anglicky memory management unit), případně podporovat ochranu paměti nebo privilegovaný režim. Pro provoz plnohodnotných operačních systémů (například Windows NT a vyšší tj. XP, 7, 8 ..., Linux, Mac OS X atd.) je jednotka správy a ochrany paměti nezbytná. Bez zmíněné podpory v procesoru je nemožný preemptivní multitasking, současná práce více uživatelů na jednom počítači nebo virtualizace.

Podle stupně integrace

Jednočipový mikropočítač nebo také mikrokontrolér (MCU) obsahuje kromě procesoru i další obvody, jako jsou časovače (timery a watchdog timery), nevolatilní paměť (EEPROM, FLASH nebo ROM) a volatilní paměť (typicky SRAM), dále vstupně výstupní obvody, takže je schopen samostatné funkce. Za průkopníky v této kategorii můžeme považovat 8bitový procesor Intel i8051, který poprvé integroval všechny základní periferie (jádro procesoru, paměť RAM, EEPROM, čítače a časovače) na jediném čipu a 16bitový technologický procesor Siemens SAB 80C166, který poprvé integroval A/D převodníky, komunikační linky a masivní systém čítačů/časovačů/přerušení. Následníky řady 80166 dnes vyrábí Infineon (řada C167 a C166 SV2) a SGS Thomson (řada ST10). V současnosti v oblasti jednočipových mikropočítačů a mikrokontrolérů převažují obvody založené na architektuře ARM.

Podle specializace

Digitální signálový procesor (DSP) je zaměřen na zpracování signálu. DSP jsou optimalizovány na co nejrychlejší opakování jednoduchých matematických algoritmů, zaměřených na zpracování signálu. Typickou aplikací DSP je filtrace signálu pomocí filtrů FIR a IIR nebo Fourierova analýza. DSP se dnes používají především ve spotřební elektronice a v telekomunikační technice. Současné DSP obsahují proti svým předchůdcům navíc také rychlé komunikační linky, aby bylo možné přenášet velký datový tok, protékající těmito procesory. Můžeme rovněž pozorovat snahy o spojení výhod DSP a mikroprocesorů, ať už je to cestou rozšiřování DSP o periferie nebo rozšiřováním mikrokontrolérů o DSP jednotky.

Podle počtu jader

V současnosti jde vývoj směrem k integraci více jader, tedy více procesorů do jediného čipu. Tento trend můžeme pozorovat u procesorů pro osobní počítače. Procesory se tedy dělí na jednojádrové a vícejádrové. Zvyšování počtu jader je v podstatě vynuceno fyzikálními omezeními (např. rychlostí světla a tím i maximální hodinovou frekvencí). Integrací většího počtu jednodušších jader je teoreticky možné dosáhnout při stejné výrobní technologii na stejné ploše křemíku mnohem vyšší výpočetní výkon, než použitím jediného složitého jádra.

Podle implementace

Mikroprocesor může být vytvořen jako jednoúčelový obvod určený přímo k velkosériové výrobě, ale může být implementován také jako firmware běžící v programovatelném hradlovém poli. Jádro jednoduchých8bitových mikroprocesorů se skládá z 5 až 10 tisíc hradel.