Central Processing Unit
Individuellt PM
Kristoffer Ringkvist
Innovation och Produktdesign Produktutveckling 3, KPP039 2011‐01‐04
Ordlista
Processor: En använd benämning för ”Central Processing Unit” (CPU)
Relä: En reglerteknisk elektrisk apparatur.
Krets: ett antal elektriska komponenter sammankopplade med elektriska ledningar
Hårdvara: Ett samlingsnamn för en dators fysiska delar.
Transistor: En halvledarkomponent som används som signalförstärkare, strömbrytare, spänningsreglerare etc.
Multitasking: Är ett uttryck som innebär flera operationer samtidigt utförda av en processor.
UV‐strålning: En förkortning på Ultraviolett strålning.
Dissipation: Är ett begrepp i fysiken, som är typiskt för dynamiska system, där viktiga mekaniska företeelser som vågor eller svängningar förlorar energi över tiden.
Innehållsförteckning
Inledning ... 1
Syfte och mål ... 1
Central Processing Unit ... 2
Historia och Utveckling ... 2
Tillverkning ... 3
Funktion ... 5
The Arithmetic, Logic Unit ... 5
Kontrollenheten ... 6
Registret ... 6
Utförande ... 7
Användningsområden ... 8
Källförteckning ... 9
1
Inledning
Under kursen produktutveckling 3 fick vi i uppgift att fördjupa oss i ett ämne kopplat till produktutveckling i form av en individuell inlämning. Att skaffa en djupare förståelse i ett ämne, en teknik, eller produkt som man är intresserad av och kan ha användning för i framtiden.
Det här PM’et handlar om Central Processing Units(CPU) som fungerar som hjärnan i datorer robotar och maskiner. PM’et kommer att ta upp hur en CPU är uppbyggd och utav vad, hur den fungerar och opererar samt dess användningsområden och framtid.
Det bör intressera personen som är ägare till en persondator då CPU’n är en väsentlig del i datorn och bör vara utgångspunkten när man köper en ny dator exempelvis.
Syfte och mål
Syftet med detta PM är att inbringa en djupare förståelse om vad en CPU är och gör för något och varför det kan vara bra att veta just det. PM’et svarar på frågor som t.ex. hur en CPU är uppbyggd och hur den arbetar vilket bl.a. leder till smartare val och köp av datorer och mobiltelefoner. Det är ett ämne jag tycker berör väldigt många och borde därför vara intressant för en stor andel läsare.
EDVAC, den första datorn med en CPU i sig
Ett exempel på en CPU från 1960‐talet
Central Processing Unit
Central Processing Unit som oftast förkortas till ”CPU” är en komponent i ett datorsystem som fungerar som hjärnan i en dator precis som hjärnan hos människor. CPU’ns uppgift i ett datorsystem är att ta emot och utföra begärda operationer som beräkningar och datahantering. Tillverkningen på en CPU är den mest komplexa tillverkningen på jorden och bygger på över hundra olika steg i olika moment. Dagens storlek på CPU’er handlar bara om några centimeter i bredd och höjd och finns i stort sätt i alla moderna maskiner och apparater, allt från datorer och bilar till kaffebryggare.
Historia och Utveckling
Den första datorn med en Central Processing Unit i sig publicerades 30 Juni, 1945 i USA av John von Neumann. Datorn kallades EDVAC och var den första datorn som kunde utföra olika sorters beräkningar utan att behöva ändra på hårdvaran.
På den här tiden tog datorerna upp hela rum och alla komponenter inklusive CPU’n var gigantiska i jämfört med nutidens komponenter.
Dem allra första CPU’erna byggdes med elektriska relän och vakuum tuber för att reglera strömsignalerna som CPU’n tar emot. Men de var inte särskilt stabila och byttes med tiden ut mot transistorer under 1950 och 1960 talet. Det var det första steget i den snabba utvecklingen av CPU’n. År 1970 kom den så kallade ”Mikro processorn” som totalt förändrare designen och tillverkningen utav CPU’er och satte riktningen för dagens teknik. Utvecklingen av CPU’n har varit lavinartad och CPU’er är idag uppbyggda av tiotals miljoner transistorer på en yta av ett par cm². Antalet transistorer man kan få in på ett chip har hittills ökat exponentiellt.
3
Sand består utav 20% Kisel
Kiselblock som består av 99.9% kisel
Kiseldisken behandlas med UV‐strålning
Kopparjoner bombarderar kiselskivan
Tillverkning
Tillverkandet av processorer(CPU) är ett mycket högteknologiskt precisionsarbete som kräver perfekta förhållanden. I processorfabrikerna måste det vara kliniskt rent och arbetarna måste ha på sig rymdliknande dräkter för att inte de skall smutsa ner.
Processorerna tillverkas på kiselplattor i flera lager och består av flera miljoner transistorer.
Det första steget i processen av att tillverka en processor är att samla in sand som består av 20% kisel. Man separerar sen allt kisel ifrån sanden som får gå igenom en reningsprocess som består utav flera olika moment tills den tillslut blir anpassad för elektronikproduktion.
Man smälter sedan allt kisel och formar den till ett krystalliknande kiselblock som väger unt 100kg bestående utav 99.9% kisel. Man skär sedan ut tunna runda skivor från kiselblocket med en diameter på 30cm som poleras till en glasklar yta. Man applicerar sen en blå fotoreduktiv vätska jämnt över kisel skivan som sedan utsätts för UV‐
strålning. UV‐strålningen appliceras med olika masker som fungerar som en stencil tillsammans, och skapar då olika kretsmönster.
Processen upprepas och man skapar många lager av mönster ovanpå varandra. När det är gjort tas den fotoreduktiva vätskan bort med hjälp av ett slags lösningsmedel och mönstren från stencilen blir synliga.
Nästa steg i tillverkningen kallas för ”Jon plantering” som innebär att man planterar joner i kiseldisken. Men innan man kan göra det appliceras mer fotoreduktiv vätska som utsätts för UV‐ljus ännu en gång för att sen tas bort. Därefter bombarderas ytan som behandlats med UV‐ljus med joner i väldigt hög fart(ca 300 000 km/h). Jonerna planteras i kiseldisken och gör så att kiseldisken på dem områdena hanterar ström på ett annorlunda sätt. Den bearbetade ytan kan du betraktas som en slags transistor. Ett tunt lager med isoleringsmaterial appliceras och man gör tre små hål som så småningom ska fyllas med koppar för att transistorn ska kunna kopplas till andra transistorer.
Nästa steg i processen handlar om att fylla de tre hålen med kopparjoner. Det gör man genom en elektrokemisk process som kallas för galvning som innebär att man skickar kopparjonerna från en positivt laddad terminal till en negativt laddad terminal som utgörs av kiseldisken. Kopparjonerna lägger sig som ett tunt lager över kiseldisken och poleras ner till hålen som gjordes tidigare. Därefter
Koppar kopplar samman transistorer
Kiselskivorna testat
Sockeln placeras med ett interface och ett värmeskydd
Bilden visar det sista testet innan den slutliga förpackningen
lägger man på fler lager av koppar som ska fungerar som interna kopplingar. Arkitekturen på kopplingarna skapas av design team och skiljer sig från de olika versionerna av processorer. Man kan tänkta sig ett nätverk av motorvägar kopplade mellan de olika transistorerna.
Nu är kiseldisken klar för ett första funktionstest. Olika testprogram och mönster körs och följs noga upp. Efter att testerna är färdiga slängs de dåliga kiselskivorna med underkända ytor medans de godkända skivorna skärs till i olika bitar i form av rektanglar som kallas för ”socklar”. Därefter sätts socklarna ihop med en grön botten och ett värmespridande skydd vilket formar den färdiga processorn. Den gröna bottnen fungerar som ett mekanisk och elektriskt interface som gör det möjligt för processorn att integrera med resten av delarna i datorn.
Därefter görs de sista testerna som kontrollerar t.ex. dissipationen och den maximala frekvensen som processorerna ska klara av. Sen är processorn klar för att packeteras och skeppas iväg ut till butiker världen över.
Egentligen består tillverkning av 100 olika moment och enbart de viktigaste delarna har tagits upp.
5
Funktion
Man kan säga att CPU’n består av tre stycken olika huvuddelar. Den första delen kallas för den Aritmetiska, logiska enheten ”Arithmetic Logic Unit” (ALU) och är den enhet som utför logiska och enklare aritmetiska operationer som t.ex. addition och subtraktion. Den andra delen kallas för ”Kontrollenheten” och är den komponent som dirigerar instruktioner och operationer till andra delar i datorn. Samt den tredje delen som är ”resigstret” vilket registrerar och förvarar data.
The Arithmetic, Logic Unit
Den aritmetiska, logiska enheten förkortas (ALU) från engelskans ”Arithmetic, Logic Unit”
som består av den elektriska kretsen som hanterar aritmetiska och logiska operationer.
ALU’n kan göra fyra olika slags kalkyler: addition, subtraktion, multiplikation och division.
Den utför också logiska operationer som innebär att den jämför nummer eller speciella tecken. Datorn kan då agera beroende på resultatet av jämförelsen. Genom en jämförelse kan t.ex. datorn kolla om det finns lediga platser kvar på ett flygplan eller om en person har kredit kvar på sitt bankkort. Den använder sig utav tre stycken olika förhållanden.
• Equal‐to condition: Den logiska enheten kollar om två stycken värden är lika. Som ett exempel om antalet biljetter sålda till en fotbollsmatch är lika som antalet platser så är fotbollsarenan utsåld.
• Less‐than condition: Här kollar den logiska enheten om ett tal är mindre än ett annat. Ett exempel skulle vara att kolla om tiden är under ett speciellt klockslag för att kunden ska få ett reapris.
• Greater‐than condition: Här kollar den logiska enheten om ett tal är större än ett annat. Det kan vara att t.ex. kolla om antalet timmar för en persons arbetstid under en vecka överskrider fyrtio så blir det övertid.
Kontrollenheten
Kontrollenheten är den del av CPU’n som består av de elektriska kretsarna som sänder ut elektriska signaler för att styra hela datorsystem till att utföra programinstruktioner. Man kan jämföra kontrollenhetens funktion med en orkester ledare som inte spelar ett instrument själv men leder orkestern. Kontrollenheten samarbetar med den aritmetiska, logiska enheten samt minnet i datorn.
Registret
Registret är ett temporärt utrymme för att lagra instruktioner eller data. Registret arbetar genom direktioner från kontrollenheten och accepterar, håller eller skickar vidare instruktioner eller data. Registret består utav tre delar:
• Ackumulatorn: Den samlar resultat från beräkningar och operationer.
• Address register: Den har koll på instruktioner eller data som lagras i minnet. Varje instruktion och data får en adress för att kunna hittas.
• Register utrymme: Ett temporärt utrymme som lagrar instruktioner och data en kort stund innan dem skickas vidare till minnet.
7
Utförande
Innan en instruktion kan bli utförd måste programinstruktioner och data placeras i minnet från en ”input” enheten eller sekundärt utrymme som exempelvis en CD‐rom läsare eller hårddisk. Instruktionerna eller datan gör ett temporärt stop i registret innan det hamnar i minnet. Sen utför CPU’n uppgiften i fyra steg:
1. Kontrollenheten letar rätt på och tar emot instruktionen i minnet genom en adress.
2. Kontrollenheten kodar av instruktionen som så den förstår vad som skall göras och skickar sedan vidare instruktionen till aritmetiska, logiska enheten.
3. Den aritmetiska, logiska enheten utför sedan den aritmetiska eller logiska operationen.
4. Sedan förvarar den aritmetiska, logiska enheten resultatet av operationen i minnet eller i registret.
Så småningom skickar kontrollenheten resultatet vidare från minnet till en “output” enhet eller sekundär lagrings enhet(hårddisk). Bilden nedan visar en CPU och dess huvuddelar.
Bilden visar hur enheterna i en CPU samspråkar.
Användningsområden
Det finns många olika sorters CPU’er byggda för olika användningsområden och produkter.
Processorer finns ju som alla vet i datorer vilket innebär att alla produkter med en liten dator i sig har en slags processor. Allt från bilar och mobiltelefoner till mikrovågsugnar, kaffebryggare och klockor.
Det finns oändligt många produktområden där processorn finns.
På en dator är processorn huvuddelen i produkten och är också den dyraste. När man går ut och köper mobil i dagens läge är även där processorn en viktig del i produkten och är en avgörande faktor för kunden. För ett par år sedan brydde man sig dock inte om vad mobilen hade för processor. När man köper en mikrovågsugn eller kaffebryggare är inte processorn något intressant och står nog inte ens med i produktspecifikationen.
Det är på grund av att det inte spelar så stor roll vad det är för slags processor då operationerna eller instruktionerna är så pass enkla. Men vem vet, i framtiden ska kanske mikrovågsugnar kunna kommunicera med användaren och då kommer det att
krävas med prestanda utav processorn.
9
Källförteckning
Digitala källor:
‐ http://homepage.cs.uri.edu/faculty/wolfe/book/Readings/Reading04.htm
‐ http://www.tomshardware.com/picturestory/514‐7‐intel‐cpu‐processor‐core‐i7.html
‐ http://en.wikipedia.org/wiki/Central_processing_unit
‐ http://sv.wikipedia.org/wiki/CPU
‐ http://www.youtube.com/watch?v=‐GQmtITMdas
Muntliga källor:
Fredrik Barthel ‐ Dator tekniker och tävlande i datorbygge och prestanda.
