Централна процесорска јединица — разлика између измена

'''Централна процесорска јединица''' (''ЦПУ'') је сет [[elektronsko kolo|електронских кола]] унутар [[рачунар]]а на којима се извршавају [[Скуп инструкција|инструкције]] [[Рачунарски програм|рачунарског програма]] путем извођења основних [[аритметика|аритметичких]], логичких, контролних и [[Ulazno/izlazne jedinice|улазно/излазних]] (-{I/O}-) операција спецификованих инструкцијама. Рачунарска индустрија је користила термин „централна процесорска јединица” још од раних 1960-тихих.<ref name="weik1961">{{cite journal |last=Weik|first=Martin H.| title = A Third Survey of Domestic Electronic Digital Computing Systems | publisher = [[Ballistic Research Laboratory]] | url = http://ed-thelen.org/comp-hist/BRL61.html |year=1961 }}</ref> Традиционално, термин „ЦПУ” се односи на '''процесор''', специфичније на његову процесорску јединицу и [[Управљачка јединица|контролну јединицу]] (-{CU}-), при чему се прави разлика између тих сржних елемената рачунара и спољашњих компоненти као што су [[Computer data storage|главна меморија]] и [[Ulazno/izlazne jedinice|I/O]] електронска кола.<ref name="kuck">{{Cite book|last= Kuck|first= David|title= Computers and Computations, Vol 1|year=1978|publisher= John Wiley & Sons, Inc.|isbn=978-0-471-02716-4|pages=12}}</ref>

| date = 18. 12. 2014. | accessdate = 17. 202. 2015.

|last1 last=Willhalm|first1 first=Thomas|last2=Dementiev|first2=Roman| author3 = Patrick Fay

|title= VMware vSphere Performance: Designing CPU, Memory, Storage, and Networking for Performance-Intensive Workloads|last=Liebowitz|last2=Kusek|last3=Spies|first= Matt |first2= Christopher |first3= Rynardt

Рани рачунари као што је -{[[ENIAC]]}- су морали да се физички измене да би обављали различите задатке, те су стога те машине називане „рачунарима са фиксним програмом”.<ref>{{Cite book|last=Regan|first=Gerard|title=A Brief History of Computing|isbn=978-1-84800-083-4|url=https://books.google.com/books?isbnid=1848000839ISBN 1-84800-083-9|accessdate = 26. 11. 2014.|pages=66}}</ref> Пошто је термин „ЦПУ” генерално дефинисан као уређај за извршавање [[софтвер]]а (рачунарског програма), најранији уређаји који се с правом могу називати процесорским су били [[рачунари са сачуваним програмом]].

Идеја рачунара са сачуваним програмом је већ била присутна у [[J. Presper Eckert|Џон Преспер Екеретовом]] и [[John William Mauchly|Џон Вилијам Моклијевом]] дизајну [[ЕНИАЦ]] рачунара, али је иницијално била изостављена да би се раније завршила изградња.<ref>{{cite web|title=Bit By Bit|url=http://ds.haverford.edu/bitbybit/bit-by-bit-contents/chapter-five/5-1-stored-program-computing/|archiveurl=https://web.archive.org/web/20121013210908/http://ds.haverford.edu/bitbybit/bit-by-bit-contents/chapter-five/5-1-stored-program-computing/|publisher=Haverford College|accessdate = 101. 8. 2015.|archivedate = 13. 10. 2012.}}</ref> Дана 30. јуна 1945, пре него што је ЕНИАЦ био направљен, математичар [[Џон фон Нојман]] је дистрибуирао рад под насловом ''[[First Draft of a Report on the EDVAC|Први нацрт извештаја о ЕДВАЦ-у]]''. То је био преглед компјутера са ускладиштеним програмом који би се евентуално завршио у августу 1949. године.<ref>{{cite journal | title = First Draft of a Report on the EDVAC | publisher = [[Moore School of Electrical Engineering]], [[Универзитет Пенсилваније|University of Pennsylvania]] | url = http://www.virtualtravelog.net/entries/2003-08-TheFirstDraft.pdf | year = 1945 | journal = | access-date accessdate= 28. 01. 2018 | archive-url = https://web.archive.org/web/20040423232125/http://www.virtualtravelog.net/entries/2003-08-TheFirstDraft.pdf | archive-date = 23. 04. 2004 | dead-url = yes | df = }}</ref> [[ЕДВАЦ]] је био дизајниран да извршава одређени број упутстава (или операција) различитих типова. Значајно је да су програми написани за ЕДВАЦ требали да буду ускладиштени у [[Рачунарска меморија|рачунарској меморији]] велике брзине уместо да буду спецификовани физичким ожичавањем рачунара.<ref>{{cite web|title=The Modern History of Computing|url=http://plato.stanford.edu/entries/computing-history/|last=University|first=Stanford|publisher=The Stanford Encyclopedia of Philosophy|accessdate = 25. 909. 2015.}}</ref> Тиме је превазиђено озвиљно ограничење ЕНИАЦ-а, што је било знатно време и напор који су били потребни за реконфигурацију рачунара за обављање новог задатка. Са фон Нојмановим дизајном, програм који је ЕДВАЦ извршавао се могао променити једноставном променом контента меморије. ЕДВАЦ, међутим, није био први рачунар са сачуваним програмом; [[Manchester Small-Scale Experimental Machine|Манчестерска експериментална машина малих размера]], мали прототип рачунара са сачуваним програмом, извршио је свој први програм 21. јуна 1948,<ref>{{citation |last=Enticknap |first=Nicholas |title=Computing's Golden Jubilee |journal=Resurrection |issue=20 |publisher=The Computer Conservation Society |date=Summer 1998 |url=http://www.cs.man.ac.uk/CCS/res/res20.htm#d |issn=0958-7403 |accessdate=19. 404. 2008. |archiveurl=https://web.archive.org/web/20120109142655/http://www.cs.man.ac.uk/CCS/res/res20.htm#d#d |archivedate=09. 01. 2012 |deadurl=yes |df= }}</ref> а [[Manchester Mark 1|Манчестер Марк 1]] је извршио свој први програм током ноћи 16–17. јуна 1949.<ref>{{cite web|title=The Manchester Mark 1|url=http://curation.cs.manchester.ac.uk/digital60/www.digital60.org/birth/manchestercomputers/mark1/manchester.html|work=The University of Manchester|accessdate = 25. 909. 2015.}}</ref>

Дизајн раних процесора је био прилагођен да буду коришћени као део већег и понекад особеног рачунара.<ref>{{cite web|title=The First Generation|url=http://www.computerhistory.org/revolution/birth-of-the-computer/4/92|publisher=Computer History Museum|accessdate = 29. 909. 2015.}}</ref> Међутим, овај метод дизајнирања прилагођених процесора за одређену апликацију је у великој мери уступио место развоју вишенаменских процесора произведених у великим количинама. Са таквом стандардизацијом се почело у ери дискретних [[транзистор]]ских [[Мејнфрејм рачунар|мејнфрејмова]] и [[minicomputer|минирачунара]], а тренд је знатно убрзан популаризацијом [[Интегрисано коло|интегрисаних кола]] (ИЦ). Она су омогућила дизајнирање и производњу све комплекснијих процесора са задовољавајућом толеранцијама реда величине [[Нанометар|нанометра]].<ref name="nobel">{{cite web|title=The History of the Integrated Circuit|url=https://www.nobelprize.org/educational/physics/integrated_circuit/history/|website=Nobelprize.org|accessdate = 29. 909. 2015.}}</ref> Миниатуризација и стандардизација процесора су увећали присуство дигиталних уређаја у модерниом животу далеко изван ограничене примене наменских рачунарских машина. Модерни микропроцесори се јављају у електронским уређајима у опсегу од аутомобила<ref>{{cite web|last=Turley|first=Jim|title=Motoring with microprocessors|url=http://www.embedded.com/electronics-blogs/significant-bits/4024611/Motoring-with-microprocessors|publisher=Embedded|accessdate = 15. 11. 2015.}}</ref> до мобилних телефона,<ref>{{cite web|title=Mobile Processor Guide – Summer 2013|url=http://www.androidauthority.com/mobile-processor-guide-summer-2013-234354/|publisher=Android Authority|accessdate = 15. 11. 2015.}}</ref> а понекад чак и у играчкама.<ref>{{cite web|title=ARM946 Processor|url=https://www.arm.com/products/processors/classic/arm9/arm946.php|publisher=ARM|accessdate = 15. 11. 2015.}}</ref>

Док се фон Нојману најчешће приписују заслуге за дизајн рачунара са ускладиштеним програмом због његовог дизајна ЕДВАЦ-а, и тај дизајн је постао познат као [[Фон Нојманова архитектура]], други су пре њега, попут [[Конрад Цузе|Конрада Цуза]], предложили и спровели сличне идеје.<ref>{{cite web|title=Konrad Zuse|url=http://www.computerhistory.org/fellowawards/hall/bios/Konrad,Zuse/|publisher=Computer History Museum|accessdate=29. 909. 2015.|archive-url=https://web.archive.org/web/20120703013338/http://www.computerhistory.org/fellowawards/hall/bios/Konrad,Zuse/|archive-date=03. 07. 2012|dead-url=yes|df=}}</ref> Такозвана [[Харвардска архитектура]] рачунара [[Харвард Марк 1 (рачунар)|Харвард Марк -{I}-]], који је завршен раније од ЕДВАЦ-а,<ref>{{cite web|title=Timeline of Computer History: Computers|url=http://www.computerhistory.org/timeline/computers/|publisher=Computer History Museum|accessdate = 21. 11. 2015.}}</ref><ref>{{cite web|title=A Brief History of Computing - First Generation Computers|url=http://trillian.randomstuff.org.uk/~stephen/history/timeline-GEN1.html|last=White|first=Stephen|accessdate = 21. 11. 2015.}}</ref> исто тако је користила дизајн са сачувани програмом путем [[Punched tape|бушене папирне траке]] уместо електричне меморије.<ref>{{cite web|title=Harvard University Mark - Paper Tape Punch Unit|url=http://www.computerhistory.org/collections/catalog/102698407|publisher=Computer History Museum|accessdate = 21. 11. 2015.}}</ref> Кључна разлика између фон Nојманове и Харвардске архитектуре је да каснија раздваја складиштење и третман процесорских инструкција и података, док ранија користи исти меморијски простор за оба.<ref>{{cite web|title=What is the difference between a von Neumann architecture and a Harvard architecture?|url=http://infocenter.arm.com/help/index.jsp?topic=/com.arm.doc.faqs/3738.html|publisher=ARM|accessdate = 22. 11. 2015.}}</ref> Већина модерних процесора имају превасходно фон Нојманов дизајн, мада се процесори са Харварским дизајном исто тако срећу, посебно код уграђених апликација; на пример, -{[[Atmel AVR]]}- микроконтролери имају процесоре са Харвардском архитектуром.<ref>{{cite web|title=Advanced Architecture Optimizes the Atmel AVR CPU|url=http://www.atmel.com/technologies/cpu_core/avr.aspx|publisher=Atmel|accessdate = 22. 11. 2015.}}</ref>

[[Релеј]]и и [[Електронска цијев|електронске цеви]] (термионске цеви) су били у широкој употреби као прекидачки елементи;<ref>{{cite web|title=Switches, transistors and relays|url=http://www.bbc.co.uk/schools/gcsebitesize/design/electronics/switchesrev5.shtml|publisher=BBC|accessdate = 707. 2. 2016.}}</ref><ref>{{cite web|title=Introducing the Vacuum Transistor: A Device Made of Nothing|url=http://spectrum.ieee.org/semiconductors/devices/introducing-the-vacuum-transistor-a-device-made-of-nothing|publisher=IEEE Spectrum|accessdate = 707. 2. 2016.}}</ref> за рад рачунара су неопходне хиљаде или десетине хиљада прекидачких елемената. Свеукупна брзина система је зависна од брзине прекидача. Цевни рачунари попут ЕДВАЦ-а су у просеку радили око осам сати без кварова, док су се релејски рачунари попут (споријег, али ранијег) [[Харвард Марк 1 (рачунар)|Харварда Марк -{I}-]] веома ретко кварили.<ref name="weik1961" /> На крају су, процесори базирани на цевима постали доминантни, јер су значајне предности у погледу брзине уопштено надмашиле проблеме поузданости. Већина ових раних синхроних процесора је радила са ниском [[clock rate|радном фреквенцијом]] у поређењу са савременим микроелектронским дизајном. Сатне фреквенције сигнала у распону од 100 [[Херц|-{kHz}-]] до 4 -{MHz}- су биле веома честе у то време, ограничене у великој мери брзином прекидачких уређаја са којима су рачунари били изграђени.<ref>{{cite web|title=What Is Computer Performance?|url=http://www.nap.edu/read/12980/chapter/5#55|publisher=The National Academies Press|accessdate = 16. 505. 2016.}}</ref>

Комплексност дизајна процесора се повећала, јер су разне технологије омогућиле изградњу све мањих и све поузданијих електронских уређаја. Прво такво побољшање дошло је са напретком [[транзистор]]а. Транзисторисани процесори током 1950-тихих и 1960-тихих више нису морали да се праве од гломазних, непоузданих и крхких прекидача попут [[Електронска цијев|вакуумских цеви]] и [[релеј]]а.<ref>{{cite web|title=1953: Transistorized Computers Emerge|url=http://www.computerhistory.org/siliconengine/transistorized-computers-emerge/|work=Computer History Museum|accessdate = 303. 6. 2016.}}</ref> Са тим побољшањем изграђени су комплекснији и поузданији процесори на једној или неколико [[Штампана плоча|штампаних плоча]] који су садржали дискретне (индивидуалне) компоненте.

Године 1964, [[IBM]] је увео своју -{[[IBM System/360]]}- рачунарску архитектуру која је користила серију рачунара способну да извршава исте програме са различитим брзинама и перформансама.<ref>{{cite web|url=http://www-03.ibm.com/ibm/history/exhibits/mainframe/mainframe_FS360.html|title=IBM System/360 Dates and Characteristics|publisher=IBM}}</ref> То је било значајно у то време кад је већина електронских рачунара била међусобно инкомпатибилна, чак и они које је израдио исти произвођач. Да би се омогућило ово побољшање, IBM је користио концепт [[микропрограм]]а (често називаних „микрокод”), који су још увек у широкој употреби у модерним процесорима.<ref name="amdahl1964">{{cite journal |last=Amdahl|first= G. M. | authorlink1authorlink = Gene Amdahl |last2=Blaauw| first2 = G. A. | authorlink2 = Gerrit Blaauw |last3=Brooks| first3 = F. P. Jr. | authorlink3 = Fred Brooks | title = Architecture of the IBM System/360 | journal = IBM Journal of Research and Development | volume = 8 | issue = 2 | issn = 0018-8646 | publisher = [[IBM]] | date = April 1964 | doi = 10.1147/rd.82.0087 |pages=87–10187-101}}</ref> -{System/360}- архитектура је била толико популарна да је деценијама доминирала тржиште [[мејнфрејм рачунар]]а и оставила наслеђе које се још увек наставља путем сличних модерних рачунара, као што је IBM -{[[IBM System z|zSeries]]}-.<ref>{{cite web|last=Brodkin|first=John|title=50 years ago, IBM created mainframe that helped send men to the Moon|url=https://arstechnica.com/information-technology/2014/04/50-years-ago-ibm-created-mainframe-that-helped-bring-men-to-the-moon/|publisher=Ars Technica|accessdate = 909. 4. 2016.}}</ref><ref>{{cite web|last=Clarke|first=Gavin|title=Why won't you DIE? IBM's S/360 and its legacy at 50|url=https://www.theregister.co.uk/2014/04/07/ibm_s_360_50_anniversary/|publisher=The Register|accessdate = 909. 4. 2016.}}</ref> Године 1965, [[Диџитал еквипмент корпорејшон]] (ДЕЦ) је увела још један утицајни рачунар намењен научним и истраживачким тржиштима, [[Digital Equipment Corporation PDP-8|ПДП-8]].<ref>{{cite web|title=Online PDP-8 Home Page, Run a PDP-8|url=http://www.pdp8.net/index.shtml|website=PDP8|accessdate = 25. 909. 2015.}}</ref>

Рачунари базирани на транзисторима су имали неколико дистинктних предности у односу на своје претходнике. Осим што су били знатно поузданији и имали нижу потрошњу енергије, транзистори су исто тако омогућавали процесорима да раде са знатно већим брзинама због њиховог кратког прекидачког времена у поређењу са цевима или релејима.<ref>{{cite web|title=Transistors, Relays, and Controlling High-Current Loads|url=https://itp.nyu.edu/physcomp/lessons/electronics/transistors-relays-and-controlling-high-current-loads/|publisher=ITP Physical Computing|work=New York University|accessdate = 909. 4. 2016.}}</ref> С повећаном поузданошћу и драматично повећаном брзином прекидачких елемената (који су били скоро ексклузивно транзисторски до тог времена), брзине процесорских сатова од десетина мегахерца су са лакоћом остварене током тог периода.<ref>{{cite web|last=Lilly|first=Paul|title=A Brief History of CPUs: 31 Awesome Years of x86|url=http://www.pcgamer.com/a-brief-history-of-cpus-31-awesome-years-of-x86/|publisher=PC Gamer|accessdate = 15. 606. 2016.}}</ref> Поред тога, док су дискретни транзистори и ИЦ процесори били у великој употреби, нови дизајни високих перформанси као што су [[СИМД]] ({{јез-енг|Single Instruction Multiple Data}}) [[vector processor|векторски процесори]] су почели да се јављају.<ref name="patterson">{{Cite book|first1first=David A.|last1last=Patterson|first2=John L.|last2=Hennessy|first3=James R.|last3=Larus|title=Computer Organization and Design: the Hardware/Software Interface|year=1999|publisher=Kaufmann|location=San Francisco|isbn=978-1-55860-428-5|edition=2. ed., 3rd print.|pages=751}}</ref> Ови рани експериментални дизајни касније су довели до ере специјализованих [[суперрачунар]]а као што су они које су направили [[Cray|Креј]] и [[Фуџицу]].<ref name="patterson"/>

* {{Cite book|first1ref=harv|first=David A.|last1last=Patterson|first2=John L.|last2=Hennessy|first3=James R.|last3=Larus|title=Computer Organization and Design: the Hardware/Software Interface|year=1999|publisher=Kaufmann|location=San Francisco|isbn=978-1-55860-428-5|edition=2. ed., 3rd print.|pages=751}}

* {{Cite book |ref= harv|last=Regan|first=Gerard|title=A Brief History of Computing|isbn=978-1-84800-083-4|url=https://books.google.com/books?isbnid=1848000839ISBN 1-84800-083-9|accessdate = 26. 11. 2014.|pages=66}}

* {{Cite book |ref= harv|last= Kuck|first= David|title= Computers and Computations, Vol 1|year=1978|publisher= John Wiley & Sons, Inc.|isbn=978-0-471-02716-4|pages=12}}