M2 H3 - Werking van een CPU

• Informatica
• Middelbare school
• havo, vwo
• Leerjaar 4

Fundament informatica

Module 2, Hoofdstuk 3

De werking van een CPU

Leerdoel

Aan het eind van deze les kan je in je eigen woorden omschrijven hoe een CPU werkt, hoe de snelheid van een CPU wordt bepaald en welke instructies een CPU kan uitvoeren.

Wat is ook alweer het doel van een CPU (processor)?

En met welke getallen rekent
een CPU ook alweer?

Wat is onmisbaar voor een CPU?

1. harde schijf
2. intern geheugen
3. PCI-kaart

Doel van een CPU

De Central Processing Unit (CPU) is het hart van een computer. Het bestuurt het hele computersysteem. 

Je kan de CPU splitsen in een besturingsorgaan en een rekenorgaan.

Kern van een CPU

Een CPU bestaat uit één of meerdere kernen. Iedere kern kan instructies verwerken. Hierdoor kan een CPU meerdere taken tegelijk uitvoeren. 

Een computer wordt alleen maar sneller als het meer kernen heeft als het programma dat wordt uitgevoerd ook overweg kan met meerdere kernen!

Snelheid van een CPU

De snelheid van een CPU wordt bepaald door twee aspecten:

verwerkingssnelheid

kloksnelheid

Verwerkingssnelheid CPU

De verwerkingssnelheid heeft betrekking op de hoeveelheid instructies die een computer in één seconde kan verwerken.

Kloksnelheid van een CPU

Een vast aantal maal per seconde wordt er een pulse aan de CPU gegeven om alle verwerkingsstappen synchroon te laten lopen. Als de kloksnelheid van een CPU 3 GHz is, dan geeft deze

3.000.000.000 pulsen per seconde!

Dus....

De verwerkingssnelheid is iets anders dan de kloksnelheid. Voor het uitvoeren van een instructie zijn namelijk vaak meerdere pulsen van de klok nodig.

Welke bewerking is het snelste?

1. De CPU schrijft gegevens tijdelijk naar de harde schijf
2. De CPU schrijft gegevens tijdelijk naar het intern geheugen
3. De CPU schrijft gegevens tijdelijk naar een USB-stick

Nog sneller geheugen...

Het intern geheugen is dus geheugen wat de CPU snel kan aanspreken. Maar het kan nog sneller, namelijk met geheugen in de CPU zelf. Dit geheugen wordt cache geheugen genoemd. Dit geheugen is echter een stuk duurder dan intern geheugen.

Je gaat een nieuwe CPU aanschaffen. Deze moet zo snel mogelijk zijn in het verwerken van gegevens. Waar let je op (2 antwoorden zijn goed)?

1. Hoe snel het intern geheugen is dat in de computer zit
2. Wat is de kloksnelheid van de CPU
3. Hoeveel cache geheugen de CPU heeft
4. Hoe groot het intern geheugen is dat in de computer zit

CPU sneller maken: pipelining

Tot slot kan een CPU nog sneller werken door instructies bijvoorbeeld op te delen in deelinstructies die elk in één klokpulse uitgevoerd kunnen worden. Deze techniek wordt pipelining genoemd.

CPU sneller maken: branch prediction

Als een instructie in de ene pipeline stage moet wachten op de uitkomst van een andere pipeline stage, dan is pipelining niet zo effectief. Met branch prediction wordt dit voorkomen, doordat de CPU alvast 'bedenkt' welke instructie er volgt op de vorige instructie.

Instructiecyclus CPU

• De uit te voeren instructie wordt opgezocht in het intern
   geheugen
• De eerst volgende instructie wordt aangewezen
• De instructie uit het instructieregister wordt geanalyseerd
• De instructie uit het instructieregister wordt uitgevoerd
• Het resultaat van de instructie wordt opgeslagen

Instructiecyclus CPU

Als er vier pipeline stages zijn dan is de CPU op een gegeven moment met vier instructies tegelijkertijd bezig. Een probleem kan ontstaan als bijvoorbeeld instructie 7 afhankelijk is van het resultaat van instructie 4. Met branch prediction wordt geprobeerd zoveel mogelijk te voorkomen dat de CPU onnodig aan een instructie begint.

Simulatie van een CPU

Wil je zelf eens wat meer weten over hoe een CPU nu precies werkt? Ga dan naar de website http://www.visual6502.org/JSSim/index.html. Hier kan je de werking van een CPU nader bestuderen.

Goed of fout.
Hoe meer kernen een CPU heeft, hoe sneller deze is.

1. GOED
2. FOUT

Goed of fout.
De verwerkingssnelheid van een CPU geeft aan hoeveel pulsen er per seconde worden gegevens aan de CPU om de verwerkingsstappen synchroon te laten verlopen.

1. GOED
2. FOUT

Goed of fout.
Met pipelining wordt de CPU sneller gemaakt door instructies op te delen in deelinstructies.

1. GOED
2. FOUT

Goed of fout.
Bij branch prediction denkt de CPU vooruit.

1. GOED
2. FOUT

Wat heb je geleerd deze les?