Mi is az a mikroprocesszor?

(És a számítógép?)

Sokan tudják, hogy minden számítógép legfontosabb része a mikroprocesszor. Kevesen, hogy mire is képes ez az alkatrész, és szinte alig van olyan, aki azt is tudja, hogyan csinálja.

Elolvasva a következő írást, vázlataiban megismerhetjük a mikroprocesszorok képességeit és ezen keresztül a számítógépek belső működését, meggyőződhetünk róla, milyen nagyszerű alkotásai ezek az emberi elmének.

A számítógépeket sokáig csak matematikai számításokra használták. Manapság a számítógépek a számokon kívül nem csak szövegeket, hanem már hangokat, képeket és filmeket is kezelnek. Talán nem is gondolnánk, hogy amikor egy filmet nézünk otthoni számítógépünkön, a gép akkor is ugyanazokat az alapfeladatokat hajtja végre, mint a kevésbé látványos tudományos számításoknál. Valójában a számítógép mindkét esetben számokat kezel, számokkal dolgozik (,méghozzá kettes számrendszerbeli számokkal, de ezt most nem taglaljuk részletesen).

A számítógépekben a mikroprocesszor végzi a tulajdonképpeni munkát, de rajta kívül még sok nélkülözhetetlen alkatrész is szerephez jut. Érdemes néhány szót szólnunk a memóriákról és a háttértárolókról, amelyek számok tárolására szolgálnak. Annyiban különböznek egymástól, hogy a memória a számítógép kikapcsolása után elfelejti a benne tárolt számokat, a háttértároló pedig akkor is megőrzi.

Hogyan működnek a memóriák és a háttértárak? Ezt a következő ábra segítségével magyarázhatjuk:

Egyetlen memória általában több számot tud megjegyezni. (Az ábrán levő nyolcat.) A memória belsejében "memóriahelyek" vannak. Minden "helyre" egy szám kerülhet. A nagyobb memóriákban több "hely" van vagy nagyobb "helyek", amelyekben nagyobb számok férnek el. Persze a nagyobb memóriák általában drágábbak.

Ha meg akarjuk nézni, mi van a memória egyik "helyén", megadjuk neki a hely számát, mire a memória kiadja az ott tárolt számot.

Ha egy számot szeretnénk tárolni a memóriában, megadjuk neki, hogy melyik "helyen" tárolódjon a számunk, majd a tárolandó számot is, amit a memória elhelyez magában a kívánt "helyre". (Ha azon a "helyen" már volt egy másik szám, akkor az elveszik.)

A háttértárolók a memóriákhoz hasonlóan működnek, de általában sokkal több "helyük" van. Van olyan háttértároló, amelynek "helyeire" már előre be vannak rakva bizonyos számok, ezeket csak megnézni tudjuk, de módosítani nem (CD, DVD).

A számítógépek a felhasználóval, az emberrel is kapcsolatot tartanak. Kívánságunkat általában a billentyűzet és az egér segítségével közöljük a géppel. A választ a megjelenítőn (monitoron) és a hangszórókon kapjuk.

A billentyűzet egy billentyű megnyomásakor egy számot továbbít a számítógépbe. Minden billentyűnek más száma van, így a gép egyértelműen eldöntheti, melyik gombot nyomtuk le.

Az egér gombjai szintén számok. Az egér alján lévő golyó elfordulása két számot ad meg, az egyik a hosszanti, a másik a kereszt irányú elmozdulást jelenti. Az elmozdulást jelentő számokat a gép rendszeresen megnézi, és ezeknek megfelelően mozgatja a nyilat a képernyőn. Mivel ez gyorsan, illetve sűrűn megtörténik, úgy látjuk, mintha a nyíl a kezünkkel együtt mozogna. (Próbáljunk az egérrel gyorsan körözni és figyeljük a nyilat. Látni fogjuk, hogy a mozgás szakaszos.)

Tudjuk, hogy a monitoron (,mint a TV-n) a kép pontokból áll, közelről nézve ezek jól láthatóak. A számítógép a képernyő minden pontjának színét egy számként tárolja egy elegendően nagy memóriában. A memóriába bele kell férnie a képernyő minden pontjának. Van egy áramkör, amelyik sűrűn végignézi az összes pont számát és megcsinálja belőlük a képet. A számítógépnek csak a memóriában levő számokat kell változtatnia, és a kép is aszerint fog változni.

A számítógép munkavégzője, a mikroprocesszor kapcsolatban van a memóriákkal, háttértárolókkal, billentyűzettel, egérrel és egy memóriaáramkörön keresztül a monitorral is.

Számokat kezel. A következőket teheti meg:

      ·   Számokat mozgat; a memória egyik "helyéről" egy másikra; háttértárolóból egy memóriába, vagy vissza; a billentyűzetről és egérről érkező számokat a memóriába; a memóriából vagy háttértárolóból a monitorhoz tartozó memóriába;
      ·   Egy vagy két számmal matematikai vagy logikai műveletet végez; két szám összeadása, kivonása (esetleg szorzása); (a kettes számrendszerbeli számok logikai műveletei nem annyira közismertek: és-művelet, vagy-művelet, ellentét képzés…); (néhány különleges művelet számokkal: eltolás, forgatás, amelyeket nem tárgyalunk részletesen);
      ·   Felismeri a számok néhány jellegzetes tulajdonságát: páros-páratlan, nulla vagy negatív szám e az a bizonyos vizsgált szám;

Összeadjon? Kivonjon? Mozgasson? Honnan? Hová? Mit?

A program. A számítógépek program nélkül használhatatlanok. A program valójában szintén számokból áll, hiszen máskülönben a mikroprocesszor nem is tudná kezelni. Ezek a számok a mikroprocesszornak utasításokat jelentenek, amiket egymás után végrehajt. A program a memóriában vagy a háttértárolókon helyezkedhet el. A program számsorának számait a mikroprocesszor sorban megnézi és végrehajtja az általuk előírt utasításokat. Egy bizonyos szám jelenti az összeadást, egy a kivonást, egy a mozgatást a memória egy bizonyos "helyéről" a mikroprocesszorba, stb.

A számítógép bekapcsolása, beindulása. Az otthoni számítógépekben van egy kis háttértároló egység (BIOS), amibe a gyártó már beletett egy programot. Ez a program a gép beindulását segíti elő. Gépünk bekapcsolásakor monitorunkon láthatjuk ennek a programnak a visszajelzéseit, ahogy ellenőrzi a gép főbb elemeit, végignéz minden "memóriahelyet" (ez az a számlálás) és számbaveszi a gép különböző háttértárolóit. Ezek után megpróbál elindítani egy bizonyos, valamelyik háttértárolón található programot, ami manapság legtöbbünknél a Windows.

Nézzünk meg egy bonyolultnak tűnő, de valójában egyszerű számítógépműködést, a képlejátszást.

Egy film mozgóképe tudjuk, hogy képkockákból (állóképekből) áll. A TV adásnál másodpercenként 50 képkockát vetít ki a képernyő, így a mozgások szemünknek már folyamatosnak tűnnek.

Ezeket a képkockákat tárolhatjuk CD-n is. Egy 1 perces film tehát 60x50, azaz 3000 képkockát jelent. Természetesen egy CD-n csak számokat tárolhatunk. Minden képkocka összes képpontjának színét tárolnunk kell, hogy később visszakaphassuk a mozgóképet. A CD-n a képpontok színének megfelelő számokat a képpontok sorrendjében helyezzük el, így a leolvasás egyszerű, a következő szám mindig a következő képpont színét jelenti.

A Windowsban elindítjuk a médialejátszó programot és kiválasztjuk a CD-nken levő film lejátszását. A mikroprocesszor, a lejátszóprogram utasítására megad egy számot a CD olvasónak, amely az eltárolt 1. képpont "helyét" jelenti (mondjuk a bal felsőét). A CD olvasó visszaadja a beadott számnak megfelelő "helyen" tárolt számot, az 1. képpont színét. A mikroprocesszor ezt a kapott számot berakja a monitorhoz tartozó memóriába, a bal felső pont "helyére". Ehhez hasonlóan átkerül a következő pont színe, majd sorban az egész felső sor és a többi sor is ugyanígy. Ezután a monitoron már a CD-ről leolvasott kép jelenik meg. Persze ez a folyamat nagyon gyorsan történik meg és az egész képkockányi szám 1/50 másodperc alatt átvitelre kerül. Így egyetlen másodperc alatt 50 képkockányi számot mozgatunk meg.

Nézzünk meg egy általános feladatot, mondjuk a levélírást a Windows szövegszerkesztő programjával.

Indítsuk el a programot. A szövegszerkesztő program elindulásakor a mikroprocesszor olyan utasításokat kap, melyeknek hatására az egyes betűk képének megfelelő számsorok a háttértárolóról a memória bizonyos "helyeire" kerülnek át. Tehát a betűk a memóriában vannak. A program hatására a mikroprocesszor a képernyő pontjainak színét egyesével fehérre állítja át. Megjelenik a fehér képernyő, amely a papírunknak felel meg. Egy billentyű lenyomásakor a billentyűzet egy számot küld a mikroprocesszorba, amelyből a lenyomott billentyű felismerhető. A mikroprocesszor, a program utasításainak megfelelően megvizsgálja ezt a számot, amiből megkapja, hogy melyik "memóriahelyen" van az a betűkép, amelyet a monitorhoz tartozó memóriába kell töltenie. Megtörténik a betűkép (,ami egy csapat szám) átvitele és megjelenik a betű fekete képe a fehér lapon. Ez a folyamat minden betű esetében megismétlődik.

1971. Az első mikroprocesszor ekkor készült el az Intel cégnél. Természetesen számítógépek már ez előtt is működtek (köszönhetően Neumann János munkásságának is), de a mikroprocesszorok feladatait még számos különálló nagyméretű áramkör oldotta meg sokkal lassabban és drágábban. A mikroprocesszor valójában egy apró alkatrész, amely mára már szinte elképzelhetetlenül bonyolult belső felépítésűvé vált. A fejlettebbek már 1.000.000.000 apró építőelemből (tranzisztor) állnak, 1.000.000.000-nál több utasítást képesek végrehajtani másodpercenként és a tömeggyártás miatt nagyon olcsóak. A mikroprocesszor kifejlesztése tette lehetővé, olcsó volta miatt, hogy manapság a fejlett országokban már szinte minden háztartásban előfordulnak személyi számítógépek.

A mai mikroprocesszorok néhány különleges tulajdonsága:

      ·   Együttdolgozási képesség más mikroprocesszorokkal, ami azt jelenti, hogy a beépített mikroprocesszorok számának növelésével növelhetjük a számítógépünk teljesítményét. Erre nem minden mikroprocesszor alkalmas.
      ·   A mai mikroprocesszorok többsége már egyszerre több utasítás végrehajtásán is tud dolgozni, amivel szintén nő a számítógép sebessége.
      ·   A fejlődésük során a mikroprocesszorok egyre nagyobb számokat tudtak kezelni. Az 1971-ben elkészült első mikroprocesszor még csak a 0-16-ig terjedő számokat kezelhette. A nagyobb számokat a számítógép programjának kellett különleges megoldásokkal feldolgoznia. Mostanság a legújabb processzorok már a 0-18.446.744.073.709.551.616-ig (kettő a hatvannegyediken) terjedő számokat is egyben tudják kezelni. (Ezt a tulajdonságot a mikroprocesszor bitszáma adja meg. Mostanában 8-bites, 16-bites, 32-bites és 64-bites mikroprocesszorokat használnak. A 64-bites mikroprocesszor nullától kettő a hatvannegyediken-ig tudja a számokat kezelni.)

  Tudomány és Technika (test@t-es-t.hu)

Vissza az oldal elejére