2.2.1 Centralna procesna enota

     Centralna procesna enota - CPE (ang.: Central Process Unit - CPU) je eden najpomembnejših delov računalnika; predstavlja neke vrste »srce in živčni center« računalnika, saj nadzira in vodi vse funkcije v njem. Že samo ime pove, da je:

Glavna funkcija centralno procesne enote (procesorja - slika 64) je izvajanje zaporedja ukazov, ki jim pravimo program. Ta program je sestavljen iz zaporedja števil, ki so shranjena v računalniškem pomnilniku. Pri izvajanju posameznega ukaza se izvajajo naslednji koraki: pridobitev ukaza, dekodiranje ukaza, priprava parametrov (podatkov), izvedba ukaza in zapis oz. shranjevanje rezultata.

Zmogljivost oz. hitrost procesorja je odvisna od frekvence oziroma delovnega takta. Procesorjevo zmogljivost lahko povečamo z uporabo večjedrnih procesorjev, kar v bistvu pomeni vklapljanje dveh ali več posameznih procesorjev (imenovanih »jedro«) v eno povezano integrirano vezje.  Večjedrne procesorje so razvili zato, da so omogočili možnost opravljanja več opravil (niti) hkrati brez večjih težav (npr. zmrzovanja, zakasnitve, ponovnega zagona itd.), kar v bistvu omogoča pravo paralelno procesiranje.  Teoretično naj bi bil večjedrni sistem od enojedrnega hitrejši za faktor, enak številu procesorskih jeder. Trenutno (leto 2017) so najbolj prodajani šest in osem jedrni procesorji, obstajajo pa že 16 (npr. Intel Core i9 X serija), 32 in več jedrni procesorji, vendar so trenutno še redki. 

     Centralna procesna enota ali procesor sestoji iz aritmetično logične enote,  kontrolne enote in registrov (Von Neumanov model - slika 66).

     Aritmetično - logična enota (ang. Arithmetic and Logic Unit - ALU) opravlja vse aritmetične in logične operacije nad podatki, ki jih zahtevajo programski ukazi. Osnova za to so logična vrata kot preprosta elektronska vezja, ki zmorejo opravljati logične odločitve in primerjave. Poznamo osnovne tri vrste logičnih vrat: IN, ALI in NE. Njihove principe lahko zelo nazorno prikažemo z žarnico in stikali (slika 67). V primeru vrat IN bo žarnica svetila, če bosta vklopljeni obe stikali, v primeru vrat ALI pa bo svetila, če bo vklopljeno stikalo 1 ali 2, in tako dalje. Logična vrata lahko tudi združujemo (npr. NAND združuje NE in IN, NOR združuje NE in ALI itd.); s tem opišemo le zapletenejše probleme. Seveda si vsega tega ne bomo podrobneje ogledali, ampak se le vprašajmo, iz katerih elementov so logične enote zgrajene. Osnovni element je tranzistor, ki predstavlja v ustreznem spoju električno kontrolirano stikalo. Tako z dvema tranzistorjema (slika 67) naredimo logična vrata, z združevanjem več vrat pa zapletenejša preklopno - logična vrata, ki jih združujemo v integrirana vezja. Sodobnejša integrirana vezja vsebujejo več deset in sto tisoče logičnih vrat IN, ALI in NE ter njihove kombinacije.

Oglejmo si potek določenih logičnih oziroma aritmetičnih operacij v računalniških vezjih. Za zgled vzemimo vrata IN (slika 68) in si s t.i. pravilnostno tabelo ponazorimo odvisnost logičnih izhodov od vhodov. Potrebujemo torej dve stikali in žarnico (vhodni in izhodni pogoj). Kot je razvidno iz pravilnostne tabele, bo žarnica svetila (DA oz. 1) le, če bosta obe stikali vklopljeni. Vezje IN, narejeno iz dveh tranzistorjev, bo imelo na izhodu pozitivno napetost, če bo le-ta tudi na obeh vhodih. V vsakem drugem primeru bo izhodna napetost nič. Podobno delujejo tudi druga logična vrata in njihove kombinacije. Vrata ALI dajo npr. na izhodu pozitivno napetost, če je vsaj en vhod na tej napetosti, vezje NE pa nasprotno napetost, kot je na vhodu. Na ta način dobimo želene izhode glede na vhodne količine.

Z dvojiškimi števili 0 in 1 in s preprostimi logičnimi vrati ter njihovimi kombinacijami lahko torej izvajamo preproste računske in logične operacije. Takšna vezja imenujemo seštevalniki. Sodobni računalniki vsebujejo množico seštevalnih vezij, združenih v aritmetično - logično enoto, v kateri so vsa logična vrata in seštevalniki kombinacija le-teh. Vse operacije, ki jih mora opraviti računalnik, se prevedejo na zaporedje enostavnih logičnih operacij, kot npr. seštevanje dveh števil itd.

Operacije v aritmetično - logični enoti tečejo izredno hitro, v velikostnem redu mikrosekunde pa še hitreje. Njeno hitrost merimo v mipsih - milijonih operacij, ki jih enota lahko opravi v sekundi.

     V centralni procesni enoti je tudi vsaj nekaj registrov, posebnih »predalov«, ki lahko shranijo po eno besedo informacije. Rabijo za vmesno shranjevanje podatkov in internih operacij; če npr. procesor sešteva dve števili, shrani najprej prvo v določen register, nato pa mu prišteje drugo število. Dobljeni rezultat prikaže na zaslonu, ga shrani ali zadrži v registru, da ga lahko uporabi pri nadaljnji obdelavi. Število in dolžina registrov sta pri različnih CPE različna.

     Kontrolna - krmilne enota (slika 69) je prav tako zelo pomemben del CPE, saj skrbi za pretok podatkov in ukazov po vodilih iz pomnilnika v procesor in obratno. Je torej specialno vezje, ki vodi delovanje CPE v skladu z navodili, ki prejme iz pomnilnika. Ta enota torej sprejema vsak posamezen programski ukaz, ga prepozna in poskrbi za njegovo izvajanje; zatem sprejme naslednji ukaz in tako naprej, dokler je še kaj ukazov. Krmilna enota organizira tudi vnašanje podatkov, potrebnih programu, preko vhodne enote in izpisovanje rezultatov na izhodni enoti itd. Če torej povedano povzamemo, je naloga krmilne enote da krmili, nadzoruje in usklajuje delovanje vseh enot računalnika, organizira prenos podatkov, razpoznava in analizira ukaze ter skrbi za pravilno izvajanje ukazov.

     Na tem mestu kaže omeniti tudi  Moorov zakon (slika 70), ki pravi, da se zmogljivost procesorjev podvoji vsakih 18 do 24 mesecev. Ta trditev se je do sedaj izkazala za zelo točno. Kmalu pa temu ne bo več tako, saj bodo silicijevi polprevodniški elementi kmalu dosegli skrajno fizično mejo, kar posledično pomeni, da tako hitro povečevanje zmogljivosti procesorjev ne bo več mogoče. Zaradi omejitve, ki jo predstavlja silicij, znanstveniki vse bolj mrzlično iščejo njegov nadomestek in kot kaže, so ga že našli v mineralu, ki je nam zelo blizu - v magnetu oz. nanomagnetu. Nanomagneti naj bi bili povsem pisani na kožo procesorjem, saj ti lahko učinkovito procesirajo digitalne informacije in imajo od 1.000- do 10.000-krat manjše odvajanje toplote od običajnih tranzistorjev. In to še ni vse. Ti procesorji naj bi bili zmožni pridobivati energijo za delovanje kar neposredno iz okolice. To pomeni, da bi lahko delovali brez dodatnega vira napajanja. Takšni procesorji naj bi se sprva uporabljali v medicinskih napravah, ki se jih vgrajuje znotraj teles pacientov, saj je zamenjava napajalnih elementov lahko težak in rizičen proces. No, nadaljnji razvoj bo pokazal še mnogotera koristna področja njihove uporabe.