Processorn

Processorn är den viktigaste delen av en dator, då det är den som utför majoriteten av alla beräkningar. Den kallas även CPU från engelskans Central Processing Unit. Detta kapitel förklarar hur processorn fungerar och visar vad som skiljer mellan olika modeller.

Processorn anses vara datorns motsvarighet till människans hjärna. Till skillnad från våra hjärnor som alla fungerar på liknande sätt, finns det flera olika typer av processorer. Om vi människor blir instruerade att addera två äpplen med tre äpplen förstår vi att det blir fem äpplen. Vissa processorer skiljer sig däremot så fundamentalt att de måste bli instruerade på helt olika sätt för att ”begripa” vad de ska göra. Mjukvarorna måste således också anpassas för vilken typ av processor de ska instruera. Processorerna delas därför upp i olika grupper utifrån vilken så kallad arkitektur de bygger på. Exempel på sådana är X86 och ARM.

X86
X86 (även känd som i386, X86-32 och IA-32) är arkitekturen som används i nästan alla traditionella stationära och bärbara datorer. Det är nämligen den arkitekturen som Windows och macOS är gjord för att köras på. Namnet X86 kommer från några av Intels första processorer som kallades 286, 386 och 486. När de fasades ut fick begreppet X86 ändå bli kvar som ett de facto-namn för arkitekturen.

Idag finns endast två stora tillverkare av X86-processorer: Intel och AMD. De har med tiden utvecklat X86-arkitekturen, vilken på så sätt har fått allt fler funktioner. Bakåtkompatibiliteten har dock upprätthållits i väldigt stor utsträckning.

Det enskilt största utvecklingssteget av arkitekturen var när den bytte från att vara 32-bitarsbaserad till 64-bitarsbaserad. Till och med då upprätthölls kompatibiliteten, så att de moderna 64-bitarsbaserade processorerna även kunde köra gamla 32-bitarsmjukvaror.

När X86 blev 64-bitarsbaserad bytte arkitekturen mer eller mindre namn till X86-64. Det namnet har sedermera förkortats ned till bara X64, vilket har orsakat viss förvirring. X86 syftar alltså på 32-bitarsversionen medan X64 syftar på 64-bitarsversionen.

ARM
Mobiler och surfplattor använder vanligtvis ARM-processorer (Advanced RISC Machine) eftersom sådana är mycket strömsnåla och ger bra batteritid. iOS och Android är exempel på operativsystem som är gjorda för ARM-arkitekturen, även om Android även förekommer i en X86-version.

ARM kan även användas i traditionella datorer. Skrivbordsversionen av Windows kunde tidigare endast köras på X86-processorer, men våren 2017 presenterade Microsoft en stor nyhet. Genom att använda en emulator, inbyggd i operativsystemet, kan numera skrivbordsversionen av Windows även köras ARM-processorer. Det öppnar potentiellt för billigare, kompaktare och mer strömsnåla datorer.

Även Apple har sedan 2020 och intoduktionen av deras Apple M1-processor även börjat använda ARM i deras renodlade datorer såsom Mac Mini, Macbook Air och Macbook Pro. Apple M1-processorn hittade även in i Apple's iPad Pro-serie samma år.

ARM finns likt X86 i både 32- och 64-bitarsversioner. Den senaste 32-bitarsversionen av ARM kallas ARM v7 och den nya 64-bitarsversionen kallas ARM v8. Se mobilsektionen för mer information om detta.

X86 eller ARM?

X86 har historiskt sett varit en strömhungrig prestandaarkitektur. ARM har tvärt­emot varit en strömsnål och förhållandevis klen arkitektur. Det är därför som de två arkitekturerna har använts i helt olika typer av processorer. Nu börjar det dock ske förändringar. Surfplattor och mobiler tar över en allt större andel av den totala datormarknaden. Eftersom X86-producenterna inte vill tappa omsättning har de i stor utsträckning bytt utvecklingsfokus från att göra sina processorer snabbare till att göra dem strömsnålare. ARM-producenterna har samtidigt gått i motsatt riktning och gjort sina senaste processorer till riktiga prestandamonster. Flera Chromebook-tillverkare (däribland Samsung och HP) har börjat välja sådana processorer till sina bärbara datorer som kör Chrome OS.

Sedan 2020 använder även Apple ARM i sina datorer med deras M1-serie av processorer, fördelarna över de x86-processorer som användes tidigare är mycket högre energieffektivitet och således längre batteritider, samtidigt som de bibehåller eller till och med ökar prestandan mot tidigare modeller.

Arkitektursammanställning

Egenskapen som framhävs mest för en dators processor är dess klockfrekvens. Klockfrekvensen mäts i hertz (Hz) och anger hur många klockcykler per sekund som processorn hinner med. 2,0 GHz innebär två miljarder klockcykler per sekund. Säg att en processor har klockfrekvensen 2,0 GHz och kan göra en beräkning per klockcykel. Det innebär att den hinner med två miljarder beräkningar per sekund. En liknande processor med klockfrekvensen 3,0 GHz hinner med ytterligare en miljard beräkningar varje sekund.

Under nittiotalet ökade processorernas klockfrekvenser successivt, vilket gjorde att de blev allt snabbare. Klockfrekvenser gick från att mätas i megahertz till gigahertz. Runt millennieskiftet var de hetaste datorerna var utrustade med 3,2 GHz-processorer. Dessa datorer var inte bara ”heta” i vardagligt tal utan även fysiskt. Den höga klockfrekvensen gjorde att processorerna drog mycket ström och genererade mycket värme.

För att kunna fortsätta utvecklingen var processortillverkarna tvungna att hitta andra lösningar än att enkomt höja klockfrekvensen. De bytte därför fokus till att i stället effektivisera processorn, så att den kunde utföra så mycket som möjligt under en och samma klockcykel. Det gjorde att dagens processorer har betydligt högre prestanda än sina föregångare, även om de har lägre klockfrekvenser.

Klockfrekvensen är numera missvisande då den inte berättar något om hur effektivt processorn arbetar utan endast hur snabbt. En äldre processor kan ibland behöva flera klockcykler för att utföra ett jobb, medan en modern modell kan utföra samma jobb under en enda. En rättvis prestandajämförelse mellan två processorer utifrån deras klockfrekvenser kan därför endast göras om de är av samma modell och generation.

I jämförelsen ovan (mellan två Core i7-processorer) vinner modellen Core i7 7700K. Eftersom processorerna är nästan identiska och är av samma generation kan klockfrekvensen användas för att se vilken modell som vinner.

Om samma jämförelse skulle göras mellan Core i5-processorn 6600K från 2015 och Pentium 4-processorn 570J från 2004, hade resultatet däremot sett annorlunda ut. Visserligen har Pentium 4-processorn en högre klockfrekvens men Core i5-processorn vinner ändå med hästlängder.

En processor behöver ibland behandla samma data flera gånger. I stället för att hämta informa­tionen från RAM-minnet varje gång, kan de nästkommande instruktionerna ligga i processorns eget minne. Mängden cache-minne har stor inverkan på datorns ­prestanda, då ett stort cache-minne minskar antalet gånger som processorn behöver läsa från RAM-minnet.

Processorn har dessutom flera olika lager av cache-minne. De brukar benämnas L1, L2 och L3 (det är inte alla processorer som har alla lager). Skillnaden mellan dem ligger i storlek och åtkomsttid. Om det inte står vilket lager av minne som specificeras är det oftast L2- eller L3-cachen det handlar om eftersom L1-cachen alltid är liten.

Det vore prestandaeffektivt att använda mycket cache-minne i stället för RAM-minne, men det hade blivit orimligt dyrt. Det är därför endast premiumprocessorerna som utrustas med extra mycket cache­-minne och det ger en tydlig avspegling på priset.

Kärnan (eng. core) är den del i processorn som utför beräkningarna. Förr i tiden användes enkärniga processorer som endast kunde utföra en beräkning åt gången. Det gjorde att köer uppstod när många processer var igång samtidigt. Ett bekant problem var när exempelvis musikspelaren kördes samtidigt som ett annat krävande program. Musiken kunde då hacka till eller stanna av när processorn utsattes för hög belastning från det andra programmet.

Intel hittade en lösning på problemet med köbildningen: multi-threading (även kallat hyper-treading). När en processor med multi-threading väntade på information från minnet kunde den beräkna något annat undertiden och på så sätt varva ­uppgifterna. En processor med multi-threading-teknik blev därför snabbare vid hög belastning än en vanlig processor som saknade tekniken.

En processor med multi-threading-tekniken simulerade på detta vis två kärnor. Den ”lurade” operativsystemet att tro att den hade två kärnor som kunde dela på uppgifterna. Riktigt så bra var det inte eftersom det i slutänden ändå var en kärna som utförde jobben. Nästa steg i utvecklingen blev att addera fler riktiga kärnor, så att processorerna kunde uppnå ännu större prestandavinster.

En nackdel med användandet av flerkärniga processorer är att programmen måste ­anpassas för att kunna dra nytta av alla kärnor. Det är än så länge långt ifrån alla ­program som är bra på det.

Aktivitetshanteraren visar att den aktuella datorn har fyra kärnor.

På nyare prestandaprocessorer har Intel och AMD byggt in multi-threading-tekniken i alla kärnor. Med den kan till exempel åtta kärnor simuleras på en fyrkärnig processor. Detta beskrivs som att processorn har fyra kärnor och åtta trådar eller åtta logiska kärnor.

Aktivitetshanteraren visar att den aktuella datorn har åtta kärnor (egentligen fyra kärnor med multi-threading-teknik).

Här följer en översikt över namnen som brukar användas för processorer med olika antal kärnor:

Turbo Boost är en teknik som Intel har implementerat i flera av sina Core-processorer. Tekniken går ut på att ge extra kraft till processorn när den behöver det som mest. När datorn arbetar extra hårt kan processorns alla kärnor få en liten ”Turbo Boost” för att utföra jobbet.

Om det inte är alla kärnor som arbetar hårt utan bara några av dem kan Turbo Boost-funktionen hjälpa dem individuellt också. Turbo Boost är därmed en mycket användbar teknik för att snabba upp program som inte är optimerade för flerkärniga processorer.

AMD har två motsvarande tekniker vid namn Turbo Core och Precision Boost. Precision Boost ­används i AMD:s Ryzen-serie. Vissa AMD-processorer har även stöd för XFR (Extended Frequency Range) som kan höja frekvensen ytterligare om processorn kan hålla en relativt låg temperatur (d.v.s. om en bra kyllösning används).

För att göra det enkelt för konsumenter att välja processor har både Intel och AMD satt marknadsnamn på sina processorer. Marknadsnamnen avslöjar egentligen mycket lite om tekniken i processorerna. De är snarare ett sätt att beskriva processorernas ­tidsenliga prestanda.

Till exempel har dagens Pentium-processorer få likheter med fem år gamla modeller med samma namn. Dagens Pentium-modeller är avskalade Core i5-processorer med bland annat lägre klockfrekvenser och mindre cache-minnen. Pentium-modellerna från 2009 var avskalade Core 2-processorer, vilket var den tidens motsvarigheter till dagens Core i5-modeller. Det innebär att tekniken i Pentium-processorerna har förändrats med tiden så att de har behållit sin relativa prestandanivå på marknaden.

För kontorsdatorer används marknadsnamnen Celeron och Pentium. Båda dessa modell­serier är idag två- eller fyrkärniga och bygger på modern teknik. Det gör att en modern Celeron­-processor med låg klock­frekvens gör datorn snabbare än en gammal Pentium 4-processor med hög klockfrekvens. Celeron-modellerna har dessutom fått ett rejält uppsving tack vare den ökade försäljningen av Chromebook-datorer (läs mer om Chrome OS). I sådana datorer är Celeron en av de vanligaste processorerna och ger ofta något högre prestanda än ARM-alternativen.

Pentium-modellerna ligger snäppet ovanför Celeron-modellerna och de ger bra ­prestanda för kraftfulla kontorsdatorer, enklare mediadatorer och 2-i-1-datorer.

Intels processorer för kontorsdatorer 2018.

Ovanför Celeron- och Pentium-processorerna finns Core-familjen med fler och snabbare processorkärnor samt bättre integrerade grafikkretsar. I Core-familjen finns Core i3, Core i5, Core i7 och den nytillkomna Core i9. Core i3-processorerna är insteg till de lite kraftfullare datorerna, medan Core i5-processorerna är "mainstreammodellerna" bland prestandadatorer idag. Core i5-processorer är lämpliga för hem­videoredigering, vanlig gaming med mera.

Core i7-­processorerna rekommenderas till användare med mycket höga prestandakrav (t.ex. för avancerad videoredigering, animering och gaming). Core i7 intels näst högsta prestandanivå och lämpar sig för allt man kan tänkas göra på dator som hemanvändare.

Intels Core i3, i5 och i7 för 2018.

Core i9 är de högst presterande processorerna som Intel erbjuder för konsumenter. Core i9-processorerna är lämpliga för dem som har extremt höga prestandakrav med flera tunga applikationer igång samtidigt.

Core i9-processorerna har mellan 10 och 18 kärnor.

Intel har tagit fram en processortyp vid namn Core M för att besvara efterfrågan på riktigt lång batteritid i bärbara datorer. Core M-processorerna baseras på samma mikro­arkitekturer som övriga Core-processorer, men de är rejält underklockade. De kör i grundläget med en låg klockfrekvens på runt 1 GHz för att hålla nere strömförbrukningen. Tack vare stöd för Turbo Boost-frekvenser på uppemot 3 GHz kan de ändå leverera god prestanda när det behövs.

Från och med Skylake-arkitekturen använder Core M-serien liknande marknadsnamn som Core i-processorerna för att beskriva relativ prestanda inom familjen. Core m7 är den kraftfullaste M-processorn följt av Core m5 och Core m3.

Grundmodellen av Apples 12” Macbook med Retina skärm från 2017 kör en Core m3-processor på 1,2 GHz med Turbo Boost-stöd för upp till 3,0 GHz. Bildkälla: Apples pressarkiv.

Det är inte rättvist att jämföra Core M-processorernas marknadsförda klockfrekvenser med övriga Core-processorers motsvarigheter. Core M-processorerna har mycket större skillnad mellan grundfrekvens och turbofrekvens än övriga Core-processorer.

Intels Core m3-processorer för 2018.

Intel Atom fick sin första storhetstid runt 2008 när Netbook-datorerna var populära. Netbook-datorer var lågt prissatta bärbara datorer med små skärmar och bra batteritid som främst var avsedda för att surfa på internet. Efter Netbook-datorernas uttåg försökte Intel rikta in Atom mot mobil- och surfplattemarknaden, något som aldrig gav genomslaget de hade hoppades på. Atom används idag i liten utsträckning. 

Ett stort RAM-minne gör att datorns prestanda ökar och att den upplevs snabbare. Samtidigt ökar programmens behov av RAM-minne för varje år som går. Det ställer till problem för gamla datorer som kör så kallade 32-bitarssystem, eftersom de inte kan ha mer än 4 GB RAM-minne. Läs mer om denna begränsning i Behovet av stort RAM-minne. För att komma runt begränsningen introducerades 64-bitarssystem. I en 64-bitarsdator med Windows 10 kan RAM-minnet vara 2 TB stort (128 GB i Home-versionen). Macen med mest RAM-minne som säljs hösten 2017 är utrustad med 128 GB RAM-minne.

För att en dator ska kunna köra ett 64-bitarssystem krävs följande:

• en 64-bitarsprocessor
• ett 64-bitarsoperativsystem
• 64-bitarsdrivrutiner för all ansluten hårdvara.

Det är lätt att undersöka om ens Windows-dator kör ett 32-bitars- eller 64-bitarssystem. I Windows 7, 8 och 10 räcker det med att högerklicka på Den här datorn i Utforskaren och välja Egenskaper. Det går även att nå sidan genom att trycka Windows-knappen och Pause/break-tangenten.

Dagens Windows-datorer kör i princip alltid 64-bitarsoperativsystem. För tio år sedan var det betydligt ovanligare eftersom 64-bitarsrelaterade kompatibilitetsproblem då var vanligt förekommande. Grundregeln säger att i ett 64-bitarssystem går det att köra både 64-bitars­program och 32-bitarsprogram. Det finns dock vissa undantag, framför­allt när det gäller drivrutiner. De måste vara skrivna för 64-bitarssystem för att fungera i sådana.

Vid manuell installation av en drivrutin brukar användaren få välja mellan två olika versioner, beroende på om drivrutinen ska installeras på ett 32-bitarssystem eller ett 64-bitarssytem. Drivrutinerna för 32-bitars­system brukar vara märkta 32-bit, x86 eller i386, medan 64-bitarsdrivrutinerna brukar vara märkta 64-bit, x64 eller x86-64.

Vissa tillägg (plug-ins) kan också ha problem med 64-bitarssystem. Exempelvis kan inte 64-bitarsversioner av webbläsare använda 32-bitarstillägg. Samma sak gäller 32-bitarstillägg till 64-bitarsversionerna av Microsoft Office. Som tur är går det att installera 32-bitarsversioner av de nämnda programmen på 64-bitarsystem, vilket i sin tur gör det möjligt att använda 32-bitarstillägg.

Det råder inga tvivel om att det är 64-bitarssystem som kommer att användas i fram­tiden. Adobes populära program Premiere Pro och After Effects har redan 64-bitarssystem som ett krav.

Apple var sena med att lansera 64-bitarsstöd i macOS. Det kom först i macOS 10.6 (Snow Leopard) som lanserades 2009. Därefter gick 64-bitarsövergången desto ­snabbare. Sedan macOS 10.8 (Mountain Lion) som lanserades 2012 är macOS ett rent 64-bitarsoperativsystem (det finns ingen 32-bitarsversion). Likt Windows går det fortfarande att köra 32-bitarsapplikationer i macOS även om själva operativsystemet är 64-bitarsbaserat.