تاريخچه و بررسي cpu
پنج شنبه 15 مهر 1389 9:19 AM
تاریخچه cpu؟
تاريخچه مختصري از ريزپردازنده ها :
ريزپردازنده، پتانسيل های اساسی برای انجام محاسبات و عمليات مورد نظر در يک کامپيوتر را فراهم می نمايد. ريزپردازنده از لحاظ فيزيکی يک تراشه است. اولين ريزپردازنده در سال 1971 و با نام Intel 4004 معرفی گرديد. ريزپردازنده فوق چندان قدرتمند نبود و صرفا" قادر به انجام عمليات جمع و تفريق چهار بيتی بود. نکته مثبت پردازنده فوق، استفاده از يک تراشه بود. قبل از آن مهندسين و طراحان کامپيوتر از چندين تراشه برای توليد CPU استفاده می کردند.
اولين ريزپردازنده ای که بر روی يک کامپيوتر خانگی نصب گرديد، 8080 بود. پردازنده فوق هشت بيتی و بر روی يک تراشه قرار داشت. اين ريزپردازنده در سال 1974 به بازار عرضه گرديد. اولين ریزپردازنده ای که باعث تحولات اساسی در دنيای کامپيوتر شد، 8088 بود. ريزپردازنده فوق در سال 1979 توسط شرکت IBM طراحی و اولين نمونه آن در سال 1982 عرضه گرديد.
وضعيت توليد ريزپردازنده توسط شرکت های توليد کننده بسرعت رشد کرده و مثلا ریزپردازنده های شرکت اینتل از مدل 8088 به 80286، 80386، 80486، پنتيوم، پنتيوم II، پنتيوم III و پنتيوم 4 رسيده است. ریزردازنده های پنتيوم 4 در مقايسه با ریزپردازنده 8088 عمليات مربوطه را با سرعتی به ميزان 5000 بار سريعتر انجام می دهد.
cpu چیست؟
پردازنده یا واحد پردازنده مرکزی (CPU) اصلی ترین بخش کامپیوتر است . این قطعه وظایف مهمی از قبیل عملکرد های ریاضی ، منطقی ، مقایسه ای و محاسبه های مربوط به آدرس دهی در کامپیوتر را به عهده دارد . CPU مهم ترین تراشه بر روی برد اصلی هر کامپیوتر می باشد و آن مدیریت کلیه مراحل پردازش داده ها را به عهده دارد . این قطعه به صورت مستقیم و یا غیر مسقیم سایر قطعات روی برد اصلی و سایر قسمتهای کامپیوتر را نظارت و مقداردهی می کند . پردازنده ها هر چند دارای ابعاد فیزیکی بسیار کوچکی هستند ولی از ابتدایی ترین آنها که از 29000 ترانزیستور تا انواع پیشرفته آنها که 7/5 میلیون ترانزیستور می باشد ، ابعاد فیزیکی آنها بسیار محدود و در حد 2 تا 3 اینچ مربع می باشند .
مشخصه با اهمیت ریز پردازنده ها عبارتند از :
× . سرعت .
× . پهنای گذرگاه داده .
× . پهنای گذرگاه آدرس .
× . ماکزیمم حافظه .
علاوه بر این مشخصه ها تعداد ترانزیستور با کار گرفته شده ، cache داخلی ، پهنای پالس ، اندازه رجیستر های داخلی در پردازنده ها از اهمیت ویژه ای برخوردار هستند . همه پردازنده ها سه عمل اساسی را انجام می دهند :
× . انتقال اطلاعات
× . حساب و منطق
× . تصمیم گیری
مهمترین خصوصیات ویژه یک ریزپردازنده:
1-3-3-2 نام شرکت سازنده .
2-3-3-2 نسل پردازنده .
3-3-3-2 مدل و نوع پردازنده .
4-3-3-2 سرعت پردازنده (MHZ ) .
5-3-3-2 ولتاژ مورد نیاز پردازنده .
در ادامه به توضیح برخی از این مشخصه ها می پردازیم :
1-3-3-2 نام شرکت سازنده پردازنده:
پردازنده ها توسط شرکت های مختلفی ساخته و ارائه شده اند.
نام شرکت های مشهور سازنده پردازنده عبارتند از :
- Intel
- IBM
- AMD
- Syrex
- Motorola
- IDT
- NIC
- IIT
گاهی بر روی پردازنده ها نام شرکت سازنده به صورت کامل و گاهی به صورت علائم اختصاری مخصوص شرکت مشخص می شود . مثلا برای محصولات شرکت از AMD برای مشخص کردن نام پردازنده عبارت ADVANCED شرکتهای MICRO DEVICES که کلمه AMD از آن گرفته شده چاپ می شود .
2-3-3-2 نسل پردازنده :
پردازنده ها بسته به تنوع در مدل و عملکرد آن ها دارای مدل های مختلفی می باشند . معمولا هر گاه یک تغییر اساسی در ساختار یا پردازنده به وجود آمده است نسل جدیدی برای آن نام گذاری شده است . معمولا نسل های مختلف پردازنده ها را با نام ، علائم یا شماره های مختلف نشان می دهند . شرکتهای سازنده پردازنده تولیدات خود را بر اساس یک روش استاندارد نام گذاری می کنند . مثلا شرکت Intel تولیداتش را به صورت 80x86 و شرکت Motorola به صورت 68xxx نام گذاری می کنند ، که معمولا علامت x جایگزین نسل و مدل پردازنده می شود . مثلا در مورد پردازنده های Intel نسل های اول تا هفتم به صورت زیر می باشد :
همانگونه که مشاهده می کنید از نسل چهارم (80486) به بعد نامگذاری پردازنده های Intel به صورت 80x86 نمی باشد بلکه از نام پنتیوم استفاده شده است .
3-3-3-2مدل پردازنده :
هر کدام از نسل های پردازنده دارای مدلهای مختلفی می باشد که دارای مشخصات متفاوت می باشند . مثلا در مورد پردازنده و 80386 مدلهای DX , SX و برای 80486 مدلهای SX , DX , DXII , DX4 , DX5 برای پنتیوم (نسل پنجم) مدل های پنتیوم کلاسیک و MMX ، برای نسل ششم مدل های پنتیوم پرو ، پنتیوم II و پنتیوم III پنتیوم سلرون برای نسل هفتم مدل اتیانیوم را می توان اشاره نمود .
4-3-3-2سرعت پردازنده:
یکی دیگر از پارامتر های مهم برای پردازنده که معمولا روی پردازنده چاپ می شود ، سرعت پردازنده است . سرعت پردازنده بر حسب مگاهرتز (MHZ) مشخص می شود . گاهی سرعت پردازنده ها معادل سرعت پردازنده مشابه Intel بر روی آن چاپ می شود. در این پردازنده ها که شبیه پردازنده های پنتیوم Intel هستند ، برای نشان دادن سرعت AMD-K5 که در سطر دوم آن عبارت PR100 چاپ شده است ، بدین معنی است که این پردازنده دارای سرعتی معادل سرعت پردازنده های پنتیوم اینتل با سرعت 100MHZ می باشد . هر چند ممکن است سرعت واقعی این پردازنده کمتر باشد . چنانچه بعد از PR100 علامت + هم داشته باشیم یعنی سرعت این پردازنده حتی از پردازنده اینتل با سرعت 100MHZ هم بیشتر می باشد .
5-3-3-2 ولتاژ پردازنده :
پردازنده های قدیمی (قبل از کار 468DX4) با ولتاژ 5v کار می کردند . پردازنده هایی که بعد از 486DX4 به بازار ارائه شد با ولتاژ 3.3v کار می کردند . امروزه پردازنده های K6 از شرکت AMD با ولتاژهای پایین تر از 3.3v (2.2v می کنند . طبیعی است هر چه پردازنده با ولتاژ کمتری کار کند توان مصرفی آن کمتر شده و در نتیجه پردازنده کمتر داغ می شود .
ساختمان داخلی یک cpu:
به منظور آشنائی با نحوه عملکرد یک ریزپردازنده، در حالت کلی، لازم است نگاهی به ساختمان داخلی يک ريزپردازنده بیندازیم و با نحوه عملکرد آن بيشتر آشنا شويم. يک ريزپردازنده مجموعه ای از دستورالعمل ها را اجراء می کند. این دستورالعمل نوع عمليات مورد نظر را برای ریزپردازنده مشخص خواهند کرد. با توجه به نوع دستورالعمل ها، يک ريزپردازنده سه عمليات اساسی را انجام خواهد داد :
1 - يک ريزپردازنده با استفاده از واحد محاسبات و منطق خود (ALU) قادر به انجام عمليات محاسباتی نظير: جمع، تفريق و عملیات منطقی نظیر and و غیره ؛که بر روی بیت ها انجام می گیرد؛ است. ریزپردازنده های جديد دارای پردازنده های اختصاصی برای انجام عمليات مربوط به اعداد اعشاری نیز می باشند.
2 - يک ريزپردازنده قادر به انتقال داده از يک محل حافظه به محل ديگر است .
3 - يک ريزپردازنده قادر به اتخاذ تصميم (تصميم گيری) و پرش به يک محل ديگر برای اجرای دستورالعمل های مربوطه بر اساس تصميم اتخاذ شده است .
●گذرگاه آدرس (Address Bus ) که آدرس از طرف ریزپردازنده بر روی این گذرگاه قرار می گیرد. اصطلاحات اجزاء این شکل در سایر مقالات سایت میکرورایانه آمده است. ریزپردازنده قادر به ارسال آدرس به حافظه یا مدارات جانبی جهت تعیین دستگاه ورودی- خروجی است. تعداد بیتهای آدرس (و بالطبع خطوط گذرگاه آدرس) بستگی به طراحی و نوع ریزپردازنده دارد. مثلا در ریزپردازنده های مختلف گذرگاه فوق 8، 16، 32 بيتی و ... است.
●گذرگاه داده ها (Data Bus ) که داده ها بر روی خطوط این گذرگاه قرار گرفته و از طرف حافظه یا دستگاه ورودی - خروجی به ریزپردازنده ارسال می شود يا از ریزپردازنده به سمت آنها فرستاده می شود.
قرارداد:
قرارداد می کنیم که ریزپردازنده محور نام گذاری برای عناوین ارسال و دریافت داده ها باشد. بنابراین منظور از دریافت داده ها یعنی دریافت به ریزپردازنده و ارسال داده ها یعنی ارسال از طرف ریزپردازنده به سمت دستگاهای I/O. گذرگاه فوق می تواند 8، 16، 32 و ... بيتی باشد.
● يک خط برای صدور فرمان خواندن از طرف ریزپردازنده (RD ) و يک خط برای صدور فرمان نوشتن از طرف ریزپردازنده (WR ) است و فعال شدن هر کدام از طرف ریزپردازنده (به ترتیب) تعیین می نماید که آیا ریزپردازنده در حال ارسال داده یا دریافت داده می باشد.
● خط Clock که پالس های ساعت ورودی به ریزپردازنده را تعیین می کند و ریزپردازنده خود را با پالس های ساعت ورودی به این خط همزمان خواهد کرد.
● يک خط Reset که مقدار شمارنده برنامه را صفر نموده و يا باعث اجرای مجدد يک فرآيند می گردد.
فرض کنيد پردازنده هشت بيتی بوده واز عناصر زير تشکيل شده است:
- ثبات (Register)های A,B,C ثبات (نگاهدارنده) هائی بوده که از فليپ فلاپ ها ساخته شده اند.
- Address Latch مشابه ثبات های A,B,C است.
- شمارنده برنامه (Program Counter ) نوع خاصی از يک نگهدارنده اطلاعات است که قابليت افزايش به ميزان يک و يا پذيرش مقدار صفر (یا هر مقدار دیگری) را داراست.
- واحد منطق و حساب (ALU ) می تواند يک مدار ساده جمع کننده هشت بيتی بوده و يا مداری است که قابليت انجام عمليات جمع، تفريق، ضرب و تقسيم را دارا باشد.
- ثبات Test يک نوع خاص نگاهدارنده بوده که قادر به نگهداری نتايج حاصل از انجام مقايسه ها توسط ALU است. ALU قادر به مقايسه دو عدد و تشخيص مساوی و يا نامساوی بودن آنها است. ثبات Test همچنين قادر به نگهداری يک بیت نقلی (Carry bit) ماحصل بیت انتقالی آخرين مرحله عمليات جمع است. ثبات فوق مقادير مورد نظر را در فليپ فلاپ ها ذخيره می کند که در ادامه Instruction Decoder (تشخيص دهنده دستورالعمل ها) با استفاده از مقادير فوق قادر به اتخاذ تصميمات لازم خواهد بود.
- همانگونه که در شکل فوق مشاهده می گردد از شش بافر سه حالته 3-State استفاده شده بافرهای فوق قادر به عبور دادن مقادير صفر و يا يک و يا حالت سوم یعنی قطع خروجی مربوطه می باشند. وجود اين نوع بافرها امکان ارتباط چندين خروجی را از طريق يک مسیر ارتباطی (سیم) فراهم می نمايد. در چنين حالتی فقط يکی از خروجی ها قادر به انتقال (حرکت) صفر و يا يک بر روی خط خواهد بود.
- ريجستر Instruction و Instruction Decoder مسئوليت کنترل ساير عناصر را برعهده خواهند داشت. بدين منظور از خطوط کنترلی متفاوتی استفاده می گردد. خطوط فوق در شکل فوق نشان داده نشده اند ولی مثلا می بايست قادر به انجام عمليات زير باشند:
- به ريجستر A اعلام نمايد که مقدار موجود بر روی گذرگاه داده را در خود نگاه دارد. (Latch )
- به ريجستر B اعلام نمايد که مقدار موجود بر روی گذرگاه داده را در خود نگاه دارد. (Latch )
- به ريجستر C اعلام نمايد که مقدار موجود بر روی گذرگاه داده را در خود نگاه دارد. (Latch )
- به " شمارنده برنامه " اعلام نمايد که مقدار موجود بر روی گذرگاه آدرس را در خود نگاه دارد. (Latch )
- به ريجستر Address اعلام نمايد که مقدار موجود بر روی گذرگاه آدرس را در خود نگاه دارد. (Latch )
- به ريجستر Instruction اعلام نمايد که مقدار موجود بر روی گذرگاه داده را در خود نگاه دارد. (Latch )
- به " شمارنده برنامه " اعلام نمايد که مقدار خود را افزايش دهد. - به " شمارنده برنامه " اعلام نمايد که مقدار خود را صفر (Reset ) نمايد.
- به واحد منطق و حساب نوع عملياتی را که می بايست انجام گيرد، اعلام نمايد.
- به ريجستر Test اعلام نمايد که بيت های ماحصل عمليات ALU را در خود نگاه دارد.
- فعال نمودن خط RD ( خواندن )
- فعال نمودن خط WR ( نوشتن )
تفاوت cpu AMD,intel:
AMD براساس معماری اجرایی 9 مرحله ای ساخته شده است اما معماری پردازنده های
Intel شش مرحله ای می باشد.بدین معنا که AMDدر هر چرخه کاری 9عملیات را انجام میدهد در حالی که Intel فقط 6 عمل را می تواند انجام دهد.
AMD از640Kb Cache برخوردار است در حالی که Intel ، از 532Kb بر خوردار است هر چقدر که میزان Cache پردازنده بیشتر باشد ، پردازنده کارایی بیشتری خواهد داشت اطلاعات بیشتری میتواند ذخیره کند ودیگر لازم نیست پردازنده برای بدست آوردن اطلاعات یا دستور ها مدت زمان بیشتری را رفت و برگشت به حافظه برد اصلی برای جذب اطلاعات یا دستور العمل ها صرف کند.
AMD از مس برای اتصال ترانزیستور های بکار رفته در پردازنده ها استفاده میکند در صورتی که در ساختمان پردازنده های Intel آلومینیوم بکار رفته است.مس هادی الکترسیته بهتری است ، ازاین رو پهنای اتصالهای بین ترانزیستورها را به میزان چشمگیری کاهش می یابد .که این امر باعث مصرف کمتر مواد اولیه و در نتیجه منجر به کاهش هزینه می شود این دلیل ارزان تر بودن AMD نسبت به P4 است.
از دیگر تفاوت های میان AMD وIntel میتوان به راندمان Cache بروی چیپ اشاره کرد ، AMD از معماری انحصاری استفاده میکند که راندمان بیشتری نسبت بیشتری نسبت به طراحی معماری غیر انحصاری Intel دارد.
از تکنولوژی پردازش موازی در مقایسه با Hyper -Threading اینتل استفاده میکند ، در بسیاری از کاربردهای امروزی فعال بودن Hyper -Threading کارائی پائین تری ارائه میدهد ، نتایج تحقیقات بیشمار منتشر شده در نشریات رایانه ای و پایگاهای اطلاعاتی معتبر بیانگوی این پدیده هستند.
یکی دیگر از مهمترین نکات برتر پردازنده های AMD واحد ممیز شناور آن است که از FPU اینتل بسیار قویتر میباشد که این امر باعث اجرای سریع تر برنامه های چند منظوره( MultiMedia) میشود.
زمانی که اینتل P4 را طراحی کرد طول PIPELINE را از 10 مرحله در P3 به 20 مرحله افزایش داد Intel همین تغیر توانست که تعداد عملیاتی که در چرخه عملیاتی انجام می شود بصورت قابل ملاحظه ای کاسته میشود و از طرف دیگر افزایش طول PIPELINE نیازمند افزایش تعداد ترانزیستور ها برای انجام همان تعداد عملیات میباشد که این امر باعث افزایش اندازه هسته و بالا رفتن قیمت تولید میشود . در حالی که AMD با وجود افزایش فرکانس پردازنده های خود طول pipeline را به همان اندازه p3 یا k6 ثابت نگهدارد .
