CPU چیست و تاریخچه سی‌پی‌یو + ارزانترین و گرانترین سی پی یوهای بازار

عبارت «Central Processor Unit» (واحد پردازندهٔ مرکزی) یک ردهٔ خاص از ماشین را معرفی می‌کند که می‌تواند برنامه‌های رایانه را اجرا کند. این عبارت گسترده را می‌توان به راحتی به بسیاری از رایانه‌هایی که بسیار قبل‌تر از عبارت "CPU" بوجود آمده بودند نیز تعمیم داد. به هر حال این عبارت و شروع استفاده از آن در صنعت رایانه، از اوایل سال ۱۹۶۰ رایج شد. شکل، طراحی و پیاده‌سازی پردازنده‌ها نسبت به طراحی اولیه آنها تغییر کرده‌است ولی عملگرهای بنیادی آنها همچنان به همان شکل باقی‌مانده‌است.

پردازنده‌های اولیه به عنوان یک بخش از سامانه‌ای بزرگ‌تر که معمولاً یک نوع رایانه‌است، دارای طراحی سفارشی بودند. این روش گران‌قیمت طراحی سفارشی پردازنده‌ها برای یک بخش خاص، به شکل قابل توجهی، مسیر تولید انبوه آنرا که برای اهداف زیادی قابل استفاده بود فراهم نمود. این استانداردسازی روند قابل ملاحظه‌ای را در عصر مجزای ابر رایانه‌های ترانزیستوری و ریز کامپیوترها آغاز نمود و راه عمومی نمودن مدارات مجتمع(IC یا Integrated Circuit) را سرعت فراوانی بخشید. یک مدار مجتمع، امکان افزایش پیچیدگی‌ها برای طراحی پردازنده‌ها و ساختن آنها در مقیاس کوچک را (در حد میلیمتر) امکان‌پذیر می‌سازد. هر دو فرایند (کوچک سازی و استاندارد سازی پردازنده‌ها)، حضور این تجهیزات رقمی را در زندگی مدرن گسترش داد و آن را به فراتر از یک دستگاه خاص مانند رایانه تبدیل کرد. ریزپردازنده‌های جدید را در هر چیزی از خودروها گرفته تا تلفن‌های همراه و حتی اسباب بازی‌های کودکان می‌توان یافت.

مدت زمان انجام یک کار به‌وسیله رایانه، به عوامل متعددی بستگی دارد که اولین آنها، سرعت پردازشگر رایانه‌است. پردازشگر یک تراشه الکترونیکی کوچک در قلب کامپیوتر است و سرعت آن بر حسب مگاهرتز یا گیگاهرتز سنجیده می‌شود. هر چه مقدار این پارامتر بیشتر باشد، پردازشگر سریعتر خواهد بود و در نتیجه قادر خواهد بود، محاسبات بیشتری را در هر ثانیه انجام دهد. سرعت پردازشگر به عنوان یکی از مشخصه‌های یک کامپیوتر به قدری در تعیین کارآیی آن اهمیت دارد که معمولاً به عنوان یکی از اجزای تشکیل دهنده نام کامپیوتر از آن یاد می‌شود. تراشه پردازشگر و اجزای الکترونیکی که آن را پشتیبانی می‌کنند، مجموعاً به عنوان واحد پردازش مرکزی یا CPU شناخته شده هست

واحد پردازش مرکزی واحد محاسباتی (ALU) و کنترلی (CU) رایانه‌است که دستورالعمل‌ها را تفسیر و اجرا می‌کند. رایانه‌های بزرگ و ریزرایانه‌های قدیمی بردهایی پر از مدارهای مجتمع داشته‌اند که عمل پردازش را انجام می‌داده‌اند. تراشه‌هایی که ریز پردازنده نامیده می‌شوند، امکان ساخت رایانه‌های شخصی و ایستگاه‌های کاری (Work Station) را میسر ساخته‌اند.

در اصطلاح عامیانه CPU به عنوان مغز رایانه شناخته می‌شود.

تاریخچه سی پی یو :

رله‌ها و لامپ‌های خلا که عموماً به عنوان عناصر سوئیچینگ مورد استفاده قرار می‌گرفتند. یک کامپیوتر مفید به هزاران یا صدها هزار از این المان‌های سوئیچینگ نیاز دارد و سرعت کلی سیستم به سرعت این سوئیچ‌ها وابسطه است. کامپیوترهای لامپ خلا نزیر EDVAC تقریباً ۸ ساعت بدون خرابی کار می‌کردند در حالی که کامپیوترهای رله‌ای مانند طراحی هاروارد خیلی زودتر با مشکل مواجه می‌شدند. در نهایت CPUهای بر پایه لامپ خلا به دلیل سرعت قابل توجه و قابلیت اطمینان بیشتر برهم نوعان خود پیروز شدند. اغلب CPUهای سنکرون نسبت به CPUهای مدرن با فرکانس کلاک کمتری در حد ۱۰۰Hz تا ۴ MHz کار می‌کردند که این محدودیت به دلیل سرعت کم المان‌های سوئیچ بود. سخت افزار - واحد پردازش مركزي - CPU (قسمت اول) vida - جمعه، 20 مهر ماه ، 1386 23:42:43 موضوع: واحد پردازش مركزي - CPU (قسمت اول) CPU و اجزای داخلی آن : CPU یا واحد پردازش مرکزی (Central Process Unit)، بخشی از سیستم های پردازشی و رایانه ها است که وظیفهء آن پردازش اطلاعات ، با توجه به برنامهء در نظر گرفته شده برای آن است . یک CPU از یک چیپ که متشکل از تعداد زیادی ترانزیستور است (بین چند هزار تا چند میلیون که بستگی به مشخصات CPU دارد) تشکیل شده است . بلوک دیاگرام داخلی یک CPU به طور خلاصه در شکل زیر نشان داده شده است : ALU واحد محاسبات و منطق (Arithmetic Logic Unit) است که وظیفهء آن انجام عملیات منطقی نظیر جمع ، تفریق و ... و همچنین عملیاتی نظیر AND ، OR و ... بر روی داده ها است . یک ALU را به طور خلاصه می توان یک جمع کننده کامل در نظر گرفت ؛ البته با پیچیدگی های خاص خود . Register ها وظیفهء نگهداری اطلاعات را به صورت موقت در داخل CPU بر عهده دارند که این اطلاعات می تواند اطلاعات دریافتی از درگاه های ورودی باشد (پورتها) و یا اطلاعات حاصل از انجام عملیات منطقی . البته معمولا یک رجیستر مخصوص که به آن انباره یا آکامالاتور نیز گفته می شود وجود دارد که در اکثر عملیات منطقی شرکت می کند . واحد Memory Interface وظیفهء ایجاد ارتباط با حافظهء جانبی را بر عهده دارد که عمل خواندن و یا نوشتن از حافظه و انتقال اطلاعات بین CPU و حافظه نیز از وظایف مربوط به این بخش است . واحد Instruction Fetcher اطلاعات مربوط به دستور العمل های اجرایی را از واحد حافظه دریافت و به واحد رمز گشایی (Instruction Decoder) تحویل می دهد . به عبارت دیگر وظیفهء بخش Instruction Fetcher ، واکشی کدهای دستور از حافظه با کمک بخش Memory Interface و اعمال آن به بخش رمزگشایی است . واحد رمزگشایی نیز پس از دریافت کد مربوط به دستور مورد نظر ، آن را رمز گشایی و عمل مربوط به آن را انجام می دهد . فاکتورهای مهم در یک CPU : هر CPU با یک سری از خصوصیات و فاکتورهایی در ساختار طراحی و تولید خود شناخته می شود که مهمترین فاکتورها عبارتند از : - پهنای گذرگاه داده : این خصوصیات به مشخصات ALU و رجیسترهای مرتبط با آن بستگی دارد و بیانگر این است که اطلاعات پردازش شده توسط CPU چند بیتی است . به عنوان نمونه یک CPU که گذرگاه دادهء آن 16 بیتی است ، توانایی پردازش اطلاعات و دستورات را به صورت 16 بیتی دارد و به همین دلیل به آن پردازندهء 16 بیتی اطلاق می شود . - پهنای گذرگاه آدرس : همانطور که در شکل نیز نشان داده شد ، اطلاعات و همچنین دسوترالعمل های اجرایی در واحد های خارجی از CPU نگهداری می شوند . توسط گذرگاه آدرس می توان حافظه ها و پورت های خروجی را آدرس دهی کرد تا به این وسیله بتوان به آنها نظم بخشید و با آنها ارتباط برقرار کرد . پهنای گذرگاه آدرس ، نشان دهندهء توانایی CPU در آدرس دهی حافظه ها و یا پورت های خارجی می باشد . به عنوان نمونه یک CPU با گذرگاه 16 بیتی ، توانایی آدرس دهی 65536 خانه از حافظهء خارجی را دارد . - فرکانس کاری : فرکانس کاری یک CPU بیانگر سرعت کاری آن است و هر میزان بالاتر باشد ، CPU سریعتر عمل می کند و اطلاعات را پردازش می کند . در حال حاضر CPU های ساخته شده تا محدودهء سرعت چند میلیون دستور در ثانیه به پردازش اطلاعات می پردازند . - شرکت سازنده : که بیانگر این است که CPU توسط کدام کمپانی ساخته شده است و به کدام خانواده از CPU ها تعلق دارد که معروف ترین آنها عبارتند از Intel ،IBM ، AMD ، Syrex ، Motorola، IDT، NIC ، IIT . البته طراحی و خصوصیات یک CPU به شرایطی که قرار است در ان به کار گرفته شود بستگی دارد و سرعت و ... با توجه به این موضوع تعیین می شود . به عنوان مثال CPU هایی که باید در ابر کامپیوتر ها به کار گرفته می شوند با CPU هایی که در سیستم های کنترلی کوچک به کار گرفته می شوند دارای تفاوت های بسیار در سطح قدرت پردازش هستند ، اما هر کدام با توجه به شرایط کاری خود طراحی شده اند . بر همین اساس در سیستم های پردازشی کوچک به جای پردازنده ها ، از ریز پردازنده ها استفاده می شود که دارای سرعت ، حجم و امکانات کمتری نسبت به پردازنده های معمول هستند ، اما با این حال به خوبی از عهدهء کنترل سیستمهای کوچک بر می ایند و در ساخت اینگونه سیستم ها به کار گیری آنها بسیار با صرفه تر و آسانتر از به کار گیری پردازنده ها است . نمونه ای از این ریز پردازنده ها ، Z80 و 8086 هستند که از نظر ساختاری بسیار منطبق با مطالب گفته شده هستند . به طور مثال بلوک دیاگرام داخلی ریز پردازندهء Z80 در شکل زیر نشان داده شده است : نکته : موارد گفته شده تنها بررسی یک CPU به صورت کلی بود ، اما در مواردی ممکن است که اجزای داخلی CPU ، بیش از موارد گفته شده باشد که بستگی به نوع و طراحی CPU دارد . حافظهء کش یکی از این موارد است که امروزه در اکثر CPU ها که برای اعمال پردازشی نسبتا سنگین طراحی شده اند ، در حجم های مختلف قرار داده شده است .

ترانزیستورهای گسسته و مدارات مجتمع (واحد پردازش مرکزی)

پیچیدگی طراحی پردانده‌ها هم‌زمان با افزایش سریع فناوری‌های متنوع که ساختارهای کوچک‌تر و قابل اطمینان تری را در وسایل الکترونیک باعث می‌شد، افزایش یافت. اولین موفقیت با ظهور اولین ترانزیستورها حاصل شد. پردازنده‌های ‍‍ترانزیستوری در طول دهه‌های ۵۰ و ۶۰ میلادی زمان زیادی نبود که اختراع شده بود و این در حالی بود که آنها بسیار حجیم، غیرقابل اعتماد و دارای المانهای سوئیچینگ شکننده مانند لامپ‌های خلا و رله‌های الکتریکی بودند. با چنین پیشرفتی پردازنده‌هایی با پیچیدگی و قابلیت اعتماد بیشتری بر روی یک یا چندین برد مدار چاپی که شامل قسمت‌های تفکیک شده بودند ساخته شدند.

ریزپردازنده‌ها

پیدایش ریز پردازنده‌ها در سال ۱۹۷۰ به طور قابل توجهی در طراحی و پیاده‌سازی پردازنده‌ها تأثیر گذار بود. از زمان ابداع اولین ریزپردازنده (اینتل۴۰۰۴)در سال ۱۹۷۰ و اولین بهره‌برداری گسترده از ریزپردازنده اینتل ۸۰۸۰ در سال ۱۹۷۴، این روند رو به رشد ریزپردازنده‌ها از دیگر روشهای پیاده‌سازی واحدهای پردازش مرکزی (CPU) پیشی گرفت، کارخانجات تولید ابر کامپیوترها و کامپیوترهای شخصی در آن زمان اقدام به تولید مدارات مجتمع با برنامه ریزی پیشرفته نمودند تا بتوانند معماری قدیمی کامپیوترهای خود را ارتقا دهند و در نهایت ریز پردازنده‌ای سازگار با مجموعه دستورالعمل‌ها ی خود تولید کردند که با سخت‌افزار و نرم‌افزارهای قدیمی نیز سازگار بودند. با دستیابی به چنین موفقیت بزرگی امروزه در تمامی کامپیوترهای شخصی CPUها منحصراً از ریز پردازنده‌ها استفاده می‌کنند.

عملکرد ریزپردازنده‌ها

کارکرد بنیادی بیشتر ریزپردازنده‌ها علی‌رغم شکل فیزیکی که دارند، اجرای ترتیبی برنامه‌های ذخیره شده را موجب می‌شود. بحث در این مقوله نتیجه پیروی از قانون رایج نیومن را به همراه خواهد داشت. برنامه توسط یک سری از اعداد که در بخشی از حافظه ذخیره شده‌اند نمایش داده می‌شود. چهار مرحله که تقریباً تمامی ریزپردازنده‌هایی که از قانون فون نیومن در ساختارشان استفاده می‌کنند از آن پیروی می‌کنند عبارت‌اند از: فراخوانی، رمزگشایی، اجرا و بازگشت برای نوشتن مجدد.

طراحی و اجرا

مفهوم اساسی یک سی پی یو به صورت زیر است: در طراحی یک سی پی یو یک لیست از عملیات بنام مجموعهٔ دستوری بصورت ذاتی وجود دارد که سی پی یو آن‌ها را انجام می‌دهد. چنین عملیاتی ممکن است شامل جمع کردن یا تفریق کردن دو عدد، مقایسهٔ اعداد یا پرش به بخشی دیگر از یک برنامه باشد. هرکدام از این عملیات پایه‌ای توسط توالی خاصی از بیت‌ها نمایش داده می‌شود که این توالی برای چنین عملیات خاصی اپکد نام دارد. فرستادن یک اپکد خاص به یک سی پی یو باعث می‌شود تا سی پی یو عملی را که توسط اپکد مذکور نمایش داده می‌شود انجام دهد. برای اجرای یک دستور در یک برنامهٔ کامپیوتری، سی پی یو از اپکد دستور مذکور و نیز نشانوندهای آن (برای مثال، در مورد یک عمل جمع، دو عددی که قرار است با همجمع شوند) استفاده می‌کند. عمل ریاضی واقعی برای هر دستور توسط یک زیرواحد از سی پی یو به نام واحد محاسبه و منطق (ALU)انجام می‌گیرد. یک سی پی یو علاوه بر اینکه از ALU خودش برای انجام اعمال استفاده می‌کند، اعمال دیگری نظیر: خواندن دستور بعدی از حافظه، خواندن اطلاعات مشخص شده بصورت نشانوند از حافظه و نوشتن یافته‌های حاصل در حافظه را نیز به عهده دارد. در بسیاری از طراحی‌های سی پی یو، یک مجموعهٔ دستوری مشخصا بین اعمالی که اطلاعات را از حافظه بارگیری می‌کنند و اعمال ریاضی افتراق می‌دهد. در این مورد اطلاعات بارگیری شده از حافظه در رجیسترها ذخیره می‌شود و یک عمل ریاضیاتی هیچ گونه نشانوندی نمی‌گیرد بلکه بسادگی عمل محاسباتی مذکور را روی اطلاعات موجود در رجیسترها انجام داده و آن را در یک رجیستر جدید می‌نویسد.

دامنه صحیح

روشی که یک پردازنده از طریق آن اعداد را نمایش می‌دهد یک روش انتخابی در طراحی است که البته در بسیاری از راه‌های اصولی اثر گذار است. در برخی از کامپیوترهای دیجیتالی اخیر از یک مدل الکترونیکی بر پایه سیستم شمارش دسیمال (مبنای ده) برای نمایش اعداد استفاده شده‌است. برخی دیگر از کامپیوترها از یک سیستم نامتعارف شمارشی مانند سیستم سه تایی (مبنای سه) استفاده می‌کنند. در حال حاضر تمامی پردازنده‌های پیشرفته اعداد را به صورت دودویی (مبنای دو) نمایش می‌دهند که در آن هر عدد به وسیله چندین کمیت فیزیکی دو ارزشی مانند ولتاژ بالا و پایین نمایش داده می‌شوند.

علت نمایش دهی از طریق اعداد حجم کم و دقت بالا در اعدادی است که پردازشگر می‌تواند نمایش دهد. در حالت دودویی پردازنده‌ها، یک بیت به یک مکان مشخص در پردازنده اطلاق می‌شود که پردازنده با آن به صورت مستقیم در ارتباط است. ارزش بیت (مکانهای شمارشی) یک پردازنده که برای نمایش اعداد بکار برده می‌شود «بزرگی کلمه»، «پهنای بیت»، «پهنای گذرگاه اطلاعات» و یا «رقم صحیح» نامیده می‌شود؛ که البته این اعداد گاهی در بین بخش‌های مختلف پردازنده‌های کاملاً یکسان نیز متفاوت است. برای مثال یک پردازنده ۸ بیتی به محدوده‌ای از اعداد دسترسی دارد که می‌تواند با هشت رقم دودویی (هر رقم دو مقدار می‌تواند داشته باشد) ۲ یا ۲۵۶ عدد گسسته نمایش داده شود. نتیجاتا مقدار صحیح اعداد باعث می‌شود که سخت‌افزار در محدوده‌ای از اعداد صحیح که قابل اجرا برای نرم‌افزار باشد محدود شود و بدین وسیله توسط پردازنده مورد بهره‌برداری قرار گیرد.

پالس ساعت

اکثر پردازنده‌ها و در حقیقت اکثر دستگاه‌هایی که با منطق پالسی و تناوبی کار می‌کنند به صورت طبیعی باید سنکرون یا هم‌زمان باشند. این بدان معناست که آنها به منظور هم‌زمان سازی سیگنالها طراحی و ساخته شده‌اند. این سیگنالها به عنوان سیگنال ساعت (پالس ساعت) شناخته می‌شوند و معمولاً به صورت یک موج مربعی پریودیک (متناوب) می‌باشند. برای محاسبه بیشترین زمانی که سیگنال قادر به حرکت از قسمت‌های مختلف مداری پردازنده‌است، طراحان یک دوره تناوب مناسب برای پالس ساعت انتخاب می‌کنند. این دوره تناوب باید از مقدار زمانی که برای حرکت سیگنال یا انتشار سیگنال در بدترین شرایط ممکن صرف می‌شود بیشتر باشد. برای تنظیم دوره تناوب باید پردازنده‌ها باید مطابق حساسیت به لبه‌های پایین رونده یا بالا رونده حرکت سیگنال در بدترین شرایط تاخیر طراحی و ساخته شوند. در واقع این حالت هم از چشم انداز طراحی و هم از نظر میزان اجزای تشکیل دهنده یک مزیت ویژه در ساده‌سازی پردازنده‌ها محسوب می‌شود. اگرچه معایبی نیز دارد، از جمله اینکه پردازنده باید منتظر المانهای کندتر بماند، حتی اگر قسمت‌هایی از آن سریع عمل کنند. این محدودیت به مقدار زیادی توسط روشهای گوناگون افزایش قدرت موازی سازی (انجام کارها به صورت هم‌زمان) پردازنده‌ها قابل جبران است. پالش ساعت شامل یک لبه بالا روند و یک لبه پایین رونده است که این تغییر حالت با تغییر ولتاژ صورت می‌پذیرد.