تحقیق مقاله ریز پردازنده

ریز پردازنده

کامپیوتری که هم اکنون به کمک آن در حال مشاهده و مطالعه این صفحه هستید ، دارای یک ریزپردازنده است . ریزپردازنده  به منزله مغز کامپیوتر است و  تمامی کامپیوترها اعم از کامپیوترهای شخصی ، کامپیوترهای دستی و ... دارای ریزپردازنده می باشند. نوع  ریزپردازنده استفاده شده در یک کامپیوتر می تواند متفاوت باشد ولی تمامی آنان عملیات مشابهی را انجام  می دهند .

تاریخچه ریزپردازنده ها
 

 ریزپردازنده که CPU هم نامیده می گردد، پتانسیل های اساسی برای انجام محاسبات و عملیات مورد نظر در یک کامپیوتر را فراهم  می نماید. ریزپردازنده  از لحاظ فیزیکی  یک تراشه است . اولین ریزپردازنده در سال 1971 و با نام Intel 4004  معرفی گردید. ریزپردازنده فوق چندان قدرتمند نبود و صرفا" قادر به انجام عملیات جمع و تفریق  چهار بیتی بود. نکته مثبت پردازنده فوق، استفاده از صرفا" یک تراشه بود.قبل از آن مهندسین و طراحان کامپیوتر از چندین تراشه و یا عصر برای تولید کامپیوتر استفاده می کردند.
اولین ریزپردازنده ای که بر روی یک کامپیوتر خانگی نصب  گردید ، 8080 بود. پردازنده فوق هشت بیتی و بر روی یک تراشه قرار داشت . این ریزپردازنده در سال 1974 به بازار عرضه گردید.اولین پردازنده ای که باعث تحولات اساسی در دنیای کامپیوتر شد ، 8088 بود. ریزپردازنده فوق در سال 1979 توسط شرکت IBM طراحی و اولین نمونه آن در سال 1982 عرضه گردید. وضعیت تولید ریزپردازنده توسط شرکت های تولید کننده بسرعت رشد و از مدل  8088 به 80286 ، 80386  ، 80486 ، پنتیوم ، پنتیوم II ، پنتیوم III و پنتیوم 4  رسیده است . تمام پردازنده های فوق توسط شرکت اینتل و سایر شرکت های  ذیربط طراحی و عرضه شده است . پردازنده های پنتیوم 4 در مقایسه با پردازنده 8088 عملیات مربوطه را با سرعتی به میزان 5000 بار سریعتر انجام می دهد! جدول زیر ویژگی هر یک از پردازنده های فوق بهمراه تفاوت های موجود  را نشان می دهد.

Name

Date

Transistors

Microns

Clock speed

Data width

MIPS

8080

1974

6,000

6

2 MHz

8 bits

0.64

8088

1979

29,000

3

5 MHz

16 bits
8-bit bus

0.33

80286

1982

134,000

1.5

6 MHz

16 bits

1

80386

1985

275,000

1.5

16 MHz

32 bits

5

80486

1989

1,200,000

1

25 MHz

32 bits

20

Pentium

1993

3,100,000

0.8

60 MHz

32 bits
64-bit bus

100

Pentium II

1997

7,500,000

0.35

233 MHz

32 bits
64-bit bus

~300

Pentium III

1999

9,500,000

0.25

450 MHz

32 bits
64-bit bus

~510

Pentium 4

2000

42,000,000

0.18

1.5 GHz

32 bits
64-bit bus

~1,700

 توضیحات  

ستون Date نشاندهنده سال عرضه پردازنده است.

ستون Transistors تعدا ترانزیستور موجود بر روی تراشه را مشخص می کند. تعداد ترانزیستور بر روی تراشه در سال های اخیر شتاب بیشتری پیدا کرده است .

ستون Micron ضخامت کوچکترین رشته  بر روی تراشه را بر حسب میکرون مشخص می کند. ( ضخامت موی انسان 100 میکرون است ).

ستون Clock Speed حداکثر سرعت Clock تراشه را مشخص می نماید.

ستون Data Width پهنای باند واحد منطق و محاسبات (ALU) را نشان می دهد. یک واحد منطق و حساب هشت بیتی قادر به انجام عملیات محاسباتی نظیر: جمع ، تفریق ، ضرب و ... برای اعداد هشت بیتی است. در صورتیکه یک واحد منطق و حساب 32 بیتی قادر به انجام عملیات بر روی اعداد  32 بیتی  است . یک واحد منطق و حساب 8 بیتی به منظور جمع دو عدد 32 بیتی می بایست چهار دستورالعمل را انجام داده در صورتیکه یک واحد منطق وحساب 32 بیتی عملیات فوق را صرفا" با اجرای یک دستورالعمل انجام خواهد داد.در اغلب موارد گذرگاه خارجی داده ها مشابه ALU است . وضعیت فوق در تمام موارد صادق نخواهد بود مثلا" پردازنده 8088 دارای واحد منطق وحساب 16 بیتی بوده در حالیکه گذرگاه داده ئی آن هشت بیتی است . در اغلب پردازنده های پنتیوم جدید گذرگاه داده 64 بیتی و واحد منطق وحساب 32 بیتی است . ستون MIPS  مخفف کلمات Millions of instruction per Second  ( میلیون دستورالعمل در هر ثانیه ) بوده و واحدی برای سنجش کارآئی یک پردازنده است.

درون یک پردازنده
به منظورآشنائی با  نحوه عملکرد پردازنده لازم است، نگاهی به درون یک ریزپردازنده داشته و با منطق نحوه انجام عملیات  بیشتر آشنا شویم. یک ریزپردازنده مجموعه ای از دستورالعمل ها را  اجراء می کند. دستورالعمل های فوق ماهیت و نوع عملیات مورد نظر را برای پردازنده مشخص خواهند کرد. با توجه به نوع دستورالعمل ها ، یک ریزپردازنده سه عملیات اساسی را انجام خواهد داد :

 یک ریزپردازنده با استفاده از واحد منطق و حساب خود (ALU) قادر به انجام عملیات محاسباتی نظیر: جمع ، تفریق، ضرب و تقسیم است. پردازنده های جدید دارای پردازنده های اختصاصی برای انجام عملیات مربوط به اعداد اعشاری می باشند.

 یک ریزپردازنده قادر به انتقال داده از یک محل حافظه به محل دیگر است .

یک ریزپردازنده قادر به اتخاذ تصمیم ( تصمیم گیری ) و پرش به یک محل دیگر برای اجرای دستورالعمل های مربوطه بر اساس تصمیم اتخاذ شده است .

شکل زیر یک پردازنده ساده  را نشان می دهد.

پردازنده فوق دارای :

یک گذرگاه آدرس (Address Bus)  است که قادر به ارسال یک آدرس به حافظه است ( گذرگاه فوق می تواند 8 ، 16 و یا 32 بیتی باشد)

یک گذرگاه داده (Data Bus) است که قادر به ارسال داده به حافظه و یا دریافت داده از حافظه است (گذرگاه فوق می تواند 8 ، 16 و یا 32 بیتی باشد)

یک خط برای خواندن (RD) و یک خط برای  نوشتن (WR) است که  آدرسی دهی  حافظه را انجام می دهند. آیا قصد نوشتن در یک آدرس خاص وجود داشته و یا مقصود، خواندن اطلاعات از یک آدرس خاص حافظه است؟

یک خط Clock که ضربان پردازنده را تنظیم خواهد کرد. 

یک خط Reset که مقدار " شمارنده برنامه " را صفر نموده و یا باعث اجرای مجدد یک فرآیند می گردد.

فرض کنید پردازنده فوق هشت بیتی بوده واز عناصر زیر تشکیل شده است:

ریجسترهای A,B,C  نگاهدارنده هائی بوده که از فلیپ فلاپ ها ساخته شده اند.

Address Latch  مشابه ریجسترهای A,B,C است .

شمارنده برنامه (Program Counter)  نوع خاصی از یک نگهدارنده اطلاعات است  که قابلیت افزایش بمیزان یک و یا پذیرش مقدار صفر را دارا است

واحد منطق و حساب (ALU) می تواند یک مدار ساده جمع کننده هشت بیتی بوده و یا مداری است که قابلیت انجام عملیات جمع ، تفریق ، ضرب و تقسیم را دارا است .

ریجستر Test یک نوع خاص نگاهدارنده بوده که قادر به نگهداری نتایج  حاصل از انجام مقایسه ها توسط ALU است .ALU قادر به مقایسه دو عدد وتشخیص مساوی و یا نامساوی بودن آنها است . ریجستر Test همچنین قادر به نگهداری یک Carry bit ( ماحصل آخرین مرحله عملیات جمع)  است . ریجستر فوق مقادیر مورد نظر را در فلیپ فلاپ ها ذخیره و در ادامه Instruction Decoder "تشخیص دهنده دستورالعمل ها " با استفاده از مقادیر فوق قادر به اتخاذ تصمیمات لازم خواهد بود.

همانگونه که در شکل فوق ، مشاهده می گردد از شش " 3-State" استفاده شده که به آنها "tri-State buffers" می گویند. بافرهای فوق قادر به پاس دادن مقادیر صفر و یا یک و یا قطع خروجی مربوطه می باشند.. این نوع بافرها امکان ارتباط چندین خروجی را از طریق یک Wire فراهم می نمایند. در چنین حالتی فقط یکی از آنها قادر به انتقال ( حرکت ) صفر و یا یک بر روی خط خواهد بود.

ریجستر Instruction و Instruction Decoder مسئولیت کنترل سایر عناصر را برعهده خواهند داشت . بدین منظور از خطوط کنترلی متفاوتی استفاده می گردد. خطوط فوق در شکل فوق نشان داده نشده اند ولی می بایست قادر به انجام عملیات زیر باشند:

به ریجستر A اعلام نماید که مقدار موجود بر روی گذرگاه داده را در خود نگاهدارد.(Latch)

به ریجستر B اعلام نماید که مقدار موجود بر روی گذرگاه داده را در خود نگاهدارد.(Latch)

به ریجستر C اعلام نماید که مقدار موجود بر روی گذرگاه داده را در خود نگاهدارد.(Latch)

به " شمارنده برنامه " اعلام نماید که مقدار موجود بر روی گذرگاه داده را در خود نگاهدارد.(Latch)

به ریجستر Address اعلام نماید که مقدار موجود بر روی گذرگاه داده را در خود نگاهدارد.(Latch) 

به ریجستر Instruction اعلام نماید که مقدار موجود بر روی گذرگاه داده را در خود نگاهدارد.(Latch) 

به " شمارنده برنامه " اعلام نماید که مقدار خود را افزایش دهد.

به " شمارنده برنامه " اعلام نماید که مقدار خود را صفر (Reset) نماید.

به واحد منطق و حساب نوع عملیاتی را که می بایست انجام گیرد، اعلام نماید.

به ریجستر Test اعلام نماید که بیت های ماحصل عملیات ALU را در خود نگاهدارد.

فعال نمودن خط  RD ( خواندن )

فعال نمودن خط WR ( نوشتن )