تحقیق مقاله اجزا سخت افزار کامپیوتر

1- توانایی درک  ساختمان CPU

1-1- آشنایی با تعریف عملیاتی CPU

CPU یا Processor اساسی ترین جزء یک کامپیوتر می‎باشد. CPU یک آی سی یا تراشه یا chilp است که از مدارات مجتمع فشرده زیادی تشکیل شده است. بعبارت دیگر مهمترین آی سی یک کامپیوتر ریز پردازنده یا  CPU آن است. محل قرار گرفتن آن روی برد داخلی و در جای ویژه ای از مادربرد قرار دارد.

در سراسر جهان شرکتاهی زیادی به تولید این آی سی پرداخته اند از معروفترین آنها میتوان ریز پردازنده Motorolla- intel و AMD و Cyrix را نام برد.

ریز پردازنده از واحدهای گوناگونی تشکیل شده  که هر واحد وظیفه خاصی را انجام می‎دهد. با قرار گرفتن این واحدها در کنار یکدیگر یک ریز پردازنده به صورت یک مجموعه مجتمع و فشرده تشکیل می‎شود. هر ریز پردازنده از واحدهای زیر تشکیل شده است.

1- واحد محاسبه و منطق (ALU)

این واحد شامل مداراتی است که میتواند محاسبات برنامه های کامپیوتری را انجام دهد، مثلا مجموع دو عدد را بطور منطقی محاسبه می‎کند. ALU مخفف کلمات Aritmatic- Logic- Unit است.

2-

3- حافظه های ثابت یا Register

هر ریز پردازنده برای جمع آوری اطلاعات نیاز به یک محل موقت دارد تا داده ها را در داخل آنها قرار داده و در مواقع لزوم از آنها استفاده نماید، که این محلهای موقت را حافظه های ثابت یا Register می گویند.

4- حافظه های پنهان یا cache

حافظه مخفی یا cache یک حافظه سریع است که مورد استفاده CPU قرار می‎گیرد. بعبارت دیگر چون سرعت عملیات CPU زیاد است لذا اطلاعات نیز باید با سرعت زیاد از حافظه اصلی خوانده و پردازش شود، اما سرعت حافظه اصلی کمتر از سرعت CPU است لذا خواندن اطلاعات با مکث همراه می شود، این حالت انتظار باعث کند شدن سرعت کامپیوتر می گردد . به منظور جبران این وضع از واحدی به نام Ca che استفاده می کنند که سرعت آن برابر سرعت CPU است. در نتیجه مقداری از محتویات حافظه اصلی که مورد استفاده CPU است به حافظه Cache منتقل می گردد تا در موقع خواندن و نوشتن با سرعت cpu مطابقت داشته باشد.

پردازنده های کامپیوترهای شخصی معمولاً بصورت یک مستطیل یا مربع شکل است و بر روی آن حروف و ارقامی دیده می‎شود.

1. نام سازنده پردازنده

2. نسل پردازنده

3. مدل پردازنده

4. سرعت پردازنده

5. ولتاژ پردازنده و شماره سریال

2-1- آشنایی با تراکم عناصر ساختمانی در پردازنده

CPU از مجموع قطعات الکترونیکی مخصوصات تراتریستور های مختلف تشکیل یافته است. مثلا اولین بار شرکت AMD با قرار دادن 500000 تراتریستور پردازنده های K6 را با به بازار عرضه نمود. یا شرکت Intel پردازنده SL 80368 را در آن 855000 تراتریستور بکار رفته و دارای 32 بیت خط حامل داخلی و 16 بیت خط حامل خارجی بود به بازار عرضه نمود. همچنین شرکت اینتل پروسسورهای 80586 را که بیش از یک میلیون تراتریستور تشکیل شده بود به بازار عرصه نموده است.

3-1- آشنایی با سرعت ساعت سیستم

سرعت پردازنده مستقیما روی عملکرد آن اثر می گذارد. یعنی هر چه سرعت بالا باشد تبادل اطلاعات پردازنده سریعتر است، معمولاً سرعت پردازنده ها برحسب مگاهرتز بیان می‎شود. و برخی از سازندگان پردازنده خود را با سرعت واقعی آن نا گذاری نمی کنند بلکه سرعت آنها را بصورت مقایسه ای با پردازنده های IBM می نویسند و آن را با PR نمایش می دهند. مثلا PR 100  یعنی سرعت معادل 100 مگاهرتز است و اگر علام + در جلوی عدد نوشته شود به مفهوم این است که از سرعت نوشته شده نیز بیشتر است مثلا + PR133 یعنی سرعت پردازنده در مقایسه با پردازنده پتنیوم 133 نیز بیشتر است.

4-1- آشنایی با سرعت ساعت داخلی

هر پردازنده عملیات داخلی خود را براساس سیگنالهای ساعت داخلی انجام می‎دهد. بعبارت دیگر سرعت داخلی هر پردازنده تقریبا برابر همان سرعتی است که روی پردازنده ذکر شده.

1-4-1- سرعت ساعت خارجی سیستم

بعضی از پردازنده ها نیاز به سیگنالهای ساعت خارجی دارند. مثلا Z80 که قلا در کامپیوترهای اولیه بکار می رفت نیاز بیک سیگنال ساعت خارجی که بین صفر تا 5 ولت نوسان کند، داشت یعنی نوسان ساز را در مخارج از مدار با آی سی های (TTL) مانند 7404 و یک کریستال می ساختند و بعدا وارد مدار ریز پردازنده می نمودند.

اکنون نیز همان سیستم ها برقرار است ولی با پیشرفت تکنولوژی از روشهای بهتر و مداراتی که دارای تشعشع کمتر و انرژی تلف شده کمتری می باشند استفاده می کنند مثلا در ریزپردازنده DX4 80486 ساخت شرکت اینتل از یک سیگنال ساعت داخلی یا سرعت 100 مگاهرتز استفاده شده است.

توجه: چون سرعت پردازش در CPU ها بسیار اهمیت دارد در نامگذاری کامپیوترها ضمن اسم بردن از پردازنده سرعت ساعت آنرا نیز بازگو می کنند مثلا P5-100 یعنی پردازنده این کامپیوتر پنتیوم (80568) و سرعت آن 100 مگاهرتز است یا P5-200/MMX یعنی پردازنده پنتیوم یا سرعت 200 مگاهرتز یا تکنولوژی MMX می‎باشد.

5-1- آشنایی با مدیریت انرژی پردازنده

بمنظور جلوگیری از انرژی تلف شده در پردازنده ها و کنترول توان مصرفی آنها در برنامه Setup سیستم بخشی به نام power management در نظر گرفته شده است تا در زمان استفاده نکردن از کامپیوتر پس از مدت زمانی که در تنظیم setup وجود دارد سیستم  بحالت خاموش یا reset می رود. بدیهی است بمحض استفاده از کامپیوتر مجدداً بحالت فعال در آمده و عملیات خود را انجام می‎دهد.

توجه: در برنامه های NU و NC نیز گزینه های مانند contigure وجود دارد که میتوان انرژی سیستم و پردازنده و مانیتور را مدیریت و کنترل نمود.

6-1- آشنایی با ولتاژ عملیات پردازنده

پردازنده های پنتیوم سری p54c با یک ولتاژ کار می کرد. ولی پردازنده های P55C به علت تغییر در جریان برق تغذیه کننده، تکنولوژی دوگانه به کار رفته است. این پردازنده جهت کاهش حرارت به 2 ولتاژ مختلف یکی 2.5 ولت برای هسته  ودیگری 3.3 ولت برای بخش ورودی / خروجی نیاز دارد.

بطور کلی یکی از تکنولوژی های تولید پردازنده این است که سیم کشی های درون آن نازکتر باشند که در این صورت پردازنده به ولتاژ و جریان کمتری نیاز خواهد داشت و همین مسئله باعث می‎شود که پردازنده ها با سرعت بیشتری کار کرده و گرمای کمتری تولید کنند. به همین دلیل پردازنده های با ولتاژ دوگانه طراحی شده است.

ولی بخش ورودی / خروجی (I/O) به 3.3 ولت نیاز دارد که در مادربردهای جدید Soket 7  بکار رفته و هر کارخانه سازنده با ولتاژهای مختلفی کار می کنند که در زیر، ولتاژ چند پر دازنده مختلف بعنوان نمونه ذکر شده است.

7-1- آشنایی با خاصیت MMX در پردازنده ها

MMX تکنولوژی است که در ژانویه 1997 به بازار آمد و هدف آن افزایش سرعت و کیفیت کارهای مالتی مدیا (چند رسانه ای) می باشد که در این پردازنده ها یک سری دستورالعملهای جدید ایجاد شده که حدودا 57 دستور العمل است. یعنی 4 نوع داده (data type) جدید و 8 رجیستر 64 بیتی به پردازنده های قبلی اضافه شده است که توانایی پردازنده را بالا برده و برنامه نویسان حرفه ای می‎تواند در برنامه هایشان از این دستور العمل ها استفاده نمایند تا سرعت اجرای برنامه افزایش یابد. برنامه هایی که با استفاده از دستورات mmx نوشته می‎شوند و در پردازنده های معمولی نیز اجرا می‎شوند ولی سرعت اجرای برنامه کمتر می‎باشد. CPU های MMX به P55C معروف می باشند.

2- توانایی شناخت نسلهای پردازنده

کامپیوترها از زمان تولد تا کنون دچار تحولات و تغییرات بسیار زیادی شده اند بطوریکه پردازنده ها که مغز اصلی کامپیوترها هستند، مرتبا در حال تکامل و پیشرفت می باشند و انواع جدید آنها با قیمتهای کم و سرعتهای بالا و هوشمند ببازار عرضه می‎شود. بدانجهت قبل از شناخت نسلهای پردازنده اشاره مختصری به نسلهای کامپیوتر خواهیم داشت.

1- نسل اول (لامپهای خلاء)

این نلس که در سال 1946 تا 1959 تولید شد براساس لامپهای خلاء ساخته و عرضه گردید. منتها بعلت بزرگی و مصرف انرژی زیاد و قیمت بالا و سرعت کم سریعا از رده خارج شد.

2- نسل دوم (ترانزیستوری)

این نسل از کامپیوترها از سال 1959 تا 1964 تولید شدند که پردازش اطلاعات آن توسط مدارات تراتریستوری انجام می گرفت و نسبت به نسل اول کوچگتر و دارای سرعت بالایی بودند. از معروفترین کامپیوترهای این نسل می‎توان به کامپیوترهای IBM اشاره نمود.

3- نسل سوم (مدارات مجتمع یا IC)

این نوع از کامپیوترها که از سال 1964 تا 1971 تولید شد. در مدارات خود از مدارات مجتمع یا IC که مخفف کلمات (Integrate circuits) است استفاده گردید. این نسلی از کامپیوترها دارای ویژگی بهتری نبست به نسل های قبلی بود و علاوه بر کوچک شدن حجم کامپیوتر سرعت آن نیز بالاتر رفته و عملیات پردازش اطلاعات سریعتر بود.

4- نسل چهارم (ریزپردازنده ها)

این نوع از کامپیوترها که از سال 1971 تا کنون ساخت می‎شوند از مدارات مجتمع پیچیده ای تشکیل شده اند که آنها از ریز پردازنده یا میکروپروسسور می گویند.  واز ویژگی های این نسل کوچکتر شدن کامپیوترها و مصرف انرژی کم و هزینه ساخت کم است. میتوان کامپیوترهای شخصی را جزو این نسل را کامپیوتر داشت.

5- نسل پنجم (کامپیوترهای هوشمند)

این نوع کامپیوترها که از سال 1990 به بعد طراحی شد براساس منطق فازی پایه گذاری شده که می‎توان به  با هوش بودن کامپیوترها اشاره کرد.

حال با توجه به مقدمه بالا نسلهای پردازنده را توضیح می‎دهیم:

شناخت نسلهای پردازنده:

پردازنده یا CPU مسئول ارسال و پردازش اطلاعات و اجرای دستورالعملها می‎باشد که در حقیقت به عنوان مغز کامپیوتر عمل می نماید.

همانطور که در شکل بالا مشاهده می‎کنید هر CPU دارای چندین پایه می باشد که براحتی در سوکت CPU بر روی مادربرد قرار می‎گیرد و اعمال زیر را انجام می‎دهد:

الف) کنترل تمام عملیات محاسباتی

ب) کنترل و پردازش اطلاعات

پردازنده را در کامپیوترهای شخصی مدار مجتمع یا آی سی (IC) chips (چیپ) یا تراشه، میکروپروسسور و یا ریز پردازنده می‎نامند.

معمولاً در ساختمان پردازنده ها از سیلیکون که خاصیت نیمه هادی دارد استفاده می کنند و هر شرکت روش مخصوصی برای ساخت پردازنده ها بکار می برند که در بخشهای دیگر توضیح بیشتری داده خواهد شد.

لازم است، هر پردازنده قبل از استفاده کاملاً شناخته شود زیرا هر کدام دارای مشخصاتی هستند که دستور العمل های بخصوصی را اجرا می کنند.

بر روی هر پر دازنده یک سری حروف و ارقام مشاهده می‎شود که اگر شناختی از این مشخصات داشته باشیم می توانیم به نسل پردازنده ها پی ببریم بدیهی است شرکتهای زیادی در تولید پردازنده ها فعال هستند مانند IBM ، Cyrix ، AMD موتورولا و غیره  … که در بین آنها محصولات شرکتهای اینتل و موتورولا معروفتر و متداولتر است. این شرکتها پردازنده های خود را با شماره های اختصاص 86*80 و XXX 68 معرفی کرده که حرف X با توجه به تکامل پردازنده ها یک عدد یک رقمی می‎باشد. دو رقم سمت چپ نام پردازنده را مشخص می‎کند و سه رقم سمت راست نسل پردازنده را مشخص می نماید. مثلا در پردازنده 80286 عدد 80 نشان دهنده شرکت اینتل و 286 نوع پردازنده می‎باشد که نسل دوم را نمایش می‎دهد.

در این کتاب فقط پردازنده های شرکت اینتل توضیح داده می‎شود.

1-2- آشنایی با پردازنده مدل 8086/8088

پردازنده 8086 در سال 1978 و پردازنده 8088 د رسال 1979 توسط شرکت اینتل معرفی گردید و این پردازنده ها در زمان خود سریعترین پردازنده بحساب می آمد که از نظر کیفیت و قیمت و کنترل وسایل جانبی بهتر از پردازنده های دیگر بود و دارای سرعت 477 و 8 مگاهرتز بوده که حدودا 29 هزار تراتریستور در آن بکار رفته و حافظه آدرس پذیری آن یک مگابایت بود و جزو پردازنده های نسل اول بشمار می آمدند.

یکی از مزایای این پردازنده نسبت به پردازنده های قبلی این بود که اطلاعات به صورت 16 بیتی در داخل پردازش و بصورت 8 بیتی به گذرگاه خارجی اتصال داشت.

2-2-

IBM بعد  از پردازنده 8086 و 8088 X در سال 1982 پردازنده های 80186 را معرفی نمود که این پردازنده ها به مقادیر کافی و در زمان های لازم برای طراحی یک کامپیوتر پر فروش در دسترس نبودند. این پردازنده در بعضی از بردهای اختیاری مانند کارت IBM ARTJC که یک پردازنده مخصوص real- time است استفاده گردید و جای این پردازنده سریعا توسط پردازنده 80286 در فوریه گرفته شد.

3-2- آشنایی با پردازنده XT 80286

این پردازنده که در سال 1982 توسط شرکت اینتل معرفی شد جزو پردازنده های نسل دوم است و قادر است 16 مگابایت حافظه را آدرس دهی نماید و همچنین 16 بیت اطلاعات را پردازش و به صورت 16 بیتی به گذرگاه خارجی اتصال یابد تعداد تراتریستورهای بکار رفته حدودا 130000 عدد می باشد.

علت استفاده شرکت اینتل از حروفات XT در آخر نام پردازنده استفاده از حافظه های الحاقی (Expanded- memory) است که در نسل های قبلی امکان پذیر نبود و یکی از مزایای این پردازنده شروع عملکرد چند برنامه ای یعنی توانائی انجام چند کار با برنامه های گوناگون بود به حالتهای real - mode یا (protected) از آن زمان ارائه گردید. البته سیستم عامل DOS چنین قابلیتی را نداشت اما سیستم عامل های بعدی مانند ویندوز چنین قابلیتی را ارائه داد.

شرکت IBM این پردازنده را در سال 1984 روی کامپیوترهای AT بکار برد و سرعت آنرا از 6 مگاهرتز ارتقاء داد.

4-2- آشنائی با پردازنده مدل 80386

این پردازنده در سال 1985 توسط شرکت اینتل ببازار معرفی شد و یکی از ایده های جدید این نسل 32 بیتی بودن آن است. یعنی قادر بود دو برابر داده را پردازش و با تجهیزات جانبی 32 بیتی ارتباط برقرار نماید و سرعت این پردازنده 16 و 20 و 25 و 33 مگاهرتز بوده و قادر است 4 گیگا بایت حافظه را آدرس دهی نماید و همچنین شرکت اینتل درسال 1988 پردازنده SX 80386 را وارد بازار کرد که از 275000 تراتریستور تشکیل شده بود و میتوانست با کمک پردازنده 80387 که یک پردازنده محاسباتی کمک بود کار نماید. این عمل باعث شد که این پردازنده بتواند با برنامه های گرافیکی و صفحه گسترده براحتی کار کند. یکی از مزایای خوب این پردازنده قیمت ارزان آن بود که این عمل موجب شد که پردازنده 80286 سریعا از رده خارج  شود.