تعریف ریزپردازنده

تعریف ریزپردازنده:
رایانه ای که برای خواندن این صفحه از آن استفاده می کنید از یک ریزپردازنده یا میکروپروسسور (Microprocessor) برای انجام کار خود بهره می برد.

ریزپردازنده قلب هر رایانه عادی است، خواه یک دستگاه دسکتاپ باشد، خواه یک سرور یا یک لپ تاپ. ریزپردازنده ای که استفاده می کنید ممکن است یک Pentium، یک K6، یک PowerPC، یک Sparc یا هریک از نام های تجاری و انواع دیگر ریزپردازنده ها باشد، اما نکته مهم همه میکروپروسسورها این است که تقریباً به روش مشابه عمل می کنند. در این آموزش با ریزپردازنده و نحوه کار آن آشنا می شویم.

ریزپردازنده، که به عنوان CPU یا واحد پردازش مرکزی نیز شناخته می شود، یک موتور محاسباتی کامل است که روی یک تراشه ساخته می شود.

اولین ریزپردازنده اینتل 4004 بود که در سال 1971 معرفی شد. ریز پردازنده 4004 چندان قدرتمند نبود و تنها کاری که می توانست انجام دهد جمع و تفریق بود و همزمان تنها با 4 بیت کار می کرد. اما شگفت آور بود که همه چیز روی یک تراشه قرار داشت.

قبل از 4004، مهندسان کامپیوترها را از مجموعه تراشه ها یا از اجزای گسسته مانند ترانزیستورها می ساختند. ریزپردازنده 4004 مجهز به یکی از اولین ماشین حساب های الکترونیکی قابل حمل بود.

می توان چنین گفت که میکروپروسسور نوعی آی سی است که فقط واحد پردازش مرکزی (CPU) دارد و فاقد سایر اجزای لازم در داخل آی سی است.

در واقع، بسته بندی این قطعه شامل رم، رام و سایر اجزای مورد نیاز برای انجام یک کار مشخص نیست. به همین دلیل برای تکمیل آن به اجزا و قطعات خارجی نیاز است.

پیشرفت ریزپردازنده: اینتل:
اولین ریزپردازنده ای که منجر به یک رایانه خانگی شد، اینتل 8080 (Intel 8080) بود؛ یک کامپیوتر کامل 8 بیتی روی یک تراشه، که در سال 1974 معرفی شد.

اولین ریزپردازنده ای که در بازار سر و صدا به پا کرد اینتل 8088 (Intel 8088) بود که در سال 1979 معرفی شد و در کامپیوتر شخصی آی بی ام (IBM PC)، که اولین بار در حدود سال 1982 ظاهر شد، به کار رفت.

اگر با بازار رایانه های شخصی و تاریخچه آن ها آشنایی داشته باشید، می دانید که بازار رایانه های شخصی از 8088 به 80286 به 80386 به 80486 به 80486 به پنتیوم به پنتیوم 2 به پنتیوم 3 به پنتیوم 4 تغییر کرد. همه این ریزپردازنده ها توسط اینتل ساخته شده اند و همه آن ها پیشرفت در طراحی بر پایه 8088 هستند.

پنتیوم 4 قادر به اجرای هر قطعه کدی است که با نسخه اصلی 8088 اجرا می شود، با این تفاوت که آن را 5000 بار سریع تر انجام می دهد!

از سال 2004، اینتل ریزپردازنده هایی با چندین هسته و میلیون ها ترانزیستور دیگر را معرفی کرده است. اما حتی این ریزپردازنده ها نیز از همان قوانین کلی تراشه های قبلی پیروی می کنند. جدول زیر مشخصات ریزپردازنده های مختلف را نشان می دهد.

اطلاعات تکمیلی در مورد جدول بالا به شرح زیر است:

منظور از سال، سالی است که پردازنده برای اولین بار معرفی شده است. بسیاری از پردازنده ها سال ها پس از تاریخ انتشار با سرعت کلاک بالاتر دوباره معرفی می شوند.

ترانزیستور تعداد ترانزیستورهای تراشه است. می بینید که در طول سال ها تعداد ترانزیستورهای یک تراشه به طور پیوسته افزایش یافته است.

میکرون به پهنا برحسب میکرون اشاره دارد که کوچک ترین سیم روی تراشه است. برای مقایسه، ضخامت موی انسان 100 میکرون است. با پایین آمدن اندازه ویژگی در تراشه، تعداد ترانزیستورها افزایش می یابد.
سرعت کلاک حداکثر سرعتی است که می توان تراشه را با آن کلاک کرد. سرعت کلاک را در بخش بعدی بیشتر معرفی می کنیم.

پهنای داده پهنای واحد محاسبه و منطق (ALU) است. یک ALU هشت بیتی می تواند جمع/تفریق/ضرب و غیره دو عدد 8 بیتی را انجام دهد، در حالی که یک واحد محاسبه و منطق 32 بیتی می تواند با اعداد 32 بیتی کار کند. یک ALU هشت بیتی باید چهار دستورالعمل را برای جمع کردن دو عدد 32 بیتی اجرا کند، در حالی که یک واحد محاسبه و منطق 32 بیتی می تواند آن را در یک دستورالعمل انجام دهد.

در بسیاری از موارد، پهنای گذرگاه داده خارجی با ALU برابر است، اما نه همیشه. ریزپردازنده 8088 دارای یک واحد محاسبه و منطق 16 بیتی و یک گذرگاه 8 بیتی داشت، در حالی که پنتیوم های مدرن داده 64 بیتی را برای ALUهای 32 بیتی خود واکشی می کنند.

MIPS مخفف «میلیون دستور در ثانیه» است و معیار تقریبی عملکرد CPU است. پردازنده های مدرن می توانند کارهای مختلفی را انجام دهند که رتبه بندی MIPS معنای خود را تا حد زیادی از دست بدهد، اما می توانید از این ستون درک کلی قدرت نسبی پردازنده ها را به دست آورید.

از این جدول می بینید که به طور کلی، بین سرعت کلاک (ساعت) و MIPS رابطه وجود دارد. حداکثر سرعت کلاک تابعی از روند تولید است و در تراشه تأخیر دارد. همچنین بین تعداد ترانزیستورها و MIPS رابطه وجود دارد.

به عنوان مثال، 8088 با سرعت 5 مگاهرتز کلاک می شود، اما فقط در MIPS برابر با 0٫33 (تقریباً یک دستورالعمل در هر 15 سیکل ساعت) اجرا می شود. پردازنده های مدرن اغلب می توانند با سرعت دو دستورالعمل در هر سیکل ساعت کار کنند. این پیشرفت ارتباط مستقیمی با تعداد ترانزیستورهای تراشه دارد.

برای درک چگونگی عملکرد ریزپردازنده، بهتر است که به درون آن نگاهی بیندازیم و با منطق مورد استفاده برای ایجاد یک ریزپردازنده آشنا شویم. در این فرایند می توانید در مورد زبان اسمبلی - زبان مادری ریزپردازنده - و بسیاری از کارهایی که مهندسان برای افزایش سرعت پردازنده انجام می دهند، یاد بگیرید.