حافظه، عملکرد و روندهای ریزپردازنده

حافظه ریزپردازنده:
در بخش قبلی در مورد آدرس و گذرگاه داده و همچنین خطوط RD و WR صحبت شد. این گذرگاه های و خطوط یا به رم (RAM) یا رام (ROM) و به طور کلی هر دو متصل می شوند.

در ریز پردازنده نمونه ما، یک گذرگاه آدرس به عرض 8 بیت و یک گذرگاه داده با عرض 8 بیت داریم. این بدین معناست که ریزپردازنده می تواند 256=28 بایت حافظه را آدرس دهی کند، و می تواند 8 بیت حافظه را همزمان بخواند یا بنویسد.

بیایید فرض کنیم این ریزپردازنده ساده 128 بایت ROM از آدرس 0 و 128 بایت RAM از آدرس 128 شروع می کند.

ROM مخفف حافظه فقط خواندنی است. تراشه ROM با مجموعه دائمی بایت از پیش تنظیم شده برنامه ریزی شده است.

گذرگاه آدرس دهی به تراشه ROM می گوید که کدام بایت را گرفته و در گذرگاه داده قرار دهید. وقتی خط RD حالت را تغییر می دهد، تراشه ROM بایت انتخاب شده را روی گذرگاه داده نمایش می دهد.

RAM مخفف حافظه دسترسی تصادفی است. RAM شامل بایت اطلاعات است و ریزپردازنده بسته به سیگنال شدن خط RD یا WR می تواند آن بایت ها را بخواند یا بنویسد. یک مشکل تراشه های RAM امروزی این است که با قطع شدن برق همه چیز را فراموش می کنند. به همین دلیل کامپیوتر به ROM نیاز دارد.

به هر حال، تقریباً همه رایانه ها حاوی مقداری ROM هستند (می توان یک رایانه ساده ساخت که فاقد RAM باشد.

بسیاری از میکروکنترلرها این کار را با قرار دادن تعداد کمی بایت RAM روی تراشه پردازنده انجام می دهند. اما ایجاد آن بون ROM غیرممکن است).

در رایانه شخصی، ROM را BIOS (سیستم اصلی ورودی/خروجی) می نامند. هنگامی که ریزپردازنده شروع به کار می کند، دستورالعمل هایی را که در BIOS پیدا می کند، شروع به پیگیری خواهد کرد. دستورالعمل های BIOS مواردی مانند آزمایش سخت افزار در دستگاه را انجام می دهند و سپس برای واکشی بخش بوت به هارددیسک می روند.

این بخش بوت یک برنامه کوچک دیگر است و BIOS پس از خواندن از روی دیسک، آن را در RAM ذخیره می کند.

سپس ریزپردازنده شروع به اجرای دستورالعمل های بخش بوت از RAM می کند. برنامه بخش بوت به ریزپردازنده می گوید که چیز دیگری را از هارد دیسک به RAM بیاورد، سپس ریزپردازنده آن را اجرا می کند و…. به این ترتیب ریزپردازنده کل سیستم عامل را بارگیری و اجرا می کند.

عملکرد و روندهای ریزپردازنده:
تعداد ترانزیستورهای موجود تأثیر به سزایی در عملکرد پردازنده دارد. همان طور که قبلاً مشاهده شد، اجرای یک دستورالعمل معمولی در پردازنده ای مانند 8088 به 15 چرخه ساعت نیاز دارد.

به دلیل طراحی ضریب، تقریباً 80 چرخه طول می کشید تا فقط یک ضرب 16 بیتی در 8088 انجام شود. با ترانزیستورهای بیشتر، ضرب های بسیار قدرتمندتر با سرعت تک چرخه امکان پذیر است.

ترانزیستورهای بیشتر امکان ایجاد فناوری به نام «خط لوله» (Pipelining) را نیز فراهم می کنند. در معماری خط لوله، اجرای دستورالعمل ها با هم همپوشانی دارند. بنابراین، حتی اگر اجرای هر دستورالعمل ممکن است پنج چرخه ساعت طول بکشد، در مراحل مختلف اجرا همزمان می توان پنج دستورالعمل داشت. به این ترتیب به نظر می رسد که یک دستورالعمل هر چرخه ساعت را کامل می کند.

بسیاری از پردازنده های مدرن دیکدر دستورالعمل های متعددی دارند که هر کدام خط لوله مخصوص به خود را دارند.

این امکان برای چندین جریان دستورالعمل فراهم می کند، به این معنی که بیش از یک دستورالعمل می تواند در طول هر چرخه ساعت تکمیل شود. اجرای این روش می تواند کاملاً پیچیده باشد، بنابراین ترانزیستورهای زیادی را می طلبد.

روندها:
روند طراحی پردازنده در درجه اول به سمت ALUهای 32 بیتی کامل با پردازنده های شناور سریع در داخل و اجرای خط لوله با چندین جریان دستورالعمل بوده است. جدیدترین مورد در طراحی پردازنده ALUهای 64 بیتی است و انتظار می رود مردم در دهه آینده این پردازنده ها را در رایانه های شخصی خود داشته باشند.

همچنین تمایل به دستورالعمل های خاص (مانند دستورالعمل های MMX) وجود دارد که عملکردهای خاص را به ویژه کارآمد می کند و همچنین در آن از پشتیبانی از حافظه مجازی سخت افزاری و کش L1 بر روی تراشه پردازنده استفاده می شود.

همه این روندها شمار ترانزیستورها را بالا می برند و منجر به تولید نیروگاه های چند میلیونی ترانزیستوری امروزی می شوند. این پردازنده ها می توانند در هر ثانیه حدود یک میلیارد دستورالعمل را اجرا کنند!