تاريخچه

رله‌ها و لامپ‌هاي خلأ كه عموماً به عنوان عناصر سوئيچينگ مورد استفاده قرار مي‌گرفتند. يك كامپيوتر مفيد به هزاران يا صدها هزار از اين المان‌هاي سوئيچينگ نياز دارد و سرعت كلي سيستم به سرعت اين سوئيچ‌ها وابسته است. كامپيوترهاي لامپ خلأ نزير EDVAC تقريباً ۸ ساعت بدون خرابي كار مي‌كردند در حالي كه كامپيوترهاي رله‌اي مانند طراحي هاروارد خيلي زودتر با مشكل مواجه مي‌شدند. در نهايت CPUهاي بر پايه لامپ خلأ به دليل سرعت قابل توجه و قابليت اطمينان بيشتر برهم نوعان خود پيروز شدند. اغلب CPUهاي سنكرون نسبت به CPUهاي مدرن با فركانس كلاك كمتري در حد ۱۰۰Hz تا ۴ MHz كار مي‌كردند كه اين محدوديت به دليل سرعت كم المان‌هاي سوئيچ بود. سخت‌افزار - واحد پردازش مركزي - CPU (قسمت اول) vida - جمعه، ۲۰ مهر ماه، ۱۳۸۶ ۲۳:۴۲:۴۳ موضوع: واحد پردازش مركزي - CPU (قسمت اول) CPU و اجزاي داخلي آن: CPU يا واحد پردازش مركزي (Central Process Unit)، بخشي از سيستم‌هاي پردازشي و رايانه‌ها است كه وظيفهٔ آن پردازش اطلاعات، با توجه به برنامهٔ در نظر گرفته شده براي آن است. يك CPU از يك چيپ كه متشكل از تعداد زيادي ترانزيستور است (بين چند هزار تا چند ميليون كه بستگي به مشخصات CPU دارد) تشكيل شده‌است. بلوك دياگرام داخلي يك CPU به‌طور خلاصه در شكل زير نشان داده شده‌است: ALU واحد محاسبات و منطق (Arithmetic Logic Unit) است كه وظيفهٔ آن انجام عمليات منطقي نظير جمع، تفريق و … و همچنين عملياتي نظير AND , OR و … بر روي داده‌ها است. يك ALU را به‌طور خلاصه مي‌توان يك جمع‌كننده كامل در نظر گرفت؛ البته با پيچيدگي‌هاي خاص خود. Registerها وظيفهٔ نگهداري اطلاعات را به صورت موقت در داخل CPU بر عهده دارند كه اين اطلاعات مي‌تواند اطلاعات دريافتي از درگاه‌هاي ورودي باشد (پورتها) يا اطلاعات حاصل از انجام عمليات منطقي. البته معمولاً يك رجيستر مخصوص كه به آن انباره يا آكامالاتور نيز گفته مي‌شود وجود دارد كه در اكثر عمليات منطقي شركت مي‌كند. واحد Memory Interface وظيفهٔ ايجاد ارتباط با حافظهٔ جانبي را بر عهده دارد كه عمل خواندن يا نوشتن از حافظه و انتقال اطلاعات بين CPU و حافظه نيز از وظايف مربوط به اين بخش است. واحد Instruction Fetcher اطلاعات مربوط به دستور العمل‌هاي اجرايي را از واحد حافظه دريافت و به واحد رمز گشايي (Instruction Decoder) تحويل مي‌دهد. به عبارت ديگر وظيفهٔ بخش Instruction Fetcher، واكشي كدهاي دستور از حافظه با كمك بخش Memory Interface و اعمال آن به بخش رمزگشايي است. واحد رمزگشايي نيز پس از دريافت كد مربوط به دستور مورد نظر، آن را رمز گشايي و عمل مربوط به آن را انجام مي‌دهد. فاكتورهاي مهم در يك CPU: هر CPU با يك سري از خصوصيات و فاكتورهايي در ساختار طراحي و توليد خود شناخته مي‌شود كه مهمترين فاكتورها عبارتند از: - پهناي گذرگاه داده: اين خصوصيات به مشخصات ALU و رجيسترهاي مرتبط با آن بستگي دارد و بيانگر اين است كه اطلاعات پردازش شده توسط CPU چند بيتي است. به عنوان نمونه يك CPU كه گذرگاه دادهٔ آن ۱۶ بيتي است، توانايي پردازش اطلاعات و دستورها را به صورت ۱۶ بيتي دارد و به همين دليل به آن پردازندهٔ ۱۶ بيتي اطلاق مي‌شود. - پهناي گذرگاه آدرس: همان‌طور كه در شكل نيز نشان داده شد، اطلاعات و همچنين دستورالعمل‌هاي اجرايي در واحدهاي خارجي از CPU نگهداري مي‌شوند. توسط گذرگاه آدرس مي‌توان حافظه‌ها و پورت‌هاي خروجي را آدرس دهي كرد تا به اين وسيله بتوان به آن‌ها نظم بخشيد و با آن‌ها ارتباط برقرار كرد. پهناي گذرگاه آدرس، نشان دهندهٔ توانايي CPU در آدرس دهي حافظه‌ها يا پورت‌هاي خارجي مي‌باشد. به عنوان نمونه يك CPU با گذرگاه ۱۶ بيتي، توانايي آدرس دهي ۶۵۵۳۶ خانه از حافظهٔ خارجي را دارد. - فركانس كاري: فركانس كاري يك CPU بيانگر سرعت كاري آن است و هر ميزان بالاتر باشد، CPU سريعتر عمل مي‌كند و اطلاعات را پردازش مي‌كند. در حال حاضر CPUهاي ساخته شده تا محدودهٔ سرعت چند ميليون دستور در ثانيه به پردازش اطلاعات مي‌پردازند. - شركت سازنده: كه بيانگر اين است كه CPU توسط كدام كمپاني ساخته شده‌است و به كدام خانواده از CPUها تعلق دارد كه معروف‌ترين آن‌ها عبارتند از Intel ,IBM , AMD , Syrex , Motorola, IDT, NIC , IIT. البته طراحي و خصوصيات يك CPU به شرايطي كه قرار است در ان به كار گرفته شود بستگي دارد و سرعت و … با توجه به اين موضوع تعيين مي‌شود. به عنوان مثال CPUهايي كه بايد در ابر كامپيوترها به كار گرفته مي‌شوند با CPUهايي كه در سيستم‌هاي كنترلي كوچك به كار گرفته مي‌شوند داراي تفاوت‌هاي بسيار در سطح قدرت پردازش هستند، اما هر كدام با توجه به شرايط كاري خود طراحي شده‌اند. بر همين اساس در سيستم‌هاي پردازشي كوچك به جاي پردازنده‌ها، از ريز پردازنده‌ها استفاده مي‌شود كه داراي سرعت، حجم و امكانات كمتري نسبت به پردازنده‌هاي معمول هستند، اما با اين حال به خوبي از عهدهٔ كنترل سيستم‌هاي كوچك بر مي ايند و در ساخت اين‌گونه سيستم‌ها به كار‌گيري آن‌ها بسيار با صرفه تر و آسانتر از به كار‌گيري پردازنده‌ها است. نمونه‌اي از اين ريز پردازنده‌ها، Z80 و ۸۰۸۶ هستند كه از نظر ساختاري بسيار منطبق با مطالب گفته شده هستند. به‌طور مثال بلوك دياگرام داخلي ريز پردازندهٔ Z80 در شكل زير نشان داده شده‌است: نكته: موارد گفته شده تنها بررسي يك CPU به صورت كلي بود، اما در مواردي ممكن است كه اجزاي داخلي CPU، بيش از موارد گفته شده باشد كه بستگي به نوع و طراحي CPU دارد. حافظهٔ كش يكي از اين موارد است كه امروزه در اكثر CPUها كه براي اعمال پردازشي نسبتاً سنگين طراحي شده‌اند، در حجم‌هاي مختلف قرار داده شده‌است.