پردازنده (CPU) چیست؟ تاریخچه، وظایف و اجزای آن

همه چیز در مورد پردازنده یا همان CPU 

پردازنده (CPU) چیست؟ تاریخچه، وظایف و اجزای آن

این پست در رابطه با تاریخچه، وظایف و اجزای پردازنده‌‌های (Central Processing Unit) کامپیوتر و موبایل جمع آوری شده است با دانشچی همراه باشید.

پردازنده چیست؟ – CPU

پردازنده یا CPU که مخفف کلمه Central Processing Unit می‌باشد، یک قطعه سخت افزاری در رایانه‌ها است که وظیفه آن پردازش اطلاعات و اجرای آن‌ها در سیستم است و محاسبات پایه ای، منطق و عمل ورودی/خروجی بر عهده دارد.

یکی از اجزای اصلی CPU، واحد محاسبه و منطق (ALU) است که وظیفه اجرای اعمال محاسباتی و اعمال منطقی را بر عهده دارد. واحد ALU همچنین شامل ثبّات‌ها (Registers) است که وظیفه تغذیه عملوندها به ALU و ذخیره نتایج عملکرد آن را بر عهده دارند. واحد ALU همچنین شامل یک واحد کنترلی است که وظیفه تنظیم واکِشی (Fetching) و اجرای دستورالعمل‌ها (از داخل مموری) را از طریق هدایت هماهنگ به ALU، رجیسترها و سایر اجزا بر عهده دارد.

اکثر CPU های جدید ریزپردازنده ای هستند، که در آن CPU بر روی یک مدار مجتمع (IC) تنهای ساخته شده از نیمه رسانای-فلز-اکسید قرار داده می‌شود. یک IC علاوه بر CPU ممکن است شامل حافظه، رابط‌های جانبی و دیگر اجزای رایانه باشد؛ این چنین تجهیزات مجتمعی را معمولاً میکروکنترلر یا SoC (سیستم روی یک تراشه) می‌خوانند. در بعضی رایانه‌ها از پردازنده‌های چندهسته‌ای استفاده می‌شود. این پردازنده‌ها شامل یک مدارمجتمع هستند که شامل دو یا چند “هسته” یا “core” می‌باشند.

آرایه‌پردازها یا پردازنده‌های برداری دارای پردازنده‌های چندگانه هستند که به صورت موازی با هم کار می‌کنند، و در آن هیچ واحدی مرکزی در نظر گرفته نمی‌شود.

شکل ظاهری، طراحی و نحوه به‌کارگیری پردازنده‌ها در طول دوره تاریخ شکل‌گیری آن‌ها تغییر کرده‌است ولی عملکرد پایه ای آن‌ها بدون تغییر باقی مانده‌است.
مدت زمان انجام یک کار به‌وسیله رایانه، به عوامل متعددی بستگی دارد که مهمترین آنها، سرعت پردازنده است. سرعت پردازنده معمولاً بر حسب مگاهرتز یا گیگاهرتز سنجیده می‌شود. هر چه مقدار این پارامتر بیشتر باشد، پردازنده سریعتر خواهد بود و در نتیجه قادر خواهد بود، محاسبات بیشتری را در هر ثانیه انجام دهد.

نسل سوم پردازنده‌های سرور اپیک (۳rd Gen EPYC) با نام میلان (Milan) شناخته می‌شوند.

تاریخچه پردازنده

در رایانه‌های اولیه مانند انیاک برای تغییر وظایف رایانه نیاز بود که سیم کشی تغییر داده شود، به همین دلیل به آنها «رایانه‌های برنامه-ثابت» می‌گفتند. از آنجایی که “CPU” معمولاً به عنوان وسیله ای که وظیفه اجرای برنامه‌ها را دارد، شناخته می‌شود، اولین وسایلی را که بتوان واقعا “CPU” خواند با اختراع رایانه‌های دارای قابلیت ذخیره برنامه ساخته شدند.

پردازنده‌های اولیه به عنوان یک بخش از سامانه‌ای بزرگ‌تر که معمولاً یک نوع رایانه‌است، دارای طراحی سفارشی بودند. این روش گران‌قیمت طراحی سفارشی پردازنده‌ها برای یک بخش خاص، به شکل قابل توجهی، مسیر تولید انبوه آن را که برای اهداف زیادی قابل استفاده بود فراهم نمود. این استانداردسازی روند قابل ملاحظه‌ای را در عصر مجزای ابر رایانه‌های ترانزیستوری و ریز کامپیوترها آغاز نمود و راه عمومی نمودن مدارات مجتمع (IC یا Integrated Circuit) را سرعت فراوانی بخشید.

یک مدار مجتمع، امکان افزایش پیچیدگی‌ها برای طراحی پردازنده‌ها و ساختن آن‌ها در مقیاس کوچک را (در حد میلیمتر) امکان‌پذیر می‌سازد. هر دو فرایند (کوچک‌سازی و استانداردسازی پردازنده‌ها)، حضور این تجهیزات رقمی را در زندگی مدرن گسترش داد و آن را به فراتر از یک دستگاه خاص مانند رایانه تبدیل کرد. ریز پردازنده‌های جدید را در هر چیزی از خودروها گرفته تا تلفن‌های همراه و حتی اسباب بازی‌های کودکان می‌توان یافت.

وظایف CPU

کارکرد اساسی اکثر ریزپردازنده‌ها، فارغ از شکل فیزیکی آنها، اجرای ترتیبی دستورالعمل‌هایی است که برنامه نامیده می‌شود. بحث در این مقوله نتیجه پیروی از قانون رایج نیومن را به همراه خواهد داشت. برنامه توسط یک سری از اعداد که در بخشی از حافظه ذخیره شده‌اند نمایش داده می‌شود. چهار مرحله که تقریباً تمامی ریزپردازنده‌هایی که از قانون فون نیومن در ساختارشان استفاده می‌کنند از آن پیروی می‌کنند عبارت‌اند از: واکِشی، دی کد یا رمزگشایی، اجرا و بازگشت برای نوشتن مجدد.

در طراحی یک سی پی یو یک لیست از عملیات بنام مجموعهٔ دستوری به صورت ذاتی وجود دارد که سی پی یو آن‌ها را انجام می‌دهد. چنین عملیاتی ممکن است شامل جمع یا تفریق کردن دو عدد، مقایسهٔ اعداد یا پرش به بخشی دیگر از یک برنامه باشد. هرکدام از این عملیات پایه‌ای توسط توالی خاصی از بیت‌ها نمایش داده می‌شود که این توالی برای چنین عملیات خاصی، Operation Code یا به صورت خلاصه اپکد (Opcode) نام دارد. فرستادن یک اپکد خاص به یک CPU باعث می‌شود تا CPU عملی را که توسط اپکد مذکور نمایش داده می‌شود انجام دهد. برای اجرای یک دستور در یک برنامهٔ کامپیوتری، CPU از اپکد دستور مذکور و نیز نشانوندهای آن (برای مثال، در مورد یک عمل جمع، دو عددی که قرار است با هم جمع شوند) استفاده می‌کند.

عمل ریاضی واقعی برای هر دستور توسط یک زیرواحد از سی پی یو به نام واحد محاسبه و منطق (ALU) انجام می‌گیرد. یک سی پی یو علاوه بر اینکه از ALU خودش برای انجام اعمال استفاده می‌کند، اعمال دیگری نظیر: خواندن دستور بعدی از حافظه، خواندن اطلاعات مشخص شده به صورت نشانوند از حافظه و نوشتن یافته‌های حاصل در حافظه را نیز به عهده دارد.

در بسیاری از طراحی‌های سی پی یو، یک مجموعهٔ دستوری مشخصا بین اعمالی که اطلاعات را از حافظه بارگیری می‌کنند و اعمال ریاضی افتراق می‌دهد. در این مورد اطلاعات بارگیری شده از حافظه در رجیسترها ذخیره می‌شود و یک عمل ریاضیاتی هیچ گونه نشانوندی نمی‌گیرد بلکه به سادگی عمل محاسباتی مذکور را روی اطلاعات موجود در رجیسترها انجام داده و آن را در یک رجیستر جدید می‌نویسد.

واکِشی (Fetch) 
اولین مرحله که واکِشی یا Fetch نام دارد، شامل بدست آوردن یک دستورالعمل (Instruction) از حافظه برنامه است که به صورت عدد یا مجموعه مرتبی از اعداد می‌باشد.

دی کد یا رمزگشایی (Decode)
دستورالعملی که CPU از حافظه واکشی می‌کند، تعیین می‌کند که CPU چه کاری باید انجام دهد. در مرحله دی کد یا رمزگشایی که توسط مداری که instruction decoder یا رمزگشای دستورالعمل نام دارد، دستورالعمل به سیگنال‌هایی تغییر داده می‌شود که سایر قسمت‌های CPU را کنترل می‌کند.

اجرا (Execute)
پس از مراحل واکشی و رمزگشایی، مرحله «اجرا» انجام می‌شود. بسته به نوع CPU این عمل می‌تواند یک عمل تنها یا مجموعه ای مرتب از اعمال مختلف باشد.

ساختار و اجزای پردازنده (CPU)

۱- واحد کنترل 
واحد کنترل (Control Unit) یا CU قسمتی از CPU است که مسیر عملکرد پردازنده را تعیین می‌کند. این واحد تعیین می‌کند که قسمت‌های مختلف رایانه از قبیل حافظه، ALU و ورودی /خروجی‌ها چگونه به یک دستورالعمل که به پردازنده فرستاده شده‌است پاسخ دهند.

۲- واحد محاسبات و منطق
واحد محاسبات و منطق (arithmetic logic unit ) یا ALU یک مدار دیجیتال داخل پردازنده است که حساب اعداد صحیح و منطق عملیات بیتی را انجام می‌دهد.

۳- واحد آدرس سازی 
واحد آدرس سازی (Address generation unit) یا AGU که گاهی «واحد محاسبه آدرس» یا ACU نیز خوانده می‌شود، یک واحد عملکردی در داخل CPU است که آدرس‌هایی را که CPU برای دسترسی به حافظه اصلی استفاده کرده‌است، محاسبه می‌کند.

۴- واحد مدیریت حافظه 
اکثر ریزپردازنده‌های جدید دارای واحدی به نام واحد مدیریت حافظه (Memory management unit) یا MMU هستند که آدرس‌های منطقی را به آدرس‌های RAM فیزیکی ترجمه می‌کنند.

۵-حافظه نهان یا کش (Cache)
حافظه نهان پردازنده یا CPU Cache یک حافظه نهان سخت‌افزاری است که توسط CPU استفاده می‌شود تا هزینه متوسط دسترسی به داده (یعنی زمان و انرژی) از حافظه اصلی کاهش یابد.

انواع پردازنده‌ها

۱- پردازنده‌های کامپیوتر

پردازنده اینتل: 

شرکت اینتل در سال ۱۹۶۸ توسط رابرت نویس و گوردون مور راه‌اندازی شد. این شرکت مبدع فناوری ریزپردازنده‌های اکس۸۶ می‌باشد. اینتل در دهه ۱۹۷۰ میلادی، یکی از قوی‌ترین تراشه‌ها یعنی اینتل ۸۰۸۶ را به بازار فروش قطعات کامپیوتری، عرضه کرد، که شرکت آی‌بی‌ام از این پردازنده برای محصول کامپیوتر شخصی خود استفاده نمود.

در دهه‌های نخست، مهم‌ترین رقیب اینتل، شرکت ای‌ام‌دی بود، که از سال ۲۰۰۰ با تسلط اینتل بر بازار پردازنده‌ها، هر سال این شرکت سهم بالاتری را به خود اختصاص داد و در سال ۲۰۱۳ تقریباً ۷۵٪ درصد از کامپیوترهای خانگی، از پردازنده‌های اینتل استفاده می‌کنند که این سلطه بر ای‌ام‌دی با ظهور پردازنده‌های رایزن از بین رفت. در سال ۲۰۱۳ مؤسسه اینتر برند، اینتل را به‌عنوان هفتمین برند ارزشمند جهان معرفی نمود.

دفتر مرکزی این شرکت در شهر سانتا کلارا، کالیفرنیا قرار دارد و سهام آن در بازار بورس نزدک معامله می‌شود. شرکت اینتل جزئی از میانگین صنعتی داو جونز و شاخص نزدک-۱۰۰ بشمار می‌آید.

پردازنده ای ام دی:

ای‌ام‌دی (Advanced Micro Devices) یا AMD  (به فارسی: دستگاه‌های کوچک پیشرفته) یک شرکت آمریکایی سازنده انواع پردازنده است که در سال ۱۹۶۹ توسط جری ساندرز تأسیس شد. ای‌ام‌دی رقیب اصلی شرکت اینتل محسوب می‌شود.

شرکت ای‌تی‌آی سازندهٔ کانادایی پردازنده‌های گرافیکی در سال ۲۰۰۶ میلادی توسط ای‌ام‌دی خریداری شد و هم‌اکنون به‌عنوان زیرمجموعهٔ این شرکت فعالیت می‌کند. شعبه مرکزی ای ام دی در سانتا کلارا کالیفرنیا واقع است .

شرکت ای‌ام‌دی در سال ۱۹۶۹ در کالیفرنیا با رویکرد تولید انواع نیمه رساناها از جمله انواع آی‌سی یا مدارات مجتمع و به‌تازگی انواع سی‌پی‌یو توسط جری ساندرز و همکارانش با سرمایه اولیه یکصد هزار دلار پایه‌گذاری شد. در سال ۱۹۷۰ اولین محصول این شرکت یک ماشین حساب بود. سال ۱۹۸۲ برای ای‌ام‌دی یک نقطه عطف بود چرا که در این سال این شرکت توانست به عنوان دومین سازنده میکروپروسسور با شرکت مادر تخصصی آی‌بی‌ام قرار داد منعقد کند و در سال ۱۹۸۴ به عنوان یکی از یکصد شرکت برتر در آمریکا شناخته شد و در حال حاضر AMD به عنوان دومین سازنده بزرگ ریزتراشه در دنیا شناخته می‌شود.

۲- پردازنده گوشی موبایل

واحد پردازش مرکزی در رایانه CPU نام دارد اما در گوشی موبایل پردازنده به سیستم روی تراشه یا به اصطلاح SOC اشاره دارد چرا که بیشتر پردازش های گوشی موبایل از طریق این تراشه انجام میشود. هسته‌های پردازشی، واحد گرافیکی، مودم و غیره همگی در ارتباط با SOC هستند. از مطرح‌ترین پردازنده‌های موجود می‌توان به اگزینوس، مدیاتک، اسنپدراگون، کایرین و سری A اپل اشاره کرد.

اشتراک گذاری:

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *