وظایف و تاریخچه پردازنده های کامپیوتر

پردازنده یا CPU چیست؟ پردازنده یا CPU که مخفف کلمه Central Processing Unit می باشد، یک قطعه سخت افزاری در رایانه هاست 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 ثبات ها (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 واکشی (Fetching) و اجرای دستورالعمل ها (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 می شود. یک IC علاوه بر CPU ممکن است شامل حافظه، رابط های جانبی و دیگر اجزای رایانه باشد؛ این چنین تجهیزات مجتمعی را معمولا میکرو کنترلر یا SoC (سیستم روی تراشه) می خوانند. در بعضی رایانه ها از پردازنده های چند هسته ای استفاده می شود. این پردازنده ها شامل یک مدار مجتمع هستند که شامل دو یا چند "هسته" یا "core" می باشند.

آرایه پرداز ها یا پردازنده های بردازی دارای پردازنده های چندگانه هستند که به صورت موازی با هم کار می کنند، و در آن هیچ واحد مرکزی در نظر گرفته نمی شود.

شکل ظاهری، طراحی و نحوه به کارگیری پردازنده ها در طول دوره تاریخ شکل گیری آن ها تغییر کرده است ولی عملکرد پایه ای آن ها بدون تغییر باقی مانده است.

مدت زمان انجام یک کار به وسیله رایانه، به عوامل متعددی بستگی دارد که مهمترین آن ها، سرعت پردازنده است. سرعت پردازنده معمولا برحسب مگاهرتز یا گیگاهرتز سنجیده می شود.هر چه مقدار این پارامتر بیشتر باشد، پردازنده سریعتر خواهد بود و در نتیجه قادر خواهد بود، محاسباتی بیشتری را در هر ثانیه انجام دهد.

نسل سوم پردازنده های سرور ایپک (3rd Gen EPYC) با نام میلان (Milan) شناخته می شوند.

تاریخچه پردازنده

در رایانه های اولیه مانند انیاک برای تغییر وظایف رایانه نیاز بود که سیم کشی تغییر داده شود، به همین دلیل به آنها "رایانه های برنامه-ثابت" می گفتند. از آنجایی که "CPU" معمولا به عنوان وسیله ای که وظیفه اجرای برنامه ها را دارد، شناخته می شود، اولین وسایلی را که بتوان واقعا "CPU" خواند با اختراع رایانه های دارای قابلیت ذخیره برنامه ساخته شدند.

پردازنده های اولیه به عنوان یک بخش از سامانه ای بزرگتر که معمولا یک نوع رایانه است، دارای طراحی سفارشی بودند. این روش گران قیمت طراحی سفارشی پردازنده ها برای یک بخش خاص، به شکل قابل توجهی مسیر تولید انبوه آن را که برای اهداف زیادی قابل استفاده بود، فراهم نمود. این استاندارد سازی روند قابل ملاحظه ای را در عصر مجزای ابر رایانه های 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 پیچیدگی ها برای طراحی پردازنده ها و ساختن آن ها در مقیاس کوچک را (در حد میلیمتر) امکان پذیر می سازد. هر دو فرآیند (کوچک سازی و استانداردسازی پردازنده ها)، حضور این تجهیزات رقمی را در زندگی مدرن گسترش داد و آن را فراتز از یک دستگاه خاص مانند رایانه تبدیل کرد. ریز پردازنده های جدید را در هر چیزی از خودروها گرفته تا تلفن همراه و حتی اسباب بازی های کودکان می توان یافت.

وظایف CPU

کارکرد اساسی اکثر ریز پردازنده ها، فارغ از شکل فیزیکی آنها، اجرای ترتیبی دستورالعمل هایی است که برنامه نامیده می شود. بحث در این مقاله نتیجه پیروی از قانون رایج نیومون را به همراه خواهد داشت. برنامه توسط یک سری از اعداد که در بخشی از حافظه ذخیره شده اند، نمایش داده می شود. چهار مرحله که تقریبا تمامی ریز پردازنده هایی که از قانون فون نیومن در ساختارشان استفاده می کننده از آن پیروی می کنند عبارتند از: واکشی، دی کد یا رمزگشایی، اجرا و بازگشت برای نوشتن مجدد.

در طراحی یک CPU یک لیست از عملیات به نام مجموعه دستوری به صورت ذاتی وجود دارد که CPU آنها را انجام می دهد. چنین عملیاتی ممکن است شامل جمع یا تفریق کردن دو عدد، مقایسه اعداد یا پرش به بخشی دیگر از یک برنامه باشد. هر کدام از این عملیات پایه ای توسط توالی خاصی از بیت ها نمایش داده می شود که این توالی خاصی از بیت ها نمایش داده می شود 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 می شود انجام دهد. برای اجرای یک دستور در یک برنامه کامپیوتری، CPU از اپکد دستور مذکور و نیز نشانوندهای آن (برای مثال، درمورد یک عمل جمع، دو عددی که قرار است با هم جمع شوند) استفاده می کند.

عمل ریاضی واقعی برای هر دستور توسط یک زیر واحد از CPU به نام واحد محاسبه و منطق (ALU) انجام می گیرد. یک CPU علاوه بر اینکه از ALU خودش برای انجام اعمال استفاده می کند، اعمال دیگری نظیر: خواندن دستور بعدی از حافظه، خواندن اطلاعات مشخص شده به صورت نشانوند از حافظه و نوشتن یافته های حاصل در حافظه را نیز به عهده دارد.

در بسیاری از طراحی های CPU، یک مجموعه دستوری مشخصا بین اعمالی که اطلاعات را از حافظه بارگیری می کنند و اعمال ریاضی افتراق می دهد. در این مورد اطلاعات بارگیری شده از حافظه در رجیسترها ذخیره می شود 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 می نویسد.

واکشی (Fetch)

اولین مرحله که واکشی یا Fetch نام دارد، شامل بدست آوردن یک دستورالعمل (Instruction) از حافظخ برنامه است که به صورت عدد یا مجموعه مرتبی از اعداد می باشد.

دی کد یا رمزگشایی (Decode)

دستورالعملی که CPU از حافظه واکشی می کند، تعیین می کند 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 سیگنال هایی تغییر داده می شود که سایر قسمت های cpu را کنترل می کند.

اجرا (Execute)

پس از مراحل واکشی و رمزگشایی، مرحله "اجرا" انجام می شود. بسته به نوع CPU این عمل می تواند یک عمل تنها یا مجموعه ای مرتب از اعمال مختلف باشد.

ساختار و اجزای پردازنده (CPU)

1- واحد کنترل

واحد کنترل (Control Unit) یا CU قسمتی از CPU است که مسیر عملکرد پردازنده را تعیین می کند. این واحد تعیین می کند که قسمت های مختلف رایانه از قبیل حافظه، ALU و ورودی/خروجی ها چگونه به یک دستوالعمل که به پردازنده فرستاده شده است پاسخ دهند.

2- 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 می دهد.

3- واحد آدرس سازی

واحد آدرس سازی (Address Generation Unit) یا AGU که گاهی "واحد محاسبه آدرس" یا ACU نیز خوانده می شود، یک واحد عملکردی در داخل CPU است که آدرس هایی را که CPU برای دسترسی به حافظه اصلی استفاده کرده است، محاسبه می کند.

4- واحد مدیریت حافظه

اکثر ریز پردازنده های جدید دارای واحدی به نام واحد مدیریت حافظه (Memory Management Unit) یا MMU هستند که آدرس های منطقی را به آدرس های RAM فیزیکی ترجمه می کنند.

5- حافظه نهان یا کش (Cache)

حافظه نهان پردازنده یا CPU Cache یک حافظه نهان سخت افزاری است که توسط CPU استفاده می شود تا هزینه متوسط دسترسی به داده (یعنی زمان و انرژی) از حافظه اصلی کاهش یابد.

انواع پردازنده ها

1- پردازنده های کامپیوتر

پردازنده اینتل:

شرکت اینتل در سال 1968 توسط رابرت نویس و گوردون مور راه اندازی شد. این شرکت مبدع فناوری ریز پردازنده های اکس 86 می باشد. اینتل در دهه 1970 میلادی، یکی از قوی ترین تراشه ها یعنی اینتل 8086 را به بازار فروش قطعات کامپیوتری، عرضه کرد، که شرکت آی بی ام از این پردازنده برای محصول کامپیوتر شخصی خود استفاده نمود.

در دهه های نخست، مهم ترین رقیب اینتل، شرکت AMD بود، که از سال 2000 با تسلط اینتل بر بازار پردازنده ها، هر سال این شرکت سهم بالاتری را به خود اختصاص داد و در سال 2013 تقریبا 75% از کامپیوتر های خانگی، از پردازنده های اینتل استفاده می کنند که این سلطه بر ای ام دی با ظهور پردازنده های رایزن از بین رفت. در سال 2013 موسسه اینتر برند، اینتل را به عنوان 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 می شود. شرکت اینتل جزئی از میانگین صنعتی داو جونز و شاخص نزدک-100 یه شمار می آید.

پردازنده ای ام دی:

ای ام دی (Advanced Micro Devices) یا AMD (به فارسی: دستگاه های کوچک پیشرفته) یک شرکت آمریکایی سازنده انواع پردازنده است که در سال 1969 توسط جری ساندرز تاسیس شد. ای ام دی رقیب اصلی شرکت اینتل محسوب می شود.

شرکت ای تی آی سازنده کانادایی پردازنده های گرافیکی در سال 2006 میلادی توسط ای ام دی خریداری شد و هم اکنون به عنوان زیر مجموعه این شرکت فعالیت می کند. شعبه مرکزی ای ام دی در سانتا کلارا کالیفرنیا واقع است.

شرکت ای ام دی در سال 1969 در کالیفرنیا با رویکرد تولید انواع نیمه رساناها از جمله انواع آی سی یا مدارات مجتمع و به تازگی انواع سی پی یو توسط جری ساندرز و همکارانش با سرمایه اولیه یکصد عزار دلار پایه گذاری شد. در سال 1970 اولین محصول این شرکت یک ماشین حساب بود. سال 1982 برای ای ام دی یک نقطه عطف بود چرا که در این سال این شرکت توانست به عنوان دومین سازنده میکروپروسسور با شرکت مادر تخصصی آی بی ام قرارداد منعقد کند و در سال 1984 به عنوان یکی از یکصد شرکت برتر آمریکا شناخته شد و در حال حاضر AMD به عنوان دومین سازنده بزرگ ریز تراشه در دنیا شناخته می شود.