آشنایی با CPU (قسمت اول)

CPU تقریبا گران ترین و در عین حال سخت کوش ترین بخش یک کامپیوتر می باشد، همین دو ویژگی آشنایی با چگونگی کارکرد CPU را جالب می کند. در این مقاله قصد نداریم به مسائل پیچیده و بحث های خاص فنی بپردازیم بلکه می خواهیم با توضیحاتی نسبتا ساده شما را با نحوه عملکرد و اصطلاحاتی در خصوص پردازنده ها آشنا سازیم.

عناصر تشکیل دهنده CPU:
CPU ، این قطعه کوچک اما در عین حال بسیار پیچیده چیزی نیست جز یک مجموعه بسیار بزرگ از ترانزیستورها.
ریزپردازنده، واحد پردازش مرکزی یا مغز رایانه می باشد. این بخش مدار الکترونیکی بسیار گسترده و پیچیده ای می باشد که دستورات برنامه های ذخیره شده را انجام می دهد. جنس این قطعه کوچک (تراشه) نیمه رسانا است. CPU شامل مدارهای فشرده می باشد و تمامی عملیات یک میکرو رایانه را کنترل می کند.
تمام رایانه ها (شخصی، دستی و...) دارای ریزپردازنده می باشند. نوع ریزپردازنده در یک رایانه می تواند متفاوت باشد اما تمام آنها عملیات یکسانی انجام می دهند.

تاریخچه ریزپردازنده:
ریزپردازنده پتانسیل های لازم برای انجام محاسبات و عملیات مورد نظر یک رایانه را فراهم می سازد. در واقع ریزپردازنده از لحاظ فیزیکی یک تراشه است. اولین ریزپردازنده در سال 1971 با نام Intel 4004 به بازار عرضه شد. این ریزپردازنده قدرت زیادی نداشت و تنها قادر به انجام عملیات جمع و تفریق 4 بیتی بود. تنها نکته مثبت این پردازنده استفاده از یک تراشه بود، زیرا تا قبل از آن از چندین تراشه برای تولید رایانه استفاده می شد. اولین نوع ریزپردازنده که بر روی کامپیوتر خانگی نصب شد. 8080 بود. این پردازنده 8 بیتی بود و بر روی یک تراشه قرار داشت و در سال 1974 به بازار عرضه گردید. پس از آن پردازنده ای که تحول عظیمی در دنیای رایانه بوجود آورد 8088 بود. این پردازنده در سال 1979 توسط شرکت IBM طراحی و در سال 1982 عرضه گردید. بدین صورت تولید ریزپردازنده ها توسط شرکت های تولیدکننده به سرعت رشد یافت و به مدل های 80286، 80386، 80486، پنتیوم 2، پنتیوم 3، پنتیوم 4 منتهی شد.
این پردازنده ها توسط شرکت intel و سایر شرکت ها طراحی و به بازار عرضه شد. طبیعتا پنتیوم های 4 جدید در مقایسه با پردازنده 8088 بسیار قوی تر میباشند زیرا که از نظر سرعت به میزان 5000 بار عملیات را سریعتر انجام می دهند. جدیدترین پردازنده ها اگر چه سریعتر هستند، گران تر هم می باشند.
کارآیی رایانه ها بوسیله پردازنده آن شناخته می شود. ولی این کیفیت فقط سرعت پروسسور را نشان می دهد نه کارآیی کل رایانه را. به طور مثال اگر یک رایانه در حال اجرای چند نرم افزار حجیم و سنگین است و پروسسور پنتیوم 4 آن 2400 کیگاهرتز است، ممکن است اطلاعات را خیلی سریع پردازش کند. اما این سرعت بستگی به هارددیسک نیز دارد. یعنی این که پروسسور جهت انتقال اطلاعات زمان زیادی را در انتظار می گذراند.
پروسسورهای امروزی ساخت شرکت Intel ، پنتیوم 4 و سلرون هستند. پروسسورها با سرعت های مختلفی برحسب گیگاهرتز (معادل یک میلیارد هرتز یا یک میلیارد سیکل در ثانیه است) برای پنتیوم 4 از 1.4 گیگاهرتز تا 3.2 متغیر است و برای پروسسور سرعت از 1.8 گیگاهرتز تا 5.8 گیگاهرتز است. یک سلرون همه کارهایی را که یک پنتیوم 4 انجام می دهد را می تواند انجام دهد اما نه به آن سرعت.

پردازنده دو عمل مهم انجام می دهد:
1) کنترل تمام محاسبات و عملیات
2) کنترل قسمت های مختلف

پردازنده در رایانه های شخصی به شکل یک قطعه نسبتا تخت و کوچک به اندازه 8 یا 10 سانتی متر مربع که نوعی ماده، مانند پلاستیک یا سرامیک روی آن را پوشانده است تشکیل شده. در واقع فرآیند بوجود آمدن این مغز الکترونیکی به این گونه می باشد که از سیلیکان به علت خصوصیات خاصی که دارد جهت ایجاد تراشه استفاده می شود. بدین گونه که آن را به صورت ورقه های بسیار نازک و ظریف برش می دهند و این تراشه ها را در درون مخلوطی از گاز حرارت می دهند تا گازها با آنها ترکیب شوند و بدین صورت طبق این فرآیند شیمیایی سیلیکان که از جنس ماسه می باشد به فلز و بلور تبدیل می شود که امکان ضبط و پردازش اطلاعات را در بردارد. این قطعه کار میلیونها ترانزیستور را انجام می دهد.

پردازنده وظایف اصلی زیر را برای رایانه انجام می دهد:
1) دریافت داده ها از دستگاه های ورودی
2) انجام عملیات و محاسبات و کنترل و نظارت بر آنها
3) ارسال نتایج عملیات با دستگاه های خروجی

در واقع از نظر فنی عملکرد پردازنده با دو ویژگی تعیین می شود:
1) طول کلمه - تعداد بیت هایی که یک پردازنده در هر لحظه پردازش می کند و طول این کلمات معمولا 4 و 8 و 16 و 32 و یا 64 بیتی می باشد.
2) تعداد ضربان الکترونیکی که در یک ثانیه تولید شده است و با واحد مگاهرتز سنجیده می شود.
محل قرارگیری پردازنده ها بر روی مادربرد می باشد. بنابراین بایستی هماهنگی لازم بین مادربرد و پردازنده وجود داشته باشد. این هماهنگی باعث بالا رفتن عملیات رایانه می شود. در غیر این صورت نتیجه خوبی بدست نمی آید.

نکته: بر روی پردازنده حروف و ارقامی دیده می شود که در واقع نشان دهنده شماره سریال ها ،سرعت، ولتاژ، مدل، نسل و نام سازنده آن می باشد. با توجه به نوع دستورالعمل ها یک ریزپردازنده با استفاده از واحد منطبق و حساب خود (ALU ) قادر به انجام عملیات محاسباتی مانند جمع و تفریق و ضرب و تقسیم است. البته پردازنده های جدید اختصاصی برای انجام عملیات مربوط به اعداد اعشاری نیز می باشند. ریزپردازنده قادر به انتقال داده ها از یک محل حافظه به محل دیگر می باشند و می توانند تصمیم گیری نمایند و از یک محل به محل دیگر پرش داشته باشد تا دستورالعمل های مربوط به تصمیم اتخاذ شده را انجام دهد.

● سایر مقالات مرتبط با این موضوع