کارکرد پردازشگرهای دو هسته ای

اینتل برای اولین بار در اوایل سال 2005 اولین پردازشگر 2 هسته ای را عرضه کرد این پردازشگر در نسخه های Pentium D و  Pentium Extreme عرضه شد. پس از آن شرکت AMD بود که مدت کوتاهی پس از اینتل اقدام به عرضه پردلزشگرهای دو هسته ای نمود.

اگر چه هر دو این شرکت ها محصولی دو هسته ای را به بازار عرضه کردند اما طراحی این دو محصول در برخی موارد و بر اساس کاربرد آنها در سیستمی که در ان تعبیه شده بود به طور کلی متفاوت بود. در این مقاله قصد بر آن است که کاربردهای و نحوه کار پردازشگرهای دو هسته ای و همچنین دلایل استفاده یا عدم استفاده از آنها را نام ببریم.


کاربرد پردازشگرهای دو هسته ای:
اصولا پردازشگرهای دو هسته ای از دو هسته پردازش کننده در یک پکیج واحد تشکیل شده اند که در واقع قابلیت های یک کامپیوتر مجهز به چند پردازشگر را با هزینه ای کمتر فراهم می سازد . از طرفی امکان انجام چندین فعالیت همزمان به کمک پردازشگرهای دو هسته ای میسر می شود. بنابراین پردازشگرهای دو هسته ای به درد کسانی می خورد که مایلند چندین برنامه یا ابزار متفاوت را به طور همزمان مورد استفاده قرار دهند.

البته این به این معنا نیست که پردازشگرهای دو هسته ای قدرت اجرایی برنامه های واحد را افزایش می دهند! اجازه دهید با مثالی این مطلب را روشن کنیم; اگر اهل بازی های کامپیوتری هستید باید یک پردازشگر با قدرت پردازش بالا تهیه کنید, زیرا پردازشگرهای دو هسته ای تنها به اجرای چندین برنامه یا کاربرد چندین ابزار در زمانی واحد کمک می کنند و اجرای برنامه های سنگین مانند برخی از بازی ها به پردازشگر هایی که قدرت اجرایی بالا دارند نیازمند است. اما اگر بخواهید همراه بازی برای مثال به موسیقی هم گوش کنید بحث دیگری است که به طور قطع یک پردازشگر دو هسته ای راهگشا است.


اینتل همواره پیشگام:
همانطور که گفته شد اینتل در زمینه پردازشگرهای دو هسته ای اولین گام را برداشت. پردازشگرهایی که اینتل عرضه کرد مبتنی بر هسته Pentium 4 Prescott بودند در واقع برای اینکه اینتل سرعت عرضه این محصول را به حداکثر برساند دو هسته Pentium D و Pentium Extreme قرار داد که این دو پردازشگر از طریق تراشه MCH موجود در مادربورد با یکدیگر ارتباط داشتند .

 
AMD دومین پردازشگر دو هسته ای:
دومین شرکتی که به عرضه پردازشگر دو هسته ای پرداخت AMD بود . اولین پردازشگر Opteron دو هسته ای این شرکت بلافاصله پس از اولین محصول دو هسته ای اینتل در ماه آوریل به بازار عرضه شد. محصول دو هسته ای بعدی شرکت Athlon 64x و ویژه کامپیوترهای رومیزی بود که در ماه مه 2005 در دو نسخه متفاوت عرضه شد . اگر چه AMD اولین شرکتی نبود که محصول این شرکت در برخی زمینه ها به ویژه در نحوه برقراری ارتباط میان دو هسته پردازنده دارای مزایای فابل توجهی نسبت به محصولات اینتل است.

در راستای همین اقدامات, در چندین ماه گذشته پیشرفت های جدبدی در طراحی پردازشگرها به ویژه از سوی AMD حاصل شده است. این شرکت علاوه بر طراحی یک CPU 64 بیتی که باعث برتری یافتن این شرکت در بازار کامپیوترهای رومیزی پیشرفته شد. در حذف کنترل کننده های حافظه (MCH) نیز گام دیگری برداشت که در عملکرد Athlon64 و ترشه های Optereon یک پیشرفت قابل ملاحظه نسبت به پردازشگرهای Intel به حساب می آید. از طرف دیگر اینتل نیز پردازشگرهای دو هسته ای جدیدی را عرضه کرده اند.


تشابه و تفاوت دو غول بزرگ (INTEL & AMD):
این پردازشگرها بهتر از آن چیزی که شما انتظار دارید کار می کنند . محصول هر دو شرکت دارای دو هسته پردازش کننده فعال در یک قالب هستند . هر یک از هسته ها به صورت مستقل توابع و پردازش هاای داده را انجام می دهد (که البته در مورد اینتل این ویژگی کامل تر است) و هر دو این هسته ها توسط نرم افزار سیستم عامل هماهتگ می شوند.

در حال حاضر AMD فقط پردازشگرهای کلاس سرور Opteron با دو هسته را به طور کامل به بازار کرده و به زودی Athlon64X برای کامپیوترهای رومیزی را نیز به بازار عرضه می کند. اینتل نیز در حال حاضر محصول پنتیوم Exterme رومیزی با دو هسته را به بازار عرضه کرد در حالی که خط تولید Dual Xenons و Pentium D هنوز متوقف نشده است.


 پردازشگرها چگونه کار می کنند؟
پردازشگرهای چند هسته ای در واقع ترکیبی از چند هسته در یک قالب واحد هستند. بنابراین در نحوه طراحی آنها میتوان روش های متفاوتی را به کار بست. برای نمونه چند پردازشگرهای متقارن SMP (Symmetric Multi Processing) روش مشترکی است که برای فعالیت چندین پردازشگر به طور جداگانه با یکدیگر در یک مادربورد مورد استفاده قرار می گیرد.

سیستم عامل با هر دو CPU تقریبا به طور یکسان کار می کند و کارهای مورد نیاز به آنها ارجاع می دهد. تراشه های دو هسته ای جدید اینتل و AMD توانایی SMP را به صورت داخلی دارند. پردازشگرهای سرور Opteron دو هسته ای همچنین می تواند به صورت خارجی با دیگر تراشه های دو هسته ای ارتباط برقرار کند.

 
Hyperthreading:
این قابلیت به صورت اختصاصی توسط اینتل در پردازشگر های چند هسته ای به کار گرفته شده است. اینتل برای آنکه از منابع CPU به شیوه بهتری استفاده نماید. فقط قسمت هایی را تکثیر کرده که کار پردازش اطلاعات را انجام می دهد. یعنی آنکه منابع داده در داخل CPU به صورت مشترک استفاده می شود ایده Hyperthreading برای دو برابر کردن مقدار فعالیت تراشه است. تا کاهش عملکرد سیستم که در اثر فقدان حافظه Cash روی می دهد کمتر شود.

در این حالت CPUهای Hyperthreading مانند دو پردازشگر حقیقی به نظر می رسند با این وجود, این CPUها نمی توانند عملکردی مشابه دو CPU مجزا مانند CPUهای دو هسته ای داشته باشند زیرا در CPUهای دو هسته ای دو Threads مشابه به طور همزمان و با Cash های جداگانه L1 و L2 می توانند اجرا شوند که این عمل در پردازشگرهای Hyperthreading قابل اجرا نیست.


 چرا پردازشگرهای دو هسته ای ؟
اما چرا دو شرکت اینتل و AMD به طور ناگهانی شروع به توزیع پردازشگرهای دو هسته ای کردند و هر دو با حرارت هر بار نسخه های تازه تری از این محصول را به بازار عرضه کردند؟ ابتدا باید خاطر نشان کنیم که AMD از ابتدا توانایی بالقوه تولید پردازشگرهای دو هسته ای را در محصول  64 بیتی خود داشت. ساختمان ورودی و خروجی برای دومین هسته در CPUهای فعلی 64 بیتی AMD موجود است.

البته برای سیستم های چند پردازشگره یک ایراد عمومی وجود دارد و آن تاخیری است که این CPU ها در اجرای کار سیستم به وجود می آورند. به بیان ساده در حال حاضر روشی برای سیستم عامل های موجود وجود ندارد تا پردازش ها را به طور کاملا مساوی در بین پردازشگرها تقسیم کند.

پردازشگر دوم عموما با یک مداخله کمتر و کارایی پایین تر کار می کند. در صورتی که ممکن است پردازشگر اول به صورت 100 درصد در حال پردازش  باشد. سومین دلیل که کمتر نمایان است نا امیدی AMD و اینتل است.

هر دو شرکت برای افزایش سرعت پردازشگرها و کوچکتر کردن اندازه قالب آنها با یک مانع جدی رو به رو شده اند و تا این مانع حذف نشود و یا تا زمانی که کاربران عمومی متوجه نشوند که GHZ به تنهایی کارایی را بیان نمی کند هر دو شرکت برای دست یافتن به هر پیشرفت که کارایی پردازشگرها را بهبود بخشد تلاش خواهند کرد و تقریبا فلسفه وجودی پردازشگرهای دو هسته ای را نیز می توان همین دلیل آخر دانست.

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

آشنایی با CPU (قسمت دوم)

شرکت های تولیدکننده پردازنده:
با توجه به این که پردازنده ها دستورهای خاصی را می پذیرند و برنامه های خاصی را اجرا می کنند، طبیعتا پردازنده های گوناگونی وجود دارند. این پردازنده ها توسط شرکت های مختلفی تولید می شوند. بعضی از آن ها مشابه و سازگارند و برخی دیگر ناسازگار. معروف ترین این شرکت ها عبارتنداز:

Cyrix- Motorola- IDT- IIT- NEC- Nexgen- Rise- Metaflow- Chips & Technology-Intel- IBM- AMD

معمولا بر روی هر CPU نام شرکت تولید کننده نوشته می شود، ممکن است شماره آن نیز همراه با حرف اول و یا دو حرف اول تولید کننده نوشته شود.

نسل های پردازنده ها:
مهم ترین عامل شناسایی پردازنده ها، نوع آنها می باشد که با شماره و یا نام اختصاصی مشخص می شود. از بین پردازنده های تولید شده نوع اینتل و موتورولا متداولتر از بقیه هستند. موتورولا پردازنده خود را به صورت 86xxx یا نام اختصاصی و اینتل به صورت 80x86 یا نام اختصاصی خود به بازار معرفی نمودند. بدین صورت x می تواند یک عدد دلخواه یک رقمی باشد که هر چه مقدار آن بیشتر باشد در نتیجه رقم آن بزرگ تر بوده و پردازنده جدید تر، سریعتر و کاراتر می باشد. قبل از پردازنده پنتیوم، پردازنده ها یک شماره 5 رقمی داشتند که دو رقم سمت چپ معمولا نام پردازنده و سه رقم سمت راست نسل پردازنده را مشخص می کنند.

برخی سازندگان دیگر به جای شماره از نام های اختصاصی مانند K5 و K6 استفاده می نمودند.

مدل پردازنده:
هر کدام از نسل های مختلف پردازنده ها دارای انواع متفاوتی می باشند که برای کارهای خاصی ساخته شده اند. به عنوان مثال پردازنده های 80486 داری انواع (SX- SLC- DX- DX2- DX3- DX4- DX5 ) می باشد که در آن DX اولین پردازنده با یک کمک پردازنده است که دارای 8 کیلوبایت حافظه زمان اولیه می باشد و سرعت آن50 برابر 8088 است، در صورتی که SX فاقد کمک پردازنده می باشد. نسل پنجم پردازنده اینتل دارای مدل های کلاسیک (MMX ) می باشد. نسل ششم پردازنده اینتل دارای مدل های (IIT,II ,PRO Celeron ) هستند. نسل هفتم پردازنده های اینتل دارای مدل های (ایتانیوم) 64 بیتی با سرعت یک گیگاهرتز می باشد.

سرعت پردازنده:
یکی از مواردی که مستقیا روی کارآیی پردازنده اثر می گذارد سرعت آن است که معمولا بر روی آن نوشته می شود. هر چه پردازنده سریعتر باشد اطلاعات را سریعتر پردازش می کند. سرعت پردازنده ها بر حسب مگاهرتز بیان می شود و یک مگاهرتز، معادل یک میلیون چرخه در ثانیه است. بعضی تولید کنندگان سرعتی را که بر روی پردازنده می نویسند واقعی نیست، بلکه آنها توانمندی پردازنده در مقابل اینتل را می سنجند و به آن سرعت معادل پنتیوم می گویند. عوامل مؤثر در کارآیی پردازنده، فرکانس ساعت یا سرعت ساعت است که معمولا به دو صورت می باشد:

1- سرعت ساعت داخلی: در این حالت پردازنده عملیات داخلی خود را براساس این ساعت انجام می دهد، این سرعت برابر سرعتی است که بر روی پردازنده ذکر شده است. در هنگام فروش نیز این سرعت را معرفی می کنند.
2- سرعت ساعت خارجی (سرعت گذرگاه سیستم): این سرعت در واقع مدار الکترونیکی است که خارج از تراشه قرار دارد و به پایه های مربوط به ساعت وصل می شود. اطلاعات خارج از پردازنده مانند اطلاعات حافظه اصلی رایانه بر این اساس سنجیده می شود.

ولتاژ پردازنده:
در ابتدای ساخت پردازنده ها، از ولتاژ 5 ولتی به صورت استاندارد استفاده می شد، اما پس از ورود پردازنده های «486 دی ایکس 4» و «پنتیوم» از ولتاژهای پایین تر مانند 8/2 و 3/3 نیز استفاده می شود.

جایگاه پردازنده:
پردازنده معمولا بر روی شبکه ای از سوراخ های کوچک بر روی مادربرد قرار می گیرد. به طور کلی تراشه گیر، محلی برای نصب پردازنده یا هر نوع آی سی است.
نکته: پردازنده معمولا روی مادربرد لحیم نمی شود تا بتوان آن را ارتقا یا تعویض نمود.

گرماگیر پردازنده:
پردازنده ها در زمان کار کردن گرمای زیادی تولید می کنند و اگر این گرما دفع نشود ممکن است پردازنده بسوزد. برای خنک نگه داشتن پردازنده از چند روش استفاده می شود:

1- استفاده از فن یا خنک کننده (Fan ): قرارگیری یک پنکه کوچک بر روی پردازنده باعث حرکت هوا و هدایت گرما به بیرون می شود. معمولا در جعبه اصلی رایانه پنکه ای برای بیرون بردن گرما وجود دارد. با این حال قرار دادن یک پنکه کوچک پردازنده را بهتر خنک می کند و کارآیی رایانه بالا می رود. بعضی از پنکه ها برای اتصال به پردازنده دارای یک گیره می باشد که باید توجه نمود در هنگام نصب نباید به مادربرد برخورد کند.
2- استفاده از گرماگیر: گرماگیر وسیله ای فلزی است که حرارت تولید شده را به وسیله یک قطعه الکتریکی جذب و به بیرون می فرستد. گرماگیر دارای پره های فلزی یا سرامیکی است.
3- استفاده از مواد پرکننده: این مواد بین پردازنده و پنکه قرار می گیرد و باعث خنک شدن پردازنده می شود. این ماده با نام چسب نیز شناخته می شود.

پردازنده های تقلبی:
جهت تشخیص پردازنده های تقلبی از اصل می توان از روش های زیر استفاده نمود:

1- روش چشمی: کج بودن نوشته های روی پردازنده - کم رنگ بودن نوشته ها - وجود خراش - وجود رنگ پریدگی چاپ قبلی - کوچک و بزرگ بودن حروف و عددها
2- شماره سریال: جهت دریافت شماره سریال های واقعی می توانید از برنامه ID CPU استفاده نمایید و یا به سایت پردازنده مربوطه متصل شوید.
3- اطلاعات بایوس.
4- اطلاعات برنامه های عیب یاب.

خرابی پردازنده ها:
یکی از علت های خوب کار نکردن رایانه می تواند خرابی پردازنده باشد که البته در اولویت قرار ندارد یعنی درصد خراب شدن آن بسیار کم می باشد.

● سایر مقالات مرتبط با این موضوع