شاخه‌ها

دسته بندی ها

تاریخ انتشار: 95-08-04 07:08:53 سه شنبه
(1189)

مقاله کامل پردازنده CPU

پردازنده

پردازنده دو وظیفه اصلی دارد.

  • انجام محاسبات روی داده ها
  • انتقال و جابجایی داده ها

طراحان پردازنده برای دستیابی به افزایش سرعت در تولید پردازنده های جدید موارد زیر را در نظر می گیرند.

  • افزایش فرکانس پالس ساعت پردازنده
  • افزایش پهنای گذرگاه های مربوط به پردازنده
  • بهینه سازی ساختار هسته پردازنده برای انجام کارهای بیشتر در هر پالس ساعت

نکته

برای آشنایی با عملکرد پردزانده های جدید لازم است سیر تکاملی آن ها را بررسی کنیم. در سیر تکاملی پردازنده دو هدف وجود دارد.

  • افزایش توان و سرعت پردازنده (بوسیله افزایش فرکانس پالس ساعت)
  • استفاده بهینه از ظرفیت های موجود در پردازنده

اما افزایش این دو مورد مخصوصا افزایش فرکانس پالس ساعت پردازنده با وجود گذرگاه FSB محدودیت هایی را ایجاد می کند. بنابراین طراحان بیشتر به سمت فناوری پردازش حرکت کرده اند.

فناوری پردازش شامل موارد زیر می شود.

  • تک چرخه ای
  • Pipeline یا خط لوله
  • Super Scaler
  • Hyper Threading

که در ادامه با آن ها آشنا می شویم.

پالس ساعت پردازنده

  • در دنیای رایانه هر ثانیه به میلیون ها قسمت تقسیم می شود که به هر یک از این قسمت ها پالس گفته می شود. به تعداد پالس های تولید شده در یک ثانیه سرعت ساعت (فرکانس پالس ساعت) می گویند که واحد آن هرتز (Hz) می باشد. هرچه دستور العمل های بیشتری در یک ثانیه پردازش شود سرعت پردازنده و سیستم بالاتر خواهد بود.
    • به دلیل میزان پردازش زیاد در نتیجه میزان مصرف ولتاژ (انرژی الکتریکی) افزایش می یابد. پردازنده ها نیاز به داشتن دو سطح ولتاژ دارند.
      • ولتاژ Vcore که به هسته پردازنده اعمال می شود.
      • ولتاژی که به بخش های دیگر پردازنده مانند حافظه های نهان اعمال می شود.
    • هر قدر ابعاد ترانزیستور ها کاهش یابد سطح ولتاژ پردازنده نیز کاهش می یابد.
      • ولتاژ 5 ولت در پردازنده های اولیه
      • ولتاژ 3.3 ولت در ادامه سیر تکاملی
      • ولتاژ حدود 1 ولت در پردازنده های امروزی
    • با کاهش ابعاد ترانزیستور ها می توان از تعداد بیشتری ترانزیستور استفاده کرد که این امر باعث می شود همچنان مصرف انرژی بالاتر از قبل شود یا ثابت حدودا ثابت بماند.
  • در دنیای رایانه برای هماهنگی در انجام کار ها و کنترل بیشتر نیاز به یک ساعت وجود دارد. سیگنال تولید شده بوسیله کریستال نوسان ساز (IC Clock Generator) به تایمر اعمال می شود و تایمر با توجه به تنظیمات بایوس سیستم فرکانس پالس ساعت های متفاوت تولید و در اختیار سیستم و قطعات قرار می دهد. یکی از این سیگنال های تولیدی مخصوص پردازنده می باشد که به یکی از پایه های آن اعمال می شود. پردازنده با توجه به این سیگنال پالس ساعت، کارهای داخلی خود را با دیگر اجزای سیستم هماهنگ می کند.

در جدول زیر با توجه به مدل پردازنده و نسل پردازنده های Intel و زمان عرضه آن ها به بازار، فرکانس پالس ساعت آن ها نشان داده شده است:

فرکانس پالس ساعت

در جدول زیر با توجه به مدل پردازنده و نسل پردازنده های Intel و زمان عرضه آن ها به بازار، تعداد ترانزیستور های به کار رفته در آن ها نشان داده شده است.

تعداد ترانزیستور به کار رفته در پردازنده

پردازنده چگونه کار می کند؟

پردازنده طی چند مرحله وظایف خود را انجام می دهد.

  • سیستم عامل برنامه را برای اجرا درون حافظه اصلی (Ram) بارگذاری می کند.
    • هر برنامه از چندین دستور العمل (Thread) تشکیل شده است.
      • به این دستور العمل ها Program Code یا OpCode یا کد برنامه می گویند.
  • واحد (Control unit (CU پردازنده، دستور العمل ها را از حافظه Ram دریافت می کند یا به عبارتی پردازنده دستور مورد نظر را از حافظه اصلی می خواند که به این عملیات Fetch می گویند.
  • واحد (Control unit (CU پردازنده، دستور العمل های دریافت شده را رمزگشایی می کند تا مشخص شود چه کاری باید انجام شود که به این عملیات Decode می گویند.
  • واحد (Arithmatic and logical unit (ALU یا محاسبه و منطق در پردازنده، دستورالعمل های رمز گشایی شده را اجرا می کند.
    • ممکن است برای اجرای دستورالعمل نیاز باشد داده ای از حافظه خوانده شود یا داده به جای حافظه از ماژول های ورودی و خروجی درخواست گردد، که باید داده مورد نظر در اختیار پردازنده قرار بگیرد.
      • برای اجرای یک دستور نیاز است دستور مورد نظر به همراه داده مربوط به آن به طور موقت در جایی ذخیره شود. همچنین نیاز است پردازنده از مکان دستور بعدی در حافظه اصلی خبردار باشد. برای ذخیره دستور و داده، ضمن اجرای آن در حافظه از ثبات های حافظه (Register) استفاده می شود.
        • ثبات های حافظه در بالاترین سطح حافظه قرار دارند که در داخل پردازنده در سطحی بالاتر از حافظه اصلی (Ram) و حافظه های نهان قرار دارند. بنابراین در زمان اجرای دستور، از ثبات ها برای ذخیره موقت دستور و داده استفاده می شود. ثبات های حافظه شامل موارد زیر می باشد.
          • ثبات شمارنده برنامه (Program counter PC)
            • این ثبات آدرس بعدی (آدرس مکان آن در حافظه) را که قرار است اجرا شود نگهداری می کند.
          • ثبات دستور العمل (Instruction Register IR)
            • این ثبات آخرین دستوری را که از حافظه دریافت شده و در حال اجرا است نگهداری می کند.
          • ثبات آدرس حافظه (Memory Address Register MAR)
            • این ثبات آدرس مکانی در حافظه است که داده مورد نیاز دستور العمل در حال اجرا، در آن قرار دارد.
          • ثبات حافظه میانگیر (Memory Buffer Register MBR)
            • نتیجه هر پردازش در این ثبات قرار می گیرد تا به حافظه اصلی (Ram) منتقل شود.
          • ثبات تست (Test Register IR)
            • نتایج حاصل از انجام مقایسه ها بوسیله واحد ALU در این ثبات نگهداری می شود.
    • واحد ALU توان اجرای دستور های محدودی را دارد مانند دستور های اصلی (جمع و ضرب و تفریق) و دستور های منطقی (And و OR) و اگر پردازش مربوط به اطلاعات اعشاری باشد واحد Floating point Unit یا FPU این دستور ها را انجام می دهد.
    • واحد ALU قادر به مقایسه دو عدد و تشخیص مساوی یا نامساوی بودن آن ها می باشد.
  • پردازنده نتیجه هر پردازش را در حافظه یا ماژول های ورودی و خروجی می نویسد یا آن را در حافظه ذخیره می کند که به این عملیات Write Back گفته می شود.

نکته

دستور العمل ها به دو دسته زیر تقسیم می شوند.

  • دستور العمل ساده
    • دستور هایی هستند که برای اجرا شدن در پردازنده زمان کمی مصرف می کنند. دستور Add (جمع) دستور ساده ای است که برای اجرای آن نیاز به یک سیکل (پالس) می باشد.
  • دستور العمل پیچیده
    • دستور هایی هستند که برای اجرا شدن در پردازنده به زمان زیادی نیاز دارند. دستور Multiple (ضرب) دستور پیچیده ای است که برای اجرا نیاز به طی شدن چند سیکل دارد چون دستور ضرب از چندین دستور جمع تشکیل شده است.

در سیر تکاملی پردازنده ها، شرکت های تولید کننده آن به قانون زیر پایبند بودند.

  • هر پردازنده باید بتواند دستور العمل های پردازنده قبل از خود را اجرا کند.
    • بر اساس این قانون برنامه نویسان و طراحان می توانند مطمئن باشند که برنامه هایشان روی همه پردازنده ها قابل اجرا می باشد.

پردازنده ها تنها قادر به اجرای تعداد محدودی دستور العمل می باشند. اولین مجموعه از دستور العمل ها در خانواده Intel مربوط به پردازنده های X86 می باشد که با همین نام شناخته می شوند.

  • دستور العمل های پردازنده های X86 پایه و اساس دستور العمل های پردازنده شد و در مرور زمان دستور های بیشتری بدان اضافه شد.
    • برای مثال در پردازنده های 80386 تعداد 26 دستور به دستور العمل های پردازنده های X86 اضافه شد. در پردازنده های 80486 تعداد 6 دستور و در پردازنده های پنتیوم 8 دستور به دستورات قبلی اضافه شد.

برای اجرای هر دستور العمل (Opcode) باید مدار الکترونیکی آن توسط ترانزیستور ها در پردازنده ایجاد شود.

دو فناوری مهم پردازش که می تواند یکی از عوامل مهم تفاوت بین پردازنده ها باشد به قرار زیر هستند.

  • (Complex Instruction Set Computring (CISC
    • پردازش های مبتنی بر مجموعه دستور العمل های پیچیده
      • طراحان سعی کرده اند بیشتر دستور های مورد نیاز پردازنده را بصورت مدار های منطقی (طراحی سخت افزاری) ایجاد نمایند بنابراین مجموعه دستور ها و پیچیدگی آن ها بیشتر است. بنابراین مدارات الکترونیکی پیچیده ای ایجاد شد.
      • پردازشگر توانایی پردازش دستور های پیچیده را دارد.
      • هر دستور در این فناوری طول خود را داشت که می توانست از 8 بیت شروع شود و تا 120 بیت ادامه داشته باشد.
      • مجموعه دستور العمل های پردازنده های X86 مانند 8086 از نوع CISC می باشد.
  • (Reduced Instruction Set Computring (RISC
    • پردازش های مبتنی بر مجموعه دستور العمل های کاهش یافته
      • طراحان سعی کرده اند به جای استفاده از دستور های پیچیده و طراحی سخت افزاری آن ها در پردازنده، از دستور های ساده و کمتری استفاده می شود.
      • پردازشگر توانایی پردازش دستور های ساده را دارد.
      • در این فناوری طول بیشتر دستور ها یکسان می باشد.

مشکلات و مزیت های فناوری های CISC و RISC

  • فناوری CISC
    • به دلیل پیچیده بودن دستورات نیاز به داشتن واحد کنترل (CU) بزرگتر و پیچیده تری می باشد، بنابراین واحد کنترل فضای بزرگتری از پردازنده را اشغال می کند تا دستور های پیچیده را از حافظه اصلی واکشی و رمز گشایی کند.
    • به دلیل طول های متفاوت دستورات زمان های اجرای دستورات در واحد ALU متفاوت می باشد. به همین دلیل بین واحد های کنترل (CU) و اجرا (ALU) ناهماهنگی های زیادی ایجاد می شد و واحد اجرا زمان های زیادی را جهت هماهنگی با واحد کنترل از دست می داد.
    • به دلیل اشغال فضای بزرگی از پردازنده توسط واحد کنترل، فضای کمتری در اختیار واحد اجرا برای نگهداری اطلاعات و نتایج پردازش آن ها باقی می ماند و به همین دلیل پردازنده مجبور است نتایج پردازش ها را به حافظه اصلی منتقل کند.
  • فناوری RICS
    • به دلیل ساده بودن دستورات و داشتن قالب و ساختار یکسان، واحد کنترل (CU) کوچک و ساده ای دارد که فضای کمی از پردازنده را اشغال می کند و طراحی آن نیز آسان تر است.
    • به دلیل یکسان بودن طول دستورات در زمان اجرای دستورات در واحد ALU هماهنگی زیادی بین واحد کنترل (CU ) و اجرا (ALU) وجود دارد و زمان از دست رفته واحد اجرا نزدیک به صفر می باشد. بنابراین در این پردازنده ها واحد های کنترل و اجرا هیچ وقت بیکار نمی مانند.
    • به دلیل کوچک بودن واحد کنترل فضای بیشتری در اختیار واحد اجرا قرار می گیرد و می تواند نتایج پردازش ها را جهت استفاده های بعدی درون ثبات های خود نگهداری کند که این ویژگی از تلف شدن زمان جلوگیری می کند و باعث افزایش سرعت پردازنده می شود.

اما نکته ای که باید بدان توجه کرد.

دستور العمل های پیچیده واکشی شده در فناوری RISC پس از رمزگشایی بصورت دستور العمل های ساده ای ترجمه می شوند که به علت تعداد زیاد این دستورات ساده طول آن ها از دستور العمل های پیچیده فناوری SISC بیشتر می شود. به عبارت دیگر برنامه هاي توليد شده براي اجرا روي پردازنده هاي مبتني بر RISC بايد براساس مجموعه دستورهاي ساده اي ترجمه و يا تفسير شوند. براي اجراي دستورهاي پيچيده به دو، سه و يا تعداد بيشتري دستور ساده نياز است. در واقع بايد گفت كه برنامه پس از ترجمه و تفسير براي اجرا روي پردازنده هاي مبتني بر RISC ، بلندتر از طول همان برنامه براي اجرا روي پردازنده مبتني بر CISC است. براساس تحقيقات صورت گرفته، به طور متوسط برنامه هاي قابل اجرا در پردازنده هاي مبتني بر طراحي RISC حدود 30 % بلندتر از برنامه هاي قابل اجرا در پردازنده هاي مبتني بر طراحي CISC است.

نکته

امروزه ترکیبی از فناوری ها SISC و RISC به کار گرفته می شود.

نکته

برای بالا بردن سرعت محاسبات ریاضی در مجموعه عدد های اعشاری و پردازش گرافیکی از یک تراشه به نام کمک پردازنده (Coprocessor) با دو نام پردازنده ریاضی MPU یا پردازنده اعشاری FPU در کنار پردازنده اصلی استفاده می شود.

نکته

برای اندازه گیری سرعت عملکرد اجرایی یک رایانه موارد زیر در نظر گرفته می شود.

  • سرعت پالس ساعت (فرکانس پالس ساعت)
    • هر چه فرکانس پالس ساعت بیشتر باشد می تواند دلیلی بر قدرت اجرایی دستور العمل ها در زمان کمتر باشد.
  • اجرای تعداد دستور العمل در هر ثانیه
    • اجرای هر دستور به وسیله پردازنده به تعداد مشخصی از چرخه های پالس ساعت نیاز دارد که بسته به نوع دستور بین 2 تا 50 چرخه پالس ساعت می باشد. اگر سرعت فرکانس پالس ساعت 200 مگا هرتز باشد این یعنی 200 میلیون پالس در هر ثانیه ساخته می شود و بسته به نوع برنامه کاربردی و دستور العمل های آن، سرعت اجرای دستور العمل ها در پردازنده ها نسبت به یکدیگر قابل مقایسه می باشد.

در شکل زیر ساختار یک پردازنده را مشاهده می کنید:

ساختار پردازنده

سوکت های پردازنده

سوکت های پردازنده در انواع زیر وجود دارد.

  • در ابتدا بصورت یک تراشه (Dual In Line Package (DIP و دارای دو ردیف پایه در دو طرف آن که روی برد لحیم می شد.
    • با بزرگتر شدن پردازنده و افزایش تعداد پایه های آن دیگر جوابگو نبود.
  • سوکت های (Pin Grid Array (PGA
    • در این سوکت ها پایه های پردازنده روی آن قرار داشت و تراشه درون سوکت مربوطه قرار می گرفت. در این سوکت اهرمی برای قفل کردن و چفت کردن پردازنده وجود نداشت و فن روی پردازنده قرار می گرفت که امکان آسیب به پردزانده در این سوکت زیاد بود.

سوکت های پردازندهسوکت های پردازنده

سوکت های (Zero Insertion Force (ZIF

  • برای اطمینان از درستی نصب پردازنده درون سوکت و جلوگیری از آسیب رساندن به پردازنده این سوکت ها طراحی شدند. با استفاده از اهرمی در کنار این سوکت با کمترین فشار و بیشترین اطمینان می توان پردازنده را در جای خود قرار داد. دراین سوکت ها همچنان پایه ها روی پردازنده قرار داشت.

سوکت های lga

سوکت های (Line Grid Array (LGA

  • در این سوکت ها پایه ها روی سوکت قرار گرفتند و با این کار کمترین آسیب به پردازنده وارد می شود ولی همچنان باید مراقب پایه های روی سوکت باشید. در این سوکت ها در هنگام نصب فن فشار کمتری به برد اصلی و پردازنده وارد می شود و انرژی به بهترین شکل توزیع می شود.

سوکت lga پردازنده

سوکت lga

شرکت های تولید کننده CPU

از این شرکت ها می توان به دو غول بزرگ Intel و AMD اشاره کرد که سال های زیادی است که انحصار این بازار را بدست گرفته اند اما شرکت های زیر هم در تولید پردازنده در سایه این دو شرکت بزرگ حرکت می کنند.

  • IBM
  • Motorola
  • IDT
  • IIT
  • NEC
  • Nexgen
  • Rise
  • Metaflow
  • Cyrix

نسل های پردازنده در شرکت Intel

  • پردازنده های XT (نسل اول)
    • پردازنده های 8086
      • در سال 1978 توسط شرکت Intel به بازار عرضه شد.
      • مانند پردازنده 8080 است تنها فرقی که با هم دارند این است که پهنای باند گذرگاه داده در مدل 8086 بیشتر و 16 بیتی می باشد.
      • از کمک پردازنده 8087 استفاده می کرد.
      • پردازنده 8086 برای انجام عملیات ریاضی مبتنی بر اعداد صحیح طراحی شده است و برای کار با اعداد اعشاری مناسب نبود بنابراین از کمک پردازنده 8087 برای رفع این مشکل و افزایش سرعت انجام محاسبات ریاضی استفاده شد. این کمک پردازنده بصورت تراشه DIP کنار پردازنده اصلی نصب می شد و با نام واحد پردازنده اعشاری (FPU) یا کمک پردازنده ریاضی (MPU) شناخته می شد.
      • این پردازنده پایه ساخت کامپیوتر های کوچک IBM شد که به آن رایانه های شخصی Personal Computer یا PC می گفتند. این تراشه در آن زمان قیمت بالایی داشت.
      • تراشه 8086 یک تراشه مستطیل شکل DIP با 40 پایه می باشد.
      • دارای 129000 ترانزیستور می باشد.
      • ولتاژ کاری پردازنده 5 ولت می باشد.
      • پهنای باند گذرگاه داده 16 بیتی می باشد.
        • ثبات های داخلی آن همگی 16 بیتی می باشند.
      • پهنای باند گذرگاه آدرس 20 بیتی می باشد.
        • حداکثر تا 1 مگا بایت حافظه را آدرس دهی می کند.

اما این رقم از کجا بدست آمد؟

از آنجایی که گذرگاه آدرس 20 بیتی می باشد بنابراین 20 مسیر برای ارسال و دریافت اطلاعات آدرس به حافظه وجود دارد. اگر هر یک از این مسیر ها بر اساس سیستم باینری 0 یا 1 باشند بنابراین به یک عدد 20 بیتی در سیستم باینری می رسیم که رقم های آن می تواند 0 یا 1 باشند. در حالت ماکزیمم اگر همگی 1 باشند (ولتاژ داشته باشیم) بنابراین در سیستم باینری در 1 ثانیه می توان یک آدرس 20 بیتی به شکل 11111111111111111111 داشته باشیم و با تبدیل به سیستم دسیمال عدد 1048576 بدست می آید که تقریبا معادل 1 مگا بایت می باشد.

پردازنده های xtپردازنده های 8086

پردازنده های 8088

  • در سال 1979 توسط شرکت Intel به بازار عرضه شد.
  • شرکت IBM برای کاهش قیمت سیستم ها قراردادی با شرکت Intel بست تا جانشینی برای پردازنده 8086 بسازد و شرکت Intel تراشه 8088 را ساخت. نخستین کامپیوتر های شخصی IBM در سال 1981 با تراشه 8088 به بازار عرضه شد.
  • کاملا شبیه پردازنده های 8086 می باشد و تنها تفاوت آن با پردازنده 8086 در گذرگاه داده بود. پهنای باند گذرگاه داخلی داده (ثبات ها و پردازش های داخلی) در 8086 برابر 16 بیت و در 8088 نیز 16 بیتی بود ولی گذرگاه خارجی داده ها 8 بیتی بود. در واقع پردازنده های 8086 جلوتر از زمان خود حرکت می کردند و این در حالی بود که قطعات جانبی و تراشه های جانبی در آن زمان با پهنای باند 8 بیتی کار می کردند.به عبارت دیگر ثبات های داخل پردازنده 8088 بصورت 16 بیتی کار می کردند ولی گذرگاه داده پردازنده 8 بیتی بود.
  • پهنای باند گذرگاه داده در داخل پردازنده (ثبات ها و پردازش های داخلی) 16 بیتی و پهنای باند باس خارجی 8 بیتی بود (از نظر تراشه های جانبی پردازنده 8088 دارای باس داده 8 بیتی بود) و به همین خاطر باعث کاهش قیمت تراشه های جانبی به علت استفاده از تراشه های 8 بیتی در رایانه های شخصی می شد ولی در عین حال از پهنای باند 16 بیتی ثبات های داخل پردازنده کمتر بود و از قدرت پردازنده می کاست. به همین دلیل شرکت IBM با استفاده از پردازنده 8088 توانست قیمت سیستم های خود را پایین بیاورد.
  • پهنای باند گذرگاه آدرس 20 بیتی بود بنابراین حدود 1 مگا بایت از حافظه را آدرس دهی می کرد.
  • دارای 129000 ترانزیستور می باشد.
  • ولتاژ کاری پردازنده 5 ولت می باشد.
  • سرعت پالس ساعت آن 4.77 مگا هرتز می باشد.

پردازنده های 8088

نکته

قبل از پردازنده های 8086 و 8088 چندین پردازنده ساخته شده بود.

  • پردازنده 4004
    • اولین پردازنده ای بود که توسط شرکت اینتل در سال 1971 ساخته شده بود.
      • در دستگاه های کوچک مانند ماشین حساب ها و موبایل ها استفاده می شد.

پردازنده های 4004

پردازنده 8008

  • در سال 1972 توسط شرکت Intel به بازار عرضه شد.
  • دو برابر قویتر از پردازنده های 4004 بود.
  • در Mark-8 استفاده می شد.
    • Mark-8 از اولین رایانه های شخصی (PC) محسوب می شدند.

پردازنده های 8008

پردازنده 8080

  • در سال 1974 توسط شرکت Intel به بازار عرضه شد.
  • کمی پیشرفته تر از 8008 بود.
  • آخرین پردازنده قبل از 8086 بود.

پردازنده 8080

  • پردازنده های AT (نسل دوم)
    • پردازنده های 80286
      • در سال 1984 به بازار عرضه شد.
      • به اختصار به آن ها پردازنده های 286 گفته و به رایانه های مبتنی بر پردازنده های 286 رایانه های AT می گویند.
      • پردازنده 286 اولین پردازنده ای بود که حالت Protected Mode در پردازنده را معرفی کرد.
        • حالت حفاظت شده وضعیتی است که در آن هر برنامه در هنگام اجرا در فضای مخصوص به خود در حافظه توسعه یافته قرار می گیرد (حق استفاده از تمام فضای حافظه را دارد) و در صورت ایجاد اشکال در زمان اجرای برنامه و یا بیکار ماندن توسط کاربر در عملکرد سایر برنامه ها تداخلی ایجاد نمی شود. در واقع به کمک این وضعیت پردازنده توانایی اجرای چند برنامه را با هم دارد و این همان Multitasking می باشد.
          • سیستم عامل DOS یک سیستم عامل بدون قابلیت Multitasking بود بنابراین مورد توجه کاربران قرار نگرفت و ویندوز به سرعت جای آن را گرفت.
      • دارای 134000 ترانزیستور می باشد.
      • توانایی اجرای 1.2 میلیون دستور در ثانیه را دارد.
      • فرکانس پالس ساعت آن حدود 20 مگا هرتز می باشد.
      • دارای کمک پردازنده 80287 می باشد.
      • ولتاژ کاری پردازنده 5 ولت می باشد.
      • پهنای باند گذرگاه داده 16 بیتی می باشد.
      • دارای خطوط آدرس دهی 24 بیتی می باشد.
        • حداکثر تا 16 مگا بایت حافظه را آدرس دهی می کند.

پردازنده های ATپردازنده AT

  • پردازنده های 80386 (نسل سوم)
    • در سال 1986 به بازار عرضه شد.
    • به اختصار به آن ها پردازنده های 386 گفته می شود.
    • دارای 275000 ترانزیستور می باشد.
    • توانایی اجرای 6 میلیون دستور در ثانیه را دارد.
    • فرکانس پالس ساعت آن 4 ، 16 ، 25 ، 32 و 40 مگا هرتز برای تولید های مختلف آن می باشد.
    • دارای کمک پردازنده 80387 می باشد.
    • ولتاژ کاری پردازنده 5 ولت می باشد.
    • در این پردازنده از فناوری Pipeline یا خط لوله بین قسمت های داخلی آن استفاده شده است.
      • با استفاده از این قابلیت این پردازنده توانایی اجرا و پشتیبانی از سیستم عامل های چند کاربری و چند وظیفه ای (Multi User Multitasking) را دارد.
    • به دلیل گرانی این پردازنده در دو مدل زیر به بازار عرضه شد.
      • 80386 DX
      • 80386 SX
    • استفاده از بانک حافظه برای اولین بار در پردازنده های 80386
      • با افزایش مقدار حافظه اصلی در سیستم های 80386 زمان دستیابی به داده ها در حافظه بیشتر شد. در واقع افزایش مقدار حافظه باعث کندی سرعت انتقال داده ها شد. به همین دلیل برای دستیابی سریعتر به خانه های حافظه، آدرس های حافظه را به چند بانک حافظه (Memory Bank) تقسیم بندی کردند که زمان دسترسی پردازنده به آدرس های مختلف حافظه را کاهش می داد.
    • استفاده از حافظه نهان برای اولین بار در پردازنده های 80386
      • یکی از راه های کاهش زمان دسترسی به داده ها استفاده از حافظه نهان بود.
      • در پردازنده های 80386 حافظه نهان روی برد اصلی قرار داشت و درون پردازنده نبود ولی در تولیدات بعدی 80386 درون پردازنده قرار گرفت.
    • پهنای باند گذرگاه داده آن 32 بیتی می باشد.
    • پهنای باند گذرگاه آدرس آن 32 بیتی می باشد.
      • حداکثر تا 4 گیگا بایت حافظه را آدرس دهی می کند.

پردازنده های نسل سومپردازنده های 80386

  • پردازنده های 80486 (نسل چهارم)
    • در سال 1989 به بازار عرضه شد.
    • به اختصار به آن 486 گفته می شود.
    • دارای 1.2 میلیون ترانزیستور می باشد.
    • توانایی اجرای 20 میلیون دستور در ثانیه را دارد.
    • اولین پردازنده های بود که در آن فرکانس کاری پردازنده چند برابر فرکانس پالس ساعت گذرگاه سیستم شد که به این قابلیت Overdrive گفته می شد. علت افزایش چند برابری فرکانس پردازنده نسبت به باس سیستم هم ساعت دوگانه (Double Clocking) بود. در این روش به جای افزایش فرکانس پردازنده، مرتبه انتقال داده را دو برابر کردند یعنی به ازای هر پالس داده دو مرتبه منتقل می شود (یک مرتبه در لبه بالا رونده کلاک و یک مرتبه در رونده پایین رونده کلاک) یعنی همان انقلابی که در حافظه های DDR انجام شد.
      • در حافظه های SDRAM در هر پالس تنها یک مرتبه داده منتقل می شد و در حافظه های DDR و DDR2 و DDR3 در هر پالس می توان دو مرتبه داده را منتقل کرد.
        • دقت کنید در حافظه های DDR2 و DDR3 قرار بود با 4 و 8 برابر کردن انتقال داده سرعت حافظه بیشتر شود ولی در حال حاظر حافظه های DDR2 و DDR3 از ضریب سرعت 2 مربوط به حافظه های DDR استفاده می کنند.
        • دقت کنید ضریب سرعت انتقال داده در پردازنده بر خلاف حافظه ها (ضریب سرعت 2) می تواند 2 ، 4 یا 5 باشد. در آن زمان که فرکانس گذرگاه سیستم 33 مگا هرتز بود پردازنده ها با استفاده از ضرایب مذکور توانستند به فرکانس های زیر دست پیدا کنند.
          • فرکانس 66 مگا هرتز در پردازنده های 486 DX 2/66
          • فرکانس 100 مگا هرتز در پردازنده های 486 DX 4/100
          • فرکانس 133 مگا هرتز در پردازنده های 486 DX 5/133
    • اولین پردازنده ای بود که حافظه نهان L2 درون آن قرار داشت. حافظه نهان L1 بین حافظه نهان L2 و ثبات ها قرار دارد.
      • مانند پردازنده 80386 از حافظه نهان L2 در خارج از پردازنده نیز پشتیبانی می کرد.
    • ظرفیت حافظه نهان L1 برابر 8 کیلو بایت می باشد.
    • ظرفیت حافظه نهان L2 از 64 کیلو بایت تا 1 مگا بایت می باشد.
    • در این پردازنده به خاطر افزایش تعداد ترانزیستور ها و افزایش فرکانس از سیستم خنک کننده استفاده شد که این سیستم روی آن نصب می شد.
      • در پردازنده های امروزی یک دیود در صورت بالا رفتن دمای پردازنده از حد معینی یک سیگنال به بایوس سیستم ارسال می کند. برد اصلی و بایوس سیستم با دریافت این سیگنال برق سیستم را قطع می کنند.
    • دارای کمک پردازنده 80487 می باشد.
    • ولتاژ کاری پردازنده 5 ولت می باشد.
    • پهنای باند گذرگاه داده آن 32 بیتی می باشد.
    • پهنای باند گذرگاه آدرس آن 32 بیتی می باشد.
      • تا 4 گیگا بایت حافظه را آدرس دهی می کند.

پردازنده های نسل چهارمپردازنده های 80486

  • پردازنده های پنتیوم (نسل پنجم)
    • پردازنده 80586 (شرکت AMD پردازنده K5)
      • در سال 1993 به بازار عرضه شد.
      • نام اختصاری آن پنتیوم می باشد.
      • دارای 3.2 میلیون ترانزیستور می باشد.
      • اولین فرکانس پالس ساعت آن 66 مگا هرتز می باشد و بیشترین فرکانس پالس ساعت مدل های دیگر آن تا 233 مگا هرتز نیز عرضه شد.
      • سوکت 4 در سال 1993 به همراه تولید این پردازنده در سیستم ها قرار گرفت و در پردازنده های مدل پنتیوم 60 و 66 عرضه شد.
      • ولتاژ کاری پردازنده های 66 مگا هرتزی برابر 5 ولت بود.
        • ولتاژ کاری پردازنده های دیگر پنتیوم 3.3 تا 3.5 ولت می باشد.
      • حافظه نهان L1 بین حافظه نهان L2 و ثبات ها قرار دارد.
        • حافظه نهان L1 دارای ظرفیت 16 کیلو بایت می باشد.
          • 8 کیلو بایت برای بخش داده ها
          • 8 کیلو بایت برای بخش دستور العمل ها
      • پهنای باند گذرگاه داده در داخل پردازنده (ثبات ها) 64 بیتی می باشد.
        • پهنای باند گذرگاه داده در سیستم 32 بیتی می باشد.
      • پهنای باند گذرگاه آدرس آن 32 بیتی می باشد.
        • تا 4 گیگا بایت حافظه را آدرس دهی می کند.

پردازنده های پنتیوم

در شکل زیر واحد های مختلف پردازنده های پنتیوم را مشاهده می کنید:

واحد های محتلف پردازنده پنتیوم

نکته

شرکت Intel بعد از پردازنده پنتیوم 133 مگا هرتزی برای اندازه گیری سرعت پردازنده های خود از معیار تعداد دستور در ثانیه (MIPS) استفاده نکرد. قبل از پردازنده های پنتیوم 133 مگا هرتزی دو روش برای مقایسه پردازنده ها استفاده می شد.

  • فرکانس پالس ساعت
  • توانایی اجرای تعداد دستور در یک ثانیه

شرکت Intel از سال 1992 واحد iCOMP را جایگزین روش های قبل کرد.

  • در این روش روی پردازنده ها آزمایشات مختلف انجام می دهند و نتیجه آزمایشات با عنوان عدد iCOMP توسط شرکت تولید کننده برای هر پردازنده اعلام می شود سپس برای مقایسه پردازنده های آن شرکت از مقایسه اعداد iCOMP آن ها استفاده می شود.

در جدول زیر سرعت عملکرد iCOMP پردازنده های پنتیوم نشان داده شده است:

سرعت لود ICOMP

پردازنده های پنتیوم MMX (شرکت AMD پردازنده K6 و K6-2 و K6-3)

  • با وجود نرم افزار های چند رسانه ای، انیمیشن و بازی های رایانه ای پردازنده های پنتیوم قبلی که از سرعت بالایی در انجام عملیات داشتند ولی در برابر نیاز های گرافیکی خوب عمل نمی کردند و به همین علت پردازنده های پنتیوم MMX به بازار عرضه شدند.
  • در این پردازنده ها 57 دستور العمل تازه به نام (Multi Media Extensions (MMX به پردازنده های پنتیوم اضافه شدند. با اضافه شدن این دستور العمل ها پردازش های صدا و تصویر سریعتر انجام می شد.
    • بخاطر اضافه کردن دستور های MMX مدار های منطقی جدیدی را به ساختار پردازنده اضافه کردند.
  • حافظه نهان L1 بین حافظه نهان L2 و ثبات ها قرار دارد.
    • حافظه نهان L1 دارای ظرفیت 32 کیلو بایت می باشد.
      • 16 کیلو بایت برای بخش داده ها
      • 16 کیلو بایت برای بخش دستور العمل ها
  • حافظه نهان L2 روی برد اصلی می تواند تا 1 مگا بایت ظرفیت داشته باشد.
  • با فرکانس پالس ساعت 166 ، 200 و 233 مگا هرتز به بازار عرضه شدند.
  • سوکت 7 برای پردازنده پنتیوم 166 MMX به بازار عرضه شد.
  • ولتاژ کاری پردازنده بین 2.7 تا 3.3 ولت می باشد.
    • در زمان تولید پردازنده پنتیوم MMX بود که طراحی ATX برای تامین ولتاژ ایجاد شد. با ایجاد ساختار ATX دو قابلیت به سیستم اضافه شد.
      • به سیستم عامل این امکان داده می شد که به حالت StandBy برود.
      • این امکان به رایانه داده شد که با نرم افزار خاموش و روشن شود.
  • در این پردازنده امکان دسترسی مستقیم کارت گرافیک به خانه های حافظه فراهم شد. در واقع کانال های (Direct Memory Access (DMA در این دوره ایجاد شد.
  • پهنای باند گذرگاه داده در داخل پردازنده (ثبات ها) 64 بیتی می باشد.
    • پهنای باند گذرگاه داده در سیستم 32 بیتی می باشد.
  • پهنای باند گذرگاه آدرس آن 32 بیتی می باشد.
    • تا 4 گیگا بایت حافظه را آدرس دهی می کند.

پردازنده های MMX

  • پردازنده های نسل ششم
    • پردازنده های پنتیوم پرو
      • در سال 1995 به بازار عرضه شد.
      • دارای 5.5 میلیون ترانزیستور می باشد.
      • فرکانس پالس ساعت مدل های مختلف آن 150 تا 200 مگا هرتز می باشد.
      • پردازنده های پنتیوم پرو از ویژگی های پردازنده پنتیوم MMX پشتیبانی نمی کنند.
      • حافظه نهان L1 بین حافظه نهان L2 و ثبات ها قرار دارد.
        • حافظه نهان L1 دارای ظرفیت 32 کیلو بایت می باشد.
          • 16 کیلو بایت برای بخش داده ها
          • 16 کیلو بایت برای بخش دستور العمل ها
      • از این پردازنده به بعد حافظه های نهان L2 از روی برد اصلی به داخل پردازنده بصورت دائمی انتقال یافت.
      • ولتاژ کاری پردازنده پنتیوم پرو 3.1 تا 3.3 ولت می باشد.
      • پهنای باند گذرگاه داده 64 بیتی می باشد.
      • پهنای باند گذرگاه آدرس 32 بیتی می باشد.

پردازنده های نسل ششم

    • پردازنده های پنتیوم II
      • در سال 1997 به بازار عرضه شد.
      • دارای 7.5 میلیون ترانزیستور می باشد.
      • پهنای باند گذرگاه داده 64 بیتی می باشد.
      • پهنای باند گذرگاه آدرس 32 بیتی می باشد.
      • دارای فرکانس پالس ساعت مختلفی مانند 233 ، 266 ، 300 ، 600 ، 633 ، 800 ، 850 ، 900 ، 950 و 1000 مگا هرتز می باشد.
      • ولتاژ کاری این پردازنده با توجه به افزایش تعداد ترانزیستور ها 2 تا 2.8 ولت می باشد.
      • این پردازنده مانند پردازنده پنتیوم پرو از روش Dynamic Execution یا اجرای پویا استفاده می کند.
        • در این روش به پردازنده اجازه داده می شود دستور العمل های بعدی را پیش بینی کرده و در نتیجه دستور های بعدی را برای اجرای سریعتر فرا خوانی کند.
      • حافظه نهان L1 دارای ظرفیت 32 کیلو بایت می باشد.
        • 16 کیلو بایت برای بخش داده ها
        • 16 کیلو بایت برای بخش دستور العمل ها
      • حافظه نهان L2 به سه صورت در این مدل وجود دارد.
        • Full Cache
          • حافظه نهان L2 به همراه پردازنده روی یک برد مدار چاپی قرار می گیرد سپس این بورد در اسلات خودش برد اصلی قرار داده می شود. به این نوع پردازنده پنتیوم II با حافظه نهان کامل Full Cache گفته می شود.
          • ظرفیت این حافظه 512 کیلو بایت می باشد.
        • Half Cache
          • حافظه به همراه پردازنده روی مدار چاپی قرار دارد و در اسلات خودش سوار می شود.
          • ظرفیت این حافظه 256 کیلو بایت می باشد.
        • پنتیوم II سلرون
          • پنتیوم II کلاس B
            • حافظه نهان L2 ندارد.
              • شرکت Intel تنها یک بار حافظه نهان L2 را حذف کرد که به طور محسوسی از کارایی پردازنده کاست.
          • پنتیوم II کلاس A
            • به این پردازنده Celeron نیز گفته می شود.
              • ظرفیت حافظه نهان L2 آن برابر 128 کیلو بایت می باشد.
      • با عرضه پردازنده پنتیوم II تاریخچه سوکت 7 (آخرین بار در پردازنده های 233 MMX) به پایان رسید و از شکاف های اسلات 1 (Slot1) استفاده شد.

نکته

در مورد پردازنده هاي سلرون بايد گفت كه شركت Intel براي كاهش قيمت تمام شده و رقابت با شركت هاي رقيب مانند AMD ، حافظه نهان L2 را از پنتيوم II حذف كرد، همچنين در اين نوع پردازنده، قالب پلاستيكي پنتيوم II نيز برداشته شده و پردازنده در نهايت سادگي روي مدار Slot 1 قرار گرفت. در حقيقت شركت Intel با اين بازگشت به نوع سوكت هاي متعارف و طراحي تراشه در قالب كلاسيك آن، به نوعي شكست خود را در طراحي پردازنده هايي با ساختار جديد Slot 1، پذيرفت و از انحصاري كه در مورد شكاف ويژه آن ايجاد كرده بود، نه تنها سودي نبرد بلكه بيشتر كاربران از Slot 1 به علت قيمتش استقبال نكردند به همين دليل طراحي تراشه هاي پردازنده در قالب يك سيليكون مربع شكل را احيا نمود و در سال 1998 فناوري جديد سوكت 370 در دو حالت مختلف PPGA و FC-PGA5 عرضه شد.

پردازنده های پنتیوم IIپردازنده های پنتیوم II

پردازنده های پنتیوم III

  • در سال 1999 به بازار عرضه شد.
  • در ابتدا دارای 7.5 میلیون ترانزیستور بود و در نسخه های آخر دارای 140 میلیون ترانزیستور می باشد.
  • پهنای باند گذرگاه داده 64 بیتی می باشد.
  • پهنای باند گذرگاه آدرس 32 بیتی می باشد.
  • دارای فرکانس های مختلفی مانند 450 مگا هرتز تا 1.4 گیگا هرتز می باشد.
  • ولتاژ کاری این پردازنده با توجه به تعداد ترانزیستور های فراوان آن بین 1.8 تا 2.8 ولت می باشد.
  • از فناوری Slot 1 برای این پردازنده استفاده شد.
    • از سوکت 370 نیز برای این پردازنده تا دوره ای طولانی نیز استفاده شده است.
      • با پیدایش پردازنده های پنتیوم III با فرکانس 1 گیگا هرتز به بالا دوره Slot 1 نیز به پایان رسید.
  • شرکت AMD همزمان پردازنده های Athlon و Duran را روانه بازار کرد.

پردازنده های پنتیوم III

  • پردازنده های پنتیوم IV (نسل هفتم)
    • در سال 2000 به بازار عرضه شد.
    • در ابتدا دارای 42 میلیون ترانزیستور می باشد و در مدل های دیگر با توجه به مقدار حافظه نهان درون پردازنده تعداد ترانزیستور بیشتر شده است.
    • ولتاژ کاری این پردازنده با توجه به افزایش تعداد ترانزیستور ها 1.7 ولت می باشد.
    • برای اولین بار در پردازنده های پنتیوم IV با فرکانس 3.60 گیگا هرتز از فناوری Hyper Threading استفاده شد.
      • یکی از دلایل ماندگاری این پردازنده استفاده از همین تکنولوژی بود.
    • برترین ویژگی این پردازنده افزایش سرعت انتقال داده در گذرگاه سیستم (FSB) می باشد.
      • باس FSB در پردازنده های پنتیوم IV در حقیقت یک باس 4 کاناله می باشد که مانند 4 گذرگاه ساده کار می کند و به همین دلیل در هر پالس ساعت به میزان 4 برابر سریعتر داده ها را منتقل می کند.
        • فرکانس 100 مگا هرتزی باس FSB تبدیل به 400 مگا هرتز می شود.
        • فرکانس 133 مگا هرتزی باس FSB تبدیل به 532 مگا هرتز می شود.
        • فرکانس 200 مگا هرتزی باس FSB تبدیل به 800 مگا هرتز می شود.
    • حافظه نهان L1 دارای ظرفیت 20 کیلو بایت می باشد.
      • 8 کیلو بایت برای بخش داده ها
      • 12 کیلو بایت برای بخش دستور العمل ها
    • حافظه نهان L2 در حداقل حالت خود دارای ظرفیت 256 کیلو بایت می باشد.
    • از مجموع دستور های MMX و SSE پشتیبانی می کند.
      • از دستور های جدید SEE2 که شامل 144 دستور العمل می باشدنیز استفاده می کند.
    • پردازنده پنتیوم IV روی سوکت 423 وارد بازار شد.
      • سوکت 478 همزمان با پردازنده پنتیوم IV با هسته Northwood و همچنین حافظه نهان L2 با ظرفیت 512 کیلو بایت به بازار عرضه شد.
        • شرکت Intel در ادامه سیر تکاملی خود گام بزرگی برداشت و آن مهاجرت از سوکت PGA775 به سوکت LGA775 بود.
          • می دانید که در سوکت های LGA پین های روی سوکت و برد اصلی نصب می شود.
    • پهنای باند گذرگاه داده 64 بیتی می باشد.
    • پهنای باند گذرگاه آدرس 32 بیتی می باشد.

پردازنده های نسل هفتم

  • پردازنده های چند هسته ای یا Multiple Core (نسل هشتم)

پردازنده های چند هسته ای شرکت Intel در سه خانواده زیر در بازار عرضه شده اند.

    • مدل Core
    • مدل Core 2
      • پردازنده های Core 2 Dual و Core 2 Quad از این مدل هستند.
      • پردازنده های Core 2 Dual فاقد فناوری Hyper Threading می باشند.
      • در نسخه های 2 و 4 هسته ای عرضه شده اند.
      • ترانزیستور های این مدل دارای فناوری ساخت 45 و 65 نانومتری می باشند که مدل 65 نانومتری در حال حاظر منسوخ شده است. بیشتر لپ تاپ های موجود در بازار از فناوری ساخت 45 نانومتری بهره می برند.
      • فاقد فناوری Hyper Threading می باشند.
      • در نسخه های 2 و 4 هسته ای عرضه شده اند.
      • ولتاژ کاری در این پردازنده ها دارای 4 سطح ولتاژ می باشد.
        • پردازنده های دارای ولتاژ معمولی
          • توان مصرفی پردازنده برابر 35 وات می باشد.
        • پردازنده های دارای ولتاژ متوسط
          • توان مصرفی پردازنده برابر 25 وات می باشد.
        • پردازنده های ولتاژ پایین
          • توان مصرفی پردازنده برابر 17 وات می باشد.
        • پردازنده های ولتاژ بسیار پایین
          • توان مصرفی پردازنده برابر 10 وات می باشد.

نکته

پردازنده های Core 2 دارای مزایا و معایبی می باشند.

  • مزایا
    • قیمت مناسبی دارند.
    • به علت تنوع ولتاژ کاری پردازنده می توان لپ تاپ های کم مصرف زیادی در بازار با این مدل پیدا کرد.
  • معایب
    • از تکنولوژی Hyper Threading پشتیبانی نمی کنند.
    • از تکنولوژی Turbo Boost پشتیبانی نمی کنند.
    • این پردازنده های در صورت مجتمع شدن با چیپ های گرافیکی کیفیت لازم را نخواهند داشت.

پردازنده های نسل هشتم

معماری Penryn

  • 18 ماه پس از عرضه پردازنده های سری Core 2 یعنی سال 2007 به بازار عرضه شدند.
  • شرکت اینتل در این معماری تکنولوژی ساخت 65 نانومتری را به 45 نانومتری کاهش داد و این در حالی بود که معماری ساخت هسته های پردازنده (مهندسی ساخت) حفظ شده است یعنی مانند معماری Core 2 و پردازنده های Dual Core می باشد.
  • پروسه ساخت پردازنده های 45 نانومتری تحولات عمده ای را در فرایند ساخت نیمه هادی های پیشرفته ایجاد کرد. از دهه 1960 تا قبل از فناوری ساخت 45 نانومتری برای ساخت مدار های مجتمع از تکنیک سیلیکون – اکسید استفاده می شد که با ظهور فناوری ساخت 45 نانومتری تکنیک جدید دی الکتریک High – K در پایه Gate جایگزین آن شد.
    • پروسه ساخت 45 نانومتری باعث می شود سطح هسته پردازنده کوچکتر و سرعت آن بیشتر شود.
    • اتلاف حرارتی آن نسبت به فناوری 65 نانومتری کاهش یافته است.
    • توان الكتريكي لازم براي سوييچ كردن ترانزيستور 30% كاهش يافته است، چرا كه ترانزيستور كوچك‌ تر داراي ظرفيت‌ خازني كمتر و در نتيجه نياز به انرژي كمتري جهت تغيير حالت خود دارد.
    • سرعت سوييچينگ ترانزيستور‌هاي 45 نانومتري 20% بيشتر از ترانزيستور‌هاي 65 نانومتري شده است.
    • در سرعت برابر با فناوری 65 نانومتری ، جريان نشتي بین سورس درين 5 برابر كاهش يافته است.
    • در مقایسه با فناوری 65 نانومتری به لطف بهره گيري از دي‌الكتريك قوي‌تر جريان نشتي گيت به کانال جریان عبوری نيز 10 برابر كاهش يافته است.
  • در انواع 2 و 4 هسته ای به بازار عرضه شدند.
  • دارای 410 میلیون ترانزیستور می باشد.
    • پردازنده های Conroe در سری قبل دارای 294 میلیون ترانزیستور می باشند.
  • حافظه نهان L3 برابر 6 مگا بایت می باشد.
    • پردازنده های Conroe دارای حافظه نهان L3 برابر 4 مگابایت می باشند..

در شکل زیر هسته پردازنده Penryn را مشاهده می کنید:

معماری Penryn

ادامه مقاله را از لینک زیر دانلود نمایید:

دانلود

(0)
هیچ دیدگاهی وجود ندارد
دیدگاه خود را بنویسید
*
*
برچسپ ها