پردازنده های مدرنشکل یک مستطیل کوچک دارند که به شکل ویفر سیلیکونی ارائه می شود. خود صفحه توسط یک کیس مخصوص ساخته شده از پلاستیک یا سرامیک محافظت می شود. تمام مدارهای اصلی محافظت می شوند، به لطف آنها، عملکرد کامل CPU انجام می شود. اگر با ظاهرهمه چیز بسیار ساده است، به خود مدار و نحوه چیدمان پردازنده مربوط می شود؟ بیایید به این موضوع با جزئیات بیشتری نگاه کنیم.

CPU حاوی مقدار کمی است عناصر مختلف. هر یک از آنها عمل خود را انجام می دهند، داده ها و کنترل ها منتقل می شوند. کاربران عادیبرای تشخیص پردازنده ها بر اساس سرعت ساعت، مقدار حافظه کش و هسته استفاده می شود. اما این دور از همه چیزهایی است که قابل اعتماد و کار سریع. ارزش توجه ویژه به هر جزء را دارد.

معماری

طراحی داخلی CPU اغلب با یکدیگر متفاوت است، هر خانواده مجموعه ای از ویژگی ها و عملکردهای خاص خود را دارد - به این معماری آن می گویند. نمونه ای از طراحی پردازنده را در تصویر زیر مشاهده می کنید.

اما بسیاری از آنها عادت کرده اند که معنای کمی متفاوت از معماری پردازنده داشته باشند. اگر آن را از نقطه نظر برنامه نویسی در نظر بگیریم، با توانایی آن در اجرای مجموعه ای از کدها مشخص می شود. اگر یک CPU مدرن خریداری می کنید، به احتمال زیاد به معماری x86 تعلق دارد.

هسته ها

بخش اصلی CPU هسته نامیده می شود که شامل تمام بلوک های لازم و همچنین اجرای وظایف منطقی و حسابی است. اگر به شکل زیر نگاه کنید، می توانید بفهمید که هر بلوک عملکردی کرنل چگونه است:

1. ماژول واکشی دستورالعملدر اینجا، دستورالعمل ها در آدرسی که در شمارنده برنامه نشان داده شده است، شناسایی می شوند. تعداد خواندن همزمان دستورات به طور مستقیم به تعداد بلوک های رمزگشایی نصب شده بستگی دارد که به بارگیری هر چرخه کار با بیشترین تعداد دستورالعمل کمک می کند.
2. پیش بینی گذارمسئول عملکرد بهینهبلوک واکشی دستورالعمل توالی دستوراتی که باید اجرا شوند را تعیین می کند و خط لوله هسته را بارگذاری می کند.
3. ماژول رمزگشاییاین بخش از هسته مسئول تعریف برخی از فرآیندها برای انجام وظایف است. کار رمزگشایی به خودی خود به دلیل اندازه متغیر دستورالعمل بسیار دشوار است. در جدیدترین پردازنده ها، چندین بلوک از این دست در یک هسته وجود دارد.
4. ماژول های نمونه گیری داده هاآنها اطلاعات را از حافظه عملیاتی یا حافظه پنهان می گیرند. آنها نمونه گیری داده را انجام می دهند که در این لحظه برای اجرای دستورالعمل ضروری است.
5. بلوک کنترلنام خود گویای اهمیت این جزء است. در هسته، عنصر اصلی است، زیرا انرژی را بین تمام بلوک ها توزیع می کند و به تکمیل هر عمل به موقع کمک می کند.
6. ماژول ذخیره نتایجطراحی شده است تا پس از پردازش دستورالعمل در RAM نوشته شود. آدرس ذخیره در کار در حال اجرا مشخص شده است.
7. عنصر وقفه CPU به لطف عملکرد وقفه قادر است چندین کار را همزمان انجام دهد، این به آن اجازه می دهد تا پیشرفت یک برنامه را با تغییر به دستورالعمل دیگر متوقف کند.
8. ثبت می کند.نتایج موقت دستورالعمل ها در اینجا ذخیره می شوند، این جزء را می توان یک RAM کوچک سریع نامید. اغلب اندازه آن از چند صد بایت تجاوز نمی کند.
9. شمارنده فرمانآدرس دستورالعملی را که در چرخه پردازنده بعدی استفاده می شود ذخیره می کند.

اتوبوس سیستم

دستگاه هایی که بخشی از رایانه شخصی هستند از طریق گذرگاه سیستم CPU متصل می شوند. فقط او به طور مستقیم به آن متصل است، عناصر باقی مانده از طریق کنترلرهای مختلف متصل می شوند. خود اتوبوس دارای خطوط سیگنال بسیاری است که اطلاعات از طریق آنها منتقل می شود. هر خط پروتکل مخصوص به خود را دارد که به کنترل کننده ها اجازه می دهد با سایر اجزای کامپیوتر متصل شده ارتباط برقرار کنند. اتوبوس فرکانس خاص خود را دارد، به ترتیب، هر چه بیشتر باشد، تبادل اطلاعات بین عناصر اتصال سیستم سریعتر است.

حافظه پنهان

سرعت CPU به توانایی آن در دریافت دستورالعمل ها و داده ها از حافظه در سریع ترین زمان ممکن بستگی دارد. حافظه کش زمان اجرای عملیات را کاهش می دهد زیرا به عنوان یک بافر موقت عمل می کند که انتقال فوری داده ها از CPU به RAM یا بالعکس را فراهم می کند.

ویژگی اصلی حافظه کش تفاوت در سطوح آن است. اگر زیاد باشد، حافظه کندتر و حجیم تر است. سریعترین و کوچکترین حافظه سطح اول است. اصل عملکرد این عنصر بسیار ساده است - CPU داده ها را از RAM می خواند و آنها را در حافظه پنهان هر سطحی وارد می کند، در حالی که اطلاعاتی را که برای مدت طولانی به آن دسترسی داشته اند حذف می کند. اگر پردازنده دوباره به این اطلاعات نیاز داشته باشد، به لطف بافر موقت آن را سریعتر دریافت می کند.

سوکت (کانکتور)

با توجه به اینکه پردازنده دارای سوکت (سوکت یا اسلات) مخصوص به خود است، در صورت خرابی یا ارتقاء رایانه می توانید به راحتی آن را تعویض کنید. بدون سوکت، CPU به سادگی به مادربرد لحیم می شود و تعمیر یا تعویض آن را بعداً دشوار می کند. شایان توجه است - هر سوکت منحصراً برای نصب پردازنده های خاص طراحی شده است.

اغلب کاربران به طور ناخواسته پردازنده و مادربرد ناسازگار را خریداری می کنند که باعث ایجاد مشکلات اضافی می شود.

شگفت زده کردن مصرف کننده مدرن الکترونیک بسیار دشوار است. ما قبلاً به این واقعیت عادت کرده ایم که جیب ما به طور قانونی توسط یک تلفن هوشمند اشغال شده است، یک لپ تاپ در یک کیف است، یک ساعت "هوشمند" با اطاعت قدم ها را روی دست می شمارد و هدفون هایی با سیستم کاهش نویز فعال گوش های ما را نوازش می کنند.

این یک چیز خنده دار است، اما ما عادت کرده ایم که نه یک، بلکه دو، سه یا چند کامپیوتر را همزمان حمل کنیم. پس از همه، اینگونه می توانید با دستگاهی تماس بگیرید که دارد CPU. و مهم نیست که یک دستگاه خاص چگونه به نظر می رسد. یک تراشه مینیاتوری با غلبه بر یک مسیر پرتلاطم و سریع توسعه، مسئول کار خود است.

چرا موضوع پردازنده ها را مطرح کردیم؟ همه چیز ساده است. در طول ده سال گذشته، یک انقلاب واقعی در جهان رخ داده است دستگاه های تلفن همراه.

تنها 10 سال تفاوت بین این دستگاه ها وجود دارد. اما نوکیا N95 در آن زمان برای ما یک دستگاه فضایی به نظر می رسید و امروز با بی اعتمادی خاصی به ARKit نگاه می کنیم.

اما همه چیز می توانست به گونه ای دیگر رقم بخورد و پنتیوم IV شکست خورده رویای نهایی یک خریدار معمولی باقی بماند.

ما سعی کردیم بدون عبارات فنی پیچیده انجام دهیم و بگوییم که پردازنده چگونه کار می کند و بفهمیم کدام معماری آینده است.

1. چگونه همه چیز شروع شد

اولین پردازنده‌ها کاملاً با چیزی که هنگام باز کردن درب واحد سیستم رایانه شخصی خود می‌بینید متفاوت بودند.

به جای ریز مدارها در دهه 40 قرن بیستم، رله های الکترومکانیکیبا لوله های خلاء تکمیل شده است. لامپ ها به عنوان یک دیود عمل می کردند که وضعیت آن را می توان با کاهش یا افزایش ولتاژ در مدار تنظیم کرد. ساختارها به این شکل بودند:

برای کارکرد یک کامپیوتر غول پیکر صدها و گاهی هزاران پردازنده مورد نیاز بود. اما، در عین حال، نمی‌توانید حتی یک ویرایشگر ساده مانند NotePad یا TextEdit را از مجموعه استاندارد ویندوز و macOS روی چنین رایانه‌ای اجرا کنید. کامپیوتر به سادگی قدرت کافی نخواهد داشت.

2. ظهور ترانزیستورها

اولین FET ها در سال 1928 ظاهر شد. اما جهان تنها پس از ظهور به اصطلاح تغییر کرد ترانزیستورهای دوقطبیدر سال 1947 افتتاح شد.

در اواخر دهه 1940، فیزیکدان تجربی، والتر براتین و نظریه پرداز جان باردین، اولین ترانزیستور نقطه ای را توسعه دادند. در سال 1950، اولین ترانزیستور اتصالی جایگزین آن شد و در سال 1954، سازنده مشهور Texas Instruments یک ترانزیستور سیلیکونی را معرفی کرد.

اما انقلاب واقعی در سال 1959 رخ داد، زمانی که دانشمند ژان هنری اولین ترانزیستور مسطح سیلیکونی (مسطح) را توسعه داد، که مبنایی برای مدارهای مجتمع یکپارچه شد.

بله، کمی مشکل است، پس بیایید کمی عمیق‌تر کنیم و به بخش تئوری بپردازیم.

3. ترانزیستور چگونه کار می کند

بنابراین، وظیفه چنین جزء الکتریکی مانند ترانزیستورکنترل جریان است. به عبارت ساده تر، این کلید کوچک، جریان برق را کنترل می کند.

مزیت اصلی ترانزیستور نسبت به سوئیچ معمولی این است که نیازی به حضور شخص ندارد. آن ها چنین عنصری قادر است به طور مستقل جریان را کنترل کند. علاوه بر این، بسیار سریعتر از آن چیزی است که خودتان مدار الکتریکی را روشن یا خاموش کنید، کار می کند.

از یک دوره علوم کامپیوتر مدرسه، احتمالاً به یاد دارید که یک کامپیوتر زبان انسان را تنها از طریق ترکیب دو حالت "روشن" و "خاموش" "درک" می کند. در درک ماشین، این حالت "0" یا "1" است.

وظیفه کامپیوتر نمایندگی است برقبه صورت اعداد

و اگر قبلاً وظیفه سوئیچینگ حالت ها توسط رله های الکتریکی دست و پا چلفتی، حجیم و ناکارآمد انجام می شد، اکنون ترانزیستور این کار معمول را بر عهده گرفته است.

از ابتدای دهه 60، ترانزیستورها شروع به ساختن از سیلیکون کردند، که باعث شد نه تنها پردازنده ها فشرده تر شوند، بلکه قابلیت اطمینان آنها نیز به میزان قابل توجهی افزایش یابد.

اما ابتدا بیایید به دیود بپردازیم

سیلیکون(با نام مستعار Si - "سیلیسیم" در جدول تناوبی) به دسته نیمه هادی ها تعلق دارد، به این معنی که از یک طرف جریان را بهتر از دی الکتریک منتقل می کند، از طرف دیگر این کار را بدتر از فلز انجام می دهد.

چه بخواهیم چه نخواهیم، ​​اما برای درک کار و تاریخچه بیشتر توسعه پردازنده ها، باید در ساختار یک اتم سیلیکون فرو برویم. نترسید، اجازه دهید آن را کوتاه و بسیار واضح بیان کنیم.

وظیفه ترانزیستور تقویت است سیگنال ضعیفبا منبع تغذیه اضافی

اتم سیلیکون دارای چهار الکترون است که به لطف آنها پیوند ایجاد می کند (و به طور دقیق - پیوندهای کووالانسی)با همان سه اتم نزدیک، یک شبکه کریستالی تشکیل می دهند. در حالی که بیشتر الکترون ها در پیوند هستند، بخش کوچکی از آنها می توانند از طریق شبکه کریستالی حرکت کنند. به دلیل این انتقال جزئی الکترون ها است که سیلیکون به عنوان نیمه هادی طبقه بندی شد.

اما چنین حرکت ضعیفی از الکترون ها اجازه استفاده از ترانزیستور را در عمل نمی دهد، بنابراین دانشمندان تصمیم گرفتند تا عملکرد ترانزیستورها را افزایش دهند. دوپینگیا به عبارت ساده تر، افزودن اتم های عناصر با آرایش مشخصه الکترون ها به شبکه بلوری سیلیکون.

بنابراین آنها شروع به استفاده از ناخالصی 5 ظرفیتی فسفر کردند که به دلیل آن دریافت کردند ترانزیستورهای نوع n. وجود یک الکترون اضافی باعث شد که حرکت آنها تسریع شود و جریان جریان افزایش یابد.

هنگام دوپینگ ترانزیستورها نوع pبور که شامل سه الکترون است به چنین کاتالیزوری تبدیل شد. به دلیل عدم وجود یک الکترون، حفره‌هایی در شبکه کریستالی ظاهر می‌شوند (نقش بار مثبت را بازی می‌کنند)، اما با توجه به اینکه الکترون‌ها قادر به پر کردن این حفره‌ها هستند، رسانایی سیلیکون به میزان قابل توجهی افزایش می‌یابد.

فرض کنید یک ویفر سیلیکونی گرفته ایم و یک قسمت آن را با ناخالصی نوع p و قسمت دیگر را با ناخالصی نوع n دوپ کرده ایم. پس گرفتیم دیود- عنصر اصلی ترانزیستور.

اکنون الکترون های واقع در قسمت n تمایل دارند به سمت حفره های واقع در قسمت p بروند. در این حالت، سمت n دارای بار منفی خفیف و سمت p دارای بار مثبت خواهد بود. میدان الکتریکی تشکیل شده در نتیجه این "گرانش" - مانع - از حرکت بیشتر الکترون ها جلوگیری می کند.

اگر منبع تغذیه را طوری به دیود وصل کنید که "-" سمت p صفحه را لمس کند و "+" سمت n را لمس کند، به دلیل این که سوراخ ها می توانند جریان را برقرار کنند، امکان پذیر نخواهد بود. به تماس منفی منبع نیرو جذب می شود و الکترون ها به سمت مثبت جذب می شوند و پیوند بین الکترون های p و n به دلیل انبساط لایه ترکیبی از بین می رود.

اما اگر منبع تغذیه را با ولتاژ کافی برعکس وصل کنید، یعنی. "+" از منبع به سمت p و "-" به سمت n، الکترون های قرار گرفته در سمت n توسط قطب منفی دفع می شوند و به سمت p رانده می شوند و حفره هایی را در p- اشغال می کنند. منطقه

اما اکنون الکترون ها به سمت قطب مثبت منبع نیرو جذب می شوند و از طریق سوراخ های p به حرکت خود ادامه می دهند. این پدیده نامیده شده است دیود بایاس رو به جلو.

دیود + دیود = ترانزیستور

به خودی خود، ترانزیستور را می توان به عنوان دو دیود متصل به یکدیگر در نظر گرفت. در این صورت ناحیه p (منطقه ای که سوراخ ها در آن قرار دارند) برای آنها رایج می شود و "پایه" نامیده می شود.

در ترانزیستور N-P-Nدو ناحیه n با الکترون های اضافی - آنها همچنین "گسترش کننده" و "گردآورنده" و یک منطقه ضعیف با حفره ها - منطقه p که "پایه" نامیده می شود.

اگر یک منبع تغذیه (بیایید آن را V1 بنامیم) به مناطق n ترانزیستور (بدون توجه به قطب) وصل کنید، یک دیود بایاس معکوس خواهد شد و ترانزیستور خواهد بود. بسته.

اما، به محض اینکه منبع تغذیه دیگری را وصل می کنیم (بیایید آن را V2 بنامیم)، مخاطب "+" را روی منطقه p "مرکزی" (پایه) و تماس "-" را به منطقه n (امیتر) تنظیم می کنیم. برخی از الکترون ها از طریق زنجیره تشکیل شده مجدد (V2) جریان می یابند و قسمت توسط ناحیه n مثبت جذب می شود. در نتیجه، الکترون ها به ناحیه کلکتور جریان می یابند و جریان الکتریکی ضعیفی تقویت می شود.

بازدم!

4. پس چگونه یک کامپیوتر واقعا کار می کند؟

و حالا مهم ترین.

بسته به ولتاژ اعمال شده، ترانزیستور می تواند یکی باشد باز کن، یا بسته. اگر ولتاژ برای غلبه بر مانع پتانسیل کافی نباشد (آنی که در محل اتصال صفحات p و n قرار دارد) - ترانزیستور در حالت بسته خواهد بود - در حالت "خاموش" یا به زبان سیستم دودویی – "0".

با ولتاژ کافی، ترانزیستور روشن می شود و مقدار "روشن" یا "1" را به صورت باینری دریافت می کنیم.

این حالت 0 یا 1 در صنعت کامپیوتر "بیت" نامیده می شود.

آن ها ما ویژگی اصلی همان سوئیچ را دریافت می کنیم که راه را برای رایانه ها برای بشر باز کرد!

در اولین کامپیوتر دیجیتال الکترونیکی ENIAC یا به عبارت ساده تر اولین کامپیوتر حدود 18 هزار لامپ تریود استفاده شد. اندازه کامپیوتر با زمین تنیس قابل مقایسه بود و وزن آن 30 تن بود.

برای درک نحوه عملکرد پردازنده، دو نکته کلیدی دیگر وجود دارد که باید درک کنید.

لحظه 1. بنابراین، ما تصمیم گرفتیم که چیست بیت. اما با کمک آن، ما فقط می‌توانیم دو ویژگی از چیزی را بدست آوریم: یا «بله» یا «نه». برای اینکه کامپیوتر یاد بگیرد که ما را بهتر درک کند، ترکیبی از 8 بیت (0 یا 1) را ارائه کردند که آنها را نام بردند. بایت.

با استفاده از یک بایت، می توانید یک عدد از صفر تا 255 را رمزگذاری کنید. با استفاده از این 255 عدد - ترکیبی از صفر و یک، می توانید هر چیزی را رمزگذاری کنید.

لحظه 2.وجود اعداد و حروف بدون هیچ منطقی چیزی به ما نمی دهد. به همین دلیل است که مفهوم عملگرهای منطقی.

با اتصال فقط دو ترانزیستور به روشی خاص، می توانید چندین عمل منطقی را همزمان انجام دهید: "و"، "یا". ترکیبی از مقدار ولتاژ در هر ترانزیستور و نوع اتصال آنها به شما امکان می دهد ترکیبات مختلفصفر و یک

با تلاش برنامه نویسان، مقادیر صفر و یک، سیستم باینری، شروع به ترجمه به اعشار کردند تا بتوانیم بفهمیم رایانه دقیقاً چه می گوید. و برای وارد کردن دستورات، اعمال معمول ما، مانند وارد کردن حروف از صفحه کلید، به عنوان یک زنجیره باینری از دستورات نشان داده می شود.

به بیان ساده، تصور کنید که یک جدول مطابقت وجود دارد، مثلا ASCII، که در آن هر حرف با ترکیبی از 0 و 1 مطابقت دارد. ترانزیستورها به گونه ای سوئیچ می شوند که بیشترین حرف نوشته شده روی کلید.

این یک توضیح نسبتاً ابتدایی از نحوه عملکرد پردازنده و رایانه است، اما این درک است که به ما امکان می دهد به جلو برویم.

5. و مسابقه ترانزیستورها شروع شد

پس از اینکه مهندس رادیو بریتانیایی جفری دامر در سال 1952 پیشنهاد داد که ساده ترین را قرار دهد قطعات الکترونیکیدر یک کریستال نیمه هادی یکپارچه، صنعت کامپیوتر جهشی به جلو داشته است.

از مدارهای مجتمع پیشنهاد شده توسط Dahmer، مهندسان به سرعت به آن تغییر مکان دادند ریزتراشه هابر اساس ترانزیستور به نوبه خود، چندین تراشه از این دست قبلاً خود را تشکیل داده اند CPU.

البته ابعاد این گونه پردازنده ها شباهت چندانی به پردازنده های امروزی ندارد. علاوه بر این، تا سال 1964، همه پردازنده ها یک مشکل داشتند. آنها به یک رویکرد فردی نیاز داشتند - زبان برنامه نویسی خودشان برای هر پردازنده.

• 1964 IBM System/360.کامپیوتر سازگار جهانی کد برنامه. یک مجموعه دستورالعمل برای یک مدل پردازنده می تواند برای دیگری استفاده شود.
• دهه 70ظهور اولین ریزپردازنده ها. پردازنده تک تراشه اینتل. اینتل 4004 - 10 میکرومتر TPU، 2300 ترانزیستور، 740 کیلوهرتز.
• 1973 سال اینتل 4040 و اینتل 8008. 3000 ترانزیستور در 740 کیلوهرتز برای Intel 4040 و 3500 ترانزیستور در 500 کیلوهرتز برای Intel 8008.
• 1974 اینتل 8080. TPU 6 میکرون و ترانزیستور 6000. فرکانس ساعت حدود 5000 کیلوهرتز است. این پردازنده بود که در کامپیوتر Altair-8800 استفاده شد. نسخه داخلی اینتل 8080 پردازنده KR580VM80A است که توسط موسسه تحقیقات میکرودیوایس های کیف توسعه یافته است. 8 بیت
• 1976 اینتل 8080. TPU 3 میکرون و ترانزیستور 6500. فرکانس ساعت 6 مگاهرتز 8 بیت
• 1976 Zilog Z80. TPU 3 میکرون و ترانزیستور 8500. فرکانس ساعت تا 8 مگاهرتز 8 بیت
• 1978 اینتل 8086. TPU 3 میکرون و 29000 ترانزیستور. فرکانس ساعت حدود 25 مگاهرتز است. مجموعه دستورات x86 که هنوز در حال استفاده است. 16 بیت
• 1980 اینتل 80186. TPU 3 میکرون و ترانزیستور 134000. فرکانس ساعت - تا 25 مگاهرتز. 16 بیت
• 1982 اینتل 80286. 1.5 میکرون TPU و 134000 ترانزیستور. فرکانس - تا 12.5 مگاهرتز. 16 بیت
• 1982 موتورولا 68000. 3 میکرومتر و ترانزیستور 84000. این پردازنده در کامپیوتر اپللیزا
• 1985 اینتل 80386. 1.5 میکرون tp و 275000 ترانزیستور فرکانس - تا 33 مگاهرتز در نسخه 386SX.

به نظر می رسد که لیست می تواند به طور نامحدود ادامه یابد، اما پس از آن مهندسان اینتل با مشکل جدی مواجه شدند.

6. قانون مور یا نحوه زندگی سازندگان تراشه

در اواخر دهه 80 بیرون آمد. در اوایل دهه 60، یکی از بنیانگذاران توسط اینتلگوردون مور به اصطلاح "قانون مور" را تدوین کرد. به نظر می رسد اینگونه است:

هر 24 ماه، تعداد ترانزیستورهایی که روی یک تراشه قرار می گیرند مدار مجتمع، دو برابر می شود.

سخت است که این قانون را قانون بنامیم. دقیق تر است که آن را مشاهده تجربی بنامیم. مور با مقایسه سرعت توسعه فناوری، به این نتیجه رسید که روند مشابهی می تواند شکل بگیرد.

اما در حال حاضر در طول توسعه نسل چهارم پردازنده های اینتلمهندسان i486 با این واقعیت روبرو هستند که قبلاً به سقف عملکرد رسیده اند و دیگر نمی توانند پردازنده های بیشتری را در همان منطقه قرار دهند. در آن زمان تکنولوژی اجازه این کار را نمی داد.

به عنوان راه حل، یک نوع با استفاده از تعدادی عنصر اضافی پیدا شد:

• حافظه کش؛
• نوار نقاله;
• پردازنده داخلی؛
• چند برابر کننده

بخشی از بار محاسباتی بر دوش این چهار گره افتاد. در نتیجه ظاهر حافظه کش از یک طرف طراحی پردازنده را پیچیده و از طرف دیگر بسیار قدرتمندتر شد.

پردازنده Intel i486 قبلاً از 1.2 میلیون ترانزیستور تشکیل شده بود حداکثر فرکانسکار او به 50 مگاهرتز رسید.

در سال 1995، توسعه می پیوندد AMDو سریعترین پردازنده Am5x86 سازگار با i486 را در آن زمان در معماری 32 بیتی منتشر می کند. قبلاً براساس فناوری فرآیند 350 نانومتری تولید می شد و تعداد پردازنده های نصب شده به 1.6 میلیون قطعه رسید. فرکانس ساعت به 133 مگاهرتز افزایش یافته است.

اما سازندگان تراشه جرات افزایش بیشتر تعداد پردازنده‌های نصب شده روی یک تراشه و توسعه معماری آرمان‌شهری CISC (محاسبات مجموعه دستورالعمل‌های پیچیده) را نداشتند. در عوض، دیوید پترسون، مهندس آمریکایی، پیشنهاد بهینه سازی عملکرد پردازنده ها را داد و تنها ضروری ترین دستورالعمل های محاسباتی را باقی گذاشت.

بنابراین سازندگان پردازنده به پلتفرم RISC (Reduced Instruction Set Computing) روی آوردند.اما حتی این نیز کافی نبود.

در سال 1991، پردازنده 64 بیتی R4000 منتشر شد که در فرکانس 100 مگاهرتز کار می کرد. سه سال بعد، پردازنده R8000 ظاهر شد و دو سال بعد، R10000 با سرعت کلاک تا 195 مگاهرتز. به موازات آن، بازار پردازنده های SPARC توسعه یافت که ویژگی معماری آن عدم وجود دستورالعمل های ضرب و تقسیم بود.

سازندگان تراشه به جای جنگیدن بر سر تعداد ترانزیستورها، شروع به بازنگری در معماری کار خود کردند.. رد دستورات "غیر ضروری"، اجرای دستورالعمل ها در یک چرخه، وجود رجیسترهای ارزش عمومی و خط لوله باعث شد تا فرکانس ساعت و قدرت پردازنده ها بدون تحریف تعداد ترانزیستورها به سرعت افزایش یابد.

در اینجا فقط تعدادی از معماری هایی که بین سال های 1980 و 1995 ظاهر شده اند آورده شده است:

• SPARC;
• ARM;
• PowerPC;
• اینتل P5;
• AMD K5;
• اینتل P6.

آنها بر اساس پلت فرم RISC، و در برخی موارد، استفاده جزئی و ترکیبی از پلت فرم CISC بودند. اما توسعه فناوری بار دیگر تراشه‌سازان را به ادامه ساخت پردازنده‌ها واداشت.

در آگوست 1999، AMD K7 Athlon وارد بازار شد که با استفاده از فناوری فرآیند 250 نانومتری و شامل 22 میلیون ترانزیستور تولید شد. بعداً این نوار به 38 میلیون پردازنده افزایش یافت. سپس تا 250 میلیون.

پردازنده تکنولوژیکی افزایش یافت، فرکانس ساعت افزایش یافت. اما همانطور که فیزیک می گوید، برای هر چیزی محدودیتی وجود دارد.

7. پایان رقابت ترانزیستور نزدیک است

در سال 2007، گوردون مور یک بیانیه بسیار صریح بیان کرد:

قانون مور به زودی اعمال نخواهد شد. نصب تعداد نامحدود پردازنده به طور نامحدود غیرممکن است. دلیل این امر ماهیت اتمی ماده است.

با چشم غیرمسلح قابل توجه است که دو سازنده پیشرو تراشه AMD و Intel طی چند سال گذشته به وضوح سرعت توسعه پردازنده را کاهش داده اند. دقت فرآیند فناوری تنها به چند نانومتر افزایش یافته است، اما امکان قرار دادن پردازنده‌های بیشتری نیز وجود ندارد.

و در حالی که سازندگان نیمه هادی تهدید می کنند که ترانزیستورهای چند لایه را راه اندازی کنند و موازی با حافظه 3DNand ترسیم کنند، 30 سال پیش یک رقیب جدی در معماری دیواری x86 ظاهر شد.

8. آنچه در انتظار پردازنده های "عادی" است

قانون مور از سال 2016 باطل شده است. این به طور رسمی توسط بزرگترین سازنده پردازنده اینتل اعلام شد. دو برابر قدرت پردازش 100% هر دو سال یکبار، سازندگان تراشه دیگر قادر به این کار نیستند.

و اکنون سازندگان پردازنده چندین گزینه بی‌نظیر دارند.

گزینه اول - کامپیوترهای کوانتومی . قبلاً تلاش هایی برای ساخت رایانه ای صورت گرفته است که از ذرات برای نمایش اطلاعات استفاده می کند. چندین دستگاه کوانتومی مشابه در جهان وجود دارد، اما آنها فقط می توانند با الگوریتم هایی با پیچیدگی کم کنار بیایند.

علاوه بر این، عرضه سریالی چنین دستگاه هایی در دهه های آینده دور از ذهن است. گران، ناکارآمد و... کند!

بله، رایانه‌های کوانتومی انرژی بسیار کمتری نسبت به همتایان مدرن خود مصرف می‌کنند، اما تا زمانی که توسعه‌دهندگان و سازندگان قطعات به فناوری جدید روی بیاورند، سرعت آنها نیز کندتر خواهد بود.

گزینه دوم - پردازنده هایی با لایه های ترانزیستور. هم اینتل و هم AMD به طور جدی به این فناوری فکر کرده اند. آنها قصد دارند به جای یک لایه ترانزیستور از چند لایه استفاده کنند. به نظر می‌رسد در سال‌های آینده، پردازنده‌هایی ظاهر شوند که نه تنها تعداد هسته‌ها و فرکانس ساعت، بلکه تعداد لایه‌های ترانزیستور نیز در آنها مهم خواهد بود.

راه حل حق حیات دارد و به این ترتیب انحصارگران می توانند تا چند دهه دیگر مصرف کننده را شیر کنند، اما در نهایت، این فناوری دوباره به سقف خواهد رسید.

امروز، اینتل با درک پیشرفت سریع معماری ARM، اعلامیه ای بی سر و صدا از خانواده تراشه های Ice Lake ارائه کرد. این پردازنده ها بر اساس فرآیند 10 نانومتری ساخته می شوند و پایه ای برای گوشی های هوشمند، تبلت ها و دستگاه های تلفن همراه خواهند بود. اما در سال 2019 اتفاق خواهد افتاد.

9. ARM آینده است

بنابراین، معماری x86 در سال 1978 ظاهر شد و متعلق به نوع پلت فرم CISC است. آن ها به خودی خود حاکی از وجود دستورالعمل برای همه موارد است. تطبیق پذیری نقطه قوت اصلی x86 است.

اما، در همان زمان، همه کاره بودن شوخی بی رحمانه ای با این پردازنده ها بازی کرد. x86 چندین معایب کلیدی دارد:

• پیچیدگی دستورات و سردرگمی صریح آنها؛
• مصرف انرژی بالا و انتشار گرما

برای عملکرد بالا، باید با بهره وری انرژی خداحافظی می کردم. علاوه بر این، دو شرکت در حال حاضر روی معماری x86 کار می کنند که می توان با خیال راحت به انحصارگران نسبت داد. اینها اینتل و AMD هستند. فقط آنها می توانند پردازنده های x86 تولید کنند، به این معنی که فقط آنها بر توسعه فناوری ها حکومت می کنند.

در همان زمان، چندین شرکت در توسعه ARM (Arcon Risk Machine) مشارکت دارند. در سال 1985، توسعه دهندگان پلتفرم RISC را به عنوان پایه ای برای توسعه بیشتر معماری انتخاب کردند.

برخلاف CISC، RISC شامل طراحی یک پردازنده با حداقل تعداد دستورالعمل های مورد نیاز، اما حداکثر بهینه سازی است. پردازنده های RISC بسیار کوچکتر از CISC، کارآمدتر و ساده تر هستند.

علاوه بر این، ARM در ابتدا تنها به عنوان رقیب x86 ایجاد شد. توسعه دهندگان این وظیفه را برای ساختن معماری کارآمدتر از x86 تعیین کردند.

از دهه 40، مهندسان فهمیده‌اند که یکی از وظایف اولویت‌دار، کار بر روی کاهش اندازه رایانه‌ها و اول از همه، خود پردازنده‌ها است. اما تقریباً 80 سال پیش، به سختی کسی می توانست تصور کند که یک کامپیوتر تمام عیار کوچکتر از یک جعبه کبریت باشد.

معماری ARM زمانی پشتیبانی می شد شرکت اپل، راه اندازی تولید تبلت های نیوتن بر اساس پردازنده های خانواده ARM6 ARM.

فروش رایانه های رومیزی به سرعت در حال کاهش است، در حالی که تعداد دستگاه های تلفن همراه فروخته شده سالانه در حال حاضر میلیاردها نفر است. اغلب، علاوه بر عملکرد، هنگام انتخاب یک ابزار الکترونیکی، کاربر به چندین معیار دیگر علاقه مند است:

• تحرک؛
• خودمختاری

معماری x86 از نظر عملکرد قوی است، اما هنگامی که خنک کننده فعال را رها کنید، چگونه پردازنده قدرتمنددر مقایسه با معماری ARM رقت انگیز به نظر می رسد.

10. چرا ARM رهبر بلامنازع است

به سختی تعجب خواهید کرد که گوشی هوشمند شما، چه یک اندروید ساده باشد و چه پرچمدار 2016 اپل، ده ها برابر قدرتمندتر باشد. کامپیوترهای تمام عیاردوران اواخر دهه 90

اما همین آیفون چقدر قدرتمندتر است؟

به خودی خود، مقایسه دو معماری مختلف کار بسیار دشواری است. اندازه‌گیری‌ها در اینجا فقط به طور تقریبی قابل انجام هستند، اما می‌توانید مزیت عظیمی را که پردازنده‌های گوشی‌های هوشمند ساخته شده بر روی معماری ARM ارائه می‌کنند، درک کنید.

یک دستیار جهانی در این زمینه، تست عملکرد Geekbench مصنوعی است. ابزار به صورت موجود است کامپیوترهای ثابتو همچنین در پلتفرم های اندروید و iOS.

لپ‌تاپ‌های میان‌رده و ابتدایی به وضوح از عملکرد آیفون 7 عقب‌تر هستند. در بخش برتر، اوضاع کمی پیچیده‌تر است، اما در سال 2017، اپل آیفون X را بر روی تراشه جدید A11 Bionic عرضه کرد.

در آنجا، معماری ARM از قبل برای شما آشناست، اما ارقام در Geekbench تقریبا دو برابر شده است. لپ‌تاپ‌های «رده‌ی بالاتر» تنش کردند.

و فقط یک سال از آن زمان می گذرد.

توسعه ARM در حال جهش است. در حالی که اینتل و AMD سال به سال افزایش عملکرد 5 تا 10 درصدی را نشان می دهند، در مدت مشابه، سازندگان گوشی های هوشمند موفق می شوند قدرت پردازنده را دو تا دو و نیم برابر افزایش دهند.

کاربران شکاک که از خطوط برتر Geekbench عبور می کنند فقط می خواهند به آنها یادآوری شود: in فن آوری های موبایلاندازه مهم ترین چیزی است

یک آب نبات با یک پردازنده 18 هسته ای قدرتمند که "معماری ARM را تکه تکه می کند" روی میز قرار دهید و سپس آیفون خود را در کنار آن قرار دهید. تفاوت را احساس کنید؟

11. به جای خروجی

پوشش تاریخ 80 ساله توسعه رایانه ها در یک ماده غیرممکن است. اما پس از خواندن این مقاله، می توانید درک کنید که چگونه عنصر اصلی هر کامپیوتر - پردازنده - چیده شده است و در سال های آینده چه انتظاراتی از بازار دارید.

البته اینتل و AMD روی افزایش بیشتر تعداد ترانزیستورها در یک تراشه و ترویج ایده عناصر چند لایه کار خواهند کرد.

اما آیا شما به عنوان یک مشتری به چنین قدرتی نیاز دارید؟

بعید است که از عملکرد راضی باشید آیپد پرویا iPhone X پرچمدار. فکر نمی کنم از عملکرد مولتی کوک خود در آشپزخانه یا کیفیت تصویر یک تلویزیون 65 اینچی 4K ناراضی باشید. اما همه این دستگاه ها از پردازنده هایی در معماری ARM استفاده می کنند.

ویندوز قبلاً به طور رسمی اعلام کرده است که با علاقه به سمت ARM نگاه می کند. این شرکت از این معماری در ویندوز 8.1 پشتیبانی می‌کرد و اکنون به طور فعال در حال کار بر روی تراشه‌ساز پیشرو ARM کوالکام است.

گوگل همچنین موفق شد به ARM نگاه کند - سیستم عاملسیستم عامل کروم از این معماری پشتیبانی می کند. چندین توزیع لینوکس به طور همزمان ظاهر شده اند که با این معماری نیز سازگار هستند. و این تازه اولشه.

و فقط برای لحظه ای سعی کنید تصور کنید که ترکیب یک پردازنده ARM کم مصرف با یک باتری گرافن چقدر لذت بخش خواهد بود. این معماری است که امکان دستیابی به ابزارهای ارگونومیک سیار را فراهم می کند که می توانند آینده را دیکته کنند.

4.61 از 5 امتیاز: 38 )

سایت اینترنتی مقاله عالی، چای خود را بریزید.

پردازنده بدون شک جزء اصلی هر کامپیوتری است. این قطعه کوچک سیلیکون به اندازه چند ده میلی متر است که همه اینها را انجام می دهد. کارهای چالش برانگیزکه جلوی کامپیوترتان می گذارید. این جایی است که سیستم عامل و همچنین همه برنامه ها اجرا می شود. اما این همه چگونه کار می کند؟ ما سعی خواهیم کرد این سوال را در مقاله امروز خود تحلیل کنیم.

پردازنده داده های رایانه شما را مدیریت می کند و میلیون ها دستورالعمل را در ثانیه اجرا می کند. و منظور من از واژه پرداز دقیقاً همان چیزی است که واقعاً به آن معنا می دهد - یک تراشه سیلیکونی کوچک که در واقع همه عملیات را روی رایانه انجام می دهد. قبل از اینکه به بررسی نحوه عملکرد پردازنده بپردازید، ابتدا باید با جزئیات در نظر بگیرید که چیست و از چه چیزی تشکیل شده است.

ابتدا بیایید ببینیم پردازنده چیست. CPU یا واحد پردازش مرکزی (واحد پردازش مرکزی) - که یک ریز مدار با مقدار زیادیترانزیستورها، ساخته شده بر روی یک کریستال سیلیکون. اولین پردازنده جهان توسط شرکت اینتل در سال 1971 ساخته شد. همه چیز از این شروع شد مدل های اینتل 4004. او فقط می توانست عملیات محاسباتی انجام دهد و فقط می توانست 4 بایت داده را پردازش کند. مدل بعدی در سال 1974 عرضه شد - اینتل 8080 و می توانست 8 بیت اطلاعات را پردازش کند. سپس 80286، 80386، 80486 وجود داشت. نام معماری از این پردازنده ها بود.

فرکانس کلاک پردازنده 8088 5 مگاهرتز بود و تعداد عملیات در ثانیه فقط 330000 بود که بسیار کمتر از پردازنده های مدرن است. دستگاه های مدرن دارای فرکانس تا 10 گیگاهرتز و چندین میلیون عملیات در ثانیه هستند.

ما ترانزیستورها را در نظر نخواهیم گرفت، به سطح بالاتری خواهیم رفت. هر پردازنده از اجزای زیر تشکیل شده است:

• هسته- تمام پردازش اطلاعات در اینجا و انجام می شود عملیات ریاضی، می تواند چندین هسته وجود داشته باشد.
• رمزگشای دستوری- این جزء متعلق به هسته است، دستورات نرم افزار را به مجموعه ای از سیگنال ها تبدیل می کند که توسط ترانزیستورهای هسته اجرا می شود.
• حافظه پنهان- ناحیه ای از حافظه فوق العاده سریع، حجم کمی که داده های خوانده شده از RAM در آن ذخیره می شود.
• ثبت می کند- این سلول های حافظه بسیار سریع هستند که داده های پردازش شده فعلی در آنها ذخیره می شود. فقط تعداد کمی از آنها وجود دارد و اندازه آنها محدود است - 8، 16 یا 32 بیت، عمق بیت پردازنده به این بستگی دارد.
• پردازنده کمکی- یک هسته جداگانه که فقط برای عملیات خاصی مانند پردازش ویدیو یا رمزگذاری داده ها بهینه شده است.
• اتوبوس آدرس- برای ارتباط با تمام دستگاه های متصل به مادربرد، می تواند عرض 8، 16 یا 32 بیت داشته باشد.
• گذرگاه داده- برای ارتباط با حافظه عملیاتی. با آن، پردازنده می تواند داده ها را در حافظه بنویسد یا از آنجا بخواند. گذرگاه حافظه می تواند 8، 16 و 32 بیت باشد، این مقدار داده ای است که می تواند در یک زمان منتقل شود.
• گذرگاه همگام سازی- به شما امکان می دهد فرکانس پردازنده و چرخه ساعت را کنترل کنید.
• اتوبوس را دوباره راه اندازی کنید- برای تنظیم مجدد وضعیت پردازنده؛

جزء اصلی را می توان هسته یا واحد محاسباتی - حسابی و همچنین رجیسترهای پردازنده در نظر گرفت. هر چیز دیگری به کارکرد این دو جزء کمک می کند. بیایید ببینیم رجیسترها چیست و هدف آنها چیست.

• ثبت های A، B، C- طراحی شده برای ذخیره داده ها در حین پردازش، بله، تنها سه مورد از آنها وجود دارد، اما این کاملاً کافی است.
• EIP- حاوی آدرس دستورالعمل برنامه بعدی در RAM است.
• ESP- آدرس داده ها در RAM؛
• ز- حاوی نتیجه آخرین عملیات مقایسه است.

البته اینها از همه رجیسترهای حافظه دور هستند، اما اینها مهمترین هستند و پردازنده در هنگام اجرای برنامه بیشترین استفاده را می کند. خوب، اکنون که می دانید پردازنده از چه چیزی تشکیل شده است، می توانید نحوه عملکرد آن را در نظر بگیرید.

پردازنده کامپیوتر چگونه کار می کند؟

هسته پردازشی پردازنده فقط می تواند عملیات ریاضی، عملیات مقایسه و جابجایی داده ها بین سلول ها و RAM را انجام دهد، اما این برای شما کافی است تا بتوانید بازی کنید، فیلم تماشا کنید و وب گردی کنید و خیلی چیزهای دیگر.

در واقع، هر برنامه ای از این دستورات تشکیل شده است: حرکت، جمع، ضرب، تقسیم، تفاوت و در صورت برقراری شرایط مقایسه، به دستورالعمل بروید. البته، اینها همه دستورات نیستند، دستورات دیگری نیز وجود دارند که دستوراتی را که قبلاً ذکر شده است ترکیب می‌کنند یا استفاده از آنها را ساده می‌کنند.

تمام حرکات داده ها با استفاده از دستور حرکت (mov) انجام می شود، این دستورالعمل داده ها را بین سلول های ثبات، بین ثبات ها و RAM، بین حافظه و هارد دیسک. برای عملیات حسابیوجود دارد دستورالعمل های ویژه. و دستورالعمل های انتقال برای انجام شرایط لازم است، به عنوان مثال، مقدار ثبات A را بررسی کنید و اگر برابر با صفر نیست، سپس به دستورالعمل برای آدرس مورد نظر. شما همچنین می توانید حلقه ها را با استفاده از دستورالعمل های پرش ایجاد کنید.

همه اینها بسیار خوب است، اما چگونه همه این اجزا با یکدیگر تعامل دارند؟ و ترانزیستورها چگونه دستورالعمل ها را درک می کنند؟ عملکرد کل پردازنده توسط رمزگشای دستورالعمل کنترل می شود. هر جزء را مجبور می کند تا کاری را که قرار است انجام دهد انجام دهد. بیایید ببینیم وقتی یک برنامه باید اجرا شود چه اتفاقی می افتد.

در مرحله اول، رمزگشا آدرس اولین دستورالعمل برنامه را در حافظه در رجیستر دستورالعمل EIP بعدی بارگذاری می کند، برای این کار کانال خواندن را فعال می کند و ترانزیستور لچ را باز می کند تا داده ها را در ثبات EIP قرار دهد.

در چرخه ساعت دوم، رمزگشای دستورالعمل دستورالعمل را به مجموعه ای از سیگنال ها برای ترانزیستورهای هسته محاسباتی تبدیل می کند که آن را اجرا می کند و نتیجه را در یکی از رجیسترها می نویسد، مثلاً C.

در چرخه سوم، رمزگشا آدرس دستور بعدی را یک عدد افزایش می دهد، به طوری که به دستور بعدی در حافظه اشاره می کند. علاوه بر این، رمزگشا به بارگذاری دستور بعدی ادامه می دهد و تا پایان برنامه ادامه می دهد.

هر دستورالعمل قبلاً توسط دنباله ای از ترانزیستورها رمزگذاری شده است و به سیگنال تبدیل می شود، باعث تغییرات فیزیکی در پردازنده می شود، به عنوان مثال، تغییر موقعیت یک لچ که اجازه می دهد داده ها در یک سلول حافظه نوشته شوند و غیره. اجرای دستورات مختلف به تعداد چرخه های متفاوتی نیاز دارد، به عنوان مثال، برای یک فرمان ممکن است 5 سیکل طول بکشد، و برای دستور دیگر، پیچیده تر، تا 20 چرخه. اما همه اینها همچنان به تعداد ترانزیستورهای خود پردازنده بستگی دارد. .

خوب، همه چیز با این مشخص است، اما همه چیز فقط در صورتی کار می کند که یک برنامه در حال اجرا باشد، و اگر چندین برنامه وجود داشته باشد و همه به طور همزمان وجود داشته باشد. می توان فرض کرد که پردازنده دارای چندین هسته است و سپس یک برنامه جداگانه روی هر هسته اجرا می شود. اما نه، در واقع چنین محدودیتی وجود ندارد.

به یکی لحظه معینفقط یک برنامه می تواند اجرا شود. تمام زمان CPU بین همه مشترک است برنامه های در حال اجرا، هر برنامه برای چندین چرخه اجرا می شود، سپس پردازنده به برنامه دیگری منتقل می شود و تمام محتویات ثبات ها در آن ذخیره می شود. رم. هنگامی که کنترل به این برنامه باز می گردد، مقادیر ذخیره شده قبلی در ثبات ها بارگذاری می شوند.

نتیجه گیری

این همه است، در این مقاله به نحوه عملکرد یک پردازنده کامپیوتر، پردازنده چیست و از چه چیزی تشکیل شده است، نگاه کردیم. ممکن است کمی پیچیده باشد، اما ما چیزها را ساده تر پوشش داده ایم. امیدوارم اکنون درک واضح تری از نحوه کار این دستگاه بسیار پیچیده داشته باشید.

در پایان ویدیو در مورد تاریخچه ایجاد پردازنده ها:

کامپیوتر شخصی یک چیز بسیار پیچیده و چند وجهی است، اما در هر یک واحد سیستمما مرکز تمام عملیات و فرآیندها را پیدا خواهیم کرد - ریزپردازنده. پردازنده کامپیوتر از چه چیزی تشکیل شده است و چرا هنوز به آن نیاز است؟

احتمالاً بسیاری از اینکه ریزپردازنده از چه چیزی تشکیل شده است خوشحال خواهند شد. کامپیوتر شخصی. تقریباً به طور کامل از سنگ های معمولی، سنگ ها تشکیل شده است.

بله، درست است... این پردازنده حاوی موادی مانند، به عنوان مثال، سیلیکون است - همان ماده ای که سنگ های ماسه و گرانیت را می سازد.

پردازنده هاف

اولین ریزپردازنده برای رایانه شخصی تقریباً نیم قرن پیش - در سال 1970 توسط مریخی ادوارد هاف و تیم مهندسانش از اینتل اختراع شد.

اولین پردازنده Hoff تنها با فرکانس 750 کیلوهرتز کار می کرد.

البته ویژگی های اصلی یک پردازنده کامپیوتر امروزی با شکل فوق قابل مقایسه نیست، "سنگ های" فعلی چندین هزار بار قدرتمندتر از اجداد خود هستند و قبل از آن، بهتر است با وظایفی که آن را انجام می دهد آشنا شوید. حل می کند.

بسیاری از مردم معتقدند که پردازنده ها می توانند "فکر کنند". فوراً باید گفت که ذره ای از حقیقت در این مورد وجود ندارد. هر پردازنده رایانه شخصی سنگین از تعداد زیادی ترانزیستور - نوعی سوئیچ که یک عملکرد واحد را انجام می دهد - برای رد شدن بیشتر سیگنال یا متوقف کردن آن تشکیل شده است. انتخاب بستگی به ولتاژ سیگنال دارد.

اگر از طرف دیگر به آن نگاه کنید، می توانید ببینید که ریزپردازنده از چه چیزی تشکیل شده است، و از رجیسترها - سلول های پردازش اطلاعات تشکیل شده است.

برای اتصال "سنگ" با بقیه دستگاه های رایانه شخصی، از جاده مخصوص با سرعت بالا به نام "اتوبوس" استفاده می شود. سیگنال های الکترومغناطیسی کوچک با سرعت رعد و برق از طریق آن عبور می کنند. این اصل عملکرد پردازنده کامپیوتر یا لپ تاپ است.

دستگاه ریزپردازنده

چیدمان پردازنده کامپیوتر چگونه است؟ در هر ریزپردازنده، 3 جزء قابل تشخیص است:

1. هسته پردازنده (این جایی است که تقسیم صفر و یک اتفاق می افتد).
2. حافظه نهان ذخیره‌سازی کوچکی از اطلاعات در داخل پردازنده است.
3. کوپروسسور یک مرکز ویژه مغز هر پردازنده است که پیچیده ترین عملیات در آن انجام می شود. در اینجا کار با فایل های چند رسانه ای است.

مدار پردازنده کامپیوتر در یک نسخه ساده شده به شرح زیر است:

یکی از شاخص های اصلی ریزپردازنده فرکانس کلاک است. این نشان می دهد که "سنگ" در هر ثانیه چند چرخه انجام می دهد. قدرت پردازنده کامپیوتر به مجموع شاخص های داده شده در بالا بستگی دارد.

لازم به ذکر است که زمانی پرتاب موشک ها و عملکرد ماهواره ها توسط ریزپردازنده هایی با فرکانس ساعت هزار برابر کمتر از فرکانس ساعتی که در اختیار "برادران" امروزی است، کنترل می شد. و اندازه یک ترانزیستور 22 نانومتر است، لایه ترانزیستورها فقط 1 نانومتر است. برای مرجع، 1 نانومتر ضخامت 5 اتم است!

اکنون می‌دانید که یک پردازنده کامپیوتر چگونه کار می‌کند و دانشمندانی که در شرکت‌های تولید رایانه شخصی کار می‌کنند به چه موفقیت‌هایی دست یافته‌اند.

ساختار CPU

برای روشن کردن نحوه عملکرد واحد پردازش مرکزی کامپیوتر برای افراد غیرحرفه ای، در نظر بگیرید که از چه بلوک هایی تشکیل شده است:

واحد کنترل پردازنده؛

رجیسترهای فرمان و داده؛

واحدهای منطقی حسابی (انجام حساب و عملیات منطقی);

بلوک عملیات با اعداد واقعی، یعنی با اعداد ممیز شناور یا، ساده تر، با کسری (FPU).

حافظه بافر (کش) سطح اول (به طور جداگانه برای دستورات و داده ها)؛

حافظه بافر (کش) سطح دوم برای ذخیره نتایج متوسط ​​محاسبات.

اکثر پردازنده های مدرن یک کش سطح سوم نیز دارند.

رابط اتوبوس سیستم.

اصل پردازنده

الگوریتم پردازنده مرکزی کامپیوتر را می توان به صورت دنباله ای از اقدامات زیر نشان داد.

واحد کنترل پردازنده مقادیر خاصی (داده ها) و دستوراتی را که باید اجرا شوند (دستورالعمل ها) از رمی که برنامه در آن بارگذاری می شود، می گیرد. این داده ها در حافظه نهان پردازنده بارگذاری می شوند.

از جانب حافظه بافردستورالعمل های پردازنده (کش) و داده های دریافتی روی ثبات ها نوشته می شوند. دستورالعمل ها در رجیسترهای دستورالعمل و مقادیر در رجیسترهای داده قرار می گیرند.

واحد منطق محاسباتی دستورالعمل ها و داده ها را از رجیسترهای پردازشگر مربوطه می خواند و این دستورالعمل ها را روی اعداد دریافتی اجرا می کند.

نتایج دوباره در رجیسترها و در صورت تکمیل محاسبات در حافظه بافر پردازنده نوشته می شود. پردازنده دارای رجیسترهای بسیار کمی است، بنابراین مجبور است نتایج میانی را در حافظه کش سطوح مختلف ذخیره کند.

داده ها و دستورات جدید لازم برای محاسبات در حافظه نهان سطح بالایی (از سوم به دوم، از دوم به اول) و داده های استفاده نشده، برعکس، در حافظه پنهان سطح پایین بارگذاری می شوند.

اگر چرخه محاسبات به پایان برسد، نتیجه در رم کامپیوتر نوشته می شود تا فضایی در حافظه بافر پردازنده برای محاسبات جدید آزاد شود. هنگامی که حافظه پنهان پر از داده است، همین اتفاق می افتد: داده های استفاده نشده به حافظه پنهان یا RAM سطح پایین منتقل می شوند.

توالی این عملیات، رشته عملیاتی پردازنده را تشکیل می دهد. در حین کار، پردازنده بسیار داغ می شود. برای جلوگیری از این اتفاق، باید لپ تاپ خود را در خانه به موقع تمیز کنید.

به منظور سرعت بخشیدن به کار پردازنده مرکزی و افزایش عملکرد محاسبات، راه حل های جدید معماری به طور مداوم در حال توسعه است که باعث افزایش کارایی پردازنده می شود. از جمله آنها می توان به اجرای عملیات خط لوله، ردیابی، یعنی تلاش برای پیش بینی اشاره کرد اقدامات بعدیبرنامه ها، پردازش موازی دستورات (دستورالعمل ها)، چند رشته ای و چند هسته ای.

پردازنده چند هسته ایدارای چندین هسته محاسباتی، یعنی چندین واحد حسابی-منطقی، واحدها و رجیسترهای ممیز شناور، و همچنین یک حافظه پنهان سطح اول، که هر کدام در هسته خود ترکیب شده اند. هسته ها دارای حافظه بافر مشترک سطح دوم و سوم هستند. ظهور حافظه نهان سطح سوم دقیقاً ناشی از چند هسته ای و بر این اساس، نیاز به مقدار بیشتری از حافظه بافر سریع برای ذخیره نتایج میانی محاسبات بود.

شاخص های اصلی که بر سرعت پردازش داده ها توسط پردازنده تأثیر می گذارد، تعداد هسته های پردازش، طول خط لوله، فرکانس ساعت و مقدار حافظه کش است. برای افزایش عملکرد یک کامپیوتر، اغلب نیاز به تغییر پردازنده است و این مستلزم جایگزینی است مادربردو RAM. کارشناسان ما به شما در ارتقاء، پیکربندی و تعمیر کامپیوتر خود در خانه در مسکو کمک خواهند کرد. مرکز خدمات، اگر از روند خودآرایی و مدرن سازی رایانه می ترسید.