در حال حاضر، حتی تلفن های همراه کمتر پیشرفته نمی توانند بدون ریزپردازنده انجام دهند، در مورد رایانه های شخصی تبلت، قابل حمل و رومیزی چه می توانیم بگوییم. ریزپردازنده چیست و تاریخچه ایجاد آن چگونه شکل گرفت؟ اگر صحبت می کنید زبان قابل فهم، پس ریزپردازنده یک مدار مجتمع پیچیده تر و چند منظوره است.

تاریخچه ریز مدار (مدار مجتمع) آغاز می شود از سال 1958، زمانی که جک کیلبی، کارمند شرکت آمریکایی تگزاس اینسترومنت، نوعی دستگاه نیمه هادی را اختراع کرد که حاوی چندین ترانزیستور است که توسط هادی ها در یک بسته به هم متصل شده اند. اولین ریزمدار - مولد ریزپردازنده - فقط شامل 6 ترانزیستور بود و یک صفحه ژرمانیومی نازک بود که روی آن ردهای ساخته شده از طلا اعمال شده بود.همه اینها روی یک بستر شیشه ای قرار داشت. برای مقایسه، امروز این صورتحساب به واحدها و حتی ده ها میلیون عنصر نیمه هادی می رسد.

تا سال 1970تولیدکنندگان زیادی در توسعه و ایجاد مدارهای مجتمع با ظرفیت های مختلف و جهت گیری های عملکردی مختلف مشغول بودند. اما امسال را می توان تاریخ تولد اولین ریزپردازنده دانست. در این سال بود که اینتل یک تراشه حافظه با ظرفیت تنها 1 کیلوبیت ایجاد کرد - برای پردازنده های مدرن ناچیز، اما برای آن زمان فوق العاده بزرگ. در آن زمان، این یک دستاورد بزرگ بود - یک تراشه حافظه قادر بود تا 128 بایت اطلاعات را ذخیره کند - بسیار بالاتر از آنالوگ های مشابه. علاوه بر این، تقریباً در همان زمان، سازنده ماشین حساب ژاپنی Busicom همان تراشه های 12 اینتل را با جهت گیری های مختلف سفارش داد. متخصصان اینتل موفق شدند همه 12 ناحیه کاربردی را در یک تراشه پیاده سازی کنند. علاوه بر این ، ریز مدار ایجاد شده چند منظوره بود ، زیرا امکان تغییر برنامه ای عملکردهای آن را بدون تغییر ساختار فیزیکی فراهم کرد. ریز مدار بسته به دستوراتی که به خروجی های کنترل آن داده می شود، عملکردهای خاصی را انجام می دهد.

در حال حاضر یک سال بعد در سال 1971اینتل اولین ریزپردازنده 4 بیتی را با کد 4004 منتشر کرد. در مقایسه با اولین تراشه 6 ترانزیستوری، 2.3 هزار عنصر نیمه هادی داشت و 60 هزار عملیات در ثانیه انجام می داد. در آن زمان، این یک پیشرفت بزرگ در زمینه میکروالکترونیک بود. 4 بیت به این معنی است که 4004 می تواند داده های 4 بیتی را یکباره پردازش کند. دو سال بعد در سال 1973این شرکت یک پردازنده 8 بیتی 8008 تولید می کند که قبلاً با داده های 8 بیتی کار می کرد. شروع از سال 1976، این شرکت شروع به توسعه نسخه 16 بیتی ریزپردازنده 8086 کرد. او بود که شروع به استفاده در اولین رایانه های شخصی IBM کرد و در واقع یکی از آجرهای تاریخ رایانه ها را گذاشت.

انواع ریزپردازنده ها

با توجه به ماهیت کد اجرایی و سازماندهی دستگاه کنترل، چندین نوع معماری متمایز می شود:

پردازنده ای با مجموعه ای پیچیده از دستورالعمل ها.این معماری با تعداد زیادی دستورالعمل پیچیده و در نتیجه یک دستگاه کنترل پیچیده مشخص می شود. نسخه‌های اولیه پردازنده‌ها و پردازنده‌های CISC برای برنامه‌های تعبیه‌شده با زمان‌های طولانی اجرای دستورالعمل (از چند سیکل تا صدها) مشخص می‌شوند که توسط میکروکد دستگاه کنترل تعیین می‌شود. پردازنده های فوق اسکالر با کارایی بالا با تجزیه و تحلیل عمیق برنامه و اجرای خارج از نظم عملیات مشخص می شوند.

پردازنده ای با مجموعه ای ساده از دستورالعمل ها.این معماری دستگاه کنترل بسیار ساده تری دارد. بیشتر دستورالعمل های پردازنده RISC شامل همان تعداد کمی عملیات (1، گاهی اوقات 2-3) هستند، و کلمات دستوری خود در اکثر موارد (PowerPC، ARM) همان عرض هستند، اگرچه استثناهایی نیز وجود دارد (Coldfire). پردازنده های Superscalar ساده ترین گروه بندی دستورالعمل ها را بدون تغییر ترتیب اجرا دارند.

پردازنده ای با موازی سازی آشکار.این تفاوت با سایرین در درجه اول در این است که توالی و موازی اجرای عملیات و توزیع آنها بین واحدهای عملکردی به وضوح توسط برنامه تعریف شده است. چنین پردازنده هایی می توانند تعداد زیادی واحد عملکردی بدون پیچیدگی زیاد دستگاه کنترل و از دست دادن کارایی داشته باشند. به طور معمول، چنین پردازنده هایی از یک کلمه دستورالعمل گسترده شامل چندین هجا استفاده می کنند که رفتار هر واحد عملکردی را در طول یک چرخه تعریف می کند.

پردازنده ای با حداقل مجموعه ای از دستورالعمل ها.این معماری در درجه اول توسط تعداد بسیار کمی دستورالعمل (چند ده) تعیین می شود و تقریباً همه آنها عملوند صفر هستند. این رویکرد امکان بسته بندی کد را بسیار محکم می کند و از 5 تا 8 بیت برای یک دستورالعمل اختصاص می یابد. داده های میانی در چنین پردازنده ای معمولاً در پشته داخلی ذخیره می شوند و عملیات روی مقادیر بالای پشته انجام می شود. این معماری ارتباط نزدیکی با ایدئولوژی برنامه نویسی در زبان فورث دارد و معمولا برای اجرای برنامه های نوشته شده به این زبان استفاده می شود.

یک پردازنده با مجموعه ای متغیر از دستورالعمل ها.معماری که به شما امکان می‌دهد با تغییر مجموعه دستورالعمل‌ها، خود را مجددا برنامه‌ریزی کنید و آن را با کار در حال حل تنظیم کنید.

پردازنده مدیریت حمل و نقلمعماری در ابتدا از EPIC منشعب شد، اما اساساً با بقیه تفاوت دارد زیرا دستورالعمل‌های چنین پردازنده‌ای عملیات عملکردی را رمزگذاری می‌کنند، و به اصطلاح انتقال‌ها، انتقال داده‌ها بین واحدهای عملکردی و حافظه به ترتیب دلخواه هستند.

با توجه به روش ذخیره سازی برنامه ها، دو معماری متمایز می شوند:

معماری فون نویمان. این معماری از یک گذرگاه و یک دستگاه I/O برای دسترسی به برنامه و داده ها استفاده می کند.

معماری هاروارددر پردازنده های این معماری، گذرگاه ها و دستگاه های ورودی-خروجی مجزا برای واکشی برنامه و تبادل داده وجود دارد. در ریزپردازنده‌های تعبیه‌شده، میکروکنترلرها و DSPها، وجود دو دستگاه حافظه مستقل برای ذخیره‌سازی برنامه‌ها و داده‌ها نیز مشخص می‌شود. در واحدهای پردازش مرکزی، وجود یک کش جداگانه از دستورالعمل ها و داده ها را مشخص می کند. در پشت حافظه پنهان، اتوبوس‌ها را می‌توان از طریق مالتی پلکس شدن در یکی ترکیب کرد.

مقدمه

1 توسعه ریزپردازنده ها

2 ریزپردازنده i80386

3 ریزپردازنده i80486

4 پردازنده پنتیوم

5 عملکرد پردازنده

6 پردازنده های مشترک

کتابشناسی - فهرست کتب

مقدمه

مهمترین عنصر هر رایانه شخصی ریزپردازنده است. تا حد زیادی توانایی های سیستم محاسباتی را تعیین می کند. اولین ریزپردازنده i4004 در سال 1971 تولید شد و از آن زمان اینتل به طور محکم جایگاه پیشرو در بخش بازار را حفظ کرده است. موفق ترین پروژه توسعه i8080 است. بر روی آن بود که کامپیوتر Altair مبتنی بود، که B. Gates اولین مترجم Basic خود را برای آن نوشت. معماری کلاسیک i8080 تأثیر زیادی در توسعه بیشتر ریزپردازنده‌های تک تراشه داشت. ریزپردازنده i8088 که توسط اینتل در ژوئن 1979 معرفی شد، به استاندارد صنعتی واقعی برای رایانه های شخصی تبدیل شد. در سال 1981، "غول آبی" (IBM) این پردازنده را برای رایانه شخصی خود انتخاب کرد. در ابتدا، ریزپردازنده i8088 با فرکانس 4.77 مگاهرتز کار می‌کرد و سرعتی در حدود 0.33 Mops داشت، اما سپس کلون‌های آن برای فرکانس کلاک بالاتر 8 مگاهرتز طراحی شدند. ریزپردازنده i8086 دقیقا یک سال زودتر یعنی در جولای 1978 ظاهر شد و به لطف کامپیوتر CompaqDecPro محبوب شد. بر اساس معماری i8086 و با در نظر گرفتن تقاضای بازار، در فوریه 1982، اینتل i80286 را عرضه کرد. در همان زمان ظاهر شد کامپیوتر IBM PCAT. همراه با افزایش عملکرد، حالت محافظت شده داشت (از تکنیک مدیریت حافظه پیچیده تری استفاده می کرد). حالت محافظت شده به برنامه هایی مانند Windows 3.0 و OS/2 اجازه می دهد تا با رم بالای 1 مگابایت کار کنند. به لطف داده های 16 بیتی در گذرگاه سیستم جدید، می توان پیام های 2 بایتی را با PU مبادله کرد. ریزپردازنده جدید دسترسی به 16 مگابایت رم را در حالت محافظت شده امکان پذیر کرد. پردازنده i80286 اولین پردازنده ای بود که چند وظیفه ای و کنترل را در سطح تراشه پیاده سازی کرد حافظه مجازی. با فرکانس ساعت 8 مگاهرتز، عملکرد 1.2 Mips به دست آمد.

1 توسعه ریزپردازنده ها

کامپیوترها از دهه 1950 به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفتند. قبلاً این دستگاه‌های بسیار بزرگ و گران قیمت بودند که فقط در سازمان‌های دولتی و شرکت‌های بزرگ مورد استفاده قرار می‌گرفتند. اندازه و شکل رایانه‌های دیجیتال در نتیجه توسعه دستگاه‌های جدیدی به نام ریزپردازنده، غیرقابل تشخیص تغییر کرده است.

ریزپردازنده (MP) الکترونیکی است که با برنامه کنترل می شود دستگاه دیجیتالطراحی شده برای پردازش اطلاعات دیجیتال و کنترل فرآیند این پردازش، بر روی یک یا چند مدار مجتمع با درجه بالاادغام عناصر الکترونیکی

در سال 1970، مارشیان ادوارد هاف از اینتل یک مدار مجتمع شبیه به واحد پردازش مرکزی یک کامپیوتر بزرگ طراحی کرد - اولین میکرو پردازنده اینتل-4004 که قبلاً در سال 1971 برای فروش عرضه شد.

این یک پیشرفت واقعی بود، زیرا Intel-4004 MP، با اندازه کمتر از 3 سانتی متر، از دستگاه غول پیکر ENIAC بهره وری بیشتری داشت. درست است که بسیار کندتر کار می کرد و می توانست تنها 4 بیت اطلاعات را همزمان پردازش کند (پردازنده های بزرگ کامپیوتر 16 یا 32 بیت را همزمان پردازش می کردند)، اما اولین MP نیز ده ها هزار بار ارزان تر بود.

این کریستال یک پردازنده 4 بیتی با معماری کامپیوتری کلاسیک از نوع هاروارد بود و با استفاده از فناوری پیشرفته MOS کانال p با استاندارد طراحی 10 میکرومتر تولید شد. نمودار سیم کشیدستگاه شامل 2300 ترانزیستور بود. MP در فرکانس ساعت 750 کیلوهرتز با مدت چرخه فرمان 10.8 میکرو ثانیه کار می کرد. تراشه i4004 دارای یک پشته آدرس (یک شمارنده برنامه و سه رجیستر پشته نوع LIFO)، یک بلوک RON (ثبت بر روی حافظه دسترسی تصادفییا فایل ثبت - RF)، یک ALU موازی 4 بیتی، یک انباشته کننده، یک ثبات فرمان با رمزگشای فرمان و یک مدار کنترل، و همچنین یک مدار ارتباطی با دستگاه های خارجی. همه این گره های کاربردی توسط یک SD 4 بیتی با یکدیگر ترکیب شدند. حافظه دستورالعمل به 4 کیلوبایت رسید (برای مقایسه: اندازه حافظه یک مینی کامپیوتر در اوایل دهه 70 به ندرت از 16 کیلوبایت تجاوز می کرد) و CPU RF دارای 16 ثبات 4 بیتی بود که می توانستند به عنوان 8 عدد 8 بیتی نیز استفاده شوند. چنین سازماندهی RONها در MPهای بعدی اینتل نیز حفظ شده است. سه رجیستر پشته سه سطح زیر روال تودرتو ارائه کردند. i4004 MP در یک بسته DIP پلاستیکی یا سرامیکی-فلزی (بسته درون خطی دوگانه) تنها با 16 پین نصب شده است. سیستم فرماندهی او فقط شامل 46 دستورالعمل بود.

در عین حال، کریستال دارای امکانات ورودی/خروجی بسیار محدودی بود و عملیات پردازش داده منطقی (AND، OR، EXCLUSIVE OR) در سیستم فرمان وجود نداشت و بنابراین باید با استفاده از زیربرنامه های ویژه پیاده سازی می شدند. ماژول i4004 قابلیت توقف (دستورات HALT) و مدیریت وقفه ها را نداشت.

چرخه دستورالعمل پردازنده شامل 8 چرخه نوسانگر اصلی بود. یک SHA (گذرگاه آدرس) / SHD (گذرگاه داده) چندگانه وجود داشت، یک آدرس 12 بیتی بیش از 4 بیت منتقل شد.

در 1 آوریل 1972، اینتل فروش اولین i8008 8 بیتی صنعت را آغاز کرد. این کریستال با استفاده از فناوری MOS کانال p با استانداردهای طراحی 10 میکرومتر و حاوی 3500 ترانزیستور ساخته شد. پردازنده در فرکانس 500 کیلوهرتز با مدت چرخه ماشین 20 میکرو ثانیه (10 دوره نوسانگر اصلی) کار می کرد.

برخلاف مدل های قبلی خود، MP دارای معماری کامپیوتری از نوع پرینستون بود و اجازه استفاده از ترکیبی از ROM و RAM را به عنوان حافظه می داد.

در مقایسه با i4004، تعداد RON از 16 به 8 کاهش یافت و از دو رجیستر برای ذخیره آدرس با آدرس دهی حافظه غیرمستقیم استفاده شد (محدودیت فناوری - بلوک RON، مشابه کریستال های 4004 و 4040 در MP 8008، به شکل پیاده سازی شد. حافظه پویا). مدت چرخه ماشین تقریباً نصف شد (از 8 به 5 حالت). برای همگام سازی کار با دستگاه های کند، سیگنال READY معرفی شد.

سیستم فرماندهی شامل 65 دستورالعمل بود. MP می تواند 16 هزار بایت حافظه را آدرس دهی کند. عملکرد آن در مقایسه با MP چهار بیتی 2.3 برابر افزایش یافته است. به طور متوسط، حدود 20 مدار مجتمع متوسط ​​برای اتصال پردازنده با حافظه و دستگاه های ورودی / خروجی مورد نیاز بود.

امکانات فناوری کانال p برای ایجاد MT های پیچیده با کارایی بالا تقریباً تمام شده بود، بنابراین "جهت ضربه اصلی" به فناوری MOS کانال n منتقل شد.

در 1 آوریل 1974، Intel 8080 MP در معرض توجه همه علاقه مندان قرار گرفت. به لطف استفاده از فناوری p-MOS با استانداردهای طراحی 6 میکرون، 6 هزار ترانزیستور روی تراشه قرار گرفت. فرکانس ساعت پردازنده به 2 مگاهرتز افزایش یافت و مدت زمان چرخه دستورالعمل قبلاً 2 میکرو ثانیه بود. میزان حافظه آدرس دهی شده توسط پردازنده به 64 کیلوبایت افزایش یافته است.

به دلیل استفاده از پکیج 40 پین امکان جداسازی SHA و SD وجود داشت. تعداد کلتراشه های مورد نیاز برای ساخت سیستم در حداقل پیکربندی به 6 کاهش یافت.

در فدراسیون روسیه، یک نشانگر پشته معرفی شد که به طور فعال در پردازش وقفه و همچنین دو رجیستر غیرقابل دسترسی برنامه برای نقل و انتقالات داخلی استفاده می شود. بلوک RON بر روی تراشه های حافظه ساکن پیاده سازی شد. حذف باتری از RF و معرفی آن به ALU، طرح کنترل اتوبوس داخلی را ساده کرد.

جدید در معماری MP - استفاده سیستم چند سطحیوقفه های برداری چنین راه حل فنیاجازه می دهد تعداد کل منابع وقفه را به 256 برساند (قبل از ظهور کنترل کننده های وقفه LSI، مدار تولید بردار وقفه نیاز به استفاده از حداکثر 10 تراشه ادغام متوسط ​​اضافی داشت). i8080 مکانیزم دسترسی مستقیم به حافظه (DMA) را معرفی کرد (مانند رایانه های اصلی IBM System 360 و غیره).

PDP چراغ سبز را برای استفاده در ریز رایانه‌های دستگاه‌های پیچیده مانند درایوهای دیسک مغناطیسی و نوارها، نمایشگرهای CRT باز کرد که ریز رایانه را به یک سیستم محاسباتی تمام عیار تبدیل کرد.

سنت این شرکت، که از اولین تراشه شروع شد، انتشار یک تراشه واحد CPU نبود، بلکه خانواده ای از LSI بود که برای استفاده مشترک طراحی شده بودند.

ریزپردازنده های مدرن بر اساس معماری 32 بیتی x86 یا IA-32 (Intel Architecture 32 bit) ساخته شده اند، اما خیلی زود انتقالی به معماری پیشرفته تر و سازنده 64 بیتی IA-64 (Intel Architecture 64 bit) انجام خواهد شد. در واقع، انتقال از قبل آغاز شده است، این امر با تولید و فروش انبوه ریزپردازنده جدید Athlon 64 در سال 2003 از شرکت AMD (Advanced Micro Devices) نشان می دهد، این ریزپردازنده از این نظر قابل توجه است که می تواند با هر دو برنامه 32 بیتی کار کند. و برنامه های 64 بیتی. عملکرد ریزپردازنده های 64 بیتی بسیار بالاتر است.

2 ریزپردازنده i80386

در اکتبر 1985، اینتل اولین ریزپردازنده 32 بیتی، i80386 را معرفی کرد. اولین کامپیوتری که از این ریزپردازنده استفاده کرد CompaqDeskPro 386 بود. معماری کامل 32 بیتی در ریزپردازنده جدید توسط یک مدیر حافظه پیشرفته تکمیل شد که علاوه بر واحد تقسیم بندی، با یک واحد کنترل صفحه تکمیل شد. این دستگاه به شما اجازه می دهد تا به راحتی بخش ها را از یک مکان حافظه به مکان دیگر مرتب کنید. در فرکانس ساعت 16 مگاهرتز، عملکرد 6 Mips بود. خطوط 32 آدرسی امکان آدرس دهی فیزیکی 4 گیگابایت حافظه را فراهم می کند، علاوه بر این، یک حالت مدیریت حافظه مجازی جدید V86 معرفی شد. در این حالت، چندین کار i8086 را می توان به طور همزمان انجام داد.

ریزپردازنده i80386 که بر روی 1 تراشه با یک پردازنده مشترک ساخته شده است، i80386DX نام داشت. مدل ارزان‌تر ریزپردازنده 32 بیتی تا جولای 1988 (i80386SX) ظاهر نشد. ریزپردازنده جدید از یک گذرگاه داده 16 بیتی و یک گذرگاه آدرس 24 بیتی استفاده می کرد. این به ویژه برای PC استاندارد IBM AT مفید بود. نرم افزار نوشته شده برای i80386DX روی i80386DX اجرا می شود. رجیسترهای داخلی کاملاً یکسان بودند. شاخص SX از کلمه "sixteen" (گذرگاه داده 16 بیتی) گرفته شده است. برای i486 SX به معنای عدم وجود پردازنده مشترک بود. در نمایشگاه پاییزی در سال 1989، اینتل i80486DX را معرفی کرد که شامل 1.2 میلیون ترانزیستور روی یک تراشه بود و با 86 پردازنده دیگر کاملاً سازگار بود. ریزمدارهای جدید برای اولین بار روی یک تراشه CPU، پردازنده کمکی و حافظه کش ترکیب شدند. از معماری خط لوله ذاتی پردازنده‌های RISC استفاده می‌کند و به شما امکان می‌دهد عملکردی ۴ برابری سیستم‌های ۳۲ بیتی معمولی داشته باشید. 8 کیلوبایت حافظه نهان داخلی با ذخیره سازی میانی دستورات و داده های پرکاربرد سرعت اجرا را تسریع می کند. در فرکانس ساعت 25 مگاهرتز، ریزپردازنده دارای عملکرد 16.5 Mips بود. در ژانویه 1991 ایجاد شد. نسخه 50 مگاهرتز ریزپردازنده امکان افزایش 50 درصدی عملکرد را فراهم می کند. پردازنده داخلی به طور قابل توجهی محاسبات ریاضی را تسریع کرد، اما بعداً مشخص شد که تنها 30٪ از کاربران به چنین ریزپردازنده ای نیاز دارند.

آیا از کامپیوتر استفاده می کنید یا دستگاه موبایلبرای خواندن این موضوع اکنون رایانه یا دستگاه تلفن همراه از یک ریزپردازنده برای انجام این اقدامات استفاده می کند. ریزپردازنده قلب هر دستگاه، سرور یا لپ تاپ است. مارک های بسیاری از ریزپردازنده ها از بیشتر وجود دارد تولید کنندگان مختلف، اما همه آنها تقریباً یک کار را انجام می دهند و تقریباً به یک روش.
ریزپردازنده- همچنین به عنوان پردازنده یا واحد پردازش مرکزی شناخته می شود، یک موتور محاسباتی است که بر روی یک تراشه واحد تولید می شود. اولین ریزپردازنده اینتل 4004 بود که در سال 1971 ظاهر شد و آنقدر قدرتمند نبود. او می توانست جمع و تفریق کند و این فقط 4 بیت در هر زمان است. پردازنده فوق العاده بود زیرا بر روی یک تراشه ساخته شده بود. خواهید پرسید چرا؟ و من پاسخ خواهم داد: مهندسان در آن زمان پردازنده ها را یا از چندین تراشه یا از اجزای گسسته تولید می کردند (ترانزیستورها در بسته های جداگانه استفاده می شدند).

اگر تا به حال فکر کرده اید که یک ریزپردازنده در یک کامپیوتر چه کار می کند، چه شکلی است، یا چه تفاوتی با سایر انواع ریزپردازنده ها دارد، پس بروید زیر گربه- همه جالب ترین و جزئیات وجود دارد.

پیشرفت ریزپردازنده: اینتل

اولین ریزپردازنده که بعدها به قلب یک ساده تبدیل شد کامپیوتر خانگیاینتل 8080 بود که یک کامپیوتر کامل 8 بیتی روی یک تراشه بود که در سال 1974 معرفی شد. اولین ریزپردازنده باعث جهش واقعی در بازار شد. بعداً در سال 1979 منتشر شد مدل جدید- Intel 8088. اگر با بازار رایانه های شخصی و تاریخچه آن آشنا هستید، پس می دانید که بازار رایانه های شخصی از اینتل 8088 به اینتل 80286 و آن به Intel 80386 و Intel 80486 و سپس به Pentium، Pentium II، Pentium III منتقل شد. و پنتیوم 4 همه این ریزپردازنده‌ها توسط اینتل ساخته شده‌اند و همه آنها پیشرفت‌هایی در طراحی پایه اینتل 8088 هستند. پنتیوم 4 می‌تواند هر کدی را اجرا کند، اما آن را 5000 برابر سریع‌تر انجام می‌دهد.

در سال 2004 سال اینتلریزپردازنده هایی با چندین هسته و میلیون ها ترانزیستور معرفی کرد، اما حتی این ریزپردازنده ها نیز به دنبال آن بودند قوانین عمومی، مانند تراشه های قبلی تولید شده است. اطلاعات تکمیلیدر جدول:

• تاریخ: سالی است که پردازنده برای اولین بار معرفی شد. بسیاری از پردازنده‌ها با سرعت کلاک بالاتر دوباره عرضه شدند و این امر تا سال‌ها پس از تاریخ انتشار اولیه ادامه داشت.
• ترانزیستورها: تعداد ترانزیستورهای یک تراشه است. می بینید که تعداد ترانزیستورهای روی یک تراشه در طول سال ها به طور پیوسته در حال افزایش است.
• میکرون: عرض کوچکترین سیم روی تراشه بر حسب میکرون. برای مقایسه می توانم به یک موی انسان بدهم که ضخامت آن حدود 100 میکرون است. با کوچکتر و کوچکتر شدن اندازه ها، تعداد ترانزیستورها افزایش یافت.
• فرکانس ساعت: حداکثر سرعت، بیشینه سرعتکه تراشه می تواند توسعه یابد. در مورد فرکانس ساعت کمی بعد صحبت خواهم کرد.
• داده های عرض (باس).: عرض ALU (واحد منطق حسابی) است. یک ALU 8 بیتی می تواند اضافه، تفریق، ضرب و غیره کند. در بسیاری از موارد، گذرگاه داده همان عرض ALU است، اما نه همیشه. اینتل 8088 16 بیتی بود و گذرگاه 8 بیتی داشت، در حالی که مدل های فعلی پنتیوم 64 بیتی هستند.
• MIPS: این ستون در جدول مخفف نمایش تعداد عملیات در ثانیه است. این یک واحد اندازه گیری برای ریزپردازنده ها است. پردازنده های مدرنآنها می توانند کارهای زیادی انجام دهند که رتبه بندی های امروزی ارائه شده در جدول معنای خود را از دست می دهند. اما می توان قدرت نسبی ریزپردازنده های آن دوران را احساس کرد

این جدول نشان می دهد که به طور کلی بین سرعت ساعت و MIPS (عملیات در ثانیه) رابطه وجود دارد. حداکثر فرکانس ساعت یک تابع است پردازنده تولید. همچنین بین تعداد ترانزیستورها و تعداد عملیات در ثانیه رابطه وجود دارد. به عنوان مثال، یک Intel 8088 با کلاک 5 مگاهرتز (در حال حاضر 2.5-3 گیگاهرتز) تنها 0.33 MIPS (حدود یک دستورالعمل برای هر 15 سیکل ساعت) را اجرا می کند. پردازنده های مدرن اغلب می توانند دو دستور را در هر ساعت اجرا کنند. این افزایش مستقیماً به تعداد ترانزیستورهای روی تراشه مربوط می شود و بعداً در مورد این موضوع صحبت خواهم کرد.

چیپ چیست؟

به این تراشه مدار مجتمع نیز می گویند. این معمولاً یک قطعه کوچک و نازک از سیلیکون است که ترانزیستورهای سازنده ریزپردازنده روی آن حک شده اند. یک تراشه می تواند به کوچکی یک اینچ باشد، اما همچنان حاوی ده ها میلیون ترانزیستور باشد. پردازنده های ساده تر ممکن است از چندین هزار ترانزیستور تشکیل شده باشند که در یک تراشه فقط چند میلی متر مربع حک شده اند.

چگونه کار می کند

اینتل پنتیوم 4

برای درک نحوه عملکرد یک ریزپردازنده، نگاهی به داخل و یادگیری در مورد درونیات آن مفید خواهد بود. در این فرآیند، شما همچنین می توانید در مورد زبان اسمبلی، زبان مادری ریزپردازنده و بسیاری از کارهایی که مهندسان می توانند برای افزایش سرعت یک پردازنده انجام دهند، بیاموزید.

ریزپردازنده مجموعه ای از دستورالعمل های ماشین را اجرا می کند که به پردازنده می گوید چه کاری انجام دهد. بر اساس دستورالعمل ها، ریزپردازنده سه کار اصلی را انجام می دهد:

• ریزپردازنده با استفاده از ALU (واحد منطق حسابی) خود می تواند کار کند عملیات ریاضی. مثلاً جمع، تفریق، ضرب و تقسیم. ریزپردازنده های مدرن قادر به انجام عملیات بسیار پیچیده هستند.
• ریزپردازنده می تواند داده ها را از یک مکان حافظه به مکان دیگر منتقل کند
• ریزپردازنده می تواند تصمیم بگیرد و بر اساس آن تصمیمات به مجموعه جدیدی از دستورالعمل ها بپرد.

به بیان صریح، ریزپردازنده کارهای پیچیده ای انجام می دهد، اما در بالا سه فعالیت اصلی را شرح دادم. نمودار زیر یک ریزپردازنده بسیار ساده را نشان می دهد که قادر به انجام این سه کار است. این ریزپردازنده دارای:

• گذرگاه آدرس (8، 16 یا 32 بیتی) که دسترسی به حافظه را ارسال می کند
• گذرگاه داده (8، 16 یا 32 بیتی) که داده ها را به حافظه می فرستد یا از آن دریافت می کند.
• RD (خواندن، خواندن) و WR (نوشتن، نوشتن) به حافظه می گویند که آیا می خواهند مکان آدرس دهی شده را تنظیم یا دریافت کنند.
• خط ساعت که به شما امکان می دهد توالی ساعت پردازنده را مشاهده کنید
• خط ریست که شمارنده برنامه را صفر می کند و اجرا را مجدداً شروع می کند

حافظه ریزپردازنده

قبلاً در مورد گذرگاه های آدرس و داده و همچنین خطوط خواندن و نوشتن صحبت کردیم. همه اینها به RAM (حافظه دسترسی تصادفی) یا ROM (حافظه فقط خواندنی یا حافظه فقط خواندنی، ROM) متصل است - معمولاً هر دو. در ریزپردازنده مثال ما، یک گذرگاه آدرس گسترده 8 بیتی و همان گذرگاه داده گسترده - همچنین 8 بیتی داریم. این بدان معناست که ریزپردازنده می تواند به 2^8 تا 256 بایت حافظه دسترسی داشته باشد و می تواند 8 بیت حافظه را در یک زمان بخواند و بنویسد. فرض کنید که این ریزپردازنده ساده دارای 128 بایت حافظه داخلی است که از آدرس 0 شروع می شود و 128 بایت رم از آدرس 128 شروع می شود.

RAM مخفف حافظه فقط خواندنی است. تراشه حافظه دائمیبا بایت های از پیش تعیین شده دائمی برنامه ریزی شده است. آدرس گذرگاه به تراشه RAM می گوید که به کدام بایت برسد و روی گذرگاه داده قرار گیرد. هنگامی که خط خواندن تغییر حالت می دهد، تراشه ROM بایت انتخاب شده را به گذرگاه داده ارائه می دهد.

RAM مخفف RAM، lol. RAM حاوی یک بایت اطلاعات است و ریزپردازنده بسته به اینکه خط خواندن یا نوشتن سیگنال می دهد می تواند آن بایت ها را بخواند یا بنویسد. یکی از مشکلاتی که در تراشه های امروزی یافت می شود این است که به محض تمام شدن انرژی همه چیز را فراموش می کنند. بنابراین کامپیوتر باید دارای رم باشد.

تراشه RAM یا تراشه Read Only Memory (ROM).

به هر حال، تقریباً همه رایانه ها مقداری رم دارند. در رایانه شخصی، حافظه فقط خواندنی بایوس (Basic Input/Output System) نامیده می شود. هنگام راه اندازی، ریزپردازنده شروع به اجرای دستورالعمل هایی می کند که در BIOS پیدا می کند. دستورالعمل های BIOS، به هر حال، نقش خود را نیز انجام می دهند: آنها یک بررسی سخت افزاری را انجام می دهند، و سپس تمام اطلاعات برای ایجاد یک بخش بوت به هارد دیسک می رود. بخش بوت یکی است برنامه کوچکو BIOS آن را پس از خواندن از روی دیسک در حافظه نگه می دارد. سپس ریزپردازنده شروع به اجرای دستورالعمل ها می کند بخش بوتاز رم برنامه بخش راه‌اندازی به ریزپردازنده می‌گوید چه چیز دیگری را با خود ببرید. هارد دیسکبه رم، و سپس تمام این کارها را انجام می دهد و غیره. به این ترتیب ریزپردازنده کل سیستم عامل را بارگذاری و اجرا می کند.

دستورالعمل های ریزپردازنده

حتی ریزپردازنده فوق العاده ساده ای که توضیح دادم مجموعه نسبتاً بزرگی از دستورالعمل ها را دارد که می تواند اجرا کند. مجموعه دستورالعمل ها به صورت الگوهای بیتی پیاده سازی می شوند که هر کدام از آنها هنگام بارگذاری در بخش دستورالعمل معنای متفاوتی دارند. مردم الگوهای بیت را به خوبی به خاطر نمی آورند، زیرا مجموعه ای از کلمات کوتاه است. به هر حال، این مجموعه از کلمات کوتاه، زبان اسمبلی پردازنده نامیده می شود. اسمبلر می تواند کلمات را به راحتی به یک الگوی بیت ترجمه کند و سپس تلاش اسمبلر در حافظه قرار می گیرد تا ریزپردازنده اجرا کند.

در اینجا مجموعه ای از دستورالعمل های زبان اسمبلی آمده است:

• LOADA mem- بارگذاری در رجیستر با آدرس حافظه
• LOADB mem- از آدرس حافظه در ثبات B بارگذاری شود
• مم CONB- یک مقدار ثابت را در ثبات B بارگذاری کنید
• SAVEB mem- ثبت B را در آدرس حافظه ذخیره کنید
• عضو SAVEC- رجیستر C را در آدرس حافظه ذخیره کنید
• اضافه کردن- A و B را اضافه کنید و نتیجه را در C ذخیره کنید
• زیر- A و B را کم کنید و نتیجه را در C ذخیره کنید
• MUL- A و B را ضرب کرده و نتیجه را در C ذخیره کنید
• DIV- A و B را تقسیم کرده و نتیجه را در C ذخیره کنید
• COM- A و B را با هم مقایسه کنید و نتیجه را در آزمون ذخیره کنید
• JUMP Adr- به آدرس بروید
• آدرس JEQ- پرش در صورت مساوی برای حل
• آدرس JNEQ- پرش اگر برابر نیست برای حل
• آدرس JG- پرش اگر بیشتر، برای حل
• آدرس JGE- پرش اگر بزرگتر یا مساوی باشد تا حل شود
• آدرس JL- پرش اگر کمتر برای حل
• آدرس JLE- پرش اگر کمتر یا مساوی باشد تا حل شود
• متوقف کردن- توقف اجرا

زبان اسمبلی
کامپایلر C این کد C را به زبان اسمبلی ترجمه می کند. با فرض اینکه حافظه اصلی از آدرس 128 در این پردازنده شروع می شود و حافظه فقط خواندنی (که شامل برنامه زبان اسمبلی است) از آدرس 0 شروع می شود، پس برای ریزپردازنده ساده ما، اسمبلر ممکن است به این صورت باشد:

// فرض کنید a در آدرس 128 باشد // فرض کنید F در آدرس 1290 CONB 1 باشد // a=1;1 SAVEB 1282 CONB 1 // f=1;3 SAVEB 1294 LOADA 128 // اگر a > 5 باشد، پرش به 175 CONB 56 COM7 JG 178 LOADA 129 // f=f*a;9 LOADB 12810 MUL11 SAVEC 12912 LOADA 128 // a=a+1;13 CONB 114 ADD15 SAVEC 12816 اگر بازگشت به JOPP

حافظه فقط خواندنی (ROM)
بنابراین اکنون سؤال این است که "چگونه همه این دستورالعمل ها با ROM یکپارچه می شوند؟". البته توضیح خواهم داد: هر یک از این دستورالعمل های زبان اسمبلی باید به صورت نمایش داده شوند عدد باینری. برای سادگی، بیایید فرض کنیم که هر دستور زبان اسمبلی به خود اختصاص می دهد شماره منحصر به فرد. به عنوان مثال، به شکل زیر خواهد بود:

• LOADA - 1
• LOADB - 2
• CONB - 3
• SAVEB - 4
• عضو SAVEC - 5
• اضافه کردن - 6
• زیر - 7
• MUL - 8
• DIV - 9
• COM - 10
• JUMP Adr - 11
• آدرس JEQ - 12
• آدرس JNEQ - 13
• آدرس JG - 14
• آدرس JGE - 15
• آدرس JL - 16
• آدرس JLE - 17
• متوقف کردن - 18

این اعداد به عنوان کدهای عملیاتی شناخته می شوند. در رام، برنامه کوچک ما به شکل زیر خواهد بود:

// فرض کنید a در آدرس 128 است // فرض کنید F در آدرس 129Addr opcode/value0 3 // CONB 11 12 4 // SAVEB 1283 1284 3 // CONB 15 16 4 // SAVEB 1297 1297 1831 1298 // CONB 511 512 10 // COM13 14 // JG 1714 3115 1 // LOADA 12916 12917 2 // LOADB 12818 12819 8 // MUL20 5 // SAVEC 1220 5 // SAVEC 1221 1 ADD27 5 // SAVEC 12828 12829 11 // JUMP 430 831 18 // STOP

می بینید که 7 خط کد C شد 18 خط اسمبلر و همه در رام 32 بایت شدند.

رمزگشایی
دستورالعمل رمزگشایی باید هر یک از کدهای عملیاتی را به مجموعه ای از سیگنال ها تبدیل کند که اجزای مختلف را در ریزپردازنده کنترل می کند. بیایید دستورالعمل ADD را به عنوان مثال در نظر بگیریم و ببینیم چه کاری باید انجام دهد. بنابراین:

• 1. در چرخه اول، لازم است خود دستورالعمل بارگذاری شود، بنابراین رمزگشا باید: بافر را برای شمارنده برنامه با سه حالت فعال کند، خط خواندن (RD) را فعال کند، داده ها را در سه حالت فعال کند. بافر در رجیستر دستورالعمل
• 2. در چرخه دوم، دستور ADD رمزگشایی می شود. در اینجا شما باید کارهای کمی انجام دهید: عملیات واحد منطق حسابی (ALU) را برای ثبت C تنظیم کنید
• 3. در طول چرخه سوم، شمارنده برنامه افزایش می یابد (در تئوری ممکن است در چرخه دوم همپوشانی داشته باشد)

هر دستورالعمل را می توان به مجموعه ای از عملیات متوالی تقسیم کرد، مانند مواردی که اکنون به آن نگاه کردیم. آنها اجزای ریزپردازنده را به ترتیب صحیح دستکاری می کنند. برخی از دستورالعمل ها، مانند دستورالعمل ADD، ممکن است دو یا سه چرخه طول بکشد. دیگران ممکن است پنج یا شش نوار مصرف کنند.

بیایید به آخر برسیم

تعداد ترانزیستورها تاثیر زیادی بر عملکرد پردازنده دارد. همانطور که در بالا می بینید، یک ریزپردازنده معمولی اینتل 8088 می تواند 15 سیکل را اجرا کند. هر چه ترانزیستور بیشتر باشد، کارایی بالاتری دارد - ساده است. تعداد زیادی از ترانزیستورها همچنین امکان فناوری مانند خط لوله را فراهم می کند.

معماری خط لوله از اجرای دستورات تشکیل شده است. اجرای یک دستور ممکن است پنج چرخه طول بکشد، اما نمی‌تواند همزمان پنج دستورالعمل در مراحل مختلف اجرا وجود داشته باشد. بنابراین به نظر می رسد که یک دستورالعمل هر چرخه ساعت را کامل می کند.

همه این روندها باعث می شود که تعداد ترانزیستورها افزایش یابد و در نتیجه ترانزیستورهای سنگین وزن چند میلیون دلاری امروز در دسترس هستند. چنین پردازنده هایی می توانند حدود یک میلیارد عملیات در ثانیه انجام دهند - فقط تصور کنید. به هر حال، اکنون بسیاری از تولیدکنندگان به انتشار 64 بیتی علاقه مند شده اند پردازنده های موبایلو ظاهرا موج دیگری در راه است، فقط این بار معماری 64 بیتی سلطان مد است. شاید در آینده نزدیک به این موضوع برسم و به شما بگویم که واقعاً چگونه کار می کند. در این، شاید، همه چیز برای امروز. امیدوارم لذت برده باشید و چیزهای زیادی یاد گرفته باشید.

اولین ریزپردازنده در سال 1971 ساخته شدو سرانجام با آن متولد شد کامپیوترهای نسل چهارم.

CPU(CPU، به معنای واقعی کلمه - واحد پردازش مرکزی) - یک واحد الکترونیکی یا یک مدار مجتمع (ریزپردازنده) که دستورالعمل های ماشین (کد برنامه) را اجرا می کند. گاهی اوقات به عنوان یک ریزپردازنده یا به سادگی یک پردازنده شناخته می شود.

ویژگی های اصلی واحد پردازش مرکزی (CPU) عبارتند از:سرعت ساعت، عملکرد، مصرف انرژی و معماری.

CPU های اولیه به عنوان بلوک های سازنده منحصر به فرد برای سیستم های کامپیوتری منحصر به فرد و حتی منحصر به فرد طراحی شده بودند. بعدها، از روش گران قیمت توسعه پردازنده هایی که برای انجام یکی از آنها طراحی شده اند تنها برنامه، تولید کنندگان کامپیوتر به تولید سریال کلاس های معمولی پردازنده ها روی آوردند.

ایجاد ریز مدارها باعث افزایش بیشتر پیچیدگی CPU و کاهش اندازه فیزیکی آنها شد.

اینتل در سال 1971 اولین ریزپردازنده 4 بیتی 4004 را در جهان ایجاد کردطراحی شده برای استفاده در ماشین حساب



بعدا عوض شد 8 بیت اینتل 8080و 8086 16 بیتی، که پایه های معماری تمام کامپیوترهای رومیزی مدرن را پایه گذاری کرد.




سپس اصلاح او را دنبال کرد، 80186 .
AT پردازنده 80286یک حالت محافظت شده ظاهر شد که اجازه استفاده از حداکثر 16 مگابایت حافظه را می داد.

پردازنده اینتل 80386 در سال 1985 ظاهر شدو یک حالت محافظت شده بهبودیافته را معرفی کرد که امکان استفاده از حداکثر 4 گیگابایت رم را فراهم کرد.



اینتل 486(همچنین با نام‌های i486، اینتل 80486 یا به سادگی 486 شناخته می‌شود) نسل چهارم ریزپردازنده سازگار با x86 که بر روی یک هسته هیبریدی ساخته شده است. اینتل در 10 آوریل 1989 منتشر شد.

این ریزپردازنده نسخه بهبود یافته ریزپردازنده 80386 است که اولین بار در نمایشگاهی در پاییز سال 1989 به نمایش گذاشته شد.

این اولین ریزپردازنده با داخلی بود پردازنده کمکی ریاضی(FPU). عمدتاً در رایانه های شخصی رومیزی، در سرورها و رایانه های شخصی قابل حمل (لپ تاپ و لپ تاپ) استفاده می شد.



در کامپیوترهای شخصی شروع به استفاده کرد پردازنده های معماری x86.

به تدریج تقریباً تمام پردازنده ها در قالب ریزپردازنده شروع به تولید کردند.

ریزپردازنده اینتل پنتیومارائه شده در 22 مارس 1993.
معماری جدید پردازنده اجازه می دهد تا عملکرد را 5 برابر در مقایسه با 33 مگاهرتز 486DX افزایش دهد.

تعداد ترانزیستورها 3.1 میلیون است.
پایه کانکتور 237/238.

بعدی (از اینتل) پردازنده های 64 بیتی آمد:
Itanium، Itanium 2، Pentium 4F، Pentium D، Xeon، اینتل Core 2، پنتیوم دو هسته ای، سلرون دو هسته ای، اینتل Core i3، اینتل Core i5، اینتل Core i7، اینتل زئون E3...

پردازنده های چند هسته ای حاوی چندین هسته پردازنده در یک بسته (روی یک یا چند تراشه).

اولین ریزپردازنده چند هسته ای IBM POWER4 بود که در سال 2001 ظاهر شد و دو هسته داشت. در 14 نوامبر 2005، Sun منتشر شد هشت هسته ای UltraSPARC T1.

AMD راه خودش را رفت و در سال 2007 تولید کرد پردازنده چهار هسته ای در یک تراشه.

پردازنده های 2، 3، 4 و 6 هسته ای و همچنین پردازنده های 2، 3 و 4 ماژول به طور گسترده در دسترس قرار گرفته اند. پردازنده های AMDنسل های بولدوزر.

پردازنده های 8 هسته ای Xeon و Nehalem (اینتل) و 12 هسته ای Opteron (AMD) نیز برای سرورها در دسترس هستند.

برای هیت سینکاز ریزپردازنده ها، رادیاتورهای غیرفعال و خنک کننده های فعال استفاده می شود.

اینتل Core i7- خانواده پردازنده های اینتل x86-64.
دستگاه تک تراشه:همه هسته ها، کنترلر حافظه و حافظه نهان روی یک تراشه هستند.
پشتیبانی افزایش توربو، که با استفاده از آن پردازنده به صورت خودکار عملکرد را در صورت نیاز افزایش می دهد.


پوشش محافظ پردازنده ها از مس نیکل اندود، زیرلایه سیلیکون و کنتاکت ها از مس با روکش طلا ساخته شده است.
حداقل و حداکثر دمای ذخیره سازی برای Core i7 به ترتیب -55 درجه سانتیگراد و 125 درجه سانتیگراد است.
حداکثر اتلاف گرما پردازنده های اصلی i7 130 وات است.

اینتل Core i7 3820 مجهز به چهار هسته فیزیکی و هشت هسته پردازشگر مجازی است که فرکانس اسمی کلاک آن 3.6 گیگاهرتز و فرکانس دینامیک 3.8 گیگاهرتز و همچنین ده مگابایت حافظه کش است. تاریخ ورود به بازار - 2012.

کامپیوترهای مدرناندازه کوچک، راحت، دارای سرعت بالای پردازش اطلاعات، مقدار زیادی حافظه عملیاتی و فیزیکی است.



پردازنده های مدرن را می توان یافتنه تنها در رایانه، بلکه در اتومبیل، تلفن های همراه، لوازم خانگی و حتی در اسباب بازی های کودکان.

)، از اولین آداپتورهای گرافیکی MDA و CGA گرفته تا آخرین معماری‌های AMD و NVIDIA. اکنون نوبت به دنبال توسعه واحدهای پردازش مرکزی است - جزء به همان اندازه مهم هر رایانه. در این قسمت از مطالب، در مورد دهه 1970 و بنابراین اولین راه حل های 4 و 8 بیتی صحبت خواهیم کرد.

اولین CPU ها صدپا بودند

دهه 1940-1960

قبل از پرداختن به تاریخچه توسعه واحدهای پردازش مرکزی، لازم است چند کلمه در مورد توسعه کامپیوترها به طور کلی بیان شود. اولین CPU ها در دهه 1940 ظاهر شدند. سپس با کمک رله‌های الکترومکانیکی و لوله‌های خلاء کار کردند و هسته‌های فریت به‌کار رفته در آن‌ها به عنوان ابزار ذخیره‌سازی عمل کردند. برای عملکرد یک کامپیوتر مبتنی بر چنین ریزمدارها، لازم بود مقدار زیادیپردازنده ها کامپیوتر مشابهاین یک ساختمان بزرگ به اندازه یک اتاق نسبتا بزرگ بود. در همان زمان، او مقدار زیادی انرژی آزاد کرد و عملکرد او بسیار مورد انتظار بود.

کامپیوتر با استفاده از رله های الکترومکانیکی

با این حال، در دهه 1950، ترانزیستورها شروع به استفاده در طراحی پردازنده ها کردند. به لطف استفاده از آنها، مهندسان توانسته اند دستاوردهای بیشتری داشته باشند سرعت بالاعملکرد تراشه ها و همچنین کاهش مصرف انرژی آنها، اما قابلیت اطمینان را بهبود می بخشد.

در دهه 1960 فناوری ساخت مدارهای مجتمع توسعه یافت که امکان ایجاد ریزتراشه با ترانزیستورهای قرار گرفته بر روی آنها را فراهم کرد. خود پردازنده شامل چندین مدار از این قبیل بود. با گذشت زمان، فناوری اجازه داد تا ترانزیستورهای بیشتری روی یک تراشه قرار گیرند و در نتیجه تعداد مدارهای مجتمع مورد استفاده در CPU کاهش یافته است.

با این حال، معماری پردازنده هنوز بسیار بسیار دور از آنچه امروز می بینیم بود. اما انتشار سیستم IBM / 360 در سال 1964، طراحی کامپیوترها و CPUهای آن زمان را کمی به مدرن - در درجه اول از نظر کار با نرم افزار - نزدیک کرد. واقعیت این است که قبل از ظهور این رایانه، همه سیستم ها و پردازنده ها فقط با آن کار می کردند کد برنامهکه مخصوص ایشان نوشته شده بود. برای اولین بار، IBM از فلسفه متفاوتی در رایانه‌های خود استفاده کرد: کل خط پردازنده‌های با عملکرد متفاوت از مجموعه دستورالعمل‌های مشابهی پشتیبانی می‌کردند، که امکان نوشتن نرم‌افزاری را فراهم می‌کرد که تحت هر تغییری در System / 360 اجرا شود.

IBM System/360 کامپیوتر

با بازگشت به مبحث سازگاری System/360، باید تاکید کرد که IBM به این جنبه توجه زیادی داشته است. برای مثال، رایانه‌های سری z مدرن هنوز هم پشتیبانی می‌کنند نرم افزاربرای پلتفرم System/360 نوشته شده است.

DEC (Digital Equipment Corporation) یعنی خط تولید کامپیوترهای PDP (پردازشگر داده های برنامه ریزی شده) را فراموش نکنید. این شرکت در سال 1957 تاسیس شد و در سال 1960 اولین مینی کامپیوتر PDP-1 خود را منتشر کرد. این دستگاه یک سیستم 18 بیتی بود و از مین فریم های آن زمان کوچکتر بود و «فقط» یک گوشه اتاق را اشغال می کرد. یک مانیتور CRT در کامپیوتر ادغام شد. جالب است که اولین در جهان است بازی رایانه ایبه نام جنگ فضایی! به طور خاص برای پلت فرم PDP-1 نوشته شده است. هزینه یک کامپیوتر در سال 1960 120000 دلار بود که بسیار کمتر از قیمت سایر مین فریم ها بود. با این وجود، PDP-1 چندان محبوب نبود.

کامپیوتر PDP-1

اولین دستگاه تجاری موفق DEC کامپیوتر PDP-8 بود که در سال 1965 عرضه شد. برخلاف PDP-1، سیستم جدید 12 بیتی بود هزینه PDP-8 16 هزار دلار آمریکا بود - ارزان ترین مینی کامپیوتر آن زمان بود. به لطف چنین قیمت پایین، دستگاه در اختیار شرکت های صنعتی و آزمایشگاه های علمی قرار گرفت. در نتیجه حدود 50 هزار کامپیوتر از این دست فروخته شد. ویژگی بارز معماری پردازنده PDP-8 سادگی آن بود. بنابراین، فقط چهار رجیستر 12 بیتی داشت که برای وظایف استفاده می شد انواع مختلف. در همان زمان، PDP-8 در مجموع حاوی 519 گیت منطقی بود.

کامپیوتر PDP-8. قاب از فیلم "سه روز کندور"

معماری پردازنده‌های PDP مستقیماً بر طراحی پردازنده‌های 4 و 8 بیتی تأثیر گذاشته است که بعداً مورد بحث قرار خواهد گرفت.

اینتل 4004

سال 1971 به عنوان سال اولین ریزپردازنده ها در تاریخ ثبت شد. بله، بله، چنین راه حل هایی که امروزه در رایانه های شخصی، لپ تاپ ها و سایر دستگاه ها استفاده می شود. و یکی از اولین کسانی که خود را اعلام کرد، شرکت تازه تاسیس اینتل بود که در آن زمان مدل 4004 را راه اندازی کرد - اولین پردازنده تک تراشه ای تجاری موجود در جهان.

قبل از اینکه مستقیماً به سراغ پردازنده 4004 برویم، لازم است چند کلمه در مورد خود اینتل بگوییم. در سال 1968 توسط مهندسان رابرت نویس و گوردون مور که تا آن زمان به نفع Fairchild Semiconductor و اندرو گروو کار می کردند، ایجاد شد. به هر حال، این گوردون مور بود که قانون معروف "قانون مور" را منتشر کرد که طبق آن تعداد ترانزیستورهای یک پردازنده هر سال دو برابر می شود.

قبلاً در سال 1969، تنها یک سال پس از تأسیس، اینتل از شرکت ژاپنی Nippon Calculating Machine (Busicon Corp.) سفارشی برای تولید 12 تراشه برای ماشین حساب های رومیزی با کارایی بالا دریافت کرد. طراحی اصلی تراشه توسط خود نیپون پیشنهاد شده است. با این حال، مهندسان اینتل این معماری را دوست نداشتند و یکی از کارمندان شرکت آمریکایی تد هاف پیشنهاد کرد که با استفاده از یک یونیورسال تعداد تراشه‌ها را به چهار کاهش دهند. CPU، که مسئول توابع حسابی و منطقی خواهد بود. علاوه بر واحد پردازش مرکزی، معماری تراشه شامل RAM برای ذخیره اطلاعات کاربر و همچنین ROM برای ذخیره نرم افزار بود. پس از تایید ساختار نهاییریز مدارها، کار بر روی طراحی ریزپردازنده ادامه یافت.

در آوریل 1970، فدریکو فاگین، فیزیکدان ایتالیایی، که در Fairchild نیز کار کرده بود، به تیم مهندسی اینتل پیوست. او تجربه گسترده ای در طراحی منطق کامپیوتری و فن آوری های سیلیکونی گیت MOS (فلز-اکسید-نیمه هادی) داشت. به لطف کمک فدریکو بود که مهندسان اینتل موفق شدند همه ریز مدارها را در یک تراشه ترکیب کنند. بنابراین اولین ریزپردازنده جهان 4004 نور روز را دید.

پردازنده اینتل 4004

مربوط به مشخصات فنیاینتل 4004، پس از آن، با استانداردهای امروزی، البته، آنها بیش از حد متوسط ​​بودند. این تراشه با استفاده از فناوری فرآیند 10 میکرونی تولید شد، حاوی 2300 ترانزیستور بود و در فرکانس 740 کیلوهرتز کار می کرد که به این معنی بود که می توانست 92600 عملیات در ثانیه انجام دهد. بسته بندی DIP16 به عنوان یک فرم فاکتور استفاده شد. ابعاد اینتل 4004 3x4 میلی متر بود و ردیف هایی از تماس ها در طرفین وجود داشت. در ابتدا، تمام حقوق این تراشه متعلق به Busicom بود، که قصد داشت از ریزپردازنده منحصراً در ماشین حساب های تولیدی خود استفاده کند. با این حال، آنها در نهایت به اینتل اجازه دادند تا تراشه های خود را بفروشد. در سال 1971، هر کسی می توانست یک پردازنده 4004 را با قیمت حدود 200 دلار خریداری کند. به هر حال، کمی بعد، اینتل تمام حقوق پردازنده را از Busicom خریداری کرد و نقش مهمی را برای تراشه در کوچک سازی بعدی مدارهای مجتمع پیش بینی کرد.

با وجود در دسترس بودن پردازنده، دامنه آن به ماشین حساب Busicom 141-PF محدود بود. همچنین برای مدت طولانیشایعاتی وجود داشت مبنی بر اینکه از اینتل 4004 در طراحی رایانه داخلی فضاپیمای بدون سرنشین پایونیر 10 استفاده شده است که اولین کاوشگر بین سیاره ای بود که در نزدیکی مشتری پرواز کرد. این شایعات به طور مستقیم با این واقعیت رد می شود کامپیوترهای روی بردپیشگامان دارای بیت های 18 یا 16 بیتی بودند، در حالی که اینتل 4004 یک پردازنده 4 بیتی بود. با این حال، شایان ذکر است که مهندسان ناسا امکان استفاده از آن را در دستگاه های خود در نظر گرفتند، اما تراشه را به اندازه کافی برای چنین اهدافی آزمایش نکرده بودند.

پردازنده اینتل 4040

سه سال پس از عرضه پردازنده اینتل 4004، جانشین آن یعنی 4 بیتی اینتل 4040 روشن شد.این تراشه با استفاده از همان فناوری پردازش 10 میکرونی تولید شد و با فرکانس ساعت مشابه 740 کیلوهرتز کار می کرد. با این حال، پردازنده کمی "پیچیده تر" شده است و مجموعه ویژگی های غنی تری دریافت کرده است. بنابراین، 4040 شامل 3000 ترانزیستور (700 بیشتر از 4004) بود. ضریب فرم پردازنده ثابت باقی ماند، با این حال، به جای 16 پین، آنها شروع به استفاده از DIP 24 پین کردند. در میان پیشرفت‌های 4040، باید به پشتیبانی از 14 دستور جدید، افزایش عمق پشته به 7 سطح و همچنین پشتیبانی از وقفه اشاره کرد. "چهلم" عمدتاً در دستگاه های آزمایشی و کنترل تجهیزات مورد استفاده قرار گرفت.

اینتل 8008

علاوه بر پردازنده های 4 بیتی، در اوایل دهه 70، یک مدل 8 بیتی در زرادخانه اینتل - 8008 ظاهر شد. در هسته آن، تراشه یک نسخه 8 بیتی از پردازنده 4004 با سرعت ساعت پایین تر بود. این نباید تعجب آور باشد، زیرا توسعه مدل 8008 به موازات توسعه 4004 انجام شد. بنابراین، در سال 1969، Computer Terminal Corporation (بعدها Datapoint) اینتل را مأمور ساخت یک پردازنده برای پایانه های Datapoint کرد و در اختیار آنها قرار داد. یک نمودار معماری همانند 4004، Tad Hoff پیشنهاد کرد که همه IC ها در یک تراشه یکپارچه شوند و CTC موافقت کرد. توسعه کم کم به پایان می رسید، اما در سال 1970 CTC هم تراشه و هم همکاری بیشتر با اینتل را کنار گذاشت. دلایل پیش پا افتاده بود: مهندسان اینتل در مهلت های توسعه سرمایه گذاری نکردند و عملکرد "سنگ" ارائه شده مطابق با درخواست های CTC نبود. قرارداد بین دو شرکت فسخ شد، حقوق تمام پیشرفت ها در اختیار اینتل باقی ماند. شرکت ژاپنی Seiko به تراشه جدید علاقه مند شد که مهندسان آن می خواستند از پردازنده جدید در ماشین حساب های خود استفاده کنند.

پردازنده اینتل 8008

به هر حال، اما پس از پایان همکاری با CTC، اینتل نام تراشه در حال توسعه را 8008 تغییر داد. در آوریل 1972، این پردازنده برای سفارش با قیمت 120 دلار در دسترس قرار گرفت. پس از اینکه اینتل بدون پشتیبانی CTC باقی ماند، کمپ این شرکت در مورد چشم اندازهای تجاری تراشه جدید محتاط بود، اما تردیدها بیهوده بود - پردازنده فروش خوبی داشت.

مشخصات فنی 8008 از بسیاری جهات شبیه به 4004 بود. این پردازنده در فرم فاکتور 18 پین DIP مطابق با استانداردهای تکنولوژیکی 10 میکرون ساخته شد و شامل 3500 ترانزیستور بود. پشته داخلی 8 سطح و مقدار پشتیبانی را پشتیبانی می کند حافظه خارجیتا 16 کیلوبایت بود. سرعت کلاک 8008 روی 500 کیلوهرتز (240 کیلوهرتز کمتر از 4004) تنظیم شده بود. به همین دلیل، یک پردازنده 8 بیتی اینتل اغلب سرعت خود را به یک پردازنده 4 بیتی کاهش می دهد.

چندین سیستم کامپیوتری بر اساس 8008 ساخته شده است. اولین مورد از این پروژه ها یک پروژه نه چندان شناخته شده به نام The Sac State 8008 بود. این سیستم در داخل دیوارهای دانشگاه ساکرامنتو تحت هدایت مهندس بیل پنتز توسعه یافت. علیرغم این واقعیت که برای مدت طولانی سیستم Altair 8800 اولین میکروکامپیوتر ایجاد شده در نظر گرفته می شد، اما Sac State 8008 است. این پروژه در سال 1972 تکمیل شد و یک کامپیوتر کامل برای پردازش و ذخیره پرونده های پزشکی بیماران بود. کامپیوتر مستقیماً شامل پردازنده 8008 بود، HDDرم 8K، صفحه نمایش رنگی، رابط اصلی و سیستم عامل اختصاصی. هزینه چنین سیستمی بسیار بالا بود، بنابراین Sac State 8008 نتوانست توزیع مناسبی داشته باشد، اگرچه برای مدت طولانی هیچ رقیبی از نظر عملکرد نداشت.

Sac State 8008 به این شکل بود

با این حال، The Sac State 8008 تنها رایانه ای نیست که بر روی پردازنده 8008 ساخته شده است. سیستم های دیگری مانند SCELBI-8H آمریکایی، Micral N فرانسوی و MCM/70 کانادایی ایجاد شده اند.

اینتل 8080

همانطور که در مورد پردازنده 4004، مدتی بعد 8008 نیز در مواجهه با تراشه 8080 به روز رسانی دریافت کرد، اما در مورد راه حل 8 بیتی، تغییرات ایجاد شده در معماری پردازنده بسیار چشمگیرتر بود.

اینتل 8080 در آوریل 1974 معرفی شد. قبل از هر چیز لازم به ذکر است که تولید پردازنده به فناوری جدید فرآیند 6 میکرونی منتقل شد. علاوه بر این، بر خلاف 8008 که با استفاده از منطق P-MOS ساخته شد، از فناوری N-MOS (ترانزیستورهای n کانال) در تولید استفاده شد. استفاده از یک فناوری فرآیند جدید امکان قرار دادن 6000 ترانزیستور را بر روی یک تراشه فراهم کرد. فرم فاکتور استفاده شده یک DIP 40 پین بود.

8080 مجموعه دستورات غنی تری دریافت کرد که شامل 16 دستورالعمل انتقال داده، 31 دستورالعمل پردازش داده، 28 دستورالعمل پرش آدرس مستقیم و 5 دستورالعمل کنترل بود. فرکانس ساعت پردازنده 2 مگاهرتز بود - 4 برابر بیشتر از نسل قبلی خود. 8080 همچنین دارای یک گذرگاه آدرس 16 بیتی بود که امکان آدرس دهی 64 کیلوبایت حافظه را فراهم می کرد. این نوآوری ها عملکرد بالای تراشه جدید را تضمین می کند که حدود 10 برابر بیشتر از 8008 است.

پردازنده اینتل 8080

پردازنده 8080 در اولین ویرایش خود دارای یک باگ جدی بود که می‌توانست منجر به فریز شود. این خطا در نسخه به روز شده تراشه به نام 8080A تصحیح شد و تنها شش ماه بعد منتشر شد.

پردازنده 8080 به دلیل کارایی بالا بسیار محبوب شده است. حتی در سیستم های کنترلی برای روشنایی خیابان ها و چراغ های راهنمایی استفاده شد. با این حال، عمدتا در مورد استفاده قرار گرفت سیستم های کامپیوتریکه معروف ترین آن توسعه MITS Altair-8800 بود که در سال 1975 معرفی شد.

Altair-8800 روی این پایگاه کار می کرد سیستم عامل Altair BASIC و رابط S-100 به عنوان اتوبوس مورد استفاده قرار گرفت که چند سال بعد به استاندارد برای همه رایانه های شخصی تبدیل شد. مشخصات فنی کامپیوتر بیش از حد متوسط ​​بود. او فقط 256 بایت رم داشت، کیبورد و مانیتور نداشت. کاربر با وارد کردن برنامه‌ها و داده‌ها به صورت باینری با کلیک روی مجموعه‌ای از کلیدهای کوچک که می‌توانستند دو موقعیت بالا و پایین را اشغال کنند، با رایانه تعامل داشت. نتیجه نیز به شکل دودویی خوانده شد - توسط لامپ های خاموش و درخشان. با این حال، Altair-8800 به قدری محبوب شد که شرکت کوچکی مانند MITS به سادگی نمی‌توانست با تقاضای رایانه‌ها پاسخ دهد. محبوبیت رایانه به طور مستقیم به هزینه کم آن - 621 دلار آمریکا کمک کرد. در همان زمان، برای 439 دلار آمریکا امکان خرید یک کامپیوتر به صورت جدا شده وجود داشت.

کامپیوتر Altair-8800

با بازگشت به موضوع 8080، لازم به ذکر است که کلون های زیادی از آن در بازار وجود داشت. وضعیت بازاریابی در آن زمان با آنچه امروز می بینیم بسیار متفاوت بود و برای اینتل سودآور بود که به شرکت های شخص ثالث مجوز تولید نسخه های 8080 را بدهد. بسیاری از شرکت های بزرگ در تولید کلون ها نقش داشتند، مانند National Semiconductor NEC، زیمنس و AMD. بله، در دهه 70 AMD هنوز پردازنده های خود را نداشت - این شرکت به طور انحصاری درگیر انتشار "بازسازی" کریستال های دیگر در امکانات خود بود.

جالب اینجاست که یک نسخه داخلی از پردازنده 8080 نیز وجود داشت که توسط موسسه تحقیقات میکرودیوایس های کیف توسعه داده شد و KR580VM80A نام داشت. چندین نوع از این پردازنده منتشر شد، از جمله آنهایی که برای استفاده در تجهیزات نظامی استفاده می شوند.

"مربع" KR580VM80A

در سال 1976 ظاهر شد نسخه ی به روز شدهتراشه 8080 که شاخص 8085 را دریافت کرد. کریستال جدید بر اساس فناوری فرآیند 3 میکرون ساخته شد که امکان قرار دادن 6500 ترانزیستور روی تراشه را فراهم کرد. حداکثر فرکانس کلاک پردازنده 6 مگاهرتز بود. مجموعه دستورالعمل های پشتیبانی شده شامل 79 دستورالعمل بود که در میان آنها دو دستورالعمل جدید برای مدیریت وقفه ها وجود داشت.

زیلوگ Z80

اتفاق اصلی پس از انتشار 8080 اخراج فدریکو فاگین بود. ایتالیایی با سیاست داخلی شرکت موافق نبود و تصمیم به ترک آن گرفت. او به همراه مدیر سابق اینتل، رالف آنگرمن و مهندس ژاپنی ماساتوشی شیما، Zilog را تأسیس کرد. بلافاصله پس از این، توسعه یک پردازنده جدید، شبیه به 8080 از نظر معماری آغاز شد، بنابراین، در جولای 1976، پردازنده Zilog Z80، باینری سازگار با 8080 ظاهر شد.

فدریکو فاگین (چپ)

در مقایسه با Intel 8080، Zilog Z80 پیشرفت‌های زیادی داشت، مانند مجموعه دستورالعمل‌های توسعه‌یافته، رجیسترها و دستورالعمل‌های جدید برای آنها، حالت‌های وقفه جدید، دو بلوک ثبت مجزا، و یک مدار تجدید حافظه پویا یکپارچه. علاوه بر این، هزینه Z80 بسیار کمتر از 8080 بود.

در مورد مشخصات فنی، پردازنده طبق استانداردهای تکنولوژیکی 3 میکرون با استفاده از فناوری های N-MOS و CMOS ساخته شده است. Z80 حاوی 8500 ترانزیستور بود و مساحت آن 22.54 میلی متر مربع بود. فرکانس ساعت Z80 بین 2.5 تا 8 مگاهرتز بود. عرض گذرگاه داده 8 بیت بود. پردازنده دارای یک گذرگاه آدرس 16 بیتی بود و مقدار حافظه قابل آدرس دهی 64 کیلوبایت بود. Z80 در چندین فرم تولید شد: DIP40 یا PLCC 44 پین و PQFP.

پردازنده Zilog Z80

Z80 به سرعت از همه راه حل های رقیب در محبوبیت پیشی گرفت، از جمله 8080. این پردازنده در رایانه های شرکت هایی مانند شارپ، NEC و دیگران استفاده شد. Z80 همچنین در کنسول‌های سگا و نینتندو «ثبت‌نام» کرد. علاوه بر این، این پردازنده در ماشین های بازی، مودم ها، چاپگرها، روبات های صنعتی و بسیاری از دستگاه های دیگر مورد استفاده قرار گرفت.

طیف ZX

دستگاهی به نام ZX Spectrum با وجود این واقعیت که داستان امروز ما به تصمیمات دهه 80 قرن گذشته مربوط نمی شود، شایسته ذکر ویژه است. این کامپیوتر توسط شرکت انگلیسی Sinclair Research توسعه داده شد و در سال 1982 منتشر شد. ZX Spectrum با اولین توسعه SR فاصله زیادی داشت. در اوایل دهه 1970، رئیس شرکت و مهندس ارشد آن کلایو سینکلر (Clive Sinclair) به فروش قطعات رادیویی از طریق پست مشغول بودند. در اواسط دهه 70، کلایو یک ماشین حساب جیبی ایجاد کرد که اولین اختراع موفق شرکت بود. توجه داشته باشید که این شرکت مستقیماً در توسعه ماشین حساب دخالت نداشته است. آنها موفق شدند ترکیبی موفق از طراحی، عملکرد و ارزش پیدا کنند که به لطف آن دستگاه به خوبی فروخت. دستگاه بعدی سینکلر نیز یک ماشین حساب بود، اما با مجموعه ای از عملکردهای غنی تر. این دستگاه برای مخاطبان "پیشرفته" در نظر گرفته شده بود، اما او نتوانست موفقیت زیادی کسب کند.

کلایو سینکلر - "پدر" طیف ZX

پس از محاسبه‌گرها، سینکلر تصمیم گرفت بر روی توسعه رایانه‌های تمام عیار تمرکز کند و بین سال‌های 1980 تا 1981، خط ZX رایانه‌های خانگی ظاهر شد: ZX80 و ZX81. اما محبوب ترین راه حل سیستمی بود که در سال 1982 به نام ZX Spectrum منتشر شد. در ابتدا قرار بود با نام ZX83 وارد بازار شود اما در آخرین لحظه تصمیم بر این شد که نام دستگاه را تغییر دهند تا بر پشتیبانی کامپیوتر از تصاویر رنگی تاکید شود.

ZX Spectrum در درجه اول به دلیل سادگی و هزینه کم محبوب شده است. کامپیوتر به نظر می رسید کنسول بازی. یک تلویزیون از طریق رابط های خارجی به آن متصل می شد که به عنوان مانیتور استفاده می شد و یک ضبط نوار کاست که به عنوان درایو عمل می کرد. روی بدنه Spectrum یک صفحه کلید چند منظوره با 40 کلید لاستیکی وجود داشت. هر دکمه هنگام کار در حالت های مختلف تا هفت مقدار داشت.

کامپیوتر ZX Spectrum

معماری داخلی ZX Spectrum نیز بسیار ساده بود. به لطف استفاده از فناوری ULA (Uncommitted Logic Array)، قسمت اصلی مدار کامپیوتر روی یک تراشه قرار گرفت. CPU مورد استفاده Zilog Z80 با کلاک 3.5 مگاهرتز بود. مقدار رم 16 یا 48 کیلوبایت بود. درست است، برخی از تولیدکنندگان شخص ثالث ماژول های حافظه 32 کیلوبایتی را تولید کردند که در یکی از درگاه های توسعه Spectrum قرار داده شدند. مقدار رام 16 کیلوبایت بود و گویش زبان بیسیک به نام Sinclair BASIC در حافظه دوخته شد. ZX Spectrum تنها از خروجی صدای یک بیتی از طریق بلندگوی داخلی پشتیبانی می کرد. کامپیوتر فقط در حالت گرافیکی (8 رنگ و 2 سطح روشنایی) کار می کرد. در نتیجه، هیچ پشتیبانی از حالت متن وجود نداشت. حداکثر وضوح تصویر 256x192 پیکسل بود.