پردازنده چیست ؟+معرفی 3 نوع اصلی پردازنده و روش کار آن ها 🟢

پردازنده ها که بیشتر با نام CPU شناخته می شوند انواعی هستند که می توانید از آن ها برای انواع داده های مختلف در جهت تغییر ، محاسبه یا شمارش استفاده کنید. این یک تعریف پایه برای این است که متوجه شوید پردازنده چیست. اما در صورتی که بخواهید به صورت کلی تر بررسی کنید باید بدانید که پردازنده همان چیزی است که باعث می شود بتوانید این نوشته را با فونت های مختلفی بخوانید. به هر صورت برای افرادی که علاقه مند به دنیای کامپیوتر هستند دانستن انواع آن و این که پردازنده چیست به شدت مهم است .

کاربرد پردازنده چیست؟

پردازنده چیست و چه کاری انجام می دهد؟

پردازنده های بردار پایان پردازنده چیست و چه کاری انجام می دهد؟

تغییرات پردازنده چیست ؟

فناوری مدار یکپارچه (IC)

اولین MI گسترده

اولین مورد Croprocessor Intel 8080 بود که در سال 1974 منتشر شد. این پردازنده ها روش های اجرای واحد پردازش مرکزی را تغییر دادند. در آن زمان ، تولید کنندگان اصلی و مینی رایانه های معماری قدیمی خود را به روز می کردند. بعداً ، آنها ریزپردازنده هایی با برنامه های توسعه IC اختصاصی تولید کردند. این پردازنده ها با سخت افزار و نرم افزار قدیمی سازگار بودند. ظهور و موفقیت رایانه های شخصی اصطلاح CPU را به ریزپردازنده ها متصل کرد. CPU های نسل قبلی با اجزای گسسته و بسیاری از تابلوهای مدار اجرا شدند.

بنابراین ، ریزپردازنده ها با تعداد کمی از IC ها ساخته می شوند. علاوه بر این ، آنها معمولاً فقط از یک IC استفاده می کنند. اندازه پردازنده کوچکتر امکان سوئیچینگ سریعتر را فراهم می کند. این امر به دلیل عوامل جسمی امکان پذیر است. ریزپردازنده های همزمان زمان بین ده ها مگااهرتز و چندین گیگاهرتز ساعت دارند. همچنین ، توانایی ساخت ترانزیستورهای ریز در IC افزایش یافته است. این باعث افزایش پیچیدگی و تعداد ترانزیستور در CPU شد.

همانطور که می دانیم ، قانون مور این رشد در پیچیدگی پردازنده را توضیح می دهد. پیچیدگی ، اندازه و ساختار CPU طی 60 سال گذشته تغییر کرده است. با این حال ، طراحی و عملکرد اساسی تغییر نکرده است. بدیهی است ، پردازنده های امروز می توانند به عنوان ماشین های برنامه ذخیره شده فون نویمان توصیف شوند. در حالی که قانون مور معتبر است ، محدودیت های فناوری ترانزیستور نگرانی هایی را ایجاد کرده است. بنابراین ، کوچک سازی دروازه های الکترونیکی باعث ایجاد مشکلاتی مانند الکترومپراسیون شده است.

روش های جدید برای پردازنده ها

این نگرانی های جدید باعث شده است که محققان روشهای جدید را بررسی کنند. به این دلیل که ساده ترین مشکلی که در پردازنده ها به وجود می امد چیز هایی مانند لگ بود. که بیشتر در لگ ویندوز 10 دیده می شد. این درب روش های تحقیق مانند محاسبات کوانتومی و استفاده از موازی سازی را باز کرده است. این روشها با هدف افزایش سودمندی مدل فون نویمان انجام می شود.

پردازنده (CPU) چگونه کار می کند؟

بیشتر پردازنده ها دستورالعمل هایی به نام برنامه ها را اجرا می کنند. بنابراین ، یک برنامه یک شماره ذخیره شده در حافظه رایانه را نشان می دهد. پردازنده های معماری فون نویمان از چهار مرحله استفاده می کنند: خواندن ، رمزگشایی ، اجرای و نوشتن.

اولین قدم خواندن و بازیابی دستورالعمل از حافظه است. پیشخوان برنامه مکان فعلی را تعیین می کند. این پیشخوان سپس به پردازنده می گوید که در آن برنامه قرار دارد. پس از خواندن دستورالعمل ها ، پیشخوان برنامه افزایش می یابد. این دستورالعمل ها را از حافظه آهسته بازیابی می کند. در این حالت ، پردازنده باید منتظر بماند. با این حال ، انواع جدیدتر پردازنده ها به سرعت این مشکل را با حافظه پنهان و لوله کشی حل می کنند. در مرحله رمزگشایی ، دستورالعمل به قسمت های آن تقسیم می شود.

پردازنده این قسمت ها را تفسیر می کند. از طرف دیگر ، ISA (معماری مجموعه دستورالعمل) سپس نحوه تفسیر دستورالعمل ها را تعیین می کند. Opcode نشان می دهد که چه عملیاتی باید انجام شود. اعداد دیگر عملگر را تعریف می کنند. بنابراین ، عملیات ها می توانند یک مقدار ثابت باشند. آنها همچنین می توانند یک ثبت نام یا آدرس حافظه باشند. در طرح های قدیمی تر ، از سخت افزار برای رمزگشایی دستورالعمل ها استفاده شد. CPU های مدرن از ریزگردها استفاده می کنند.

ریزگرد پردازنده چیست؟

این ریزگردها سیگنال های پیکربندی پردازنده را تولید می کنند. ریزگردها گاهی اوقات می توانند اصلاح شوند. بنابراین ، روش رمزگشایی قابل تغییر است. بعد از مراحل خواندن و رمزگشایی ، مرحله اعدام پیش می آید. در این مرحله ، واحدهای پردازنده به هم وصل می شوند. به عنوان مثال ، ALU در یک عملیات اضافی استفاده می شود. ورودی ها شماره های اضافه شده را ارائه می دهند. خروجی ها حاوی مبلغ هستند.

در نتیجه ، ALU عملیات حسابی و منطق ساده ای را انجام می دهد. اگر عملیات اضافی سرریز شود ، پرچم سرریز را تعیین می کند. در مرحله آخر ، مرحله نوشتن ، نتایج به حافظه نوشته می شود. به علاوه ، نتایج را به ثبت پردازنده یا حافظه اصلی می نویسد. برخی از دستورالعمل ها پیشخوان برنامه را تغییر می دهند. این دستورالعمل ها پرش نامیده می شوند. پرش حلقه ها و اجرای مشروط را تسهیل می کند. برخی از دستورالعمل ها پرچم ها را تغییر می دهند. پرچم ها بر رفتار برنامه تأثیر می گذارد. به عنوان مثال ، دستورالعمل مقایسه دو مقدار را مقایسه می کند.

پرچم نشان می دهد که کدام مقدار قابل توجه تر است. این پرچم بر دستورالعمل های زیر تأثیر می گذارد. پس از اجرای دستورالعمل ها و نوشتن داده ها ، چرخه پردازش دوباره شروع می شود. ابتدا پیشخوان برنامه را افزایش می دهد و دستورالعمل بعدی را می خواند. در نتیجه ، اگر دستورالعمل پرش باشد ، پیشخوان برنامه را تغییر می دهد. پردازش CPU پیچیده تر دستورالعمل های متعدد به طور همزمان. در واقع ، این خط لوله کلاسیک RISC را توصیف می کند. این ساختار در میکروکنترلرها معمولی است.

طراحی و اجرای در پردازنده ها

1) فرکانس ساعت بیشتر پردازنده ها و دستگاه های منطقی پی در پی همزمان هستند

به عبارت دیگر ، آنها در اطراف یک سیگنال هماهنگ سازی طراحی و کار می کنند. این سیگنال معمولاً یک موج مربع تناوبی است. طراحان با محاسبه حداکثر زمان سفر سیگنال های الکتریکی ، سیگنال ساعت را تعیین می کنند. این دوره باید طولانی تر از زمانی باشد که سیگنال در بدترین حالت پخش می شود. می توان دوره ساعت را بالاتر از تأخیر انتشار تنظیم کرد. این طراحی دستگاه CPU و تعداد قطعات را ساده می کند. با این حال ، حتی اگر برخی از واحدها سریعتر باشند ، کل پردازنده باید منتظر عناصر کندتر باشد.

این برای افزایش موازی سازی پردازنده محدودیت با روشهای مختلف جبران شده است. با این حال ، پیشرفت های معماری تمام مضرات را کاهش نمی دهد. به عنوان مثال ، سیگنال ساعت در معرض تاخیر سیگنال الکتریکی است. در سخت افزار پردازنده پیچیده تر ، سرعت ساعت بالا ، نگه داشتن سیگنال در فاز (هماهنگ) را دشوار می کند. این به چندین سیگنال ساعت یکسان نیاز دارد. این یک روش معمول در سخت افزار پردازنده مدرن است.

نکته

با افزایش سرعت ساعت ، گرمای پراکنده شده توسط مؤلفه CPU نیز افزایش می یابد.حالا این گرما و سیگنال های پردازنده چیست؟. سیگنال ساعت به طور مداوم در حال تغییر است و بر استفاده از مؤلفه ها تأثیر می گذارد. مصرف انرژی افزایش می یابد ، که به نوبه خود بر اتلاف گرما تأثیر می گذارد. بنابراین ، راه حل های خنک کننده مؤثر در سرعت ساعت بالا مورد نیاز است. روش خاموش کردن سیگنال ساعت به اجزای غیر ضروری به عنوان دروازه ساعت شناخته می شود.

بنابراین ، این معمولاً دشوار است و در طرح های کم مصرف استفاده می شود. روش دیگر پایان دادن به سیگنال ساعت جهانی است. این روند طراحی را پیچیده می کند. با این حال ، طرح های ناهمزمان مزایایی در مصرف برق و اتلاف گرما دارند. اگرچه نادر است ، برخی از پردازنده ها از سیگنال ساعت جهانی استفاده نمی کنند.

آملت با استفاده از معماری بازو و مینیمپ های سازگار با MIPS R3000 نمونه ای از این موارد است. به جای حذف سیگنال ساعت ، برخی از طرح ها از ALUS ناهمزمان استفاده می کنند. طرح های ناهمزمان می توانند در مقایسه با طرح های همزمان عملکرد خوبی داشته باشند. این طرح ها دارای مصرف انرژی عالی و خصوصیات اتلاف گرما هستند. بنابراین ، آنها برای رایانه های تعبیه شده مناسب هستند.

2) موازی سازی این طرح باعث ناکارآمدی در پردازنده های خرده مقیاس می شود

زیرا فقط یک دستورالعمل را اجرا می کند. پردازنده تا زمانی که این دستورالعمل را تکمیل کند ، نمی تواند به دستورالعمل بعدی منتقل شود. در نتیجه ، پردازنده های خرده مقیاس به چرخه ساعت زیادی احتیاج دارند. یعنی اضافه کردن یک واحد اجرای دوم معمولاً مفید نیست. عملکرد به طور قابل توجهی بهبود نیافته است. بنابراین ، دو مسیر یخ زده و ترانزیستورهای بلااستفاده افزایش می یابد. این طراحی پردازنده فقط می تواند به عملکرد مقیاس دست پیدا کند. عملکرد تقریباً همیشه خرده مقیاس است.

با این حال ، روش های طراحی وجود دارد که به پردازنده اجازه می دهد تا به طور موازی بیشتر اجرا شود. ما می توانیم این روش های طراحی را با دو اصطلاح اصلی طبقه بندی کنیم:

ILP (سطح موازی سازی سطح دستورالعمل): هدف آن افزایش سرعت اجرای دستورالعمل ها در پردازنده است. یعنی استفاده از منابع اجرای را افزایش می دهد.

TLP (موازی سازی سطح موضوع): تعداد موضوعاتی را که پردازنده می تواند همزمان اجرا کند ، افزایش می دهد.

هر روش از نظر کاربرد و عملکرد پردازنده متفاوت است. این اختلافات بسته به تکنیک های مورد استفاده متفاوت است. پردازنده های بردار نوع کمتری متداول اما مهم CPU مربوط به بردارها است. ما همچنین می توانیم به پردازنده های مورد بحث در بالا به عنوان دستگاه های مقیاس مراجعه کنیم. به جای پردازش یک قطعه از داده ها برای هر دستورالعمل ، پردازنده های بردار چندین قطعه از داده ها را کنترل می کنند. این نوع پردازنده ها معمولاً SISD (تک دستورالعمل ، داده های منفرد) و SIMD (دستورالعمل منفرد ، داده های متعدد) نامیده می شوند.

جزئیات SISD و SIMD

SISD با یک دستورالعمل واحد و یک مجموعه داده واحد کار می کند. SIMD با یک دستورالعمل واحد با چندین داده سروکار دارد. پردازنده های وکتور می توانند همان کار را در مجموعه داده های بزرگ به سرعت انجام دهند. بنابراین ، آنها برای کارهایی که نیاز به بهینه سازی دارند مفید هستند. به عنوان مثال ، برنامه های چندرسانه ای و محاسبات علمی از پردازنده های بردار بهره مند می شوند. یک پردازنده مقیاس هر دستورالعمل داده را به صورت جداگانه پردازش می کند. اما ، یک پردازنده بردار مجموعه داده های بزرگ را با یک دستورالعمل واحد پردازش می کند.

اولین CPU های بردار به طور کلی در رمزنگاری و تحقیقات علمی مورد استفاده قرار می گرفت. بعداً ، چندرسانه ای به محیط های دیجیتال منتقل شد و نیاز به فرم SIMD افزایش یافت. پس از افزودن واحدهای نقطه شناور به پردازنده های هدف عمومی ، واحدهای اعدام SIMD پدیدار شدند. مشخصات اولیه SIMD ، مانند MMX اینتل ، فقط به اعداد صحیح محدود می شد. این باعث ایجاد مانعی برای توسعه دهندگان نرم افزار شد ، زیرا بیشتر برنامه ها با شماره های نقطه شناور کار می کردند. بنابراین ، طرح های اولیه سرانجام تصفیه و به مشخصات مدرن SIMD تبدیل شدند.

نمونه های قابل توجه شامل Intel SSE و Altivec PowerPC است. پایان در نتیجه ، تکامل CPU کاملاً قابل توجه بوده است. از اوایل مؤلفه های حجیم و غیرقابل اعتماد تا دوره مدرن مدارهای یکپارچه ، این انتقال از لوله های خلاء به ترانزیستورها و طرح های میکروالکترونیکی گرفته شده است. این تکامل سرعت و قابلیت اطمینان CPU را افزایش داده است. همچنین منجر به حضور گسترده آنها در دستگاه های روزمره شده است. با پیشرفت فناوری ، آینده طراحی پردازنده امیدوار کننده به نظر می رسد. در آینده ، CPU های کوچکتر ، قدرتمندتر و کارآمدتر با انرژی همچنان به شکل دنیای دیجیتالی ما ادامه خواهند داد!