CPU

[MG]

تاریخچه CPU
پیش از ظهور اولین ماشین که به پردازنده‌های امروزی شباهت داشت ؛ کامپوتر‌های مثل انیاک(‍‍‍‍‌‍ENIAC) مجبور بودند برای اینکه کارهای مختلفی را انجام دهند دوباره سیم کشی کنند . این ماشین‌ها اغلب به رایانه هایی، با برنامهٔ ثابت اطلاق می‌شد تا زمانیکه توانایی اجرای چند برنامه را پیدا کردند. عبارت "CPU" از زمانی برای ابزار اجرا کنندهٔ نرم افزار(برنامهٔ رایانه) تعریف شد ؛ اولین ابزارهای که که عبارت "CPU" به آن‌ها اطلاق شد همراه ظهور اولین برنامهٔ ذخیره شدهٔ در رایانه بود.
ایدهٔ برنامهٔ ذخیره شده مربوط بعه زمان طراحی ENIAC بود . در ۳۰ ژوئن سال ۱۹۴۵ (۹ تیر ماه ۱۳۲۴) قبل از اینکه انیاک کامل شود , دانشمند ریاضیدان جان فون نیومان در مقاله‌ای به نام «First Draft of a Report on the EDVAC» آن را شرح داده بود .سرانجام شکل کلی ارائه داده شده برای برنامهٔ قابل ذخیره شدن در رایانه در آگوست سال ۱۹۴۹(تیر ماه ۱۳۲۸) کامل شد .EDVAC برای اجرا یک سری دستوالعمل‌های معین (یا عملگرهای خاص) برای گونه‌های متفاوت ،طراحی شده بود .این دستورالعمل‌ها می‌توانستند ترکیب شوند تا برنامه‌های مفید را بر روی EDVAC اجرا کنند . از نکات قابل توجه این بود که برنامه‌ای که برای EDVAC نوشته شده بود در یک حافظهٔ رایانه‌ای سریع؛ ذخیره شده بود که سریعتر از ثبت سخت افزاری است این پیروزی یک محدودیت شدید را بر ENIAC ایجاد می‌کرد و آن عبارت بود از این که مقدار بسیار زیادی از زمان و تلاش آن صرف تنظیمات دوباره برای انجام یک کار(پردازشی) جدید بود .با طراحی فون نیومان؛ برنامه یا نرم افزار که EDVAC اجرا می‌کرد می‌توانست تغییری ساده با محتوای حافظهٔ رایانه تغییر دهد .
دستگاه‌های رقمی حال حاضر ،همه با پردازنده‌هایی توزیع شده‌اند که به مدار گسسته و بنابراین به تعدادی تغییر المان برای متفاوت بودن و تغییر حالات احتیاج دارند . قبل از تجاری شدن ترانریستور ؛ برای تغییر المانها از electrical relays و vacum tubes به صورت عمومی استفاده می‌شد . اگرچه اینها از مزایایی چون سرعت - به خاطر ساز و کار عمومی شان- برخوردار بودند ولی به خاطر بعضی مسایل غیرقابل اطمینان بودند .
ترانزیستور و مدارات مجتمع گسسته پردازنده ها
پیچیدگی طراحی پردانده‌ها همزمان با افزایش سریع فن آوری‌های متنوع که ساختارهای کوچکتر و قابل اطمینان تری را در وسایل الکترونیک باعث می‌شد، افزایش یافت . اولین موفقیت با ظهور اولین ترانزیستورها حاصل شد . پردازنده‌های ‍‍ترانزیستوری در طول دهه‌های ۵۰ و ۶۰ میلادی زمان زیادی نبود که اختراع شده بود و این در حالی بود که آنها بسیار حجیم، غیر قابل اعتماد و دارای المانهای سوئیچینگ شکننده مانند لامپ‌های خلا و رله‌های الکتریکی بودند. با چنین پیشرفتی پردازنده‌هایی با پیچیدگی و قابلیت اعتماد بیشتری بر روی یک یا چندین برد مدار چاپی که شامل قسمتهای تفکیک شده بودند ساخته شدند.
ساختار CPU
سی پی یو یا به عبارتی واحد پردازشگر مركزی در حكم مغز و اداره كننده ی كامپیوتر است و مسئولیت انجام محاسبات ریاضی داخلی كامپیوتر و فرمان دادن به دیگر اجزا را به عهده دارد.
سی پی یو محاسبات داخلی كامپیوتر را به وسیله ی دو عدد ۰ و ۱ ( صفر و یك ) انجام میدهد. كلیه ی قطعات داخل كامپیوتر برای انجام كارها و محاسبات خود نیازمند این قطعه ی كوچك هستند كه این ارتباط را از طریق خطوطی با نامIRQ ( در خواست وقفه ) برقرار میكنند. ساختمان داخلی سی پی یو ها نیز متشكل از ترانزیستور های بسیار ریز است كه به تعداد بسیار زیاد و دقت بسیار بیشتر در كنار هم قرار داده شده اند. برای مثال یك سی پی یو متعلق به كمپانی اینتل با سرعت ۳.۴ گیگا هرتز متشكل از ۱۲۵ میلیون ترانزیستور كنار هم قرار داده شده است كه سایز هر كدام از انها ۹۰ نانو متر معادل ۰.۰۹ میكرون است! رقمهایی اعجاب انگیر كه حاكی از پیچیده و اسیب پذیر بودن ساختار این قطعه دارند...
 
سی پی یو - CPU

از دیگر مشخصات و اصطلاحات این مبحث میتوان به BUS اشاره كرد. واحد پردازشگر مركزی برای ارتباط با دنیای خارج خود میتواند به حجم خاصی اطلاعات را دریافت و یا ارسال كند...این گذرگاه را با نام باس میشناسیم و یكای ان را مگاهرتز می نامیم.
در بررسی سی پی یو ها به اصطلاحی دیگر احتمالا برخورد كرده این با نام Cache ( كش ). كش به حافظه ای بسیار سریع و گران قیمت گفته میشود كه همیشه مقدار كمی از ان در سی پی یو تعبیه میشود...كار كش نگهداری اطلاعاتی برای سی پی یو است كه در هنگام پردازش اطلاعات به انها نیاز سریع دارد.
حافظه ی كش در سه سطح وجود دارد و با حجم های مختلف. سطح اول یا L۱سطح دوم یا L۲و سطح جدید L۳ ...معمولا كش L۱ را بر روی خود سی پی یو قرار میدهند و به همین دلیل ان را INTERNA CACHE می نامند ولی كش L۲ بر روی بورد اصلی (Main Board) تعبیه میشود و ان را EXTERNAL CACHE میخوانند.
مهمترین كمپانی های سازنده ی CPU عبارتند از AMD و Intel كه دو رقیب اصلی و دیرینه هستند و دیگر تولید كننده ها را تقریبآ به كنار زده اند.
انواع CPU
مهمترين جزء سخت‌افزاري يك كامپيوتر محسوب مي‌شود، كه به صورت يك مدارمجتمع یا IC برروي برداصلي یا MainBoard در جعبه سيستم یا Case قرارمي‌گيرد. وظيفه اين واحد انجام عمليات محاسبه، منطق، كنترل و بطوركلي پردازش داده‌ها است و به اين دليل آن را واحد پردازش مركزي Central Processing Unitمي‌نامند.

CPU يك تراشة چند سانتي‌متري شامل ميليونها ترانزيستور و اتصال می باشد . این قطعه از دو قسمت اصلي واحدكنترل یا CU و واحدمحاسبه و منطق یا ALU و همچنين تعدادي ثبات یا Register ، كه نقش حافظه‌هاي موقت را ايفا مي‌كنند، تشكيل شده است. قدرت CPUها از لحاظ فني توسط دو مشخصة اصلي تعيين مي‌گردد .

اولين مشخصه ، طول كلمه يا تعداد بيت‌هايي است كه ريز پردازنده در يك لحظه مي‌تواند مورد پردازش قرار دهد. طول كلمات معمولاً 4، 8، 16، 32 و 64 بيت مي‌باشند. کامپيوترهاي شخصي امروزي 32 بيتي هستند و به تازگي كامپيوترهاي 64 بيتي جاي خود را در بازار باز کرده اند . اما به دليل عدم گسترش نرم‌افزارهاي سازگار با اين كامپيوترها، هنوز به طور كامل جاي پاي خود را محكم نكرده‌اند.

دومين مشخصه نيز سرعت ساعت ميباشد که عبارتست از تعداد ضربانهاي الكترونيكي كه در ثانيه توليد مي‌شود و با واحد مگاهرتز اندازه‌گيري مي گردد . سرعت PC ها يا كامپيوترهاي شخصي امروزي بالغ بر 3 گیگاهرتز مي‌باشد و هر گيگاهرتز معادل با هزار مگاهرتز است .

هر چه ميزان اين دو مشخصه بيشتر و بزرگتر باشد، ريز پردازنده قويتر و سريعتر خواهد بود . براي تعيين قدرت CPUها علاوه بر دو مشخه ذکر شده ، دو مشخصة ديگر نیز وجود دارد ، يكي تعداد دستورالعملهاي CPU و ديگري حالت انتظار است . منظور از حالت انتظار ، مدت زمان لازم جهت 2 دسترسي متوالي، به داده‌ها و دستورالعملها، در حافظه مي‌باشد.

نظر به اينكه معمولاً سرعت RAM كمتر از سرعت CPU است، لذا، CPU جهت دسترسي به اطلاعات RAM بايد مدتي در انتظار بماند كه هر چه مدت زمان كمتر باشد، سرعت كامپيوتر بيشتر شده و در نتيجه عمليات پردازش سريعتر انجام خواهد شد. يكي از ابزارهايي كه باعث افزايش سرعت مي‌شود، حافظة نهان يا Cache نام دارد، اين نوع حافظه‌ها از نوع ثبات و داراي سرعت بسيار بالايي هستند، اين حافظه‌ها براي بالا بردن كارآيي و سرعت CPUها و ايجاد تعادل سرعت بين CPU و RAM در نظر گرفته شده اند . در حال حاضر عموماً مقدار كامل اين حافظه 512 كيلو بايت و يا 1 مگابایت است. البته در آينده اي نزديک اين مقدار به بيش از اين نيز خواهد رسيد .

از آنجا كه CPU، مغز يك سيستم كامپيوتري به شمار مي‌آيد، انتخاب صحيح آن مي‌تواند كارآيي سيستم را بالا ببرد. تاكنون پردازنده‌هاي متعددي در شرکت Intel ساخته شده و مورد بهره‌برداري قرار گرفته‌اند كه عبارتند از 8086، 80286، 80386، 80486 كه البته در اصطلاح عامیانه عدد 80 از ابتداي آنها حذف شده است. پس از اين سري، نسل كامپيوترهاي 586 يا پنتيوم توسط كارخانة Intel به ‌بازار آمد. سري Pentium از سرعت 66 مگا هرتز و بعنوان Pentium I به بازار عرضه شد . پس از آن Pentium Pro، PentiumII ، Pentium III و Pentium IV به بازار آمدند. در حال حاضر جديدترين نوع CPUها، Pentium Vها هستند كه البته هنوز به خاطر قيمت گران به صورت عاميانه در بازار وجود ندارند ولي سري Pentium IV با توجه به قيمت و کارايي مناسب بيشترين تعداد را در بين دارندگان کامپيوتر هاي شخصي داراست .

يكي ديگر از شركتهاي توليد كنندة CPU شركت AMD است. اين شركت سازندة انواعCPU هاي K5 ، K6 ، K7 ، Athlon ، Barthon و Sempron است. پرتعدادترين CPUهاي فروخته شده اين شركت در بازار، از نوع Athlon مي‌باشد.

CPUهاي شركت AMD داراي قيمت كمتر و سرعت بالاتري خصوصاً در كارهاي گرافيكي پويا Dynamic مانند ساخت انيميشن و اجرای بازيها هستند . اما به خاطر ايجاد حرارت بيشتر و گاها مشکلاتي که در کار با بعضي از نرم افزار ها بوجود مي آيد نسبت به CPUهاي شركت Intel، داراي فروش كمتري مي باشند .

البته Intel ، CPUهايي تحت عنوان Celeron و با قيمت بسيار مناسب نیز به بازار عرضه نمود است . خصوصيت بارز Celeronها مقدار Cache آنها است كه يك چهارم مقدار Cache، CPUهاي Full Cache ، یعنی 128 کیلو بایت مي‌باشد. با توجه به قيمت مناسب و سرعتهاي مختلف، خريداران زيادي براي اين نوع CPUها پيدا شد. البته با انجام كارهاي گرافيكي روي اين كامپيوترهايي که از نوع CPU استفاده مي کنند ، متوجه سرعت پايين و غيرواقعي آنها مي‌شويم.

CPUها از نظر ظاهري نيز متفاوت هستند به اندازه و شكل مکان قرارگيري CPUهاي شركت AMD روي مادربرد، Socket A و به CPUهاي شركت Intel ، Socket 478 مي‌گويند. CPUهاي اينتل كوچكتر از CPUهاي AMD هستند. همچنين جايگاه CPUهاي Pentiumهاي اوليه از نوع Socket 7 و CPUهاي Pentium IIIها از نوع Socket 370 و Slot one بودند .

لازم به ذکر است، شرکت‌هاي ديگري نيز اقدام به ساخت پردازنده نموده‌اند اما نتوانستند روند توليد را در بازار رقابتي حفظ کنند. عده‌اي از اين شرکتها عبارتند از Cyrix ، IDT ، IBM ، Zeon و غيره.

در هنگام خريد و در تقسيم بندي اوليه اين قطعه به دو دسته تقسيم مي‌شود :

دسته اول؛ CPUهاي توليد کارخانه Intel هستند که در حال حاضر آنها را با نام Pentium مي‌شناسيم و بر اساس تکنولوژي بکاررفته در آنها، با شماره هاي Pentium I تا Pentium V نام‌گذاري شده‌اند. البته هم‌اکنون نوع Pentium 4 در بازار فروش بيشتري دارد .

نکته مهم ديگر اين است که اغلب وقتي در مورد يک پردازنده از نوع Pentium چيزي مي‌شنويد، کلماتي مانند Full Cache ، Half Cache و يا Celeron نيز به عنوان پيشوند يا پسوند به گوش مي رسد . اين کلمات بيان کننده مقدار حافظه نهان ( Cache ) پردازنده هستند. بدين ترتيتب که؛ Full Cache ، به معني داشتن بيشترين مقدار حافظه Catch روي پردازنده است. اين مقدار تا کمي پيش از اين 512 KB بود، اما در حال حاضر به 1 MB يا بيشتر رسيده است.

Half Cache ، يعني اينکه پردازنده داراي نيمي از بيشترين مقدار اين حافظه مي‌باشد. اين نوع پردازنده‌ها داراي حافظه نهان برابر 256 KB بودند، اما مدتي است که از اين نوع پردازنده کمتر به چشم مي خورد ..

Celeron ، به معني وجود يک چهارم از بيشترين مقدار اين نوع حافظه، روي پردازنده است. همانطور که حدس زديد مقدار حافظه cache در اين نوع پردازنده 128KB بوده، که البته با افزايش مقدار اين نوع حافظه در پردازنده‌هاي Full Cache ، نوع داراي حافظهء 256KB نيز جزء پردازنده‌هايCeleron محسوب مي‌شود. به پردازنده‌هاي داراي Cache 128 کیلو بایت ، Celeron نوع A و پردازنده‌هاي داراي Cache 256 کیلو بایت ، Celeron نوع D مي‌گويند.

نکته ديگر مقدار سرعت اسميCpu است که با نام پردازنده‌ها حتماٌ گفته‌ مي‌شود ، اين سرعت براي پردازنده‌هاي موجود Pentium 4 از 5/1 گيگاهرتز تا بيش از 3/3 گيگاهرتز است، که همچنان در حال پيشرفت مي باشد.

دسته دوم پردازنده ها ، CPUهاي توليد کارخانه AMD هستند، که در حال حاضر آنها را بر اساس تکنولوژي پيشرفته‌تر، با نام‌هاي Athlon ، Barthon و Sempron مي‌شناسيم. هم‌اکنون نوع Sempron در بازار به وفور يافت مي‌شود. تفاوت در اين نوع پردازنده‌ها در تکنولوژي ساخت و بيشتردر مقدار حافظه Cache آنهاست.

پردازنده Athlon داراي حافظه نهان معادل 128KB ، نوع Barthon ، 512KB و نوع Sempron داراي Cache به ميزان 256KB ميباشد .

در مورد CPU ها و طریقه نام بردن آنها به چند مثال توجه فرماييد :

Pentium IV 2.2 GHz Full Cache
يعني پنتيوم 4 با سرعت 2/2 گيگاهرتز و داراي حافظه نهان کامل.

Pentium III 600 Celeron
يعني پنتيوم 3 با سرعت 600 مگاهرتز و داراي يک چهارم حافظه نهان کامل

Sempron 2.8
يعني پردازنده ساخت شرکت AMD ، با سرعت 2800 مگاهرتز و داراي حافظه نهان به ميزان 256 کيلو بايت
همچنين در هنگام خريدCPU بايد به دو نکته توجه داشته باشيد :
ابتدا اينکه؛ پردازنده‌ها يا به همراه يک Fan و در يک بسته بندي پلمب فروخته شده ، که اصطلاحاً به آنها Box گفته مي‌شود و يا به شکل تنها که Tray خوانده مي‌شود. در اين صورت يک Fan باید به صورت جداگانه خریداری گردد .
نکته دوم در هنگام خريد يک CPU ، توجه به گارانتي آن است. توجه به گارانتي يعني توجه به نام و اعتبار شرکت پشتيبان، مدت گارانتي، تاريخ شروع و اتمام آن