چطور ریز پردازنده کار می‌کند؟

وقتی در حال خواندن این صفحه از اینترنت هستید، قطعه‌ای از کامپیوتر شما در حال انجام میلیون‌ها پردازش منطقی و ریاضی است.

این قطعه که شاید به اندازه کف دست شما هم نباشد، ریز پردازنده (Micro Processor) نام دارد. در کامپیوتر‌ها این قطعه به نام (Central Processing Unit CPU)یا واحد پردازش مرکزی نیز شناخته شده است.

قبل از شروع به توضیح در مورد ریزپردازنده‌ها بهتر است کمی در مورد پردازش و مفهوم پردازش‌ها منطقی بحث کنیم.

کامپیوتر و در کل هر وسیله‌ای که اطلاعات (در اینجا سیگنال‌های دیجیتالی) را از ورودی دریافت می‌کند و با تغییر و تبدیل آن و انجام عملیاتی روی آن، خروجی مشخصی را تولید می‌کند، باید دارای یک سری دستورالعمل‌هایی برای اینکار باشد. وقتی حجم اطلاعات ورودی بالا می‌رود و دستورالعمل‌ها پیچیده‌تر می‌شوند، نیاز به وسیله‌ای داریم که بتواند دستورالعمل‌ها را به نوبت و با نظم خاصی اجرا کند.

پردازش‌ها و دستورالعمل‌ها در کامپیوتر، عمل‌گرهای منطقی و ریاضی هستند. در ادامه به تکامل پردازشگر‌ها و ساختار آن‌ها می‌پردازیم.

اولین ریزپردازنده کامپیوتر توسط شرکت اینتل معرفی شد. Intel4004 در سال ۱۹۷۱ به بازار آمد و در مقایسه با چیزی که امروزه به نام پردازشگر می‌شناسیم کاملاً پیش پا افتاده و ضعیف بود.

۴۰۰۴ تنها می‌توانست ۴ عمل اصلی ریاضی را تنها در ۴بیت در یک لحظه انجام دهد.نکته جالب طراحی این پردازشگر در آن زمان این بود که همه چیز روی یک چیپ(Chip) قرار گرفته بود. تا قبل از آن واحد‌های پردازش در چندین چیپ قرار داشتند یا اینکه فقط از چنیدن ترانزیستور متصل به هم ساخته می‌شدند.

اولین پردازشگری که به کامپیوتر‌های خانگی راه پیدا کرد Intel8080‌ بود که پردازشگری ۸بیتی بود و در سال ۱۹۷۴ معرفی شد. ولی پردازشگری که بازار را متحول کرد، Intel8088 بود و در سال ۱۹۷۴ معرفی شد و کمتر از ۱۰ سال بعد از آن در کامپیوتر‌های IBM ظاهر شد. بعد از آن مدل‌های دیگری به بازار آمدند تا اینکه Pentium‌ بازار کامپیوتر را متحول کرد.

Pentium4‌ می‌توانست همان عملیاتی را که ۸۰۸۸ قدیمی انجام می‌داد را انجام دهد ولی ۵هزار برابر سریع‌تر!

جدول زیر می‌تواند به شما کمک کند تا با سیر تکامل پردازشگر‌ها بیشتر آشنا شوید. توجه داشته باشید که شرکت اینتل اولین تولید کننده پردازشگر است به همین دلیل نیز به پردازشگر‌های ساخت آن اشاره می‌کنیم.

در جدول بالا باید به چند نکته اشاره کنیم:

• منظور از میکرون، اندازه کوچکترین اتصال داخل مدار پردازشگر است در ابعاد میکرون. ضخامت موی یک انسان عادی در حدود ۱۰۰ میکرون است.
• ClockSpeed را در ادامه توضیح می‌دهیم.
• DataWidth‌ یا پهنای داده‌ها ، شهنای اطلاعات ورودی به ALU‌است. ALU(Arithmetic And Logic Unit) یا واحد منطقی و حساب وظیفه اصلی انجام محاسبات منطقی و ریاضی را دارد. یک ALU 8بیتی می‌تواند تمام اعمال ریاضی را روی دو مقدار ۸بیتی انجام دهد. در حالی که ALU 32 بیتی می‌تواند این عملیات را روی دو عدد ۳۲ بیتی انجام دهد. ALU 8 بیتی برای انجام عملیات روی دو عدد ۳۲ بیتی باید آن را در چهار مرحله انجام دهد در حالی که ALU 32 بیتی می‌تواند همین کار را در یک بار محاسبه انجام دهد.
• MIPS شاخص پیچیده‌ای برای سنجش قدرت پردازشگر است. با این‌حال (Millions Of Instructions Per Second) MIPS یا تعداد دستور‌ها در میلیون بر ثانیه می‌تواند شما را در مقایسه پردازشگر‌های مختلف کمک کند.

حال بهتر است به داخل پردازشگر نگاهی بیندازیم.

ریز پردازنده‌ها سه کار اصلی را بر عهده دارند:

• با استفاده از ALU عملیات ریاضی و منطقی را انجام می‌دهد. پردازشگر‌های جدید می‌توانند عملیات بسیار پیچیده و گیج کننده ریاضی را با اعداد شناور بزرگ انجام دهد.
• پردازشگر می‌تواند اطلاعات را از حافظه‌ای به حافظه دیگر منتقل کند. [چطور حافظه کامپیوتر کار می‌کند؟]
• پردازشگر می‌تواند کار خود را برنامه ریزی کند و عملیات را در مراحل مختلف انجام دهد.

پردازشگر را می‌توان به قسمت‌های زیر تقسیم کرد:

• یک گذرگاه آدرس (Address Bus) که آدرس‌های محل اطلاعات را به حافظه می‌فرستد.
• یک گذرگاه داده‌ها (Data Bus) که اطلاعت و دستور‌هایی را به حافظه می‌فرستد تا اطلاعاتی را دریافت کند.
• یک خط(RD (Read یا خواندن و یک خط (WR (Write یا نوشتن برای دریافت و بازخوانی آدرس‌های محل داده‌ها از حافظه.
• Clock Line یا خط ساعت که به ساعت پردازشگر این اجازه را می‌دهد که پردازش‌ها را زمان‌بندی کند.
• Reset Line که شمارنده‌های پردازش‌ها را به صفر یا عددی پیش فرض بر می‌گرداند.

توجه داشته باشید که گذرگاه‌ها و RD و WR به حافظه‌های کامپیوتر از جمله RAM و ROM و حافظه‌های دیگر.[چطور حافظه کامپیوتر کار می‌کند؟]

اساساً پردازشگر‌ها کار‌های خود را با اجرای دستورات انجام می‌دهند و حتی ساده‌ترین پردازشگر‌ها نیز دارای مجموعه‌ای از دستورات هستند.

هر دستور در پردازشگر با مقدار یک بیتی شناسایی می‌شود و به هنگام بازخوانی هر بیت دستور اجرا می‌‌شود. مجموعه این دستورات که برای پردازشگر قابل اجراست زبانی به نام Assembly را تشکیل می‌دهد.

تعداد ترانزیستور‌هایی که بر روی مدار پردازشگر قرار می‌گیرد نقش به سزایی در کارکرد پردازشگر دارد. با استفادهری از فن‌آوری ساخت پردازشگر‌ها به نام Pipelining می‌توان پردازش‌ها را به طور موازی در پردازشگر قرار داد. به این ترتیب ممکن است یک پردازش مدت زمانی طول بکشد ولی چندین پردازش را می‌توان در همان زمان یکسان انجام داد به این ترتیب با شکستن پردازش‌ها در قسمت‌های مختلف و پردازش هر کدام به طور موازی می‌توان سرعت را افزایش داد.