تشریح کامل cpu

[kami_in2000]

تشریح کامل cpu :

مقدمه:
يك دستگاه پردازشگر مركزي (CPU ) يا ريز پردازنده ساده تراشه اي در كامپيوترهاي ديجيتال است كه مي تواند به عنوان قلب كامپيوتر باشد و عمل پردازش اطلاعات و كنترل نرم افزار و همچنين عمليات حسابي و منطقي را انجام دهد . همچنين يك دستگاه محاسبه اي كامل است كه روي يك تراشه ساخته مي شود و مجموع دستورات دستگاه را اجرا مي كند .
CPU سه كار مهم را انجام مي دهد :
1. از واحد همبستگي منطقي حساب استفاده مي كند يعني جمع و تفريق و ضرب و تقسيم را انجام مي دهد .
2. اطلاعات را از يك مكان حافظه به مكاني ديگر انتقال مي دهد .
3. مي تواند تصميم بگيرد و به يك سري از دستورات جديد كه بر اساس آن تصميمات است جهش كند (Jump) .
از نيمه دهه 1970 به جاي يك تراشه از ريز پردازنده كه اغلب به صورت تركيبي بود استفاده مي كردند و امروزهCPU ها جايگزين آنها شده اند و اصطلاح CPU معمولا در بعضي از پردازشگرها به كار رفته است .

 

[kami_in2000]

مختصری از نحوه کارکرد CPU :

1. در CPU برنامه ها به دو صورت انجام مي شوند : 1) ترتيبي . 2) اشتراك زماني .
درحالت ترتيبي برنامه ها به ترتيب ورود انجام مي شوند ، اما در حالت اشتراك زماني از هر برنامه يك قسمتي انجام شده و مجددا به برنامه اول بازگشت صورت مي گيرد .
2. CPU داراي سه گذرگاه (Bus) مي باشد كه اين گذرگاه ها براي دريافت داده از يك ثبات و انتقال آن داده به ثبات ديگر مي باشند .
اين گذرگاه ها عبارتند از : گذرگاه داده كه براي دريافت داده مي باشد ،
گذرگاه آدرس كه حاوي آدرس ثباتي مي باشد كه داده مي خواهد به آنجا منتقل شود و گذرگاه كنترل كه بر اعمال CPU و دوگذرگاه ديگر نظارت دارد .
بيشتر بوده اين همگن سازي شروع دوره جديد گرايش به ترانزيستوري كردن كامپيوترهاي عظيم و ميني كامپيوترها مي باشد و موجب شتاب سريعي در جهت يكپارچه كردن و شناساندن مدارات IC شد .
IC جهت افزودن به مجموعه CPU ها كه جاي نسبتا كمتري را مي گرفت طراحي و مجوز ساخت گرفت كه واحد آن ( بر پايه ميلي متر ) بود . كوچك سازي و همگن كردن هر دو در افزايش CPU ها بود و مشاهده اين دستگاه هاي ديجيتال در زندگي مدرن فراتر از تقاضا و از حد معمول بيشتر بود .
پردازشگرهاي مدرن را مي توان در اتومبيل ها و تلفن هاي سلولي و اسباب بازي هاي بچه ها و غيره مشاهده كرد . ​

 

[kami_in2000]

محتواي متن عبارت است از :
1. تاريخچه§
1ـ1 ترانزيستورic ، cpu هاي گسسته .
2ـ1 . پردازشگرها .
2. عملكرد cpu
3. طراحي و عملكرد .
1ـ3. عدد صحيح كامل
2ـ3. سرعت ساعت
3ـ3. وجه تشابه
1ـ3ـ3. دستور العم مجراي ارتباطي و ساختار سوپر سنجش
2ـ3ـ3. تنظيم همزمان اجراي tlp
4ـ3. پردازشگرهاي حامل و simd

 

[kami_in2000]

1. تاريخچه :​

وقايع مهم ماشين ها كه شباهت زيادي به cpuهاي امروزي دارد شبيه كامپيوترهاي eniacكه براي انجام دادن دستورات مختلف از طريق كابل كشي بوده است .
اين ماشين ها اغلب به صورت " برنامه هاي ثابت كامپيوتري " انجام مي شده اند . از زماني كه شكل ظاهري آنها براي اجراي برنامه ها تغيير كرد و از زماني كه اصطلاح cpuبه عنوان يك( برنامه كامپيوتري ) نرم افزار اجرايي را به همراه خود داشت . دستگاه هاي اوليه به وجود آمده را مي توان cpuهايي دانست كه در جهت ذخيره برنامه كامپيوترها مي باشند .
اين عقيده ذخيره برنامه هاي كامپيوتري را مي توان در طراحي كامپيوترهاي ENIAC ديد اما عمر اين نوع ماشين ها زياد به طول نكشيد .
در 30 ژوئن 1945 اين طراحي قبل از ENIAC كامل شده بود .
Jahn Neumann ¹ ( رياضيدان ) كاغذي را تحت عنوان پيش نويس يك گزارش برEDVAC تهيه كرد .
اين طراحي ذخيره كامپيوتري يك برنامه بوده است كه در نهايت در آگوست 1949 كامل گرديد .

 

[kami_in2000]

1945)Von Neumam (

EDVAC اين برنامه را براي انجام انواع مختلف اعداد صحيح دستورالعمل ها (عملكردها) طراحي كرد .
اين دستورالعمل ها مي توانستند از تركيب برنامه ها سود زيادي را براي EDVAC به وجود آورده و آنها را اجرا كنند .
جالب اينكه برنامه هاي نوشته شده برايEDVAC نسبت به كامپيوترهاي كابلي در حافظه كامپيوترها با سرعت بالا ذخيره مي شد .

اين پيروزي يك محدوديت سختي را براي EDVAC به وجود مي آورد .

برنامه يا نرم افزاري را كه EDVAC اجرا كرد توانست محتواي كامپيوترها را به سادگي عوض كند .

بنابراين اين رياضيدان عملكرد كامپيوتر را به 4 قسمت تقسيم كرد :

1) يك داده يك دستور .
2) يك داده چند دستور .
3) چند داده يك دستور .
4) چند داده چند دستور .

​

 

[kami_in2000]

به اين مورد توجه كرد هنگامي كه Jahn Neumann براي طراحي ذخيره كامپيوتر افتخار مي كرد ديگران قبل از او مثل ***rad Zuse نظريه اي شبيه به او پيشنهاد كرده بودند .
علاوه بر اين اصطلاح HARVARD MAR1 مي باشد كه او توانسته بود قبل از EDVAC آن را به پايان برساند .
همچنين استفاده از نوار كاغذ سوراخ شده جهت ذخيره برنامه كامپيوتر از حافظه كامپيوتري ترجيح داده مي شد و مهم ترين اختلاف بين ساختار Jahn Neumann و HARVARD اين است كه در مورد دوم ذخيره و نوع CPU و دستور العمل و اطلاعات از هم جدا مي باشند ولي مورد اول يك فضا مشابه حافظه را براي هر دو استفاده مي كرد .
CPU هاي مدرن اوليه طراحي شده به وسيله Jahn Neumann قديمي تر بودند و المنت هاي HARVARD معمولا بهتر ديده مي شدند .
شروع دستگاه هاي ديجيتال با CPU هاي به صورت گسسته بوده زيرا بعضي از تغييرات المنت به صورت مجزا ديده مي شد .
تجارت قابل قبول گذشته ، ترانزيستورها ورله هاي برقي و لامپ هاي خلاء ( لامپ گرما يوني ) بودند كه معمولا به صورت المنت هاي رله شده استفاده مي شدند گرچه اين ويژگي ها سرعت بيشتري نسبت به حالت قبلي داشته است و صرفا به خاطر طراحي مكانيكي بوده و به همين دلايل گوناگون آنها غير قابل اطمينان بوده اند .

 

[kami_in2000]

براي مثال ساختن جريان متناوب مستقيم مدارات منطقي خارج از رله ها نيازمند به سخت افزار مضاعفي داشت تا بتواند بر مشكلات Contact bounce فائق آيد در حالي كه لامپ هاي خلاء تحمل بارContact bounce را نداشتند .
آنها قبل از اينكه كاملا به كار برده شوند مي بايست اول گرم شوند و سرانجام همه با يكديگر كارشان را متوقف كنند . معمولا وقتي يك لامپ خراب مي شودCPU مجبور است محل خرابي را تشخيص داده عمل جايگزين را انجام دهد بنابراين الكترونيك قديم ( كه بر اساس لامپ خلاء بود ) سريع تر از كامپيوترهاي الكترومكانيك ( كه بر اساس خلاء بوده ) كاربري دارد .
حداكثر كاركرد كامپيوترهاي لامپي 8.EDVACساعت بود و پس از آن خراب مي شدند در صورتي كه كامپيوترهاي رله ايي اوليه ( آهسته تر ) مثل MARK1 HARVARD كمتر خراب مي شدند .
(Weik 1961:238) در پايان لامپ محوري بستگي به CPU داشت زيرا مهم ترين ويژگي آنها سرعتشان بود كه مي توانست اعتماد بيشتري را جلب كرده و بر مشكلات فائق آيند .
اغلبCPU هاي آن زمان در يك زمان و در يك ساعت با سرعت نسبي پايين برنامه اجرا مي كردند و در مقايسه با طراحي ميكروالكترونيك ( به نمودار سرعت زمان مراجعه شود ) اجراي فركانس سيگنال ساعت از 100KHZ به 4MHZ در يك زمان معمولي مي باشد که به وسيله دستگاه هاي رله كه ساخته شد سرعت آن محدود گرديد .

 

[kami_in2000]

1ـ1) ترانزيستورها و cpu ic هاي گسسته :
​

طراحي پيچيده cpu ها سهولت ساخت تكنولوژي هاي مختلف را بالا برده و دستگاه هاي بسيار كوچك و قابل اطمينان را به وجود آورده است كه اولين نوع ظهور پيشرفته آنها ترانزيستورها مي باشند .
ترانزيستوري شدن cpu ها اواسط دهه هاي 1950 و 1960 بوده و طولي نكشيد كه از شكل حجيم و غير قابل اطمينان و سوئيچ هاي المنتي شكستني شبيه لامپ هاي خلاء و رله هاي الكتريكي خارج گرديد .
با اين پيشرفت cpu هاي مطمئن تر و كم حجم تر در يك يا چند مدار چاپي شامل تجهيزات مجزا ساخته شد .
ساخت يك مجموعه ترانزيستورها در يك محل در آن دوره شهرتي خاص به دست آورد .
مدار مجتمع ic ها اجازه دادند كه مجموعه زيادي از ترانزيستورها هم زمان بر روي يك تراشه نيمه هادي ساخته شوند .
در ابتدا مدار مجتمع بسيار كوچك و ضعيف به نام noreate در ic ها بود .

 

[kami_in2000]

CPU ها بر اساس "buiding Blocic" يا ساخت مجتمع IC ها معمولا به دستگاه هاي SSI مشابه بودند .
مجتمع سازي با تراكم پايين SSIIC ها يك مورد به كار رفته در كامپيوترهاي آپولو مي باشد كه معمولا شامل ترانزيستورهاي شمارش گر اعداد در مجذور 10 مي باشند .
براي ساخت كامل CPU خارج از SSIIC نيازمند به هزاران تراشه جدا بود اما هنوز استفاده از فضا و نيروي برق كمتر از ترانزيستورهاي گسسته قديمي را ترجيح مي دادند كه تكنولوژي ريز الكترونيك هاي پيشرفته و مجموع ترانزيستورها در يك جا را افزايش مي داد اما كاربرد IC هاي تك را در يك CPU كاهش می داد . MSI و LSI ( مجتمع سازي با تراكم متوسط و زياد ) در IC ها تعداد ترانزيستورها را از هزار به صد رساند .