واحد پردازش مرکزی

واضح آرشیو وب فارسی:فان پاتوق: سی.پی.یو (به انگلیسی: Central Processing Unit یا CPU) یا پردازنده (به انگلیسی: Processor)، یکی از اجزاء رایانه می.باشد که فرامین و اطلاعات را مورد پردازش قرار می.دهد. واحدهای پردازش مرکزی ویژگی پایه.ای قابل برنامه.ریزی.شدن را در رایانه.های رقمی فراهم می.کنند، و یکی از مهم.ترین اجزاء رایانه.ها هستند. یک پردازندهٔ مرکزی، مداری یکپارچه می.باشد که معمولاً به عنوان ریزپردازنده شناخته می.شود. امروزه عبارت CPU معمولاً برای ریزپردازنده.ها به کار می.رود.
عبارت «Central Processor Unit» (واحد پردازندهٔ مرکزی) یک ردهٔ خاص از ماشین را معرفی می.کند که می.تواند برنامه.های رایانه را اجرا کند. این عبارت گسترده را می.توان به راحتی به بسیاری از رایانه.هایی که بسیار قبل.تر از عبارت "CPU" بوجود آمده بودند نیز تعمیم داد. به هر حال این عبارت و شروع استفاده از آن در صنعت رایانه، از اوایل سال ۱۹۶۰ رایج شد. شکل، طراحی و پیاده.سازی پرازنده.ها نسبت به طراحی اولیه آنها تغییر کرده.است ولی عملگرهای بنیادی آنها همچنان به همان شکل باقی مانده.است.
پردازنده.های اولیه به عنوان یک بخش از سامانه.ای بزرگ.تر که معمولاً یک نوع رایانه.است، دارای طراحی سفارشی بودند. این روش گران قیمت طراحی سفارشی پردازنده.ها برای یک بخش خاص، به شکل قابل توجهی، مسیر تولید انبوه آنرا که برای اهداف زیادی قابل استفاده بود فراهم نمود. این استانداردسازی روند قابل ملاحظه.ای را در عصر مجزای ابر رایانه.های ترانزیستوری و ریز کامپیوترها آغاز نمود و راه عمومی نمودن مدارات مجتمع(IC یا Integrated Circuit) را سرعت فراوانی بخشید. یک مدار مجتمع، امکان افزایش پیچیدگی.ها برای طراحی پردازنده.ها و ساختن آنها در مقیاس کوچک را (در حد میلیمتر) امکان پذیر می.سازد. هر دو فرآیند (کوچک سازی و استاندارد سازی پردازنده.ها)، حضور این تجهیزات رقمی را در زندگی مدرن گسترش داد و آن را به فراتر از یک دستگاه خاص مانند رایانه تبدیل کرد. ریزپردازنده.های جدید را در هر چیزی از خودروها گرفته تا تلفن.های همراه و حتی اسباب بازی.های کودکان میتوان یافت.
مدت زمان انجام یک کار به.وسیله رایانه، به عوامل متعددی بستگی دارد که اولین آنها، سرعت پردازشگر رایانه.است. پردازشگر یک تراشه الکترونیکی کوچک در قلب کامپیوتر است و سرعت آن بر حسب مگاهرتز یا گیگاهرتز سنجیده می.شود. هر چه مقدار این پارامتر بیشتر باشد، پردازشگر سریعتر خواهد بود و در نتیجه قادر خواهد بود، محاسبات بیشتری را در هر ثانیه انجام دهد. سرعت پردازشگر به عنوان یکی از مشخصه.های یک کامپیوتر به قدری در تعیین کارآیی آن اهمیت دارد که معمولاً به عنوان یکی از اجزای تشکیل دهنده نام کامپیوتر از آن یاد می.شود. تراشه پردازشگر و اجزای الکترونیکی که آن را پشتیبانی می.کنند، مجموعا به عنوان واحد پردازش مرکزی یا CPU شناخته می.شوند.
واحد پردازش مرکزی واحد محاسباتی (ALU) و کنترلی (CU) رایانه.است که دستورالعمل.ها را تفسیر و اجرا می.کند. رایانه.های بزرگ و ریزرایانه.های قدیمی بردهایی پر از مدارهای مجتمع داشته.اند که عمل پردازش را انجام میداده.اند. تراشه.هایی که ریز پردازنده نامیده می.شوند، امکان ساخت رایانه.های شخصی و ایستگاه.های کاری (Work Station) را میسر ساخته.اند.
در اصطلاح عامیانه CPU به عنوان مغز رایانه شناخته می.شود.

تاریخچه

پیش از ظهور اولین ماشین که به پردازنده.های امروزی شباهت داشت؛ کامپوترهای مثل انیاک(......ENIAC) مجبور بودند برای اینکه کارهای مختلفی را انجام دهند دوباره سیم کشی کنند. این ماشین.ها اغلب به رایانه.هایی، با برنامهٔ ثابت اطلاق می.شد 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 آن.ها اطلاق شد همراه ظهور اولین برنامهٔ ذخیره شدهٔ در رایانه بود.

ایدهٔ برنامهٔ ذخیره شده مربوط به بعد 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 مقاله.ای 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 دستوالعمل.های معین (یا عملگرهای خاص) برای گونه.های متفاوت، طراحی شده بود.این دستورالعمل.ها می.توانستند ترکیب شوند تا برنامه.های مفید را بر روی EDVAC اجرا کنند. از نکات قابل توجه این بود که برنامه.ای که برای EDVAC نوشته شده بود در یک حافظهٔ رایانه.ای سریع؛ ذخیره شده بود که سریعتر از ثبت سخت.افزاری است این پیروزی یک محدودیت شدید را بر ENIAC ایجاد می.کرد 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 می.کرد می.توانست تغییری ساده با محتوای حافظهٔ رایانه تغییر دهد.
دستگاه.های رقمی حال حاضر، همه با پردازنده.هایی توزیع شده.اند 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 می.شد. اگرچه اینها از مزایایی چون سرعت - به خاطر ساز و کار عمومی شان- برخوردار بودند ولی به خاطر بعضی مسایل غیرقابل اطمینان بودند.
ترانزیستورهای گسسته و مدارات مجتمع (واحد پردازش مرکزی)

پیچیدگی طراحی پردانده.ها هم.زمان با افزایش سریع فن آوری.های متنوع که ساختارهای کوچک.تر و قابل اطمینان تری را در وسایل الکترونیک باعث می.شد، افزایش یافت. اولین موفقیت با ظهور اولین ترانزیستورها حاصل شد. پردازنده.های ..ترانزیستوری در طول دهه.های 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 لامپ.های خلا و رله.های الکتریکی بودند. با چنین پیشرفتی پردازنده.هایی با پیچیدگی و قابلیت اعتماد بیشتری بر روی یک یا چندین برد مدار چاپی که شامل قسمت.های تفکیک شده بودند ساخته شدند.
در طول این مدت، یک روش برای تولید تعداد زیادی ترانزیستور روی یک فضای فشرده نظر اکثریت را به خود جلب کرد. مدارات مجتمع (IC).ها، این امکان را فراهم کردند که تعداد زیادی از ترانزیستورها روی یک پایه نیمه رسانا لایه لایه شده یا «چیپ»ساخته شوند. در ابتدا تنها مدارات غیر تخصصی پایه مانند گیتهای منطقی NOR به صورت مدارات مجتمع ساخته شدند. پردازنده.هایی که بر اساس چنین واحد سیستم پایه.ای مدارات مجتمع ساخته شدند به طور کلی جزو مدارات مجتمع مقیاس کوچک (SSI) محسوب می.شدند.مدارات مجتمع SSI مانند آنچه که در راهنمای کامپیوتر آپولو آورده شده، معمولاً شامل ترانزیستورها با تعداد ضرایبی از ۱۰ می.باشند. ساخت یک پردازنده یکپارچه و بی عیب و نقص بدون استفاده از مدارات مجتمع SSI نیازمند هزاران چیپ مجزا می.باشد، اما همچنان مقدار حجم و توان مصرفی بسیار کمتری نسبت به طراحی به وسیله مدارات ترانزیستوری گسسته نیازمند است.چنین تکنولوژی میکرو الکترونیک پیشرفته.ای باعث افزایش تعداد ترانزیستورهای موجود در ICها شد و بدین ترتیب کاهش تعداد ICهای منفردی را در پی داشت که به یک پردازنده کامل نیاز داشتند. درمدارات مجتمع سری MSI و LSI (مدارات مجتمع مقیاس متوسط و بزرگ) میزان ترانزیستورها تا صدها و سپس تا هزاران ترانزیستور افزایش یافت.در سال ۱۹۶۴ شرکت IBM سیستم معماری ۳۶۰ کامپیوتر را معرفی کرد که در یک سری از کامپیوترها که می.توانستند یک برنامه را با چندین سرعت و شکل مختلف اجرا کنند مورد استفاده قرار گرفت. این کار در زمانی که بیشتر کامپیوترهای الکترونیکی با یکدیگر نا سازگار بودند، حتی آنهایی که توسط یک کارخانه ساخته می.شدند، بسیار حائز اهمیت بود. به منظور تسهیل در چنین پیشرفتی شرکت IBM از یک راهکار به نام ریز برنامه (ریز دستورالعمل)استفاده کرد، که همچنان به صورت گسترده.ای در پردازنده.های مدرن مورد استفاده قرار می.گیرد. سیستم معماری ۳۶۰ آنچنان به شهرت رسید که چندین دهه بر بازار سیستم.های کامپیوتری قدرتمند حکمفرما بود و چیزی از خود بر جای گذاشت که روند آن همچنان نیز به وسیله کامپیوترهای مدرن مشابه مانند کامپیوترهای سریZ شرکت IBM ادامه دارد. در همان سال (۱۹۶۴) انجمن تجهیزات دیجیتالی (DEC) یک کامپیوتر قدرتمند با هدف کاربرد علمی و تحقیقاتی به بازا عرضه کرد (PDP-۸.(DEC بعدها یک سیستم با نام PDP-۱۱عرضه کرد که به نهایت شهرت دست یافت و این سیستم در اصل با مدارات مجتمع SSI ساخته شده بود با این تفاوت که نهایتا با اجزاء LSI تکمیل شده بود و به یکباره به کاربرد عملی رسید. بر خلاف SSI و MSIهای قبلی، اولین پیاده سازی LSI از PDP-۱۱ شامل پردازنده.های مرکب از چهار LSI مدار مجتمع می.باشد.(انجمن تجهیزات دیجیتالی ۱۹۷۵)

کامپیوترهای با ترانزیستور پایه دارای چندین مزیت ممتاز بود. گذشته از تسهیل و ساده سازی، قابلیت اعتماد بالا و توان مصرفی پایین تری داشتند. ترانزیستورها همچنین به پردازنده.ها اجازه می.دادند تا با سرعت بالاتری مورد استفاده قرار گیرد و این به علت زمان سوئیچینگ کوتاه یک ترانزیستور در مقایسه با یک لامپ الکترونی یا رله می.باشد. در نتیجه برای هر دو حالت افزایش اعتماد و متناسب با آن افزایش چشمگیرسرعت، المانهای سوئیچینگ پالس ساعت پردازنده در دهگان مگا هرتز در طول این دوره بدست آمد. به علاوه زمانیکه ترانزیستورهای گسسته و ICهای ریزپردازنده.ها مورد استفاده زیادی قرار گیرند، طراحی.های جدید با کیفیت بالا مانند SIMD (دستورالعمل.های منفرد بااطلاعات چندگانه) پردازنده.های جهت دار آشکار می.شود. این طراحی آزمایشگاهی اخیر بعدها باعث شکل گیری عصر تخصصی ابر کامپیوترها مانند نمونه ساخته شده توسط کری اینک گردید.

ریزپردازنده.ها

ريزپردازنده اينتل 80486DX2 در يک بسته سراميکی

پیدایش ریز پردازنده.ها در سال ۱۹۷۰ به طور قابل توجهی در طراحی و پیاده سازی پردازنده.ها تأثیر گذار بود. از زمان ابداع اولین ریزپردازنده (اینتل۴۰۰۴)در سال ۱۹۷۰ و اولین بهره برداری گسترده از ریزپردازنده اینتل ۸۰۸۰ در سال ۱۹۷۴، این روند رو به رشد ریزپردازنده.ها از دیگر روشهای پیاده سازی واحدهای پردازش مرکزی (CPU) پیشی گرفت، کارخانجات تولید ابر کامپیوترها و کامپیوترهای شخصی در آن زمان اقدام به تولید مدارات مجتمع با برنامه ریزی پیشرفته نمودند تا بتوانند معماری قدیمی کامپیوترهای خود را ارتقا دهند و در نهایت ریز پردازنده.ای سازگار با مجموعه دستورالعمل.ها ی خود تولید کردند که با سخت.افزار و نرم.افزارهای قدیمی نیز سازگار بودند. با دستیابی به چنین موفقیت بزرگی امروزه در تمامی کامپیوترهای شخصی CPUها منحصرا از ریز پردازنده.ها استفاده می.کنند.
نسل قبلی ریزپردازنده.ها از اجزا و قسمت.های بیشمار مجزا از هم تشکیل می.شد که در یک یا چندین برد مداری قرار داشتند. اما ریزپردازنده.ها، CPUهایی هستند که با تعداد خیلی کمی IC ساخته می.شوند، معمولاً فقط از یک IC ساخته می.شوند. کارکرد در یک قالب مداری به مفهوم زمان سوئیچینگ سریعتر به دلیل حذف عوامل فیزیکی می.باشد. مانند کاهش بهره پارازیتی خازنها، که همگی در نتیجه کوچکی اندازه CPU هاست. این حالت باعث هم.زمان سازی ریزپردازنده.ها می.شود تا بتوانند پالس ساعتی در رنج چند ده مگا هرتز تا چندین گیگا هرتز داشته باشند. به علاوه تعداد مینی ترانزیستورها روی یک IC افزایش می.یابد و پیچیدگی عملکرد با افزایش ترانزیستورها در یک پردازنده به طرز چشمگیری باعث افزایش قابلیت CPUها می.شود. این واقعیت به طور کامل مبین قانون مور می.باشد که در آن بطور کامل و دقیق رشد افزایشی ریزپردازنده.ها و پیچیدگی آنها با گذر زمان پیش بینی شده بود.
در حالیکه پیچیدگی، اندازه، ساختمان و شکل کلی ریزپردازنده.ها نسبت به ۶۰ سال گذشته کاملاً تغییر کرده، این نکته قابل توجه.است که طراحی بنیادی و ساختاری آنها تغییر چندانی نکرده.است. امروزه تقریباً تمام ریزپردازنده.های معمول می.توانندپاسخگوی اصل نیومن در مورد ماشینهای ذخیره کننده برنامه باشند.
مطابق قانون مور که در حال حاضر نیز مطابق آن عمل می.شود، روی کرد استفاده از فناوری جدید کاهش در مدارات مجتمع ترانزیستوری مد نظر است. در نهایت مینیاتوری کردن مدارهای الکترونیکی باعث ادامه تحقیقات و ابداع روشهای جدید محاسباتی مانند ایجاد کامپیوترهای ذره.ای (کوانتومی) شد. به علاوه موجب گسترش کاربرد موازی سازی و روشهای دیگر که ادامه دهنده قانون سودمند کلاسیک نیومن است گردید.

عملکرد ریزپردازنده.ها

کارکرد بنیادی بیشتر ریزپردازنده.ها علیرغم شکل فیزیکی که دارند، اجرای ترتیبی برنامه.های ذخیره شده را موجب می.شود. بحث در این مقوله نتیجه پیروی از قانون رایج نیومن را به همراه خواهد داشت. برنامه توسط یک سری از اعداد که در بخشی از حافظه ذخیره شده.اند نمایش داده می.شود.چهار مرحله که تقریباً تمامی ریزپردازنده.هایی که از [ قانون فون نیومن] در ساختارشان استفاده می.کنند از آن پیروی می.کنند عبارت.اند از : فراخوانی، رمزگشایی، اجرا، بازگشت برای نوشتن مجدد.

بلوک دیاگرامی که نمایشگرچگونگی رمز گشایی یک MIPS32 است.

مرحله اول، فراخوانی، شامل فراخوانی یک دستورالعمل (که به وسیله یک عدد و یا ترتیبی از اعداد نمایش داده می.شود) از حافظه برنامه می.باشد. یک محل در حافظه برنامه توسط شمارنده برنامه(PC) مشخص می.شود که در آن عددی که ذخیره می.شود جایگاه جاری برنامه را مشخص می.کند.به عبارت دیگر شمارنده برنامه از مسیرهای پردازنده در برنامه جاری نگهداری می.کند. بعد از اینکه یک دستورالعمل فراخوانی شد شمارنده برنامه توسط طول کلمه دستورالعمل در واحد حافظه افزایش می.یابد. گاهی اوقات برای اینکه یک دستورالعمل فراخوانی شود بایستی از حافظه کند بازخوانی شود. که این عمل باعث می.شود ریزپردازنده همچنان منتظر بازگشت دستورالعمل بماند. این موضوع به طور گسترده.ای در پردازنده.های مدرن با ذخیره سازی و معماری مخفی سازی در حافظه.های جانبی مورد توجه قرار گرفت. دستورالعملی که پردازنده از حافظه بازخوانی می.کند باید معین شده باشد که چه عملی را CPU می خواهد که انجام دهد. در مرحله رمزگشایی، دستورالعمل به بخش.هایی که قابل فهم برای قسمت.های پردازنده هستند تفکیک می.شود. روشی که در آن مقادیر دستورالعمل شمارشی ترجمه می.شود توسط معماری مجموعه دستورالعمل.ها (ISA) تعریف می.شود. اغلب یک گروه از اعداد در یک دستورالعمل که شناسنده نامیده می.شوند بیانگر این هستند که کدام فرایند باید انجام گیرد. قسمت باقیمانده اعداد معمولاً اطلاعات مورد نیاز برای دستور را در بر دارند، مانند عملوندهای یک عملیات اضافی که در واقع چنین عملوندهایی ممکن است به عنوان یک مقدار ثابت داده شوند(مقدار بیواسطه)، یا اینکه به عنوان یک محل برای مکان یابی یک مقدار، یک ثبات و یا آدرس حافظه که به وسیله گروهی از مدهای آدرس دهی تعیین می.گردد داده شوند. در طرحهای قدیمی سهم پردازنده.ها یی که در رمزگشایی دستورالعملها نقش داشتند از واحد سخت.افزاری غیر قابل تغییر برخوردار بودند. اگرچه در بیشتر پردازنده.ها و ISA.های انتزاعی و پیچیده اغلب یک ریز برنامه دیگر جهت ترجمه دستورالعمل به صورت ترکیب سیگنالهای مختلف برای CPU .ها وجود دارد. این ریز برنامه گاهی قابلیت دوباره نویسی را دارد، بنابر این آنها می.توانند برای تغییر نحوه رمز گشایی دستورالعملها حتی پش از آنکه CPU ها تولید شدند اصلاحاتی را مجدداً انجام دهند.

بلوک دياگرام يک پردازنده ساده

بعد از مراحل فراخوانی و رمزگشایی مرحله اجرای دستور انجام می.گیرد. در طول این مرحله قسمت.های مختلفی از پردازنده با هم مرتبط هستند و می.توانند یک عملکرد مطلوب ایجاد کنند. برای مثال اگر یک عملکرد اضافی درخواست شود واحد محاسبه و منطق (ALU)با یک سری از ورودی.ها و خروجی.ها مرتبط خواهد شد. ورودی.ها اعداد مورد نیاز برای افزوده شدن را فراهم می.کنند و خروجیها شامل جمع نهایی اعداد می.باشند. ALU شامل مجموعه.ای از مدارهاست تا بتواند عملیاتهای ساده محاسباتی و منطقی را روی ورودی.ها انجام دهد. اگر فرایند اضافی نتیجه بزرگی برای کارکرد پردازنده ایجاد کند یک پرچم سر ریز محاسباتی در ثبات پرچمها ایجاد می.شود.
مرحله پایانی یعنی بازگشت به مکان اولیه و آمادگی برای نوشتن مجدد پس از مرحله اجرا در قسمتی از حافظه به وجود می.آید. گاهی اوقات نتایج محاسبات در ثباتهای پردازنده.های خارجی نوشته می.شوند که اینکار برای دسترسی سریع به وسیله دستورهایی که بعداً به برنامه داده می.شود انجام می.گیرند. در حالت دیگر ممکن است نتایج با سرعت کمتری نوشته شوند اما در حجم بزرگ.تر و ارزش کمتر، که این نتایج در حافظه اصلی ذخیره خواهند شد. برخی از دستورات شمارنده برنامه که قابل تغییر هستند نسبت به آن دسته از اطلاعاتی که مستقیما نتایج را تولید می.کنند ترجیح داده می.شوند. در اصل همگی این موارد خیزش نامیده می.شوند و رفتارهایی شبیه حرکت در یک لوپ، زمان اجرای برنامه (در طول استفاده از خیزش.های شرطی) و همچنین روند توابع در برنامه.ها را تسهیل می.دهند. تعداد بسیاری از دستورات وضعیت یک رقم در ثبات پرچمها را تغییر می.دهند. این پرچمها می.توانند برای تأثیر گذاری در چگونگی عملکرد یک برنامه مورد استفاده قرار گیرند. برای مثال یک نوع از دستورات مقایسه.ای به مقایسه یک عدد و مقدار موجود در ثبات پرچمها رسیدگی می.کند. این پرچم ممکن است بعداً با یک دستورالعمل جهشی برای مشخص کردن روند برنامه مورد استفاده قرار بگیرد.
بعد از اجرای دستورالعمل و نوشتن مجدد روی اطلاعات منتجه فرآیند به طور کامل تکرار می.شود و با دستور بعدی چرخه به طور معمول مقدار بعدی را از ترتیب شمارشی فراخوانی می.کند، که این عمل به دلیل روند افزایشی مقدار شمارنده برنامه می.باشد. در پردازنده.های خیلی پیچیده تر نسبت به آنچه توضیح داده شد چندین دستورالعمل قابل فراخوانی، رمز گشایی و اجرا به صورت هم.زمان می.باشند. این امر به طور کلی بیان می.دارد که چه مباحثی به روش زمانبندی کلاسیک RISC مربوط می.شود، که در حقیقت این فرایند در پردازنده.های معمولی که در بسیاری از دستگاه.های الکترونیکی مورد استفاده قرار می.گیرند متداول است. (ریز کنترل کننده یا میکرو کنترولر)
طراحی و پیاده سازی

روشی که یک پردازنده از طریق آن اعداد را نمایش می.دهد یک روش انتخابی در طراحی است که البته در بسیاری از راه.های اصولی اثر گذار است. در برخی از کامپیوترهای دیجیتالی اخیر از یک مدل الکترونیکی بر پایه سیستم شمارش دسیمال (مبنای ده) برای نمایش اعداد استفاده شده.است. برخی دیگر از کامپیوترها از یک سیستم نامتعارف شمارشی مانند سیستم سه تایی(مبنای سه) استفاده می.کنند. در حال حاضر تمامی پردازنده.های پیشرفته اعداد را به صورت دودویی (مبنای دو) نمایش می.دهند که در آن هر عدد به وسیله چندین کمیت فیزیکی دو ارزشی مانند ولتاژ بالا و پایین نمایش داده می.شوند.

ریز پردازنده MOS6502 در بسته دوتایی که به صورت رایج ۸بیتی طراحی شده.است

علت نمایش دهی از طریق اعداد حجم کم و دقت بالا در اعدادی است که پردازشگر می.تواند نمایش دهد. در حالت دودویی پردازنده.ها، یک بیت به یک مکان مشخص در پردازنده اطلاق می.شود که پردازنده با آن به صورت مستقیم در ارتباط است. ارزش بیت (مکانهای شمارشی) یک پردازنده که برای نمایش اعداد بکار برده می.شود «بزرگی کلمه»، «پهنای بیت»، «پهنای گذرگاه اطلاعات» و یا «رقم صحیح» نامیده می.شود.که البته این اعداد گاهی در بین بخش.های مختلف پردازنده.های کاملاً یکسان نیز متفاوت است. برای مثال یک پردازنده ۸ بیتی به محدوده.ای از اعداد دسترسی دارد که می.تواند با هشت رقم دودویی (هر رقم دو مقدار می.تواند داشته باشد) ۲ یا ۲۵۶ عدد گسسته نمایش داده شود. نتیجاتا مقدار صحیح اعداد باعث می.شود که سخت.افزار در محدوده.ای از اعداد صحیح که قابل اجرا برای نرم.افزار باشد محدود شود و بدین وسیله توسط پردازنده مورد بهره برداری قرار گیرد.
دامنه صحیح همچنین می.تواند در تعداد مکانهایی از حافظه که قابل آدرس دهی در پردازنده هستند تأثیر گذار باشد. به عنوان مثال اگر یک پردازنده از ۳۲ بیت برای نمایش آدرس حافظه استفاده کند و هر آدرس حافظه.ای یک بایت (۸بیت) را نمایش دهد، ماکزیمم مقدار حافظه چنین پردازنده.ای می.تواند ۲ بایت یا ۴ گیگا بایت را آدرس دهی کند. این یک نمای ساده از فضای آدرس دهی پردازنده هاست و بسیاری از طراحی.ها از روشهای آدرس دهی پیشرفته تری مانند استفاده از حافظه.های مجازی استفاده می.کنند تا بتوانند مکانهای بیشتری از حافظه را آدرس دهی کنند.
سطوح بالا تر دامنه صحیح (رنج کاری) به تشکیلات بیشتری برای رسیدگی به رقمهای افزوده نیازمند است و بنابراین پیچیدگی، اندازه، توان مصرفی و حتی هزینه عمومی بیشتری را در پی خواهد داشت.و این امر به هیچ وجه مقبول نیست. بنابر این استفاده از ریز کنترل کننده.های ۴و ۸ بیتی که در کاربردها پیشرفته مورد استفاده قرار می.گیرد متداول تر است. هرچند پردازنده.های با دامنه کاری بالاتر (مثل ۱۶، ۳۲، ۶۴ ویا حتی ۱۲۸ بیتی)نیز موجود می.باشد. میکرو کنترل کننده.های ساده تر معمولاً ارزانتر بوده و توان مصرفی کمتری دارند و نتیجاتا گرمای کمتری نیز تولید می.کنند که همگی این موارد در طراحی قطعات الکترونیکی مدنظر قرار می.گیرند. به عنوان مثال سیستم ۳۷۰ شرکت IBM از یک پردازنده.ای استفاده می.کند که در حالت اولیه ۳۲ بیتی است اما در قسمت متغیردرونی خود از ۱۲۸ بیت برای تسهیل و دقت بیشتر استفاده می.کند. بسیاری از پردازنده.های اخیر از پهنای بیت ترکیبی مشابهی استفاده می.کنند، خصوصا زمانیکه پردازنده برای کاربردهای عمومی مورد استفاده قرار می.گیرد و نیازمند ایجاد تعادل بین قسمت متغیر و صحیح می.باشد.
پالس ساعت :

اکثر پردازنده.ها و در حقیقت اکثر دستگاه.هایی که با منطق پالسی و تناوبی کار می.کنند به صورت طبیعی باید سنکرون یا هم.زمان باشند. این بدان معناست که آنها به منظور هم.زمان سازی سیگنالها طراحی و ساخته شده.اند. این سیگنالها به عنوان سیگنال ساعت(پالس ساعت) شناخته می.شوند و معمولاً به صورت یک موج مربعی پریودیک (متناوب) می.باشند. برای محاسبه بیشترین زمانی که سیگنال قادر به حرکت از قسمت.های مختلف مداری پردازنده.است، طراحان یک دوره تناوب مناسب برای پالس ساعت انتخاب می.کنند. این دوره تناوب باید از مقدار زمانی که برای حرکت سیگنال یا انتشار سیگنال در بدترین شرایط ممکن صرف می.شود بیشتر باشد. برای تنظیم دوره تناوب باید پردازنده.ها باید مطابق حساسیت به لبه.های پایین رونده یا بالا رونده حرکت سیگنال در بدترین شرایط تاخیر طراحی و ساخته شوند. در واقع این حالت هم از چشم انداز طراحی و هم از نظر میزان اجزای تشکیل دهنده یک مزیت ویژه در ساده سازی پردازنده.ها محسوب می.شود. اگرچه معایبی نیز دارد، از جمله اینکه پردازنده باید منتظر المانهای کندتر بماند، حتی اگر قسمت.هایی از آن سریع عمل کنند. این محدودیت به مقدار زیادی توسط روشهای گوناگون افزایش قدرت موازی سازی (انجام کارها به صورت هم.زمان) پردازنده.ها قابل جبران است.
با وجود این پیشرفت معماری کامپیوترها، به تنهایی قادر به حل اشکالات عدم هم.زمان سازی سرتاسری و جهانی پردازنده.ها نیست. برای مثال یک پالس ساعت تابع تاخیرهای موجود در هر سیگنال دیگر است. پالس ساعت.های بالاتر در پردازنده.های پیچیده و ترکیبی برای نگه داریشان در یک فاز (هم.زمانی) در طول یک واحد، بسیار مشکل ساز خواهد بود. این مشکل بسیاری از پردازنده.های پیشرفه را به سوی سیگنالهای ساعت متعیر سوق داده.است تا بتواند ازتاخیرهای سیگنال-سیگنال جلوگیری به عمل آورد.موضوع مهم دیگر در زمینه پالس ساعت، افزایش چشمگیر میزان گرمایی است که توسط پردازنده تولید می.شود.تغییر دائمی کلاک پالسها باعث می.شوند تا اجزای بیشتری بدون در نظر گرفتن اینکه آیا در آن زمان مورد استفاده قرار می.گیرند یا نه تغییر وضعیت پیدا کنند. به طور کلی جزئی که تغییر وضعیت می.دهد انرژی بیشتری نسبت به المانی که ثابت است مصرف می.کند. بنابر این وقتی که پالس ساعت افزایش یابد باعث اتلاف گرمای بیشتری می.شود و در نتیجه پردازنده نیازمند راه حل.های مناسب تری برای انجام خنک کاریست.

این صفحه را در گوگل محبوب کنید

[ارسال شده از: فان پاتوق]

[مشاهده در: www.funpatogh.com]

[تعداد بازديد از اين مطلب: 329]