رایانه ای که برای خواندن این صفحه استفاده می کنید از یک ریزپردازنده برای انجام کار خود استفاده می کند. ریزپردازنده یا میکروپروسسور قلب هر کامپیوتر معمولی است، خواه یک ماشین رومیزی، سرور یا لپ تاپ باشد. میکروپروسسور – همچنین به عنوان CPU یا واحد پردازش مرکزی شناخته می شود – یک موتور محاسباتی کامل است که بر روی یک تراشه واحد ساخته می شود. اولین ریزپردازنده اینتل 4004 بود که در سال 1971 معرفی شد. 4004 خیلی قدرتمند نبود – تنها کاری که میتوانست انجام دهد جمع و تفریق بود و فقط میتوانست محاسبات 4 بیتی را هم زمان انجام دهد. اما شگفت انگیز بود که همه چیز روی یک تراشه بود. قبل از 4004، مهندسان کامپیوترها را یا از مجموعهای از تراشهها یا از اجزای مجزا میساختند (ترانزیستورها هر بار سیمکشی میشدند). 4004 یکی از اولین ماشین حساب های الکترونیکی قابل حمل را تامین می کرد.
تاریخچه میکروپروسسورها
اولین میکروپروسسوری که کامپیوتر خانگی را به بازار معرفی کرد، Intel 8080 بود، یک کامپیوتر کامل 8 بیتی روی یک تراشه، که در سال 1974 معرفی شد. اولین ریزپردازنده ای که در بازار غوغا کرد، اینتل 8088 بود که در سال 1979 توسط IBM داخل کامپیوتر (PC) گنجانده شد.(که برای اولین بار در حدود سال 1982 ظاهر شد). اگر با بازار رایانه های شخصی و تاریخچه آن آشنایی داشته باشید، می دانید که بازار رایانه های شخصی از 8088 به 80286 به 80386 به 80486 به سری Pentium به سری Core به سری Xeon منتقل شد. همه این ریزپردازنده ها توسط اینتل ساخته شده اند و همه آنها پیشرفت هایی در طراحی اولیه 8088 هستند. از سال 2004، اینتل ریزپردازنده هایی با چندین هسته و میلیون ها ترانزیستور دیگر معرفی کرده است. اما حتی این ریزپردازندهها نیز از قوانین کلی مشابه تراشههای قبلی پیروی میکنند.
جهت سفارش طراحی و تولید برد الکترونیکی از ما مشاوره بگیرید.
تاریخچه میکروپروسسورها
یک پردازنده Core i9 اینتل میتواند تا هشت هسته داشته باشد که هر کدام میتوانند هر کدی را که روی ۸۰۸۸ اصلی اجرا میشود، تنها حدود ۶۷۰۰ برابر سریعتر اجرا کند! هر هسته میتواند چندین رشته از دستورالعملها را مدیریت کند و به رایانه اجازه میدهد وظایف را به طور مؤثرتری مدیریت کند. دامنه محصولات اینتل از دهه 1970 به طور قابل توجهی گسترش یافته است. تا زمان نگارش این مقاله، این شرکت همچنان پردازندههای Pentium و Core را برای رایانهها تولید میکند، اما رایانههای شخصی و سرورهای با کارایی بالاتر ممکن است از تراشه Xeon استفاده کنند. علاوه بر این، اینتل خطوط پردازنده Celeron و Atom را ارائه می دهد. Celeron برای کاربران رایانهای در سطح پایه طراحی شده است و پردازندههای Atom برای دستگاههای تلفن همراه و دستگاههایی که بخشی از اینترنت اشیا هستند، بهتر هستند.
کاربردهای میکروپروسسور
در حالی که اینتل هنوز بخش بزرگی از بازار را در اختیار دارد، اما بیش از سهم عادلانه خود از رقبا دارد. AMD در بازار پردازندههای رایانههای شخصی با اینتل رقابت میکند، اما در زمینه تراشههای پردازندههای گرافیکی که در بین گیمرهای رایانه شخصی محبوب هستند نیز تجارت بزرگی انجام میدهد. انویدیا که به خاطر تراشههای گرافیکیاش معروف است، CPU نیز تولید میکند. در سال 2020، اپل تراشه های سری M خود را معرفی کرد که جایگزین تراشه های اینتل می شود که اپل برای رایانه های مک خود استفاده می کرد. سامسونگ همچنین ممکن است در حال کار بر روی طراحی پردازنده های اختصاصی خود باشد. بسیاری از شرکتها پردازندههایی را برای سایر مصارف الکترونیکی مانند خودروها و محصولات خانه هوشمند میسازند. بازار روز به روز رقابتی تر می شود.
واردات قطعات الکترونیکی از تهیه کنندگان و توزیع کنندگان معتبر و مارکت چین یکی از خدمات شرکت ما در زمینه تولیدات برد های الکترونیکی است.
منطق میکروپروسسور
برای درک نحوه عملکرد یک میکروپروسسور، نگاه کردن به داخل و یادگیری منطق مورد استفاده برای ایجاد آن مفید است. در این فرآیند شما همچنین می توانید در مورد زبان اسمبلی – زبان مادری یک میکروپروسسور – و بسیاری از کارهایی که مهندسان می توانند برای افزایش سرعت یک پردازنده انجام دهند را بیاموزید. یک میکروپروسسور مجموعه ای از دستورالعمل های ماشین را اجرا می کند که به پردازنده می گوید چه کاری انجام دهد. بر اساس دستورالعمل ها، یک میکروپروسسور سه کار اساسی انجام می دهد:
یک میکروپروسسور با استفاده از ALU (واحد حساب/منطق) خود می تواند عملیات ریاضی مانند جمع، تفریق، ضرب و تقسیم را انجام دهد. میکروپروسسور های مدرن شامل پردازنده های ممیز شناور کاملی هستند که می توانند عملیات بسیار پیچیده ای را روی اعداد ممیز شناور بزرگ انجام دهند.
یک میکروپروسسور می تواند داده ها را از یک مکان حافظه به مکان دیگر منتقل کند.
یک میکروپروسسور می تواند تصمیم بگیرد و بر اساس آن تصمیمات به مجموعه جدیدی از دستورالعمل ها بپرد.
ممکن است کارهای بسیار پیچیده ای وجود داشته باشد که یک میکروپروسسور انجام می دهد، اما اینها سه فعالیت اصلی آن هستند. نمودار زیر یک میکروپروسسور بسیار ساده را نشان می دهد که قادر به انجام این سه کار است:
منطق میکروپروسسور
این تقریباً به سادگی یک ریزپردازنده است. این ریزپردازنده دارای:
یک گذرگاه آدرس (که ممکن است 8، 16، 32 یا 64 بیت عرض داشته باشد) که آدرسی را به حافظه می فرستد.
یک گذرگاه داده (که ممکن است 8، 16، 32 یا 64 بیت عرض داشته باشد) که می تواند داده ها را به حافظه ارسال کند یا داده ها را از حافظه دریافت کند.
یک خط RD (خواندن) و WR (نوشتن) برای گفتن اینکه حافظه باید مکان آدرس دهی را تنظیم کند یا دریافت کند.
یک خط ساعت که به یک پالس ساعت اجازه می دهد تا پردازنده را توالی کند
یک خط تنظیم مجدد که شمارنده برنامه را صفر (یا هر چیز دیگری) بازنشانی می کند و اجرا را مجدداً شروع می کند
بیایید فرض کنیم که هر دو گذرگاه آدرس و داده در این مثال 8 بیت عرض دارند.
در بخش قبل در مورد آدرس و گذرگاه داده و همچنین خطوط RD و WR صحبت شد. این اتوبوس ها و خطوط یا به RAM یا ROM متصل می شوند – به طور کلی هر دو. در میکروپروسسور نمونه ما، یک گذرگاه آدرس با عرض 8 بیت و یک گذرگاه داده با عرض 8 بیت داریم. این بدان معناست که میکروپروسسور می تواند 256 بایت حافظه را آدرس دهی کند و می تواند 8 بیت از حافظه را در یک زمان بخواند یا بنویسد. بیایید فرض کنیم که این میکروپروسسور ساده دارای 128 بایت ROM است که از آدرس 0 شروع می شود و 128 بایت RAM از آدرس 128 شروع می شود.
ROM مخفف حافظه فقط خواندنی است. یک تراشه ROM با مجموعه ای دائمی از بایت های از پیش تنظیم شده برنامه ریزی شده است. گذرگاه آدرس به تراشه ROM می گوید که کدام بایت را بگیرد و روی گذرگاه داده قرار دهد. هنگامی که خط RD تغییر حالت می دهد، تراشه ROM بایت انتخاب شده را بر روی گذرگاه داده ارائه می دهد.
کاربردهای میکروپروسسور
RAM مخفف حافظه با دسترسی تصادفی است. RAM حاوی بایتهایی از اطلاعات است و میکروپروسسور میتواند بسته به اینکه خط RD یا WR سیگنال داده شده باشد، آن بایتها را بخواند یا بنویسد. یکی از مشکلات تراشه های رم امروزی این است که با قطع برق همه چیز را فراموش می کنند. به همین دلیل کامپیوتر به رام نیاز دارد.
عملکرد و روند های میکروپروسسور
تعداد ترانزیستورهای موجود تأثیر زیادی بر عملکرد یک پردازنده دارد. همانطور که قبلا دیده شد، یک دستورالعمل معمولی در پردازندهای مانند 8088 برای اجرا به 15 سیکل ساعت نیاز داشت. به دلیل طراحی ضریب، تقریباً 80 چرخه طول کشید تا فقط یک ضرب 16 بیتی در 8088 انجام شود. با ترانزیستورهای بیشتر، ضرب کننده های بسیار قوی تری که قادر به سرعت تک چرخه هستند امکان پذیر می شود. ترانزیستورهای بیشتر همچنین امکان استفاده از فناوری به نام خط لوله(Pipelining) را فراهم می کند. در معماری خط لوله، اجرای دستورالعمل با هم همپوشانی دارد. بنابراین اگرچه ممکن است اجرای هر دستور پنج چرخه ساعت طول بکشد، میتواند همزمان پنج دستورالعمل در مراحل مختلف اجرا وجود داشته باشد. به این ترتیب به نظر می رسد که یک دستورالعمل هر چرخه ساعت را کامل می کند.
بسیاری از پردازنده های مدرن دارای چندین رمزگشای دستورالعمل هستند که هر کدام خط لوله مخصوص به خود را دارند. این اجازه می دهد تا چندین جریان دستورالعمل وجود داشته باشد، به این معنی که بیش از یک دستورالعمل می تواند در طول هر چرخه ساعت کامل شود. اجرای این تکنیک می تواند بسیار پیچیده باشد، بنابراین ترانزیستورهای زیادی نیاز دارد.
روندها
این روزها به نظر می رسد که پردازنده ها همه جا هستند و به نظر نمی رسد این روند کند باشد. محققان راههایی برای انعطافپذیر ساختن ریزپردازندهها پیدا کردهاند که مواردی مانند لباسهای هوشمند را قادر میسازد. محققان در حال کار بر روی راه هایی برای استفاده از نور، به جای برق، برای کارکرد پردازنده ها بوده اند. احتمالاً بزرگترین تغییر در افق، توسعه کامپیوترهای کوانتومی است که به استفاده از 1 و 0 برای حل مسائل محدود نمی شوند. در حالی که این رایانهها میتوانند مشکلات سختتر را با کارایی بیشتری پردازش کنند، بعید است که به این زودی یک رایانه کوانتومی را روی دسکتاپ خود مشاهده کنید.
انواع میکروپروسسور ها
میکروپروسسور مجموعه دستورات پیچیده
پردازندهها طوری طراحی شدهاند که تعداد دستورالعملهای هر برنامه را به حداقل برسانند و تعداد چرخههای هر دستورالعمل را نادیده بگیرند. کامپایلر برای ترجمه یک زبان سطح بالا به زبان سطح اسمبلی استفاده می شود زیرا طول کد نسبتاً کوتاه است و یک RAM اضافی برای ذخیره دستورالعمل ها استفاده می شود. این پردازنده ها می توانند کارهایی مانند دانلود، آپلود و فراخوانی داده ها را از حافظه انجام دهند. جدای از این وظایف، این ریزپردازنده می تواند محاسبات پیچیده ریاضی را در یک دستور انجام دهد.
مثال: IBM 370/168، VAX 11/780
میکروپروسسور مجموعه دستورات کاهش یافته
این پردازنده ها بر اساس عملکرد ساخته می شوند. آنها برای کاهش زمان اجرا با استفاده از مجموعه دستورالعمل ساده شده طراحی شده اند. آنها می توانند کارهای کوچک را در دستورات خاص انجام دهند. این پردازنده ها دستورات را با سرعت بیشتری تکمیل می کنند. آنها برای اجرای یک نتیجه در زمان اجرای یکنواخت فقط به یک سیکل ساعت نیاز دارند. تعدادی رجیستر و تعداد ترانزیستور کمتری وجود دارد. برای دسترسی به مکان حافظه از دستورالعمل های LOAD و STORE استفاده می شود.
مثال: Power PC 601, 604, 615, 620
میکروپروسسور فوق اسکالر
این پردازنده ها می توانند چندین کار را در یک زمان انجام دهند. آنها را می توان برای ALU ها و آرایه های ضرب مانند استفاده کرد. آنها واحدهای عملیاتی متعددی دارند و با اجرای چند دستور وظایف را انجام می دهند.
مدار مجتمع ویژه برنامه
این پردازندهها مانند رایانههای دستیار دیجیتال شخصی خاص برنامه هستند. آنها با توجه به مشخصات مناسب طراحی شده اند.
چند پردازنده سیگنال دیجیتال
این پردازنده ها برای تبدیل سیگنال هایی مانند آنالوگ به دیجیتال یا دیجیتال به آنالوگ استفاده می شوند. تراشه های این پردازنده ها در بسیاری از دستگاه ها مانند سینمای خانگی رادار سونار و غیره استفاده می شود.
مزایای میکروپروسسور
- سرعت پردازش بالا
- اندازه جمع و جور
- تعمیر و نگهداری آسان
- می تواند ریاضیات پیچیده را انجام دهد
- قابل انعطاف
- با توجه به نیاز قابل بهبود است
- معایب میکروپروسسور
- گرمای بیش از حد به دلیل استفاده بیش از حد رخ می دهد
- عملکرد به اندازه داده ها بستگی داردپ
- اندازه برد بزرگ نسبت به میکروکنترلرها
- اکثر ریزپردازنده ها از عملیات ممیز شناور پشتیبانی نمی کنند.
- تفاوت میکروپروسسور و میکروکنترلر
تفاوت اصلی بین میکروپروسسور و میکروکنترلر این است که میکروپروسسور فقط از یک واحد پردازش مرکزی تشکیل شده است، در حالی که میکروکنترلر شامل یک CPU، حافظه، I/O است که همه در یک تراشه یکپارچه شده اند. یک میکروکنترلر یک دستورالعمل ارزان، ساده و کم برای پردازش است، در حالی که یک میکروپروسسور پیچیده و گران است و دستورالعمل های زیادی دارد.
