ریزپردازنده

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
یک ریزپردازنده

ریزپرداز،[۱] یا ریزپردازنده (به انگلیسی: Microprocessor)(میکروپروسسور) تراشه‌های کوچکیست که می‌توانند عملیات حسابی و منطقی را انجام دهد. این تراشه‌ها از تعداد بسیار زیادی ترانزیستور ساخته شده‌اند.

به علت پیچیدگی فرایند طراحی و ساخت ریزپردازنده‌ها، همچنین پیشرفت سریع آنها از نسلی به نسل دیگر، در حاضر فناوری ساخت ریزپردازنده صرفاً در اختیار ایالات متحده آمریکا است.[نیازمند منبع]

ریزپردازنده قلب هر رایانه دستی یا رومیزی است که به عنوان واحد پردازشگر مرکزی شناخته شده‌است. یک دستگاه محاسبه‌ای کامل است که روی یک تراشه واحد ساخته می‌شود و مجموع دستورات دستگاه را اجرا می‌کند. سه کار مهم را انجام می‌دهد یکی اینکه از واحد همبستگی منطقی/ حساب، استفاده می‌کند یعنی کارهای وابسته به ریاضی چون جمع، تفریق، ضرب و تقسیم‌کردن را انجام می‌دهد، دوم می‌تواند اطلاعات را از مکان یک حافظه به حافظه دیگر انتقال دهد و سوم اینکه می‌تواند تصمیم بگیرد و به یک سری از دستورات جدید که براساس آن تصمیمات است جهش کند.

فناوری پردازنده‌ها بر پایه حداقل طول کانال ترانزیستورهای آنها که معمولاً "mosfet" هستند سنجیده می‌شوند. در واحدهای پردازش مرکزی P۴ عادی این مقدار ۰٫۱۸ میکرون است. در پردازنده‌های جدید این مقدار به ۳۲ نانومتر کاهش پیدا کرده‌است و هم اکنون نیز سعی بر کاهش آن است. یکی دیگر از معیارهای فناوری پردازنده‌ها حداکثر بسامد پالس ساعت (Clock Pulse) است. هرچه این مقدار بیشتر باشد واحدهای منطقی داخلی سریع تر به ورودی‌ها واکنش می‌دهند.

یکی از مسایل مهم در طراحی ریزپردازنده‌ها، کنترل دمای داخل CPU است. بدلیل افزایش روزافزون سرعت آنها، دمای داخلی هم زیاد می‌شود و باید برای جلوگیری از سوختن آن فکری کرد. یکی از راهکارها ایجاد مکانیزمی است که بتواند حرارت داخل را به بیرون هدایت کند. از جمله نصب گرماگیر (Heatsink) روی سطح خارجی CPU و همچنین قرار دادن لوله‌های نازک دارای آب در داخل آن از این قبیل هستند.

ساختار[ویرایش]

آرایش درونی یک ریز پردازنده بر اساس سن طراحی و اهداف مد نظر گرفته شده در آن بسیار متفاوت است . پیچیدگی مدار مجتمع همراه است با محدودیتهای فیزیکی مانند ، تعداد ترانزیستورهایی که میتوان آنها را در یک تراشه قرار داد ،تعداد بسته بندیهای نهایی که میتوانند پردازنده را به دیگر بخشهای سیستم متصل کنند ، تعداد اتصالات ممکن در تراشه ، و میزان حرارتی که تراشه میتواند ساطع کند . تکنولوژی پیشرفته تراشه های قدرتمند تر و پیچیده تری را امروزه ارائه میکنند . ریز پردازنده های کوچک فرضی شامل واحدهایی هستند که میتوانند عملیاتهای حسابی و منطقی را انجام دهند (ALU) . ALU، عملکردهای مختلفی مانند جمع ،تفریق ، و یا دیگر عملیتهای AND or OR را بر عهده دارد . هریک از عملکردهای مجموعه ALU، میتوانند در این پردازنده ها نقش بسزایی داشته باشند برای مثال ، ثبات ها میتواند مسئولیت کنترل سایر عناصر را بر عهده گیرد و نتایج آخرین عملکرد را نشان دهد (صفر ، منفی ، بیش از حد و غیره ). بخش کنترل منطقی میتواند دستورالعمل هایی برای کدهای عملیاتی از حافظه بازیابی کند و مشخص کند برای هر عملیات چه بخشی باید دستورالعمل را اجاره کند . یک کد مجزای عملیاتی میتواند مسیر داده ها ، ثبت ، و دیگر عناصر موجود در پردازنده را بشدت تحت تاثیر قرار دهد . همانطور که تکنولوژی در مدارها پیشرفت میکند ، این امکان وجود دارد تا پردازنده های پیچیده تر و بیشتری را در یک تراشه قرار داد . اندازه ی داده ها میتواند بزرگتر شود ، و در اینصورت ترانزیستورهای بیشتری میتوانند در تراشه قرار داده شوند و در نتیجه اندازه لغات میتواند از 4 بیت به 8 بیت افزایش یابد و در نتیجه به 64 بیت برسد . ویژگیهای بیشتری وجود دارد که میتوان به معماری پردازنده اضافه نمود ، ثبات ها میتوانند سرعت برنامه ها را افزایش دهد ، و از دستورالعمل های پیچیده برای ساخت برنامه های فشرده تر استفاده کنند . برای مثال ، حساب ممیز اغلب در میکرو پردازنده های 8 بیتی در دسترس نیست ،اما میتوان از راه نرم افزارها انرا اجرا نمود . ادغام واحدهای ممیز شناور را در اغاز میتوان بعنوان مدارهای مجتمع جداگانه بررسی کرد و سپس انرا بعنوان بخشی از تراشه های میکرو پردازنده مشابه در نظر گرفت ، و محاسبات ممیز شناور را افزایش داد . گاهی اوقات ، محدودیتهای فیزیکی مدارهای مجتمع میتوانند رویکردهای خاصی بوجود اورند . بجای پردازش تمام کلمات میتوان از یک مدار مجتمع استفاده نمود ، مدارهای متعدد در زیر مجموعه های پردازش داده میتوانند بصورت موازی قرار گیرند . در حالیکه این کار نیازمند اصول منطقی دیگر میباشد ، برای مثال ، در هر بخش میتوان کلمات بیشتری داشت ، در نتیجه یک سیستم 32 بیتی میتواند از مدارهای یکپارچه همراه با ظرفیت 4 بیتی برای هر بخش استفاده کند . با در نظر گرفتن توانایی قرار دادن ترانزیستورها ی بیشتر در تراشه ، این امکان وجود دارد تا حافظه را به سهولت روی یک Die پردازنده یکپارچه سازی کرد . این حافظه نهان دارای مزیتهای بسیاری است و میتواند دستیابی به حافظه تراشه را آسان تر کند ، و در نتیجه افزایش سرعت پردازش را ممکن سازد ، در گذشته پردازنده با تاخیر و به آهستگی میتوانست به حافظه خارجی دسترسی داشته باشد .

اهداف خاص طراحی[ویرایش]

یک پردازنده هدف کلی یک سیستم است . ابزار پردازش کننده خاصی وجود دارد که تکنولوژی را دنبال میکنند . میکروکنترل ها ، ریز پردازنده ها را با استفاده از ابزار ثانوی که در سیستم قرار دارند یکپارچه سازی میکنند. پردازش سیگنالهای دیجیتال (DSP) مخصوص واحدهای منفرد پردازش است . واحدهای پردازشی گرافیکی ممکن است محدودیتی در برنامه ها و سهولت استفاده از آنها نداشته باشند . برای مثال ، GPU ها در طول سال 1990 ، بیشتر برنامه پذیر نبودند . امروزه امکانات کمی در مورد انها و برنامه ریزی با انها بوجود آمده است مانند برنامه نویسی شیدر ( Vertex shader) . پردازنده های 32 بیتی ، دارای منطق دیجیتالی بیشتری هستند ، بنابراین ، پردازنده های 32 بیتی (و گسترده تر) میتوانند سرو صداهای بیشتری ایجاد کنند و از دیگر پردازنده ها مصرف بیشتری دارند . بنابراین پردازنده های 8 و یا 16 بیتی بهتر از پردازنده 32 بیتی برای سیستم دارای ترشه و میکرو کنترلر هستند و در واقع بخشی از سیگنالهای ترکیبی بحساب می آیند که در مدارهای مجتمع قرار دارند و نسبت به صدای ایجاد شده حساس تر میباشند مانند آنالوگ هایی که نسبت به مبدل های دیجیتال رزولوشن بالاتری دارند . در یک فرایند مشابه ، میکرو های 8 بیتی از توان کمتری برای کار استفاده میکنند ،و در برخی عملکردها میتوانند توان بسیار کمتری نسبت به پردازنده های 32 بیتی مصرف کنند. با این حال ، برخی از افراد میگویند ، میکرو 32 بیتی ممکن است از متوسط توان کمتری نسبت به میکرو 8 بیتی استفاده کند ، زمانیکه نرم افزارها به عملیاتهای مشخصی نیاز دارند ، مانند ممیزی شناور ریتضی ، چرخه ی ساعت بیشتری در 8 بیت نسبت به 32 بیت طول میکشد ،و بنابراین ، میکرو 8 بیت زمان بیشتری در عملیاتهایی با توان بالا نیاز خواهد داشت .

اپلیکیشن های جاسازی شده[ویرایش]

هزاران آیتم وجود دارد که بطور سنتی مربوط به ریز پردازنده های کامپیوتری نمیشوند . این موارد شامل صدها و هزارها ابزار میشوند ،ماشینها (واحدها و تجهیزات جانبی آنها) ، کلیدهای ماشین ، ابزار و لوازم مورد نیاز برای ازمایش ها ، اسباب ازیها ، سوییچ ها و قطع کننده های مدار الکتریکی ، هشدار دهنده دود ، بسته های باطری ، و اجزای بصری (از dvd پلیرها گرفته تا جعبه های گرامافون ) . برخی از این محصولات تلفن همراه ، سیستمهای DVD پلیر و HDTV نام دارند که برای ابزار مصرف کننده با توان بالا ، هزینه کم ،و میکرو پردازنده ها مورد نیاز هستند . بطور فزاینده ایی استانداردهای کنترل آلودگی نیازمند تولید کنندگانی در زمینه خودروها هستند که بتوانند سیستمهای ریزپردازنده در خودروها را مدیریت کنند و کنترل بهینه ایی روی خودرو داشته باشند . کنترل برنامه ناپذیر به هزینه های بیشتر ،پیچیده تر نیاز دارند تا بتوانند به نتایج بهتری در زمینه عملکرد ریز پردازنده ها دست یابند . برنامه کنترل ریزپردازنده (نرم افزارهای جاسازی شده ) را میتوان براحتی طبق نیازهای متفاوت در خط تولید طراحی کرد ، و اجازه دهیم طراحی مجدد محصول به حداقل برسد و کارایی محصول بالاتر رود . ویژگیهای مختلفی وجود دارد که میتوان انرا در مدل های مختلف در خط تولید مورد مقایسه قرار داد . کنترل ریز پردازنده ها در یک سیستم میتواند استراتژیهای لازم را فراهم سازد و میتوان با استفاده از کنترل های الکترومغناطیسی و کنترل های الکترونیکی به اهداف مورد نظر رسید . برای مثال ، یک سیستم کنترل موتور اتومبیلی است که میتواند بر اساس سرعت موتور ، باری که موتور متحمل میشود و دمای محیط طیف وسیعی از عملکردهای سوخت را بوجود اورد و تنظیم کند .

تاریخچه[ویرایش]

ظهور کامپیوترهایی با قیمت پایین در مدارهای مجتمع توانست جامعه مدرن را تغییر دهد . ریز پردازنده های چند منظوره در کامپیوترهای شخصی برای محاسبات ، ویرایش متن ، صفحه نمایشهای چند رسانه ایی ، و ارتباط از طریق کامپیوتر مورد استفاده قرار میگیرند . ریزپردازنده های بسیاری هستند که در این سیستمها قرار داده شده اند ، و کنترل دیجیتالی روی بسیاری از تلفن های همراه و فرایندهای صنعتی و لوازم اتومبیل دارند .

اولین استفاده از واژه ریزپردازنده به سیستمهای کامپیوتری Viatron بر میگردد که به شرح مدارهای مجتمع مورد استفاده در سیستمهای 21 میپردازند ، این سیستمها کامپیوترهای کوچکی بودند که در 1968 معرفی شدند . 

اینتل اولین ریز پردازنده 4 بیتی خود (4004) را در 1971معرفی و ریزپردازنده 8 بیتی (8008) خود را در 1972 معرفی کرد . درطول دهه 1960، ریزپردازنده های کامپیوتری در مقیاسهای کوچک و متوسط ساخته شدند (IC) ، و هر کدام شامل صدها و هزاران ترانزیستور بودند . این ترانزیستورها بر روی تخته ها و مدارها قرار گرفتند ، و اغلب به تابلوهای متعدد متصل شدند . تعداد زیادی از گیتهای منطقی گسسته با توانهای الکتریکی متفاوت مورد استفاده قرار گرفتند و بنابراین حرارت بیشتری ایجاد کردند . فاصله ایی که سیگنالها باید طی کنند تا به میان IC ها و تخته ها برسند میتواند سرعت عملیاتی کامپیوتر را با محدودیت مواجه کند . در ماموریتهای فضایی ناسا به ماه دردهه 1960 تا 1970، تمام محاسبات پردازنده ها برای راهنماییهای اولیه و کنترل توسط یک پردازنده کوچک بنام "The Apollo Guidance Computer" انجام شد . درواقع نوعی استفاده از عناصر منطقی در مدارها که دارای سه ورودی NOR در گیتها بود . اولین ریز پردازنده در اوایل دهه 1970 بوجود آمد و برای محاسبات الکترونیکی مورد استفاده قرار گرفت ، همچنین از رمز دو دویی برای معماری پردازنده 4 بیتی استفاده شد . دیگر استفاده از ریز پردازنده های 4 و 8 بیتی ، مانند ترمینال ها ، پرینترها ، و انواع ابزارهای خودکار بوده است . ریز پردارنده های 8 بیتی و 16 بیتی در دهه 1970 توانستند اهداف کلی را در نظر بگیرند و بر اساس ان عمل کنند.

از آنجا که در سال 1970، افزایش ظرفیت ریزپردازنده ها با تبعیت از قانون مورد انجام شد ، و این امر پیشنهاد میدهد که تعداد عناصر مورد استفاده در هر تراشه را میتوان مورد بررسی قرار داد و در هر سال به دوبرابر رساند . با وجود تکنولوژیهای اخیر ، در هر دو سال ، تغییر کرده است که در هر بار قانون مور هم مورد ارزیابی قرار گرفت .


منابع[ویرایش]

  1. ریزپرداز [رایانه] هم‌ارزِ میکروپروسسور (به انگلیسی: microprocessor)؛ منبع: گروه واژه‌گزینی و زیر نظر حسن حبیبی، «فارسی (ا-ر)»، در (۱۳۷۶-۱۳۸۵)، فرهنگ واژه‌های مصوب فرهنگستان، تهران: انتشارات فرهنگستان زبان و ادب فارسی، شابک ‎۹۷۸-۹۶۴-۷۵۳۱-۷۷-۱ (ذیل سرواژهٔ ریزپرداز)