ریزپردازنده چیست و چه ویژگی‌هایی دارد؟
فهرست مطالب
در عصر حاضر تقریبا همه ی افراد از رایانه‌ها استفاده می‌کنند و ما کمتر فردی را می‌بینیم که به رایانه دسترسی نداشته باشد. چرا که در دنیای تجارت امروز، ما به وجود آن‌ها نیازمندیم. با این حال افراد کمی به خوبی درک می‌کنند که رایانه‌ها چگونه کار می‌کنند. چگونه یک کامپیوتر می‌تواند دستوراتی را که شما وارد می‌شود اجرا کند؟ پاسخ آن واضح است، از طریق ریزپردازنده. در این مقاله به معرفی ریزپردازنده، نحوه عملکرد و سایر موارد مرتبط با کارکرد ریز پردازنده می‌پردازیم؛ با ما همراه باشید.
ریزپردازنده چیست؟
ریزپردازنده یا میکروپروسسور (Microprocessor) تراشه کوچکی است، که قابلیت انجام عملیات‌های حسابی و منطقی را دارد. تراشه‌های موجود در هر ریزپردازنده، از تعداد بسیار زیادی ترانزیستور ساخته شده و بر روی یک مدار مجتمع پیاده‌سازی می‌شوند. ریزپردازنده به عنوان واحد پردازشگر مرکزی شناخته می‌شود و وظیفه آن اجرای مجموعه دستورات دستگاه است. هر ریزپردازنده سه عملیات مهم، انجام فرایندهای حسابی و منطقی، انتقال اطلاعات از یک ناحیه حافظه به ناحیه ای دیگر، تصمیم گیری و جهش به دستورهای جدید را بر عهده دارد. ریزپردازنده‌ها قابلیت برنامه ریزی دارند و چند منظوره هستند که به ادغام عملکردهای یک CPU (واحد پردازش مرکزی) روی یک IC واحد (مدار مجتمع) می‌پردازند.
ریزپردازنده چگونه کار می‌کند؟
- در مرحله اول یک ریزپردازنده داده‌های باینری را به عنوان ورودی می‌پذیرد.
- در این مرحله ریزپردازنده به پردازش داده‌ها می‌پردازد.
- ریزپردازنده پس از پردازش داده‌ها، بر اساس دستورالعمل‌های ذخیره شده در حافظه خروجی ارائه می‌دهد.
- داده‌ها با استفاده از ALU ریزپردازنده (واحد حسابی و منطقی)، واحد کنترل و یک آرایه ثبت پردازش می‌شوند.
- آرایه ثبات داده‌ها را از طریق تعدادی رجیستر پردازش می‌کند که به عنوان مکان‌های حافظه دسترسی سریع موقت عمل می‌کنند.
- در مرحله اخر جریان دستورالعمل‌ها و داده‌ها از طریق سیستم توسط واحد کنترل مدیریت می‌شود.
بخش‌های اصلی پردازنده و وظایف آن
پردازنده کامپیوتر از دو بخش اصلی واحد کنترل و واحد حساب و منطق تشکیل می‌شود:
- ALU :ALU مخفف Arithmetic Logic Unit واحد حساب و منطق پردازنده است. این بخش یک بخش اصلی محسوب می‌شود و انجام عملیات‌های حسابی و منطقی را بر عهده دارد. عملیات‌های محاسباتی نظیر جمع و تفریق و عملیات‌های منطقی مثل مقایسه دو داده.
- Control Unit :CU که به اختصار به آن CU گفته می‌شود، واحد کنترل است. این بخش وظیفه کنترل و ایجاد هماهنگی بین بخش‌های مختلف را بر عهده دارد. کارهای کنترلی ریز پردازنده که در این واحد انجام می‌شوند، عبارتند از:
- کنترل ورود داده‌ها.
- ذخیره داده‌ها در حافظه.
- انتقال اطلاعات از حافظه به ALU و برعکس.
- اجرا و رمزگشایی دستورالعمل‌ها.
- ارسال اطلاعات به واحد خروجی.
- سایر بخش‌های ریزپردازنده: از دیدگاه پیاده سازی علاوه بر واحدهای CU و ALU، بخش‌های زیر در ریزپردازنده وجود دارند:
- MMU :MMU یا واحد مدیریت حافظه، وظیفه مدیریت آدرس‌دهی حافظه و بخش‌بندی آن در ذخیره سازی داده‌ها را بر عهده دارد.
- Bus Interface Unit: واحد رابط گذرگاه رابطه بین پردازنده و سایر بخش‌های سخت‌افزار را مدیریت و کنترل می‌کند.
- Prefetch Unit: قبل از اینکه یک دستورالعمل یا داده توسط پردازنده مرکزی پردازش شود، زودتر توسط این واحد فراخوانی می‌شود تا سرعت پردازنده افزایش یابد.
دسته بندی ریزپردازنده‌ها
ریزپردازنده‌ها را می‌توان در دسته‌های مختلفی طبقه بندی کرد که به شرح زیر است:
دسته بندی ریزپردازنده بر اساس تعداد بیت
ریزپردازنده‌ها را می‌توان بر اساس تعداد بیت‌هایی که می‌توانند در یک زمان پردازش کنند، دسته بندی کرد:
ریزپردازنده 4 بیتی
ریزپردازنده 8 بیتی
ریزپردازنده 16 بیتی
ریزپردازنده 32 بیتی
ریزپردازنده 64 بیتی
دسته بندی ریزپردازنده بر اساس معماری
RISC:
معماری RISC مخفف REDUCED INSTRUCTION SET COMPUTING است. این ریزپردازنده‌ها به نسبت ریزپردازنده‌هایی که دارای مجموعه دستورالعمل‌های خاص تری هستند، کاربرد عمومی تری دارند. علاوه بر آن، اجرای دستورالعمل‌ها در یک پردازنده نیاز به مدار خاصی برای بارگذاری و پردازش داده‌ها دارد. از آن‌جایی که ریزپردازنده‌های RISC دستورالعمل‌های کمتری دارند مدارهای ساده‌تری دارند، به عبارتی سریع‌تر عمل می‌کنند. در کنار آن، ریزپردازنده‌های RISC که دارای ثبات‌های بیشتری هستند، از RAM بیشتری استفاده می‌کنند و از تعداد ثابتی از Clock cycles برای اجرای یک دستور استفاده می‌کنند.
CISC:
معماری CISC مخفف COMPLEX INSTRUCTION SET COMPUTER است. تفاوت میان ریزپردازنده‌های CISC و ریزپردازنده‌های RISC این است که هدف ریزپردازنده‌های CISC کاهش تعداد دستورالعمل‌ها برای هر برنامه است. از آن جا که دستورالعمل‌های پیچیده مستقیماً در سخت افزار ساخته می‌شوند، ریزپردازنده‌های CISC پیچیده تر و کندتر هستند. ریزپردازنده‌های CISC از رم کمی استفاده می‌کنند، ترانزیستورهای بیشتری دارند، رجیسترهای کمتری دارند، Clock cycles متعددی برای هر دستورالعمل دارند و حالت‌های آدرس دهی متنوعی دارند.
EPIC:
معماری EPIC مخفف Explicitly Parallel Instruction Computing است. این معماری توسط شرکت Intel و HP برای پروژه Itanium توسعه یافته است. هدف اصلی معماری EPIC، افزایش قابلیت پردازش موازی و بهبود عملکرد در برنامه‌های پیچیده است.
SIMD (Single Instruction, Multiple Data ):
در این نوع معماری، یک دستور به صورت همزمان برای چندین داده اجرا می‌شود. معماری SIMD برای پردازش‌های گرافیکی و علم داده مناسب است.
VLIW:
معماری VLIW مخفف Very Long Instruction Word است. این معماری به معماری EPIC شباهت دارد. در VLIW، دستورات به صورت واضح به پردازنده داده می‌شوند و قابلیت پردازش موازی را بهبود می‌بخشد.
سرعت ریزپردازنده‌ها
همان طور که گفتیم یکی از دسته بندی‌هایی که می‌توان برای ریزپردازنده‌ها انجام داد، دسته بندی آن‌ها بر اساس تعداد بیت است. یکی از عوامل اثر گذار بر سرعت ریزپردازنده نیز تعداد بیت‌هایی است که در لحظه بر روی آن‌ها عملیات انجام می‌شود. هر چه تعداد بیت‌ها بیشتر باشد، سرعت ریزپردازنده نیز بیشتر است. از دیگر عوامل تعیین کننده سرعت ریزپردازنده، تعداد عملیات‌هایی است که در واحد زمان توسط ریزپردازنده انجام می‌شود. واحد اندازه گیری این میزان مگاهرتز (Mhz) یا گیگاهرتز (GHz) است و هر هرتز معادل یک پالس در ثانیه می‌باشد.
تکامل ریزپردازنده‌ها
سیر تکامل ریز پردازنده‌ها را بر اساس نسل و تعداد بیت آن‌ها، می‌توان به صورت زیر دسته بندی کرد:
نسل اول (ریزپردازنده‌های 4 بیتی):
این نسل از ریزپزدازنده‌ها در سال 1971-1972 توسط شرکت اینتل معرفی و به دلیل آن که یک پردازنده 4 بیتی بود، اینتل 4004 نامگذاری شد. نسل اول ریزپردازنده‌ها بر روی یک تراشه بود که می‌توانست به انجام عملیات‌های ساده ای همچون جمع، تفریق، بولی OR و AND بپردازد.
نسل دوم (ریزپردازنده 8 بیتی):
این نسل از ریزپردازنده‌ها در سال 1973 به عنوان اولین ریزپردازنده‌ای که قادر بودند عملیات حسابی و منطقی را روی کلمات 8 بیتی انجام دهند توسط اینتل معرفی شدند.
نسل سوم (ریزپردازنده 16 بیتی):
پردازنده‌های نسل سوم که در سال 1978 معرفی شدند، پردازنده های 16 بیتی با عملکردی مانند مینی کامپیوترها بودند.
نسل چهارم (ریزپردازنده‌های 32 بیتی):
شرکت‌های مختلفی به معرفی این نسل از ریز پردازنده‌ها پرداختند که در میان آن‌ها محبوب ترین گزینه، 80386 اینتل است.
نسل پنجم (ریزپردازنده‌های 64 بیتی):
پس از 80856، اینتل با یک پردازنده جدید به نام پردازنده Pentium و سپس CPU Pentium Pro عرضه شد که به چندین CPU در یک سیستم واحد اجازه می‌دهد تا به چند پردازش دست یابند. از دیگر پردازنده‌های 64 بیتی بهبود یافته می‌توان به Celeron، Dual، Quad، Octa Core اشاره کرد.
در حال حاضر پردازنده‌های 128 بیتی به طور گسترده در بازار موجود نیستند. در صورت توسعه این پردازنده‌ها به عنوان یک فناوری پیشرفته شناخته می‌شوند. از برخی مزایای پردازنده‌های 128 بیتی می‌توان به پهنای باند و سرعت محاسبات بسیار بالا، کاهش دستورالعمل، کارایی و ظرفیت حافظه بالا اشاره کرد. البته لازم به ذکر است در ساخت این پردازنده چالش‌هایی نظیر پیچیدگی، مصرف انرژی و هزینه تولید بالا وجود دارد.
اصطلاحات کاربردی در ریزپردازنده‌ها
در ریزپردازنده‌ها اصطلاحات مختلفی به کار می‌رود. برخی از اصطلاحات کاربردی ریزپردازنده‌ها عبارتند از:
- Instruction set: به مجموعه دستوراتی که ریزپردازنده‌ها قادر به فهم آن هستند Instruction set گفته می‌شود. این دستورات رابطی میان سخت افزار و نرم افزار به شمار می‌روند.
- Bus: به مسیر ارتباطی بین پردازنده و سایر بخش‌ها BUS یا گذرگاه کامپیوتر گفته می‌شود. ریزپردازنده‌ها دارای سه نوع گذرگاه هستند:
- گذرگاه داده.
- گذرگاه آدرس.
- گذرگاه کنترل.
- IPC: معیار IPC مخفف Instructions per cycle نشان می‌دهد که یک CPU در یک ساعت چند دستورالعمل را می‌تواند اجرا کند.
- Clock speed: تعداد عملیات‌هایی که پردازنده می‌تواند در ثانیه انجام دهد.
- bandwidth: به تعداد بیت‌هایی که در یک دستورالعمل پردازش می‌شوند، پهنای باند می‌گویند.
- word length: تعداد بیت‌هایی که پردازنده می‌تواند در یک زمان پردازش کند.
- types of data: ریزپردازنده از فرمت‌های مختلف داده مانند باینری، اسکی، اعداد امضا شده و بدون علامت پشتیبانی می‌کند.
- Register: رجیستر یا ثبات در پردازنده‌ها حافظه‌های موقت و کوچک هستند که داده‌های در حال پردازش را در خود نگهداری می‌کنند.
- Cache: کش یا حافظه پنهان پردازنده نوعی RAM کوچک اما با سرعت زیاد است که بین CPU و RAM قرار می‌گیرد تا سرعت خواندن داده‌ها بیشتر شود.
ویژگی‌های ریزپردازنده
- کم هزینه: با توجه به وجود فناوری مدار مجتمع، ریزپردازنده‌ها با هزینه‌ای بسیار کم در دسترس قرار می‌گیرند.
- سرعت بالا: به دلیل فناوری‌هایی که در ریزپردازنده‌ها وجود دارد، ریزپردازنده‌ها قادرند با سرعت بسیار بالایی کار کند و میلیون‌ها دستورالعمل را در ثانیه اجرا نمایند.
- اندازه کوچک: ریزپردازنده‌ها به دلیل فناوری یکپارچه‌ای که دارند در مقیاس‌های بسیار کوچک نیز قابل تشکیل هستند؛ از این رو می‌توانند اندازه سیستم کامپیوتری را کاهش دهند.
- مصرف برق کم: ریزپردازنده‌ها از فناوری نیمه هادی اکسید فلزی بهرمندند پس انرژی کمتری نیز مصرف می‌کند.
- تولید گرمای کمتر: به دلیل استفاده ریزپردازنده‌ها از فناوری نیمه هادی در مقایسه با دستگاه‌های لوله خلا گرمای زیادی منتشر نمی‌کنند.
- قابل اعتماد: همان طور که در مورد قبل گفتیم به علت استفاده ریزپردازنده‌ها از فناوری نیمه هادی، میزان شکست آن‌ها بسیار کاهش می‌باید. از این رو بسیار قابل اعتماد می‌باشند.
- قابل حمل: از آن جا که ریزپردازنده‌ها کوچک و کم مصرف اند قابل حمل نیز می‌باشند.
کاربردهای ریزپردازنده
همانطور که گفتیم ریزپردازنده‌ها دارای ویژگی‌هایی نظیر هزینه کم، توان کم، وزن کم و کاربرد وسیع در زمینه‌های مختلفی هستند. از این رو زندگی روزمره را آسان تر می‌کنند. ریزپردازنده‌ها کاربردهای فراوانی دارند. برخی از کاربردهای ریزپردازنده‌ها عبارتند از:
- دستگاه‌های خانگی همچون مایکروویو، توستر، تلویزیون، دستگاه‌های ویدئویی، دستگاه پخش دی وی دی، اجاق گاز، اجاق گاز، لباسشویی و… .
- برخی از اقلام صنعتی از جمله اتومبیل، قایق، هواپیما، کامیون، ماشین آلات سنگین، آسانسور، پمپ بنزین، واحدهای پردازش کارت اعتباری، دستگاه های کنترل ترافیک، سرورهای رایانه و… .
- صنعت حمل و نقل که برای مثال می‌توان به خودروها، قطارها و هواپیماها اشاره کرد.
- کامپیوتر و الکترونیک و تلفن‌های همراه.
- پزشکی و ابزار آن همچون پمپ انسولین.
- ابزار دقیق که ژنراتورهای تابع یکی از آن‌هاست.
- سرگرمی‌ها و اسباب بازی‌ها.
جمع بندی
ریزپردازنده قطعه‌ای است که به انجام دستورالعمل‌ها و وظایف مربوط به پردازش کامپیوتری می‌پردازد. در کامپیوترها ریزپردازنده‌ها واحدی مرکزی هستند که به اجرای دستورات ارسالی و مدیریت آن‌ها می‌پردازند. در این مقاله به معرفی ریزپردازنده‌ها و بررسی ویژگی‌ها، سرعت و دسته بندی آن‌ها پرداختیم. امیدواریم این مقاله به سوالات شما در رابطه با ریزپردازنده‌ها پاسخ لازم را داده باشد. در صورت وجود هرگونه ابهام و یا پیشنهاد می‌توانید سوالات و نظرات خود را بخش دیدگاه مطرح کنید. تیم پویان آی تی در کوتاه ترین زمان ممکن پاسخگوی شما خواهد بود.
سوالات متداول
ریزپردازنده چیست؟
ریزپردازنده یا میکروپرسسور (Microprocessor) تراشه کوچکی است که از تعداد بسیار زیادی ترانزیستور ساخته شده است. ریزپردازنده می‌تواند عملیات‌های حسابی و منطقی را انجام دهد و به عنوان واحد پردازشگر مرکزی شناخته می‌شود.
واحد اندازه گیری سرعت ریزپردازنده چیست؟
یکی از عوامل موثر بر سرعت ریزپردازنده، تعداد عملیات‌هایی است که در واحد زمان توسط ریزپردازنده انجام می‌شود. واحد اندازه گیری این میزان مگاهرتز (Mhz) یا گیگاهرتز (GHz) است.
اولین دیدگاه را اضافه کنید.