ریزپردازنده

ریزپردازنده که CPU هم نامیده می گردد، پتانسیل های اساسی برای انجام محاسبات و عملیات مورد نظر در یک کامپیوتر را فراهم  می نماید. ریزپردازنده  از لحاظ فیزیکی  یک تراشه است . اولین ریزپردازنده در سال 1971 و با نام Intel 4004  معرفی گردید. ریزپردازنده فوق چندان قدرتمند نبود و صرفا" قادر به انجام عملیات جمع و تفریق  چهار بیتی بود. نکته مثبت پردازنده فوق، استفاده از صرفا" یک تراشه بود.قبل از آن مهندسین و طراحان کامپیوتر از چندین تراشه و یا عصر برای تولید کامپیوتر استفاده می کردند.

اولین ریزپردازنده ای که بر روی یک کامپیوتر خانگی نصب  گردید ، 8080 بود. پردازنده فوق هشت بیتی و بر روی یک تراشه قرار داشت . این ریزپردازنده در سال 1974 به بازار عرضه گردید.اولین پردازنده ای که باعث تحولات اساسی در دنیای کامپیوتر شد ، 8088 بود. ریزپردازنده فوق در سال 1979 توسط شرکت IBM طراحی و اولین نمونه آن در سال 1982 عرضه گردید. وضعیت تولید ریزپردازنده توسط شرکت های تولید کننده بسرعت رشد و از مدل  8088 به 80286 ، 80386  ، 80486 ، پنتیوم ، پنتیوم II ، پنتیوم III و پنتیوم 4  رسیده است . تمام پردازنده های فوق توسط شرکت اینتل و سایر شرکت های  ذیربط طراحی و عرضه شده است . پردازنده های پنتیوم 4 در مقایسه با پردازنده 8088 عملیات مربوطه را با سرعتی به میزان 5000 بار سریعتر انجام می دهد! جدول زیر ویژگی هر یک از پردازنده های فوق بهمراه تفاوت های موجود  را نشان می دهد.

 

Name	Date	Transistors	Microns	Clock speed	Data width	MIPS
8080	1974	6,000	6	2 MHz	8 bits	0.64
8088	1979	29,000	3	5 MHz	16 bits 8-bit bus	0.33
80286	1982	134,000	1.5	6 MHz	16 bits	1
80386	1985	275,000	1.5	16 MHz	32 bits	5
80486	1989	1,200,000	1	25 MHz	32 bits	20
Pentium	1993	3,100,000	0.8	60 MHz	32 bits 64-bit bus	100
Pentium II	1997	7,500,000	0.35	233 MHz	32 bits 64-bit bus	~300
Pentium III	1999	9,500,000	0.25	450 MHz	32 bits 64-bit bus	~510
Pentium 4	2000	42,000,000	0.18	1.5 GHz	32 bits 64-bit bus	~1,700

 توضیحات  

• ستون Date نشاندهنده سال عرضه پردازنده است.

• ستون Transistors تعدا ترانزیستور موجود بر روی تراشه را مشخص می کند. تعداد ترانزیستور بر روی تراشه در سال های اخیر شتاب بیشتری پیدا کرده است .

• ستون Micron ضخامت کوچکترین رشته  بر روی تراشه را بر حسب میکرون مشخص می کند. ( ضخامت موی انسان 100 میکرون است ).

• ستون Clock Speed حداکثر سرعت Clock تراشه را مشخص می نماید.

• ستون Data Width پهنای باند واحد منطق و محاسبات (ALU) را نشان می دهد. یک واحد منطق و حساب هشت بیتی قادر به انجام عملیات محاسباتی نظیر: جمع ، تفریق ، ضرب و ... برای اعداد هشت بیتی است. در صورتیکه یک واحد منطق و حساب 32 بیتی قادر به انجام عملیات بر روی اعداد  32 بیتی  است . یک واحد منطق و حساب 8 بیتی به منظور جمع دو عدد 32 بیتی می بایست چهار دستورالعمل را انجام داده در صورتیکه یک واحد منطق وحساب 32 بیتی عملیات فوق را صرفا" با اجرای یک دستورالعمل انجام خواهد داد.در اغلب موارد گذرگاه خارجی داده ها مشابه ALU است . وضعیت فوق در تمام موارد صادق نخواهد بود مثلا" پردازنده 8088 دارای واحد منطق وحساب 16 بیتی بوده در حالیکه گذرگاه داده ئی آن هشت بیتی است . در اغلب پردازنده های پنتیوم جدید گذرگاه داده 64 بیتی و واحد منطق وحساب 32 بیتی است . ستون MIPS  مخفف کلمات Millions of instruction per Second  ( میلیون دستورالعمل در هر ثانیه ) بوده و واحدی برای سنجش کارآئی یک پردازنده است.

درون یک پردازنده
به منظورآشنائی با  نحوه عملکرد پردازنده لازم است، نگاهی به درون یک ریزپردازنده داشته و با منطق نحوه انجام عملیات  بیشتر آشنا شویم. یک ریزپردازنده مجموعه ای از دستورالعمل ها را  اجراء می کند. دستورالعمل های فوق ماهیت و نوع عملیات مورد نظر را برای پردازنده مشخص خواهند کرد. با توجه به نوع دستورالعمل ها ، یک ریزپردازنده سه عملیات اساسی را انجام خواهد داد :

•  یک ریزپردازنده با استفاده از واحد منطق و حساب خود (ALU) قادر به انجام عملیات محاسباتی نظیر: جمع ، تفریق، ضرب و تقسیم است. پردازنده های جدید دارای پردازنده های اختصاصی برای انجام عملیات مربوط به اعداد اعشاری می باشند.

•  یک ریزپردازنده قادر به انتقال داده از یک محل حافظه به محل دیگر است .

• یک ریزپردازنده قادر به اتخاذ تصمیم ( تصمیم گیری ) و پرش به یک محل دیگر برای اجرای دستورالعمل های مربوطه بر اساس تصمیم اتخاذ شده است .

شکل زیر یک پردازنده ساده  را نشان می دهد.

پردازنده فوق دارای :

• یک گذرگاه آدرس (Address Bus)  است که قادر به ارسال یک آدرس به حافظه است ( گذرگاه فوق می تواند 8 ، 16 و یا 32 بیتی باشد)

• یک گذرگاه داده (Data Bus) است که قادر به ارسال داده به حافظه و یا دریافت داده از حافظه است (گذرگاه فوق می تواند 8 ، 16 و یا 32 بیتی باشد)

• یک خط برای خواندن (RD) و یک خط برای  نوشتن (WR) است که  آدرسی دهی  حافظه را انجام می دهند. آیا قصد نوشتن در یک آدرس خاص وجود داشته و یا مقصود، خواندن اطلاعات از یک آدرس خاص حافظه است؟

• یک خط Clock که ضربان پردازنده را تنظیم خواهد کرد. 

• یک خط Reset که مقدار " شمارنده برنامه " را صفر نموده و یا باعث اجرای مجدد یک فرآیند می گردد.

فرض کنید پردازنده فوق هشت بیتی بوده واز عناصر زیر تشکیل شده است:

• ریجسترهای A,B,C  نگاهدارنده هائی بوده که از فلیپ فلاپ ها ساخته شده اند.

• Address Latch  مشابه ریجسترهای A,B,C است .

• شمارنده برنامه (Program Counter)  نوع خاصی از یک نگهدارنده اطلاعات است  که قابلیت افزایش بمیزان یک و یا پذیرش مقدار صفر را دارا است

• واحد منطق و حساب (ALU) می تواند یک مدار ساده جمع کننده هشت بیتی بوده و یا مداری است که قابلیت انجام عملیات جمع ، تفریق ، ضرب و تقسیم را دارا است .

• ریجستر Test یک نوع خاص نگاهدارنده بوده که قادر به نگهداری نتایج  حاصل از انجام مقایسه ها توسط ALU است .ALU قادر به مقایسه دو عدد وتشخیص مساوی و یا نامساوی بودن آنها است . ریجستر Test همچنین قادر به نگهداری یک Carry bit ( ماحصل آخرین مرحله عملیات جمع)  است . ریجستر فوق مقادیر مورد نظر را در فلیپ فلاپ ها ذخیره و در ادامه Instruction Decoder "تشخیص دهنده دستورالعمل ها " با استفاده از مقادیر فوق قادر به اتخاذ تصمیمات لازم خواهد بود.

• همانگونه که در شکل فوق ، مشاهده می گردد از شش " 3-State" استفاده شده که به آنها "tri-State buffers" می گویند. بافرهای فوق قادر به پاس دادن مقادیر صفر و یا یک و یا قطع خروجی مربوطه می باشند.. این نوع بافرها امکان ارتباط چندین خروجی را از طریق یک Wire فراهم می نمایند. در چنین حالتی فقط یکی از آنها قادر به انتقال ( حرکت ) صفر و یا یک بر روی خط خواهد بود.

ریجستر Instruction و Instruction Decoder مسئولیت کنترل سایر عناصر را برعهده خواهند داشت . بدین منظور از خطوط کنترلی متفاوتی استفاده می گردد. خطوط فوق در شکل فوق نشان داده نشده اند ولی می بایست قادر به انجام عملیات زیر باشند:

• به ریجستر A اعلام نماید که مقدار موجود بر روی گذرگاه داده را در خود نگاهدارد.(Latch)

• به ریجستر B اعلام نماید که مقدار موجود بر روی گذرگاه داده را در خود نگاهدارد.(Latch)

• به ریجستر C اعلام نماید که مقدار موجود بر روی گذرگاه داده را در خود نگاهدارد.(Latch)

• به " شمارنده برنامه " اعلام نماید که مقدار موجود بر روی گذرگاه داده را در خود نگاهدارد.(Latch)

• به ریجستر Address اعلام نماید که مقدار موجود بر روی گذرگاه داده را در خود نگاهدارد.(Latch) 

• به ریجستر Instruction اعلام نماید که مقدار موجود بر روی گذرگاه داده را در خود نگاهدارد.(Latch) 

• به " شمارنده برنامه " اعلام نماید که مقدار خود را افزایش دهد.

• به " شمارنده برنامه " اعلام نماید که مقدار خود را صفر (Reset) نماید.

• به واحد منطق و حساب نوع عملیاتی را که می بایست انجام گیرد، اعلام نماید.

• به ریجستر Test اعلام نماید که بیت های ماحصل عملیات ALU را در خود نگاهدارد.

• فعال نمودن خط  RD ( خواندن )

• فعال نمودن خط WR ( نوشتن )

حافظه های RAM و ROM
در بخش قبل گذرگاه های آدرس و داده نظیرخطوط RD,WR بررسی گردیدند. گذرگاه های فوق به حافظه های RAM ،ROM و یا هر دو متصل خواهند بود. در ریزپردازنده ساده فرضی فوق، از گذرگاه های آدرس و داده هشت بیتی استفاده می گردد. بدین ترتیب پردازنده قادر به آدرس دهی 256 بایت حافظه و خواندن و یا نوشتن هشت بیت از حافظه در هر لحظه خواهد بود. فرض کنید پردازنده فوق دارای 128 بایت حافظه ROM بوده که از آدرس صفر شروع شده و 128 بایت حافظه RAM که از آدرس 128 آغاز می گردد ، است . حافظه ROM تراشه ای است که اطلاعاتی را از قبل و بصورت دائم در خود نگهداری می نماید. گذرگاه های آدرس به  تراشه ROM اعلام خواهند کرد که کدام بایت را خواسته و آن را بر روی گذرگاه قرار خواهد داد. زمانیکه وضعیت خط RD تغییر نماید تراشه ROM بایت مورد نظر و انتخابی را بر روی گذرگاه داده قرار خواهد داد. RAM شامل بایت هائی از اطلاعات است . ریزپردازنده قادر به خواندن و نوشتن در حافظه فوق بر اساس سیگنال های دریافتی از خطوط RD و RW است . در رابطه با حافظه RAM می بایست به این نکته نیز اشاره گردد که این نوع از حافظه ها با از دست منبع انرژی ( برق ) اطلاعات خود را از دست خواهند داد.
تمامی کامپیوترها دارای حافظه ROM به میزان مشخص می باشند. ( برخی از کامپیوترها ممکن است دارای حافظه RAM نبوده نظیر میکرو کنترل ها ، ولی وجود و ضرورت حافظه ROM را در هیچ کامپیوتری نمی توان انکار نمود).بر روی کامپیوترهای شخصی حافظه ROM را BIOS نیز می نامند. زمانیکه ریزپردازنده فعالیت خود را آغاز می نماید ، در ابتدا دستورالعمل هائی را اجراء خواهد کرد که در BIOS می باشند. دستورالعمل های موجود در BIOS عملیانی نظیر تست سخت افزار و سیستم را انجام و در ادامه فرآیندی آغاز خواهد شد که نتیجه آن استقرار سیستم عامل در حافظه خواهد بود. (Booting) . در آغاز فرآیند فوق ، بوت سکتور هارد دیسک ( می تواند آغاز عملیات فوق از هارد شروع نشده و از فلاپی دیسک انجام گردد ، اتخاذ تصمیم در رابطه با وضعیت فوق بر اساس پارامترهای ذخیره شده در حافظه CMOS خواهند بود ) را بررسی خواهد کرد . بوت سکتور فوق حاوی برنامه ای کوچک است که در ادامه BIOS آن را خوانده و در حافظه RAM مستقر خواهد کرد. ریزپردازنده در ادامه دستورالعمل های مربوط به برنامه بوت سکتور را که در حافظه RAM مستقر شده اند ،اجراء خواهد کرد. برنامه فوق به ریزپردازنده اعلام خواهد کرد که اطلاعات دیگری را از هارد دیسک به درون حافظه RAM انتقال و آنها را اجراء نماید. با ادامه وتکمیل  فرآیند فوق سیستم عامل در حافظه مستقر ومدیریت  خود را آغاز می نماید.

دستورالعمل های ریزپردازنده
هر ریزپردازنده دارای مجمو عه ای از دستورالعمل ها بوده که دارای کارآئی خاصی می باشند. این دستورالعمل ها بصورت الگوئی از صفر و یا یک پیاده سازی می گردنند. استفاده از دستورات فوق با توجه به ماهیت الگوئی آنها برای انسان مشکل و بخاطر سپردن آنها امری است مشکل تر! ، بدین دلیل از مجموعه ای  " کلمات " برا ی مشخص نمودن الگوهای فوق استفاده می گردد. مجموعه " کلمات " فوق " زبان اسمبلی " نامیده می شوند. یک " اسمبلر" قادر به ترجمه کلمات به الگوهای بیتی متناظر است .پس از ترجمه ، ماحصل عملیات که همان استخراج " الگوهای بیتی " است، در حافظه مستقر تا زمینه اجرای آنها توسط ریزپردازنده فراهم گردد جدول زیر برخی از دستورالعمل های مورد نیاز در رابطه با پردازنده فرضی را نشانن می دهد.

 

Instruction	Meaning
LOADA mem	لود نمودن ریجستر A از آدرس حافظه
LOADB mem	لود نمودن ریجستر B از آدرس حافظه
CONB con	لود نمودن یک مقدار ثابت در ریجستر B
SAVEB mem	ذخیره نمودن مقدار موجود در ریجستر B در یک آدرس حافظه
SAVEC mem	ذخیره نمودن مقدار موجود در ریجستر C در یک آدرس حافظه
ADD	جمع  A و B و ذخیره کردن حاصل در C
SUB	تفریق A و B و ذخیره کردن حاصل در C
MUL	ضرب  A و B و ذخیره کردن حاصل در C
DIV	تقسیم  A و B و ذخیره کردن حاصل در C
COM	مقا یسه  A و B و ذخیره کردن حاصل در Test
JUMP addr	پرش به یک آدرس مشخص
JEQ addr	پرش شرطی ( اگر مساوی است ) به یک آدرس مشخص
JNEQ addr	پرش شرطی ( اگر نا مساوی است ) به یک آدرس مشخص
JG addr	پرش شرطی ( اگر بزرگتر است ) به یک آدرس مشخص
JGE addr	پرش شرطی ( اگر بزرگتر و یا مساوی است ) به یک آدرس مشخص
JL addr	پرش شرطی ( اگر کوچکتر است ) به یک آدرس مشخص
JLE addr	پرش شرطی ( اگر کوچکتر و یا مساوی است ) به یک آدرس مشخص
STOP	توقف اجراء

 مثال : فرض کنید برنامه محاسبه فاکتوریل عدد پنج (5!=5*4*3*2*1 ) با یکی از زبانهای سطح بالا نظیر C نوشته گردد . کمپایلر ( مترجم ) زبان C برنامه مورد نظر را به زبان اسمبلی ترجمه خواهد کرد. ( فرض کنید که آدرس شروع RAM در پردازنده فرضی 128 و آدرس شروع حافظه ROM صفر باشد.) جدول زیر برنامه نوشته شده به زبان C را بهمراه کد ترجمه شده اسمبلی  معادل آن، نشان می دهد.

C Program	Assembly Language
a=1; f=1; while (a <= 5) {     f = f * a;     a = a + 1; }	// Assume a is at address 128 // Assume F is at address 129 0   CONB 1      // a=1; 1   SAVEB 128 2   CONB 1      // f=1; 3   SAVEB 129 4   LOADA 128   // if a > 5 the jump to 17 5   CONB 5 6   COM 7   JG 17 8   LOADA 129   // f=f*a; 9   LOADB 128 10  MUL 11  SAVEC 129 12  LOADA 128   // a=a+1; 13  CONB 1 14  ADD 15  SAVEC 128 16  JUMP 4       // loop back to if 17  STOP

در ادامه می بایست کدهای ترجمه شده به زبان اسمبلی به زبان ماشین ( الگوهای بیتی ) ترجمه گردند. بدین منظور لازم است که هر یک از دستورات اسمبلی دارای کد معادل (OpCode) باشند. فرض کنید دستورات اسمبلی در پردازنده فرضی دارای Opcode ( کدهای عملیاتی) زیر باشند.

Assembly Instruction	Opcode
LOADA mem	1
LOADB mem	2
CONB con	3
SAVEB mem	4
SAVEC mem	5
ADD	6
SUB	7
MUL	8
DIV	9
COM	10
JUMP addr	11
JEQ addr	12
JNEQ addr	13
JG addr	14
JGE addr	15
JL addr	16
JLE addr	17
STOP	18

در نهایت برنامه ترجمه شده  به زبان اسمبلی به زبان ماشین ( الگوهای بیتی )  ترجمه خواهد شد.

 

Assembly Language

Bit Patterns

// Assume a is at address 128 // Assume F is at address 129 0   CONB 1      // a=1; 1   SAVEB 128 2   CONB 1      // f=1; 3   SAVEB 129 4   LOADA 128   // if a > 5 the jump to 17 5   CONB 5 6   COM 7   JG 17 8   LOADA 129   // f=f*a; 9   LOADB 128 10  MUL 11  SAVEC 129 12  LOADA 128   // a=a+1; 13  CONB 1 14  ADD 15  SAVEC 128 16  JUMP 4       // loop back to if 17  STOP

// Assume a is at address 128 // Assume F is at address 129 Addr opcode/value 0 3 // CONB 1 1 1 2 4 // SAVEB 128 3 128 4 3 // CONB 1 5 1 6 4 // SAVEB 129 7 129 8 1 // LOADA 128 9 128 10 3 // CONB 5 11 5 12 10 // COM 13 14 // JG 17 14 31 15 1 // LOADA 129 16 129 17 2 // LOADB 128 18 128 19 8 // MUL 20 5 // SAVEC 129 21 129 22 1 // LOADA 128 23 128 24 3 // CONB 1 25 1 26 6 // ADD 27 5 // SAVEC 128 28 128 29 11 // JUMP 4 30 8 31 18 // STOP

همانگونه که مشاهده می نمائید برنامه نوشته شده به زبان C  به 17 دستورالعمل معادل اسمبلی و 31 دستورالعمل زبان ماشین تبدیل گردید.

 Instruction Decoder ( تشخیص دهنده نوع دستورالعمل ها ) با انجام  عملیاتی خاص، نوع دستورالعمل را تشخیص خواهد داد. فرض کنید دستور العمل ADD را داشته باشیم و بخواهیم  نحوه تشخیص دستورالعمل را دنبال نمائیم :

• در زمان اولین Clock ، دستورالعمل Load می گردد. ( فعال کردن بافر tri-state برای " شمارنده برنامه "  ، فعال شدن خط RD ، فعال کردن Data-in در بافر tri-state )

• در زمان دومین  Clock ، دستورالعمل ADD تشخیص داده خواهد شد.( تنظیم عملیات جمع برای ALU ، ذخیره نمودن ماحصل عملیات ALU در ریجستر C )

• در زمان سومین Clock،  " شمارنده برنامه " افزایش خواهد یافت ( در تئوری این مرحله می تواند در زمان دومین Clock نیز صورت پذیرد)

همانگونه که ملاحظه گردید ،  هر دستورالعمل اسمبلی دارای چندین Clock Cycle است . برخی از دستورات نظیر ADD دارای دو و یا سه Clock و برخی دیگر از دستورات دارای پنج ویا شش Clock خواهند بود.