دانلود مقاله شرح کامل سخت افزار کامپیوتر و رفع عیوب کامپیوتر

پردازنده

یک کامپیوتر از قسمتهای مختلفی تشکیل شده است ولی هیچ کدام از آنها اهمیت پردازنده، (CPU) را ندارند. این واحد قطعه ای مربع شکل از جنس سیلسکون است که به عنوان روح هر کامپیوتر شناخته می شود. پردازنده نقش زیادی در کارآیی کامپیوتر دارد و تولیدکنندگان، قیمت کامپیوتر خود را باتوجه نوع به سرعت پردازنده آنها تعیین می کنند. اگر در صدد خرید کامپیوتر جدید و یا ارتقای کامپیوتر قدیمی خود هستید، لازم است طرز کار پردازنده را بشناسید تا بر این اساس، تصمیمات صحیح را اتخاذ نمائید.

امروزه برای خرید یا ارتقا یک سیستم کامپیوتری انتخابهای بسیاری وجود دارند. البته این جنبه مثبت قضیه است. جنبه منفی آن این است که تنوع زیاد پردازنده ها، باعث گیج شدن خریداران می شود. شرکت Intel به تنهایی بیش از 30 نوع پردازنده مختلف تولید کرده است. AMD و cyrix هم بیش از این مقدار، پردازنده وارد بازار نموده اند.

تکنوژی پردازنده ها به سرعت در حال پیشرفت است به طوری که حتی عمر مفید سیستمهای دارای پردازنده های سریع، حداکثر 5 سال می باشد. ممکن است این زمان طولانی به نظر برسد، ولی آن روی این قضیه، قانون Moor است که توسط مؤسس اینتل یعنی گوردن مورد مطرح شده است. این قانون می گوید که قدرت پردازنده ها ) که معیاری است از تعداد مداراتی که می توان در داخل یک فضای ثابت جای داد) هر ساله دو برابر می شود. این فصل به شما کمک می کنند تا طرز کار پردازنده های سازگار با X86 را بهتر درک نمائید.

در این قسمت، در مورد پردازنده های اینتل و پردازنده های سازگار با رده X86 که توسط شرکتهای چون Cyrix, AMD و IBM عرضه شده اند، بحث خواهیم کرد. همچنین پردازنده های تقویت شده مانند پردازنده های OverDrive  از شرکت اینتل و محصولات مشابه از شرکتهای Evergreen و Kingstone و دیگران مورد بررسی قرار خواهند گرفت. با وجود این که این پردازنده ها از نظر سرعت و طرز کار با هم تفاوت دارند، ولی همگی از قابلیت اجرای سیستم عاملهای مختلف از جمله DOS، ویندوز 1/3، ویندوز و ویندوز NT و نیز برنامه های کاربردی سازگار با آنها برخوردارند.

کاوش در پردازنده ها

پردازنده ها کارهای خود را به کمک اعمالی ساده ولی با سرعت بالا انجام می دهند. تنوع در طراحی پردازنده ها ثابت می کند که برای انجام یک عمل، بیش از یک راه وجود دارد.

به طور مثال، پردازنده های Power PC که در کامپیوترهای Power Mac مورد استفاده قرار می گیرند، مجموعه ای از دستورالعمل های نسبتاً ساده، کوتاه و سریع را برای انجام محاسبات به کار می برند. برعکس، پردازنده های P5 و P6 اینتل از مجموعه دستورالعمل های پیچیده ای استفاده می کنند که نیاز به ترانزیستورهای بسیار زیادی دارند.

با وجود تمامی این تفاوتها، همه پردازنده ها از ترفندهای دیگری نیز برای انجام سریع عملیات استفاده می کنند و در یک زمان بیش از یک عمل را انجام می دهند. علاوه بر آن، همان عناصری که بر عملکرد دازنده تأثیر می گذارند برروی عملکرد تراشه تقویت شده آن پردازنده نظیر OverDrive شرکت Intel  تأثیر می گذارند.

نکته فنی: بهترین مشخصه عملکرد یک پردازنده، سرعت ساعت آن است که نشان می دهد پردازنده عملیات اصلی را چند میلیون بار در ثانیه می تواند انجام دهد. برای سالهای متمادی، یک قاعده کلی وجود داشت و آن این بود که هر چه سرعت ساعت پردازنده بیشتر باشد، پردازنده سریعتر خواهد بود. امروزه این مفاهیم کمی پیچیده تر شده اند.

سرعت ساعت (Clock speed) تقریباًَ به سرعت انجام عملیات در داخل پردازنده اطلاق می گردد. اغلب پردازنده ها با 2/1 یا 3/1 سرعت داخلی خود با سایر اجزای سیستم ارتباط برقرار می کنند. پردازنده های پنتیوم 100، 133، 166 و 200 مگاهرتز همگی با سرعت 66 مگاهرتز با اجزای خارج از خود در ارتباط هستند و این بدین معنا است که حتی با وجود سرعت بسیار بالاتر در پردازنده های پنتیوم 200 مگاهرتزی، سرعت دستیابی به حافظه و حافظه ثانویه، تغییری نکرده است. مسئله مهمتر این است که بعضی از پردازنده ها می توانند در هر پالس ساعت، کارهای بیشتری را نسبت به سایر پردازنده ها انجام دهند. به همین دلیل است که یک پردازنده Cyrix 6X86 با سرعت 150 مگاهرتز می تواند از لحاظ کارآیی با یک پردازنده پنتیوم 200 مگاهرتز برابری نماید. عجیب تر اینکه کارآیی یک پنتیوم پرو 220 مگاهرتزی از کارآیی یک پنتیوم 200 مگاهرتزی MMX بیشتر است، اما تحت سیستم عامل ویندوز این موضوع برعکس می شود. (پنتیوم پرو یک پردازنده 32 بیتی است که کارآیی آن تحت ویندوز NT بیشتر است. به عبارت دیگر ارتباط عمیقی بین سرعت کامپیوتر و آنچه که کامپیوتر انجام می دهد وجود دارد).

باتوجه به این مسئله، رقبای اینتل، پردازنده های خود را با معیاری به نام Performance Rating P-rating که به اختصار گفته می شود با بازار معرفی می کنند. در این معیار، تولید- کنندگان پردازنده، با استفاده از روشهای متعارف، پردازنده های رده پنتیوم را با پردازنده خود مقایسه می کنند تا خریدار بتواند به سرعت، پردازنده های اینتل را با پردازنده های غیراینتل X86 مقایسه کند.

به طور مثال، شرکت Cyrix،پردازنده 150 مگاهرتزی 6X86 خود را 6X86P200+ نامگذاری کرده است آن هم به این دلیل که P-rating، کارآیی آن را تقریباً مساوی یا بیشتر از کارآیی پنتیوم 200 نشان می دهد. به همین ترتیب، پردازنده K5-PR166 از شرکت AMO با سرعت 117 مگاهرتز کار می کند، ولی آزمایش نشان داده که کارآیی آن نزدیک به کارآیی پنتیوم 166 مگاهرتزی اینتل می باشد.

وظیفه معیارهای Prating تعیین کارآیی پردازنده ها می باشد ولی ممکن است سرعت ساعت واقعی کامپیوتر را نشان بدهید. این موضوع زمانی مصداق می یابد که بخواهید کارآیی پردازنده های مجهز به تکنولوژی MMX[1] را مورد مقایسه قرار می دهد.

چون اینکه در حال حاضر محکی برای ارزیابی کارآیی پردازنده های MMX وجود ندارد، بنابراین در حال حاضر نمی توان گفت که سرعت داخلی ضعیف پردازنده های 6x86 شرکت Cyrix باعث می شود که این پردازنده ها، عملیات MMX را بسیار کندتر از پنتیوم اینتل انجام دهند.

ساختار کلی یک پردازنده

یک پردازنده معمولی شامل میلیونها ترانزیستور کوچک است که در داخل یک مدار به صورت مجتمع قرار گرفته اند. طول ضلع این مدار مربع یا مستطیل شکل کمتر از 2 اینچ است.

آنچه که شما می بینید یک قطعه از جنس سرامیک است که این ترانزیستورهای بسیار ریز را محافظت نموده و یک وسیله دیگر به نام هیت سینک که برای خروج حرارت از داخل پردازنده بروی آن قرار گرفته است.

روی این جدار سرامیکی ممکن است یک لایه SILK Screen مشاهده کنید که برای مشخص نمودن مدل پردازنده و کارخانه سازنده آن مورد استفاده قرار می گیرد. شرکت اینتل اخیراً برای جلوگیری از تقلید برخی از شرکتها، شماره سریال پردازنده را روی آن حک می کند.

پردازنده های جدید، ساختمانی عجیب و پیچیده دارند که با عملکرد متقابل اجزای درون این ساختمان پیچیده، یک دستگاه کامپیوتر راه اندازی می شود. اجزای اصلی هر پردازنده عبارتند از:

گذرگاه داده ها (Data bus)

گذرگاه آدرس (Address bus)

حافظه اصلی

مجاری ارتباطی دستورالعملها (Instruction pipelines)

واحد محاسبات اعشاری (Floating point Linit)

دستورالعمل های (MMX Instructions) MMX

گذرگاه داده ها (Data Bus)

گذرگاه داده ها مجموعه ای از سیم ها و مدارات است که وظیفه انتقال اطلاعات به داخل و یا خارج از پردازنده را به عهده دارند. همانند یک بزرگراه، هر چه این گذرگاه عریض تر باشد، عبور داده ها روانتر شده و انتقال بیشتری صورت می گیرد. امروزه پردازنده های پنتیوم و پنتیوم پرو دارای گذرگاه های خارجی 64 بیتی برای داده ها هستند که می توانند در یک زمان 8 بایت داده را منتقل کنند، در صورتی که پردازنده های قدیمی تر 486، از گذرگاه باریکتر 32 بیتی استفاده می کردند. با افزایش سرعت ساعت، پهنای گذرگاه به مسئله ای بسیار حساس تبدیل می شود به طوری که پردازنده ها در حالات خوب، قادر خواهند بود در یک زمان چندین کار مختلف را انجام دهند. در مادربردهایی که با سرعت 60 تا 66 مگاهرتز کار می کنند هر چه گذرگاه داده ها عریض تر باشد. مقدار بیشتری از داده ها می توانند از حافظه به پردازنده منتقل شوند. بنابراین پردازنده باتوجه به سرعت ساعت داخلی بسیار بالای خود بهتر می تواند با داده ها و فرامین کار کند. علاوه بر آن، پردازنده های پنتیوم پرو برای نقل و انتقال داده ها از روشی به نام bursting استفاده می کند تا در یک پالس، حجم زیادی از اطلاعات را وارد حافظه پنهان نماید. به طور کلی عرض گذرگاه داده ها، در خارج و داخل پردازنده یکسان است. با این حال، بعضی از پردازنده های قدیمی نظیر Intel 386SX و Cyrix 486 SLX برای کاهش هزینه از گذرگاه خارجی با عرض کمتری استفاده می کردند، به طوری که عرض گذرگاه داخلی آنها 32 و عرض گذرگاه خارجی آنها 16 بیت بود. نتیجه این کار، مانند این است که در یک بزرگراه بعضی از خطوط حرکت را مسدود نماییم که این کار باعث کندی ترافیک خواهد شد. برعکس، در پردازنده پنتیوم از یک جفت گذرگاه داخلی 32 بیتی استفاده می شود که می تواند زوج خوبی برای گذرگاه خارجی 64 بیتی باشد، چون گذرگاه 64 بیتی می تواند در یک عمل، هر دو مجرا را پر کند.

اگر گذرگاههای داده اینقدر اهمیت دارند چرا آنها را به صورت 128 بیتی یا حتی 256 بیتی نمی سازند؟ جواب این سؤال هزینه است. در طراحی پردازنده، لازم است که تعدادی از پین- های آن را به گذرگاه داده ها اختصاص دهند که این عمل باعث افزایش حجم مدار پردازنده و سوکت آن و همچنین افزایش خطوط ارتباطی روی مادربرد می شود. به عنوان مثال، پردازنده 386DX دارای132 پین وپردازنده 386SX با گذرگاه خارجی 16 بیتی دارای 100 پین می باشد. پردازنده پنتیوم 64 بیتی، از 296 پین برای اتصال به مادربرد استفاده می کند. البته تمامی این پین ها برای داده ها به کار نمی رود ولی عریض شدن گذرگاه به معنای بالارفتن کارآیی آن است.

سرعت گذرگاه نیز نقش مهمی دارد. درست مثل بزرگراه هایی که می توانند محدودیت سرعت داشته باشند، گذرگاه داده ها در داخل پردازنده های جدید، معمولاً سریعتر از گذرگاه داده ها در خارج پردازنده می باشد. مدارات داخل پردازنده ها می توانند با سرعت 200 مگاهرتز یا بیشتر کار کنند، اما سیم های طولانی روی مادربرد، قادر به کار با این سرعت نیستند. امروزه اغلب مادربردها با سرعت 60 یا 66 مگاهرتز عمل می کنند. البته بعضی از مادربردهای جدید باسرعتی معادل 75 مگاهرتز کار می کنند. سرعت انتقال اطلاعات و داده ها در داخل پردازنده ها، 2 یا 3 برابر سرعت انتقال اطلاعات در خارج پردازنده است. طراحان سیستم به این نتیجه رسیده اند که جریان پیوسته داده ها از اتلاف وقت پردازنده جلوگیری می نماید. در حقیقت، مهندسین سخت افزار، یکی از صدها ترفند خود را برای تداوم حرکت پیوسته داده ها به کار بردند و برای برطرف نمودن سرعت کم گذرگاه روی مادربرد نسبت به پردازنده، از حافظه سریع cache استفاده کرده اند.

[1] - در پردازنده های MMX، دستورالعمل هایی به پردازنده اضافه شده است که باعث می شوند کارآرایی مربوط به انجام وظایف چند رسانه ای افزایش یابد. Multi Media extensions