جزیره کامپیوتر

 به احتمال فراوان همه ی شما که الان در حال خواندن این مطلب هستید ،با سی پی یو یا پردازنده آشنایی مختصری دارید.پردازنده ها نه فقط در کامپیتور،بلکه در تلفن همراه،تلویزیون ها،دوربین ها ی دیجیتال و در بسیاری از دیوایس های دیگر وجود دارند.امروز در نت ویزارد تصمیم گرفتیم کمی بیشتر شما را با پروسسور یا همان پردازنده و چگونگی پیدایش آن آشنا کنیم.

سی‌پی‌یو:

 (به انگلیسی: Central Processing Unit یا CPU)‏ یا پردازنده (به انگلیسی: Processor)‏، یکی از اجزاء رایانه می‌باشد که فرامین و اطلاعات را مورد پردازش قرار می‌دهد. واحدهای پردازش مرکزی ویژگی پایه‌ای قابل برنامه‌ریزی‌شدن را در رایانه‌های رقمی فراهم می‌کنند، و یکی از مهم‌ترین اجزاء رایانه‌ها هستند. یک پردازندهٔ مرکزی، مداری یکپارچه می‌باشد که معمولاً به عنوان ریزپردازنده شناخته می‌شود. امروزه عبارت CPU معمولاً برای ریزپردازنده‌ها به کار می‌رود.
عبارت «Central Processor Unit» (واحد پردازندهٔ مرکزی) یک ردهٔ خاص از ماشین را معرفی می‌کند که می‌تواند برنامه‌های رایانه را اجرا کند. این عبارت گسترده را می‌توان به راحتی به بسیاری از رایانه‌هایی که بسیار قبل‌تر از عبارت “CPU” بوجود آمده بودند نیز تعمیم داد. به هر حال این عبارت و شروع استفاده از آن در صنعت رایانه، از اوایل سال ۱۹۶۰ رایج شد. شکل، طراحی و پیاده‌سازی پرازنده‌ها نسبت به طراحی اولیه آنها تغییر کرده‌است ولی عملگرهای بنیادی آنها همچنان به همان شکل باقی مانده‌است.
پردازنده‌های اولیه به عنوان یک بخش از سامانه‌ای بزرگ‌تر که معمولاً یک نوع رایانه‌است، دارای طراحی سفارشی بودند. این روش گران قیمت طراحی سفارشی پردازنده‌ها برای یک بخش خاص، به شکل قابل توجهی، مسیر تولید انبوه آنرا که برای اهداف زیادی قابل استفاده بود فراهم نمود. این استانداردسازی روند قابل ملاحظه‌ای را در عصر مجزای ابر رایانه‌های ترانزیستوری و ریز کامپیوترها آغاز نمود و راه عمومی نمودن مدارات مجتمع(IC یا Integrated Circuit) را سرعت فراوانی بخشید. یک مدار مجتمع، امکان افزایش پیچیدگی‌ها برای طراحی پردازنده‌ها و ساختن آنها در مقیاس کوچک را (در حد میلیمتر) امکان پذیر می‌سازد. هر دو فرآیند (کوچک سازی و استاندارد سازی پردازنده‌ها)، حضور این تجهیزات رقمی را در زندگی مدرن گسترش داد و آن را به فراتر از یک دستگاه خاص مانند رایانه تبدیل کرد. ریزپردازنده‌های جدید را در هر چیزی از خودروها گرفته تا تلفن‌های همراه و حتی اسباب بازی‌های کودکان می‌توان یافت.

مدت زمان انجام یک کار به‌وسیله رایانه، به عوامل متعددی بستگی دارد که اولین آنها، سرعت پردازشگر رایانه‌است. پردازشگر یک تراشه الکترونیکی کوچک در قلب کامپیوتر است و سرعت آن بر حسب مگاهرتز یا گیگاهرتز سنجیده می‌شود. هر چه مقدار این پارامتر بیشتر باشد، پردازشگر سریعتر خواهد بود و در نتیجه قادر خواهد بود، محاسبات بیشتری را در هر ثانیه انجام دهد. سرعت پردازشگر به عنوان یکی از مشخصه‌های یک کامپیوتر به قدری در تعیین کارآیی آن اهمیت دارد که معمولاً به عنوان یکی از اجزای تشکیل دهنده نام کامپیوتر از آن یاد می‌شود. تراشه پردازشگر و اجزای الکترونیکی که آن را پشتیبانی می‌کنند، مجموعا به عنوان واحد پردازش مرکزی یا CPU شناخته شده هست

واحد پردازش مرکزی واحد محاسباتی (ALU) و کنترلی (CU) رایانه‌است که دستورالعمل‌ها را تفسیر و اجرا می‌کند. رایانه‌های بزرگ و ریزرایانه‌های قدیمی بردهایی پر از مدارهای مجتمع داشته‌اند که عمل پردازش را انجام میداده‌اند. تراشه‌هایی که ریز پردازنده نامیده می‌شوند، امکان ساخت رایانه‌های شخصی و ایستگاه‌های کاری (Work Station) را میسر ساخته‌اند.

در اصطلاح عامیانه CPU به عنوان مغز رایانه شناخته می‌شود.

تاریخچه:

یش از ظهور اولین ماشین که به پردازنده‌های امروزی شباهت داشت؛ کامپوترهای مثل انیاک(‍‍‍‍‍انیاک) مجبور بودند برای اینکه کارهای مختلفی را انجام دهند دوباره سیم کشی شوند.این ماشین ها کامپیوتر هایی با برنامه ثابت نامیده می شوند. از آنجای که عبارت پردازنده عموما برای دستگاه هایی که برنامه های کامپیوتری را اجرا می کنند به کار می رود ، می توان کامپیوتر های برنامه ذخیره شده (stored-program computer) را به عنوان اولین پردازنده ها نام برد. ایده کامپیوتر های برنامه ذخیره شده در طراحی J. Presper Eckert و John William برای کامپیوتر اینیاک ارائه شده بود ، ولی خیلی زود از طرح حذف گشت تا طرح سریع به اتمام برسد . در ۳۰ ژوئن ۱۹۴۵ قبل از اینکه اینیاک ساخته شود ، ریاضی دانی به نام John von Neumann یک مقاله با عنوان اولین پیش نویس گزارش EDVAC منتشر کرد. که این طرح کلی از اولین کامپیوتر برنامه ذخیره شده بود که سرانجام در آگوست ۱۹۴۹ به اتمام رسید . EDVAC برای انجام تعداد خاصی از دستورالعمل ها طراحی شده بود. این دستورالعمل ها می توانستند ترکیب شوند و برنامه های مفیدی را روی EDVAC اجرا کنند. روشن است که برنامه هایی که برای EDVAC نوشته شده بودن روی حافظه ی سریع کامپیوتر ذخیره می شدند به جای سیم کشی کردن مشخص کامپیوتر . طراحی von Neumann بر این محدودیت اینیاک ، که زمان و تلاش زیاد برای پیکربندی مجدد برای انجام کار جدید بود غلبه کرد . برنامه یا نرم افزار ی که بر روی EDVAC اجرا می شد می توانست به راحتی محتویات حافظه را تغییر دهد. در ابتدا CPU ها به صورت اختصاصی به عنوان بخشی از یک دستگاه بزرگتر طراحی می شدند که گاهی بخشی از یک رایانه بودند. با این حال این روش سفارشی طراحی برای یک کاربرد خاص ، راه را برای تولید انبوه پردازنده های ساخته شده نا هموار می کرد. استاندارد سازی پردازنده ها با پیدایش ترانزیستور ها و میکرو کامپیوتر ها شروع شد و با ظهور آی سی ها شتاب بیشتری گرفت. آی سی ها این اجازه را می دادند که CPU های پیچیده تر و با قواعد طراحی نانو متر تولید شوند . استانداردسازی و کوچک شدن CPU ها هر دو باعث افزایش حضور دستگاه های دیجیتال در زندگی مدرن در مقابل کاربرد محاسباتی خاص شدند. ریز پردازنده ها در هر جایی از ماشین ها تا تلفن های همراه و اسباب بازی های کودکان حضور دارند. هرچند von Neumann به خاطر طراحی EDVAC خود شناخته شده است ، قبل از او افرادی مانند Konrad Zuse ایده های مشابهی را مطرح و پیاده سازی نموده بودند. اصطلاح معماری هاروارد Harvard Mark که یک طراحی برنامه ذخیره شده که از نوار کاغذ های منگنه بجای حافظه های الکترونیکی استفاده می کرد ،قبل از EDVAC تمام شده بود. تفاوت اصلی بین طراحی ون و معماری هاروارد فضای مشترک برای ذخیره دستورالعمل ها و داده ها در مقابل فضا های جدا گانه طراحی هاروارد بود. اغلب CPU های مدرن از طراحی ون پیروی می کنند ، اما المان هایی هم وجود دارند که معماری هاروارد پیروی می کنند. رله ها و لامپ های خلا که عموما به عنوان عناصر سوئیچینگ مورد استفاده قرار می گرفتند. یک کامپیوتر مفید به هزاران یا صدها هزار از این المان های سوئیچینگ نیاز دارد و سرعت کلی سیستم به سرعت این سوئیچ ها وابسطه است. کامپیوتر های لامپ خلا نزیر EDVAC تقریبا ۸ ساعت بدون خرابی کار می کردند در حالی که کامپیوتر های رله ای مانند طراحی هاروارد خیلی زودتر با مشکل مواجه می شدند. در نهایت CPU های بر پایه لامپ خلا به دلیل سرعت قابل توجه و قابلیت اطمینان بیشتر بر هم نوعان خود پیروز شدند . اغلب CPU های سنکرون نسبت به CPUهای مدرن با فرکانس کلاک کمتری در حد ۱۰۰Hz تا ۴ MHz کار می کردند که این محدودیت به دلیل سرعت کم المان های سوئیچ بود.

ترانزیستورهای گسسته و مدارات مجتمع (واحد پردازش مرکزی):

پیچیدگی طراحی پردانده‌ها هم‌زمان با افزایش سریع فن آوری‌های متنوع که ساختارهای کوچک‌تر و قابل اطمینان تری را در وسایل الکترونیک باعث می‌شد، افزایش یافت. اولین موفقیت با ظهور اولین ترانزیستورها حاصل شد. پردازنده‌های ‍‍ترانزیستوریدر طول دهه‌های ۵۰ و ۶۰ میلادی زمان زیادی نبود که اختراع شده بود و این در حالی بود که آنها بسیار حجیم، غیر قابل اعتماد و دارای المانهای سوئیچینگ شکننده مانند لامپ‌های خلا و رله‌های الکتریکی بودند. با چنین پیشرفتی پردازنده‌هایی با پیچیدگی و قابلیت اعتماد بیشتری بر روی یک یا چندین برد مدار چاپی که شامل قسمت‌های تفکیک شده بودند ساخته شدند.

ریزپردازنده‌ها:

پیدایش ریز پردازنده‌ها در سال ۱۹۷۰ به طور قابل توجهی در طراحی و پیاده سازی پردازنده‌ها تأثیر گذار بود. از زمان ابداع اولین ریزپردازنده (اینتل۴۰۰۴)در سال ۱۹۷۰ و اولین بهره برداری گسترده از ریزپردازنده اینتل ۸۰۸۰ در سال ۱۹۷۴، این روند رو به رشد ریزپردازنده‌ها از دیگر روشهای پیاده سازی واحدهای پردازش مرکزی (CPU) پیشی گرفت، کارخانجات تولید ابر کامپیوترها و کامپیوترهای شخصی در آن زمان اقدام به تولید مدارات مجتمع با برنامه ریزی پیشرفته نمودند تا بتوانند معماری قدیمی کامپیوترهای خود را ارتقا دهند و در نهایت ریز پردازنده‌ای سازگار با مجموعه دستورالعمل‌ها ی خود تولید کردند که با سخت‌افزار و نرم‌افزارهای قدیمی نیز سازگار بودند. با دستیابی به چنین موفقیت بزرگی امروزه در تمامی کامپیوترهای شخصی CPUها منحصرا از ریز پردازنده‌ها استفاده می‌کنند.