این محصول در قالب ورد و قابل ویرایش در 280 صفحه می باشد.
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 جنبة 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 پردازندة 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 ردة 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 مجموعة 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 تراشة 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.
سرعـت 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.
وظیفة 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 پردازندة 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 وسیلة دیگر به نام هیت سینک که برای خروج حرارت از داخل پردازنده بروی آن قرار گرفته است.
روی این جدار سرامیکی ممکن است یک لایة SILK Screen مشاهده کنید که برای مشخص نمودن مدل پردازنده و کارخانة سازنده آن مورد استفاده قرار می گیرد. شرکت اینتل اخیـراً بـرای جلوگیـری از تقلیـد 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 وظیفة 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 حافظة 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. نتیجة 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 پردازندة 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، پردازندة 386DX دارای132 پین وپردازنده 386SX با گذرگاه خارجی 16 بیتی دارای 100 پین می باشد. پردازندة 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 سیستـم به این نتیجه رسیده اند که جریان پیوستة 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 حافظة سریع cache استفاده کرده اند.
گذرگاه آدرس (Address Bus)
این گذرگاه همانطور که از اسمش پیداست از یک سری سیم تشکیل شده است که وظیفة آنها حمل بیتهایی است که برای مشخص نمودن محل قرارگرفتن اطلاعات در حافظة سیستم مورد استفاده قرار می گیرند. هر چه این عدد (تعداد بیتها) بزرگتر باشد، پردازنده می تواند به حافظة فیزیکی بیشتری دسترسی یابد. به منظور تعیین ظرفیت حافظة قابل دسترسی، عدد 2 رابه توان تعداد بیتها برسانید. بدین ترتیب یک گذرگاه 32 بیتی (با عرض 32 بیت می تواند به 232 بیت از حافظه یا 296 و 967 و 294 و 4 بیت دسترسی داشته باشد.
شرکت اینتل در کلیة پردازنده های خود، (از پردازندة 386 گرفته تا پنتیوم)، از 32 بیت برای گذرگاه آدرس استفاده کرده است که امکان آدرس دهی تا 4 گیگابایت حافظه سیستم را فراهم می نماید. پنتیوم پرو و پنتیوم II که اغلب در ایستگاه های کاری و سرویس دهنده های پرقدرت مورد استفاده قرار می گیرند از گذرگاه ادرس 36 بیتی برای دستیابی به 64 گیگابایت حافظه سیستم استفاده می کنند. پردازنده P7 که احتمالاً در سال 1999 وارد بازار می شود از 64 بیت برای گذرگاه آدرس استفاده می نماید که در این صورت می تواند یک ترابایت (Tra byte) داده را آدرس دهی نماید.
حافظة پنهان اولیه (L1 Cache)
از چند سال پیش، طراحی حافظة پنهان مورد توجه طراحان پردازنده قرار گرفته است. این حافظة کوچک و سریع می تواند با در دسترس نگه داشتن اطلاعات و دستورالعمل هایی که اغلب مورد استفاده قرار می گیرند، باعث افزایش کارآیی دستگاه گردد.
دو نوع حافظه پنهان وجود دارد. حافظة پنهان اولیه که در داخل پردازنده قرار گرفته است و حافظه پنهان ثانویه که در خارج پردازنده قرار گرفته و بزرگتر از حافظه پنهان اولیه است. حافظه های پنهان، بخش های ساده ای نیستند. حافظه پنهان اولیه مقدار زیادی از فضای مفید پردازنده را مصرف می نماید و با استفاده از الگوریتم های پیچیده خود، پیش بینی می کند که پردازنده، در مراحل بعدی پردازش به چه اطلاعاتی نیاز خواهد داشت. چون این موضوع باعث بالارفتن کارآیی سیستم می شود، اشغال فضای پردازنده توسط حافظه پنهان، نادیده گرفته می شود. درک اینکه چرا از حافظة پنهان استفاده می شود واضح است. پردازنده با سرعت بیشتری می تواند بیتهای اطلاعاتی را از فضای داخل خود بدست آورد تا اینکه آنها را از حافظة اصلی سیستم بیرون بکشد. پس هر چه حافظة پنهان درون پردازنده بزرگتر باشد کارآیی نیز بیشتر است. اگر کد یا اطلاعات مورد نیاز پردازنده در حافظة پنهان وجود نداشته باشد، پردازنده مدتی را برای این جستجو از دست می دهد. به همین دلیل الگوریتم های پیچیده ای برای پیش مرور اطلاعات مورد نیاز پردازنده به کار گرفته می شوند تا بتوانند داده- های مناسب را در دسترس پردازنده قرار دهند.
اولین پردازنده شرکت اینتل که از یک حافظة پنهان داخلی استفاده نموده، 486 بود. در این پردازنده یک حافظة پنهان 8 کیلوبایتی برای دستورالعمل ها و داده ها وجود داشت. در پنتیوم، این مقدار حافظه پنهان دو برابر شده است و برای داده ها و دستورالعملها، یک حافظه 8 کیلوبایتی جداگانه در نظر گرفته شده است.
همین کار در پنتیوم پرو نیز انجام شد. حتی حافظه های پنهان بزرگتری نیز در تراشه های جدید وجود Cyrix AMD وجود دارد. پردازنده های K6 و 6x86Mx، ه ردو از 64 کیلوبایت حافظة پنهان اولیه استفاده می کنند.
واحد محاسبات اعشاری (Floating-Point unit)
واحد محاسبات اعشاری[2] یک پردازنده مسئول محاسبة اعداد و مقادیر اعشاری نظیر 000001/3 می باشد. از آنجا که اکثر نرم افزارها از ریاضیات اعشار (Floating-Point Arithmetic) استفاده نمی کنند، بنابراین واحد محاسبات اعشاری بیکار می ماند، گرچه نرم- افزارهایی مانند ویرایش عکس (Photo Editig)، طراحی سه بعدی (3-D design) و CAD که به عملیات اعشاری نیاز دارند، شدیداً به واحد محاسبات اعشاری وابسته هستند. همچنین بازیهای سه بعدی که به محاسبات اعشاری نیاز دارند باعث شده است که واحد محاسبات اعشاری از سوی اکثر کاربران به کار گرفته شود، ولی وجود آن برای اجرای بعضی از نرم افزارها لازم است. از همان ابتدای تولید پردازنده های رده پنتیوم، تمام پردازنده های اینتل دارای واحد محاسبات اعشاری بوده اند. گرچه پردازنده های رده 486 DX، اولیه پردازنده هایی بودند که امکانات مربوط به محاسبات اعشاری را فراهم کردند، اما در 486 SX که پردازندة ارزانتری بود واحد محاسبات اعشاری به کار گرفته نشد.
رقابت بین cyrix, IBM, AMD در طراحی پردازنده ها باعث شده که آنها نیز امکانات مربوط به محاسبات اعشاری را در نظر داشته باشند.
دستورالعمل های MMX
این مجموعه دستورالعملها که به دستورالعمل های X86 اضافه شده اند، 75 دستورالعمل MMXمی باشند که در داخل پردازنده های پنتیوم MMX، پنتیوم AMD K6, II و Cyrix 6X86MX وجود دارند وبرای تقویت تصاویر گرافیکی، ویدیوئی و سایر عملیات چندرسانه ای در نظر گرفته شده اند. شرکت اینتل ادعا می کند که این دستورالعملها می توانند در بعضی از عملیات، کارآیی را تا 400 درصد افزایش دهند ولی ابتدا باید نرم افزار، برای کار با MMX نوشته شده باشد (شکل 2ـ 6) بسیاری از شرکتها، نرم افزارهایی تولید می کنند که می توانند از دستورالعمل های MMX استفاده کنند مانند بازی کامپیوتری Pod racing از شرکت Ubi Soft. اخیراً میکروسافت نسخه های MMX نرم افزار Active Movie و نسخة API MMX های مربوط به تولید بازیهای کامپیوتری مبتنی بر Direct X را به بازار عرضه نموده است.
MMX علاوه بر دارابودن دستورالعمل های جدید، از یک طرح تک دستوری برای کار با انواع مختلف داده ها استفاده می نماید. بدین مفهوم که یک دستورالعمل واحد، بر حجم زیادی از اطلاعات اعمال می شود. این روش باعث افزایش کارآیی در عملیاتی نظیر فیلترکردن تصویر می شود زیرا پردازنده مجبور نیست که یک دستورالعمل را برای داده های مختلف بفرستد.
بررسی اجمالی عملکرد یک پردازنده
در بیشتر حالات، پردازنده مانند یک کارخانه کوچک تولیدکنندة «بیت» عمل می کند که مواد خام را در قالب یک سری داده ها و دستورالعمل ها از حافظة سیستم دریافت نموده و آنها را به بیتهای قابل استفاده تبدیل و به بیرون هدایت می کند. همانند هر کارخانه ای پردازنده نیز خط تولید خود را برای تبدیل مواد خام به محصول نهایی اختصاص داده است و از یک خط ویژه به نام گذرگاه برای انتقال مداوم بیتها استفاده می نماید. در تشابه کامل با یک کارخانه، پردازنده حتی آلودگیهایی به شکل اشعة الکترود مغناطیسی و حرارت تولید می کند.
اگرچه هر عملی که پردازنده انجام می دهد بسیار کوچک است اما خط تولید یک پردازندة 200 مگاهرتـزی می تواند عملیات را با سرعت 200 میلیون بار در ثانیه انجام دهد. در پردازنده های جدید بیش از یک خط تولید وجود دارد. به این ویژگی، Superscalar pipelining می گویند. و توسط آن، امکان پخش فیلم[3] و انجام چندین کار در یک زمان (Multitasking) برای کامپیوتر فراهم می شود.
پردازندة پنتیومی که در سال 1993 معرفی شد اولین پردازندة اینتل بود که طراحی Superscalar در آن به کار برده شده این ویژگی باعث گردید که پنتیوم 60 مگاهرتزی کارآیی بیشتری را نسبت به پردازندة 486 DX4 که دارای سرعت ساعت 100 مگاهرتز بود از خود نشان دهد.
پنتیوم قدیمی اینتل
هنگامی که اینتل اولین پردازنده های پنتیوم خود را در ماه مارس سال 1993 به بازار عرضه نمود، تجارت بزرگی را شروع کرد. پردازنده پنتیومی که در شکل (5ـ6) نشان داده شده، اولین پردازندة ردة X86 بود که از طراحی superscalar pipling استفاده می کرد. بدین معنا که دو مدخل (pipe) برای دستور العمل ها وجود داشت و بدین ترتیب دو دستورالعمل در یک زمان قابل اجرا بود. همچنین، این پردازنده، هم تراز هیچ یک از پردازنده های 286، 386 و 486 نبود. اینتل همچنین حکم دادگاه را مبنی بر این که نمی تواند از نام پنتیوم به عنوان یک مارک تجاری استفاده کند را نیز پذیرفت.
اولین پردازنده های پنتیوم برای شروع کار، 16 وات توان مصرف می کردند. در سال 1994 اینتل این اشکالات را برطرف کرد به طوری که پردازنده های بعدی توانستند با درجه حرارت کمتر و سرعت بالاتر 75، 90 و 100 مگاهرتزی کار کنند. در این پردازنده های جدید همان روشی که برای افزودن سرعت ساعت به پردازنده های 486 DX4 و OX2 شرکت اینتل مورد استفاده قرار گرفت، به کار گرفته شد. در این روش، پردازنده با 5/1 یا 2 برابر سرعت گذرگاه روی مادربرد کار می کرد. در نتیجه این عمل، کارآیی به حد قابل ملاحظه ای افزایش یافت بدون اینکه نیازی به طراحی مجدد مادربرد در بالابردن سرعت ساعت باشد.
شرکت اینتل با در نظر گرفتن ضریب هایی برای سرعت گذرگاه مادربرد، نمونه های سریعتر پردازنده های پنتیوم را به صورت جفت جفت روانة بازار کرد. به طور مثال در سال 1995 پردازنده های پنتیوم 120 و 133 مگاهرتزی وارد بازار شدند که با دو برابر سرعت مادربرد مربوط به خود که 60 یا 66 مگاهرتز بود کار می کردند. پنتیوم های 150 و 166 مگاهرتزی با سرعتی معادل 5/2 برابر و پنتیوم 200 مگاهرتزی با 3 برابر سرعت مادربرد مربوط به خود کار می کردند.
توجه: شرکت اینتل پرازنده های خود را به صورت جفت عرضه می نمود زیرا که سرعت ساعت آنها با سرعت مادربردهای 60 و 66 مگاهرتزی مطابقت می نمود.
در برخی مواقع، جفت سریعتر پردازندة اینتل، کمتر به بازار ارسال می شد، چون اینتل مشغول برطرف ساختن معایب پردازنده ای خود می گردید و براساس نتایج بدست آمده، سرعت ساعت آنها را میزان کرد.
به همین دلیل است که مثلاً در سیستم های پنتیوم 90 مگاهرتزی در حدود 2 سال پیش بسیار رایج بودند در حالی که سیستم های 100 مگاهرتزی اینگونه نبودند، زیرا پردازنده های معدودی از کیفیت لازم برای انجام عملیات 100 مگاهرتزی برخوردار بودند.
درون پردازندة پنتیوم
مزیت پردازندة پنتیوم، تنها سرعت ساعت بالای آن نسبت به پردازندة، 486 نیست. این پردازنده یک گذرگاه 64 بیتی خارجی برای داده ها و 16 کیلو بایت حافظة پنهان اولیه دارد. (8 کیلو بایت برای داده ها و 8 کیلوبایت برای دستورالعمل ها) که هر دوی این عوامل نسبت به پردازندة نسل قبل، دو برابر شده اند.
از این گذشته، حافظة پنهان پردازنده 486 از روش write-through استفاده نمود که فقط داده های ورودی را ذخیره می کرد. ولی در پردازنده های پنتیوم، حافظة پنهان از روش write-back استفاده می نماید. در این روش داده های خروجی نیز ذخیره می شوند و از اتلاف وقت پردازنده برای نوشتن دوبارة اطلاعات در حافظه اصلی سیستم، جلوگیری شود.
(توجه داشته باشید که حافظة پنهان اولیة 8 کیلو بایتی که مخصوص دستورالعملها است نمی تواند عمل write-back را انجام دهد زیرا که دستورالعملها فقط قابل خواندن هستند).
موفقیت بزرگ اینتل، در اثر بکارگیری pipeline های زوجی بدست آمد که به پردازندة پنتیوم اجازه می دهد با دو مجموعه دستورالعمل به طور همزمان کار کند.
Pipeline پنج مرحله ای با مراحل پیش واکشی[4] رمزگشایی دستورالعمل[5] تولید آدرس[6] اجرا[7] پس نویسی[8] بدین معناست که پردازنده می تواند برخی از عملیات را در حین مرحلة پیش واکشی و جمع آوری بیتها (برای اجرای عملیات بعدی) اجرا کند.
پنتیوم از روش پیش بینی انشعاب[9] برای قراردادن بیتهای صحیح در محلهای صحیح خود استفاده می کند.
Branch target buffer نیز با نظارت مستمر به کد برنامه و تصمیم گیری براساس انشعابهای قبلی برنامه، به این فرآیند کمک می نماید.
شرکت اینتل در پردازندة پنتیوم، به واحد محاسبات اعشاری نیز توجه خاصی نموده است و تجارب مربوط به واحد محاسبات اعشاری در پردازنده 486 را به کار گرفته است. FPU سریعتر باعث می شود که پنتیوم برای انجام محاسبات پیچیده اعشاری در برنامه هایی نظیر ویرایش عکس و CAD، پیشرفت قابل ملاحظه ای داشته باشد.
اینتل برای تثبیت موقعیت پردازنده های پنتیوم در بازار، پردازنده های پنتیوم با مصارف خاص را نیز طراحی نمود. یکی از آنها پنتیوم موبایل (Mobile Pentium) است که سرعت آن از 75 مگاهرتز شروع می شود و به جای پوشش سرامیکی متعارفی که در پردازندة کامپیوترهای رومیزی استفاده می شود از یک بسته بندی خاص به نام Tape Carrier Packging که دارای وزن کمتـر از یـک گرم و ضخامت کمتر از یک میلی متر است، استفاده می کند. این پردازندة 3/3 ولتی، مستقیماً برروی مادربرد کامپیوترهای کیفی (notebook) لحیم می شود و حرارت را از پایین خود دفع می کند و نیاز به پنکه ندارد.
امـروزه کامپیوتـرهای کیفی 133 مگاهرتزی پنتیوم با قیمت کمتر از 2000 دلار به فروش می رسند.
پنتیوم MMX اینتل، طراحی که روز به روز پیشرفت می کند.
اگرچه پنتیوم از لحاظ محاسبات نسبت به کامپیوترهای ردة X86 تحول زیادی پیدا کرده است، اما پنتیوم MMX این مسئله را به اوج خود رسانده است. با پنتیوم MMX (که با اسم رمز P55C نیز شناخته می شود)، اینتل امیدوار است که بتواند نیازهای روزافزون نرم افزارهای چند رسانه ای نظیر بازیهای کامپیوتری یا مرورگرهای Web را برآورده سازد.
البته ساختار داخلی پردازنده، Pipeline دوبل، واحد محاسبات اعشاری و گذرگاه داده ها تغییر فاحشی نکرده اند ولی اینتل حافظه پنهان اولیه پردازنده MMX را دو برابر کرده و به 32 کیلوبایت رسانده است.
اولین پردازنده های پنتیوم MMX که برای استفاده در کامپیوترهای رومیزی معرفی شدند با سرعت 166 و 200 مگاهرتز عرضه شدند. سرعت این پردازنده ها سه برابر گذرگاه 66 مگاهرتزی سیستم بود. حداکثر سرعتی که آخرین مدل پردازندة پنتیوم MMX دارد، 233 مگاهرتـز اسـت، این پردازندة با سرعتی معادل 5/3 برابر سرعت یک مادربرد 66 مگاهرتزی می تواند کار کند.
شکل 7ـ6ـ پنتیوم MMX با بکارگیری دستورالعمل های جدید و افزایش حافظه پنهان، کارآیی سیستم را بالا می برد.
بررسی بیشتر MMX
شرکت اینتل مجموعه دستورالعمل های پردازنده های رده X86 را که از زمان پیدایش پردازنده های 386 وجود داشت توسعه داد. یک پردازندة MMX دارای 57 دستورالعمل جدید است که به دستورالعمل های قبلی اضافه شده اند و بیشترین تأثیر آنها برروی عملیاتی نظیر گرافیـک، فشرده سـازی تصویـر، نمایش تصاویر سه بعدی، پخش صوت و پردازش علائم می باشد. دستورالعملهای جدید به پنتیوم MMX اجازه می دهند عملیاتی راکه با پنتیوم های قدیمی در چند مرحله انجام می شد در یک مرحله انجام دهد.
یکی دیگر از مزیت های مهم پردازنده های MMX، استفاده از روش SIMD یا Single Operation Multiple data می باشد. این روش به پردازنده امکان می دهد که یک دستور واحد را برای محدوده ای از داده ها به کار برد، بدون اینکه مجبور به صدور مجدد آن دستور برای هر قطعه از داده ها باشد. این روش باعث افزایش سرعت در عملیات ویرایش تصویر[10] نظیر فیلترکردن[11] می شود. در اینگونه عملیات با حجم بالایی از داده های تصویری[12] سر و کار داریم که با انجام یک عمل ساده می توانیم آنها را update کنیم.
استفاده از امکانات MMX به راحتی میسر نیست. برنامه نویسها باید برنامه های خود را با دستورالعمل های جدید بنویسند در غیر این صورت نمی توانند از قابلیت های چندرسانه ای پردازندة خود بهره جویند. مایکروسافت اخیراً اجزای مختلف سیستم عامل ویندوز را به MMX تبدیـل کرده و ابزارهای پیشرفته[13] MMX را در اختیار طراحان بازیهای کامپیوتری و نرم افزارهای کاربردی قرار داده است. تولیدکنندگان برنامه های مبتنی بر CD-ROM نیز شروع به کار روی برنامه های کاربردی پیشرفته MMX نموده اند.
حتی در موقع اجرای یک نرم افزار غیر MMX، چنانچه از پردازندة پنتیوم MMX استفاده شود، کارآیی آن نسبت به استفاده از یک پنتیوم قدیمی بیشتر خواهد بود. در پردازنده جدید MMX، حافظة پنهان اولیه دو برابر شده است و 16 کیلو بایت برای داده ها و 16 کیلوبایت برای دستورالعملها در نظر گرفته شده است که به طور قابل توجهی کارآیی سیستم را افزایش می دهند. همچنین اینتل در پردازندة MMX، طراحی Pipeline را عوض کرده و طرح پیشگویی انشعاب[14] را به گونه ای تغییر داده که بتواند افت سرعت Pipeline را به نحو قابل ملاحظه ای کاهش دهد.
نکته فنی: به منظور اضافه کردن دستورالعملهای جدید به پردازنده بدون افزایش تعداد ترانزیستورها، اینتل روش جدیدی به کار برد و 8 رجیستر[15] 64 بیتی MMX را برروی رجیسترهای واحد محاسبات اعشاری قرار داد. این روش جنبه های منفی نیز دارد. درست مثل این است که مغازه ای را در یک اطاق زیر شیروانی تأسیس نموده و از آن برای زندگی و هم برای کار استفاده نمائید. در این صورت شما در هزینه اجازة یک دفتر کار صرفه جویی نموده- اید ولی از آن طرف، مبالغی را باید برای مبلمان و نظافت و کارهای دیگر کنار بگذارید. کارآیی واقعی وقت بدست می آید که برنامه، بتواند از عملکرد از نوع MMX به عملکرد از نوع محاسبات اعشاری تغییر وضعیت دهد. پردازنده به حدود 100 پالس ساعت نیاز دارد تا رجیسترها را از FPU به MMX (یا بلعکس) جابجا نماید. که این مدت از نظر پردازنده، زمان زیادی است. در صورتی که اغلب برنامه های کامپیوتری قادر به استفاده از واحد محاسبات اعشاری نیستند و آنهایی که این توانایی را دارند نیز به ندرت قادرند بین عملکرد محاسبات اعشـاری و MMX تغییـر وضعیت دهند. کاربردهای چند وظیفه ای MMX که نیازمند FPU می باشند نیز، مشکل آنچنانی به حساب نمی آیند زیرا که سیستم عامل وقت بیشتری را برای جابجاشدن بین برنامه ها نیاز دارد تا این که پردازنده مجدداً رجیسترهای خود را برای این کار تخصیص دهد.
طرح استفاده مشترک از رجیسترها بوسیلة اینتل، AMD و Cyrix به کار گرفته شده، اما پردازنده های اینتل تنها پردازنده هایی هستند که از چندین MMX Pipeline استفاده می نمایند. و همین امر باعث می شود که کارآیی پردازنده های اینتل در انجام عملیات MMX بالا برود.
پردازنده های پنتیوم MMX برای انجام عملیات داخلی به 8/2 ولت توان نیاز دارند و با چنین مصرف پائینی، تولید حرارت در آنها کاهش می یابد، در حالی که در خارج از پردازنده یعنی روی مادربرد با 3/3 ولت کار می کنند. این ولتاژ دوگانه، سازندگان را مجبور به تولید مادربردهایی می کند که بتوانند به کمک برخی از قطعات تنظیم کنندة ولتاژ، این تغییر ولتاژ را تحمل کنند. یعنی تجهیزاتی که تولیدکنندگان، ماهها قبل از ژانویه 1997 برای خط تولید پردازنده های خود در نظر گرفته بودند.
پنتیوم MMX به سرعت ثابت کرد که بهترین و مناسبترین پردازنده در بکارگیری ویندوز 95 است. در موارد بسیار زیادی، کارآیی این پردازنده حتی از کارآیی پردازندة پنتیوم پرو 200 مگاهرتزی نیز بالاتر است. پردازنده های پنتیوم پرو در محیط ویندوز NT که یک محیط 32 بیتی واقعی است، کارآیی بسیار بالاتری دارند، عملیات تنظیم شده برای MMX. مزایای بیشتر پردازنده های MMX را نشان می دهند. ادعای اینتل مبنی بر کارآیی تا حدود 400 درصد در بعضی از محیط ها ممکن است به علت ایزوله شدن کد برنامه های مختلف باشد. (به شکل 8 ـ 6 توجه کنید) اما برنامه های واقعی تر نظیر Adobe Photoshop و Macromedia Director در موقع اجرا توسط پردازندة MMX، افزایش کارآیی را نشان می دهند. کاملاً واضح است که بار سنگین را MMX به دوش می کشد. اینتل همچنین نسخة موبایل پنتیوم MMX + را روانة بازار کرده است. اولین پردازنده هایی از این نوع، پردازنده های 133 و 200 مگاهرتزی به خط تولید پردازنده های مربوط به کامپیوترهای کیفی اضافه شدند. پردازندة کامپیوترهای قابل حمل نظیر پردازندة کامپیوترهای رومیزی هستند. با این تفاوت که از یک بسته بندی نواری نازک استفاده می نمایند تا وزن و ضخامت آنها کاهش پیدا کند نکاتی برای خرید: اگر می خواهید یک کامپیوتر کیفی برای انجام کارهای چندرسانه ای خریداری کنید، ابتدا اطمینان حاصل کنید که پردازندة آن توانایی MMX را داشته باشد. به علت اندازه متراکم این نوع کامپیوترها اغلب آنها فاقد کمک پردازنده های پیشرفته گرافیکی و صوتی هستند. افزایش حافظة پنهان، سرعت ساعت بالاتر و استفاده بهینه از pipeline در پردازنده های پنتیوم MMX تأثیر زیادی در کارآیی کامپیوترهای کیفی (Notebook) گذاشته است.
تکنولوژی MMX که با سیستم عامل ویندوز بسیار عجین شده است (MMX یکی از اجزای کلیدی ویندوز 98 می باشد) موجب شده که کارآیی کامپیوترهای کیفی به کارآیی کامپیوترهای رومیزی نظیرشان هرچه بیشتر نزدیک شود. بزرگترین موردی که پنتیوم MMX موبایل در آن بی رقیب است، دفع حرارت می باشد. اغلب تولیدکنندگان کامپیوترهای کیفی از روش دفع حرارت انفعالی[16] پردازنده پنتیوم 150 مگاهرتزی MMX استفاده می کنند. اما پردازندة 166 مگاهرتزی آنقدر گرما تولید می کند که نیاز به یک خنک کننده دارند. مسئله تولید حرارت در پردازنده پنتیوم 166 مگاهرتزی MMX، باعث تأخیر در تولید سیستمهای کیفی شده و این امر نهایتاً باعث افزایش قیمت آنها گردید.
توجه: بعضی از تولیدکنندگان کوچک، برای اینکه کامپیوتر کیفی خود را سریع ترین کامپیوتر کیفی موجود در بازار جلوه دهند، از پردازنده های مربوط به کامپیوترهای رومیزی استفاده می کنند. شکی نیست که کامپیوترهای کیفی سرعت زیادی دارند. اما عمر کوتاه باطری آنها به همراه خطر افزایش درجه حرارت در پردازنده ای که به نوبه خود ممکن است هم به پردازنـده و هـم به مادربـرد آسیـب وارد سازد، خرید این نوع کامپیوترها کیفی را نامطمئـن می سازد. اگر یک فروشنده، یک کامپیوتر کیفی به شما پیشنهاد کرد که یک پردازنده با سرعت غیرمتعارف در آن قرار داشت، از نزدیک پردازندة آن را بررسی کنید. اگر آن پردازنده، پردازنده مخصوص کامپیوترهای کیفی نبود از خرید آن کامپیوتر صرفنظر کنید.
پنتیوم پرو (Pentium Pro)
ژانویة 1996، از برخی جهات، جالب ترین و از برخی جهات دیگر، نگران کننده ترین زمان برای اینتل بود. صحبت ها حاکی از این بود که مجموعة دستورالعمل های X86 با طول متغیرشان و اجرای ترتیبی شان راهی برای پیشرفت ندارند. اما پردازنده دیگری به نام PowerPC که متولی آن، شرکتهای موتورولا، آی بی ام و اپل بودند، ستایش دیگران را در مورد ساختار پیشرفته اش، برانگیخت.
نکته فنی: دو نوع دیدگاه در مورد طراحی پردازنده ها وجود دارد. اولی عبارتست از [17]RISC یا پردازنده هایی با مجموعه دستورالعمل های کاهش یافته که کارآیی آن به لحاظ اجرای سریع دستورالعمل های ساده، بسیار بالاست و دومی عبارتست از CISC یا پردازنده هایی با مجموعة دستورالعمل های پیچیده[18] که دستورالعملهای بیشتری را برای اجرای هر مرحله بکار می گیرد. امروزه بیشتر پردازنده ها (از جمله جدیدترین پردازنده های اینتل) از تکنولوژی RISC استفاده می کنند زیرا بهترین روش برای افزایش سرعت ساعت است.
پنتیوم پرو ثابت کرد که بیشتر عقاید اشتباه هستند. اینتل طراحی superscalar خود را که ابتدا در پنتیوم آن را به کار گرفت، گسترش داد و اجرای پویا[19] و پیش بینی تخمینی انشعاب ها[20] را مورد استفاده قرار داد تا نقایص مربوط به تکنولوژی CISC را از میان بردارد. درواقع، آنچه که اینتل انجام داد، ایجاد یک هستة سریع RISC در داخل یک رابط[21] کاملاً سازگار با CISC بود.
همانطور که در شکل (10ـ6) مشاهده می کنید پنتیوم پرو دارای یک شکل ظاهری بسیار بزرگ است. در داخل این پردازنده، 5/5 میلیون ترانزیستور وجود دارد. علاوه بر آن، اینتل حافظة پنهان ثانویه را که معمولاً روی مادربرد قرار دارد، در داخل پردازنده و در یک روکش سرامیکی دیگر به نام PGA قرار داده است. یک حافظة پنهان ثانویه 256 کیلوبایتی از 5/15 میلیون ترانزیستور و یک حافظة پنهان ثانویه 512 کیلو بایتی از 31 میلیون ترانزیستور استفاده می کند. نتیجه این طراحی، یک پردازندة 387 پینی با 5/36 میلیون ترانزیستور است. این تعداد پین، 10 برابر پین های پردازندة پنتیوم است.
نخستیـن نسخه های این پردازندة عظیم الجثه مقدار زیادی گرما (در حدود 14 وات) تولید می کردند و قیمتشان بیش از 100 دلار بود. ولی حافظة پنهان ثانویه آنها که در پردازنده به صورت یکپارچه قرار گرفته از یک طرف و گذرگاه مربوط به این حافظة پنهان از سوی دیگر، باعث جهش قابل توجهی در کارآیی این پردازنده ها شد.
حافظة پنهان ثانویه سایر پردازنده های X86 با سرعت گذرگاه مادربرد (60 یا 66 مگاهرتز) کار می کند ولی حافظة پنهان ثانویه درون پنتیوم پرو مطابق با سرعت CPU است. باعث پردازنده- های پنتیوم پروی 180 و 200 مگاهرتزی به خاطر استفاده از این حافظه درون پردازنده ای بسیار بزرگ دارای سرعتی 3 برابر سرعت پردازنده های پنتیوم مشابه است. علاوه بر آن، حافظه پنهان ثانویة درون پنتیوم پرو به جای اینکه همانند حافظه های پنهان متعارف و قدیمی، از گذرگاه مربوط به پردازنده استفاده کند، از یک گذرگاه خاص خود استفاده می کند.
اینتل در داخل هستة این پردازنده، ترفندهای جالبی را برای از بین بردن محدودیت های CISC به کار برده است. ابتدا مهندسین، Pipeline 5 مرحله ای پنتیوم را به 12 مرحله افزایش دادند و بدین ترتیب، وظایف را به بخشهای کوچکتر تقسیم کردند. این گسترش Pipeline، باعث افزایـش سرعـت ساعـت شده است (کاربرد این عمل در پنتیوم II 300 مگاهرتزی مشاهده می شود) همچنین این پردازنده دارای یک واحد رمزگشا در ابتدای Pipeline است که دستورالعملهای پیچیده X86 را به یک سری دستورالعملهای کوچک[22] همانند دستورالعملهای RICS تبدیل می کند. این دستورالعملهای کوچک می توانند سریعتر از کدهای معمولی X86 در Pipeline قرار گیرند.
نکته فنی: اینتل در پردازندة پنتیوم پرو، یک هسته سریع RISC را در داخل یک رابط CISC قرار داده است. سؤالی که در اینجا مطرح می شود این است که چرا به طور کامل از مجموعة دستورالعملهای RISC استفاده نکرده است. جواب این سؤال، سازگاری است. موفقیت بسیار بزرگ اینتل در بازار به علت میلیونها برنامه ای می باشد که با استفاده از مجموعه دستورالعملهای X86 برای پردازنده های آن نوشته شده است. اگر این مسئله تداوم پیدا نکند اینتل برتری خود را در میان رقبای مختلف از جمله پردازنده Power PC و پردازنده های شرکت دیجیتال[23]، میپس[24] و سان میکروالکترونیک از دست خواهد داد. با ایجاد سازگاری میان نمـودن یک هستة RISC و دستورالعملهای CISC، در حین اینکه پردازنده های رده P6 می توانند از کارآیی مربوط به طراحی RISC بهره گیرند، قادر خواهند بود نرم افزارهای تحت DOS را نیز که دارای قدمت 10 ساله می باشند اجرا نمایند.
هم اینک Cyrix AMD، بازار را با تولید پردازنده های سازگار با اینتل، تحت نفوذ خود در آورده اند. زیرا این شرکتها، تراشه های خود را منطبق بر دستورالعملهای X86 تولید نموده اند.
همانند اینتل، هرسه آنها نیز از یک هستة RISC برای کار با دستورالعملهای ترجمه شدة X86[25] استفاده نمودند.
اگرچه روش RISC بسیار مفید است اما عدم اجرای متوالی دستورالعملها در P6 یکی از عوامل کلیدی در موفقیت این پردازنده می باشد. در حالت عادی، وقتی که یک پردازنده به دستورالعملی می رسد که نیاز به ورود داده ها دارد، باید اندکی صبر کند. در حالی که پردازندة پنتیوم پرو می تواند در میان کد برنامه حرکت کرده و دستورالعملهای بعدی را اجرا نماید. و این عمل را به کمک ذخیره نمودن نتایج در محلی به نام فضای دستورالعملها[26] انجام می دهد.
این بافر به پردازنده کمک می کند که دستورالعملها را به صورت هوشمندانه اجرا کند و نتایج آنها را تا زمان استقرار داده ها در محلهای صحیح خود، با نظم مناسبی نگه دارد. پشتیبانی پنتیوم پرو از چند پردازندة متقارن[27] یا SMP باعث شده که این پردازنده پرو برای سرورهای شبکه[28] و سرورهای Web[29] و ایستگاه های کاری رده بالا، پردازنده بسیار مناسبی باشد. در این مورد، اولین مسئله مهم، تلاش در همزمان نمودن داده هایی است که در حافظه پنهان اولیة هر کدام از پردازنده ها ذخیره می شود. اینتل برای این کار، از یک پروتکل به نام MESI استفاده می کند که طبق آن، چهار حالت مختلف برای داده های درون حافظه پنهان درنظر می گیرد. این حالتها عبارتند از تغییر یافته[30] اختصاصی[31] مشترک[32] نامقبر[33] . با این طرح اطمینان حاصل می شودکه یک پردازنده، داده هایی را که قبلاً در حافظة پنهان اولی
مقاله شرح کامل و مفصل از سخت افزار کامپیوتر و رفع عیوب مختلف یک کامپیوتر
