مقاله (فصل اول اجزای تشکیل دهنده یک پردازنده)

در این بخش از مقاله اجزای اصلی یک پردازنده و میکروکنترلر بررسی می شود.

قبل از بررسی مدارات داخلی پردازنده ابتدا تاریخچه ی مدار مجتمع را بررسی می کنیم.

1-1مدارات مجتمع (آی سی)

قبل از اختراع ترانزیستور در سال 1948 مدارات الکترونیکی به صورت لامپی بودند و حجم بسیار زیادی را اشغال می کردند و مصرف توان در آنها بالا بود. وقتی ترانزیستور اختراع شد، ابتدا در مدارات تقویت کننده ی صوتی مورد استفاده قرار گرفت. مدتی نگذشت که انواع فرکانس بالا، قدرت، سوییچینگ و غیره از ترانزیستور ساخته شد. بسیاری از مدارات الکترونیکی که قبل از اختراع ترانزیستور حجم زیادی را اشغال می کردند، فشرده شدند و حجم و مصرف توان در آنها کاسته شد. با گذشت زمان ترانزیستور هایی با اندازه ی کوچک تر ساخته شدند تا اینکه در سال 1958 اولین نمونه از مدار مجتمع توسط جک کلبی در شرکت تگزاس اینسترومنت ساخته شد. ایده ی جمع کردن چند قطعه روی یک چیپ برای کوچک کردن و از بین بردن بعضی مشکلات توسط کلبی به وجود آمد. سیر پیشرفت ساخت مدارات مجتمع و جایگزینی آن بجای مداراتی با ده ها و صدها ترانزیستور، خازن و مقاومت باعث بهبود کیفیت کار مدارات الکترونیکی و کوچک شدن اندازه ی آنها و پایین آمدن مصرف انرژی گردید.

1-2 پردازنده

با گذشت زمان، مدارات مجتمعی به وجود آمدند که شامل صدها و هزاران ترانزیستور بودند. اولین پردازنده که بتواند دستورات کاربر را اجرا نماید، در سال 1974 توسط شرکت اینتل با شماره ی 8080 ساخته شد. با مرور زمان پردازنده هایی ساخته شدند که تعداد ترانزیستور های داخل آنها بسیار بیشتر شده بود. این پردازنده ها برای انجام عملیات ریاضی استفاده می شدند. این پردازنده ها برای اینکه بتوانند کار کنند، نیاز به مداراتی داشتند که به آنها متصل شوند. بعضی از این مدارات عبارتند از: حافظه ی RAM، حافظه ی ROM و درگاه های ورودی خروجی که در ادامه به بررسی آنها پرداخته می شود. به پردازنده CPU یا واحد پردازش مرکزی نیز گفته می شود زیرا تمامی ادوات دیگر تحت دستور پردازنده کار می کنند. همچنین به پردازنده میکروپروسسور نیز گفته می شود.

1-2-1 ROM

در پروسسور های قدیمی، در این حافظه کدها و دستورات قابل پردازش توسط پردازنده که توسط کاربر نوشته می شدند، نگه داری می شد و پروسسور دستورات این حافظه را اجرا می کرد. اما با مرور زمان که سرعت پردازش پروسسور ها بسیار زیاد تر شد، دیگر این حافظه به تنهایی قابل استفاده نبود و باید از یک حافظه ی جانبی دیگر نیز استفاده می شد، به همین دلیل حافظه ی RAM ساخته شد. حافظه های ROM انواع مختلفی دارند و به مرور زمان عملکرد آنها بهتر شده است. انواع این حافظه به صورت زیر می باشند.

1-2-1-1 ROM

در این نوع ROM اطلاعات ذخیره شده به صورت سخت افزاری با قرار گرفتن ترتیب خاصی از ترانزیستورها ساخته می شود و برای تولید انبوه می باشد.

1-2-1-2 PROM

این نوع حافظه ی ROM در ابتدا خالی تولید می شود و می توان توسط دستگاه پروگرمر برنامه را به آن منتقل کرد. این نوع ROM فقط یک بار قابل برنامه ریزی می باشد و به آن OTP می گویند. این نوع ROM مطابق با فناوری فیوزی ساخته می شود به این صورت که در ابتدا تمامی سیم بندی های داخلی آی سی وصل است (آی سی کاملا خالی است). هر سیم یک فیوز دارد. این فیوز مانند فیوز های موجود در وسایل برقی است که در اثر عبور جریان زیاد می سوزند. فیوز های موجود در حافظه ی PROM نیز برای برنامه ریزی شدن با عبور جریان زیاد می سوزند و فقط بعضی از فیوزها که شامل یک ها هستند، وصل می مانند. به این ترتیب حافظه ی PROM برنامه ریزی می شود.

1-2-1-3 EPROM

این نوع ROM قابل برنامه ریزی است و اطلاعات این نوع ROM با نور ماورای بفش پاک می شود. این نوع حافظه نخستین بار در سال 1971 توسط شرکت اینتل معرفی شد و ترانزیستور های موجود در این حافظه از نوع MOS با گیت شناور بودند. در شکل 1-1 نمونه ای از این ترانزیستور در مقایسه با ترانزیستور MOS معمولی آورده شده است.

شکل 1-1 ترانزیستور موجود در EPROM در مقایسه با ترانزیستور معمولی

همانطور که در شکل فوق مشاهده می کنید، برای اینکه ترانزیستور موجود در EPROM بتواند روشن شود، باید گیت شناور را حذف نمود. برای حذف گیت شناور، توسط دستگاه پروگرمر ولتاژ بالایی در حدود V12 بین پایه های گیت و درین اعمال می شود، با اعمال این ولتاژ الکترونهایی در گیت شناور قرار می گیرند و باعث می شوند که گیت شناور حذف شود. دوام الکترونهای موجود در گیت شناور به اندازه ای زیاد است که تا ده ها سال باقی می مانند. با این روش می توان صفر و یک ها را در حافظه ی PROM ذخیره نمود. برای پاک شدن این حافظه با تابش نور ماورای بنفش، الکترونهای گیت شناور تخلیه شده و ترانزیستور MOS غیر فعال (خاموش) می شود در نتیجه حافظه پاک می شود.

1-2-1-4 EEPROM

این نوع حافظه همان حافظه ی EPROM است با این تفاوت که یک ترانزیستور MOS معمولی برای تخلیه ی گیت شناور وجود دارد. چون این نوع حافظه برای هرخانه از حافظه (هر بیت) دو ترانزیستور دارد، در نتیجه اندازه ی آن 2.5 برابر EPROM مشابه می باشد.

1-2-1-5 FLASH

این نوع از حافظه نوعی EEPROM می باشد با این تفاوت که سرعت پاک شدن و نوشتن اطلاعات در این حافظه بسیار بیشتر از EEPROM است. پاک کردن و نوشتن اطلاعات در حافظه ی EEPROM به صورت بایتی انجام می پذیرد اما در حافظه ی FLASH این کار به صورت بلوکهای 256 بایتی یا 512 بایتی انجام می شود. دفعات پاک کردن و نوشتن اطلاعات در حافظه ی Flash بیشتر می باشد.

1-2-2 RAM

برای افزایش سرعت اجرای دستورات، دستورات حافظه ی ROM که سرعت خواندن اطلاعات از این حافظه کم بود، خوانده می شدند و درون حافظه ی RAM ذخیره می شدند و پردازنده دستورات را از حافظه ی RAM اجرا می کرد. در کامپیوتر های خانگی امروزی نیز پردازنده تمام دستورات را از حافظه ی RAM اجرا می کند. برخلاف حافظه ی ROM که با قطع برق اطلاعاتش پاک نمی شد، این حافظه با قطع برق اطلاعاتش پاک می شود. حافظه های RAM به دو نوع زیر تقسیم می شوند:

1-2-2-1 DRAM

این نوع RAM که با آن RAM دینامیکی می گویند، شامل یک زوج ترانزیستور و خازن می باشد و به مرور زمان خازن تخلیه می شود و ترانزیستور را خاموش می کند بنابراین باید این نوع RAM توسط پردازنده نوسازی شود. چون این نوع RAM از دو قطعه برای هر بیت تشکیل شده است، حجم بسیار کمی را اشغال می کند و ظرفیت ذخیره سازی آن بسیار بالا است.

1-2-2-2 SRAM

این نوع RAM که به آن حافظه ی ساکن می گویند، پس از ذخیره شدن اطلاعات در آن تا وقتی که تغذیه ی آن وصل است، اطلاعات را در خودش نگه می دارد. این نوع RAM سرعت بسیار بالایی دارد اما ظرفیت آن کمتر از DRAM است.

1-2-3 I/O

برای اینکه پردازنده بتواند با دستگاه های الکترونیکی خارجی ارتباط برقرار کرده و به این ادوات دستور دهد و یا دستورات آنها را اجرا کند، باید چند پایه ی پردازنده به عنوان ورودی و خروجی استفاده شوند. پردازنده از طریق این پایه ها با دنیای خارج خودش ارتباط برقرار می کند. البته باید به بعضی از پروسسور ها تجهیزاتی را متصل کرد که پروسسور بتواند با کمک آن تجهیزات داده ها را به صورت دو طرفه انتقال دهد. بعضی از این تجهیزات در کامپیوتر های امروزی وجود دارند مانند کارت گرافیک که واسطه ای بین پروسسور و مانیتور است و یا پورت های سریال، موازی و USB که با یک آی سی درایور با پروسسور در ارتباط هستند.

1-2-4 بقیه ی ادوات لازم برای کارکرد صحیح پروسسور

برای اینکه بتوان عملیات انجام شده توسط پروسسور را مشاهده کرد، می بایست یک سیستم گرافیکی برای این منظور داشته باشیم. در کامپیوتر های قدیمی که نیازی به گرافیک بالا نبود این کار را خود پروسسور انجام می داد اما در پروسسور های جدید تر که قدرت بیشتری داشتند، برای کاهش فشار بر پروسسور پردازش گرافیک توسط یک پردازنده ی فرعی که کارت گرافیک نامیده می شود، انجام می گیرد.

به دلیل اینکه حجم حافظه های ROM کم بود، به مرور زمان حافظه های جدیدی ساخته شدند که به آنها هارددیسک گفته می شود و سرعت نوشتن و خواندن اطلاعات در این حافظه بسیار زیاد است و حجم آن هم بالا می باشد.

معمولا به پردازنده ها ادوات جانبی دیگری مانند تایمر، مبدل آنالوگ به دیجیتال و غیره نیز متصل می شود که به دلیل حفظ پیوستگی مطالب در ادامه شرح داده می شوند.

پردازنده ها به دلیل اینکه مصرف جریان بالایی دارند، باید یک منبع تغذیه ی مناسب داشته باشند که توان مورد نیاز آنها را تامین کند.

1-3 نتیجه گیری

به دلیل اینکه پروسسور برای کارکردن نیاز به ادوات جانبی دارد، در نتیجه حجم بسیار زیادی را اشغال می کند و مصرف توان بالایی دارد و قیمت نهایی آن زیاد است در نتیجه برای سیستم هایی مناسب می باشد که به صورت همه منظوره استفاده شوند. مانند کامپیوتر های شخصی.

1-4 انواع پردازنده

پردازنده ها به دو مدل CISC و RISC تقسیم بندی می شوند که به نوع اول کامپیوتر با دستورات پیچیده گفته می شود و به نوع دوم کامپیوتر با دستورات کاهش یافته گفته می شود. در معماری CISC تعداد دستور هایی که می توان به پردازنده داد، زیاد است اما سرعت اجرای دستورات کاهش می یابد ولی برنامه نویسی آسان تر می شود. اما با معماری RISC تعداد دستور العمل ها کاهش می یابد و نوشتن برنامه سخت می شود اما سرعت اجرای دستورات بسیار بالا است.

هر دو مدل پردازنده ی بالا به چند نوع 4 بیتی، 8 بیتی، 16 بیتی، 32 بیتی و 64 بیتی تقسیم می شوند. نخستین پردازنده ی ساخت شرکت اینتل با شماره ی 8080 به صورت 8 بیتی بود و از معماری CISC استفاده می کرد. بعد ها پردازنده هایی مانند 80486 ساخته شدند که 32 بیتی بودند و در نهایت پردازنده های Pentium که در کامپیوتر های شخصی استفاده می شود، 64 بیتی هستند. نمونه ی پردازنده های 4 بیتی در آی سی های MARC4 ساخت شرکت Atmel می باشد که برای دستگاه های هشدار دهنده، صفحه کلید کامپیوتر، کنترل کننده های راه دور و موارد مشابه استفاده می شود.

1-5 منظور از بیت پردازنده چیست؟

فرض کنید یک داده ی 16 بایتی یا به عبارت بهتر یک داده ی 128 بیتی موجود می باشد. اگر این داده توسط پردازنده ی 64 بیتی پردازش شود، باید به دو قسمت تقسیم شود؛ در حالی که پردازنده ی 32 بیتی باید آن را به 4 قسمت تقسیم کند و پردازنده ی 16 بیتی، 8 بیتی و 4 بیتی باید آن را به ترتیب به 8، 16 و 32 قسمت تقسیم کنند در نتیجه سرعت پردازنده ی 64 بیتی نسبت به پردازنده هایی با بیت کمتر بسیار بیشتر است.

1-6 میکروکنترلر

ساخت پردازنده ها تا سال 1981 روند رو به رشدی را داشت. در این سال بود که نخستین پردازنده با حجم کوچک و مصرف توان 50/1 پردازنده های معمولی و قیمت کم تولید شد که حافظه های ROM و RAM و بعضی از امکانات نظیر تایمر را در داخل خودش داشت. این خانواده از پردازنده را که به آن میکروکنترلر می گویند، توسط شرکت اینتل ساخته شد و با نام 8051 مشهور شد. به دلیل اینکه پردازنده، حافظه ی RAM، حافظه ی ROM و ادوات جانبی دیگر همه در داخل یک چیپ وجود داشت، در نتیجه کارایی میکروکنترلر نسبت به پرروسسور بسیار کمتر بود و در سیستم های تک منظوره مورد استفاده قرار می گرفت.

میکروکنترلر ها به چند دسته تقسیم می شوند که می توان به میکروکنترلر های 8051، ARM، PIC، 6811 و AVR اشاره نمود که در فصل بعدی بررسی می شوند.