شرح كامل و مفصل از سخت افزار كامپيوتر و رفع عيوب مختلف يك كامپيوتر


فرمت : WORD                                                                            تعداد صفحه :475

 

 

پردازنده

يك كامپيوتر از قسمتهاي مختلفي تشكيل شده است ولي هيچ كدام از آنها اهميت پردازنده، (CPU) را ندارند. اين واحد قطعه اي مربع شكل از جنس سيلسكون است كه به عنوان روح هر كامپيوتر شناخته مي شود. پردازنده نقش زيادي در كارآيي كامپيوتر دارد و توليدكنندگان، قيمت كامپيوتر خود را باتوجه نوع به سرعت پردازنده آنها تعيين مي كنند. اگر در صدد خريد كامپيوتر جديد و يا ارتقاي كامپيوتر قديمي خود هستيد، لازم است طرز كار پردازنده را بشناسيد تا بر اين اساس، تصميمات صحيح را اتخاذ نمائيد.

امروزه براي خريد يا ارتقا يك سيستم كامپيوتري انتخابهاي بسياري وجود دارند. البته اين جنبة مثبت قضيه است. جنبه منفي آن اين است كه تنوع زياد پردازنده ها، باعث گيج شدن خريداران مي شود. شركت Intel به تنهايي بيش از 30 نوع پردازندة مختلف توليد كرده است. AMD و cyrix هم بيش از اين مقدار، پردازنده وارد بازار نموده اند.

تكنوژي پردازنده ها به سرعت در حال پيشرفت است به طوري كه حتي عمر مفيد سيستمهاي داراي پردازنده هاي سريع، حداكثر 5 سال مي باشد. ممكن است اين زمان طولاني به نظر برسد، ولي آن روي اين قضيه، قانون Moor است كه توسط مؤسس اينتل يعني گوردن مورد مطرح شده است. اين قانون مي گويد كه قدرت پردازنده ها ) كه معياري است از تعداد مداراتي كه مي توان در داخل يك فضاي ثابت جاي داد) هر ساله دو برابر مي شود. اين فصل به شما كمك مي كنند تا طرز كار پردازنده هاي سازگار با X86 را بهتر درك نمائيد.

در اين قسمت، در مورد پردازنده هاي اينتل و پردازنده هاي سازگار با ردة X86 كه توسط شركتهاي چون Cyrix, AMD و IBM عرضه شده اند، بحث خواهيم كرد. همچنين پردازنده هاي تقويت شده مانند پردازنده هاي OverDrive از شركت اينتل و محصولات مشابه از شركتهاي Evergreen و Kingstone و ديگران مورد بررسي قرار خواهند گرفت. با وجود اين كه اين پردازنده ها از نظر سرعت و طرز كار با هم تفاوت دارند، ولي همگي از قابليت اجراي سيستم عاملهاي مختلف از جمله DOS، ويندوز 1/3، ويندوز و ويندوز NT و نيز برنامه هاي كاربردي سازگار با آنها برخوردارند.

كاوش در پردازنده ها

پردازنده ها كارهاي خود را به كمك اعمالي ساده ولي با سرعت بالا انجام مي دهند. تنوع در طراحي پردازنده ها ثابت مي كند كه براي انجام يك عمل، بيش از يك راه وجود دارد.

به طور مثال، پردازنده هاي Power PC كه در كامپيوترهاي Power Mac مورد استفاده قرار مي گيرند، مجموعه اي از دستورالعمل هاي نسبتاً ساده، كوتاه و سريع را براي انجام محاسبات به كار مي برند. برعكس، پردازنده هاي P5 و P6 اينتل از مجموعة دستورالعمل هاي پيچيده اي استفاده مي كنند كه نياز به ترانزيستورهاي بسيار زيادي دارند.

با وجود تمامي اين تفاوتها، همه پردازنده ها از ترفندهاي ديگري نيز براي انجام سريع عمليات استفاده مي كنند و در يك زمان بيش از يك عمل را انجام مي دهند. علاوه بر آن، همان عناصري كه بر عملكرد دازنده تأثير مي گذارند برروي عملكرد تراشة تقويت شده آن پردازنده نظير OverDrive شركت Intel تأثير مي گذارند.

نكته فني: بهترين مشخصه عملكرد يك پردازنده، سرعت ساعت آن است كه نشان مي دهد پردازنده عمليات اصلي را چند ميليون بار در ثانيه مي تواند انجام دهد. براي سالهاي متمادي، يك قاعده كلي وجود داشت و آن اين بود كه هر چه سرعت ساعت پردازنده بيشتر باشد، پردازنده سريعتر خواهد بود. امروزه اين مفاهيم كمي پيچيده تر شده اند.

سرعـت ساعت (Clock speed) تقريباًَ به سرعت انجام عمليات در داخل پردازنده اطلاق مي گردد. اغلب پردازنده ها با 2/1 يا 3/1 سرعت داخلي خود با ساير اجزاي سيستم ارتباط برقرار مي كنند. پردازنده هاي پنتيوم 100، 133، 166 و 200 مگاهرتز همگي با سرعت 66 مگاهرتز با اجزاي خارج از خود در ارتباط هستند و اين بدين معنا است كه حتي با وجود سرعت بسيار بالاتر در پردازنده هاي پنتيوم 200 مگاهرتزي، سرعت دستيابي به حافظه و حافظه ثانويه، تغييري نكرده است. مسئله مهمتر اين است كه بعضي از پردازنده ها مي توانند در هر پالس ساعت، كارهاي بيشتري را نسبت به ساير پردازنده ها انجام دهند. به همين دليل است كه يك پردازنده Cyrix 6X86 با سرعت 150 مگاهرتز مي تواند از لحاظ كارآيي با يك پردازنده پنتيوم 200 مگاهرتز برابري نمايد. عجيب تر اينكه كارآيي يك پنتيوم پرو 220 مگاهرتزي از كارآيي يك پنتيوم 200 مگاهرتزي MMX بيشتر است، اما تحت سيستم عامل ويندوز اين موضوع برعكس مي شود. (پنتيوم پرو يك پردازنده 32 بيتي است كه كارآيي آن تحت ويندوز NT بيشتر است. به عبارت ديگر ارتباط عميقي بين سرعت كامپيوتر و آنچه كه كامپيوتر انجام مي دهد وجود دارد).

باتوجه به اين مسئله، رقباي اينتل، پردازنده هاي خود را با معياري به نام Performance Rating P-rating كه به اختصار گفته مي شود با بازار معرفي مي كنند. در اين معيار، توليد- كنندگان پردازنده، با استفاده از روشهاي متعارف، پردازنده هاي رده پنتيوم را با پردازنده خود مقايسه مي كنند تا خريدار بتواند به سرعت، پردازنده هاي اينتل را با پردازنده هاي غيراينتل X86 مقايسه كند.

به طور مثال، شركت Cyrix،پردازنده 150 مگاهرتزي 6X86 خود را 6X86P200+ نامگذاري كرده است آن هم به اين دليل كه P-rating، كارآيي آن را تقريباً مساوي يا بيشتر از كارآيي پنتيوم 200 نشان مي دهد. به همين ترتيب، پردازنده K5-PR166 از شركت AMO با سرعت 117 مگاهرتز كار مي كند، ولي آزمايش نشان داده كه كارآيي آن نزديك به كارآيي پنتيوم 166 مگاهرتزي اينتل مي باشد.

وظيفة معيارهاي Prating تعيين كارآيي پردازنده ها مي باشد ولي ممكن است سرعت ساعت واقعي كامپيوتر را نشان بدهيد. اين موضوع زماني مصداق مي يابد كه بخواهيد كارآيي پردازنده هاي مجهز به تكنولوژي MMX[1] را مورد مقايسه قرار مي دهد.

چون اينكه در حال حاضر محكي براي ارزيابي كارآيي پردازنده هاي MMX وجود ندارد، بنابراين در حال حاضر نمي توان گفت كه سرعت داخلي ضعيف پردازنده هاي 6x86 شركت Cyrix باعث مي شود كه اين پردازنده ها، عمليات MMX را بسيار كندتر از پنتيوم اينتل انجام دهند.

ساختار كلي يك پردازنده

يك پردازندة معمولي شامل ميليونها ترانزيستور كوچك است كه در داخل يك مدار به صورت مجتمع قرار گرفته اند. طول ضلع اين مدار مربع يا مستطيل شكل كمتر از 2 اينچ است.

آنچه كه شما مي بينيد يك قطعه از جنس سراميك است كه اين ترانزيستورهاي بسيار ريز را محافظت نموده و يك وسيلة ديگر به نام هيت سينك كه براي خروج حرارت از داخل پردازنده بروي آن قرار گرفته است.

روي اين جدار سراميكي ممكن است يك لاية SILK Screen مشاهده كنيد كه براي مشخص نمودن مدل پردازنده و كارخانة سازنده آن مورد استفاده قرار مي گيرد. شركت اينتل اخيـراً بـراي جلوگيـري از تقليـد برخي از شركتها، شماره سريال پردازنده را روي آن حك مي كند.

پردازنده هاي جديد، ساختماني عجيب و پيچيده دارند كه با عملكرد متقابل اجزاي درون اين ساختمان پيچيده، يك دستگاه كامپيوتر راه اندازي مي شود. اجزاي اصلي هر پردازنده عبارتند از:

  • گذرگاه داده ها (Data bus)
  • گذرگاه آدرس (Address bus)
  • حافظه اصلي
  • مجاري ارتباطي دستورالعملها (Instruction pipelines)
  • واحد محاسبات اعشاري (Floating point Linit)
  • دستورالعمل هاي (MMX Instructions) MMX

گذرگاه داده ها (Data Bus)

گذرگاه داده ها مجموعه اي از سيم ها و مدارات است كه وظيفة انتقال اطلاعات به داخل و يا خارج از پردازنده را به عهده دارند. همانند يك بزرگراه، هر چه اين گذرگاه عريض تر باشد، عبور داده ها روانتر شده و انتقال بيشتري صورت مي گيرد. امروزه پردازنده هاي پنتيوم و پنتيوم پرو داراي گذرگاه هاي خارجي 64 بيتي براي داده ها هستند كه مي توانند در يك زمان 8 بايت داده را منتقل كنند، در صورتي كه پردازنده هاي قديمي تر 486، از گذرگاه باريكتر 32 بيتي استفاده مي كردند. با افزايش سرعت ساعت، پهناي گذرگاه به مسئله اي بسيار حساس تبديل مي شود به طوري كه پردازنده ها در حالات خوب، قادر خواهند بود در يك زمان چندين كار مختلف را انجام دهند. در مادربردهايي كه با سرعت 60 تا 66 مگاهرتز كار مي كنند هر چه گذرگاه داده ها عريض تر باشد. مقدار بيشتري از داده ها مي توانند از حافظه به پردازنده منتقل شوند. بنابراين پردازنده باتوجه به سرعت ساعت داخلي بسيار بالاي خود بهتر مي تواند با داده ها و فرامين كار كند. علاوه بر آن، پردازنده هاي پنتيوم پرو براي نقل و انتقال داده ها از روشي به نام bursting استفاده مي كند تا در يك پالس، حجم زيادي از اطلاعات را وارد حافظة پنهان نمايد. به طور كلي عرض گذرگاه داده ها، در خارج و داخل پردازنده يكسان است. با اين حال، بعضي از پردازنده هاي قديمي نظير Intel 386SX و Cyrix 486 SLX براي كاهش هزينه از گذرگاه خارجي با عرض كمتري استفاده مي كردند، به طوري كه عرض گذرگاه داخلي آنها 32 و عرض گذرگاه خارجي آنها 16 بيت بود. نتيجة اين كار، مانند اين است كه در يك بزرگراه بعضي از خطوط حركت را مسدود نماييم كه اين كار باعث كندي ترافيك خواهد شد. برعكس، در پردازندة پنتيوم از يك جفت گذرگاه داخلي 32 بيتي استفاده مي شود كه مي تواند زوج خوبي براي گذرگاه خارجي 64 بيتي باشد، چون گذرگاه 64 بيتي مي تواند در يك عمل، هر دو مجرا را پر كند.

اگر گذرگاههاي داده اينقدر اهميت دارند چرا آنها را به صورت 128 بيتي يا حتي 256 بيتي نمي سازند؟ جواب اين سؤال هزينه است. در طراحي پردازنده، لازم است كه تعدادي از پين- هاي آن را به گذرگاه داده ها اختصاص دهند كه اين عمل باعث افزايش حجم مدار پردازنده و سوكت آن و همچنين افزايش خطوط ارتباطي روي مادربرد مي شود. به عنوان مثال، پردازندة 386DX داراي132 پين وپردازنده 386SX با گذرگاه خارجي 16 بيتي داراي 100 پين مي باشد. پردازندة پنتيوم 64 بيتي، از 296 پين براي اتصال به مادربرد استفاده مي كند. البته تمامي اين پين ها براي داده ها به كار نمي رود ولي عريض شدن گذرگاه به معناي بالارفتن كارآيي آن است.

سرعت گذرگاه نيز نقش مهمي دارد. درست مثل بزرگراه هايي كه مي توانند محدوديت سرعت داشته باشند، گذرگاه داده ها در داخل پردازنده هاي جديد، معمولاً سريعتر از گذرگاه داده ها در خارج پردازنده مي باشد. مدارات داخل پردازنده ها مي توانند با سرعت 200 مگاهرتز يا بيشتر كار كنند، اما سيم هاي طولاني روي مادربرد، قادر به كار با اين سرعت نيستند. امروزه اغلب مادربردها با سرعت 60 يا 66 مگاهرتز عمل مي كنند. البته بعضي از مادربردهاي جديد باسرعتي معادل 75 مگاهرتز كار مي كنند. سرعت انتقال اطلاعات و داده ها در داخل پردازنده ها، 2 يا 3 برابر سرعت انتقال اطلاعات در خارج پردازنده است. طراحان سيستـم به اين نتيجه رسيده اند كه جريان پيوستة داده ها از اتلاف وقت پردازنده جلوگيري مي نمايد. در حقيقت، مهندسين سخت افزار، يكي از صدها ترفند خود را براي تداوم حركت پيوسته داده ها به كار بردند و براي برطرف نمودن سرعت كم گذرگاه روي مادربرد نسبت به پردازنده، از حافظة سريع cache استفاده كرده اند.

گذرگاه آدرس (Address Bus)

اين گذرگاه همانطور كه از اسمش پيداست از يك سري سيم تشكيل شده است كه وظيفة آنها حمل بيتهايي است كه براي مشخص نمودن محل قرارگرفتن اطلاعات در حافظة سيستم مورد استفاده قرار مي گيرند. هر چه اين عدد (تعداد بيتها) بزرگتر باشد، پردازنده مي تواند به حافظة فيزيكي بيشتري دسترسي يابد. به منظور تعيين ظرفيت حافظة قابل دسترسي، عدد 2 رابه توان تعداد بيتها برسانيد. بدين ترتيب يك گذرگاه 32 بيتي (با عرض 32 بيت مي تواند به 232 بيت از حافظه يا 296 و 967 و 294 و 4 بيت دسترسي داشته باشد.

شركت اينتل در كلية پردازنده هاي خود، (از پردازندة 386 گرفته تا پنتيوم)، از 32 بيت براي گذرگاه آدرس استفاده كرده است كه امكان آدرس دهي تا 4 گيگابايت حافظه سيستم را فراهم مي نمايد. پنتيوم پرو و پنتيوم II كه اغلب در ايستگاه هاي كاري و سرويس دهنده هاي پرقدرت مورد استفاده قرار مي گيرند از گذرگاه ادرس 36 بيتي براي دستيابي به 64 گيگابايت حافظه سيستم استفاده مي كنند. پردازنده P7 كه احتمالاً در سال 1999 وارد بازار مي شود از 64 بيت براي گذرگاه آدرس استفاده مي نمايد كه در اين صورت مي تواند يك ترابايت (Tra byte) داده را آدرس دهي نمايد.

حافظة پنهان اوليه (L1 Cache)

از چند سال پيش، طراحي حافظة پنهان مورد توجه طراحان پردازنده قرار گرفته است. اين حافظة كوچك و سريع مي تواند با در دسترس نگه داشتن اطلاعات و دستورالعمل هايي كه اغلب مورد استفاده قرار مي گيرند، باعث افزايش كارآيي دستگاه گردد.

دو نوع حافظه پنهان وجود دارد. حافظة پنهان اوليه كه در داخل پردازنده قرار گرفته است و حافظه پنهان ثانويه كه در خارج پردازنده قرار گرفته و بزرگتر از حافظه پنهان اوليه است. حافظه هاي پنهان، بخش هاي ساده اي نيستند. حافظه پنهان اوليه مقدار زيادي از فضاي مفيد پردازنده را مصرف مي نمايد و با استفاده از الگوريتم هاي پيچيده خود، پيش بيني مي كند كه پردازنده، در مراحل بعدي پردازش به چه اطلاعاتي نياز خواهد داشت. چون اين موضوع باعث بالارفتن كارآيي سيستم مي شود، اشغال فضاي پردازنده توسط حافظه پنهان، ناديده گرفته مي شود. درك اينكه چرا از حافظة پنهان استفاده مي شود واضح است. پردازنده با سرعت بيشتري مي تواند بيتهاي اطلاعاتي را از فضاي داخل خود بدست آورد تا اينكه آنها را از حافظة اصلي سيستم بيرون بكشد. پس هر چه حافظة پنهان درون پردازنده بزرگتر باشد كارآيي نيز بيشتر است. اگر كد يا اطلاعات مورد نياز پردازنده در حافظة پنهان وجود نداشته باشد، پردازنده مدتي را براي اين جستجو از دست مي دهد. به همين دليل الگوريتم هاي پيچيده اي براي پيش مرور اطلاعات مورد نياز پردازنده به كار گرفته مي شوند تا بتوانند داده- هاي مناسب را در دسترس پردازنده قرار دهند.

اولين پردازنده شركت اينتل كه از يك حافظة پنهان داخلي استفاده نموده، 486 بود. در اين پردازنده يك حافظة پنهان 8 كيلوبايتي براي دستورالعمل ها و داده ها وجود داشت. در پنتيوم، اين مقدار حافظه پنهان دو برابر شده است و براي داده ها و دستورالعملها، يك حافظه 8 كيلوبايتي جداگانه در نظر گرفته شده است.

همين كار در پنتيوم پرو نيز انجام شد. حتي حافظه هاي پنهان بزرگتري نيز در تراشه هاي جديد وجود Cyrix AMD وجود دارد. پردازنده هاي K6 و 6x86Mx، ه ردو از 64 كيلوبايت حافظة پنهان اوليه استفاده مي كنند.

واحد محاسبات اعشاري (Floating-Point unit)

واحد محاسبات اعشاري[2] يك پردازنده مسئول محاسبة اعداد و مقادير اعشاري نظير 000001/3 مي باشد. از آنجا كه اكثر نرم افزارها از رياضيات اعشار (Floating-Point Arithmetic) استفاده نمي كنند، بنابراين واحد محاسبات اعشاري بيكار مي ماند، گرچه نرم- افزارهايي مانند ويرايش عكس (Photo Editig)، طراحي سه بعدي (3-D design) و CAD كه به عمليات اعشاري نياز دارند، شديداً به واحد محاسبات اعشاري وابسته هستند. همچنين بازيهاي سه بعدي كه به محاسبات اعشاري نياز دارند باعث شده است كه واحد محاسبات اعشاري از سوي اكثر كاربران به كار گرفته شود، ولي وجود آن براي اجراي بعضي از نرم افزارها لازم است. از همان ابتداي توليد پردازنده هاي رده پنتيوم، تمام پردازنده هاي اينتل داراي واحد محاسبات اعشاري بوده اند. گرچه پردازنده هاي رده 486 DX، اوليه پردازنده هايي بودند كه امكانات مربوط به محاسبات اعشاري را فراهم كردند، اما در 486 SX كه پردازندة ارزانتري بود واحد محاسبات اعشاري به كار گرفته نشد.

رقابت بين cyrix, IBM, AMD در طراحي پردازنده ها باعث شده كه آنها نيز امكانات مربوط به محاسبات اعشاري را در نظر داشته باشند.

دستورالعمل هاي MMX

اين مجموعه دستورالعملها كه به دستورالعمل هاي X86 اضافه شده اند، 75 دستورالعمل MMXمي باشند كه در داخل پردازنده هاي پنتيوم MMX، پنتيوم AMD K6, II و Cyrix 6X86MX وجود دارند وبراي تقويت تصاوير گرافيكي، ويديوئي و ساير عمليات چندرسانه اي در نظر گرفته شده اند. شركت اينتل ادعا مي كند كه اين دستورالعملها مي توانند در بعضي از عمليات، كارآيي را تا 400 درصد افزايش دهند ولي ابتدا بايد نرم افزار، براي كار با MMX نوشته شده باشد (شكل 2ـ 6) بسياري از شركتها، نرم افزارهايي توليد مي كنند كه مي توانند از دستورالعمل هاي MMX استفاده كنند مانند بازي كامپيوتري Pod racing از شركت Ubi Soft. اخيراً ميكروسافت نسخه هاي MMX نرم افزار Active Movie و نسخة API MMX هاي مربوط به توليد بازيهاي كامپيوتري مبتني بر Direct X را به بازار عرضه نموده است.

MMX علاوه بر دارابودن دستورالعمل هاي جديد، از يك طرح تك دستوري براي كار با انواع مختلف داده ها استفاده مي نمايد. بدين مفهوم كه يك دستورالعمل واحد، بر حجم زيادي از اطلاعات اعمال مي شود. اين روش باعث افزايش كارآيي در عملياتي نظير فيلتركردن تصوير مي شود زيرا پردازنده مجبور نيست كه يك دستورالعمل را براي داده هاي مختلف بفرستد.

بررسي اجمالي عملكرد يك پردازنده

در بيشتر حالات، پردازنده مانند يك كارخانه كوچك توليدكنندة «بيت» عمل مي كند كه مواد خام را در قالب يك سري داده ها و دستورالعمل ها از حافظة سيستم دريافت نموده و آنها را به بيتهاي قابل استفاده تبديل و به بيرون هدايت مي كند. همانند هر كارخانه اي پردازنده نيز خط توليد خود را براي تبديل مواد خام به محصول نهايي اختصاص داده است و از يك خط ويژه به نام گذرگاه براي انتقال مداوم بيتها استفاده مي نمايد. در تشابه كامل با يك كارخانه، پردازنده حتي آلودگيهايي به شكل اشعة الكترود مغناطيسي و حرارت توليد مي كند.

اگرچه هر عملي كه پردازنده انجام مي دهد بسيار كوچك است اما خط توليد يك پردازندة 200 مگاهرتـزي مي تواند عمليات را با سرعت 200 ميليون بار در ثانيه انجام دهد. در پردازنده هاي جديد بيش از يك خط توليد وجود دارد. به اين ويژگي، Superscalar pipelining مي گويند. و توسط آن، امكان پخش فيلم[3] و انجام چندين كار در يك زمان (Multitasking) براي كامپيوتر فراهم مي شود.

پردازندة پنتيومي كه در سال 1993 معرفي شد اولين پردازندة اينتل بود كه طراحي Superscalar در آن به كار برده شده اين ويژگي باعث گرديد كه پنتيوم 60 مگاهرتزي كارآيي بيشتري را نسبت به پردازندة 486 DX4 كه داراي سرعت ساعت 100 مگاهرتز بود از خود نشان دهد.

پنتيوم قديمي اينتل

هنگامي كه اينتل اولين پردازنده هاي پنتيوم خود را در ماه مارس سال 1993 به بازار عرضه نمود، تجارت بزرگي را شروع كرد. پردازنده پنتيومي كه در شكل (5ـ6) نشان داده شده، اولين پردازندة ردة X86 بود كه از طراحي superscalar pipling استفاده مي كرد. بدين معنا كه دو مدخل (pipe) براي دستور العمل ها وجود داشت و بدين ترتيب دو دستورالعمل در يك زمان قابل اجرا بود. همچنين، اين پردازنده، هم تراز هيچ يك از پردازنده هاي 286، 386 و 486 نبود. اينتل همچنين حكم دادگاه را مبني بر اين كه نمي تواند از نام پنتيوم به عنوان يك مارك تجاري استفاده كند را نيز پذيرفت.

 

[1]- در پردازنده هاي MMX، دستورالعمل هايي به پردازنده اضافه شده است كه باعث مي شوند كارآرايي مربوط به انجام وظايف چند رسانه اي افزايش يابد. Multi Media extensions

[2] - FPU

[3] - (Video playback)

 


خرید و دانلود شرح كامل و مفصل از سخت افزار كامپيوتر  و رفع عيوب مختلف يك كامپيوتر

افزایش فالوور اینستاگرام