Μικροεπεξεργαστές Λειτουργία - Εξέλιξη Μικροεπεξεργαστές Λειτουργία - Εξέλιξη Αθανασίου Γιάννης

Τι είναι ο επεξεργαστης; Ο μικροεπεξεργαστής (CPU) είναι το μυαλό του υπολογιστή, ελέγχει και κατευθύνει όλες τις εργασίες, κάνει υπολογισμούς και παίρνει αποφάσεις. Εάν ένας υπολογιστής μπορούσε να παρομοιάσει με έναν άνθρωπο, ο μικροεπεξεργαστής θα ήταν ο εγκέφαλός του. Οι επεξεργαστές έχουν διαστάσεις περίπου 3 επί 3 εκατοστά, Στις αρχές της δεκαετίας του ‘80 παρουσιάστηκε ο πρώτος υπολογιστής, που περιείχε έναν μικροεπεξεργαστή που ονομαζόταν 8086. Στα σύγχρονα χρόνια έχουμε τον μικροεπεξεργαστή Pentium. Τελευταία έχουν παρουσιασθεί οι επεξεργαστές Pentium II, III & IV καθώς και μία ειδική έκδοση για οικονομικά μηχανήματα ο Pentium Celeron. Μάλιστα τελευταία παρουσιάστηκαν επεξεργαστές με διπλό πυρήνα, όπως ο Intel Core 2 Duo.

Τα μέρη ενός επεξεργαστή Τα μέρη, εν συντομία, από τα οποία αποτελείται ένας επεξεργαστής είναι τα εξής: Η Μονάδα Ελέγχου (Control Unit), η οποία είναι υπεύθυνη για την ανάκτηση των εντολών από την κύρια μνήμη και για τον προσδιορισμό του τύπου τους. Η Αριθμητική και Λογική Μονάδα (Arithmetic Logic Unit), η οποία εκτελεί αποκλειστικά πράξεις, που χρειάζονται για την εκτέλεση των εντολών. Καταχωρητές (Registers), οι οποίοι είναι μια μικρή μνήμη υψηλής ταχύτητας, που χρησιμοποιείται για την αποθήκευση προσωρινών αποτελεσμάτων και ορισμένων πληροφοριών ελέγχου. Καθένας από αυτούς τους καταχωρητές, επιτελεί μια συγκεκριμένη λειτουργία. Ο πιο σημαντικός καταχωρητής είναι ο μετρητής προγράμματος (program counter - PC), ο οποίος δείχνει την επόμενη εντολή που πρόκειται να εκτελεστεί, ενώ πολύ σημαντικός επίσης είναι ο καταχωρητής εντολών (instruction register - IR), που περιέχει την εντολή που εκτελείται εκείνη τη στιγμή.

Τα μέρη ενός επεξεργαστή

Χρησιμότητα Απόδοση: Ο επεξεργαστής είναι ίσως ο πλέον καθοριστικός παράγοντας της απόδοσης του συστήματος. Ενώ και αρκετοί άλλοι παράγοντες έχουν σημαντική θέση στον καθορισμό της απόδοσης, οι ικανότητες του επεξεργαστή υπαγορεύουν τη μέγιστη απόδοση του συστήματος. Τα άλλα μέρη του υπολογιστή απλά επιτρέπουν στον επεξεργαστή να φτάσει στο μέγιστο των δυνατοτήτων του. Υποστήριξη λογισμικού: Καινούριοι, πιο γρήγοροι επεξεργαστές κάνουν ικανή τη χρήση καινούριου λογισμικού. Επιπρόσθετα νέοι επεξεργαστές όπως ο Pentium με τεχνολογία ΜΜΧ, καθιστούν ικανή τη χρήση ειδικού λογισμικού που δεν μπορούσε να τρέξει σε προηγούμενους επεξεργαστές. Αξιοπιστία και Σταθερότητα: Η ποιότητα του επεξεργαστή είναι ένας παράγοντας που καθορίζει πόσο αξιόπιστο είναι το σύστημα. Κάποιοι επεξεργαστές είναι αξιόπιστοι, ενώ άλλοι όχι.

Χρησιμότητα Κατανάλωση ενέργειας και ψύξη: Οι πρώτοι επεξεργαστές κατανάλωναν μικρή ποσότητα ενέργειας σε σχέση με τα άλλα μέρη του υπολογιστή. Οι σημερινοί υπολογιστές καταναλώνουν μεγάλα ποσά ενέργειας. Η κατανάλωση ενέργειας έχει καθοριστική σήμασια σε όλα, από την επιλογή της μεθόδου ψύξης του επεξεργαστή, εώς τη συνολική αξιοπιστία του υπολογιστή. Υποστήριξη μητρικής πλακέτας: O επεξεργαστής που θα επιλέξουμε για το σύστημα μας είναι ένας βασικός καθοριστικός παράγοντας για το είδος του chipset που θα χρησιμοποιήσουμε και συνεπώς για το τί είδους μητρική πλακέτα θα αγοράσουμε. Η μητρική πλακέτα με τη σειρά της, καθορίζει πολλές διαστάσεις των δυνατοτήτων και της απόδοσης του συστήματος. Όπως κάθε άλλη μονάδα ενός υπολογιστικού συστήματος, έτσι και ο επεξεργαστής βρίσκεται συνεχώς υπό εξέλιξη. Οι επεξεργαστές εδώ και χρόνια διπλασιάζουν την απόδοση τους κάθε 18 μήνες και απ' ότι δείχνουν τα πράγματα αυτός ο ρυθμός μάλλον δε θα σταματήσει. Η ιστορία των επεξεργαστών είναι στενά συνδεδεμένη με δύο εταιρίες, την IBM και κυρίως την Intel. Μέχρι σήμερα μπορούμε να αναγνωρίσουμε έξι γενίες επεξεργαστών. Η αρχή όμως της συμβατότητας χαρακτηρίζει όλες αυτές τις γενίες.

Ταχύτητα Μέτρο της ταχύτητας είναι η συχνότητα λειτουργίας, η οποία μετρείται σε MegaHertz (MHz). Όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα, τόσο γρηγορότερος είναι ο μικροεπεξεργαστής, σε σχέση με μικροεπεξεργαστές της ίδιας κατηγορίας. Πιο συγκεκριμένα: Η ταχύτητα που ένας επεξεργαστής μπορεί να τρέξει είναι συνάρτηση πολλών παραγόντων. Κάποιοι από αυτούς σχετίζονται με τη σχεδίαση του επεξεργαστή, που υπαγορεύει τις ανάγκες εσωτερικού χρονισμού, οι οποίες περιορίζουν τη μέγιστη ταχύτητα του επεξεργαστή. Οι κατασκευαστικοί παράγοντες σχετίζονται με την τεχονολογία που χρησιμοποιείται, το μέγεθος του κυκλώματος, το μέγεθος του καλουπιού και την ποιότητα της μεθόδου. Γενικά, όσο μικρότερο είναι το chip, τόσο πιο γρήγορα τρέχει. Αυτό οφείλεται μερικώς στην μειωμένη κατανάλωση ενέργειας και δημιουργία θερμότητας. Η θερμότητα δημιουργείται όταν το transistor μεταβάλλεται από μηδέν σε άσσο και το αντίστροφο και όσο πιο γρήγορα λειτουργεί το chip, τόσες περισσότερες εναλλαγές γίνονται στη μονάδα του χρόνου και τόση περισσότερη θερμότητα δημιουργείται. Οι σχεδιαστές μειώνουν τα μεγέθη των κυκλωμάτων για να μειώσουν τη θερμότητα, καθώς αυξάνει η ταχύτητα του επεξεργαστή. Oι Η/Υ με νεότερους μικροεπεξεργαστές είναι γενικά καλύτεροι και γρηγορότεροι.

Εξέλιξη Όσον αφορά την εξέλιξη των τεχνολογιών που μέχρι τώρα χρησιμοποιούνται στους Η/Υ και τους επεξεργαστές τους, το μέλλον δεν είναι σίγουρο παρακάτω αναφέρονται οι κυριάρχουσες θεωρίες.

Εξελικτικές θεωρίες Μαγνητική τεχνολογία Κβαντική υπολογιστική Οπτική υπολογιστική Χημική υπολογιστική Βιομοριακή υπολογιστική

Ακολουθούν εικόνες που δείχνουν την εξελικτική πορεία των CPUs μέχρι σήμερα Το πρώτο transistor ανακαλύφθηκε το 1947…

Εικόνες επεξεργαστών Ο πρώτος μικροεπεξεργαστής στον κόσμο, ο Intel P4004 (το 1969)

Αναλογία ταχυτήτων-τιμών Στο γράφημα που ακολουθεί αναλύονται οι αναλογίες τιμής και συχνότητας λειτουργίας σε διάφορα είδη επεξεργαστών Όπως φαίνεται ξεκάθαρα παρακάτω, οι τιμές είναι σε χαμηλά επίπεδα στους απλούς, μονοπύρηνους επεξεργαστές, ενώ είναι αρκετά υψηλότερες σε CPUs με πολλαπλούς πυρήνες, καθώς στα μοντέλα για φορητούς υπολογιστές.

Αναλογία τιμών-συχνοτήτων