پردازنده‌های مرکزی یا CPUها قلب تپنده‌ی رایانه‌ها هستند. آنها واحد پردازش مرکزی هستند که دستورات نرم‌افزارها را پردازش می‌کنند. هر CPU مجموعه‌ای از دستورالعمل‌هایی به نام مجموعه دستورالعمل دارد که توسط آن می‌تواند عملیات پایه‌ای مانند محاسبات ریاضی، منطق و حرکت داده را انجام دهد. با گذشت زمان و پیشرفت فناوری، نسل‌های مختلفی از CPUها عرضه شده‌اند که هرکدام ویژگی‌های منحصربفرد خود را دارند. در این مقاله قصد داریم مهم‌ترین تفاوت‌های نسل‌های مختلف CPU از جمله معماری، فرکانس کاری، حافظه نهان، توان مصرفی و… را مورد بررسی قرار دهیم.
CPUهای نسل اول (۱۹۷۱-۱۹۷۸)
پردازنده‌های مرکزی یا CPUها نقش بسیار مهمی در عملکرد سیستم‌های رایانه‌ای دارند. آنها واحد پردازش مرکزی هستند که دستورات نرم‌افزارهای کاربردی را پردازش و اجرا می‌کنند. نسل اول CPUها در اوایل دهه ۱۹۷۰ میلادی معرفی شدند و نقطه عطفی در تکامل رایانه‌ها به‌شمار می‌روند. در ادامه مشخصات، ویژگی‌ها و کاربردهای مهم‌ترین CPUهای نسل اول را مورد بررسی قرار می دهیم.
معرفی نسل اول CPUها
نسل اول CPUها در فاصله سال‌های ۱۹۷۱ تا ۱۹۷۸ میلادی عرضه شدند. این پردازنده‌ها اولین پردازنده‌هایی بودند که بر مبنای مدار مجتمع تولید می‌شدند و کاملا دیجیتال بودند. آنها از یک معماری ۴ بیتی استفاده می‌کردند. فرکانس کاری این پردازنده‌ها بین ۱۰۸ کیلوهرتز تا ۵۰۰ مگاهرتز بود که برای زمان خود بسیار پایین محسوب می‌شد. حافظه نهان اندکی داشتند و مصرف برقشان نیز در حد چند وات بود.
Intel 4004
اولین CPU تجاری نسل اول، پردازنده ۴۰۰۴ ساخت شرکت اینتل بود که در سال ۱۹۷۱ معرفی شد. این پردازنده از معماری ۴ بیتی استفاده می‌کرد و فرکانس آن ۷۴۰ کیلوهرتز بود. حافظه نهان آن ۴ کیلوبایت بود و توان مصرفی آن در حد ۲ وات بود. ۴۰۰۴ می‌توانست دستورات پایه مانند جمع، تفریق، ضرب و تقسیم اعداد صحیح را با سرعت قابل قبولی انجام دهد.
Intel 8008
پردازنده ۸۰۰۸ در سال ۱۹۷۲ توسط اینتل معرفی شد. این پردازنده نیز از معماری ۴ بیتی بهره میبرد، اما دارای حافظه نهان ۸ کیلوبایتی و فرکانس کاری ۵۰۰ کیلوهرتز بود. ۸۰۰۸ برای اجرای برنامه‌های ساده مناسب بود.
میکروپروسسورهای نسل اول
علاوه بر اینتل، شرکت‌های دیگری مانند TI، HP، AMD و… نیز میکروپروسسور های ۴ بیتی نسل اولی تولید کردند. از جمله مهم‌ترین آنها می‌توان به TMS 1000 ، PPS-4 ، AM2900 و μCOM-4 اشاره کرد که همگی در فاصله سال‌های ۱۹۷۱ تا ۱۹۷۴ عرضه شدند.
کاربردهای نسل اول CPUها
به دلیل توان پردازشی اندک، CPUهای نسل اول بیشتر در دستگاه‌های ساده مانند ماشین حساب، ساعت دیجیتال و دستگاه‌های کنترل صنعتی بکار می‌رفتند. البته رایانه‌های شخصی ابتدایی نیز از این پردازنده‌ها استفاده می‌کردند، اما کاربردهای محدودی داشتند.
مزایای CPUهای نسل اول
- اولین پردازنده های دیجیتال بودند
- اندازه کوچک (مدار مجتمع)
- مصرف توان پایین
- قیمت ارزان
- سادگی طراحی و تولید
معایب CPUهای نسل اول
- سرعت و توان پردازشی بسیار پایین
- حافظه نهان بسیار محدود (چند کیلوبایت)
- عدم پشتیبانی از سیستم عامل و نرم افزارهای پیچیده
- عدم پشتیبانی از واحد مدیریت حافظه
- محدودیت در اندازه برنامه‌های قابل اجرا
CPUهای نسل دوم (۱۹۷۸-۱۹۸۴)
پس از معرفی نسل اول CPUها در دهه ۱۹۷۰ میلادی، نسل دوم پردازنده‌های مرکزی در فاصله سال‌های ۱۹۷۸ تا ۱۹۸۴ روانه بازار شدند. نسل دوم CPUها نسبت به نسل قبل پیشرفت‌های چشمگیری داشتند. در ادامه، به بررسی مهم‌ترین ویژگی‌ها و کاربردهای CPUهای نسل دوم خواهیم پرداخت.
معماری و ویژگی‌های نسل دوم
مهم‌ترین تفاوت نسل دوم CPUها، استفاده از معماری ۸ بیتی در مقابل ۴ بیتی نسل اول بود. همچنین فرکانس کاری آنها به ۱ تا ۵ مگاهرتز افزایش یافت. حافظه نهان نیز تا ۶۴ کیلوبایت افزایش پیدا کرد. البته توان مصرفی همچنان پایین و در حد چند وات باقی ماند. به کمک معماری ۸ بیتی، این پردازنده‌ها می‌توانستند داده‌ها و آدرس‌ها را به صورت بایت (۸ بیت) در حافظه ذخیره و بازیابی کنند که باعث افزایش کارایی می‌شد.
مهم‌ترین CPUهای نسل دوم
Intel 8086
یکی از مهم‌ترین و پرکاربردترین CPUهای نسل دوم، پردازنده ۸۰۸۶ ساخت شرکت اینتل بود که در سال ۱۹۷۸ عرضه شد. ۸۰۸۶ از معماری ۱۶ بیتی استفاده می‌کرد و فرکانس آن ۵ مگاهرتز بود. این پردازنده برای اولین بار قابلیت آدرس‌دهی ۲۰ بیتی حافظه را معرفی کرد.
Motorola 68000
پردازنده ۶۸۰۰۰ محصول شرکت موتورولا در سال ۱۹۷۹ عرضه شد. این CPU نیز همانند ۸۰۸۶ از معماری ۱۶ بیتی استفاده می‌کرد، اما دارای حافظه داخلی ۳۲ بیتی بود. ۶۸۰۰۰ در کنسول‌های بازی و رایانه‌های شخصی مانند آمیگا کاربرد داشت.
Zilog Z80
پردازنده Z80 توسط شرکت زیلوگ در سال ۱۹۷۶ تولید شد. این CPU از معماری ۸ بیتی استفاده می‌کرد و دارای فرکانس ۲.۵ مگاهرتز بود. Z80 در رایانه‌های شخصی مانند کمودور ۶۴ و سیستم‌های صوتی کاربرد داشت.
کاربردهای نسل دوم CPUها
نسل دوم پردازنده‌های مرکزی عمدتاً در رایانه‌های شخصی و کنسول‌های بازی اولیه، دستگاه‌های الکترونیکی خانگی و سیستم‌های کنترل صنعتی بکار می‌رفتند. پر کاربردترین CPU این نسل، ۸۰۸۶ بود که در رایانه‌های شخصی IBM PC استفاده می‌شد.
مزایای CPUهای نسل دوم
- عملکرد بهتر نسبت به نسل اول
- معماری ۸ بیتی برای پردازش بهتر داده‌ها
- افزایش فرکانس کاری و حافظه نهان
- پشتیبانی از سیستم‌عامل‌های اولیه مانند DOS
- امکان اجرای برنامه‌های پیچیده‌تر
محدودیت‌های نسل دوم CPUها
- توان پردازشی همچنان کم
- محدودیت در اجرای برنامه‌های با نیاز محاسباتی بالا
- عدم پشتیبانی از سیستم‌عامل‌های چند وظیفه ای
- مصرف انرژی بالا در بارهای سنگین محاسباتی
CPUهای نسل سوم (۱۹۸۴-۱۹۸۹)
نسل سوم پردازنده‌های مرکزی در فاصله سال‌های ۱۹۸۴ تا ۱۹۸۹ راهی بازار شدند. این نسل نسبت به دو نسل قبلی پیشرفت قابل توجهی در زمینه‌هایی همچون معماری، فرکانس کاری و حافظه نهان داشتند. در ادامه، به بررسی ویژگی‌ها و کاربردهای مهم‌ترین CPUهای نسل سوم خواهیم پرداخت.
معماری و ویژگی‌های نسل سوم
مهم‌ترین تفاوت نسل سوم CPUها نسبت به نسل‌های قبل، ارتقای معماری به ۱۶ و ۳۲ بیت بود. همچنین فرکانس کاری آنها به ۱۶ تا ۳۰ مگاهرتز افزایش یافت. ظرفیت حافظه نهان نیز تا ۲۵۶ کیلوبایت رسید. البته مصرف توان همچنان در حد چند وات باقی ماند. با این ویژگی‌ها، نسل سوم CPUها توانستند عملکرد بهتری نسبت به نسل‌های قبلی داشته باشند.
مهم‌ترین CPUهای نسل سوم
Intel 80386
۳۸۶ یکی از محبوب‌ترین CPUهای نسل سوم بود که در سال ۱۹۸۵ توسط اینتل معرفی شد. این پردازنده از معماری ۳۲ بیتی بهره میبرد و فرکانس آن تا ۳۳ مگاهرتز می‌رسید. ۳۸۶ اولین پردازنده ۳۲ بیتی موفق در بازار به شمار می‌رفت.
Motorola 68020
پردازنده ۶۸۰۲۰ محصول شرکت موتورولا در سال ۱۹۸۴ با معماری ۳۲ بیتی عرضه شد. فرکانس کاری آن به ۱۶.۶۷ مگاهرتز می‌رسید. این پردازنده در رایانه‌های شخصی مکینتاش و آمیگا استفاده می‌شد.
Intel 80286
۲۸۶ یک پردازنده ۱۶ بیتی از خانواده x86 بود که در سال ۱۹۸۲ توسط اینتل تولید شد. فرکانس کاری آن به ۱۲.۵ مگاهرتز می‌رسید. این پردازنده در رایانه‌های شخصی IBM PC AT بکار رفت.
کاربردهای نسل سوم CPUها
CPUهای نسل سوم در رایانه‌های شخصی، کامپیوترهای همراه، سرورهای اولیه، دستگاه‌های الکترونیکی و سیستم‌های صنعتی بکار می‌رفتند. آنها توانستند بستر مناسبی برای پشتیبانی از سیستم‌عامل‌های چند وظیفه ای و برنامه‌های کاربردی پیچیده‌تر فراهم کنند.
مزایای نسل سوم CPUها
- افزایش قابل توجه سرعت و کارایی
- پشتیبانی از سیستم‌عامل‌های چند وظیفه ای مدرن
- امکان اجرای برنامه‌های پیچیده و با نیاز محاسباتی بالا
- گنجایش حافظه بیشتر و دسترسی سریع‌تر
- مصرف توان کم همچنان حفظ شده بود
محدودیت‌های نسل سوم CPUها
- عدم پشتیبانی از معماری ۶۴ بیتی
- محدودیت در پردازش چندرسانه‌ای و گرافیکی
- عدم وجود مدیریت نهان حافظه و پیش‌بینی شاخه
CPUهای نسل چهارم (۱۹۸۹-۱۹۹۴)
CPUهای نسل چهارم در فاصله سال‌های ۱۹۸۹ تا ۱۹۹۴ معرفی شدند. این نسل از پردازنده‌ها ویژگی بارز معماری ۶۴ بیتی داشتند که آنها را از نسل قبل متمایز می‌کرد. در ادامه به بررسی مشخصات و کاربردهای اصلی‌ترین CPUهای نسل چهارم خواهیم پرداخت.
ویژگی‌های نسل چهارم
مهم‌ترین ویژگی نسل چهارم پردازنده‌ها، پشتیبانی از معماری ۶۴ بیت بود که امکان پردازش داده‌های ۶۴ بیتی را فراهم می‌کرد. همچنین فرکانس کاری آنها به ۶۰ تا ۱۰۰ مگاهرتز افزایش یافته بود. ظرفیت حافظه نهان نیز به ۱ مگابایت رسیده بود. البته مصرف توان همچنان پایین و در حد چند وات باقی مانده بود.
Intel Pentium
یکی از محبوب‌ترین CPUهای نسل چهارم، پردازنده Pentium محصول شرکت اینتل بود که در سال ۱۹۹۳ معرفی شد. Pentium از معماری x86 استفاده می‌کرد و فرکانس آن تا ۲۳۳ مگاهرتز می‌رسید. این پردازنده به طور گسترده‌ای در رایانه‌های شخصی مورد استفاده قرار گرفت.
AMD K5
K5 یکی دیگر از پردازنده‌های محبوب نسل چهارم بود که توسط شرکت AMD در سال ۱۹۹۶ تولید شد. این پردازنده از معماری x86-32 بهره میبرد و تا فرکانس ۱۳۳ مگاهرتز عرضه می‌شد. K5 در رایانه‌های شخصی ارزان‌قیمت ترین بود.
PowerPC 601
پردازنده PowerPC 601 حاصل همکاری شرکت‌های موتورولا، ای‌بی‌ام و اپل بود که در سال ۱۹۹۲ با معماری RISC عرضه شد. فرکانس کاری آن به ۸۰ مگاهرتز می‌رسید. این CPU در رایانه‌های Power Macintosh اپل و سیستم‌های تحت UNIX بکار رفت.
کاربردهای نسل چهارم CPUها
CPUهای نسل چهارم به طور گسترده‌ای در رایانه‌های شخصی و سرورها استفاده می‌شدند. آنها توانستند پایه‌ای برای اجرای برنامه‌های کاربردی و سیستم‌عامل‌های پیچیده‌تر باشند. همچنین در دستگاه‌های الکترونیکی نیز کاربرد داشتند.
CPUهای نسل پنجم (۱۹۹۳-تاکنون)
از نسل پنجم به بعد، رشد قابل توجهی در فرکانس کاری، حافظه نهان و توان مصرفی CPUها مشاهده می‌شود. در نسل پنجم، فرکانس به بالای چند گیگاهرتز رسید. حافظه نهان به بالای چند مگابایت افزایش یافت. توان مصرفی نیز به بالای ۱۰۰ وات رسید. پردازنده‌هایی مانند Pentium Pro، Pentium II و AMD K6 از جمله CPUهای مهم این نسل محسوب می‌شوند.
تا امروز نیز نسل‌های جدیدتری از CPUها عرضه شده‌اند که ویژگی‌های پیشرفته‌تری دارند. معماری‌هایی مانند x86-64 و ARM جایگزین معماری‌های قدیمی شده‌اند. فرکانس کاری به بالای چند گیگاهرتز رسیده است. حافظه‌های نهان بزرگ و سریع‌تری وجود دارد. همچنین امکاناتی مانند SMT و هسته‌های چندگانه باعث افزایش بهره‌وری شده‌اند. البته توان مصرفی نیز به طور چشمگیری افزایش یافته است.
نتیجه‌گیری
در مجموع می‌توان گفت با گذر زمان و پیشرفت فناوری، CPUها از نظر سرعت، کارایی، ظرفیت و توانایی پردازش بهبود یافته‌اند. البته همزمان با بهبود عملکرد، مصرف برق آنها نیز افزایش قابل توجهی داشته است. در آینده انتظار می‌رود روند رشد سرعت و کارایی پردازنده‌ها ادامه داشته باشد و CPUهای پیشرفته‌تری با ویژگی‌های جدید معرفی شوند. البته چالش کاهش مصرف انرژی نیز همچنان یکی از دغدغه‌های اصلی طراحان است.
بررسی مهم ترین تفاوت نسل های CPU
امتیاز سردبیر
مجموع امتیاز
مزایای نسل سوم CPUها
