הכל על עח יחידת העיבוד המרכזית CPU 

Cpu-יחידת העיבוד המרכזית


מעבדים 486 ו386 של אינטל
מוחו של האדם, קולט נתונים מהסביבה בכל רגע ורגע. הנתונים נקלטים ומועברים דרך מרכזי העצבים למוח שם הם מעובדים. בהתאם לתוצאות הניתוח נשלחים אותות שליטה והפעלה אל איברי הגוף. יחידת העיבוד המרכזית משולה למוחו של האדם. יחידה זו עושה את כל פעולות ה"חשיבה" שעושה המחשב ותפקידן של שאר היחידות הוא לסייע לה. כאמור יחידה זו כוללת שתי יחידות עיקריות : יחידה אריתמטית- לוגית (ALU) ו יחידת בקרה (Control Unit).מעבד, יחידת העיבוד המרכזית (CPU - Central Processing Unit), הוא החלק המרכזי במחשב, מוחו של המחשב, שמבצע את הפקודות המאוחסנות בזכרון המחשב. פקודות אלה הן פקודות אלמנטריות ביותר, כשכל פקודה בנויה מרצף קצר של ביטים, שמשמעותו מובנת על-ידי המעבד. רצף זה קרוי שפת מכונה. כל דגם של מעבד מתאפיין בסט הפקודות שלו.
המעבדים המודרניים (המכונים מיקרו-מעבדים) בנויים על גבי שבב אחד בודד. יכולותיו של המעבד כוללים קריאת מידע מהזיכרון או מהתקנים שונים, ביצוע פעולות מתמטיות ולוגיות על מידע זה וכתיבת תוצאות החישוב בחזרה לזיכרון או לחלופין שליחתו להתקנים חיצוניים. יכולת זו מאפשרת למעבד גמישות רבה מספיק בכדי לשמש למגוון רחב ביותר של יישומים.
מבחינה מספרית, הרוב המכריע של המעבדים המיוצרים כיום, משמשים כיחידות בקרה של מוצרי צריכה דוגמת: צגים, מדפסות, מכוניות,מכונות כביסה וכן הלאה. עם זאת, המעבדים בעלי החשיבות הרבה ביותר מבחינה טכנולוגית, בהם מתמקדים רוב מאמצי המחקר והפיתוח הם המעבדים המשמשים כיחידת עיבוד מרכזית במחשב.
רקע היסטורי
עד ראשית שנות השבעים היו מחשבים מורכבים ממספר רב של מעגלים מודפסים ותפסו נפח עצום, לעיתים אפילו קומות שלמות. נקודת המפנה החשובה ביותר היתה פיתוח המיקרו-מעבד, שהכיל את כל החומרה הדרושה על גבי שבב יחיד. כיום כל המעבדים הנמצאים בשימוש הם מיקרו-מעבדים.
המיקרו-מעבד הראשון היה ה-4004 שפותח בשנת 1971 על ידי חברת אינטל[חברה מובילה בייצור מעבדים ומוצרי מחשבים, פיתחה את המעבדים הראשונים למחשבי IBM. לאינטל שני מפעלים בישראל, האחד בירושלים והשני בקרית גת. כמו כן קיימים בארץ מרכזי פיתוח, אחד מהם בחיפה. מרכז הפיתוח בחיפה אחראי לפיתוח ליבות ה- Dothan, ה- Banias, ה- Merom וה- Y], שעסקה עד אז בפיתוח ויצור שבבי זיכרון. במקור פותח ה-4004 עבור מחשבי כיס של חברת Busicom היפנית. שבב זה היה הראשון שגישר על הפער שבין שבבים יעודיים בעלי יכולת מוגבלת שנועדו לישום מסויים (לדוגמה מחשבי כיס) לבין יחידות עיבוד במחשבים שהיו קיימים אז, שהורכבו ממספר רב של מעגלים מודפסים שונים. יכולת החישוב של ה-4004 היתה מוגבלת למדי והוא התבסס על פעולות של 4 סיביות בלבד, כך שלא היה מתאים לשימוש במחשב.
ה-8008 שפותח בשנת 1972 הרחיב את יכולת המעבד לעבודה על 8 סיביות, ובשנת 1974 פיתחה אינטל גירסה משוכללת יותר, ה-8080, ששימשה מאוחר יותר כיחידת עיבוד מרכזית במחשבים ביתיים.
במקביל ל-8080 פותחו גם מספר מעבדים מתחרים כגון Z80 של חברת זילוג (שהוקמה על ידי אחד המהנדסים שהיה אחראי על פיתוח ה-4004 באינטל), ה-6800 של חברת מוטורולה וה-6502 של חברת MOS Technology, שהיו כולם פופולריים במחשבים ביתיים בראשית שנות ה-80.
בשנת 1981 בחרה חברת IBM ב-8086 של אינטל[חברה מובילה בייצור מעבדים ומוצרי מחשבים, פיתחה את המעבדים הראשונים למחשבי IBM. לאינטל שני מפעלים בישראל, האחד בירושלים והשני בקרית גת. כמו כן קיימים בארץ מרכזי פיתוח, אחד מהם בחיפה. מרכז הפיתוח בחיפה אחראי לפיתוח ליבות ה- Dothan, ה- Banias, ה- Merom וה- Yonah.], יורשvoו של ה-8080, בתור יחידת העיבוד המרכזית עבוד מחשב האישי שלה והפכה בכך את משפחת ה-x86 של אינטל למעבדים הפופולאריים ביותר. מעט מאוחר יותר, בשנת 1984, בחרה חברת אפל במעבד מתחרה, ה-68000 של חברת מוטורולה עבור מחשבי המקינטוש, וכך סידרת המעבדים של מוטורולה הפכה לשניה בתפוצתה אחרי המעבדים של אינטל, עד שהוחלפה בשנת 1991 במעבד הpowerPC שפותח במשותף על ידי מוטורולה, IBM ואפל.
פעולת ומבנה המעבד
כל מעבד מורכב ממספר יחידות המבצעות פעולות שונות. במעבדים מודרניים המבוססים על שיטת צינור עיבוד נתונים (Pipeline), כל אחת מיחידות אלו פועלת בנפרד.
לצורך ביצוע פעולה בודדת צריכות להתבצע הפעולות הבאות:
? חישוב הכתובת בה נמצאת הפקודה הבאה.
? קריאת הפקודה הבאה לביצוע מהזיכרון.
? פיענוח הפקודה: בשלב זה המעבד מפענח מהי הפקודה שצריכה להתבצע, איזו יחידת ביצוע להפעיל ואילו משתנים מעורבים. במעבדים בעלי ארכיטקטורת CISC, פקודת אסמבלי בודדת עשויה להפוך בשלב הפיענוח למספר פקודות פנימיות של המעבד.
? חישוב: בשלב זה קוראים ערכים מהזיכרון במידה וצריך (במעבדים מסויימים הקריאה מהזיכרון נחשבת לשלב נפרד), ובהתאם לסוג הפעולה מופעלת יחידת החישוב המתאימה של המעבד לביצוע הפעולות האריתמטיות והלוגיות הרלוונטיות.
? כתיבה חזרה לזיכרון: הערך המחושב נכתב למקום בו אמורה להתאכסן התוצאה.
יחידות המרכיבות את המעבד: יש לציין כי במיקרו-מעבד כל היחידות השונות יושבות על אותו השבב, והחלוקה ליחידות קיימת רק בשלב התכנון. החלוקה ושמות היחידות שונות במעט ממעבד אחד למשנהו, אבל מעבדים מודרניים מורכבים בדרך-כלל מהיחידות הבאות:
? מטמון L0: זיכרון מהיר במיוחד, המשמש לאיכסון פקודות המיועדות לביצוע. במקום לפנות בכל פעם לזיכרון הכללי, פעולה הדורשת זמן רב, מאכסנים במטמון L0 את אוסף הפקודות הבאות בתור לביצוע.
? מטמון L1: זיכרון מהיר המשמש לצורך זירוז העבודה עם הזיכרון הראשי לצורך כתיבת נתונים. זיכרון זה מאכסן את האזורים האחרונים בזיכרון בהם השתמשו לצורך כתיבה או קריאה. במעבד פנטיום 4 לדוגמה, גודל מטמון זה הוא 64K.
? מטמון L2: זיכרון מעט איטי יותר מ-L1 אבל עדיין מהיר בהרבה מהזיכרון החיצוני. בעבר מטמון זה ישב בשבב נפרד מחוץ למעבד, אבל כאשר ניתן היה להכניס מספיק טרנזיסטורים בשבב אחד, הוכנס גם מטמון זה אל תוך המעבד. גודלו של מטמון L2 מגיע ל-1MB במעבדי פנטיום 4 חדשים.
? מטמון L3: זיכרון איטי מהL2 שנמצא בחלק ממעבדי הXEON ומעבדי הEE של אינטל אבל לא נמצא ברוב המעבדים.
? יחידת קריאה ופיענוח: יחידה האחראית על שלבי הקריאה והפיענוח של פקודות.
? יחידת ניבוי קפיצות: בשפת האסמבלי ישנן פקודות קפיצה המורות למעבד לעבור לביצוע פקודה בכתובת מסויימת שאינה בהכרח הכתובת הבאה בזיכרון. פקודות קפיצה אלו הן ברובן מותנות, כלומר: הקפיצה תבוצע רק אם תנאי מסויים יתקיים. בכדי שניתן לקרוא ולפענח את הפקודה הבאה לפני שידוע אם התנאי אכן מתקיים או לא, המעבד מנסה לנחש האם הקפיצה תבוצע על סמך ניסיון העבר.
? יחידה לוגית אריתמטית: יחידה זו מבצעת פעולות במספרים שלמים ופעולות לוגיות שונות.
? יחידת חישוב בנקודה צפה: יחידה זו מבצעת פעולות במספרים ממשיים. במעבדים ישנים (לדוגמה 80386), לא היתה במעבד יחידה כזו והיה צורך בשבב חיצוני שיבצע את הפעולות במספרים ממשיים. כיום זהו חלק אינטגרלי מהמעבד עצמו.
? בקר BUS: ה-BUS הוא האמצעי המקשר בין המעבד לבין הזיכרון וההתקנים החיצוניים במחשב. לצורך סינכרון התקשורת ב-BUS יש צורך בבקר (controller) שתפקידו לווסת ולפקח על התעבורה ב-BUS. בעבר גם יחידה זו היתה בשבב נפרד וכיום זהו חלק מהמעבד עצמו. יחידה זו היתה צואר הבקבוק של המעבד, בגלל שהקריאה והכתיבה לזכרון היו נמוכים באופו משמעותי ממהירות המעבד עצמו, והוא היה צריך להמתין מחזורי שעון על מנת לבצע את הקריאה. עם ההתקדמות הועלתה מהירותו ובמעבדי פנטיום 4 החדישים היא עומדת על 1066MHz. שהיא כשליש ממהירות המעבד עצמו. תפקידו של זכרון מטמון L2 הוא לגשר על הפער בין מהירות המעבד למהירות הערוץ.
מושגים בסיסיים במיקרו-מעבדים
? מהירות שעון או תדר עבודה: בכל מעבד ישנו שבב הפולט פולסים. פולסים אלו מווסתים את קצב פעולת המעבד. ככלל, ככל שמהירות השעון גבוהה יותר כך המעבד מהיר יותר, אם כי אין זה הפרמטר היחיד הקובע את מהירות המעבד. במחשב הIBM-PC הראשון היה מעבד 8086 היתה מהירות שעון של 4.77MHz, כלומר 4.77 מיליון פולסים לשניה. במעבדי פנטיום 4 הנמכרים בשנת 2004 מהירות שעון של עד 3.8GHz, כלומר 3.8 מיליארד פולסים לשניה.
? צינור עיבוד נתונים (Pipeline): שיטת תכנון מעבד בה מחולקת העבודה למספר שלבים המבוצעים במקביל. לדוגמה: בזמן שתוצאות הוראה אחת נכתבות לזיכרון, ההוראה הבאה מתבצעת, וההוראה הבאה אחריה כבר מפוענחת. מעבד ה-8086 לא היה בנוי בשיטת צינור עיבוד נתונים ולכן היה צריך לחכות שהוראה תתבצע עד תומה לפני שהמעבד התחיל לבצע את ההוראה הבאה. מסיבה זו במעבד זה לכל הוראה לקח משך זמן של 3-4 תקתוקי שעון בכדי להתבצע. ככל שהעבודה מחולקת לחלקים קטנים יותר כך ניתן להפעיל את המעבד בתדר גבוה יותר, אלא שיש לכך מחיר: במעבד בעל צינור עבודה ארוך במיוחד, אם התבצעה טעות בשלב מוקדם (לדוגמה, יחידת הניבוי ביצעה ניחוש מוטעה לגבי הכתובת של ההוראה הבאה) יקח זמן רב יותר להתאושש מהטעות.
? סופר-סקלאר: מעבד המכיל מספר יחידות המסוגלות לבצע פעולות שונות השייכות לאותו שלב בצינור הביצוע במקביל. לדוגמה, מעבד עשוי להכיל יחידה אחת עבור פעולת החילוק ויחידה נפרדת עבור פעולת הכפל, וכך ניתן לבצע את פעולת הכפל של ההוראה הבאה לפני שפעולת החילוק הסתיימה.
? Out of order machine: מעבדים מודרניים סופר-סקלאריים מסוגלים לשנות את סדר ביצוע הפעולות בכדי להפעיל כמה יחידות חישוב במקביל וליעל את קצב העבודה של המחשב. הרעיון הוא שכאשר פקודה מסויימת מחכה לתוצאות של חישובים שטרם הסתיימו, ניתן לבצע בינתיים את הפעולות הבאות אחריה, כל עוד פעולות אלו אינן תלויות בחישובים שטרם הסתיימו.
? פעולות לתקתוק שעון (Instructions per cycle): מרכיב נוסף המשפיע על מהירות המעבד בנוסף למהירות השעון שלו הוא מספר הפעולות שהמעבד מסוגל לבצע בתקתוק שעון. מעבד ה-8086 לדוגמה היה מסוגל לבצע פעולה ב-4 תקתוקי שעון. מעבדים מודרניים כגון הפנטיום 4, האתלון של חברת AMD וה-PowerPC של IBM ומוטורולה מסוגלים לבצע יותר מאשר פעולה אחת בכל תקתוק של השעון.
? CISC לעומת RISC: המעבדים הראשונים תוכננו לפני המצאת צינור עיבוד הנתונים ולכן שפת הסף שלהם איפשרה ביצוע פעולות מורכבות יחסית שאינן יכולות להתחלק באופן יעיל לחלקים קטנים יותר. מעבדים אלו כונו מעבדי CISC (ר"ת של Complex Instruction Set Computer). עם המצאת השיטה של צינור עיבוד הנתונים, פותחו מעבדים חדשים עם שפה שהותאמה במיוחד לשיטה זו. שפת המכונה של מעבדים אלו הכילה פקודות פשוטות יותר אותן קל לחלק לשלבים, ולכן כונו RISC (ר"ת של Reduced Instruction Set Computer). אף על פי שמעבדי RISC נחשבו ליעילים יותר, מעבדי אינטל ותואמיהם (כולל המעבדים של AMD) המשיכו לעבוד בשיטת ה-CISC בכדי לשמור על תאימות לשפת המכונה של המעבדים הקודמים. לעומתם, ה-PowerPC המשמש במחשבי המקינטוש הוא מעבד RISC. עם זאת, עם הזמן הצטמצם הפער בביצועים בין CISC ל-RISC, כאשר מעבדי CISC מודרניים כגון הפנטיום-4 והאתלון מתרגמים כל פקודה בשפת המכונה המורכבת שלהם לשפת RISC פנימית.
תהליך יצור המעבד
את המעבדים מייצרים בתהליך המכונה ליתוגרפיה, במהלכו נסרקת התבנית של המעגל באמצעות קרן לייזר באורך גל מסויים ומועתקת אל שיכבה דקה של מוליך למחצה, כגון סיליקון. מפאת גודלם הזעיר של הרכיבים, כל גרגיר אבק קטנטן עלול לקלקל את הרכיב, ולכן מייצרים את המעבדים באזורים מיוחדים חדרים נקיים, שבהם רמת החלקיקים באויר נמוכה פי 1000 מחדר ניתוח, הטכנאים לבושים בחליפות מיוחדות המכונות בעגה Bunny-Suits. בתהליך זה מדפיסים מספר רב של מעבדים על פרוסת סיליקון, אותה חותכים למעבדים רבים בסיום התהליך. מעבדים איכותיים יותר, מקבלים את מהירות השעון המקסימלית ואילו מעבדים באיכות פחות טובה, מקבלים מהירות שעון נמוכה יותר. עובי ההדפסה של קוי המתאר של מוליכי המעבד קטנה משנה לשנה, על מנת שיהיה אפשר לחסוך בחשמל, להעלות את מהירות השעון של המעבד ולבנות מעבדים מורכבים יותר על-ידי הגדלת מספר הרכיבים. באמצע 2004 עובי הקוים של המעבד עומד במעבדי אינטל החדשים על 0.09 מיקרון. כיום (יולי 2005) המעבדים מיוצרים בטכנולוגיה של על 65 ננומטר (0.065 מיקרון).

מעבדים ממוזערים למחשבים ניידים
בעבר הלא רחוק, כל משתמשי המחשבים הניידים למינייהם יכלו למנות המון חסרונות שיש למחשב הנייד אל מול השולחני, חלק מהחסרונות שחזרו על עצמם שוב ושוב היו: התחממות גבוהה של המחשב, סוללה המספיקה לזמן קצר מדי ומשקל לא סביר למחשב הנייד.
עם הזמן הנושא נחקר ונבדק והמסקנות שהגיעו אליהם מפתחי המעבדים השונים הן: ניתן לשפר את ביצועי המעבד ובכך לגרום לו להתחמם פחות לצרוך פחות חשמל ובכך להגדיל את זמן אספקת החשמל הניתן ע"י הסוללה ואף לשקול פחות מכל מעבד ממוזער רגיל. כך לאחר הפקת הלקחים ויישום המסקנות הגיע יורשם של מעבדי ה-pentium 4 ו- amd, מעבד חדיש ושמו Intel centrino מעבד זה הוא פרי פיתוחה של חברת פנטיום העולמית, למחשבים ניידים אשר מצויידים במעבד מסוג זה יש את כל התכונות שצויינו לעיל (התחממות נמוכה יותר, צריכת חשמל נמוכה ומשקל נמוך ב-50% !! ממעבדים ממוזערים רגילים.
מעבד זה אף צויד במשדר ומקלט bluetooth אשר מאפשר התחברות אלחוטית לאביזרים (כולל טלפון סלולרי) ללא כל מתאם נוסף ולטווחים שנעים בין 10 ל-100 מטרים (תלוי ביכולת האביזר).
חשוב לציין כי ביצועי מעבד זה מגיעים ל-1.8 MHZ אמנם פחות ממעבד הפנטיום 4 הרגיל אך להפחתת המהירות יש משמעות, לפי המפתחים - מעבד יכול להגיע למהירות מסויימת ולעבוד מצויין, לא להתחמם ואף לצרוך כמות נמוכה של חשמל אך ברגע שהוא עובד במהירות גבוהה יותר (במקרה זה יותר מ-1.8) הוא מתחמם וצורך הרבה חשמל. מעבד זה מגיע למהירות הנדרשת, עובד כנדרש ללא כל דופי ובכך מתבטאות התכונות החיוביות שבו.
ביצועי המעבד
לכמות הטרנזיסטורים במעבד יש השפעה ישירה על ביצועיו. למעבד הראשון שכלל בתוכו קצת יותר מ 2000 אלפיים טרנזיסטורים לקחו כמה עשרות סיבובי שעון כדי להשלים הוראה אחת (שכוללת בתוכו עשרות פקודות מעבד), אך ככל שהתאפשר לדחוף יותר ויותר טרנזיסטורים על פרוסת סיליקון, עוצמתם של המעבדים גדלה. כמות גדולה של טרנזיסטורים מאפשרת הכנסת טכנולוגיות המשפרות את פעולת המעבד. אחת מהן נקראת Pipelining. בעזרת אלגוריתם מתמטי המעבד יכול "לנחש" מה יהיו הפקודות הבאות ומתחיל לבצע אותן במקביל, גם לפני שהפעולות הקודמות הסתיימו. כאשר הוא מסיים פקודה לפני שהקודמת הסתיימה הוא מאכסן את התוצאות בזכרון המהיר מאוד שממוקם אף הוא על ליבת המעבד ונקרא זכרון מטמון (Cash Memory). תפקידו של זכרון זה הוא לאכסן ערכים שחושבו מראש ע"י המעבד ומחכים למעבד שיחליט מה לעשות איתם. למעשה נוצר מצב שבמעבד ישנן פקודות שנמצאים בשלבים שונים של ביצוע כי לוקח מספר סיבובי שעון להשלים הוראה אחת, אבל הוא מסיים לבצע שתיים או יותר בכל סיבוב שעון. טכנולוגיה זו דורשת המון טרנזיסטורים עקב הקושי ליישם אותה.
למעשה מעבדים היום כוללים טכנולוגיות שונות שמעלות באופן ניכר את מספר הטרנזיסטורים במעבד. טכנולוגיות אלו מייעלות את פעילותו של המעבד. היום מעבדים מבצעים מיליארדי פעולות בשניה גם בזכות מהירות השעון וגם בזכות תכנון נכון.