Oraylıq processor

nobaý|280x280 nükte|Oraylıq processordıń ishki kórinisi: Intel-diń Xeon 3060 integral sxeması, birinshi ret 2006-jılı islep shıǵarılǵan.
Oraylıq processor blogı (CPU) (ingl. central processing unit; CPU), sonday-aq oraylıq processor, tiykarǵı processor yamasa tek processor ‒ belgili bir kompyuterdiń tiykarǵı processorı bolıp tabıladı. Onıń elektron sxemaları arifmetikalıq, logikalıq, basqarıw hám kiriw/shıǵıw (I/O) operaciyaları sıyaqlı kompyuter programmasınıń kórsetpelerin orınlaydı. Bul rol tiykarǵı yadı hám I/O sxemaları sıyaqlı sırtqı komponentlerden hám grafikalıq processor blokları (GPU) sıyaqlı arnawlı qosımsha processorlardan ózgeshelenedi.

CPU-dıń forması, dizaynı hám ámelge asırılıwı waqıt ótiwi menen ózgergen, biraq olardıń tiykarǵı islew principi derlik ózgermegen. CPU-dıń tiykarǵı komponentlerine arifmetikalıq hám logikalıq operaciyalardı orınlawshı arifmetikalıq-logikalıq blogı (ALU), ALU-ǵa operandlardı jetkerip beriwshi hám ALU operaciyalarınıń nátiyjelerin saqlawshı processor registrleri hám ALU, registrler hám basqa komponentlerdiń koordinaciyalanǵan operaciyaların baǵdarlaw arqalı (yadtan) alıwdı, dekodlawdı hám (instrukciyalardı) orınlawdı shólkemlestiriwshi basqarıw blogı kiredi. Zamanagóy CPU-lar ónimdarlıqtı arttırıw ushın yarım ótkergishli aymaqtıń kóp bólegin keshlerge hám instrukciya dárejesindegi parallelizmge hám operaciyalıq sistemalardı hám virtuallastırıwdı qollap-quwatlaw ushın CPU rejimlerine ajıratadı.

Zamanagóy CPU-lardıń kópshiligi bir integral sxema (IS) mikroprocessorlarına, bir IS chipinde bir yaki bir neshe CPU-ǵa ornatılǵan. Bir neshe CPU-lı mikroprocessor chipları kóp yadrolı processorlar dep ataladı Processor yadroları dep atalatuǵın jeke fizikalıq CPU-lar CPU dárejesindegi kóp aǵımlılıqtı qollap-quwatlaw ushın kóp aǵımlı da bolıwı múmkin.

CPU-dı óz ishine alǵan IS, sonday-aq yad, periferiyalıq interfeysler hám kompyuterdiń basqa komponentlerin de óz ishine alıwı múmkin; bunday integraciyalanǵan qurılmalar hár qıylı túrde mikrokontrollerler yamasa chiptegi sistemalar (SoC) dep ataladı.

 Tariyxı 
nobaý|EDVAC, birinshi saqlanǵan programmalı kompyuterlerdiń biri
ENIAC sıyaqlı dáslepki kompyuterler hár qıylı wazıypalardı orınlaw ushın fizikalıq túrde qayta jalǵanıwı kerek edi, bul mashinalardıń "fiksirlengen programmalı kompyuterler" dep atalıwına sebep boldı. "Oraylıq processor" termini 1955-jıldan baslap qollanılıp kiyatır. "CPU" termini ádette programmalıq támiynat (kompyuter programması) orınlaw qurılması sıpatında anıqlanǵanlıqtan, CPU dep atalıwı múmkin bolǵan eń dáslepki qurılmalar saqlanǵan programmalı kompyuter payda bolǵannan keyin payda boldı.

Saqlanǵan programmalı kompyuter ideyası Djon Presper Ekert hám Djon Uilyam Mochlidiń ENIAC konstrukciyasında álleqashan bar edi, biraq onıń tezirek juwmaqlanıwı ushın dáslebinde alıp taslandı. 1945-jılı 30-iyunda, ENIAC jasalmastan burın, matematik Djon fon Neyman "EDVAC boyınsha esabattıń birinshi joybarı" dep atalǵan maqalasın tarqattı. Bul aqırı 1949-jıldıń avgustında juwmaqlanatuǵın saqlanǵan programmalı kompyuterdiń joybarı edi. EDVAC hár qıylı tiptegi belgili bir sandaǵı instrukciyalardı (yaki operaciyalardı) orınlaw ushın islep shıǵarılǵan. Áhmiyetlisi, EDVAC ushın jazılǵan programmalar kompyuterdiń fizikalıq ótkergishleri menen belgilenbey, joqarı tezliktegi kompyuter yadında saqlanıwı kerek edi. Bul ENIAC-tıń jańa wazıypanı orınlaw ushın kompyuterdi qayta konfiguraciyalaw talap etiletuǵın áhmiyetli sheklewin jeńdi. Fon Neymannıń konstrukciyası menen EDVAC isletken programma yadtıń mazmunın ózgertiw arqalı ǵana ápiwayı túrde ózgertiriliwi múmkin edi. EDVAC birinshi saqlanǵan programmalı kompyuter emes edi; kishi masshtablı eksperimental saqlanǵan programmalı kompyuter bolǵan Manchester Baby óz birinshi programmasın 1948-jılı 21-iyunda isletti, al Manchester Mark 1 bolsa óziniń birinshi programmasın 1949-jılı 16-17-iyun kúni túnde iske túsirdi.

Dáslepki oraylıq processorlar úlken hám geyde ózgeshe kompyuterdiń bir bólegi sıpatında qollanılatuǵın arnawlı konstrukciyalar (dizaynlar) edi. Degen menen, belgili bir qollanıw ushın arnawlı CPU-lardı islep shıǵarıwdıń bul usılı kóp muǵdarda islep shıǵarılatuǵın kóp maqsetli processorlardı islep shıǵarıwǵa jol berdi. Bul standartlastırıw diskret tranzistorlı meynfreymler hám minikompyuterler dáwirinde baslandı hám integral sxemasınıń (IS) keń tarqalıwı menen jedel túrde tezlesti. IS nanometr tártibindegi dállikke iye bolǵan barǵan sayın kompleksli CPU-lardı jobalawǵa hám islep shıǵarıwǵa múmkinshilik berdi. CPU-lardıń kishireyiwi hám standartlastırılıwı zamanagóy turmısta cifrlı qurılmalardıń arnawlı esaplaw mashinalarınıń sheklengen qollanılıwınan álleqayda asıp ketiwine sebep boldı. Zamanagóy mikroprocessorlar avtomobillerden baslap uyalı telefonlarǵa hátte geyde oyınshıqlarda da ushırasatuǵın elektron qurılmalarda payda bolmaqta.

Fon Neyman EDVAC dizaynı sebepli saqlanǵan programmalı kompyuterdiń konstrukciyası menen kóbinese baylanıstırılsa da, bul konstrukciya fon Neyman arxitekturası retinde belgili bolsa da, oǵan shekem Konrad Zuze sıyaqlı basqalar uqsas ideyalardı usınıs etken hám ámelge asırǵan edi. EDVAC-tan aldın juwmaqlanǵan Garvard Mark I-diń Garvard arxitekturası dep atalatuǵın konstrukciyası da elektron yadqa emes, tesilgen qaǵaz lentasın qollanıp saqlanǵan programma konstrukciyasın qollanadı. Fon Neyman hám Garvard arxitekturalarınıń arasındaǵı tiykarǵı ayırmashılıq, aqırǵısı CPU instrukciyaları menen maǵlıwmatlarınıń saqlanıwı hám isleniwin ajıratadı, al birinshisi ekewi ushın da birdey yad keńisligin qollanadı. Zamanagóy CPU-lardıń kópshiligi tiykarınan fon Neyman konstrukciyasına iye, biraq Garvard arxitekturasına iye CPU-lar da, ásirese ornatılǵan (engizilgen) qollanılıwlarda kórinedi; mısalı, Atmel AVR mikrokontrollerleri Garvard arxitekturalı processorlar bolıp tabıladı.

Releler hám vakuum trubkaları (termion trubkaları) kóbinese kommutaciya elementler sıpatında qollanılǵan; paydalı kompyuter mıńlaǵan yaki on mıńlaǵan kommutaciya qurılmalardı talap etedi. Sistemanıń ulıwma tezligi kommutatorlardıń tezligine baylanıslı. EDVAC sıyaqlı vakuum-trubalı kompyuterler buzılıwlar arasında ortasha esap penen segiz saat islewge umtılǵan, al ástenirek, biraq erterek bolǵan Garvard Mark I sıyaqlı releli kompyuterler-ádette siyrek buzılǵan. Aqırında, trubaǵa tiykarlanǵan CPU-lar ústemlik etti, sebebi usınılǵan áhmiyetli tezlik artıqmashılıqları ádette isenimlilik mashqalaların jeńip shıqtı. Bul ertedegi sinxron CPU-lardıń kópshiligi zamanagóy mikroelektron konstrukciyaları menen salıstırǵanda tómen saaatlıq tezliklerde islegen. Bul waqıtta 100 kGc-ten 4 MGc-ge shekemgi saat signalınıń jıyiligi kóp ushıraytuǵın edi, bul tiykarınan olar qurılǵan kommutaciya qurılmalardıń tezligi menen sheklengen edi.

 Tranzistorlı CPU-lar 
nobaý|IBM PowerPC 604e processorı
Túrli texnologiyalar kishirek hám isenimlirek elektron qurılmalar islewdi jeńilletken sayın CPU-lardıń dizayn quramalılıǵı arttı. Bunday birinshi jetiskenlik tranzistordıń payda bolıwı menen keldi. 1950-jıllar hám 1960-jıllardaǵı tranzistorlı CPU-lar endi vakuum trubkaları hám releler sıyaqlı úlken, isenimsiz hám názik kommutaciya elementlerden isleniwi kerek emes edi. Bul jetilistiriw menen, diskret (jeke) komponentlerdi óz ishine alǵan bir yaki bir neshe baspa platasına komplekslirek hám isenimlirek CPU-lar islendi.

1964-jılı IBM birdey programmalardı hár qıylı tezlikler hám ónimdarlıq penen islete alatuǵın bir qatar kompyuterlerde qollanılatuǵın IBM System/360 kompyuter arxitekturasın engizdi. Bul kópshilik elektron kompyuterleri, hátte bir óndiriwshi tárepinen jasalǵanlar da bir-birine sáykes kelmeytuǵın waqıtta áhmiyetli boldı. Bul jetiskenlikti jeńilletiw ushın IBM mikroprogramma (kóbinese "mikrokod" dep ataladı) koncepciyasın qollandı, ol zamanagóy CPU-larda ele de keń qollanıladı. System/360 arxitekturası sonshelli keń tarqalǵan edi, ol on jıllıqlar dawamında meynfreym kompyuter bazarında ústemlik etti hám IBM zSeries sıyaqlı uqsas zamanagóy kompyuterler tárepinen dawam etilip atırǵan miyrastı qaldırdı. 1965-jılı Digital Equipment Corporation (DEC) ilimiy hám izertlew bazarlarına baǵdarlanǵan jáne bir tásirli kompyuterdi — PDP-8-di tanıstırdı.
nobaý|Fujitsu platası SPARC64 VIIIfx processorları menen 
Tranzistorǵa tiykarlanǵan kompyuterlerdiń ózleriniń aldıńǵılarına qaraǵanda bir qansha ayrıqsha artıqmashılıqları bar edi. Isenimliliktiń artıwı hám energiya tutınıwdıń azayıwın jeńilletiwden tısqarı, tranzistorlar CPU-lardıń trubka yaki relege salıstırǵanda tranzistordıń qısqa qosqısh waqtı sebepli ádewir joqarı tezliklerde islewine múmkinshilik berdi. Bul waqıtqa kelip, qosqısh elementlerdiń (olar derlik tolıǵı menen tranzistorlar edi) isenimliliktiń artıwı hám tezliktiń anaǵurlım artıwı nátiyjesinde, onlaǵan megagerclik CPU saat tezlikleri ańsatlıq penen alındı. Bunnan tısqarı, diskret tranzistor hám IS CPU-ları keń qollanılıp atırǵan waqıtta, bir instrukciya, kóp maǵlıwmat (SIMD) vektorlı processorları sıyaqlı jańa joqarı ónimdarlıq konstrukciyalar payda bola basladı. Bul dáslepki eksperimental dizaynlar keyin Cray Inc hám Fujitsu Ltd tárepinen islengen sıyaqlı qánigelestirilgen superkompyuterler dáwirine jol ashtı.

 Kishi masshtablı integraciyalanǵan CPU lar 
nobaý|DEC PDP-8/I kompyuteriniń CPU sı, tiykarǵı yadrosı hám sırtqı shina interfeysi, ortasha masshtablı integral sxemalardan islengen
Bul dáwirde kóp sanlı baylanısqan tranzistorlardı sheklengen keńislikte islep shıǵarıw usılı rawajlandı. Integral sxema (IS) kóp sanlı tranzistorlardı bir yarım ótkizgishli kristalda yamasa "chip"te islep shıǵarıwǵa múmkinshilik berdi. Dáslep tek NOR logikalıq dárwazaları sıyaqlı ápiwayı arnawlı emes cifrlı sxemalar ǵana IS lerge miniatyurizaciyalandı. Usınday "qurılıs blokları" IS lerine tiykarlanǵan CPU lar ulıwma túrde "kishi masshtablı integraciya" (SSI) qurılmaları dep ataladı. Apollo Guidance Computer te qollanılǵan SSI IS lar sıyaqlı qurılmalar ádette bir neshe onlaǵan tranzistorlardı óz ishine alatuǵın edi. Tolıq CPU dı SSI IS larden qurıw ushın mıńlaǵan ayırım chipler talap etiletuǵın edi, biraq bul bunnan aldınǵı diskret tranzistorlı dizaynlarǵa salıstırǵanda ádewir az orın hám quwat talap etetuǵın edi.

IBM kompaniyasınıń System/360 tiń dawamı System/370 úlgisi, Solid Logic Technology diskret tranzistorlı modulleri ornına SSI IS lerin qollandı. DEC kompaniyasınıń PDP-8/I hám KI10 PDP-10 úlgileri de PDP-8 hám PDP-10 da qollanılǵan ayırım tranzistorlardan SSI IS lerine ótti, al olardıń júdá keń tarqalǵan PDP-11 qatarı dáslep SSI IS leri menen qurılǵan edi, biraq aqırında LSI komponentleri ámeliy jaqtan qolaylı bolǵannan keyin olar menen iske asırıldı.

 Úlken masshtablı integraciyalanǵan processorlar 
Li Boysel tásirli maqalalar járiyaladı, sonıń ishinde 1967-jılǵı "manifest" te bar edi, onda 32-bitlik úlken kompyuterdiń ekvivalentin salıstırmalı túrde az sandaǵı úlken masshtablı integraciyalanǵan (LSI) sxemalardan qurıw usılları súwretlengen. Júz yamasa onnan da kóp geytleri bar LSI chiplerin qurıwdıń jalǵız jolı olardı metal-oksid-yarım ótkizgish (MOS) yarım ótkizgish óndiris processi (PMOS logikası, NMOS logikası yamasa CMOS logikası) arqalı qurıw edi. Degen menen, geybir kompaniyalar 1970-jıllarǵa shekem bipolyar qosılıs tranzistorları MOS chiplerine qaraǵanda tezirek bolǵanlıqtan, processorlardı bipolyar tranzistor-tranzistor logikalı (TTL) chiplerden qurıwdı dawam etti (Datapoint sıyaqlı bir neshe kompaniyalar 1980-jıllardıń basına shekem processorlardı TTL chiplerden qurıwdı dawam etti) 1960-jıllarda, MOS integral sxemaları ásterek edi hám dáslep tek tómen quwat talap etetuǵın qollanıwlarda paydalı dep esaplandı... 1968-jılı Fairchild Semiconductor kompaniyasında Federiko Fadjin tárepinen kremniy-geytli MOS texnologiyasınıń islep shıǵılıwınan keyin, MOS integral sxemaları 1970-jıllardıń basında bipolyar TTL ornın standart chip texnologiyası sıpatında iyeledi.

Mikroelektronika texnologiyası rawajlanǵan sayın, integral sxemalarǵa kóbirek tranzistorlar jaylastırıldı, tolıq processor ushın kerek bolǵan ayırım integral sxemalar sanı azaydı. MSI hám LSI integral sxemaları tranzistorlar sanın júzlerge, keyin mıńlarǵa kóbeytti. 1968-jılǵa kelip, tolıq processordı qurıw ushın zárúr bolǵan integral sxemalar sanı segiz túrli tiptegi 24 integral sxemaǵa deyin qısqardı, hárbir integral sxemada shama menen 1000 MOSFET bar edi. Óziniń SSI hám MSI aldıńǵılarına qaraǵanda, PDP-11 diń birinshi LSI implementaciyası tek tórt LSI integral sxemasınan turatuǵın processordan ibarat edi.

 Derekler 

__BÖLİDİMÖNDEMEW__
Kategoriya:Kompyuter arxitekturası