تب داغ پردازنده‌ های 64 بیتی

ویندوز 7 اولین سیستم ‌عاملی است که مخصوص پردازنده‌های 64 بیتی طراحی شده است. با طراحی و ساخت آن، محاسبات رایانه‌ای برای کاربران عادی نیز اهمیت ویژه‌ای پیدا کرد. ما در اینجا قصد داریم به مقایسه پردازنده‌های  64 بیتی و 32 بیتی بپردازیم. همچنین می‌خواهیم بدانیم ایده ساخت این پردازنده‌ها چگونه شکل گرفت و به ‌تدریج تکامل یافت تا به زمان ما رسید؟ تا شما هم بتوانید با اطلاعات به‌دست آمده برای استفاده یا عدم استفاده از این فناوری جدید تصمیم‌گیری کنید که آیا پا به دنیای محاسبات رایانه‌ای قرن 21 بگذارید یا نه؟

پیشینه پردازنده‌های 64 بیتی

این پردازنده‌ها از سال 2003 که Athlon 64 به‌خدمت گرفته شد، به‌عنوان پردازنده‌های رده متوسط مطرح بودند و امروزه نیروبخش بیشتر رایانه‌ها هستند. اما هنوز عده زیادی از مردم به ‌واسطه استفاده از نگارش‌های 32 بیتی سیستم ‌عامل‌ها و برنامه‌های کاربردی نرم‌افزاری، نمی‌توانند از مزایا و فواید حاصله از فناوری این پردازنده‌های 64 بیتی بهره‌مند شوند.

درون پردازنده چه می‌گذرد؟

در این بخش درباره گستردگی ثبات‌ها (Register)، گذرگاه داده (Data bus) و گذرگاه نشانی (Address bus) صحبت می‌کنیم.

ثبات‌ها: مکان‌هایی از حافظه درون پردازنده هستند که هنگام انجام عملیات‌های ریاضی و منطقی به‌وسیله واحد حساب و منطق (ALU 1) مورد استفاده قرار می‌گیرند.

با فرض این‌که شما مقادیر عددی را در دو سوی حافظه اصلی داشته و همچنین نرم‌افزاری دارید که باید این مقادیر عددی را با هم جمع کرده و حاصل را در مکان سومی ذخیره کند، این عملیات با در نظر گرفتن جایی در فهرست ثبات‌ها برای مقدار عددی مکان حافظه اول، افزودن عدد مکان حافظه دوم به عدد موجود در ثبات و سپس ذخیره عدد به‌دست آمده از مجموع آن دو عدد در یک مکان حافظه سوم در میان ثبات‌ها، انجام می‌شود.

محدودیت‌هایی نیز برای این مقادیر در یک عملیات وجود دارد، اگرچه این نرم‌افزار توانایی ذخیره اعداد بزرگتر را در مکان‌های متعدد حافظه دارد و می‌تواند با انجام عملیات‌های متعدد در بیش از یک ثبات کار کند، اما محدودیت‌هایی نیز برای این مقادیر در یک عملیات وجود دارد، ضمن این‌که مساله تعدد ثبات‌ها، روند انجام کارها را کند می‌کند.

گذرگاه داده: یک خط ارتباطی الکترونیکی است که برای انتقال داده بین پردازنده و حافظه به‌کار می‌رود و وسعت پهنای آن به اندازه تعداد اتصالات موازی آن است.

گذرگاه آدرس: عبارت است از خطوط سیگنال‌های الکترونیکی، که پردازنده برای تعیین مکان حافظه‌ای که عدد باید از آنجا بازخوانی یا بازنویسی شود، به‌کار می‌برد.

پهنای گذرگاه آدرس، میزان دسترسی پردازنده به حافظه را تعیین می‌کند. پهنای داخلی یا منطقی این نشانی با پهنای خارجی یا فیزیکی آن می‌تواند متفاوت باشد. نشانی‌های مسیر 8، 16 و 32 بیتی اجازه می‌دهند که 256 بایت، 64کیلوبایت و 4گیگابایتی آدرس‌دهی شوند. این مقدار حافظه، متناسب با پهنای گذرگاه آدرس، افزایش می‌یابد. در حقیقت با هر بیت اضافی 2برابر می‌شود.

تحول پردازنده‌ها:

در دنیای محاسبات رایانه‌ای، افزایش بیت‌ها در پردازنده‌ها، رویدادی عادی و روزمره نیست. حرکت به‌سمت 64 بیتی شدن اولین نمونه نادر از چنین تغییراتی بود که از زمان جایگزینی پردازنده‌های 32 بیتی به‌جای 16 بیتی در سال 1985 به‌وقوع پیوست.

در فرآیند تحول پردازنده‌های 4 بیتی به 8، 16 و 32 بیتی، رقم بیت در هر مورد، نشانگر مقدار پهنای ثبات‌های پردازنده بود. از آنجایی که بارگذاری مقادیری از حافظه به ثبات‌ها و ذخیره مجدد آن درون حافظه، 2 عملیات کاری معمول ریزپرازنده‌ها هستند، معقول خواهد بود که فرض کنیم گذرگاه داده نیز پهنای مشابهی دارد. اما این امر در تمام موارد صدق نمی‌کند.

طراحان پردازنده‌ها در این فرایند تحول، تعداد پین‌های پردازنده‌ها را کاهش دادند تا طراحان رایانه قادر باشند سخت‌افزارهای ساده‌تری را در ساخت مادربوردها به کار ببرند. که البته این تغییر تاثیرات منفی را نیز به‌همراه داشت. چرا که هربار که پردازنده دستورالعملی را برای دسترسی به‌مقدار عددی 16بیت صادر می‌کرد، در پشت پرده دو انتقال داده 8بیتی صورت می‌گرفت و این امر تاثیری منفی روی برنامه‌های کابردی وابسته به حافظه می‌گذاشت. این موضوع در مورد پردازنده‌های 32بیتی نیز مصداق داشت، از جمله پردازنده‌های DX و مدل SX که به‌ ترتیب گذرگاه داده داده خارجی 32 و 16 بیتی داشتند. در پردازنده 80486 گذرگاه داده 32 بیتی، پهنایی مشابه فهرست ثبت آن داشت، اما در مورد پنتیوم، مسیر داده تا 2 برابر اندازه ثبات‌هایش یعنی 64بیت رشد کرد. (البته با برآیند کاهش در پهنای باند حافظه.)

کدام پهنا؟

بر خلاف مسیر داده، هیچ دلیلی مبنی‌ بر وجود ارتباطی معین بین پهنای فهرست ثبت و پهنای نشانی مسیر در دست نیست، مگر به‌منظور ساده‌سازی ساختار پردازنده.

با ظهور هر نسل جدید از پردازنده‌ها، نشانی مسیر پهن‌تر می‌شد تا دسترسی به مقادیر بیشتری از حافظه را برای تراشه امکان‌پذیر سازد، اما همواره بین پهنای فهرست‌های ثبت، اختلاف اندازه‌ای وجود داشت.

برای مثال یک پردازنده 4 بیتی با 4 بیت گذرگاه آدرس، تنها می‌تواند به 16 بایت حافظه دسترسی داشته باشد و یک گذرگاه آدرس 8 بیتی، می‌تواند اجازه آدرس‌دهی 256 بایت را به آن بدهد که حتی بر اساس استانداردهای سال 1980 نیز بسیار ناچیز است. به‌ همین دلیل بیشتر پردازنده‌های 8 بیتی، نشانی مسیر 16بیتی دارند و این یعنی اینکه می‌توانند به 64 کیلوبایت حافظه دسترسی داشته باشند. پردازنده‌های 16بیتی مانند 8088 و 80286 به‌ ترتیب نشانی‌های مسیر 20 و 24بیتی داشتند بنابراین سطح دسترسی آنها به حافظه رم به ترتیب یک و 16‌ مگابایت بود.

پهنای گذرگاه آدرس در نگارش‌های مختلف پردازنده‌های 32بیتی بتدریج بیشتر شد به ‌طوریکه برای 80386SX، 24 بیت و برای پنتیوم4 ها 36 بیت بود که توانایی دسترسی به 64 گیگابایت رم را به آن‌ها بخشید. پردازنده‌های 32 بیتی دارای مسیر 36 بیتی به ‌خاطر اینکه پهنای گذرگاهی 32 بیتی داشتند با مشکلاتی مواجه شدند. بنابراین استفاده کامل از 64 گیگابایت حافظه قابل آدرس‌ دهی مستلزم معرفی گزینه‌ای به‌ نام ادامه آدرس صفحه (PAE 2) بود و البته نیازمند یک نرم‌افزار که کاربرد آن ‌را عملی سازد.

بدون این‌ها پردازنده‌های 32 بیتی فقط از توانایی آدرس‌دهی حافظه 4 گیگابایت برخوردار بودند و این محدودیت، معضلی بود که بیشتر کاربران رایانه آن‌را کم‌ و بیش تجربه کرده و به ‌یاد دارند.

مدل‌های واقعی سیستم‌های مستقل 64 بیتی

پردازنده‌های 64 بیتی علاوه‌ بر آنکه جایگاه خود را در سطوح متوسط در صنعت رایانه یافته‌اند، از زمان ظهور دستگاه بازی Nintendo 64 در سال 1996، راه خود را به درون سیستم‌های مستقل بازی نیز باز کرده‌اند.

این دستگاه، پردازنده MIPS VR4300i را در درون خود داشت که از پردازنده‌های 64 بیتی، IRCS نیرو بخش سرورها و ورک‌استیشن‌ها تشکیل شده بود. این دستگاه به‌وسیله متخصص حرفه‌ای محاسبات رایانه‌ای، شرکت سیلیکون گرافیک ساخته شد.

امروزه این ساختار 64 بیتی در پردازنده‌های Cell که در ساخت Playstation3 کاربرد دارند، به‌ کار می‌رود. این تراشه دربردارنده یک تک‌ هسته 64 بیتی به‌اضافه 8 هسته تخصصی است که به‌عنوان دستیار پردازنده، به وظایف مربوط به‌محتوای رسانه عمل می‌کنند و عناصر پردازش سینرژیک (SEP 3) نامیده می‌شوند.

این عناصر موانع و حصارهای 64 بیتی را شکسته‌اند و از نظر داشتن خاصیت SIMD 128 بیتی، درست مانند دستورات الحاقی SSE3 (که درپردازنده‌های رده متوسط AMD و اینتل یافت می‌شوند)، عمل می‌کنند. دستگاه Xbox 360 مایکروسافت نیز دارای قابلیت محاسبه رایانه‌ای 64 بیتی است. این دستگاه شامل یک پردازنده 3 هسته‌ای 64بیتی بر اساس معماری قدرت است. از بین کنسول‌های بازی متداول امروزی، تنها دستگاهی که با برخورداری از پردازنده‌های برادوی (Broadway) بر اساس پاور پی‌سی، به فناوری 32 بیتی وفادار مانده، دستگاه Nintendo Wii است.