تاريخ وحدات المعالجة المركزية للأغراض العامة

إن تاريخ وحدات المعالجة المركزية للأغراض العامة هو استمرار للتاريخ السابق لأجهزة الحوسبة .

في أوائل الخمسينيات، كان تصميم كل حاسوب فريدًا من نوعه. لم تكن هناك أجهزة متوافقة مع الإصدارات السابقة، ولا بنى حاسوبية ذات تطبيقات متعددة ومختلفة. البرامج المصممة لجهاز واحد لا تعمل على أي جهاز آخر، حتى لو كانت من نفس الشركة. لم يكن هذا عائقًا كبيرًا آنذاك، لأنه لم يكن هناك كمٌّ هائل من البرامج المصممة للعمل على الحواسيب، لذا لم يُنظر إلى بدء البرمجة من الصفر على أنه عائق كبير.

كانت حرية التصميم في ذلك الوقت بالغة الأهمية، إذ كان المصممون مقيدين بشدة بتكلفة الإلكترونيات، ولم يكونوا قد بدأوا بعد في استكشاف أفضل السبل لتنظيم الحاسوب. ومن بين الميزات الأساسية التي طُرحت خلال هذه الفترة: سجلات الفهرسة (في جهاز فيرانتي مارك 1 )، وتعليمات حفظ عنوان العودة (في جهاز يونيفاك 1 )، والمعاملات الفورية (في جهاز آي بي إم 704 )، واكتشاف العمليات غير الصالحة (في جهاز آي بي إم 650 ).

بحلول نهاية خمسينيات القرن العشرين، طوّرت شركات تصنيع الحواسيب التجارية حواسيب جاهزة للتصنيع في المصانع، ويمكن نقلها بالشاحنات. وكان حاسوب IBM 650 الأكثر انتشارًا ، إذ كان يستخدم ذاكرة أسطوانية تُحمّل عليها البرامج باستخدام شريط ورقي مثقوب أو بطاقات مثقوبة . كما احتوت بعض الأجهزة المتطورة جدًا على ذاكرة أساسية توفر سرعات أعلى. وبدأت الأقراص الصلبة أيضًا تكتسب شعبية متزايدة.

الحاسوب أشبه بمعداد آلي . يؤثر نوع نظام الأرقام المستخدم على طريقة عمله. في أوائل الخمسينيات، صُممت معظم الحواسيب لأداء مهام معالجة رقمية محددة، واستخدمت العديد منها الأرقام العشرية كنظامها الأساسي؛ أي أن العمليات الحسابية فيها كانت تعمل بنظام العشرة (الأساس 10) بدلاً من نظام الثنائي (الأساس 2) الشائع اليوم. لم تكن هذه الأرقام مجرد أرقام عشرية مشفرة ثنائياً (BCD). احتوت معظم الحواسيب على عشرة صمامات مفرغة لكل رقم في كل سجل معالج . قام بعض مصممي الحواسيب السوفييت الأوائل بتطبيق أنظمة تعتمد على المنطق الثلاثي ؛ أي أن البت يمكن أن يكون له ثلاث حالات: +1، 0، أو -1، والتي تُقابل جهدًا موجبًا، أو صفرًا، أو سالبًا.

كان مشروع BINAC مشروعًا مبكرًا للقوات الجوية الأمريكية ، وقد سعى إلى صنع جهاز كمبيوتر خفيف الوزن وبسيط باستخدام الحساب الثنائي. وقد أثار إعجاب الصناعة بشكل كبير.

حتى عام 1970، لم تكن لغات البرمجة الرئيسية قادرة على توحيد سلوكها العددي لأن أجهزة الكمبيوتر العشرية كان لديها مجموعات من المستخدمين كبيرة جدًا بحيث لا يمكن استبعادها.

حتى عندما استخدم المصممون النظام الثنائي، ظلت لديهم العديد من الأفكار غير المألوفة. فقد استخدم بعضهم حساب الإشارة والمقدار (-1 = 10001)، أو المتمم الأحادي (-1 = 11110)، بدلاً من حساب المتمم الثنائي الحديث (-1 = 11111). واستخدمت معظم الحواسيب مجموعات أحرف سداسية البتات لأنها كانت كافية لترميز بطاقات هوليريث المثقبة . وكان اكتشافًا هامًا لمصممي تلك الفترة أن يدركوا أن حجم كلمة البيانات يجب أن يكون من مضاعفات حجم الحرف. فبدأوا بتصميم حواسيب بكلمات بيانات 12 و24 و36 بت (انظر على سبيل المثال TX-2 ).

في هذا العصر، هيمن قانون غروش على تصميم أجهزة الكمبيوتر: حيث زادت تكلفة الكمبيوتر مع مربع سرعته.

كانت إحدى المشكلات الرئيسية في أجهزة الكمبيوتر المبكرة هي أن البرنامج المصمم لجهاز معين لا يعمل على غيره. وقد وجدت شركات تصنيع الكمبيوتر أن عملاءها لا يملكون دافعًا كبيرًا للبقاء أوفياء لعلامة تجارية محددة، لأن الجهاز التالي الذي يشترونه سيكون غير متوافق على أي حال. في ذلك الوقت، كان الشغل الشاغل عادةً هو السعر والأداء.

في عام 1962، جربت شركة IBM نهجًا جديدًا في تصميم الحواسيب. تمثلت الخطة في إنتاج مجموعة من الحواسيب التي يمكنها جميعًا تشغيل نفس البرامج، ولكن بأداءات وأسعار مختلفة. ومع ازدياد احتياجات المستخدمين، كان بإمكانهم الترقية إلى حواسيب أكبر حجمًا، مع الاحتفاظ بكامل استثماراتهم في البرامج والبيانات ووسائط التخزين.

لتحقيق ذلك، صمموا حاسوبًا مرجعيًا واحدًا يُدعى System/360 (S/360). كان هذا حاسوبًا افتراضيًا، ومجموعة تعليمات مرجعية، وقدرات تدعمها جميع الأجهزة في هذه العائلة. ولتوفير فئات مختلفة من الأجهزة، استخدم كل حاسوب في هذه العائلة محاكاة للأجهزة بدرجات متفاوتة، ومحاكاة للبرامج الدقيقة بدرجات متفاوتة أيضًا ، لإنشاء جهاز قادر على تشغيل مجموعة تعليمات S/360 الكاملة .

على سبيل المثال، قد يشتمل جهاز منخفض المواصفات على معالج بسيط للغاية بتكلفة منخفضة. مع ذلك، سيتطلب ذلك استخدام محاكي شفرة دقيقة أكبر لتوفير بقية مجموعة التعليمات، مما سيؤدي إلى إبطاء الجهاز. أما الجهاز عالي المواصفات، فسيستخدم معالجًا أكثر تعقيدًا بكثير، قادرًا على معالجة جزء أكبر من تصميم S/360 مباشرةً، وبالتالي تشغيل محاكي أبسط وأسرع بكثير.

اختارت شركة IBM عن قصد تصميم مجموعة تعليمات مرجعية معقدة للغاية وذات قدرات فائقة. ورغم تعقيد الحاسوب، إلا أن مخزن التحكم الخاص به، الذي يحتوي على البرنامج المصغر، ظل صغيرًا نسبيًا، ويمكن تصنيعه بذاكرة فائقة السرعة. ومن الآثار المهمة الأخرى أن تعليمة واحدة كانت قادرة على وصف سلسلة معقدة من العمليات. وبالتالي، كان على الحواسيب عمومًا جلب عدد أقل من التعليمات من الذاكرة الرئيسية، التي يمكن جعلها أبطأ وأصغر حجمًا وأقل تكلفة، مع الحفاظ على مزيج معين من السرعة والسعر.

بما أن جهاز S/360 كان سيُعتبر خليفةً لكلٍ من الأجهزة العلمية مثل 7090 وأجهزة معالجة البيانات مثل 1401 ، فقد كان بحاجة إلى تصميم يدعم جميع أنواع المعالجة بشكلٍ معقول. ولذلك، صُممت مجموعة التعليمات لمعالجة الأرقام الثنائية البسيطة، والنصوص، والأرقام العلمية ذات الفاصلة العائمة (المشابهة للأرقام المستخدمة في الآلة الحاسبة)، والحسابات العشرية المشفرة ثنائيًا التي تحتاجها أنظمة المحاسبة.

تضمنت جميع الحواسيب اللاحقة تقريبًا هذه الابتكارات بشكل أو بآخر. تُعرف هذه المجموعة الأساسية من الميزات الآن باسم الحوسبة ذات مجموعة التعليمات المعقدة (CISC، وتُنطق "سيسك")، وهو مصطلح لم يُخترع إلا بعد سنوات عديدة، عندما بدأت الحوسبة ذات مجموعة التعليمات المختصرة (RISC) في اكتساب حصة سوقية.

في العديد من معالجات CISC، كان بإمكان التعليمات الوصول إلى المسجلات أو الذاكرة، عادةً بعدة طرق مختلفة. هذا سهّل برمجة هذه المعالجات، إذ كان بإمكان المبرمج تذكر ما بين ثلاثين إلى مئة تعليمة فقط، ومجموعة من ثلاثة إلى عشرة أنماط عنونة، بدلاً من آلاف التعليمات المختلفة. يُطلق على هذا اسم مجموعة التعليمات المتعامدة . تُعدّ بنية PDP-11 وبنية Motorola 68000 مثالين على مجموعات التعليمات شبه المتعامدة.

كان هناك أيضًا مجموعة ( BUNCH ) ( Burroughs و UNIVAC و NCR و Control Data Corporation و Honeywell ) التي تنافست مع IBM في ذلك الوقت؛ ومع ذلك، سيطرت IBM على تلك الحقبة بنظام S/360.

قدمت شركة بوروز (التي اندمجت لاحقًا مع شركة سبيري/يونيفاك لتشكيل شركة يونيسيس ) بديلاً لنظام S/360 من خلال سلسلة B5000 . في عام 1961، تميزت سلسلة B5000 بذاكرة افتراضية، ومعالجة متعددة متناظرة، ونظام تشغيل متعدد البرامج (برنامج التحكم الرئيسي (MCP)) مكتوب بلغة ALGOL 60 ، بالإضافة إلى أولى مترجمات الانحدار التكراري في الصناعة في وقت مبكر من عام 1964.

أصدرت شركة إنتل أول معالج دقيق تجاري، وهو معالج Intel 4004 القائم على نظام العد العشري المشفر ثنائيًا (BCD)، في عام 1971. [ 1 ] [ 2 ^{] وفي مارس 1972 ، قدمت} إنتل معالجًا دقيقًا ببنية 8 بت ، وهو 8008 ، وهو إعادة تنفيذ منطقية متكاملة من نوع pMOS لوحدة المعالجة المركزية Datapoint 2200 القائمة على منطق الترانزستور-الترانزستور (TTL) .

قام المصممان فيديريكو فاجين وماساتوشي شيما، اللذان عملا على معالج 8004، بتصميم معالج إنتل 8080 ، خليفة معالج 8008، وهو معالج دقيق أقرب إلى الحواسيب الصغيرة ، استنادًا إلى حد كبير إلى ملاحظات العملاء حول معالج 8008 ذي الإمكانيات المحدودة. وكما هو الحال مع معالج 8008، استُخدم معالج 8080 في تطبيقات مثل المحطات الطرفية والطابعات وآلات تسجيل النقد والروبوتات الصناعية. ومع ذلك، أصبح معالج 8080 الأكثر كفاءة هو المعالج المركزي المستهدف لنظام تشغيل الحواسيب الشخصية CP/M، الذي كان يُعتبر معيارًا فعليًا في بداياته ، واستُخدم في مهام تحكم معقدة مثل صواريخ كروز ، بالإضافة إلى العديد من الاستخدامات الأخرى. وبإصداره عام 1974، أصبح معالج 8080 من أوائل المعالجات الدقيقة واسعة الانتشار.

بحلول منتصف سبعينيات القرن العشرين، أصبح استخدام الدوائر المتكاملة في أجهزة الكمبيوتر شائعاً. وشهد ذلك العقد اضطرابات في السوق ناجمة عن انخفاض أسعار الترانزستورات.

أصبح من الممكن وضع وحدة المعالجة المركزية بأكملها على لوحة دوائر مطبوعة واحدة. ونتيجة لذلك، أصبحت الحواسيب الصغيرة، التي عادةً ما تحتوي على كلمات 16 بت وذاكرة تتراوح سعتها بين 4 كيلوبايت و64 كيلوبايت، شائعة.

كان يُعتقد أن معالجات CISC هي أقوى أنواع الحواسيب، نظرًا لصغر حجم شفرتها البرمجية الدقيقة وإمكانية تخزينها في ذاكرة فائقة السرعة. كما عالجت بنية CISC الفجوة الدلالية كما كانت تُفهم آنذاك، وهي المسافة المحددة بين لغة الآلة ولغات البرمجة عالية المستوى المستخدمة في برمجة الجهاز. وكان يُعتقد أن المترجمات البرمجية قادرة على أداء أفضل مع مجموعة تعليمات أكثر ثراءً.

كانت الدوائر المتكاملة CISC المخصصة تُصنع عادةً باستخدام منطق حاسوبي يعتمد على شرائح البت ، مثل رقائق AMD 2900، مع شفرة دقيقة مخصصة. مكون شريحة البت هو جزء من وحدة الحساب والمنطق (ALU) أو ملف سجلات أو مُسلسل دقيق . كانت معظم الدوائر المتكاملة التي تعتمد على شرائح البت بعرض 4 بتات.

بحلول أوائل سبعينيات القرن العشرين، تم تطوير الحاسوب المصغر PDP-11 ذو الـ 16 بت ، والذي يُعتبر بلا شك أكثر الحواسيب الصغيرة تطوراً في عصره. وفي أواخر سبعينيات القرن العشرين، تم طرح حواسيب فائقة الصغر ذات نطاق أوسع ، مثل VAX ذي الـ 32 بت .

استمرت شركة IBM في صنع أجهزة كمبيوتر كبيرة وسريعة. ومع ذلك، فإن تعريف "كبيرة وسريعة" أصبح الآن يتجاوز مجرد ميغابايت من ذاكرة الوصول العشوائي، وسرعات معالجة تقارب ميغاهرتز واحد، ^{[ 3 ] [ 4 ]} وعشرات الميغابايت من محركات الأقراص.

كان نظام IBM 370 نسخة معدلة من نظام 360 لتشغيل بيئات الحوسبة الافتراضية. وقد طُوّر الحاسوب الافتراضي لتقليل احتمالية حدوث عطل برمجي لا يمكن إصلاحه.

حققت سلسلة أنظمة بوروز الكبيرة (B5000، B6000، B7000) أعلى حصة سوقية لها. كانت عبارة عن حاسوب مكدس تم برمجة نظام تشغيله بلهجة من لغة ألغول.

تنافست كل هذه التطورات المختلفة على حصة السوق.

طُرح أول معالج دقيق أحادي الشريحة ذو 16 بت في عام 1975. وقد طرحت شركة بانافاكوم ، وهي تكتل شركات يابانية هي فوجيتسو وفوجي إلكتريك وماتسوشيتا ، المعالج MN1610، وهو معالج دقيق تجاري ذو 16 بت. ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]} ووفقًا لشركة فوجيتسو، كان هذا المعالج "أول حاسوب دقيق في العالم ذو 16 بت على شريحة واحدة". ^{[ 6 ]}

كان معالج إنتل 8080 أساسًا لمعالج إنتل 8086 ذي الـ 16 بت، والذي يُعدّ سلفًا مباشرًا لعائلة معالجات x86 المنتشرة اليوم (بما في ذلك بنتيوم وإنتل كور ). لكل تعليمة في معالج 8080 مكافئ مباشر في مجموعة تعليمات x86 الكبيرة، على الرغم من اختلاف قيم رمز العملية في الأخيرة.

في أوائل ثمانينيات القرن الماضي، اكتشف باحثون في جامعة كاليفورنيا في بيركلي وشركة آي بي إم أن معظم مترجمات ومفسرات لغات البرمجة لا تستخدم سوى جزء صغير من تعليمات الحوسبة المعقدة (CISC). كان جزء كبير من قدرة وحدة المعالجة المركزية (CPU) يُهدر في التطبيقات العملية. أدركوا أنه من خلال تبسيط الحاسوب وتقليل تعقيده، يمكنهم جعله أسرع وأقل تكلفة في الوقت نفسه.

في الوقت نفسه، أصبحت حسابات وحدة المعالجة المركزية أسرع مقارنةً بوقت الوصول إلى الذاكرة اللازمة. كما جرب المصممون استخدام مجموعات كبيرة من السجلات الداخلية. وكان الهدف هو تخزين النتائج الوسيطة مؤقتًا في السجلات تحت سيطرة المُصرّف. وقد أدى ذلك أيضًا إلى تقليل عدد أنماط العنونة والتعامد.

تُعرف تصميمات الحواسيب القائمة على هذه النظرية باسم الحوسبة ذات مجموعة التعليمات المختصرة (RISC). عادةً ما تحتوي معالجات RISC على عدد أكبر من المسجلات، يتم الوصول إليها بتعليمات أبسط، مع وجود عدد قليل من التعليمات المخصصة لتحميل البيانات وتخزينها في الذاكرة. وكانت النتيجة وحدة معالجة مركزية بسيطة للغاية تعمل بسرعة عالية جدًا، وتدعم أنواع العمليات التي تستخدمها المترجمات البرمجية على أي حال.

يستخدم أحد أنواع تصميم RISC الشائعة بنية هارفارد ، على عكس بنية فون نيومان أو بنية البرنامج المخزن الشائعة في معظم التصاميم الأخرى. في جهاز ذي بنية هارفارد، يشغل البرنامج والبيانات وحدات ذاكرة منفصلة ويمكن الوصول إليهما في وقت واحد. أما في أجهزة فون نيومان، فتُدمج البيانات والبرامج في وحدة ذاكرة واحدة، مما يتطلب الوصول التسلسلي، وهو ما يُعرف بعنق زجاجة فون نيومان .

من عيوب تصميم RISC أن البرامج التي تعمل عليه تميل إلى أن تكون أكبر حجماً. ويعود ذلك إلى أن المترجمات البرمجية تضطر إلى توليد سلاسل أطول من التعليمات الأبسط لتحقيق النتائج نفسها. وبما أن هذه التعليمات يجب تحميلها من الذاكرة على أي حال، فإن حجم الكود الأكبر يُقلل من سرعة معالجة الذاكرة التي يتميز بها تصميم RISC.

في أوائل التسعينيات، ابتكر مهندسو شركة هيتاشي اليابانية طرقًا لضغط مجموعات التعليمات المُصغّرة لتناسب أنظمة ذاكرة أصغر حجمًا من معالجات CISC. استُخدمت هذه التقنيات في مجموعة تعليمات سلسلة معالجات SuperH ، التي طُرحت عام ١٩٩٢. ^{[ ٨ ]} لاحقًا، جرى تكييف مجموعة تعليمات SuperH لتناسب مجموعة تعليمات Thumb الخاصة ببنية ARM . ^{[ ٩ ]} في التطبيقات التي لا تتطلب تشغيل برامج ثنائية قديمة، تتزايد مبيعات معالجات RISC المضغوطة.

كان أحد المناهج الأخرى لمعالجات RISC هو حاسوب مجموعة التعليمات الدنيا (MISC)، أو ما يُعرف أيضًا باسم حاسوب مجموعة التعليمات الصفرية (niladic ). أدرك هذا المنهج أن معظم مساحة التعليمات تُستخدم لتحديد معاملاتها. لذا، وضعت هذه الحواسيب المعاملات على مكدس دفع سفلي (آخر ما يُدخل، أول ما يُخرج) . أُضيفت إلى مجموعة التعليمات بعض التعليمات لجلب البيانات وتخزينها في الذاكرة. استخدمت معظم هذه الحواسيب التخزين المؤقت البسيط لتوفير أجهزة RISC فائقة السرعة، ذات شفرة مضغوطة للغاية. ومن المزايا الأخرى انخفاض زمن استجابة المقاطعات بشكل كبير، حتى أنه كان أقل من معظم أجهزة CISC (وهي سمة نادرة في أجهزة RISC). استخدمت بنية Burroughs Large Systems هذا المنهج. صُمم معالج B5000 عام 1961، قبل وقت طويل من ظهور مصطلح RISC . تضع هذه البنية ست تعليمات من 8 بت في كلمة من 48 بت، وكانت بمثابة مقدمة لتصميم كلمة التعليمات الطويلة جدًا (VLIW) (انظر أدناه: من عام 1990 إلى اليوم ).

كانت بنية بوروز أحد مصادر الإلهام للغة البرمجة فورث التي ابتكرها تشارلز إتش. مور ، والتي بدورها ألهمت تصميماته اللاحقة لرقائق MISC. فعلى سبيل المثال، احتوت نوى f20 الخاصة به على 31 تعليمة من 5 بت، بحيث يمكن وضع أربع منها في كلمة من 20 بت.

تهيمن معالجات RISC حاليًا على سوق الأنظمة المدمجة ذات 32 بت. بل إن معالجات RISC الأصغر حجمًا أصبحت شائعة في سوق الأنظمة المدمجة ذات 8 بت، والتي تتسم بحساسية التكلفة. ويُعدّ السوق الرئيسي لوحدات المعالجة المركزية RISC هو سوق الأنظمة التي تتطلب استهلاكًا منخفضًا للطاقة أو حجمًا صغيرًا.

حتى بعض معالجات CISC (التي تعتمد على بنى تم إنشاؤها قبل أن تصبح RISC مهيمنة)، مثل معالجات x86 الأحدث ، تقوم بترجمة التعليمات داخليًا إلى مجموعة تعليمات تشبه RISC.

قد تُفاجئ هذه الأرقام الكثيرين، لأن السوق يُنظر إليه على أنه سوق أجهزة الكمبيوتر المكتبية. صحيح أن معالجات x86 تُهيمن على مبيعات أجهزة الكمبيوتر المكتبية والمحمولة، إلا أن هذه الأجهزة لا تُمثل سوى جزء ضئيل من إجمالي أجهزة الكمبيوتر المباعة حاليًا. يمتلك معظم الناس في الدول الصناعية عددًا أكبر من أجهزة الكمبيوتر في أنظمة مُدمجة في سياراتهم ومنازلهم، مقارنةً بما يمتلكونه على مكاتبهم.

في منتصف إلى أواخر ثمانينيات القرن العشرين، بدأ المصممون باستخدام تقنية تُعرف باسم "تجميع التعليمات" ، حيث يعمل المعالج على عدة تعليمات في مراحل إنجاز مختلفة. على سبيل المثال، يمكن للمعالج استرجاع معاملات التعليمات التالية أثناء حساب نتيجة التعليمات الحالية. قد تستخدم وحدات المعالجة المركزية الحديثة أكثر من اثنتي عشرة مرحلة من هذا القبيل. (طُوّرت تقنية تجميع التعليمات في الأصل في أواخر خمسينيات القرن العشرين بواسطة شركة آي بي إم (IBM) على حاسوبها المركزي 7030 (ستريتش)). تستطيع الحواسيب ذات مجموعة التعليمات الدنيا (MISC) تنفيذ التعليمات في دورة واحدة دون الحاجة إلى تجميع التعليمات.

ظهرت فكرة مشابهة، بعد بضع سنوات فقط، وهي تنفيذ تعليمات متعددة بالتوازي على وحدات حسابية ومنطقية منفصلة . فبدلاً من معالجة تعليمة واحدة في كل مرة، يبحث المعالج عن عدة تعليمات متشابهة لا تعتمد على بعضها البعض، وينفذها بالتوازي. يُطلق على هذا النهج اسم تصميم المعالج فائق التوازي .

تُحدَّد هذه الأساليب بدرجة التوازي على مستوى التعليمات (ILP)، أي عدد التعليمات غير المترابطة في كود البرنامج. بعض البرامج تعمل بكفاءة عالية على المعالجات فائقة التوازي نظرًا لمستوى التوازي العالي المتأصل فيها، لا سيما برامج الرسومات. مع ذلك، تتميز المشكلات الأكثر عمومية بمستوى توازي أقل بكثير، مما يقلل من إمكانية تحسين السرعة باستخدام هذه الأساليب.

يُعدّ التفرّع أحد الأسباب الرئيسية للمشكلة. على سبيل المثال، قد يجمع برنامجٌ عددين ثم ينتقل إلى مقطع برمجي مختلف إذا كان الناتج أكبر من عدد ثالث. في هذه الحالة، حتى لو أُرسلت عملية التفرّع إلى وحدة الحساب والمنطق الثانية للمعالجة، فإنها ستظل تنتظر نتائج الجمع. وبالتالي، لن يكون أداؤها أسرع مما لو كانت هناك وحدة حساب ومنطق واحدة فقط. الحل الأكثر شيوعًا لهذا النوع من المشاكل هو استخدام نوع من أنواع التنبؤ بالتفرّع .

لتعزيز كفاءة الوحدات الوظيفية المتعددة المتوفرة في التصاميم فائقة التوازي ، تبيّن أن تبعيات سجلات المعاملات تُشكّل عاملًا مُقيّدًا آخر. وللحدّ من هذه التبعيات، تمّ إدخال تنفيذ التعليمات خارج الترتيب . في هذا النظام، يجب على المعالج إعادة ترتيب نتائج التعليمات التي تُنفّذ خارج الترتيب وفقًا لترتيب البرنامج حتى يُمكن استئناف تشغيل البرنامج بعد حدوث استثناء. كان تنفيذ التعليمات خارج الترتيب هو التقدّم الرئيسي في صناعة الحواسيب خلال تسعينيات القرن الماضي.

يُعدّ التنفيذ التخميني مفهومًا مشابهًا ، حيث تُنفَّذ التعليمات من اتجاه واحد للفرع (الاتجاه المُتوقَّع) قبل معرفة اتجاه الفرع. عند معرفة اتجاه الفرع، تتم مقارنة الاتجاه المُتوقَّع بالاتجاه الفعلي. إذا كان الاتجاه المُتوقَّع صحيحًا، تُحفظ التعليمات المُنفَّذة تخمينيًا ونتائجها؛ أما إذا كان خاطئًا، فتُحذف هذه التعليمات ونتائجها. يُحقق التنفيذ التخميني، مقترنًا بمتنبئ فروع دقيق، تحسينًا كبيرًا في الأداء.

هذه التطورات، التي تم تطويرها في الأصل من خلال البحث عن تصميمات على نمط RISC، تسمح لمعالجات CISC الحديثة بتنفيذ اثنتي عشرة تعليمة أو أكثر لكل دورة ساعة، في حين أن تصميمات CISC التقليدية قد تستغرق اثنتي عشرة دورة أو أكثر لتنفيذ تعليمة واحدة.

ينتج عن ذلك منطق جدولة التعليمات في هذه المعالجات، وهو كبير ومعقد ويصعب التحقق منه. علاوة على ذلك، يتطلب التعقيد المتزايد عددًا أكبر من الترانزستورات، مما يرفع استهلاك الطاقة والحرارة. في هذه الجوانب، تتفوق معالجات RISC لأن تعليماتها أبسط وأقل ترابطًا، مما يُسهّل تنفيذها على نطاق واسع. مع ذلك، وكما أثبتت إنتل، يمكن تطبيق هذه المفاهيم على تصميم الحوسبة ذات مجموعة التعليمات المعقدة (CISC)، إذا توفر الوقت والتمويل الكافيان.

• 1964. أصدرت شركة IBM نظام IBM System/360 ذو 32 بت مع حماية الذاكرة.
• 1969. التصميم الأولي لمعالج Intel 4004 بقيادة تيد هوف من شركة Intel وماساتوشي شيما من شركة Busicom . ^{[ 15 ]}
• 1970. تم الانتهاء من تصميم معالج Intel 4004 بواسطة فيديريكو فاجين من شركة إنتل وماساتوشي شيما من شركة بوسيكوم. ^{[ 15 ]}
• 1971. أصدرت شركة IBM نظام IBM System/370 الذي خلف نظام System/360.
• 1971. أصدرت شركة إنتل معالج إنتل 4004 ذو 4 بت ، وهو أول معالج دقيق تجاري . ^{[ 1 ]}
• في عام 1971، أصدرت شركة NEC المعالجين μPD707 و μPD708، وهما معالجان ثنائيا الشريحة من نوع 4 بت. ^{[ 16 ]}
• في عام 1972، أعلنت شركة IBM عن "System/370 Advanced Function"، مضيفةً دعمًا للذاكرة الافتراضية مع الترحيل حسب الطلب.
• 1972. أصدرت شركة NEC معالجًا دقيقًا أحادي الشريحة رباعي البت، μPD700. ^{[ 17 ] [ 18 ]}
• في عام 1973، أصدرت شركة NEC معالج μCOM-4 (μPD751) ذو 4 بتات ، ^{[ 17 ]} والذي يجمع بين معالجي μPD707 وμPD708 في معالج دقيق واحد. ^{[ 16 ]}
• 1974. أصدرت شركة إنتل معالج إنتل 8080 ، وهو معالج دقيق 8 بت ، صممه فيديريكو فاجين وماساتوشي شيما .
• في عام 1975، أصدرت شركة MOS Technology معالج MOS Technology 6502 ذو 8 بت ، وهو أول معالج متكامل بسعر معقول يبلغ 25 دولارًا في حين أن سعر المعالج المنافس 6800 كان 175 دولارًا.
• 1976. قدمت شركة زيلوج جهاز زيلوج Z80 ذو 8 بت ، والذي صممه فيديريكو فاجين وماساتوشي شيما .
• 1977. قدمت شركة Digital Equipment Corporation أول حاسوب صغير فائق VAX ذو 32 بت ، وهو VAX-11 /780.
• 1978. قدمت شركة إنتل معالجات Intel 8086 و Intel 8088 ، وهي أول رقائق x86.
• 1978. أصدرت شركة فوجيتسو المعالج الدقيق MB8843.
• 1979. أصدرت شركة زيلوج جهاز زيلوج Z8000 ، وهو معالج دقيق 16 بت، صممه فيديريكو فاجين وماساتوشي شيما .
• 1979. قدمت شركة موتورولا معالج موتورولا 68000 ، وهو معالج دقيق 16/32 بت.
• 1981. قدمت جامعة ستانفورد MIPS ، أحد أوائل تصميمات الحوسبة ذات مجموعة التعليمات المختصرة (RISC).
• 1982. قدمت شركة إنتل معالج Intel 80286 ، والذي كان أول معالج من إنتل يمكنه تشغيل جميع البرامج المكتوبة لأسلافه، 8086 و8088.
• 1984. قدمت شركة موتورولا معالج موتورولا 68020 ، الذي مكن من معالجة كاملة 32 بت، ووحدة إدارة الذاكرة 68851 ، التي دعمت الترحيل عند الطلب.
• 1985. قدمت شركة إنتل معالج Intel 80386 ، الذي أضاف مجموعة تعليمات 32 بت إلى بنية x86 الدقيقة، ويدعم الترحيل حسب الطلب.
• 1985. تم تقديم بنية ARM .
• 1989. شركة إنتل تقدم معالج إنتل 80486 .
• في عام 1992، قدمت شركة هيتاشي بنية SuperH ، ^{[ 8 ]} وهي بنية تمهيدية لمجموعة تعليمات Thumb الخاصة بشركة ARM . ^{[ 9 ]}
• 1993. أطلقت شركة إنتل المعالج الدقيق الأصلي بنتيوم ، وهو أول معالج ذو بنية دقيقة فائقة القياس x86.
• 1994. قدمت شركة IBM أول نماذج IBM الرئيسية التي تستخدم المعالجات الدقيقة أحادية الشريحة كوحدات معالجة مركزية، وهي سلسلة IBM System/390 9672.
• 1994. تم تقديم مجموعة تعليمات Thumb من ARM ، ^{[ 19 ]} مستوحاة من مجموعة تعليمات SuperH من Hitachi . ^{[ 9 ]}
• 1995. قدمت شركة إنتل معالج Pentium Pro الذي أصبح الأساس لمعالجات Pentium II و Pentium III و Pentium M و Intel Core .
• 2000. قدمت شركة IBM نظام z/Architecture ، وهو الإصدار 64 بت من بنية الحواسيب المركزية الخاصة بها.
• 2000. أعلنت شركة AMD عن امتداد x86-64 64 بت إلى بنية x86 الدقيقة.
• 2000. وصلت شركة AMD إلى سرعة 1  جيجاهرتز مع معالجها الدقيق Athlon .
• 2000. شركة Analog Devices تقدم بنية Blackfin .
• 2002. أصدرت شركة إنتل معالج بنتيوم 4 بتقنية الترابط الفائق ، وهو أول معالج مكتبي حديث يقوم بتنفيذ الترابط المتعدد المتزامن (SMT).
• 2003. أصدرت شركة AMD معالج Athlon 64 ، وهو أول معالج مركزي للمستهلكين يعمل بنظام 64 بت .
• 2003. قدمت شركة إنتل معالج Pentium M ، وهو نسخة محمولة منخفضة الطاقة من بنية Pentium Pro.
• 2005. أعلنت شركة AMD عن معالج Athlon 64 X2 ، وهو أول معالج ثنائي النواة x86 لها .
• 2006. قدمت شركة إنتل سلسلة معالجات Core التي تعتمد على تصميم Pentium M المعدل.
• 2008. تم شحن أكثر من 10 مليارات وحدة معالجة مركزية تعتمد على معالجات ARM.
• في عام 2010، قدمت شركة إنتل معالجات Core i3 و i5 و i7 ، التي تحتوي على 2 و 4 و 4 أنوية على التوالي.
• 2011. إصدار ARM ARMv8-A ، الذي يدعم بنية AAarch64 ذات 64 بت.
• في عام 2011، أعلنت شركة AMD عن أول معالج ثماني النواة في العالم لأجهزة الكمبيوتر المكتبية .
• 2017. أعلنت شركة AMD عن معالجات Ryzen القائمة على بنية Zen ، والتي تحتوي على ما يصل إلى 16 نواة.
• 2017. تم زيادة عدد أنوية معالجات Intel من الجيل الثامن Core i3 و Core i5 و Core i7 و Core i9 إلى ما يقرب من 4 و 6 و 8 و 8 أنوية على التوالي.
• 2017. تم شحن أكثر من 100 مليار وحدة معالجة مركزية تعتمد على معالجات ARM. ^{[ 20 ]}
• في عام 2020، أطلقت شركة آبل نظامها الخاص على شريحة واحدة (SoC) القائم على معالج M1 ARMv8 ، وهو أمر مهم لأنها استبدلت أجهزتها بمعالجات إنتل. ^{[ 21 ]}
• 2021. أصدرت شركة ARM الإصدار ARMv9، وهو أول تحديث رئيسي منذ عقد من الزمان، منذ الإصدار Armv8 في عام 2011. ^{[ 22 ]}
• 2021. تم شحن أكثر من 200 مليار وحدة معالجة مركزية تعتمد على معالجات ARM. ^{[ 23 ]}
• 2022. معالجات AMD من الجيل الثالث EPYC 64C تُشغل جهاز Frontier ، وهو أقوى حاسوب عملاق في العالم. ^{[ 24 ]}
• في عام 2024، أطلقت شركة آبل معالج M4 ، وهو أول معالج SoC يعتمد على بنية وحدة المعالجة المركزية ARMv9. ^{[ 25 ]}

• التسلسل الزمني للمعالجات الدقيقة
• الحوسبة للأغراض العامة على وحدات معالجة الرسومات (GPGPU)

• لحظات عظيمة في تاريخ المعالجات الدقيقة، بقلم دبليو. وارنر، 2004
• المعالجات الدقيقة العظيمة في الماضي والحاضر (الإصدار 13.4.0) بقلم: جون بايكو، 2003
• بت بت: تاريخ مصور للحواسيب ، ستان أوجارتن، 1984. تم استخدام تقنية التعرف الضوئي على الحروف (OCR) بإذن من المؤلف.
• معرض صور لوحدات المعالجة المركزية ولوحات الدوائر المطبوعة ذات الصلة (باللغة الإيطالية)