מעבד

מעבד 80486 של אינטל בתוך המארז שלו - ממדי פיסת הסיליקון שבמרכז הם 6.75x12 מילימטר

מעבד, או בשמו המלא יחידת עיבוד מרכזיתאנגלית: CPU - Central Processing Unit), הוא רכיב חומרה במחשב המבצע את הפקודות המאוחסנות בזיכרון המחשב. המעבדים המודרניים (המכונים גם מיקרו־מעבדים) בנויים על גבי שבב בודד.

בהתאם לארכיטקטורת פון נוימן הפקודות אותן מקבל המעבד מאפשרות לו קריאת מידע מהזיכרון או מהתקנים שונים, ביצוע פעולות חשבוניות ולוגיות על מידע זה וכתיבת תוצאות החישוב בחזרה לזיכרון או לחלופין שליחתו להתקנים חיצוניים. הפעולות הלוגיות מאפשרות בקרת זרימה וחזרה על פקודות ככל שנדרש.

הפקודות הן בסיסיות ביותר ובנויות, כל אחת, מרצף קצר של ביטים. רצף זה קרוי שפת מכונה. כל דגם של מעבד מתאפיין בסט פקודות משלו. בהתאם לתזת צ'רץ'־טיורינג דלות שפת המכונה אינה מהווה מגבלה בביצוע תוכנית מחשב כלשהי וכך מתפתח לו עולם התוכנה בקצב מסחרר.

מבחינה מספרית, הרוב המכריע של המעבדים המיוצרים כיום, משמשים כיחידות בקרה של מוצרי צריכה. חלק ממוצרים אלו הם ציוד הקפי של מחשבים אישיים (כגון: צגים, מדפסות, כרטיסי רשת) ואחרים אינם (מכוניות, מכונות כביסה, טלפונים סלולריים). המעבדים הללו מיועדים לשימושים ייעודיים, למשל - עיבוד אות ספרתי (DSP), מיקרו־בקר, עיבוד רשתות תקשורת (Network Processing), או עיבוד גרפי.

רקע היסטורי

מעבד אתלון של חברת AMD בתוך התושבת שלו, על לוח האם

בשנות ה־50 וה־60 המחשבים היו עצומים בנפחם, יקרים ונדירים. כאשר הופיעו המעגלים המוכללים, המאפשרים מזעור טרנזיסטורים רבים על גבי "שבב" יחיד, הם תרמו להקטנת הנפח והוזילו בהדרגה את מחירי המחשב. כך נוצר בסוף שנות ה־60 סוג חדש של מחשב, המיני מחשב, שהורכב יותר ויותר ממעגלים מוכללים. עדיין, יחידת עיבוד מרכזית כללה מספר רב של רכיבים שונים. נקודת המפנה הבאה הייתה דחיסת יחידת עיבוד מרכזית שלמה על גבי מעגל מוכלל, שבב, יחיד. בראשית כונתה יחידה כזו מיקרו־מעבד ואילו כיום מסתפקים במונח מעבד.

המיקרו־מעבד הראשון היה ה־4004 שפותח בשנת 1971 על ידי חברת אינטל, שעסקה עד אז בפיתוח ויצור שבבי זיכרון. במקור פותח ה־4004 עבור מחשבי כיס של חברת Busicom היפנית. לעומת השבבים הייעודיים שקדמו לו הוא תוכנן כיחידת עיבוד רב תכליתית ורק התוכנה שסופקה לו ייעדה אותו למשימה הנדרשת (מעבד של מחשב כיס). יכולת החישוב של ה־4004 הייתה מוגבלת למדי והוא התבסס על פעולות של ארבע סיביות בלבד. אך מה שמנע ממנו להפוך לליבה נפוצה למחשבים רב־תכלתיים היה בעיקר הצורך ברכיבים רבים יחסית בנוסף אליו כדי להתחבר לזיכרון, רכיבי קלט/פלט וכו'.

ה־8008 שפותח בשנת 1972 הרחיב את יכולת המעבד לעבודה על שמונה סיביות אך עדיין היה במארז קטן של 18 פינים בלבד שלא איפשרו חיבור ישיר לרכיבי זיכרון חיצוני. בשנת 1974 פיתחה אינטל גרסה משוכללת יותר, ה־8080 במארז של 40 פינים. החיבור שלו לזיכרון חיצוני היה פשוט יחסית עובדה שהפכה אותו להצלחה וליחידת העיבוד המרכזית של המיקרו מחשבים הראשונים.

בעקבות ה־8080 פותחו מספר מעבדים מתחרים כגון Z80 של חברת זילוג (שהוקמה על ידי אחד המהנדסים שהיה אחראי על פיתוח ה־4004 באינטל, והיה תואם ל־8080, כלומר יכול לבצע קוד של 8080 ללא שינוי), ה־6800 של חברת מוטורולה וה־6502 של חברת MOS Technology, שהיו פופולריים במיקרו מחשבים, כולל במחשבים ביתיים, החל מאמצע שנות ה־70 של המאה ה־20.

בשנת 1981 בחרה חברת IBM ב־8086 של אינטל, יורשו של ה־8080 שהרחיב את יכולת העיבוד ל־16 סיביות, בתור יחידת העיבוד המרכזית עבוד המחשב האישי שלה והפכה בכך את משפחת ה־x86 של אינטל למעבדים הפופולריים ביותר. מעט מאוחר יותר, בשנת 1984, בחרה חברת אפל במעבד מתחרה, ה־68000 של חברת מוטורולה עבור מחשבי המקינטוש, מעבד זה היה הראשון במשפחת מעבדים, ביניהם 68020, 68030 ו־68040 שהופיעו בשנים הבאות. סדרת מעבדים זו של מוטורולה הפכה לשנייה בתפוצתה אחרי המעבדים של אינטל, עד שהוחלפה בשנת 1991 במעבד ה־PowerPC שפותח במשותף על ידי מוטורולה, IBM ואפל.

בשנות ה־80 ושנות ה־90 של המאה העשרים הופיעו מעבדים חדשים רבים מחברות שונות. ביניהם MIPS של חברת MIPS Technologies, ‏ SPARC של חברת Sun Microsystems (היום אורקל), Alpha של חברת DEC (היום HP), ועוד מעבדים רבים, כולל משפחות מעבדים של אינטל ומוטורולה בארכיטקטורות שונות מ־x86 או מ־68K.