CPU چیست؟

CPU چیست؟ واحد پردازنده مرکزی (CPU) که با نام‌های پردازنده مرکزی،پردازنده اصلی یا همان پردازنده هم شناخته می‌شود یک مدار الکترونیکی است که دستورالعمل‌های مربوط به برنامه‌های کامپیوتری را اجرا می‌کند. CPU عملیات‌های پایه محاسباتی،منطقی،کنترلی و ورودی/خروجی (I/O) مشخص شده توسط دستورالعمل‌های نگاشته شده در یک برنامه کامپیوتری اجرا می‌کند.

همین قابلیت باعث شده تا CPU با دیگر اجزای خارجی مانند حافظه اصلی،‌ و مدارهای I/O و پردازنده‌های اختصاصی مانند کارت پردازنده گرافیکی متفاوت باشد. شکل،طراحی و نحوه عملکرد CPUها در طول زمان تغییر کرده اما کار اصلی آنها در سیستم‌های کامپیوتری تقریباً بدون تغییر باقی مانده است.

بیشتر CPU های مدرن روی ریزپردازنده‌های مدارهای مجتمع (IC) که از یک یا چند CPU روی تراشه IC برخوردارند استفاده می‌کنند. تراشه‌های ریزپردازنده که چند CPU دارند،پردازنده‌های چند هسته‌ای به شمار می‌روند.

CPU های فیزیکی منفرد با هسته‌های پردازنده، همچنین می‌توانند چند رشته‌ای شوند تا CPU های مجازی یا منطقی اضافی ایجاد کنند. IC حاوی CPU ممکن است حاوی حافظه، رابط‌های جانبی و سایر اجزای کامپیوتر نیز باشد. به دستگاه‌های یکپارچه این‌چنینی،‌ میکروکنترلرها یا سیستم‌های روی تراشه (SoC) می‌گویند.

پردازنده کامپیوتر

پردازنده کامپیوتر یا پردازنده دسکتاپ قطعه‌ای است که در داخل کیس کامپیوتر در کنار دیگر قطعات تشکیل دهنده برد کامپیوتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. ازاین‌رو تولید گرما و مصرف برق آن نقش کم اهمیت‌تری دارند. از طرف دیگر در کامپیوترهای رومیزی فضای کافی برای کار گذاشتن فن و سیستم‌های خنک‌کننده دیگر وجود دارد و علاوه بر این باتری در کار نیست تا میزان مصرف برق آن مهم باشد،‌ چراکه کامپیوترهای رومیزی همیشه به برق متصل‌اند و در عوض این مزیت‌ها، پردازنده کامپیوتری عملکرد بهتر و سرعت بیشتری هم دارند.

پردازنده موبایل

برای دستگاه قابل حملی همچون گوشی‌های تلفن همراه، کارایی بهینه از قدرت عملکرد پردازنده مهم‌تر است. مهم‌ترین بخش این کارایی بهینه مصرف کمتر برق باتری است، چراکه دستگاه‌های قابل حملی مانند گوشی‌های هوشمند به‌صورت مداوم به برق متصل نیستند و بیشتر مواقع تنها با باتری کار می‌کنند. به همین خاطر مصرف برق تمام اجزای تشکیل‌دهنده آنها بسیار مهم است.

علاوه بر این،‌ قدرت عملکرد این پردازنده‌های موبایل از پردازنده‌های کامپیوتری کمتر است، چراکه قدرت پردازش بیشتر به معنای تولید گرمای بیشتر است و دستگاه‌های موبایلی فضای بسیار کمی برای کار گذاشتن فن و خنک کردن فضای داخلی دارند. بااین‌وجود به واسطه تکنولوژی‌ها جدیدتر،‌ هر روزه پردازنده‌های موبایلی با همان مصرف کم برق قدرتمندتر می‌شوند و عملکرد بسیار بهتری از خود نشان می‌دهند.

انواع پردازنده

CPU یک عضو ضروری در سیستم‌های دیجیتالی است که تمام فرآیندهای مربوط به محاسبات و دستورالعمل‌های مختلف که از طریق دیگر اجزا و لوازم جانبی کامپیوتر جابه‌جا می‌شوند را مدیریت می‌کند. سرعت CPU در زمان عملکرد تابع دستورات وارده از برنامه است. علاوه بر آن دیگر اجزای کامپیوتر هم تنها زمانی که به CPU متصل هستند می‌توانند کار کنند. به عبارت ساده‌تر CPU مغز متفکری است که دیگر اجزای کامپیوتر به آن وابسته هستند.

انواع مختلف پردازنده‌های مرکزی در دستگاه‌های مختلف با ساختارهای ۶۴ و ۳۲ بیتی تولید می‌شوند که ظرفیت سرعت حداکثری منعطفی هم دارند. پیش از پرداختن به انواع پردازنده که اغلب با تعداد هسته‌هایشان دسته‌بندی می‌شوند، بهتر است کمی در مورد معنی هسته پردازنده‌ها بدانید.

هسته پردازنده چیست؟

پردازنده‌ها اغلب می‌توانند در هر واحد زمان تنها یک دستور را اجرا کنند که این کار را هم با کمک هسته‌های فیزیکی صورت می‌دهند. درواقع هسته خود پردازنده است، یک دستگاه مجزا در داخل تراشه اصلی پردازنده این یعنی اینکه هسته هم توانایی انجام یک دستور در واحد زمان را دارد. هرچند سیستم‌ها کامپیوتری مدرن توانایی پشتیبانی از چند هسته داخلی در تراشه اصلی رادارند.

هرچقدر تعداد هسته‌های یک CPU بیشتر باشند، مصرف برق آن بالاتر است، حرارت بیشتری تولید می‌کند و البته می‌تواند سریع‌تر باشد،‌ کارهای بیشتری را به‌صورت همزمان انجام دهد و قدرت پردازش بیشتری هم داشته باشد. در ادامه به اصلی‌ترین انواع پردازنده‌های مرکزی می‌پردازم:

CPU تک هسته ای

CPU تک هسته‌ای قدیمی‌ترین نوع پردازنده است که هنوز هم در دسترس است و در برخی از سیستم‌های کامپیوتری شخصی و حتی اداری هم مورد استفاده قرار می‌گیرد. پردازنده‌های تک هسته‌ای تنها می‌توانند در هر نوبت یک دستور را اجرا کنند و برای انجام کارهای و عملکردهای چندگانه ابداً مناسب نیستند. این یعنی اگر در کامپیوترهای مجهز به این نوع CPU در زمان واحد بیشتر از یک برنامه اجرا شود،‌ CPU کاهش عملکرد چشمگیری از خودش نشان می‌دهد. در این نوع از پردازنده‌ها اگر یک فرآیند آغاز شود، فرآیند پردازشی دوم برای اجرا شدن باید صبر کند تا پردازش اول به اتمام برسد. عملکرد پردازنده‌های تک هسته‌ای مبتنی بر سرعت ساعت (clock rate) است.

CPU دو هسته ای

این نوع پردازنده از دو هسته قدرتمند تشکیل شده است و مانند دو پردازنده مجزا که در قالب یک پردازنده عمل می‌کنند، کار می‌کند. برخلاف پردازنده‌های تک هسته‌ای که باید بین رشته‌های داده‌ای مختلف مدام در حال جابه‌جایی باشند و در واحد زمان تنها می‌توانند یک پردازش را انجام دهند،‌ پردازنده‌های دو هسته‌ای می‌توانند عملکردهای چندگانه را بهتر مدیریت کنند. برای استفاده مفیدتر از پردازنده‌های دو هسته‌ای برنامه‌های در حال اجرا و سیستم‌عامل باید از یک کد منحصربه‌فرد مشترک استفاده کنند که دستورالعمل‌های مربوط به پردازش همزمان رشته‌های اطلاعاتی مختلف را در خود داشته باشد. پردازنده دو هسته‌ای از پردازنده‌های تک هسته‌ای قوی‌تر هستند اما به اندازه پردازنده‌های چهار هسته‌ای قدرتمند و سریع نیستند.

CPU چهار هسته ای

پردازنده چهار هسته‌ای یک مدل اصلاح شده از پردازنده‌های چند هسته‌ای هستند که چهار هسته را قالب یک هسته واحد گردآوری کرده‌اند. مشابه پردازنده‌های دو هسته‌ای، که پردازش‌ها را بین دو هسته خود تقسیم می‌کند،‌ پردازنده چهار هسته‌ای نیز با تقسیم کار به چهار بخش در انجام عملکردهای چندگانه مؤثرتر است. البته استفاده چهار هسته به معنای آن نیست که هر کدام از عملیات‌های پردازشی چهار برابر سریع‌تر انجام می‌شوند. مگر اینکه برنامه‌ها و نرم‌افزارها با کد SMT اجرا شوند که سرعت را بالا می‌برد و قابل مشاهده هم نیست. این انواع از پردازنده‌ها بیشتر مناسب افرادی هستند که قصد دارند چندین برنامه را به‌صورت همزمان باز کنند، مانند گیمرها یا برنامه‌نویس‌ها و ادیتورهای فیلم.

پردازنده های هگزا کور

هگزا کورها (Hexacore) یک نوع دیگر از پردازنده‌های چند هسته‌ای هستند که از شش هسته اصلی تشکیل شده‌اند. این پردازنده‌ها می‌توانند سرعت بسیار بیشتری از انواع چهار و دو هسته‌ای داشته باشند. بعد از اینکه در سال ۲۰۱۰ شرکت اینتل از پردازنده‌های core i7 خود رونمایی کرد، حالا برای کاربران کامپیوترهای شخصی، پردازنده هگزا کور یک پردازنده ساده به شمار می‌روند. اما کاربران گوشی‌های تلفن همراه بیشتر از پردازنده‌های دو و چهار هسته‌ای استفاده می‌کنند. هرچند امروزه پردازنده‌های شش هسته‌ای به گوشی‌ها هوشمند هم راه پیدا کرده‌اند.

پردازنده های اُکتا کور

پردازنده‌های دو هسته‌ای از دو، چهار هسته‌ای از چهار، هگزار کور از شش و اُکتا کور از هشت هسته مجزا و مستقل استفاده می‌کنند. پردازنده‌های اُکتا کور (octa-core) از انواع قبلی خود سریع‌تر هستند و قابلیت انجام چندین عملکرد به‌صورت همزمان و البته بسیار مؤثر را دارند. پردازنده‌های هشت هسته‌ای پرطرفدار شامل مجموعه‌ای دوگانه از پردازنده‌های چهار هسته‌ای هستند که فعالیت‌های مختلف را بین بخش مختلف تقسیم می‌کنند. در بسیاری از مواقع، از حداقل مجموعه هسته‌های توانمند برای انجام وظایف پیشرفته استفاده می‌شود. بنابراین تنها در شرایط اضطراری یا نیاز مبرم، تمام هسته‌های پردازنده وارد عمل می‌شوند. به طور دقیق، هشت هسته پردازنده کاملاً با هسته‌های دوگانه (بسته‌های دوتایی) تعریف شده‌اند و فرآیند پردازش را بین هر دو هسته تقسیم می‌کنند تا کارایی قطعه و سرعت آن بالاتر رود.

پردازنده دکا کور

پردازنده‌های دکا کور (Deca-core) از ۱۰ سیستم مستقل که با هم برای اجرای برنامه‌های مختلف عمل می‌کنند استفاده می‌نمایند که باعث می‌شود این نوع از پردازنده‌های جدید بسیار کارآمدتر، موثرتر و البته سریع‌تر تر از انواع قبلی خود باشند. امروزه بهترین کامپیوترهای رومیزی از پردازنده‌های دکا کور استفاده می‌کنند. پردازنده دکا کور با ویژگی‌های پیشرفته‌اش هر روز رواج بیشتری پیدا می‌کند. اکثر گوشی‌های هوشمند اکنون با پردازنده‌های ۱۰ هسته‌ای ارزان‌قیمت در دسترس هستند و به واسطه قدرت بالایشان هرگز قدیمی نمی‌شوند. مطمئناً اکثر لوازم دیجیتالی موجود در بازار هم با پردازنده‌های جدید و قدرتمند به‌روز می‌شوند تا خدمات مفیدتر و بهینه‌تری را به مردم ارائه دهند.

پردازنده های جریان اصلی

پردازنده‌های میان رده، پردازنده‌های جریان اصلی نامیده می‌شوند که نسبتاً بزرگ‌تر هستند و عملیات‌هایی با پردازش بالا مانند ویرایش ویدیو، اجرای بازی‌های سه بعدی و دیگر برنامه‌های کاربردی چندرسانه‌ای را تا حدی مدیریت می‌کنند. اینها شبیه به پردازنده‌های مقرون‌به‌صرفه هستند که بیشتر برای اجرای عملکردهای اساسی، پایه و سبک‌تر استفاده می‌شوند. چنین پردازنده‌هایی را می‌توان به راحتی برای اجرای برنامه‌های آفیس، ویرایش عکس، وبگردی و سایر کارهای ساده‌تر استفاده کرد.

نحوه کار پردازنده

اگر بخواهیم به‌صورت خلاصه دوباره توضیح دهیم، پردازنده مرکزی مسئول مدیریت عملیات‌های محاسباتی و منطقی است و دستورالعمل‌هایی که توسط برنامه‌های مختلف به آن داده می‌شود را اجرا می‌کند. CPU می‌تواند در هر ثانیه میلیون‌ها دستورالعمل را اجرا کند اما اغلب در هر نوبت تنها می‌تواند یک فرمان را انجام دهد. پردازنده ابتدا نوعی اطلاعات ورودی، معمولاً از دستگاه‌های ورودی (مانند مانیتور، کیبورد، موس یا میکروفون) یا از برنامه‌های نرم‌افزاری سیستم (مانند مرورگر اینترنت یا سیستم‌عامل) دریافت می‌کند و سپس چهار عملیات زیر را انجام می‌دهد:

1. جمع‌آوری یا دریافت دستورالعمل‌ها از حافظه، به منظور آگاهی از نحوه مدیریت ورودی و دانستن دستورالعمل‌های مربوط به آن داده خاص که دریافت شده است. پردازنده به طور خاص، به دنبال آدرس دستورالعمل‌های مربوطه می‌گردد و درخواست را به حافظه RAM ارسال می‌کند. CPU و RAM دائماً با هم در ارتباط هستند. به این کار خواندن از حافظه نیز گفته می‌شود.
2. کدگشایی یا ترجمه دستورالعمل‌ها به شکلی که پردازنده بتواند آن را درک کند، که به زبان ماشین (باینری) است.
3. اجرا و عمل کردن به دستور دریافت شده.
4. ذخیره‌سازی نتیجه اجرای دستور در حافظه برای بازیابی بعدی در صورت درخواست. به این کار نوشتن در حافظه نیز گفته می‌شود.

درنهایت، پس از انجام این چهار مرحله اصلی، یک نوع خروجی حاصل می‌شود، مانند چاپ نوشته‌ای روی یک صفحه کاغذ. فرآیندی که در بالا توضیح داده شد، چرخه دریافت-اجرا (fetch-execute) نامیده می‌شود و میلیون‌ها بار در ثانیه اتفاق می‌افتد.

اجزای پردازنده

حالا که با عملکردهای اصلی پردازنده که برای هرگونه عملیات کوچک و بزرگ کامپیوتری اجرا می‌شوند آشنا شدید،‌ بهتر است بدانید که پردازنده از چه بخش‌هایی تشکیل شده است. در زیر به برخی از مهم‌ترین اجزای یک پردازنده اشاره می‌کنیم:

• CU (مخفف واحد کنترل): این بخش جریان ورودی و خروجی را هموار می‌کند. این همان بخشی است که اطلاعات و دستورالعمل‌ها را از حافظه اصلی دریافت کرده و کمی بعد آنها را کدگشایی می‌کند.
• ALU (مخفف واحد منطقی): این همان بخشی است که در آن تمام پردازش اتفاق می‌افتند. اینجا جایی است که تمام محاسبات ریاضی مانند جمع، تفریق، ضرب و تقسیم و همچنین تمام عملیات منطقی برای تصمیم‌گیری مانند مقایسه داده‌ها انجام می‌شوند
• Registers: یک مکان حافظه که قابلیت دسترسی بسیار سریع دارد. داده‌ها و دستورالعمل‌هایی که در طول چرخه دریافت-اجرا پردازش می‌شوند، برای دسترسی سریع پردازنده در آنجا ذخیره می‌شوند.

CPU کامپیوتر کجاست؟

داخل یک پردازنده هزاران ترانزیستور میکروسکوپی وجود دارد که در واقع سوئیچ های بسیار ریزی هستند که جریان الکتریسیته را در مدارهای یکپارچه کنترل می‌کنند. در کامپیوترها پردازنده روی مادربرد قرار گرفته است. مادربرد کامپیوتر در واقع مدار اصلی داخل کامپیوتر است که کارش متصل کردن اجزای سخت‌افزاری سیستم به یکدیگر است.

پردازنده که اغلب به عنوان قلب یا مغز سیستم‌های کامپیوتری در نظر گرفته می‌شود مسئول اصلی انجام تمام کارها است. تک‌تک عملیات‌های کامپیوتری توسط پردازنده انجام داده می‌شوند.

مقاله آموزشی مرتبط: دوربین چیست؟