پردازنده کامپیوتر
همه چیز در مورد پردازنده‌ها
پردازنده چیست؟
احتمالاً هنگام خرید موبایل، لپ‌تاپ یا کامپیوتر شخصی، درباره CPU محصول به شما اطلاعاتی داده‌اند. CPU همان قطعه‌ای است که هنگام اجرای برنامه‌ها و دستورات به طور همزمان، آنها را مدیریت می‌کند. پس دانستن اطلاعاتی درباره آن به شما کمک می‌کند تا هنگام خرید این محصولات آگاهانه‌تر عمل کنید. برای اینکه با طرز کار CPU، وظایف، انواع و اجزای آن آشنا شوید تا پایان این مطلب همراه ما باشید.
همه چیز در مورد پردازنده‌ها
پردازنده چیست؟
احتمالاً هنگام خرید موبایل، لپ‌تاپ یا کامپیوتر شخصی، درباره CPU محصول به شما اطلاعاتی داده‌اند. CPU همان قطعه‌ای است که هنگام اجرای برنامه‌ها و دستورات به طور همزمان، آنها را مدیریت می‌کند. پس دانستن اطلاعاتی درباره آن به شما کمک می‌کند تا هنگام خرید این محصولات آگاهانه‌تر عمل کنید. برای اینکه با طرز کار CPU، وظایف، انواع و اجزای آن آشنا شوید تا پایان این مطلب همراه ما باشید.
در این مطلب می‌خوانید
سی‌پی‌یو چیست؟
وظایف CPU
انواع CPU چیست؟
اجزای CPU
سی‌پی‌یو چیست؟
کلمه CPU مخفف عبارت Central Processing Unit و به معنای (واحد پردازشگر مرکزی) است. CPU یک قطعه الکترونیکی است که مسئولیت پردازش تمامی دستورات یک کامپیوتر یا موبایل را بر عهده دارد. اگر بخواهیم CPU را به عضوی از اعضای بدن تشبیه کنیم، می‌توانیم بگوییم CPU مغز کامپیوتر است. همان‌طور که بدن بدون مغز عملاً هیچ کارکردی ندارد، کامپیوتر هم بدون CPU قادر به انجام هیچ کار و اجرای هیچ دستوری نیست.
CPUها به شکل تراشه‌های کوچک و بیشتر مواقع مربعی‌شکل هستند. آنها روی صفحه‌ای به نام مادربورد قرار دارند و با سایر سخت‌افزارها در تعامل هستند تا بتوانند عملیات رایانه‌ای را به خوبی اجرا کنند. CPU در تمامی دستگاه‌های الکترونیکی از لپ‌تاپ و کامپیوتر گرفته تا تبلت، گوشی‌های هوشمند، ساعت و مچ‌بندهای هوشند و حتی تلویزیون‌های هوشمند وجود دارد.
وظایف CPU
به طور کلی و خلاصه CPU اطلاعاتی را به عنوان ورودی از حافظه سیستم دریافت می‌کند و سپس آنها را کدگشایی و پردازش می‌کند و در انتها نتیجه را به صورت خروجی ارائه می‌دهد. اگرچه طی سالیان گذشته پیشرفت‌ها و بهبودهای زیادی روی CPUها اتفاق افتاده است اما هنوز هم کارکرد اصلی CPU در همین سه مرحله خلاصه می‌شود. به طور تخصصی این سه مرحله با نام‌های واکشی (Fetch)، کدگشایی (Decode) و اجرا (Execute) شناخته می‌شوند که در ادامه به بررسی این مراحل می‌پردازیم.
واکشی در CPU: در یک توضیح ساده می‌توانیم بگوییم واکشی یعنی دریافت دستورالعمل. در این مرحله دستورات که داخل حافظه اصلی یا همان RAM قرار دارند به سمت CPU فرا خوانده می‌شوند. این دستورالعمل‌ها شامل یکسری اعداد باینری به صورت صفر و یک هستند. هر دستورالعمل فقط یک بخش کوچک از عملیات اصلی است. بنابراین لازم است دستورالعمل بعدی به سرعت توسط CPU خوانده شود. به همین دلیل آدرس دستورالعمل فعلی در قسمتی به نام PC (Program Controller) نگهداری می‌شود.
کدگشایی در CPU: بعد از واکشی دستورالعمل‌ها، CPU آنها را به مداری به نام مدار کدگشایی دستورالعمل‌ها انتقال می‌دهد. دستورالعمل‌ها در این مدار تبدیل به سیگنال‌هایی می‌شوند که هر کدام برای انجام اقدامات مختلف به اجزای مختلف CPU ارسال می‌شوند.
اجرا در CPU: در این مرحله که مرحله آخر است CPU تعدادی دستور دارد که همگی کدگشایی شده و آماده اجرا هستند. CPU این دستورات را اجرا می‌کند و نتایج حاصل را در قسمتی که عملکرد آن مانند حافظه ماشین حساب است ذخیره می‌کند تا در دستورالعمل‌های بعدی بتواند از آنها استفاده کند. مراحل اجرای دستورات در کامپیوترهای مختلف می‌تواند متفاوت باشد و CPU هر کامپیوتر می‌تواند بر اساس مجموعه دستورالعمل‌های مختلف، به طور متفاوتی دستورات را اجرا کند. اما چرخه اجرای دستور در همه کامپیوترها حتماً شامل سه مرحله بالا می‌شود.
انواع CPU چیست؟
CPUها از نظر ساختاری به دو نوع ۳۲ و ۶۴ بیتی تقسیم می‌شوند که هر کدام سرعت و توانایی‌‌های مختلفی دارند. CPUهای ۳۲ بیتی که اغلب در سیستم‌های قدیمی‌تر استفاده می‌شدند سرعت و امنیت کمتری دارند در حالی که CPUهای ۶۴ بیتی جدیدتر هستند و سرعت و امنیت بالاتری دارند.
CPUها را می‌توان بر اساس تعداد هسته‌های آنها هم دسته‌بندی کرد. امروزه CPUهایی با تعداد هسته ۲، ۴، ۸ یا حتی ۱۶ در بازار موجود است. هر کدام از این هسته‌ها به طور مستقل عملیات پردازش اطلاعات را انجام می‌دهند، به همین دلیل هرچه تعداد هسته‌های یک پردازنده بیشتر باشد سرعت اجرای دستورات در آن بیشتر است و احتمال خطا یا کندی سیستم کمتر می‌شود. البته این اتفاق زمانی رخ می‌دهد که هسته‌ها از روش عملکرد پردازش موازی استفاده کنند.
روش دیگر دسته‌بندی CPUها، تقسیم‌بندی آنها بر اساس شرکت سازنده است. به طور کلی در حوزه لپ‌تاپ و کامپیوتر دو شرکت تولیدکننده CPU به نام‌های Intel و AMD فعالیت می‌کنند که هر کدام از این شرکت‌ها خانواده بزرگی از پردازنده‌ها را طراحی و تولید کرده‌اند. در ادامه تعدادی از پردازنده‌های این دو شرکت را نام می‌بریم:
پردازنده‌های اینتل:
این شرکت قدیمی‌ترین تولیدکننده CPUهای جهان است که بسیاری از کامپیوترهای بزرگ دنیا از تولیدات این شرکت استفاده می‌کنند. اینتل به طور کلی ۷۵ خانواده از CPUها را تولید کرده که مهم‌ترین آنها عبارت‌اند از:
Celeron
Pentium
Core i3
Core i5
Core i7
Core i9
Xeon و Atom
پردازنده‌های AMD:
این شرکت دست به تولید نسل جدیدتری از CPUها زده است و همواره به دنبال ارائه فناوری‌های جدید و به‌روز است. AMD به طور کلی ۵۸ خانواده از CPUها را تولید کرده که مهم‌ترین آنها عبارت‌اند از:
AMD FX
AM2
AM3
AM3B
A10
A12
Ryzen3
Ryzen5
Ryzen7
Athlon
Athlon II
EPYC
Opteron
AMD Turion
اجزای CPU
CPUها در واقع از دو لایه فیزیکی و انتزاعی تشکیل می‌شوند. لایه فیزیکی شامل ترانزیستورها، تراشهها و قطعات سخت‌افزاری و لایه انتزاعی شامل مدارهای منطقی و گیت‌ها هستند. با گذشت زمان و پیشرفت فناوری به دلیل کوچک شدن ترانزیستورها و تراشهها، حجم CPUها کاهش پیدا کرده و روزبه‌روز کوچک‌تر می‌شوند. قسمت‌های مهم CPUها شامل هسته، کلاک، حافظه نهان و رجیستر هستند که در ادامه آنها را توضیح می‌دهیم.
هسته: CPUها دارای حداقل یک هسته مرکزی پردازشگر هستند که این تعداد در CPUهای امروزی بیشتر شده است. CPUهای دارای چند هسته قادر به انجام همزمان چند دستور هستند.
کلاک: کلاک در واقع نشان‌دهنده سرعت پردازنده است که با واحد گیگاهرتز مشخص می‌شود. با دانستن مقدار کلاک یک CPU می‌توان فهمید آن CPU چند دستور را می‌تواند در یک لحظه انجام دهد. سرعت کلاک باید بین CPUهای هم‌رده و هم‌نسل مقایسه شود. بهتر است هنگام خرید یک CPU حتماً به مقدار کلاک آن توجه کنید.
حافظه نهان (Cache): حافظه نهان یک حافظه سخت‌افزاری درون CPU است که کمک می‌کند زمان دستیابی به داده‌ها کاهش بیابد. این حافظه اطلاعات و دستورالعمل‌های مهم را در خود ذخیره می‌کند تا نیازی به رجوع به حافظه RAM برای دستیابی به آنها نباشد.
رجیستر: این قسمت را می‌توان حافظه کوتاه‌مدت CPU نام برد. نتیجه آخرین محاسبات انجام‌شده توسط CPU در این قسمت نگهداری می‌شود تا در صورت نیاز، به آسانی و به سرعت به آنها دست پیدا کند.
علاوه بر مواردی که در بالا نام بردیم CPUها دارای واحدهایی هستند که متناسب با طرز کار یک CPU وظایفی بر عهده دارند. در زیر به توضیح این واحدها می‌پردازیم:
عملیات واحدهای یک پردازنده:
1-واحد محاسبه و عملیات منطقی (ALU):
واحد محاسبه و عملیات منطقی (ALU) یک مدار دیجیتالی پیچیده است که عملیات ریاضی و مقایسه‌ای را انجام می‌دهد و این واحد وظیفه انجام دادن عملیات محاسباتی مانند جمع، تفریق، ضرب و تقسیم را بر عهده دارد بعد از پردازش اطلاعات توسط ALU آنها را حافظه کامپیوتر ارسال می‌نماید. چندین واحد محاسبه و منطق را می‌توان در CPU، GPU و FPU یافت. در برخی پردازنده‌های رایانه‌ای، ALU به AU و LU تقسیم می‌شود. AU عملیات حسابی را انجام می‌دهد و LU عملیات منطقی را انجام می‌دهد.
2-واحد کنترل حافظه (CU):
واحد کنترل یا CU مداری است که عملیات را درون پردازنده رایانه هدایت و مدیریت می‌کند و این امکان را به واحد محاسبه و منطق و همچنین دستگاه‌های ورودی و خروجی می‌دهد که چگونه می‌توانند به دستورالعمل‌های دریافت شده از یک برنامه پاسخ دهند. وظیفه این واحد دریافت دستورالعمل‌ها، کدگشایی و در نهایت ارسال آنها به واحد ALU است. این واحد با ارسال سیگنال به اجزای دیگر، فعالیت‌های یک سیستم کامپیوتری را کنترل می‌کند. واحد کنترل با دریافت اطلاعات ورودی که آن را به سیگنال‌های کنترلی تبدیل می‌کند، کار می‌کند و سپس به پردازنده مرکزی ارسال می‌شود و پردازنده به سخت‌افزار متصل می‌گوید چه عملیاتی را باید انجام دهد. کارکردهایی که یک واحد کنترل انجام می‌دهد، به دلیل واریانس معماری بین تولیدکنندگان مختلف، به نوع CPU بستگی دارد.
3-واحد حافظه ثبات (Register):
این واحد وظیفه ترجمه آدرس‌های منطقی به آدرس‌های فیزیکی را بر عهده دارد
CPU های مختلف دارای حافظه ثبات‌های گوناگون می‌باشند. بعضی از رجیسترها برای نگهداری نتایج اعمال استفاده می‌شوند و بعضی دیگر به‌عنوان اشاره‌گر و برخی نیز برای اهداف دیگر می‌باشند. دستورالعمل‌ها مجاز هستند که با سرعتی برابر با 16، 32 یا 64 بیت پردازش شوند و به‌عنوان‌مثال اگر برنامه‌ای برای پردازش دستورالعمل‌های 64 بیتی طراحی‌شده باشد، پردازنده‌ای با ثبت 32 بیتی قادر به اجرای آن برنامه نیست.
در این مطلب می‌خوانید
سی‌پی‌یو چیست؟
وظایف CPU
انواع CPU چیست؟
اجزای CPU
سی‌پی‌یو چیست؟
کلمه CPU مخفف عبارت Central Processing Unit و به معنای (واحد پردازشگر مرکزی) است. CPU یک قطعه الکترونیکی است که مسئولیت پردازش تمامی دستورات یک کامپیوتر یا موبایل را بر عهده دارد. اگر بخواهیم CPU را به عضوی از اعضای بدن تشبیه کنیم، می‌توانیم بگوییم CPU مغز کامپیوتر است. همان‌طور که بدن بدون مغز عملاً هیچ کارکردی ندارد، کامپیوتر هم بدون CPU قادر به انجام هیچ کار و اجرای هیچ دستوری نیست.
CPUها به شکل تراشه‌های کوچک و بیشتر مواقع مربعی‌شکل هستند. آنها روی صفحه‌ای به نام مادربورد قرار دارند و با سایر سخت‌افزارها در تعامل هستند تا بتوانند عملیات رایانه‌ای را به خوبی اجرا کنند. CPU در تمامی دستگاه‌های الکترونیکی از لپ‌تاپ و کامپیوتر گرفته تا تبلت، گوشی‌های هوشمند، ساعت و مچ‌بندهای هوشند و حتی تلویزیون‌های هوشمند وجود دارد.
وظایف CPU
به طور کلی و خلاصه CPU اطلاعاتی را به عنوان ورودی از حافظه سیستم دریافت می‌کند و سپس آنها را کدگشایی و پردازش می‌کند و در انتها نتیجه را به صورت خروجی ارائه می‌دهد. اگرچه طی سالیان گذشته پیشرفت‌ها و بهبودهای زیادی روی CPUها اتفاق افتاده است اما هنوز هم کارکرد اصلی CPU در همین سه مرحله خلاصه می‌شود. به طور تخصصی این سه مرحله با نام‌های واکشی (Fetch)، کدگشایی (Decode) و اجرا (Execute) شناخته می‌شوند که در ادامه به بررسی این مراحل می‌پردازیم.
واکشی در CPU: در یک توضیح ساده می‌توانیم بگوییم واکشی یعنی دریافت دستورالعمل. در این مرحله دستورات که داخل حافظه اصلی یا همان RAM قرار دارند به سمت CPU فرا خوانده می‌شوند. این دستورالعمل‌ها شامل یکسری اعداد باینری به صورت صفر و یک هستند. هر دستورالعمل فقط یک بخش کوچک از عملیات اصلی است. بنابراین لازم است دستورالعمل بعدی به سرعت توسط CPU خوانده شود. به همین دلیل آدرس دستورالعمل فعلی در قسمتی به نام PC (Program Controller) نگهداری می‌شود.
کدگشایی در CPU: بعد از واکشی دستورالعمل‌ها، CPU آنها را به مداری به نام مدار کدگشایی دستورالعمل‌ها انتقال می‌دهد. دستورالعمل‌ها در این مدار تبدیل به سیگنال‌هایی می‌شوند که هر کدام برای انجام اقدامات مختلف به اجزای مختلف CPU ارسال می‌شوند.
اجرا در CPU: در این مرحله که مرحله آخر است CPU تعدادی دستور دارد که همگی کدگشایی شده و آماده اجرا هستند. CPU این دستورات را اجرا می‌کند و نتایج حاصل را در قسمتی که عملکرد آن مانند حافظه ماشین حساب است ذخیره می‌کند تا در دستورالعمل‌های بعدی بتواند از آنها استفاده کند. مراحل اجرای دستورات در کامپیوترهای مختلف می‌تواند متفاوت باشد و CPU هر کامپیوتر می‌تواند بر اساس مجموعه دستورالعمل‌های مختلف، به طور متفاوتی دستورات را اجرا کند. اما چرخه اجرای دستور در همه کامپیوترها حتماً شامل سه مرحله بالا می‌شود.
انواع CPU چیست؟
CPUها از نظر ساختاری به دو نوع ۳۲ و ۶۴ بیتی تقسیم می‌شوند که هر کدام سرعت و توانایی‌‌های مختلفی دارند. CPUهای ۳۲ بیتی که اغلب در سیستم‌های قدیمی‌تر استفاده می‌شدند سرعت و امنیت کمتری دارند در حالی که CPUهای ۶۴ بیتی جدیدتر هستند و سرعت و امنیت بالاتری دارند.
CPUها را می‌توان بر اساس تعداد هسته‌های آنها هم دسته‌بندی کرد. امروزه CPUهایی با تعداد هسته ۲، ۴، ۸ یا حتی ۱۶ در بازار موجود است. هر کدام از این هسته‌ها به طور مستقل عملیات پردازش اطلاعات را انجام می‌دهند، به همین دلیل هرچه تعداد هسته‌های یک پردازنده بیشتر باشد سرعت اجرای دستورات در آن بیشتر است و احتمال خطا یا کندی سیستم کمتر می‌شود. البته این اتفاق زمانی رخ می‌دهد که هسته‌ها از روش عملکرد پردازش موازی استفاده کنند.
روش دیگر دسته‌بندی CPUها، تقسیم‌بندی آنها بر اساس شرکت سازنده است. به طور کلی در حوزه لپ‌تاپ و کامپیوتر دو شرکت تولیدکننده CPU به نام‌های Intel و AMD فعالیت می‌کنند که هر کدام از این شرکت‌ها خانواده بزرگی از پردازنده‌ها را طراحی و تولید کرده‌اند. در ادامه تعدادی از پردازنده‌های این دو شرکت را نام می‌بریم:
پردازنده‌های اینتل:
این شرکت قدیمی‌ترین تولیدکننده CPUهای جهان است که بسیاری از کامپیوترهای بزرگ دنیا از تولیدات این شرکت استفاده می‌کنند. اینتل به طور کلی ۷۵ خانواده از CPUها را تولید کرده که مهم‌ترین آنها عبارت‌اند از:
Celeron
Pentium
Core i3
Core i5
Core i7
Core i9
Xeon و Atom
پردازنده‌های AMD:
این شرکت دست به تولید نسل جدیدتری از CPUها زده است و همواره به دنبال ارائه فناوری‌های جدید و به‌روز است. AMD به طور کلی ۵۸ خانواده از CPUها را تولید کرده که مهم‌ترین آنها عبارت‌اند از:
AMD FX
AM2
AM3
AM3B
A10
A12
Ryzen3
Ryzen5
Ryzen7
Athlon
Athlon II
EPYC
Opteron
AMD Turion
اجزای CPU
CPUها در واقع از دو لایه فیزیکی و انتزاعی تشکیل می‌شوند. لایه فیزیکی شامل ترانزیستورها، تراشهها و قطعات سخت‌افزاری و لایه انتزاعی شامل مدارهای منطقی و گیت‌ها هستند. با گذشت زمان و پیشرفت فناوری به دلیل کوچک شدن ترانزیستورها و تراشهها، حجم CPUها کاهش پیدا کرده و روزبه‌روز کوچک‌تر می‌شوند. قسمت‌های مهم CPUها شامل هسته، کلاک، حافظه نهان و رجیستر هستند که در ادامه آنها را توضیح می‌دهیم.
هسته: CPUها دارای حداقل یک هسته مرکزی پردازشگر هستند که این تعداد در CPUهای امروزی بیشتر شده است. CPUهای دارای چند هسته قادر به انجام همزمان چند دستور هستند.
کلاک: کلاک در واقع نشان‌دهنده سرعت پردازنده است که با واحد گیگاهرتز مشخص می‌شود. با دانستن مقدار کلاک یک CPU می‌توان فهمید آن CPU چند دستور را می‌تواند در یک لحظه انجام دهد. سرعت کلاک باید بین CPUهای هم‌رده و هم‌نسل مقایسه شود. بهتر است هنگام خرید یک CPU حتماً به مقدار کلاک آن توجه کنید.
حافظه نهان (Cache): حافظه نهان یک حافظه سخت‌افزاری درون CPU است که کمک می‌کند زمان دستیابی به داده‌ها کاهش بیابد. این حافظه اطلاعات و دستورالعمل‌های مهم را در خود ذخیره می‌کند تا نیازی به رجوع به حافظه RAM برای دستیابی به آنها نباشد.
رجیستر: این قسمت را می‌توان حافظه کوتاه‌مدت CPU نام برد. نتیجه آخرین محاسبات انجام‌شده توسط CPU در این قسمت نگهداری می‌شود تا در صورت نیاز، به آسانی و به سرعت به آنها دست پیدا کند.
علاوه بر مواردی که در بالا نام بردیم CPUها دارای واحدهایی هستند که متناسب با طرز کار یک CPU وظایفی بر عهده دارند. در زیر به توضیح این واحدها می‌پردازیم:
عملیات واحدهای یک پردازنده:
1-واحد محاسبه و عملیات منطقی (ALU):
واحد محاسبه و عملیات منطقی (ALU) یک مدار دیجیتالی پیچیده است که عملیات ریاضی و مقایسه‌ای را انجام می‌دهد و این واحد وظیفه انجام دادن عملیات محاسباتی مانند جمع، تفریق، ضرب و تقسیم را بر عهده دارد بعد از پردازش اطلاعات توسط ALU آنها را حافظه کامپیوتر ارسال می‌نماید. چندین واحد محاسبه و منطق را می‌توان در CPU، GPU و FPU یافت. در برخی پردازنده‌های رایانه‌ای، ALU به AU و LU تقسیم می‌شود. AU عملیات حسابی را انجام می‌دهد و LU عملیات منطقی را انجام می‌دهد.
2-واحد کنترل حافظه (CU):
واحد کنترل یا CU مداری است که عملیات را درون پردازنده رایانه هدایت و مدیریت می‌کند و این امکان را به واحد محاسبه و منطق و همچنین دستگاه‌های ورودی و خروجی می‌دهد که چگونه می‌توانند به دستورالعمل‌های دریافت شده از یک برنامه پاسخ دهند. وظیفه این واحد دریافت دستورالعمل‌ها، کدگشایی و در نهایت ارسال آنها به واحد ALU است. این واحد با ارسال سیگنال به اجزای دیگر، فعالیت‌های یک سیستم کامپیوتری را کنترل می‌کند. واحد کنترل با دریافت اطلاعات ورودی که آن را به سیگنال‌های کنترلی تبدیل می‌کند، کار می‌کند و سپس به پردازنده مرکزی ارسال می‌شود و پردازنده به سخت‌افزار متصل می‌گوید چه عملیاتی را باید انجام دهد. کارکردهایی که یک واحد کنترل انجام می‌دهد، به دلیل واریانس معماری بین تولیدکنندگان مختلف، به نوع CPU بستگی دارد.
3-واحد حافظه ثبات (Register):
این واحد وظیفه ترجمه آدرس‌های منطقی به آدرس‌های فیزیکی را بر عهده دارد
CPU های مختلف دارای حافظه ثبات‌های گوناگون می‌باشند. بعضی از رجیسترها برای نگهداری نتایج اعمال استفاده می‌شوند و بعضی دیگر به‌عنوان اشاره‌گر و برخی نیز برای اهداف دیگر می‌باشند. دستورالعمل‌ها مجاز هستند که با سرعتی برابر با 16، 32 یا 64 بیت پردازش شوند و به‌عنوان‌مثال اگر برنامه‌ای برای پردازش دستورالعمل‌های 64 بیتی طراحی‌شده باشد، پردازنده‌ای با ثبت 32 بیتی قادر به اجرای آن برنامه نیست.
