سی‌پی‌یو (CPU) چیست - cpu چه وظایفی دارد - انواع پردازنده مرکزی

امروزه در دنیای کامپیوتر و الکترونیک هیچ وسیله ای را نخواهید یافت که فاقد سی پی یو (CPU) یا واحد پردازش مرکزی باشد. اگر تعریف معماری سیستم های کامپیوتری را مبنی بر اینکه: ما بوسیله معماری، ساختار واحدهای تشکیل دهنده یک سیستم کامپیوتری را هدفمند می نمائیم، بخاطر بیاورید می توان CPU را بعنوان مغز متفکر واحدهای تشکیل دهنده یک سیستم کامپیوتری فرض کرد که وظیفه هدفمند سازی ساختار این واحدها را به عهده دارد.

احتمالا تمایل دارید بدانید CPU یا پردازنده مرکزی چیست، از چه بخش هایی تشکیل شده و هریک از بخش های تشکیل دهنده آن چه وظایف و مشخصاتی دارند.

در این مقاله به تمامی سوالات شما پاسخ می دهیم.

پردازنده مرکزی یا CPU چیست؟

CPU از نظر واژه شناسی یک علامت اختصاری و مخفف عبارت Central Processing Unit است که در فارسی به آن واحد پردازدش مرکزی گفته می شود. سی پی یو تقریبا در تمام دیوایس ها وجود دارد؛ ساعت هوشمند، کامپیوتر و ترموستات برخی از مثال‌های رایجی هستند که CPU در آنها به کار برده شده است. این قطعه مسئول پردازش و صادر کردن دستورهای دستگاه است.

سی پی یو را می توان به مغز تشبیه کرد که تمام دستورات و پردازش های بدن انسان از آنجا صادر می شود؛ بنابراین اگر بگوییم CPU مغز یک دستگاه است بیراه نگفته ایم. اما این قطعه چطور با دیگر بخش های دستگاه در ارتباط است و چگونه کارکردهای آنها را پردازش می کند؟ در ادامه به این سؤالات پاسخ خواهیم داد.

برای این که معرفی جامعی از سی پی یو ارائه دهیم، لازم است به تاریخچه آن نیز بپردازیم. کامپیوتر های اولیه نظیر ENIAC برای انجام دادن وظایف مختلف و متفاوت لازم بود از نو سیمکشی شوند؛ به همین دلیل به این دسته از کامپیوترها، کامپیوترهای با برنامه ثابت یا Fixed-Program گفته می شد. واحد پردازنده مرکزی عبارتی بود که از سال 1955 از آن استفاده شد. این واژه به دستگاه هایی اطلاق می شد که توسط نرم افزارها یا برنامه های کامپیوتری فرمان هایی صادر می کرد. شروع استفاده از این قطعات به ظهور نسل جدیدی از کامپیوتر ها منجر شد که می توانستند برنامه هایی را در خود ذخیره کنند.

امروزه سی پی یو جزء مرکزی دستگاه ها است و در راستای سخت افزارهای هر دستگاه، محاسبات و دستورات خود را انجام می دهد. از نظر سخت افزاری CPU عبارت است از یک تراشه سیلیکونی که در یک سوکت ویژه در کنار مادربورد در دیوایس قرار می گیرد. تراشه یا IC را می توان مجموعه‌ای از مدارهای الکترونیکی دانست که روی یک صفحه‌ی نازک و کوچکِ مسطح از جنس نیمه رسانا (عموما سیلیکون) ساخته می‌شود. این مدارات الکترونیکی شامل تعداد بسیار زیادی (امروزه در حد میلیون یا میلیارد) مقاومت، خازن و ترانزیستور هستند که روی این صفحه سیلیکونی ساخته می‌شوند.
پردازنده مرکزی، از مموری که اطلاعات را در خود ذخیره می کند جدا است. همچنین کارت گرافیک یا چیپ های گرافیکی نیز اجزاء جداگانه ای هستند که کمک می کنند شما تصاویر را بر روی صفحه نمایش خود مشاهده نمایید.

انواع پردازنده کامپیوتری

‌در گذشته انواع پردازنده های کامپیوتری به وسیله اعداد از هم تمایز داده می شدند و این اعداد به تشخیص پرازنده هایی با سرعت بیشتر کمک می کردند. به عنوان مثال پردازنده 80486 اینتل که به نام 486 معروف است، از پردازشگر 80386 یا 386 سریع تر است. پس از معرفی پردازشگر Intel Pentium‌ که به شکل تکنیکی 80586 نامیده می شود، تمام پرازنده های کامپیوتری با نام های مختلفی مانند Athlon، Duron، Pentium و Celeron روانه بازار شدند.

امروزه علاوه بر نام های مختلفی که برای پردازنده های کامپیوتری ارائه می شود، این قطعات از نظر ساختاری به دو نوع32 بیتی و 64 بیتی تقسیم می شوند که سرعت و توانایی های متفاوتی دارند. کامپیوترهای دارای پردازنده 32 بیتی قدیمی تر و کندتر هستند و ایمنی پایین تری دارند در حالی که سیستم های دارای پردازشگر 64 بیتی دارای سرعت و امنیت بالاتری بوده و جدیدتر هستند. یک پردازنده 64 بیتی می تواند 2 به توان 64 بایت رم (RAM) را مدیریت کند بدین معنی که تونایی پردازش این پردازشگر به تنهایی بیشتر از 4 میلیارد پردازنده 32 بیتی است که با یکدیگر ترکیب شده اند.

سری AMD Opteron و Intel Itanium و Xeon سی پی یو هایی هستند که در سرورها و کامپیوترهای بزرگ مورد استفاده قرار می گیرند. برخی از موبایل های هوشمند و تبلت ها نیز از سی پی یو ARM استفاده می کنند. این انواع از پردازشگرهای مرکزی اندازه کوچکتری دارند، به انرژی کمتری نیاز دارند و گرمای کمتری ایجاد می کنند.

طرز کار سی پی یو - سی پی یو چه وظایفی دارد؟

سی پی یو در هسته مرکزی خود دستورات را از یک برنامه یا اپلیکیشن خوانده و با انجام محاسبات آن را اجرا می کند. در حقیقت CPU اطلاعات را از RAM خوانده (Fetch می‌کند)، دستورات را رمزگشایی  می کند (دیکد می‌کند) و به وسیله بخش هایی که با آنها در ارتباط است فرمان ها را اجرا می کند.

 اجرای دستورات یا انجام محاسبات می تواند از طریق انجام محاسبات ریاضی، مقایسه ارقام و اعداد یا جابجایی اعداد در سطح مموری انجام بگیرد. از آنجایی که همه چیز در یک دیوایس پردازشگر با اعداد نمایش داده می شوند، می توان گفت CPU یک ماشین حساب فوق پیشرفته و بسیار سریع است. نتیجه این محاسبات ممکن است با بالا آمدن ویندوز، نمایش یک ویدئو در یوتیوب یا دیگر برنامه های اجرایی به نمایش درآید. با این حال وظایف سی پی یو را می توان به 3 بخش تقسیم کرد.

توجه: خوب است بدانید که مراحل و گام‌های اجرای دستور در کامپیوترهای مختلف می‌تواند متفاوت باشد و CPU هر کامپیوتر می‌تواند بر اساس مجموعه دستورالعمل های مختلف، سیکل اجرای دستورات متفاوتی داشته باشد، اما سیکل‌ اجرای دستور در همه کامپیوترها  حتما و حداقل مراحل زیر را خواهد داشت:

1. خواندن دستورات از حافظه رَم یا همان واکِشی دستورات (Fetching)

   دستورات در حافظه اصلی (RAM) هستند و برای اینکه اجرا شوند باید از حافظه خوانده شوند و به واحد کنترل (CU) منتقل شوند، در Fetch یک دستور از حافظه خوانده می‌شود و به واحد کنترل منتقل می‌شود و معمولا در ثباتی به نام IR(Instruction Register) گذاشته می‌شود. در این مرحله دستوری که آدرسش در ثبات PC(Program Counter) قرار گرفته است خوانده می‌شود و محتویات این خانهِ حافظه به ثبات IR منتقل می‌شود. این بخش نخستین وظیفه سی پی یو است که برای اجرای دستورات و عملکردها ضروری است در پایان عملیات واکشی (Fetch) ، ثبات PC در این مرحله آپدیت می‌شود و به دستورالعمل بعدی که در کد نوشته شده اشاره می کند، این دستور العمل در چرخه بعدی Fetch خواهد شد.

   توجه: به خواندن داده از حافظه Fetch نمی‌گویند.

2. رمزگشایی یا ترجمه دستور (Decoding)

   ترجمه دستور واکشی شده و تولید سیگنال‌های کنترلی برای سخت افزار در راستای اجرای آن دستور از دیگر وظایف CPU‌ است. بطور دقیق تر در این مرحله واحد کنترل (Control Unit=CU) که یکی از قسمت‌های CPU محسوب می‌شود با توجه به دستوری که Fetch شده و در ثبات IR است و همین طور سیگنال‌های دیگری که از سخت افزار دریافت می‌کند (سیگنال‌های Status)، سیگنال‌های کنترلی‌ای را در راستای اجرای دستور فچ شده برای سخت افزار در سیکل‌های آتی تولید می‌کند.

3. اجرا کردن

   با توجه به مرحله دیکد مشخص می‌شود که دستور فچ شده چیست و قرار است چه عملیاتی روی چه داده‌هایی انجام شود، حال در مرحله اجرا عملیات مشخص شده روی داده های مشخص شده توسط سخت افزار انجام می‌شود. بعنوان مثال فرض کنید، پس از دیکد دستور مشخص شده است که باید دو عددی که در ثبات‌های A و B هستند با هم جمع شوند، در مرحله دیکد سیگنال‌های لازم برای اینکه دو ثبات A و B با هم جمع شوند توسط CU به سخت افزار ارسال می‌شود (به ALU فرمان داده می‌شود که دو ثبات A و B را با هم جمع کند) و سپس سخت افزار کارهای گفته شده را انجام می‌دهد (اجرا می‌کند).

اجزای سی پی یو - بخش های تشکیل دهنده CPU

در مقیاس سخت افزاری، سی پی یو یک IC (Integrated Circuit) یا چیپ محسوب می شود که از میلیون‌ها ترازیستور میکروسکوپی تشکیل شده است. در واقع این ترازیستورها هستند که اجرای محاسبات و برنامه های کامپیوتری که در مموری ذخیره شده اند را امکان پذیر می‌سازند.

بطورکلی می‌توان لایه‌های تراشه CPU را بصورت زیر نشان داد:

برخی از این لایه ها دستگاه های فیزیکی هستند، مانند تراشه و ترانزیستورها، و برخی از آن لایه ها انتزاعی هستند، مانند مدارهای منطقی و گیت‌ها. جالب است که می‌توانیم با کنار هم قرار دادن دستگاه‌های ساده‌ای مانند گیت‌های منطقی پردازنده‌هایی ایجاد کنیم که باعث به وجود آمدن دستگاه‌های پیچیده‌ای مانند تلفن‌ها، رایانه‌ها و حتی خودروهای خودران شده‌اند.

پیشرفت‌هایی که در ساخت پردازنده مرکزی حاصل شده، موجب شده است این ترازیستورها بسیار کوچکتر از نسل‌های قبلی خود باشند. هسته، کلاک، CU، ALU و رجیستر از دیگر بخش‌های تشکیل دهنده پردازنده هستند. در ادامه به توضیح مختصری در مورد هریک از این اجزاء خواهیم پرداخت.

• هسته Core

  در اصل تمام سی پی یو ها یک هسته اصلی پردازشگر دارند. با این حال CPU های مدرن امروزی دارای چند هسته هستند که آنها را قادر می سازند در آن واحد چند دستور را همزمان اجرا کنند. این هسته های تأثیر گذار باعث می شوند عملکرد چند سی پی یو تنها در یک چیپ قابل دسترسی باشد.

• کلاک Clock

  کلاک مربوط به سرعت پردازنده است که در هنگام خرید لازم است به آن توجه شود. این سرعت با گیگاهرتز محاسبه می شود و از این طریق می توان فهمید هر CPU می‌تواند چند فرمان را درآن واحد اجرا کند. کلاک اسپید باید بین پردازنده های هم رده و هم نسل مقایسه شوند. مثلا پردازنده های 3 گیگاهرتزی که در 2010 تولید می شدند از نظر سرعت کندتر از پردازنده های 2 گیگاهرتزی هستند که در 2020 به تولید رسیده اند.

• سی یو CU

  سی یو (Control Unit=CU) در پردازنده مرکزی به معنای واحد کنترل است. وظیفه این بخش تولید سیگنال‌های کنترلی برای سخت افزار در راستای اجرای دستوراتی است که پردازنده در سیکل‌های مختلف از حافظه واکشی (Fetch) می‌کند. در واقع در مرحله واکشی، دستور العمل‌ها از مموری به این بخش منتقل شده و آماده رمزگشایی می شوند.

• اِی اِل یو ALU

  در واحد منطق حسابی یا Arithmetic Logic Unit است که تمام پردازش‌ها صورت می گیرد. تمام محاسبات ریاضی و آنالیز‌ها مانند اجرا کردن چند فرمان همزمان و مقایسه داده ها در این بخش اتفاق می افتد.

  با ترکیب واحد کنترل و ALU است که CPU می تواند برنامه های بسیار پیچیده تری را نسبت به ماشین حساب ساده پردازش کند.

• رجیستر Registers

  خروجی محاسباتی که به تازگی انجام شده اند در ثبات‌ها ثبت می شوند. این بخش برای دسترسی سریع و آسان پردازنده به اطلاعاتی که اخیرا توسط پردازنده پردازش شده در نظر گرفته شده است و به نوعی حافظه کوتاه مدت پردازنده به حساب می آید.

ویژگی ها و مشخصات سی پی یو

هنگام خرید سی پی یو یا دستگاه‌هایی که دارای پردازنده هستند، لازم است به ویژگی هایی توجه کنید. این ویژگی ها با توجه به کارکرد دستگاه، سرعت آن و انتظاری که از آن دارید می تواند متفاوت باشد. به عنوان مثال سی پی یو یک ساعت هوشمند در مقایسه با CPU‌ یک کامپیوتر حرفه ای گیمینگ ضعیف تر است و این دو مورد از نظر عملکرد تفاوت های فراوانی دارند. تعداد هسته ها، سرعت و قابلیت هایپرتریدینگ از ویژگی‌هایی هستند که هنگام خرید باید به آن توجه کنید.

• هسته ها Cores

  همانطور که قبلا نیز توضیحاتی در این زمینه ارائه شد، تعداد هسته ها در سی پی یو عاملی تعیین کننده برای سرعت و کیفیت یک پردازنده است. تعداد هسته‌های بیشتر در پردازنده به این معنا است که CPU می تواند دو یا چند فرمان را به طور همزمان تحلیل، کنترل و اجرا کند.

• هایپرتریدینگ Hyper Threading

  هایپرتریدینگ نام یک تکنولوژی جدید در سی پی یو های مدرن است. در این تکنولوژی تنها یک هسته پردازنده مرکزی وجود دارد، اما این هسته به گونه ای طراحی شده است که می تواند قدرت و عملکرد چند هسته را داشته باشد. در این صورت سیستم اجرایی دستگاه با قدرت و سرعت بسیار بالاتری عمل می کند. نقطه قوت پردازنده هایپرتریدینگ نیز همین سرعت و قدرت است که برای دستگاه به همراه دارد.

ظرفیت پردازنده به چه معنی است؟

ظرفیت در سی پی یو به معنای تعداد بیت هایی از اطلاعات است که CPU می تواند در یک چرخه پردازش کند. هرچه تعداد این بیت های پردازش شده بیشتر باشد، کامپیوتر شما سریع تر بوده و تعداد فرایندهای بیشتری را در واحد زمان پردازش می کند. به عبارت ساده تر، ظرفیت CPU توانایی و سرعت پردازنده در پردازش تعداد مشخصی از دستورات در زمانی معین است.

ظرفیت پردازش CPU معمولا با واحدهای Megahertz (MHz) یا Gigahertz (GHz) بیان می شود. سرعت پردازنده های اولیه در مقیاس مگاهرتز اندازه گیری می شدند ولی امروزه این سرعت بر پایه 1 گیگاهرتز سنجیده می شود.

انواع سی پی یو - انواع CPU

همانطور که گفته شد CPU ها به انواع 32 بیتی و 64 بیتی تقسیم می‌شوند که هرکدام از آنها سرعت و قابلیت‌های متفاوتی دارند. با این حال دسته بندی کلی تری برای پردازنده‌ها وجود دارد که به تعداد هسته‌ها و برند تولید کننده آنها مربوط می شود. به طور کلی تنها دو تولید کننده سی پی یو وجود دارد؛ اینتل و AMD ‌که هرکدام از این دو تولید کننده خانواده بزرگی از پردازنده‌ها را طراحی کرده و به تولید رسانده‌اند. در ادامه جزئیات بیشتری از پردازنده‌های تولید شده توسط این دو برند خواهیم پرداخت.

اینتل Intel

اینتل قدیمی ترین تولید کننده پردازنده جهان است و اغلب کامپیوترهای جهان همچنان از تولیدات این شرکت استفاده می‌کنند. اینتل به طور کلی 75 خانواده از سی پی یو‌ها را تولید کرده است که برخی از معروف ترین آنها عبارتند از:

• Core i3
• Core i5
• Celeron
• Core i9
• Core i7
• Pentium
• Xeon
• Atom

ای ام دی AMD

ای ام دی نسل جدیدتری از CPU‌ها را تولید کرده است و همواره به دنبال تکنولوژی های به روزتر برای عرضه است. اکثر مک بوک‌های سری جدید از تولیدات ای ام دی استفاده می کنند. این کمپانی 58 خانواده از پردازنده‌ها را تولید می‌کند که معروف ترین آنها را در لیست زیر می بینید:

• Ryzen 3
• A10
• A12
• Ryzen 5
• Ryzen 7
• Athlon
• EPYC
• Opteron

اهمیت وجود پردازنده های مرکزی در سیستم های کامپیوتری

این روزها کمتر مشاغلی وجود دارند که با سیستم‌های کامپیوتری سر و کار نداشته باشند. در جهان مدرن امروز استفاده از کامپیوتر به یک منبع در آمد تبدیل شده است. CPU‌ مهم ترین بخش از کامپیوتر است که تمام اطلاعات را تحلیل کرده و فرمان‌ها را اجرا می‌کند. گیمر‌ها و مشاغلی که با ادیت ویدئو در ارتباطند، اهمیت سرعت و عملکرد سی پی یو را به خوبی درک می کنند.

با این حال لازم است بدانید پردازنده با دیگر بخش‌های کامپیوتر در تعامل است و به همین دلیل لازم است در کنار انتخاب یک سی پی یو مناسب، به رم و کارت گرافیک انتخابی خود نیز دقت کنید؛ چرا که عملکرد تمام این اجزاء به یکدیگر مرتبط است. مشورت با یک فرد متخصص هنگام خرید کامپیوتر و قطعات آن و همچنین نوع عملکرد و میزان انتظاری که از دستگاه دارید می تواند در انتخاب یک پردازنده مناسب به شما کمک کند.