واقعا چه مقدار آگاهی از CPU دارید؟ آیا می توانید با خواندن اطلاعات اجزای آن به قدرت و سرعت آن پی ببرید؟ یا اصلا اجزای تشکیل دهنده CPU می شناسید؟

قصد آن را نداریم که تاریخچه ای از CPU بازگو کنیم چون مطمئن هستیم کاربرد چندانی نخواهد داشت. ولی آشنایی با اجزای CPUهای امروزی کمک زیادی به تصمیم گیری درست شما در انتخاب آن میکند. در این مقاله با CPU آشنا می شویم و در مورد ترانزیستور ، کش ، چرخه فرمان صحبت میکنیم . همچنین در مورد تریدینگ و فرکانس هم صحبت هایی خواهیم کرد.

CPUچیست

CPU چیست ؟

اگر قصد خرید کامپیوتر یا لپ تاپ و یا حتی موبایل دارید اصطلاحاتی زیادی راجع به قطعات آن خواهید شنید. گاهی این اصطلاحات میتواند برای برخی گیج کننده باشد اصطلاحاتی مانند Bus , CPU , Core , Thread , ROM , Cache .

یکی از مهمترین این اصطلاحات “CPU” است. در واقع CPU مخفف Central processing unit معنی آن واحد مرکزی جهت پردازش است. به خاطر همین است که در بسیاری از مقالات و سایت ها از کلمه پردازنده یا پردازشگر به جای CPU استفاده می شود.

CPUها تقریباً در همه دستگاههایی که شما در اختیار دارید وجود دارد. در ساعت هوشمند ، لپ تاپ ها ، موبایل ها ، کنسول های بازی و غیره. در همه این دستگاه ها CPUها مسئول پردازش و اجرای دستورات هستند و به عنوان مغز دستگاه عمل می کنند.

پردازنده های بکار رفته در دستگاه های مختلف همه از یک معماری و ساختار بهره نمی برند . بطور مثال پردازنده تلفن همراه از نوع SoC است و با پردازنده های لپ تاپ تفاوت دارد. همینطور CPU  لپ تاپ و کامپیوتر با وجود شباهتی که در معماری خود دارند ولی تفاوت های جزیی نیز دارند . این تفاوت ها میتواند در مصرف برق و تولید گرما و یا قدرت پردازش باشد. بخاطر این تفاوت ها است که به CPU های کامپیوتر رومیزی Desktop و به CPU های لپ تاپ Mobile میگویند.

SoC یک تراشه است که میتواند CPU، پردازنده گرافیکی، حافظه، کنترلرهای ورودی و خروجی مانند USB و دیگر اجزا را در خود جای داده باشد.

 

اجزای تشکیل دهنده CPU ؟

اکثر افراد تصور درستی از CPU ندارند و نمی دانند که خود CPU از اجزایی تشکیل شده است. برخی از این اجزا از ابتدا در CPUها وجود داشت مانند هسته و برخی نیز با مرور زمان برای بهبود کارایی به آن اضافه شده است. مانند پردازنده گرافیک و حافظه کش در سطوح مختلف. هر کدام از این اجزا وظیفه ای را انجام می دهند و نتیجه هماهنگی و ارتباط بین آنها عملکرد یک CPU را مشخص می کند.

cpu core

هسته یا Core

برای درک درست از هسته باید اطلاعاتی هرچند مختصر از ترانزیستور داشته باشیم.

ترانزیستور مهمترین و اصلی ترین تشکیل دهنده های یک CPU محسوب می شوند. با قرار دادن میلیاردها ترانزیستور میکروسکوپی روی یک تراشه یک CPU ساخته می شوند. این ترانزیستورها هستند که محاسبات مورد نیاز برای اجرای برنامه ها را انجام می دهند.

واحد اندازه گیری این ترانزیستورها نانومتر است. اگر هر میلی متر را به یک میلیون بخش تقسیم کنیم هر قسمت یک نانومتر خواهد بود. با توجه به اندازه آنها متوجه میشویم که چیدمان آن چقدر میتواند ظریف و حساس باشد. به نحوه چیدمان این ترانزیستورها بر روی پردازنده و در کنار هم ، معماری پردازنده می گویند.

ترانزیستور CPU

با معرفی هر نسل از CPUها شاهد پیشرفت هایی در تولید آنها هستیم. یکی از رایج ترین پیشرفت های موجود در تولید CPU، کوچکتر کردن ترانزیستور های آنهاست. این کاهش اندازه ترانزیستورها باعث شده طی چند دهه سرعت پردازنده ها بالاتر برود و اندازه CPU کوچکتر شود. از دیگر فواید این تغییر معماری تولید گرمای کمتر و مصرف برق کمتر است.

این روال و تغییر در معماری ترانزیستورها ، تحت عنوان قانون مور شناخته می شود.

قانون مور: گوردون مور از بنیانگذاران اینتل معتقد بود میزان پیچیدگی مدارهای میکرو الکترونیکی، هر دو سال دو برابر می شود. معیار اندازه‌گیری این پیچیدگی، قرار گرفتن تعداد ترانزیستورها در واحد سطح بود. به زبان ساده‌تر اندازه ترانزیستورها تقریبا هر دو سال نصف میشود.

حال که با ترانزیستور آشنا شدیم باید گفت که به مجموع این ترانزیستورها یک “هسته” گفته می شود. اگر بخواهیم درست عنوان کنیم خود هسته یک CPU است که وظیفه پردازش داده ها را به عهده دارد. با مرور زمان و پیشرفت فناوری در تولید CPUها تغییرات اساسی صورت گرفت.

تا قبل از سال 2000 CPUها دارای یک هسته بودند. از اواسط سال 2000 بود اولین بار CPUهای دو هسته و چهار هسته ای معرفی شدند . از آن سال تا به امروز تغییرات زیادی در تعداد هسته ها و نوع آنها صورت گرفته است. امروزه شاهد تعداد هسته های بیشتری در پردازنده ها هستیم. تعداد بالای هسته باعث می شود، پردازنده چندین دستورالعمل را همزمان انجام دهد یا به عبارتی چند برنامه را همزمان اجرا کند.

امروزه CPUهای کامپیوترهای دسکتاپی و لپ تاپی حداقل 2 هسته دارند و در برخی از پردازنده ها تعداد آن به بیش از 8 هسته نیز می رسد. همچنین در کامپیوتر های مخصوص پردازشهای بسیار سنگین ، تعداد هسته تا 64 عدد هم افزایش می یابد.

پس متوجه شدیم که به مجموع میلیارد ها ترانزیستور هسته می گویند و پردازنده های جدید هر هسته خود یک CPU است. اگر گفته می شود یک CPU دارای 8 هسته است در واقع یک تراشه با 8 پردازنده مجزا داریم .

کش در cpu

شاید برایتان مفیدباشد:

Core در پردازنده چیست و مرور نسل پردازنده های اینتل (Intel)

حافظه نهان یا کش (Cache)

CPUهای در سالهای گذشته فقط از ترانزیستور تشکیل می شدند ولی رفته رفته برای ارتقا سرعت اجزای دیگری هم به این پیکربندی اضافه شد. یکی از این موارد Cache یا حافظه نهان است.

حافظه نهان یا همان کش مقدار کمی حافظه مانند RAM با سرعت بالا است و این حافظه بطور مستقیم در تراشه CPU جای داده شده است. از کش ها برای نگهداری موقت داده‌ها و دستورالعملهای تکراری استفاده می شود. داشتن کش با مقدار مناسب باعث می شود کار پردازش سریع‌تر انجام بپذیرد.

وظیفه Cache این است که دستورالعمل ها و اطلاعات پر تکرار و مورد نیاز پردازنده را در خود نگه دارد. این کار باعث می شود تا CPU برای بازیابی داده های پرتکرار مدام از RAM درخواست نکند. اگر این اطلاعات مورد نیاز در کش وجود نداشت آن زمان اطلاعات از RAM فراخوانده می شود.

حافظه نهان یا کش یک کنترل کننده نیز دارد. وظیفه این کنترل کننده این است که درخواست های CPU را تجزیه و تحلیل کند و سعی کند داده های مورد نیاز کش را پیش بینی کند. وقتی داده ها پیشاپیش در اختیار کش باشد نتیجه آن افزایش سرعت CPU می شود. چون پردازنده برای دریافت داده از RAM اصلی زمان را از دست نمی دهد.

در CPU های مدرن امروزی حافظه کش در سه سطح در اختیار پردازنده است. نام این سه سطح به ترتیب L3 , L2 , L1 است. ظرفیت و سرعت هر کدام از این سه سطح با هم متفاوت است.

کش-CPU

کش L1 : این حافظه نزدیکترین و پر سرعت ترین حافظه نهان در یک CPU است. ظرفیت این کش از دو کش دیگر همیشه کمتر است و  معمولا از ۶۴ KB تا ۵۱۲ کیلوبایت هستند.

کش L2 : این کش نسبت به کش 3 ظرفیت کمتری دارد ولی از کش L3 به CPU نزدیکتر است.

کش L3 : این کش بیشترین ظرفیت را دارد و سرعت کمتری نسبت به بقیه کش ها دارد.

L2 و L3 برای این طراحی شده‌اند که داده‌ها و دستورهای پیش بینی شده در آن نگه داری شود و نزدیک به CPU باشند. ظرفیت این دو حافظه معمولا از ۱مگابایت تا ۳۲ مگابایت است.

شاید برای شما نیز سوال باشد که چرا این مقدار نسبت به سایر حافظه های کامپیوتر کمتر است. در جواب باید گفت که این حافظه ها بسیار سریع هستند و بسیار ریزتر از سایر حافظه ها هستند. همین امر باعث بالا بودن قیمت آن شده است. پس شاید دلیل اصلی ، قیمت بالای آن باشد.

 

کنترل کننده ورودی و خروجی داده از RAM

از دیگر اجزای که در یک CPU جدید میتوان مشاهده کرد یک مدار دیجیتالی به نام Memory Controller I/O است. این کنترلر یک مدار دیجیتالی است که جریان ورود و خروج داده ها به حافظه اصلی را مدیریت می کند. کنترلر می‌تواند به‌صورت یک تراشه جداگانه بر روی برد باشد یا مداری باشد که در تراشه دیگری ادغام شده است.

cpu-چیست

پردازنده گرافیکی مجتمع

پردازنده گرافیکی مجتمع (Integrated Graphics Procesors) بین کاربران به نام کارت گرافیک آنبرد شناخته میشود. این پردازنده گرافیک از چند نسل قبل به تراشه CPU اضافه شده است در صورتیکه نسل‌های اولیه CPU فاقد هر گونه پردازشگر گرافیکی بودند. باید عنوان کرد که این پردازنده‌ها به اندازه یک کارت گرافیک مجزا قوی نیستند و حافظه های بسیار ناچیزی دارند و از RAM سیستم برای پردازش بهتر استفاده می کند. این موضوع باعث می شود حجمی از RAM دستگاه به این پردازنده اختصاص داده شود. کاهش این حجم از RAM در مواردی باعث کاهش سرعت سیستم نیز می شود.

یک پردازنده های گرافیکی مجتمع برای کاربری های عمومی مناسب است ولی برای انجام نرم افزارهای گرافیکی توصیه نمی شود. هر دو شرکت intel  و AMD پردازنده های گرافیکی خاص خود را در CPU بکار میگیرند. در این میان قدرت گرافیکهای مجتمع AMD از اینتل بهتر است. دلیل این امر این است که AMD علاوه بر تولید CPU ، بطور تخصصی کارت گرافیکی مجزا نیز تولید می کند.

در اینجا به معرفی سه مورد از مهمترین اجزای یک تراشه CPU پرداختیم. دانستن هر سه مورد کمک بزرگی در انتخاب یک پردازنده ایده آل است.

شرکت های تولید کننده CPU

در بالا به نام دو شرکت بزرگ تولید کننده پردازنده یعنی AMD و intel اشاره ای کردیم. هر دو شرکت تقریبا با هم و حدود سالهای 1968 تا 1969 فعالیت خود را آغاز کردند . این دو کمپانی همواره رقبای سر سختی برای هم محسوب می شدند. شاید وجود این رقابت بود که شاهد تولید و پیشرفت روز افزون در تولید تراشه های کامپیوتری هستیم.

هر دو شرکت در زمینه تولید انواع تراشه و پردازنده‌های کامپیوتری پیشرفت‌های گسترده‌ای داشته‌اند. این پیشرفتها در تکنولوژی، باعث شد CPUهایی تولید کنند که تراشه های گرافیکی و حافظه کش روی آن وجود داشت. عملکرد این CPUها چیزی فراتر از عملکردهای استاندارد یک CPU است.

Intel-AMD-M1

البته از سال گذشته شرکت اپل نیز اقدام به تولید تراشه های انحصاری خود کرده است. این تراشه فقط بر روی محصولات اپل مانند MAC BOOK وجود دارد و نام آن M1 است.

شاید برایتان مفید باشد:

آشنایی کامل با انواع CPU های اینتل

تشخیص نسل و قدرت پردازنده های Intel از طریق نام و کد آن

 

CPU چگونه کار می کند؟

یک CPU دستورالعمل ها را از یک برنامه می گیرد و یک محاسبه را انجام می دهد. این فرایند به سه مرحله کلیدی تقسیم می شود: فراخوانی(Fetch)، رمزگشایی(decoding)، و در نهایت، اجرا(execution). این چرخه با استارت کامپیوتر شروع و تا خاموش شدن آن ادامه دارد. در این فاصله مدام این چرخه تکرار می شود و از این مراحل به عنوان چرخه دستورالعمل CPU یاد می شود.

این فرایند به این صورت است که یک CPU دستورالعملها را از RAM دریافت می کند، سپس دستورالعمل را رمزگشایی می کند و در آخر دستورالعمل را با استفاده از قسمت های مربوط اجرا می کند.

چرخه CPU

انجام هر یک از این سه فرایند به عهده بخش هایی از CPU است. این بخش ها شامل CU(Control Unit) , ALU(Arithmetic/logic unit) , Memory Unit می باشد.

CU(Control Unit) : واحد کنترل یا CU وظیفه کنترل فعالیت های یک سیستم کامپیوتری را به عهده دارد. این واحد با ارسال سیگنال به سایر اجزا این کنترل را انجام می دهد. دیگر وظیفه این واحد دریافت دستورالعملها و رمزگشایی آنهاست و در نهایت ارسال به واحد ALU است.

ALU(Arithmetic/logic unit) : واحد محاسبه و منطق یا ALU یک بخش مهم دیگر است که اعمال محاسباتی مانند جمع، تفریق، ضرب و تقسیم و مشابه آن را انجام می دهد. از سویی دیگر عملیات مقایسه داده ها و اعمال منطقی نیز به عهده این واحد است. در ادامه باید اضافه کرد که عملیات ها پیچیده تر با ترکیب همین عملیات ساده انجام می شود.

Memory Unite : واحد حافظه همان حافظه ذخیره سازی دائم(HDD.SSD,CD,…) می باشد و یا حافظه موقت(RAM) که اطلاعات از آن فراخوانده می شود یا در آن ذخیره می شود.

 

در توضیح مولفه هایی که باعث افزایش سرعت CPU می شود به دو مورد اشاره بکنیم.

Multi-threading

بسیاری از پردازنده هایی که در سال های اخیر تولید شده اند از فناوری به نام  Multi-threading استفاده می کنند. Multi-threading به معنی چند رشته ای است و به لحاظ علمی شکلی از متوازن سازی یا تقسیم کار برای پردازش همزمان است.

برنامه‌ها به جای اینکه حجم کاری زیاد به یک هسته بدهند ، کار را به چند حوزه نرم‌افزاری تقسیم می‌کنند. سپس این بخش های تقسیم شده را به هر رشته یا thread واگذار می کنند . این رشته ها یا thread به صورت موازی توسط هسته های مختلف CPU پردازش می شوند تا در زمان صرفه جویی شود.

threading-2

برای درک بهتر این موضوع شما یک CPU را تصور کنید که 4 هسته دارد به این 4 هسته ما هسته های فیزیکی میگوییم. هر هسته فیزیکی در حالت عادی می تواند یک خط برای دریافت داده داشته باشد ولی یک پردازنده با قابلیت Multi-threading می تواند دو خط را همزمان مدیریت کند.

در نتیجه به عنوان دو هسته “منطقی یا مجازی” در سیستم عامل نقش ایفا می کند. این هسته های مجازی به اندازه هسته های فیزیکی قدرتمند نیستند زیرا از یک منبع مشترک استفاده می کنند، اما به طور کلی به CPU کمک می کنند تا بتواند چند نرم افزار را همزمان اجرا کند.

Clock

وقتی مشخصات یک CPU را بررسی می‌کنید سرعت کلاک (Clock Speed) آن از سایر مشخصات پر اهمیت‌تر جلوه می‌کند. در این بخش به توضیح آن می پردازیم.

واحد اندازه‌گیری سرعت کلاک بر حسب هرتز (Hz) است .Clock Speed نشان می دهد که یک CPU می تواند در هر ثانیه از عهده انجام چند دستورالعمل برآید. هرچه فرکانس Clock Speed بالا باشد، تعداد دستورات بیشتری را می تواند اجرا کند و این یعنی سرعت بالاتر. اما این تنها معیار برای سنجش سرعت یک پردازنده نیست. به یک مثال توجه فرمایید.

در هر CPU ما یک فرکانس پایه داریم و یک فرکانس نهایی یا توربو بوست. بطور مثال ما یک CPU از نوع Core i3 1005G1 داریم. در مشخصات آن نوشته شده Processor Base Frequency 1.20 GHz این یعنی فرکانس پایه این پردازنده 1میلیارد و 200میلیون کلاک تولید میکند. همچنین نوشته شده است Max Turbo Frequency 3.40 GHz این هم یعنی بیشترین توان و نهایت تولید فرکانس این پردازنده 3 میلیارد و 400 میلیون کلاک یا سیکل تولید میکند.

در بالا متوجه شدیم که یک دستورالعمل یک فراخوان دارد و یک بخش رمزگشایی و اجرا. حال اینکه یک فراخوان یا اجرا نیاز به چند کلاک دارد مشخص نیست. این مقدار کلاک کاملا به نوع نرم افزار و دستورالعملهای آن بستگی دارد.

 

کلاک در CPU

بسیاری از افراد برای انتخاب بین دو CPU به سرعت کلاک یا همان فرکانس CPU دقت می کنند و این روش مناسبی نیست. چون همان طور که در بالا اشاره کردیم نوع ترانزیستورها و معماری آن ها مدام در حال تغییر است . همه این ها نقش مهم در سرعت CPU دارند.

پس زمانی می توانیم از طریق فرکانس یا سرعت کلاک متوجه شویم که کدام پردازنده قویتر است که هر دو از یک برند و از یک نسل باشند. برای نمونه ، یک پردازنده 3 گیگاهرتزی تولید شده در سال 2010 عملکرد کمتری نسبت به پردازنده 2 گیگاهرتزی در سال 2020  دارد.

سعی خود را کردیم که به زبان ساده و قابل درک برای عموم مردم مبحث پردازنده را توضیح دهیم . اگر سوالی و یا موردی برای شما عزیزان قابل درک نبود می توانید در قسمت زیر سوالات خود را مطرح کنید .