سی پی یو چیست

---

CPU یا همان پردازنده مرکزی چیست؟ به احتمال زیاد تا حالا بارها نام CPU به گوش شما خورده و درکی کلی از کارایی آن دارید. اما ممکن است که دقیقا ندانید این قطعه چگونه کار می‌کند و چه نقشی در عملکرد سیستم شما دارد. در این مقاله قصد داریم تا از صفر تا صد CPU را برای شما تشریح کنیم تا از کارکرد و اهمیت این قطعه مطلع شوید.

پس تا انتهای مطلب با آی تی هوم همراه باشید.

CPU چیست؟

قطعا تا کنون نام قطعاتی مثل CPU، رم، کارت گرافیک یا SSD به گوشتان خورده است. در واقع کمتر کسی است که در دنیای دیجیتال امروز، حداقل یک آشنایی اندک با این اصطلاحات نداشته باشد. اگر قصد خرید لپ تاپ، کامپیوتر یا حتی موبایل را داشته باشید، این قطعات و کارایی آن‌ها تاثیر بسزایی در انتخاب شما خواهد داشت. گاهی این اصطلاحات تخصصی می‌تواند برای برخی افراد گیج کننده باشد. یکی از مهمترین این اصطلاحات CPU است. اگر بخواهیم خیلی ساده در مورد این قطعه صحبت کنیم، باید گفت:

در واقع CPU مخفف Central Processing Unit یا واحد پردازش مرکزی است. به خاطر همین است که در بسیاری از مقالات و سایت ها از کلمه پردازنده به جای CPU استفاده می شود. CPU یک قطعه سخت افزاری است که در تمام کالاهای دیجیتال به کار می‌رود. از ساعت هوشمند گرفته تا لپ تاپ، موبایل، کنسول‌های بازی و … در تمام این دستگاه ها CPU مسئول پردازش و اجرای دستورات است و به عنوان مغز دستگاه عمل می‌کند.

شاید برایتان جالب باشد که بدانید پردازنده‌های به کار رفته در دستگاه‌های مختلف همه از یک معماری و ساختار بهره نمی‌برند. به طور مثال پردازنده‌های گوشی یا لپ تاپ‌های اپل از نوع SoC بوده و معماری آن‌ها ARM است که با معماری معمول x86 پردازنده‌های اینتل و AMD تفاوت دارد. SoC (مخفف System on a Chip) یک تراشه است که تمام اجزای اصلی یک سیستم از جمله CPU، پردازنده گرافیکی، رم و کنترلر ورودی و خروجی را در خود جا داده است.

حتی پردازنده‌ی لپ تاپ و کامپیوتر با وجود شباهت‌هایی که در معماری خود دارند، تفاوت‌هایی نیز دارند. البته این تفاوت‌ها را می‌توان در مصرف برق و تولید گرما و یا قدرت پردازش مشاهده کرد. در واقع لپ تاپ‌ها به خاطر فضای محدودی که دارند، نمی‌توانند به اندازه کامپیوترهای رومیزی انرژی مصرف کرده و گرما تولید کنند. همین مسئله باعث شده تا توان مصرفی و در نتیجه قدرت این پردازنده‌‌ها پایین‌تر باشد.

اجزای تشکیل دهنده CPU چیست؟

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 داشتند مانند هسته و برخی نیز با مرور زمان برای بهبود کارایی به آن اضافه شده اند، 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 می‌کند. در ادامه به معرفی بخش‌های مختلف یک CPU می‌پردازیم.

هسته یا Core

هسته یک بخش مهم در پردازنده است اما برای این که بتوانیم به خوبی با آن و نحوه‌ی عملکردی که دارد، آشنا شویم بباید اطلاعاتی هرچند مختصر از ترانزیستور داشته باشیم.

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

واحد اندازه گیری ترانزیستور نانومتر است. اگر هر میلی متر را به یک میلیون بخش تقسیم کنیم هر قسمت یک نانومتر خواهد بود. با توجه به اندازه ترانزیستورها متوجه می شویم که چیدمان آن چقدر می تواند ظریف و حساس باشد

به نحوه چیدمان ترانزیستورها بر روی پردازنده در کنار هم، معماری پردازنده می گویند.

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 آن ها است. 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. حالا سوال اینجاست که قانون مور چیست؟

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 CPU ها 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 .

شاید برایتان مفید باشد: 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 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.

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 کردیم. در حال حاضر این دو شرکت نام‌های اول در صنعت ساخت پردازنده هستند. اما شاید جالب باشد بدانید که AMD کار خود را به عنوان یک تولیدکننده برای اینتل آغاز کرد. در واقع این شرکت با اخذ لایسنس طرح‌های اینتل، پردازنده‌های آن‌ها را با تغییرات اندک و تحت نام خود تولید می‌کرد. اما در سال 1996، AMD بالاخره اولین پردازنده اختصاصی خود با معماری x86 را روانه بازار کرد. این CPU با پردازنده‌های Pentium اینتل رقابت می‌کرد و سعی داشت تا با قیمتی پایین‌تر، همان عملکرد را در اختیار کاربران قرار دهد.

معماری x86 در حال حاضر مرسوم‌ترین معماری در پردازنده‌های کامپیوتر، لپ تاپ و کنسول‌های خانگی است. اما در سال‌های اخیر معماری ARM که پیش از این بیشتر در گوشی‌ها مورد استفاده بود هم در حال ورود به بازار لپ تاپ است. در واقع اپل با عرضه چیپ M1 توانست انقلابی را به پا کند و پتانسیل بالای معماری ARM را به نمایش بگذارد.

مک بوک ایر M1 اولین لپ تاپ اپل بود که به جای استفاده از پردازنده‌های اینتل، از چیپ SoC ساخته خود شرکت اپل استفاده می‌کرد. حالا چند سال از عرضه آن چیپ گذشته و ما در دوران M3 به سر می‌بریم. مزیت استفاده از معماری ARM، مصرف انرژی بسیار کم است که باعث شده عمر باتری لپ تاپ‌های اپل در مقایسه با لپ تاپ‌های ویندوزی بسیار بالاتر باشد. حال شرکت اسنپدراگون با چیپ Snapdragon X Elite هم قصد دارد تا وارد این رقابت شود.

شاید برایتان مفید باشد: 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.

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.

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.

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.

به عنوان جمع بندی باید گفت که…در این مقاله سعی کردیم تا به زبان ساده و قابل درک برای عموم مبحث پردازنده را توضیح دهیم. امیدواریم که با خواندن این مطلب به پاسخ سوال هایتان رسیده باشید.