Cpu در کامپیوتر چیست؟ طرز کار سی پی یو

سیستم های کامپیوتری از اجزا و قطعات مختلفی نظیر رم، کارت حافظه، گرافیک و غیره تشکیل شده اند که هر یک عملکرد منحصر به فردی را دارد. Cpu یا مغز کامپیوتر در واقع واحد پردازش مرکزی است که مدیریت اجرای دستورالعمل ها را برعهده دارد. هر وسیله الکترونیکی یا گجتی که استفاده می کنید به یک Cpu مجهز شده است. Cpu پایه اصلی تمامی کامپیوترها محسوب می شود و بدون آن سیستم هیچ گونه کارایی ندارد و حتی روشن هم نخواهد شد. سرعت بالای این قطعه تابعی از دستورهای ورودی است و اجزای کامپیوتر تنها در صورت اتصال به آن کارایی و قدرت اجرایی دارند.

این قطعات به شکل تراشه ای کوچک و در بیشتر مواقع مربعی شکل توری می شوند که روی صفحه ای به نام مادربورد قرار می گیرند. همچنین با سایر سخت افزارها در تعامل هستند که عملیات رایانه ای را به خوبی اجرا کنند.

cpu کامپیوتر تنها واحد پردازشی آن نیست اما به جرات می توان گفت مهم ترین آن ها است و از ارزش بسیار بالایی در کامپیوترها برخوردار است. بنابراین در زمان خرید لپ تاپ باید به مشخصات Cpu آن توجه ویژه ای داشته باشید.

پردازنده کامپیوتر (cpu) چیست؟

از دسکتاپ و لپ تاپ گرفته تا کنسول های گیمینگ و ساعت های هوشمند دارای یک واحد پردازش مرکزی به نام Cpu هستند. Cpu علامت اختصار و مخفف شده عبارت Central Processing Unit به معنی واحد پردازش مرکزی است. این قطعه در تمامی دیوایس ها به چشم می خورد و مسئولیت پردازش و صدور دستورها را بر دوش می کشد. همان طور که گفتیم طرز کار سی پی یو کامپیوتر را می توان به مغز تشبیه کرد که تمامی دستورات و پردازش های بدن را صادر می کند. این قطعه حیاتی وظایف مهمی را بر عهده دارد که از میان آن ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• اجرای دستورالعمل ها

هر برنامه مجموعه ای از دستورالعمل ها است که cpu کامپیوتر این دستورالعمل ها را که به زبان دودویی نوشته می شوند را می خواند و به زبان قابل فهم برای سیستم تبدیل می کند.

• انجام محاسبات

یکی از توانایی های Cpu انجام عملیات های ریاضی و منطقی مثل جمع، تفریق، ضرب، تقسیم و مقایسه است.

• پردازش اطلاعات

Cpu انواع مختلف داده ها مثل متن، تصاویر، ویدیو و صدا را پردازش می کند.

• کنترل اجزای سیستم

Cpu با سایر اجزای سیستم مثل حافظه و هارد دیسک و دستگاه های ورودی و خروجی ارتباط برقرار و آن ها را کنترل می کند.

اگر به قطعات سخت افزاری کامپیوتر علاقه دارید خواندن مقاله رم کامپیوتر چیست؟ هم خالی از لطف نیست.

تاریخچه مختصری از معماری پردازنده ها

برای آن که با cpu کامپیوتر آشنا شوید بهتر است ابتدا به طور مختصر تاریخچه آن را بررسی کنیم. نسل اول کامپیوترهایی که به بازار عرضه شدند مثل ENIAC برای انجام کارهای مختلف باید از اول سیم کشی می شدند و به همین دلیل هم به آن ها کامپیوترهای برنامه ثابت یا Fixed-Program گفته می شد. در سال 1955 برای اولین بار صحبت از پردازنده مرکزی به میان آمد. نخستین Cpu در سال 1971 میلادی و توسط کمپانی اینتل وارد دنیای تجاری شد. این پردازنده 4 بیتی از فرکانس 740 کیلوهرتزی بهره می برد که قدرت اجرای 92600 دستور را در ثانیه داشت. 5 ماه بعد همین شرکت پردازنده 8 بیتی خود را به معرفی کرد که فرکانس 800 کیلو هرتزی داشت. برای شناخت نسل های پردازنده اینتل، مقاله مقایسه نسل های cpu intel را بخوانید.

امروزه Cpu اصلی ترین جزء مرکزی دستگاه ها است که برای سخت افزارهای هر دستگاه محاسبات و دستورالعمل هایی ها را انجام می دهد. اگر از نظر سخت افزاری بررسی کنیم این قطعه یک تراشه سیلیکونی است که در یک سوکت ویژه در دیوایس قرار می گیرد. جایگاه Cpu در کار مادربورد قرار دارد. تراشه یا IC مجموعه ای از مدارهای الکترونیکی است که روی صفحه ای نازک و مسطح از جنس نیمه رسانا ساخته می شوند. این مدارهای الکترونیکی تعداد زیادی مقاومت، خازن و ترانزیستور را شامل می شوند که روی این صفحه سیلیکونی ساخته می شوند. در صورت مواجه با اختلال در عملکرد مادربرد مقاله خرابی مادربرد می تواند شما را در رفع آن یاری دهد.

عملکرد و ویژگی های cpu کامپیوتر

cpu کامپیوتر دستورات را از یک برنامه می خواند و با انجام محاسبات آن را مدیریت و اجرا می کند. نتیجه این مدیریت به عوامل و ویژگی های بسیاری بستگی دارد که در ادامه آن ها و طرز کار سی پی یو کامپیوتر را بررسی کرده ایم:

واحد های عملیاتی پردازنده ها

هر cpu کامپیوتر از تعدادی واحد تشکیل می شود که به شرح زیر است:

• واحد ALU: ALU یا واحد منطق حسابی بخشی از پردازنده است که انجام عملیات ریاضی و منطقی مانند تفریق، جمع، ضرب و تقسیم را انجام می دهد. بسته به نوع پردازنده ALU می تواند به دو بخش AU برای عملیات حسابی و LU برای عملیات های منطقی تقسیم شود.
• واحد کنترل حافظه: این واحد مداری است که عملیات را از درون پردازنده مدیریت و چگونگی پاسخ به دستورالعمل ها را برای واحدهای محاسبه، منطق و دستگاه های ورودی و خروجی تعیین می کند.
• واحد ثبات: واحد ثبات یا Register واحدی در پردازنده است که وظیفه نگهداری موقت داده هایی که پردازش شده اند، دستورالعمل ها، آدرس ها، توالی بیت ها و خروجی را دارد. این واحد باید برای نگهداری تمامی این داده ها از حافظه کافی برخوردار باشد.

معماری پردازنده ها

معماری یک cpu کامپیوتر به طراحی و ساختار داخلی آن اشاره دارد و در واقع تعیین کننده عملکرد و قابلیت های پردازنده است. از میان معماری های پردازنده دو نوع مهم آن عبارتست از:

• معماری RISC: در معماری RISC یا Reduce Internet Set Computer تعدادی دستورات ماشینی به حداقل می رسد و دستورات ساده تر و در عین حال کارآمدتری استفاده می شوند. این کاهش دستورات افزایش سرعت عملیات پردازشی را به همراه دارد و عمدتا در کارهایی که نیاز به عملیات سریع و انجام محاسبات مکرر دارند استفاده می شود.
• معماری CISC: معماری CISC یا Complex Instruction Set Computer تعداد بیشماری دستورات ماشینی و پیچیده تر را به پردازنده می افزاید. این معماری از دستورات گوناگون و کاربردهای متنوع پشتیبانی می کند و به طور عمده برای سرورها و کامپیوترهای با نیاز به پردازش داده های پیچیده استفاده می شود.

شاخص عملکرد پردازنده ها

عملکرد cpu کامپیوتر تاثیر زیادی روی سرعت بارگیری و اجرای بدون ایراد آن ها دارد که برای اندازه گیری آن معیارهای مختلفی مثل فرکانس وجود دارد. فرکانس هر هسته را می توان معیار مناسبی برای اندازه گیری توان پردازشی پردازنده دانست. جدا از این تعداد هسته ها، رشته های معماری داخلی، حافظه کش، قابلیت اورلاک و غیره هم می توانند عملکرد کلی پردازنده را بررسی کنند.

فرکانس پردازنده ها

فرکانس پردازنده ها مهم ترین مشخصه ای است که در زمان خرید پردازنده باید به آن توجه کنید. این مشخصه معمولا برای تمامی هسته های پردازنده مقدار ثابتی دارد. تعداد عملیات هایی که یک پردازنده در هر ثانیه می تواند انجام دهد را سرعت می گویند که با واحد هرتز و مگاهرتز بیان می شود.

فرکانس cpu کامپیوتر به تعداد چرخه های محاسباتی گفته می شود که هسته های پردازنده در هر ثانیه قادر به انجام آن هستند و با واحد گیگاهرتز اندازه گیری می شود.

حافظه کش

همانطور که می دانید در کامپیوتر حافظه های مختلفی مانند هارد و رم وجود دارد که هر کدام وظیفه خاصی دارند. cpu کامپیوتر هم از حافظه مختص خود برخوردار است که حافظه کش یا Cache Memory نام دارد. کش نوعی از حافظه است که سرعت بسیار بالایی دارد و در کنار پردازنده برای دریافت بهینه اطلاعات از حافظه اصلی سیستم استفاده می کند. این حافظه موقتی است که به Cpu کمک می کند اطلاعات را با سرعت بیشتری در اختیار داشته باشد.

داده ها در ابتدا وارد RAM می شوند و سپس به Cpu راه پیدا می کنند. پردازنده ها این روزها در ثانیه هزاران دستورالعمل را اجرا می کنند. برای استفاده از تمامی توان محاسباتی Cpu نیاز به حافظه فوق سریع دارد که حافظه پنهان یا کش وارد عمل می شود. به طور کلی حافظه کش در سه سطح مختلف طبقه بندی می شوند که هر کدام وظایف و ویژگی هایی را به شرح زیر بر عهده دارند:

• کش L1: این کش که Cache اصلی هم نامیده می شود پرسرعت ترین و در عین حال کم حجم ترین نوع کش است. این حافظه به صورت یکپارچه با پردازنده تولید می شود.
• کش L2: این کش Cache ثانویه نام دارد و اغلب فضای بیشتری را نسبت به نوع L1 اشغال می کند. این کش هم به صورت یکپارچه و هم به صورت مجزا از پردازنده اصلی قرار می گیرد. نوع مجزا برای اتصال به Cpu از رابط پر سرعتی استفاده می کند.
• کش L3: این نوع کش نوع خاصی تری از حافظه است که برای بهبود عملکرد کش L1 و L2 مورد استفاده قرار می گیرد. البته لازم به گفتن است که سرعت کمتری نسبت به دو نوع دیگر دارد اما به تنهایی سرعت بالایی دارد و معمولا دو برابر رم کامپیوتر سریع تر است.

هسته های پردازشی

هسته ها همان واحدهای پردازشی cpu کامپیوتر هستند که به طور مستقل تمام وظایف محاسباتی را انجام می دهند. این بخش از پردازنده از همان واحدهای عملیاتی محاسبه و منطقی، کنترل حافظه و ثبات تشکیل می شود که فرآیند پردازش دستورالعمل ها را با چرخه واکشی- اجرا انجام می دهند.

اولین پردازنده ها تنها یک هسته داشتند اما پردازنده های جدیدتر اغلب چند هسته ای هستند و حداقل دو یا چند هسته روی مدار مجتمع دو یا چند فرآیند را همزمان پردازش می کنند. این نکته را مدنظر قرار دهید که هر هسته تنها می تواند یک دستور را در هر زمان انجام دهد. اما پردازنده های چند هسته ای قادر خواهند بود مجموعه دستورها را با پردازش های موازی سریع تر اجرا کنند.

• پردازنده تک هسته ای: پردازنده های تک هسته ای یا Signal-Core قدیمی ترین نوع پردازنده هستند که می تواند یک فرمان را اجرا کنند و مناسب اجرای چند فرمان همزمان نیستند. در این پردازنده شروع یک دستورالعمل به معنی پایان دستورالعمل قبلی است. در صورت اجرای بیش از یک برنامه عملکرد پردازنده دچار اختلال می شود و به طور قابل توجهی سرعتش کاهش می یابد.
• پردازنده دو هسته ای: پردازنده های دو هسته ای یا Dual-Core دو هسته قوی با عملکردی مشابه تک هسته ای دارند. این پردازنده داده ها را به صورت رفت و برگشتی اجرا می کند. اگر رشته یا رشته های بیشتری اجرا شود پردازنده دو هسته ای قدرت مدیریت بهینه تر چندین وظیفه را دارد.
• پردازنده چهار هسته ای: پردازنده چهار هسته ای یا Quad-Core مدلی بهینه از پردازنده های چند هسته ای است که کارها را بین هسته ها تقسیم و با استفاده از چهار هسته چند وظیفه را به طور موثرتری اجرا می کند. این پردازنده برای گیمرها و کاربران حرفه ای مناسب خواهد بود.
• پردازنده شش هسته ای: پردازنده شش هسته ای یا Hexa-Core یکی از انواع پردازنده های چند هسته ای هستند که پردازش ها را نسبت به نوع چهار هسته ای و دو هسته ای با سرعت بهتری انجام می دهند.

روش کار سی پی یو

از زمان تولید اولین پردازنده تا به امروز cpu کامپیوتر پیشرفت و تغییرات بسیاری را تجربه کرده است. اگر بخواهیم عملکرد این قطعه را بررسی کنیم باید با توابع آن آشنا شویم. تمامی پردازنده ها عملکرد یکسانی دارند و از 4 تابع یا فانکشن اصلی تشکیل می شوند:

تابع واکشی Fetch:

این تابع وظیفه دریافت یک دستورالعمل یا مجموعه ای از دستورالعمل های مختلف توسط Cpu را بر عهده دارد. این دستورالعمل ها به صورت مجموعه ای از کدهای باینری یا همان صفر و یک توسط رم به پردازنده ارسال می شوند. صفر و یک زبانی است که برای کامپیوتر قابل خواندن و پردازش است. هر دستورالعمل بخشی از مجموعه بزرگتر دستورالعمل ها است. بنابراین پردازنده هیچ دستورالعملی را همین طوری قبول نمی کند و باید بداند کدام دستورالعمل از دستور فعلی تبعیت می کند. به همین دلیل یک شمارنده برنامه وجود دارد که آدرس را طبق دستورالعمل های مشخص پیگیری می کند.

تابع اجرا Execute:

قبل از این تابع دستورالعمل ها توسط cpu کامپیوتر دریافت و در رجیستر اطلاعات ذخیره می شوند. سپس دستورالعمل ها رمزگشایی می شوند و به قسمت های مختلف پردازنده ارسال و در نهایت نگهداری می شوند. بعد از اجرای هر دستورالعمل خروجی ها در رجیستر Cpu ذخیره می شوند. اگر نتیجه نیازی به ذخیره در این بخش نداشته باشد برای ذخیره سازی به رم یا هارد دیسک ارسال یا به خروجی های دیگر سیستم مانند نمایشگر و بلندگو منتقل می شوند.

تابع ذخیره Store:

طبق آن چه گفتیم عملکرد پردازنده به این گونه است که خروجی ها را به RAM یا هارد دیسک جهت ذخیره ارسال می کند. همچنین خود پردازنده هم می تواند محلی برای ذخیره اطلاعات باشد. این قابلیت این گونه است که داده ها از طریق رجیسترهای مختلف برای مدت کوتاهی نگهداری می شوند. البته لازم است بدانید که cpu کامپیوتر محل نگهداری دائمی اطلاعات نیست و هر داده ای که در پردازنده ذخیره می شود به محض قطع برق از بین خواهد رفت. در واقع رجیسترهای Cpu برای ذخیره داده های برنامه های در حال اجرا طراحی شده اند.

تفاوت بین پردازش تک هسته ای و چند هسته ای

تنها عاملی که در انتخاب cpu کامپیوتر تک هسته ای و حرفه ای و پردازنده چند هسته ای نقش مهمی دارد نحوه کاربری است. عملکرد قدرتمند پردازنده های تک هسته ای برای کاربردهای ساده که نیازی به چندین هسته ندارند یا قادر به استفاده از چند هسته نیستند اهمیت پیدا می کند.

یادتان باشد که داشتن هسته های بیشتر لزوما به معنی داشتن سرعت بیشتر نخواهد بود. اما اگر از برنامه هایی استفاده می کنید که نیاز به استفاده چند هسته بهینه سازی شده دارند پس داشتن هسته های بیشتر پردازنده می تواند در سرعت عملکردها تاثیرگذار باشد. به طور کلی پیشنهاد می دهیم اگر در اغلب اوقات از برنامه هایی استفاده می کنید که برای پردازش تک هسته ای بهینه سازی شده اند به سراغ پردازنده ای با تعداد هسته های بالاتر نروید.

هایپرتردینگ یا SMT چیست؟

هایپرتردینگ که با نام Simultaneous Multithreading یا SMT هم شناخته می شود قابلیتی است که هسته فیزیکی خود را به دو هسته مجازی یا Thread تقسیم می کند. هر هسته قادر به انجام دو کار خواهد بود که باعث افزایش کارایی پردازنده می شود.

در حال حاضر بیشتر پردازنده ها به قابلیت هایپر تریدنیگ تجهیز شده اند که دو رشته را در هر هسته اجرا می کنند. اما در این میان پردازنده هایی هستند که این قابلیت را ندارند و تنها از یک رشته در هر هسته برخوردارند. این قابلیت به برنامه ریزی موثرتر برای اجرای دستورالعمل ها کمک می کند و از قسمت هایی از هسته استفاده می کند که در لحظه غیر فعال هستند.

پردازنده در گیمینگ

قبل از معرفی پردازنده های چند هسته ای بازی های کامپیوتری به صورت تک هسته ای توسعه داده می شدند. با عرضه اولین پردازنده دو هسته ای توسط AMD و به دنبال آن پردازنده های چهار، شش و هشت هسته ای محدودیت ها برای کمک گرفتن از هسته های بیشتر از میان رفت. با این قابلیت اجرای عملیات به صورت هم زمان برای پردازنده ها ممکن شد.

هر گیمری که خواهان تجربه رضایت بخش از سیستم خود است باید از پردازنده های متعادلی برای سیستم خود استفاده کند. پردازنده ای که دارای کندی و ضعف در عملکرد است نمی تواند دستورات را به اندازه کافی سریع انجام دهد و در این هنگام Bottleneck رخ خواهد داد.

راه اندازی سیستمی متعادل

برای سیستم های گیمینگ یا گرافیکی قدرت cpu کامپیوتر در ارتقای تجربه گیمینگ کاربران وقتی به چشم می آید که تمامی واحد های گرافیکی و پردازنده از هماهنگی بالایی برخوردار باشند. جدا از این نوع و مدل بازی هم دو عامل مهم در انتخاب سخت افزارهای یک سیستم هستند. کاربران می توانند از پردازنده های 4 هسته ای برای اجرای بازی های مختلف استفاده کنند اما با انتخاب یک پردازنده 6 هسته ای یا بیشتر می توانند عملکردی روان تر را به بازی ها هدیه دهند. در حال حاضر پردازنده های چند هسته ای برای بازی های مانند شوترهای اول شخص یا بازی های آنلاین و چند نفره از ضروری ترین اجزای یک سیستم گیمینگ است.

 Bottleneck چیست؟

در دنیای کامپیوتر ها به محدود شدن عملکرد مولفه ای که در نتیجه تفاوت در حداکثر قابلیت های دو مولفه سخت افزاری اتفاق می افتد Bottleneck گفته می شود. در واقع اگر نصب درایور کارت گرافیک دستورالعمل ها را سریع تر از توان پردازنده برای ارسال آن ها دریافت کند این واحد تا آماده شدن مجموعه دستورالعمل های بعدی بیکار می ماند و فریم های کمتری در ثانیه رندر خواهند شد. بنابراین سطح عملکرد گرافیک به دلیل محدودیت های پردازنده با محدودیت روبرو می شود. این موضوع در جهت برعکس هم می تواند رخ بدهد اگر پردازنده قدرتمند دستورها را سریع تر از توان دریافتی واحد گرافیک تعیین و به آن ارسال کند توانایی پردازنده به علت ضعیف بودن گرافیک محدود خواهد شد. در صورت بروز مشکلات بهتر است تست سلامت هارد کامپیوتر را هم امتحان کنید.

سیستمی که از پردازنده و گرافیک متناسب با هم برخوردار است قطعا عملکرد بهتر و روان تری را برای کاربر به دنبال دارد. این سیستم همان سیستم متعادل است که سخت افزار در آن برای پردازش های مورد نظر و دلخواه کاربر Bottleneck ایجاد نکند.

در نهایت

cpu کامپیوتر یا واحد پردازش مرکزی وظیفه اجرای دستورات و پردازش داده ها را برعهده دارد. در این مقاله از فروشگاه اینترنتی فرفره بیان کردیم که این قطعه حیاتی مسئولیت عملیات حسابی، منطقی و کنترل سیستم را بر دوش می کشد. خود این قطعه از تعدادی زیادی ترانزیستور و مدارها تشکیل می شود که با سرعت بالایی قادر است دستورات را اجرا کند. انتخاب Cpu مناسب برای کامپیوتر می تواند عملکرد کلی سیستم را تحت تاثیر قرار دهد. در زمان خرید لوازم جانبی کامپیوتر بهتر است نیازهای خود، بودجه و سایر عوامل مهم را در نظر بگیرید.

سوالات متداول