سی ‌پی ‌یو چیست؟

در صورتی که برایتان سوالی مطرح شده که سی پی یو چیست باید بگوییم که مقاله مناسبی را برای کسب اطلاعات بیشتر در این زمینه انتخاب کرده‌اید. سی پی یو (CPU) معادل Central Processing Unit یا واحد پردازش مرکزی است که وظایف بسیار مهمی را در کامپیوترها و گجت‌های هوشمند به عهده دارد. اگر کامپیوتر را مانند یک بدن در نظر بگیریم، سی پی یو مانند مغز خواهد بود و تمامی فرامین از سمت CPU صادر خواهد شد. همراه با کالاتیک باشید تا بیشتر در مورد CPU برایتان توضیح دهیم.

سی ‌پی ‌یو چیست؟

همانطور که گفتیم مغز هر رایانه را واحد پردازش مرکزی یا به اختصار CPU می‌نامند. در هر رایانه CPU مهم‌ترین واحد پردازشی محسوب می‌شود و از وظایف آن می‌توان به محاسبات، اقدامات و اجرای برنامه‌ها و نرم افزارها اشاره کرد.

هر CPU اطلاعات ورودی را به صورت دستورالعمل‌هایی از RAM دریافت می‌کند و بعد از کد گشایی و پردازش این دستورالعمل‌ها، آن‌ها را در خروجی ارائه می‌دهد. امروزه سی پی یو ها از اجزای جدایی‌ناپذیر دستگاه‌هایی از قبیل رایانه‌ها، لپ‌تاپ‌ها، گوشی‌های هوشمند و تبلت‌ها و ... شده‌اند. این سی پی یو ها به‌صورت تراشه‌های کوچک روی مادربوردها قرار می‌گیرند و علاوه بر امور پردازشی وظیفه ایجاد تعامل با سایر اجزای تشکیل‌دهنده هر رایانه را دارند.

سی پی یو چگونه عمل می‌کند؟

با گذشت سال‌های زیاد از عرضه نخستین مدل سی پی یو ها تغییراتی در عملکرد این اجزای مهم پردازشی به وجود آمده است؛ اما علی رغم تمامی این موارد کارکرد هر CPU به سه بخش واکشی (Fetch)، کد گشایی (Decode) و اجرا (Execute) تقسیم می‌شود.

واکشی

در مرحله واکشی سی پی یو یک دستورالعمل را که به صورت یک سری اعداد است از RAM دریافت می‌کند. هر دستورالعمل دریافتی مربوط به بخش کوچکی از یک عملیات است؛ بنابراین نیاز است تا سی پی یو دستورالعمل بعدی را تشخیص دهد. آدرس هر کدام از این دستورالعمل‌ها توسط یک شمارنده برنامه (PC) حفظ می‌شود. بعد از این مرحله هر پی سی به همراه یک دستورالعمل در بخشی به نام ثبات دستورالعمل (IR) درج می‌شود و در نهایت هر پی سی برای اجرا به دستور‌العمل بعدی ملحق می‌شود.

کد گشایی

بعد از ذخیره شدن دستورالعمل واکشی در بخش ثبات دستورالعمل، سی پی یو دستورالعمل را به مدار کد گشایی ارسال می‌کند. در این مدار دستورالعمل به سیگنال‌هایی تبدیل می‌شود که هر کدام به منظور انجام کاری خاص به بخش‌های مختلف سی پی یو ارسال می‌شوند.

اجرا

در آخرین مرحله که آن را اجرا می‌نامند، دستورالعمل‌های کد گشایی شده به بخش‌های مختلف سی پی یو ارسال می‌شوند تا به مرحله اجرا برسند. دستورالعمل‌های ارسال شده در بخش ثبات سی پی یو ثبت می‌شوند تا از آنها بتوان در ارجاع دستورالعمل بعدی استفاده کرد.

عملکرد سی پی یو های چند هسته ای چگونه است؟

در ابتدای عصر تولید سی پی یو ها، هر پردازنده دارای یک هسته منفرد بود. به همین دلیل این پردازنده ها تنها می‌توانند مجموعه واحدی از وظایف را اجرا کنند، در نتیجه این پردازنده ها، سرعت کمی در اجرای محاسبات داشته‌اند. با پیشرفت تکنولوژی و عدم توانایی این پردازنده ها برای انجام محاسبات پیچیده‌تر، تولید کنندگان به فکر ساخت پردازنده های چند هسته‌ای افتادند. به همین دلیل امروزه سی پی یو هایی با نام‌های dual ،quad و یا حتی octa تولید می‌شوند.

برای مثال یک پردازنده دو هسته‌ای، از دو سی پی یو مجزا بر روی یک تراشه منفرد تشکیل شده است. در سی پی یو های جدید چند هسته‌ای، با افزایش تعداد هسته ها توانایی پردازنده برای مدیریت پردازش های همزمان بیشتر می‌شود. پردازنده های چند هسته‌ای از عملکرد بهتر و همچنین سرعت بیشتری برای انجام محاسبات برخوردار هستند. با گذشت زمانی نه چندان زیاد پردازنده های دو هسته‌ای جای خود را به چهار هسته‌ای و هشت هسته‌ای دادند که به ترتیب از چهار و هشت پردازنده منفرد بر روی تراشه تشکیل شده‌اند. از ترکیب سی پی یو های هشت هسته‌ای با فناوری فرا ریسمانی (Hyper threanding) می‌توانیم پردازنده‌ای با 16 هسته پردازشی مستقل داشته باشیم.

32 بیت یا 64 بیت؟

داده ها همیشه به صورت جریانی متناوب به پردازنده ها ارسال نمی‌شوند، بلکه پردازنده این داده ها را در بسته های کوچک که کلمه یا Word نامیده می‌شوند دریافت می‌کند. پردازنده ‌ها بر اساس تعداد بیت‌ های موجود در یک کلمه می‌توانند به دو نوع 32 و 64 بیت تقسیم می‌شوند. در ابتدا پردازنده های 32 بیت دارای قدرت و کارایی مناسبی بودند اما با افزایش تعداد ترانزیستور های موجود بر روی هر تراشه، نیاز به تولید پردازنده های 64 بیتی در بازار افزایش یافت و در نهایت این سری از پردازنده ها به بازار عرضه شدند.

فرکانس

یکی از معیارهای تشخیص میزان سرعت یک پردازنده، مقدار فرکانس آن پردازنده است. قبل از این که پردازنده های چند هسته‌ای به بازار ارائه شوند تنها معیار برای تشخیص سرعت یک پردازنده فرکانس آن پردازنده بود، به گونه‌ای که هر چه مقدار این رقم بیشتر بود پردازنده مورد نظر نیز از سرعت بیشتری برخوردار بود. لازم به ذکر است که این معیار همچنان در پردازنده های چند هسته‌ای نیز صدق می‌کند به گونه‌ای که ممکن است یک پردازنده دو هسته‌ای از یک پردازنده 4 هسته‌ای قوی‌تر باشد.

تعداد هسته‌ ها در برابر فرکانس هسته‌ ها

سوال مهمی که برای کاربران پیش می‌آید این است که تعداد هسته ها و فرکانس ها چه تاثیری در عملکرد گوشی گوشی ها دارد؟ جواب این سوال ساده است؛ ارقام بزرگتر نشان دهنده قدرت بیشتر هستند؛ اما باید بدانیم که پارامترهای دیگری نیز در این موضوع دخیل هستند.

همان طور که در مطالب بالا اشاره شد سرعت کلاک پردازنده ها بر اساس گیگاهرتز و مگاهرتز اندازه گیری می‌شود و میزان این ارقام نشان دهنده سرعت پردازش هر پردازنده است. به عنوان مثال پردازنده‌ای که دارای سرعت کلاک 2.5 گیگاهرتز است از پردازنده‌ای با سرعت کلاک 2 گیگاهرتزی سریعتر است.

در حال حاضر در بیشتر موارد، کمتر پردازنده‌ای با دیگری شباهت دارد و هر پردازنده بر اساس چندین پارامتر مشخص از دیگری متمایز است. به عنوان مثال پردازنده ساخته شده از یک مدل در سری جدید خود از مدل قبلی سریعتر است حتی اگر از سرعت کمتری برخوردار باشد. یکی دیگر از پارامترهای تاثیر گذار در این بخش نوع معماری ساخت پردازنده است، هر چه نوع معماری پردازنده جدیدتر باشد به احتمال زیاد پردازنده سریعتر است.

یکی از عوامل مهم در تشخیص میزان قدرت پردازنده ها تعداد هسته های فعال در پردازنده است. در پردازنده های چند هسته‌ای، هر هسته به عنوان یک واحد پردازشی محسوب می‌شود و هر هسته وظایف خاصی را به طور مستقل و یا در پردازش های سنگین‌تر به همراه دیگر هسته ها با قدرت بیشتر امور پردازشی را انجام می‌دهند. در حالت معمول تمامی وظایف بین هسته های پردازنده تقسیم می‌شود و هیچ کدام از هسته ها از نهایت قدرت پردازشی خود استفاده نمی‌کنند. در نتیجه این امور سرعت پردازش بیشتر، multi tasking بهینه‌تر، تولید گرما کمتر و در نهایت مصرف انرژی کاهش می‌یابد.

اما در کل باید توجه داشت که تعداد هسته ها باعث برتری پردازنده ها به هم نمی‌شود. به طور مثال نمی‌توان گفت پردازنده های هشت هسته‌ای سامسونگ (اگزینوس) نسبت به پردازنده دو هسته‌ای گوشی های اپل برتری دارند، چون یکی از عوامل مهم در تعیین قدرت این پردازنده ها نرم افزاری است که دستورالعمل‌ها از طریق آن به پردازنده صادر می‌شود. مثال بارز در این مورد پردازنده های اختصاصی اپل هستند که با توجه به بهینه سازی که این شرکت روی آنها اعمال کرده، از نظر کارایی و سرعت با پردازنده های قدرتمند هشت هسته‌ای سامسونگ رقابت می‌کنند.

 سخن آخر

در مقاله‌ای که پیش رویتان قرار دارد به توضیح CPU پرداختیم و اجزای آن را توضیح دادیم. با توجه به سرعت تولید و معرفی فناوری‌های جدید انتظار می‌رود طی سال‌های آینده شاهد پردازنده‌هایی باشیم که نه تنها مدیریت بهتری در مصرف انرژی دارند، بلکه به خاطر توان بالای پردازش اطلاعات می‌توانند به تولید کامپیوترهایی به مراتب توانمندتر از محصولات فعلی منجر شوند. در صورتی که سوالی دارید از بخش نظرات آن را مطرح کنید.

پرسش‌های متداول

کلاستر یا خوشه در سی پی یو چیست؟

خوشه به دسته‌بندی هسته‌ها اشاره دارد و زمانی بیشتر استفاده می‌شود که هسته‌های موجود در پردازنده از نظر فرکانس، مدل یا کارکرد با یکدیگر متفاوت باشند. داشتن کلاستر باعث می‌شود دستگاه بتواند مدیریت بهتری روی انرژی داشته باشد و برای انجام کارهای ساده از تمام توان هسته‌ها کمک نگیرد.

آیا تفاوتی میان پردازنده‌های کامپیوتر رومیزی و گوشی‌های هوشمند وجود دارد؟

بله. این پردازنده‌ها از نظر معماری با یک دیگر تفاوت دارند که از هسته‌های اصلی تمایز کامپیوترهای مبتنی بر ویندوز و گوشی‌های اندرویدی یا مبتنی بر iOS است.