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 CPU 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.

بخش‌های اصلی CPU

پس از آشنایی با وظایف اصلی یک CPU  که برای هر عملیاتی روی کامپیوتر شما اجرا می‌شود، حال نوبت به شناخت بخش‌های مختلف از CPU است که به انجام درست عملیات‌ها کمک می‌کنند. در ادامه به برخی از اجزای مهم سی پی یو اشاره خواهیم کرد.

CU (مخفف Control Unit)

 سی یو وظیفه دارد جریان ورودی و خروجی را تنظیم کند. این قسمت از cpu همان بخشی است که دستورالعمل‌ها را از حافظه اصلی، واکشی و بازیابی می‌کند و سپس آنها را رمزگشایی می‌کند.

ALU (مخفف Arithmetic Logic Unit)

ای ال یو بخش دیگری از cpu است که در آن تمامی پردازش‌ها اتفاق می‌افتد. اینجا جایی است که تمام محاسبات ریاضی مانند جمع، تفریق، ضرب و تقسیم همچنین تمام عملیات منطقی برای تصمیم گیری مانند مقایسه داده‌ها انجام می‌شود.

جالب است بدانید کامپیوترهای مدرن توانایی پشتیبانی بیش از یک هسته را در داخل تراشه اصلی دارند. هرچه CPU هسته‌های بیشتری داشته باشد، قدرت محاسباتی و وظایف بیشتری را می‌تواند به طور همزمان اجرا و تکمیل کند؛ داشتن این خصوصیت CPU را تبدیل به یک چند وظیفه‌ای قدرتمند می‌کند. به‌عنوان‌مثال، بعضی از سی پی یوها دو هسته‌ای هستند، به این صورت که دو CPU روی یک تراشه وجود دارد و می‌تواند دو دستورالعمل را همزمان اجرا کند.

یکی دیگر از مشخصات سی پی یوهای جدید پشتیبانی از فناوری مدرن به نام Hyper Threading است. روش کار به این صورت است که یک هسته فیزیکی جداگانه به صورت چند هسته فیزیکی ظاهر می‌شود و باعث می‌شود سیستم عامل فکر کند که تعداد هسته‌ها از آنچه که واقعاً وجود دارد بیشتر است و این به نوبه خود باعث می‌شود کامپیوتر تصور کند که قدرت بیشتری نسبت به آنچه که هست دارد.

بنابراین، علاوه بر هسته‌های فیزیکی ذکر شده در بخش بالا، این هسته‌های مجازی یا رشته‌هایی نیز وجود دارند که به آنها هسته‌های فیزیکی گفته می‌شود. ترکیب هر دو هسته فیزیکی و مجازی باعث می‌شود زمان اجرای برنامه‌ها حتی سریع‌تر شود و قدرت محاسباتی بیشتری نیز به CPU می‌دهد.

چه فاکتور‌هایی CPU را قدرتمندتر می‌کند؟

سرعت

سرعت به شما می‌گوید که یک CPU در یک ثانیه چند دستورالعمل را می‌تواند مدیریت کند و به طور کلی سرعت آن را نشان می‌دهد. از دهه 90 تا اوایل دهه 2000، سرعت کارکرد CPU با هر نسل جدیدی که وارد بازار می‌شد به طور قابل توجهی بهبود می‌یافت. با این حال، پیشرفت در سرعت سی پی یو به دلیل تولید گرمای اضافی و مصرف انرژی بیشتر در مدت زمانی دچار کاهش شد؛ اما در عصر حاضر تغییراتی به وجود آمده است که سازندگان به بهبود CPU به روش‌های مختلف و مقرون به‌صرفه‌تر پرداختند، به‌طوری‌که یک پردازنده مدرن معمولاً می‌تواند از پردازنده‌های دهه گذشته سرعت بالاتری را تجربه و حتی بهتر عمل کند.

هسته‌ها

انقلاب در پردازنده‌های چندهسته‌ای با دو هسته و چهار هسته آغاز شد. سازندگان به جای تمرکز بر افزایش سرعت کارکرد، چندین CPU را روی یک تراشه نصب کردند؛ مانند CPUهای پریمیوم که دارای 32 هسته، 64 هسته و بیشتر هستند. چنین پردازنده‌هایی برای ویرایشگرهای ویدیو، سازنده‌های بازی، و کاربران برنامه‌های سنگین، انتخاب مناسبی هستند؛ اگرچه ممکن است برای یک کاربر معمولی کاربری بیش از حد نیازش داشته باشد.

پشتیبانی از فناوری‌‌ها جدید

Hyper-threading یک فناوری جدید از اینتل است که به یک هسته پردازشگر اجازه می‌دهد تا با تقسیم بارهای کاری برای پردازش همزمان، مانند یک سی پی یو دو هسته‌ای عمل کند. به بیان ساده‌تر، تصور کنید که یک سوسیس را به دو قسمت تقسیم کنید و هر دو تکه را با هم بخورید تا سریع‌تر تمام کنید به جای اینکه از یک طرف شروع و به طرف دیگر بروید.

سرعت کارکرد در مقابل هسته‌ها

این قابلیت کمک می‌کند که یک CPU با سرعت پردازش بالاتر مانند یک ماشین اسپرت و یک کامپیوتر با هسته‌های بیشتر شبیه به یک کامیون در نظر گرفته شود؛ در صورتی که ماشین اسپرت سریع‌تر به مقصد می‌رسد اما کامیون بار بیشتری را حمل می‌کند. اینکه باید یک پردازنده سریع‌تر را انتخاب کنید یا یک پردازنده با چندین هسته بستگی به حجم کاری شما دارد. به‌عنوان‌مثال، در حالی که برخی از برنامه‌ها از چندین هسته استفاده می‌کنند، برخی دیگر به ویژگی سرعت بالاتر متکی هستند و ممکن است از چندین هسته نیز استفاده نکنند.

نحوه نگهداری از CPU

برای اینکه CPU خود را مثل روز اول نگه دارید، همواره مطمئن شوید که فن‌های لپ تاپ یا کامپیوتر شما تمیز هستند همچنین دستگاه خود را در یک مکان تهویه دار قرار دهید. برای محافظت از CPU در برابر بدافزارها، از نرم افزار‌های آنتی ویروس قابل اعتماد جهت محافظت در مقابل دزدان منابع و داده‌های کامپیوتری مانند کریپتا هکرها استفاده کنید. همچنین ممکن است بخواهید برخی از نرم افزارهای از پیش نصب شده را حذف کنید که ممکن است به طور غیر ضروری حافظه را اشغال کند. اگر کامپیوتر خود را ساخته‌اید و می‌دانید که چگونه با سخت افزار کار کنید، طبق گفته اینتل، باید خمیر حرارتی خود را نیز هر چند سال یک بار تعویض کنید.

 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.