واحد پردازش مرکزی یا CPU یکی از مهم‌ترین اجزای هر کامپیوتر است. سی‌پی‌یو عنصری حیاتی در کامپیوتر است و تقریبا تمام دستگاه‌های الکترونیکی به این قطعه مجهز هستند. پردازنده دستورات ما را پردازش و اجرا می‌کند و نقش مهمی در سرعت و کارایی دستگاه دارد. در این مقاله به سوال cpu چیست، می‌پردازیم و به تمام نکات مهمی که در هنگام خرید و بررسی مشخصات آن به کارتان می‌آید، اشاره خواهیم کرد.

Cpu‏ چیست؟ 

عبارت CPU مخفف عبارت Central Processing Unit یا واحد پردازش مرکزی است؛ همچنین به‌عنوان پردازنده یا میکروپروسسور شناخته می‌شود. پردازنده یکی از مهم‌ترین قطعات سخت‌افزار در هر سیستم محاسباتی دیجیتال است. در داخل یک سی‌پی‌یو هزاران ترانزیستور میکروسکوپی وجود دارد که سوئیچ‌های بسیار‌ریزی هستند که جریان برق را در مدارهای مجتمع، کنترل می‌کنند.

محل قرارگیری پردازنده روی مادربرد کامپیوتر است. مادربورد، مدار چاپی اصلی داخل کامپیوتر است. وظیفه آن اتصال تمام اجزای سخت افزار به هم است. سی‌پی‌یو اغلب به‌عنوان مغز و قلب همه سیستم‌های دیجیتال شناخته می‌شود. CPU، مسئول انجام تمام کارها و وظایف کامپیوتر، از پردازش اطلاعات و اجرای برنامه‌ها گرفته تا مدیریت حافظه و انجام محاسبات پیچیده است.

پیشرفت فناوری CPU در طول زمان

کامپیوترهای اولیه از لامپ‌های خلأ برای پردازش استفاده می‌کردند؛ درنتیجه کامپیوترهای اولیه بزرگ و جاگیر بودند و برق زیادی مصرف و گرمای قابل توجهی ،تولید می‌کردند. اختراع ترانزیستور در اواخر دهه ۱۹۴۰ انقلابی در فناوری سی‌پی‌یو ایجاد کرد. ترانزیستورها جایگزین لامپ‌های خلأ شدند و کامپیوترها را کوچک‌تر، قابل اعتمادتر و کم‌مصرف‌تر کردند.

در اواسط دهه ۱۹۶۰ مدارهای مجتمع (IC) ساخته شدند که چندین ترانزیستور و اجزای دیگری را روی یک تراشه کامپیوتری واحد ترکیب می‌کردند. CPUها حتی کوچک‌تر و سریع‌تر شدند و منجر به ظهور ریزپردازنده‌ها شدند. این پردازنده‌های کوچک کل سی‌پی‌یو را روی یک تراشه IC واحد ادغام کردند که باعث دسترس‌پذیرتر شدن کامپیوترها و توسعه کامپیوترهای شخصی شد.

در ابتدا، پردازنده‌ها می‌توانستند ۱۶ تا ۳۲ بیت داده را به‌طور همزمان، مدیریت کنند. در اوایل دهه ۲۰۰۰، ‏CPUهای ۶۴ بیتی پدیدار شدند. پردازنده‌های ۶۴ بیتی می‌توانند به حافظه‌های بسیار ‏بزرگ‌تر از پردازنده‌های ۳۲ بیتی دسترسی داشته باشند. این موضوع برای کار با برنامه‌های سنگین و حجیم ‏مانند نرم‌افزارهای ویرایش ویدیو و بازی‌های کامپیوتری، بسیار ضروری و کاربردی است. با افزایش تراکم ترانزیستور، ارتقا عملکرد سی‌پی‌یو تک هسته‌ای دشوار شده است. ‏در عوض، تولیدکنندگان سی‌پی‌یو شروع به استفاده از معماری‌های پردازنده چند هسته‌ای برای ادغام چندین هسته روی یک تراشه واحد، کردند.

با ظهور دستگاه‌های قابل‌حمل، بازده انرژی به امری حیاتی تبدیل شد. تولیدکنندگان پردازنده در حال حاضر پردازنده‌های کم مصرف و با بازده انرژی بالا را برای دستگاه‌های قابل‌حمل مدرن مانند تلفن‌های هوشمند و تبلت‌ها، توسعه داده‌اند. با فراگیر شدن هوش مصنوعی (AI) و کارهای گرافیکی سنگین، اکنون از CPUهای تخصصی مانند واحدهای پردازش گرافیکی (GPU) و شتاب‌دهنده‌های هوش مصنوعی برای مدیریت حجم کاری، استفاده می‌شود.

تحقیق و توسعه مداوم در فناوری نانو و علم مواد، راه را برای ترانزیستورهای میکروسکوپی و CPUهای قدرتمندتر، هموار کرده است. رایانه‌های کوانتومی و سایر فناوری‌های نوظهور، پتانسیل توسعه بیشتر فناوری پردازنده‌های کامپیوتری را دارند.انواع مختلف cpu ها

نحوه عملکرد CPU چگونه است؟

پردازنده وظیفه اجرای دستورات و انجام محاسبات را بر عهده دارد. عملکرد CPU بر اساس چرخه‌ای به نام "بازیابی یا فراخوانی دستورات، تفسیر، اجرا" انجام می‌شود:

  • فراخوانی دستورات (Fetch): پردازنده دستورالعمل‌ها را از حافظه اصلی (RAM) دریافت و آن‌ها را بازیابی می‌کند. برای انجام این کار واحدی به نام pc (Program Counter) وجود دارد. کار این واحد حفظ کردن ترتیب دستورات وارد شده است. پردازنده برای خواندن حافظه مدام با رم ارتباط دارد.
  • تفسیر و دیکد (Decode): CPU دستورات بازیابی شده را تفسیر و رمزگشایی می‌کند؛ زیرا برای درک دستورات نیاز دارد که آن‌ها به زبان ماشینی (صفر و یک) ترجمه شوند. سپس نوع عملیات و نحوه انجام آن را مشخص کند.
  • اجرا (Execute): CPU عملیات‌های مورد نیاز برای دستور داده شده را، انجام می‌دهد؛ این عملیات شامل محاسبات ریاضی، عملیات منطقی یا دسترسی به حافظه می‌شود.
  • ذخیره نتیجه: نتیجه عملیات انجام شده در حافظه اصلی یا رجیسترهای داخلی سی‌پی‌یو، ذخیره می‌شود. 

این چرخه‌ها به‌طور مداوم تکرار می‌شوند و سرعت آن‌ها توسط سرعت کلاک سیستم، کنترل می‌شود. سرعت کلاک به تعداد چرخه‌های پردازش در هر ثانیه گفته می‌شود؛ به عبارت دیگر، سرعت کلاک نشان می‌دهد که CPU چند بار در ثانیه می‌تواند یک چرخه پردازش را کامل کند. به سرعت کلاک، فرکانس پردازنده نیز می‌گویند.چرخه نحوه عملکرد CPU

انواع پردازنده‌ها از نظر معماری

دو دسته اصلی از پردازنده‌های مرکزی (CPU) وجود دارد: x86/x64 و ARM. در‌حالی‌که هر دو عملکردهای اولیه یکسانی را انجام می‌دهند، اما تفاوت‌های کلیدی‌ دارند. ممکن است بسته به نوع دستگاهی که استفاده می‌کنید، یکی از این دو را بر دیگری ترجیح دهید.

  • CPUهای x86/x64: این نوع پردازنده‌ها برای کامپیوترهای رومیزی، لپ‌‌تاپ‌ها و سرورها طراحی شده‌اند. آن‌ها پردازنده‌های قدرتمندی هستند که به‌راحتی می‌توانند حجم کاری بالاتری را، مدیریت کنند. این نوع پردازنده‌ها همچنین به‌راحتی قابل ارتقاء هستند و به شما امکان می‌دهند در صورت نیاز، قدرت بیشتری به سیستم خود اضافه کنید. نمونه‌هایی از این پردازنده‌ها سری Core i3، i5 و i7 شرکت Intel و همچنین سری Ryzen شرکت AMD هستند.
  • CPUهای ARM: این نوع پردازنده‌ها بیشتر در دستگاه‌های همراه مانند تلفن‌های هوشمند، تبلت‌ها و برخی از لپ‌‌تاپ‌ها،استفاده می‌شوند. آن‌ها بر مصرف انرژی پایین و طراحی کوچک‌تر تمرکز دارند و برای انجام کارهای اساسی و کارهای چندوظیفه‌ای سبک، ایده‌آل هستند؛ بااین‌حال، از نظر قدرت پردازش، به اندازه CPUهای x86/x64 قدرتمند نیستند.

ساختار CPU چگونه است؟

CPU از چندین جزء اصلی تشکیل شده است: 

  • واحد کنترل (CU): واحد کنترل، مدیریت پردازش دستورالعمل‌ها را بر عهده دارد و مسیر حرکت داده‌ها در داخل CPU و بین سایر اجزای کامپیوتر را هماهنگ می‌کند. این واحد دارای یک رمزگشا است که دستورالعمل‌های دریافت شده از حافظه را، تفسیر کرده و آن‌ها را به دستورالعمل‌هایی تبدیل می‌کند که سی‌پی‌یو بتواند اجرا کند. واحد کنترل، سایر اجزای سی‌پی‌یو را برای انجام عملیات مورد نیاز، هدایت می‌کند.
  • واحد منطق حسابی (ALU): واحد منطق حسابی (ALU)، عملیات حسابی اساسی (جمع، تفریق، ضرب و تقسیم) و عملیات منطقی (AND، OR و NOT) را روی داده‌ها انجام می‌دهد. این واحد داده‌ها را از رجیسترهای داخل CPU دریافت می‌کند؛ سپس بر اساس دستورالعمل‌های واحد کنترل آن‌ها را پردازش کرده و نتیجه را در رجیسترهای CPU ذخیره می‌کند. در برخی پردازنده‌ها، ALU به دو ‌بخش AU برای انجام عملیات حسابی و LU برای عملیات منطقی، تقسیم می‌شود.
  • رجیستر: رجیسترها حافظه‌ای باسرعت بسیار بالا هستند که در داخل پردازنده قرار دارند. داده‌ها و دستورالعمل‌هایی که در حال حاضر در چرخه‌ خواندن و اجرا، پردازش می‌شوند، برای دسترسی سریع پردازنده در این رجیسترها ذخیره می‌شوند. رجیستر رم، کش و منابع سیستم را برای اشیاء و ساختارهای داده، مدیریت می‌کند.

ساختار CPU به صورت تابعی

حافظه کش cpu چیست؟

پردازنده برای انجام وظایف خود به‌طور مداوم به داده‌ها نیاز دارد. این داده‌ها در حافظه اصلی کامپیوتر (RAM) ذخیره می‌شوند، اما RAM کندتر از CPU است. هر سی‌پی‌یو همچنین دارای حافظه کش (cache) اختصاص یافته‌ای است که در داخل کامپیوتر قرار دارد. کش یک حافظه کوچک و پرسرعت بوده و برای ذخیره داده‌هایی که به‌طور مکرر توسط پردازنده مورد استفاده قرار می‌گیرند، طراحی شده است.

از آنجایی که حافظه کش بسیار نزدیک به CPU است، سی‌پی‌یو می‌تواند به‌سرعت به داده‌های ذخیره شده در آن، دسترسی پیدا کند. این امر باعث می‌شود که پردازنده بدون نیاز به انتظار برای بارگیری داده‌ها از RAM، وظایف خود را سریع‌تر انجام دهد؛ بنابراین مقدار کش بیشتر پردازنده، باعث عملکرد بهتر آن خواهد شد.

حافظه کش، کپی‌هایی از اطلاعات استفاده شده در طول پردازش را برای انجام سریع‌تر و ساده‌تر کارها، ذخیره می‌کند. حافظه کش نسبت به رم کامپیوتر، سرعت بالاتری دارد که این موضوع باعث می‌شود تا تاخیر در اجرای دستورات کاهش یابد. پردازنده برای دسترسی به داده‌‌های دلخواه، ابتدا این حافظه را چک می‌کند و در صورت پیدا نکردن چیزی، به سراغ حافظه RAM می‌رود.

سطوح مختلف حافظه کش

در داخل حافظه کش ‏CPU، لایه‌های متعددی می‌تواند وجود داشته باشد و این لایه‌ها با حرف ‏L‏ نمایش داده ‏می‌شوند. معمولاً تعداد لایه‌های کش بین 3 تا 4 عدد است. این لایه‌ها به ترتیب سرعت و ظرفیت، از ‏L1‎‏ تا ‏L4‎‏ ‏نام‌گذاری می‌شوند. ‏

  • حافظه نهان سطح یک (L1)، که به‌عنوان اولین یا داخلی‌ترین حافظه نهان شناخته می‌شود، نزدیک‌ترین حافظه به پردازنده است. این حافظه با وجود سرعت بالا، از حجم کمتری نسبت به سطوح دیگر حافظه نهان برخوردار است. به‌دلیل اهمیت این حافظه در ذخیره‌سازی مهم‌ترین داده‌های مورد نیاز برای پردازش، پردازنده هنگام پردازش یک دستورالعمل، ابتدا به سراغ حافظه نهان سطح یک می‌رود.
  • حافظه نهان سطح دو (L2) که به‌عنوان حافظه نهان خارجی نیز شناخته می‌شود، سرعت کمتری نسبت به L1 دارد، اما از حجم بیشتری برخوردار است. ساختار CPU تعیین می‌کند که این حافظه به‌صورت مشترک یا مجزا استفاده شود. در گذشته، L2 برخلاف L1، روی مادربرد قرار می‌گرفت، اما امروزه در پردازنده‌های جدید، این حافظه روی خود پردازنده تعبیه شده و در مقایسه با L3، تأخیر کمتری دارد.
  • حافظه نهان سطح سه (L3)، حافظه‌ای مشترک بین تمام هسته‌های پردازنده است. این حافظه از نظر ظرفیت، از L1 و L2 بزرگ‌تر است، اما سرعت کمتری دارد.
  • حافظه نهان سطح چهار (L4)، مانند L3، از L1 و L2 حجم بیشتر و سرعت کمتری دارد. L3 و L4 معمولاً به‌صورت اشتراکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

سطوح مختلف حافظه کش cpu به صورت نمودار مثلثی

هسته‌های cpu چیست؟

یک CPU معمولا می‌تواند تنها یک کار را در یک زمان مشخص انجام دهد. این پردازنده تک تک دستورالعمل‌ها را اجرا می‌کند و برای انجام این کار به هسته‌های فیزیکی نیاز دارد. به‌طور کلی، هر هسته خود یک سی‌پی‌یو جداگانه درون تراشه اصلی CPU است؛ این بدان معنی است که هر هسته فقط می‌تواند یک کار خاص را در یک زمان مشخص انجام دهد.

بااین‌حال، کامپیوترهای مدرن می‌توانند بیش از یک هسته را درون تراشه اصلی خود جای دهند. هر چه تعداد هسته‌های یک CPU بیشتر باشد، قدرت پردازش آن بالاتر رفته و می‌تواند وظایف بیشتری را به‌طور همزمان اجرا و تکمیل کند. این قابلیت پردازنده را قادر به پردازش چند کار به‌صورت همزمان می‌کند.

برای مثال CPUهای دو هسته‌ای، یعنی دو عدد سی‌پی‌یو روی یک تراشه قرار گرفته‌اند که می‌توانند همزمان دو دستورالعمل را اجرا کنند؛ CPUهای چهار هسته‌ای به معنی وجود چهار سی‌پی‌یو روی یک تراشه هستند و CPUهای با تعداد هسته بالاتر نیز به همین ترتیب عمل می‌کنند.

قابلیت Hyperthreading در cpu چیست؟

قابلیت Hyper-Threading یکی از ویژگی‌های پردازنده (CPU) است که به‌طور قابل‌توجهی سرعت پردازش کامپیوتر شما را افزایش می‌دهد. CPU مغز کامپیوتر شماست و وظيفه اجرای برنامه‌ها و محاسبات را بر عهده دارد. CPUهای مدرن از تکنولوژی‌های مختلفی مانند هسته‌های متعدد و Hyper-Threading برای ارتقای عملکرد خود استفاده می‌کنند.

آیا می‌دانید وظیفه هایپرتریدینگ در cpu چیست؟ Hyperthreading فناوری است که در CPUهای جدید به کار می‌رود. با این فناوری، یک هسته فیزیکی سی‌پی‌یو به گونه‌ای عمل می‌کند که سیستم‌عامل آن را به‌عنوان چند هسته مجزا، شناسایی می‌کند. این قابلیت به کامپیوتر شما این امکان را می‌دهد که از هسته‌های پردازنده خود به‌طور کارآمدتر استفاده کند و به این ترتیب، عملکردی مشابه یک سیستم، با قدرت پردازشی بیشتر را ارائه می‌دهد؛ به عبارت دیگر، علاوه‌بر هسته‌های فیزیکی که در ‌بخش قبلی توضیح داده شد، هسته‌های مجازی دیگری نیز وجود دارند که به آن‌ها «رشته» (Thread) گفته می‌شود. 

این رشته‌ها، هسته‌های فیزیکی واقعی نیستند، اما سیستم‌عامل آن‌ها را به‌عنوان هسته‌های جداگانه در نظر می‌گیرد. ترکیب هسته‌های فیزیکی و مجازی باعث می‌شود تا سرعت اجرای برنامه‌ها افزایش یابد و قدرت پردازش کلی CPU نیز، بیشتر شود. مورد دیگر این است که برای بهره‌مندی کامل از Hyper-Threading، باید از سیستم‌عامل و نرم‌افزارهایی استفاده کنید که از این فناوری پشتیبانی می‌کنند.

درست است که Hyper-Threading مزایای قابل‌توجهی مانند افزایش سرعت پردازش و ارتقای عملکرد چندوظیفه‌ای ارائه می‌دهد، اما این فناوری معایبی نیز دارد. مصرف انرژی بیشتر و قیمت بالاتر دو عیبی هستند که باعث می‌شوند پردازنده‌های دارای این قابلیت برای همه مناسب نباشد. این پردازنده‌ها برای کارهای سنگین مناسب هستند. اگر استفاده شما معمولی است، بهتر است پول خود را الکی دور نریزید.

در این مقاله به بررسی cpu، ساختار، نحوه عملکرد و بخش‌های مختلف آن پرداختیم. CPU یکی از مهم‌ترین اجزای کامپیوتر شماست. درک نحوه عملکرد پردازند به شما کمک می‌کند تا کامپیوتر خود را به بهترین نحو، استفاده کنید.