CPU چیست؟ — واحد پردازش مرکزی به زبان ساده

واحد پردازش مرکزی یا CPU مغز کامپیوتر است. این بخش بیشتر کارهای یک سیستم کامپیوتری را انجام می‌دهد. همان‌طور که مغز ما بدن را کنترل کرده و اطلاعات را پردازش می‌کند، CPU نیز دستورهای برنامه‌ها را اجرا کرده و محاسبات را انجام می‌دهد. این واحد از اجزای کوچکتری تشکیل شده که با همکاری یکدیگر وظایف مختلف را انجام می‌دهند و به همین دلیل، قلب هر دستگاه کامپیوتری محسوب می‌شود.

تمام عملیات پردازش داده‌ها «Data processing»، از محاسبات ساده گرفته تا وظایف پیچیده و عملکردهای مهم کامپیوتر ، توسط CPU انجام می‌شود. این بخش به دستگاه‌های ورودی و خروجی کمک می‌کند تا با یکدیگر ارتباط برقرار کرده و وظایف خود را انجام دهند. همچنین داده‌های ورودی، نتایج میانی پردازش و دستورها را ذخیره می‌کند. وظیفه اصلی CPU این است که از اجرای روان و کارآمد همه فرایندها اطمینان حاصل کند. در این مقاله، به بررسی دقیق‌تر بحث CPU چیست یا واحد پردازش مرکزی به زبان ساده خواهیم پرداخت.

CPU چیست؟

واحد پردازش مرکزی مهم‌ترین بخش یک سیستم کامپیوتری است. CPU قطعه‌ای سخت‌افزاری است که وظایف ورودی/خروجی داده‌ها، پردازش و ذخیره‌سازی را در یک سیستم کامپیوتری انجام می‌دهد. CPU را می‌توان در یک سوکت مخصوص بر روی مادربرد «Mother Brad» نصب کرد. این پردازنده می‌تواند عملیات مختلف پردازش داده را انجام داده و داده‌ها، دستورها، برنامه‌ها و نتایج میانی را ذخیره کند.

تاریخچه CPU

• از زمانی که بارون یونز یاکوب برزلیوس در سال ۱۸۲۳ سیلیکون را کشف کرد، که همچنان ماده اصلی در ساخت پردازنده‌ها است، تاریخ CPU شاهد نقاط عطف مهمی بوده است. اولین ترانزیستور در دسامبر ۱۹۴۷ توسط جان باردین، والتر براتین و ویلیام شاکلی ساخته شد. در سال ۱۹۵۸، رابرت نویس و جک کیلبی اولین مدار مجتمع کارآمد را تولید کردند.
• شرکت اینتل اولین ریزپردازنده خود، Intel 4004 را در سال ۱۹۷۱ با کمک تد هاف معرفی کرد. اینتل سپس پردازنده ۸۰۰۸ را در سال ۱۹۷۲، پردازنده ۸۰۸۶ را در سال ۱۹۷۶ و پردازنده ۸۰۸۸ را در ژوئن ۱۹۷۹ عرضه کرد. در همان سال، موتورولا پردازنده ۶۸۰۰۰ را که یک پردازنده ۱۶/۳۲ بیتی بود، معرفی کرد. شرکت Sun نیز پردازنده SPARC را در سال ۱۹۸۷ عرضه کرد. در مارس ۱۹۹۱، شرکت AMD سری پردازنده AM386 را معرفی کرد.
• در ژانویه ۱۹۹۹، اینتل پردازنده‌های Celeron با سرعت ۳۶۶ مگاهرتز و ۴۰۰ مگاهرتز را معرفی کرد. در آوریل ۲۰۰۵، AMD اولین پردازنده دو هسته‌ای خود را عرضه کرد. اینتل در سال ۲۰۰۶ پردازنده Core 2 Duo را معرفی کرد. پردازنده چهار هسته‌ای Core i5 نیز در سپتامبر ۲۰۰۹ عرضه شد.
• در ژانویه ۲۰۱۰، اینتل پردازنده‌های دیگری از جمله Core 2 Quad Q9500، اولین پردازنده‌های موبایل Core i3 و i5، و اولین پردازنده‌های دسکتاپ Core i3 و i5 را معرفی کرد.
• در ژوئن ۲۰۱۷، اینتل پردازنده دسکتاپ Core i9 را عرضه کرد و در آوریل ۲۰۱۸ اولین پردازنده موبایل Core i9 را معرفی کرد.

بخش‌ های مختلف CPU

CPU از سه بخش اصلی تشکیل شده است:

1. واحد حافظه یا ذخیره‌سازی
2. واحد کنترل
3. واحد محاسباتی و منطقی (ALU – Arithmetic Logic Unit)

پاورپوینت سی پی یو CPU — ساختار و کارکرد آن

کلیک کنید

حال به نمودار بلوکی کامپیوتر نگاهی می‌اندازیم:

۱- واحد حافظه یا ذخیره‌ سازی

این بخش وظیفه ذخیره‌سازی دستورها، داده‌ها و نتایج میانی را بر عهده دارد. واحد حافظه اطلاعات را در صورت نیاز به سایر بخش‌های کامپیوتر منتقل می‌کند. این بخش به‌عنوان حافظه داخلی، حافظه اصلی، حافظه اولیه یا RAM (حافظه دسترسی تصادفی) نیز شناخته می‌شود، زیرا همه این موارد نوعی دستگاه ذخیره‌سازی هستند.

اندازه حافظه بر سرعت، توان و عملکرد کامپیوتر تأثیر دارد. حافظه در کامپیوتر به دو نوع تقسیم می‌شود: حافظه اولیه و حافظه ثانویه.

وظایف اصلی واحد حافظه

• ذخیره داده‌ها و دستورهایی که برای پردازش لازم هستند.
• ذخیره نتایج میانی پردازش‌ها در حین انجام عملیات.
• نگهداری نتایج نهایی پردازش قبل از ارسال به دستگاه خروجی.
• مدیریت انتقال تمام ورودی‌ها و خروجی‌ها از طریق واحد حافظه.

<a target=”_blank” href=”https://programstore.ir/shop/%d9%be%d8%a7%d9%88%d8%b1%d9%be%d9%88%db%8c%d9%86%d8%aa-%d8%af%d8%b1%d8%a8%d8%a7%d8%b1%d9%87-%d8%ad%d8%a7%d9%81%d8%b8%d9%87%d9%87%d8%a7%db%8c-%da%a9%d8%a7%d9%85%d9%be%db%8c%d9%88%d8%aa%d8%b1/?utm_source=blogps&utm_campaign=inline”>

۲- واحد کنترل

همان‌طور که از نامش پیداست، واحد کنترل وظیفه کنترل عملیات تمام بخش‌های کامپیوتر را بر عهده دارد، اما هیچ‌گونه پردازش داده را انجام نمی‌دهد. این بخش با استفاده از سیگنال‌های الکتریکی، دستورهای ذخیره‌شده را اجرا کرده و کامپیوتر را هدایت می‌کند. ابتدا دستورها را از واحد حافظه دریافت کرده، آن‌ها را رمزگشایی کرده و سپس اجرا می‌کند. به همین دلیل، عملکرد کلی کامپیوتر را تحت کنترل دارد. وظیفه اصلی این بخش، مدیریت جریان اطلاعات در پردازنده است.

وظایف اصلی واحد کنترل

• کنترل و انتقال داده‌ها و دستورها بین بخش‌های مختلف کامپیوتر.
• مدیریت عملکرد تمام واحدهای کامپیوتر.
• دریافت دستورها و داده‌های ورودی از واحد حافظه، تفسیر آن‌ها و هدایت عملکرد کامپیوتر بر اساس آن‌ها.
• برقراری ارتباط با دستگاه‌های ورودی و خروجی برای انتقال داده‌ها یا نتایج از حافظه.
• این واحد مسئول پردازش یا ذخیره داده‌ها نیست.

۳- واحد محاسباتی و منطقی

واحد محاسباتی و منطقی «ALU – Arithmetic Logic Unit» وظیفه انجام عملیات ریاضی و منطقی را بر عهده دارد. این واحد از دو بخش اصلی تشکیل شده است:

1. بخش محاسباتی: این بخش عملیات ریاضی مانند جمع، تفریق، ضرب و تقسیم را انجام می‌دهد. همچنین، تمام عملیات پیچیده‌تر با استفاده مکرر از همین عملیات پایه‌ای توسط ALU انجام می‌شوند.
2. بخش منطقی: این بخش وظیفه انجام عملیات منطقی مانند انتخاب، مقایسه، تطبیق و ادغام داده‌ها را بر عهده دارد.

نکته: پردازنده ممکن است بیش از یک ALU داشته باشد و از آن برای مدیریت تایمرها و کمک به عملکرد کلی سیستم کامپیوتر‌ی استفاده کند.

CPU چه کاری انجام می‌دهد؟

وظیفه اصلی پردازنده کامپیوتر اجرای دستورها و تولید خروجی است. سه عملکرد اساسی CPU شامل بازیابی (Fetch)، رمزگشایی (Decode) و اجرا (Execute) هستند.

• بازیابی (Fetch): ابتدا CPU دستورها را دریافت می‌کند. این دستورها شامل اعداد باینری هستند که از RAM به CPU منتقل می‌شوند.
• رمزگشایی (Decode): پس از ورود دستورها به CPU، آن‌ها باید رمزگشایی شوند. این فرآیند با کمک واحد محاسباتی و منطقی (ALU) انجام می‌شود.
• اجرا (Execute): پس از رمزگشایی، دستورها آماده اجرا هستند.
• ذخیره‌سازی (Store): پس از اجرای دستور، نتایج در حافظه ذخیره می‌شوند.

انواع CPU

• پردازنده تک‌هسته‌ای (Single Core CPU): قدیمی‌ترین نوع پردازنده که در دهه ۱۹۷۰ استفاده می‌شد. این پردازنده فقط یک هسته دارد و در یک لحظه فقط یک عملیات را انجام می‌دهد، بنابراین برای چندوظیفگی (Multitasking) مناسب نیست.
• پردازنده دو‌هسته‌ای (Dual-Core CPU): این پردازنده شامل دو هسته در یک مدار مجتمع است. هر هسته دارای حافظه کش و کنترلر مخصوص خود است که با یکدیگر به‌عنوان یک واحد کار می‌کنند. این پردازنده‌ها سریع‌تر از پردازنده‌های تک‌هسته‌ای هستند.
• پردازنده چهار‌هسته‌ای (Quad-Core CPU): شامل دو پردازنده دو‌هسته‌ای در یک مدار مجتمع است. این پردازنده دارای چهار هسته مستقل است که به‌طور همزمان دستورها را پردازش می‌کنند. پردازنده‌های چهار‌هسته‌ای سرعت اجرای برنامه‌ها را افزایش می‌دهند و بدون نیاز به افزایش فرکانس پردازنده، عملکرد بهتری ارائه می‌دهند.

عملکرد CPU چیست؟

عملکرد CPU به سرعت انجام وظایف توسط پردازنده بستگی دارد و بر اساس تعداد دستورهای پردازش‌شده در هر ثانیه اندازه‌گیری می‌شود. این عملکرد به سرعت کلاک پردازنده و عواملی مانند طراحی پردازنده و اندازه حافظه کش بستگی دارد.

برای مثال:

• مرورگر وب یا پردازشگر متن یک برنامه است.
• انجام محاسبات ریاضی در کامپیوتر یا کلیک و انتخاب آیتم‌ها با ماوس یا تاچ‌پد نیز نوعی برنامه محسوب می‌شود.

برنامه‌های کامپیوتر‌ای معمولا در حافظه اصلی (RAM)، حافظه جانبی (هارددیسک یا SSD) و گاهی در حافظه کش پردازنده ذخیره می‌شوند.

ذخیره‌ سازی برنامه‌ها

برنامه‌ها در کامپیوتر به دو روش ذخیره می‌شوند:

1. ذخیره‌سازی دائمی: برنامه‌ها به‌صورت دائمی روی دستگاه‌های ذخیره‌سازی مانند هارددیسک (HDD) یا حافظه SSD ذخیره می‌شوند.
2. ذخیره‌سازی موقتی: هنگام اجرای یک برنامه، داده‌های آن از HDD یا SSD به حافظه RAM منتقل می‌شود. این ذخیره‌سازی موقتی است، زیرا RAM حافظه‌ای فرّار است و پس از خاموش شدن کامپیوتر، تمام اطلاعات خود را از دست می‌دهد.

مزایای CPU

• انعطاف‌پذیری: پردازنده می‌تواند وظایف پیچیده را مدیریت کند، از محاسبات ساده گرفته تا اجرای سیستم‌عامل.
• عملکرد بالا: پردازنده‌های مدرن بسیار سریع هستند و قادر به انجام میلیاردها محاسبه در هر ثانیه هستند.
• چند‌هسته‌ای: پردازنده‌های چند‌هسته‌ای می‌توانند چندین وظیفه را به‌صورت هم‌زمان اجرا کنند.
• سازگاری: پردازنده‌ها با طیف وسیعی از نرم‌افزارها سازگار هستند و امکان اجرای برنامه‌های مختلف روی یک پردازنده را فراهم می‌کنند.

معایب CPU

• گرم شدن بیش‌ازحد: پردازنده هنگام انجام وظایف پیچیده گرمای زیادی تولید می‌کند که به سیستم‌های خنک‌کننده مؤثر مانند فن یا خنک‌کننده مایع نیاز دارد.
• مصرف برق بالا: پردازنده‌های قدرتمند برق زیادی مصرف می‌کنند که می‌تواند منجر به افزایش هزینه‌های برق و نیاز به منبع تغذیه قوی‌تر شود.
• هزینه بالا: پردازنده‌های با عملکرد بالا گران هستند که ممکن است برای برخی کاربران یا برنامه‌هایی که به قدرت پردازشی بالا نیاز دارند، محدودیت ایجاد کند.
• محدودیت در پردازش موازی: با اینکه پردازنده‌های چند‌هسته‌ای قادر به اجرای چندین وظیفه به‌طور هم‌زمان هستند، اما در پردازش موازی به‌اندازه واحدهای پردازش گرافیکی (GPU) کارآمد نیستند. GPUها برای انجام هم‌زمان تعداد زیادی عملیات طراحی شده‌اند.

نتیجه‌گیری

پردازنده (CPU) مغز کامپیوتر است. این واحد تمامی دستورها را از برنامه‌ها دریافت کرده و وظایفی از جمله انجام محاسبات ساده تا انجام کارهای پیچیده را مدیریت می‌کند. بدون پردازنده، کامپیوتر قادر به اجرای برنامه‌ها یا انجام هیچ‌گونه عملیاتی نخواهد بود. بدون پردازنده، کامپیوتر مانند یک ماشین بی‌حرکت و بی‌عمل می‌شود. بنابراین، CPU برای عملکرد کلی کامپیوتر بسیار مهم است.