سی پی یو | CPU چیست؟ Central Processing Unit یا واحد پردازش مرکزی که به اختصار CPU نامیده میشود یک قطعه سخت افزار از کامپیوتر است که مسئول تفسیر و اجرای اکثر دستورات از سخت افزار و نرم افزارها را در کامپیوتر است و به عنوان مغز کامپیوتر از آن یاد میشود. CPU از دو جزء اصلی تشکیل شده است که عبارتست از Arithmetic Logic Unit یا ALU که واحد منطق محاسباتی نیز نام دارد و وظیفه انجام محاسب ریاضی و منطقی را دارد.
![CPU چیست؟ واحد پردازش مرکزی | سی پی یو چیست؟](data:image/svg+xml;utf8,<svg xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" width="678" height="453"></svg>)
دومین جزء از پردازنده نیز Control Unit یا CU نام دارد که دستورالعمل های حافظه را استخراج و رمزگشایی می کند و آنها را اجرا می کند و در صورت لزوم ALU را نیز فراخوانی می کند. CPU در ابتدای دهه 1970 با کمک شخصی به نام Ted Hoff و دیگران در شرکت Intel توسعه یافت. اولین پردازنده شرکت اینتل که معرفی شد Intel 4004 نام داشت. علاوه بر کامپیوتر های دسکتاپ تمامی دستگاه ها از قبیل لپتاپ ها ، تبلت ها ، گوشی های موبایل ، تلویزیون ها و ... دارای واحد پردازش مرکزی یا CPU هستند.
![CPU چیست؟ واحد پردازش مرکزی | سی پی یو چیست؟](data:image/svg+xml;utf8,<svg xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" width="1920" height="1080"></svg>)
علاوه بر شرکت Intel شرکت AMD نیز از شرکت های اصلی و بزرگ تولید کننده CPU در دنیا میباشد که برای کامپیوتر های دسکتاپ ، لپتاپ ها ، تبلت ها و سایر دستگاه ها CPU تولید میکنند. شما ممکن است CPU را با نام های Processor ، Computer Processor ، Microprocessor ، Central Processor و ... مشاهده کنید. در تصویر زیر یک نمونه از CPU های تقریباََ جدید شرکت Intel را مشاهده میکنید.
![CPU چیست؟ واحد پردازش مرکزی | سی پی یو چیست؟](data:image/svg+xml;utf8,<svg xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" width="1600" height="1083"></svg>)
همانطور که در تصویر فوق مشاهده میکنید CPU یک قطعه سخت افزار کوچک و مربع شکل است که تعدادی اتصال دهنده های فلزی ریز و گرد مانند زیر آن وجود دارد. برخی از CPU های قدیمی تر به جای اتصال دهنده های فلزی شامل تعدادی پین بودند. CPU مستقیما به یک سوکت CPU که گاهاََ به آن Slot یا اسلات نیز میگویند بر روی مادربرد متصل می شود. CPU روی سوکت سمت پایین سوار میشود و یک اهرم کوچک برای محافظت از پردازنده کمک می کند.
بعد از روشن شدن کامپیوتر و کار کردن CPU برای مدت زمان کوتاهی دمای CPU بالا میرود و داغ میشود این دما در حالت ایده آل برای CPU های جدید و امروزی تقریباََ بین 30 تا 55 درجه سانتی گراد میباشد اما اگر خیلی بیشتر از این میزان باشد (بالاتر از 70 درجه سانتی گراد) احتمال آسیب دیدن CPU بالاتر میرود. برای کمک به از بین بردن این گرما تقریباََ همیشه لازم است که یک Heat sink و یک Fan خنک کننده درست در بالای CPU نصب شود.
![CPU چیست؟ واحد پردازش مرکزی | سی پی یو چیست؟](data:image/svg+xml;utf8,<svg xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" width="1500" height="844"></svg>)
در زیر تصویر یک Heat sink و در بالای آن یک عدد Fan خنک کننده CPU را مشاهده میکنید. خمیر سیلیکون زیر Heat sink مالیده میشود و گرما را از CPU دریافت کرده و از طریق Fan به محیط اطراف هدایت میکند تا CPU بیش از حد داغ نشود. خمیر(چسب) سیلیکون یا ژل حرارتی چسب سفید رنگی است که به عنوان رابط حرارتی بین CPU و Heat sink قرار میگیرد و مشکل رسانایی ضعیف هوا در برابر گرما را برطرف میکند و به عنوان یک رسانای گرمای خوب وارد عمل میشود. به طور معمول چسب سیلیکون یا همان خمیر سیلیکون همراه با خود CPU فروخته میشود.
![CPU چیست؟ معرفی جامع واحد پردازش مرکزی کامپیوتر یا سی پی یو](data:image/svg+xml;utf8,<svg xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" width="1600" height="900"></svg>)
البته بغیر از این روش دیگر روش های خنک کردن CPU نیز وجود دارد که عبارتند از کیت خنک کننده مایع و استفاده از Phase Change Unit یا واحد های تغییر فاز.
هنگامی که صحبت از سرعت CPU میشود منظور همان Clock Speed یا سرعت کلاک CPU میباشد که معمولاََ آنرا با واحد GigaHertz یا به اختصار GHZ بیان میکنیم. سرعت کلاک CPU سرعتی است که یک CPU میتواند در واحد زمان دستورالعمل ها را مورد پردازش قرار دهد. به عنوان مثال CPU ای که Clock Speed ای برابر با 1HZ دارد میتواند در هر ثانیه یک دستورالعمل را پردازش کند و CPU ای که Clock Speed ای برابر با 3GHZ دارد میتواند در هر ثانیه 3 بیلیون دستور العمل را پردازش کند!!!
![CPU چیست؟ واحد پردازش مرکزی | سی پی یو چیست؟](data:image/svg+xml;utf8,<svg xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" width="924" height="431"></svg>)
برخی از کامپیوتر ها دارای CPU هایی تم هسته ای و برخی 2 هسته ای و برخی دیگر 4 هسته ای و ... هستند. همانطور که احتمالاََ حدس میزنید CPU های 2 هسته ای از CPU های تک هسته ای سرعت زیادتری دارند، حدس شما درست است زیرا برای مثال CPU های 2 هسته ای در واحد زمان میتوانند 2 دستورالعمل را مورد پردازش قرار دهند در حالیکه CPU های تک هسته ای در آن واحد یک دستورالعمل را میتوانند پردازش کنند.
که این میتواند سرعت و کارایی CPU را دو چندان کند. این نکته را مد نظر داشته باشید که وقتی میگوییم CPU دو هسته ای یا 4 هسته ای و ... هر هسته یک CPU به حساب می آید یعنی وقتی CPU شما 4 هسته ای است در حقیقت شما 4 عدد CPU دارید اما نه به صورت فیزیکی بلکه منطقی. درست است که شما هنگام خرید CPU یک عدد CPU بصورت فیزیکی میخرید اما هر چقدر تعداد Core یا هسته های داخل CPU بیشتر باشد قدرت CPU شما نیز به همان میزان بالاتر میرود.
![CPU چیست؟ واحد پردازش مرکزی | سی پی یو چیست؟](data:image/svg+xml;utf8,<svg xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" width="1280" height="720"></svg>)
برخی از CPU ها توانایی این را دارند که هر Core یا هسته را به دو Thread یا هسته Virtualize یا مجازی سازی کنند که این تکنولوژی به Hyper-Threading نیز معروف است. تکنولوژی Hyper-Threading که معمولاََ با نام Intel HT Technology نیز شناخته میشود به زبان ساده کارش مجازی سازی هسته ها یا Core ها است به این معنی که یک CPU چهار هسته ای یا Quad core میتواند مانند یک CPU هشت هسته ای عمل کند و به طوری که اگر قابلیت Hyper-Threading را در آن CPU فعال کنیم CPU میتواند در واحد زمان 8 عدد دستورالعمل یا پروسه را مورد پردازش قرار دهد که این سرعت فوق العاده زیادی برای یک CPU به ارمغان می آورد.
در نتیجه اگر یکجا دیدید که یک CPU دارای 4 هسته و 8 عدد Thread است بدانید که در آن حتماََ تکنولوژی Hyper-Threading بکار رفته است. پس اگر من CPU ای دارم که 4 هسته ای است و 4 تا Thread دارد میتوانم نتیجه بگیرم که در آن تکنولوژی Hyper-Threading وجود ندارد، یعنی در واقع به ازای هر Core یک Thread در CPU من وجود دارد.
![CPU چیست؟ واحد پردازش مرکزی | سی پی یو چیست؟](data:image/svg+xml;utf8,<svg xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" width="1344" height="742"></svg>)
CPU های شرکت Intel نسل های مختلفی دارند که احتمالاََ نام آنها را شنیده اید مانند Core i5 ، Core i3 و Core i7. ممکن است حدس بزنید که CPU های Core i3 بهتر از Core i5 و CPU های Core i7 از Core i5 ها بهتر هستند. حدس تان در بیشتر موارد درست است و فهمیدن این موضوع نیز چندان سخت نیست. پردازنده های Core i3 دارای 2 هسته هستند یا بعبارتی Dual Core میباشند اما پردازنده های Core i5 چهار هسته ای یا Quad Core میباشند.
Turbo Boost قابلیتی در CPU های شرکت اینتل است که به CPU امکان میدهد تا در زمان نیاز بتواند Clock Speed یا سرعت کلاک خود را افزایش دهد مثلا از 3GHZ تا 3.5GHZ. نکته اینکه پردازنده های نسل سوم اینتل یا Core i3 ها فاقد تکنولوژی Turbo Boost هستند. مدل پردازنده های اینتل که به حرف K ختم میشوند میتوانند Overclock شوند، به این معنی که میتوان Clock Speed آن CPU را بیشتر از حالت معمولش افزایش داد، البته به صورت دستی. امیدوارم این مقاله مورد توجه شما قرار گرفته باشد.در ادامه پذیرای انتقادات و پیشنهادات شما در راستای این مقاله میباشیم.
سی پی یو یا CPU چیست؟ پردازنده کامپیوتر چیست؟ واحد پردازش مرکزی یا Central Processing Unit چیست؟ مغز کامپیوتر کجاست؟ CPU شامل چه اجزایی می شود؟ چند نوع CPU وجود دارد؟ رجیستر یا ثبات در CPU چیست؟ ALU چیست؟ منظور از هسته یا Core در پردازنده چیست؟ Central Processing Unit ( واحد پردازش مرکزی ) یا به اختصار CPU کامپیوتر یکی از مهم ترین و حیاتی ترین سخت افزار های کامپیوتر میباشد. همه آشنایی نسبی با CPU دارند اما در واقع نمیدانند که چگونه کار میکند اما ما در این مقاله بر آن شدیم تا نحوه کارکرد CPU سیستم را به شما یاد بدهیم و نگاهی بر عملکرد کلی در کامپیوتر آن بیاندازیم. خب قبل از اینکه به سراغ مفاهیم پیشرفته CPU برویم بهتر است در ابتدا مفاهیم ساده آنرا با هم بررسی کنیم.
![سی پی یو چیست؟ CPU چیست؟](data:image/svg+xml;utf8,<svg xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" width="1800" height="768"></svg>)
خب همانطور که گفتیم CPU اختصار یافته Central Processing Unit یا واحد پردازش مرکزی است. CPU یا پردازنده سیستم یکی از مهم ترین و اساسی ترین اجزای یک کامپیوتر است. بدون CPU کامپیوتر به هیچ دردی نمیخورد. به خاطر مهم و حیاتی بودن CPU از آن به عنوان مغز کامپیوتر یاد میکنند CPU در حالت کلی وظیفه پردازش ، محاسبه و انتقال اطلاعات را دارد. تعداد دستورالعمل های انجام شده توسط CPU در واحد زمان بیانگر سرعت یک پردازنده میباشد.
سرعت پردازنده با واحد Hz ( هرتز ) بیان میشود. امروزه سرعت پردازنده ها با واحد GHz ( گیگاهرتز ) بیان میشود. یک GHz برابر است با 1000000 هرتز. CPU یک سخت افزار بسیار پیچیده با مدارات الکترونیکی زیاد است. CPU یا پردازنده در حالت معمول برای اجرای دستورالعمل های ذخیره شده که توسط کاربر در حافظه فراهم شده است مورد استفاده قرار میگیرد. هر کامپیوتر کوچک یا بزرگ برای کارکرد خود نیاز به CPU یا پردازنده دارد.
کامپیوتر یک دستگاه بسیار سریع است. یک کامپیوتر معمولی توانایی اجرای دستورالعمل ها در کمتر از یک میلیونوم ثانیه را دارد در حالیکه یک سوپرکامپیوتر توانایی اجرای دستورالعمل ها را در کمتر از یک بیلیونوم ثانیه را دارا میباشد. سرعت CPU یا پردازنده وابسته به فرکانس Clock کاری آنهاست که معمولاََ با واحد GHz بیان میشود. حالا بیایید مکانیزم کاری CPU را با هم بررسی کنیم.
زمانیکه برنامه ای یا دستورالعملی توسط یک کاربر برای امر پردازش مورد درخواست واقع میگردد CPU آن دستورالعمل ها را از حافظه RAM ( و یا سایر حافظه هایی که در اختیار CPU قرار دارد ) فراخوانی میکند و آنها را مورد محاسبه و پردازش قرار میدهد. حال قبل از اینکه پاسخ آن درخواست ها توسط CPU به حافظه RAM منتقل شود و قابل استفاده برای ما باشد CPU آن اطلاعات را با توجه به دستوری که به وی داده شده است خوانده و عملیات محاسبه و انتقال داده ها را به حافظه RAM شروع میکند. قبل از اینکه داده ها توسط CPU اجرا شوند بایستی از طریق System BUS عبور داده شوند. BUS در یک کامپیوتر یک سیستم ارتباطی یا بهتر است بگوییم یک گذرگاه ارتباطی است که در بین تمامی اجزای کامپیوتر ها وجود دارد.
وظیفه CPU اطمینان حاصل کردن از اینکه داده ها پردازش شده و در System bus برای عبور قرار گرفته اند میباشد. CPU داده ها را مدیریت میکند تا دستورالعمل ها را به شکل صحیح اجرا کند و آنها را در System bus برای عبور دادن به حافظه قرار دهد. بنابراین درخواست داده شده توسط کاربر توسط CPU مورد پردازش قرار گرفتنه و در حافظه RAM فراخوانی میشود و در نهایت کاربر اطلاعات پردازش و محاسبه شده را در صفحه نمایش مانیتور مشاهده میکند. تصویر زیر به صورت کلی مکانیزم کاری CPU را نمایش میدهد.
CPU یا پردازنده سیستم از دو واحد منطقی و اساسی تشکیل شده است که عبارتند از Control Unit ( واحد کنترل ) و Logic Unit ( واحد منطق ). در زیر به تشریح کلی هر یک از واحد ها میپردازیم.
این قسمت از CPU برای مدیریت عملیات CPU استفاده میشود. واحد CU به اجزای مختلف کامپیوتر فرمان میدهد تا بر اساس دستورالعمل های برنامه ها واکنش نشان دهند. نرم افزار های یک کامپیوتر در هارد دیسک ذخیره میشوند و وقتی یک کاربر نرم افزاری را اجرا میکند آن نرم افزار در حافظه اصلی سیستم یا همان RAM برای اجرا شدن بارگزاری ( قرار گرفتن ) میشود. هیچ برنامه ای بدون وجود حافظه RAM در کامپیوتر توانایی اجرا شدن را ندارد.
واحد CU پردازنده برای پردازش دستورالعمل های برنامه ها در کامپیوتر با استفاده از سیگنال های الکتریکی استفاده میشود. واحد CU از یک پردازنده با واحد ALU و حافظه ارتباط برقرار میکند تا پردازش دستورالعمل های برنامه ها را انجام دهد. در واقع واحد CU دستورالعمل های برنامه ها را انجام نمیدهد بلکه به دیگر اجزا برای انجام اینکار فرمان میدهد. بدون واحد CU یا واحد کنترل اجزای مربوطه قادر به اجرای دستورالعمل ها نبوده و نمیدانند که چه چیزی و در چه زمانی باید انجام شود.
Logic Unit یا واحد منطق اشاره به واحد ALU یا Arithmetic Logic Unit ( واحد منطق محاسباتی ) دارد. واحد ALU یک مدار الکترونیکی و دیجیتالی است که در داخل CPU قرار دارد. واحد ALU یکی از مهم ترین واحد های CPU به شمار می آید که بدون آن میتوان گفت CPU هیچ کاربردی ندارد. وظیفه واحد ALU محاسبه اعداد صحیح و عملیات بیت منطقی است.
محاسبات واحد ALU شامل عملیات جمع ، تفریق ، تغییر عملیات و مقایسه های بولی نظیر AND ، OR ، NOT و XOR میباشد.عملکرد واحد ALU در مدل های مختلف پردازنده ها متفاوت است. در کامپیوتر های ساده و معمولی واحد ALU پردازنده یک عدد میباشد ولی در پردازنده های کامپیوتر های پیشرفته و گران قیمت ممکن است بیش از دو واحد ALU بکار رفته باشد که به طور همزمان محاسبات بر روی داده ها را انجام میدهند. اما به یاد داشته باشیم که وظیفه اصلی و اساسی واحد ALU محاسبه عملیات اعداد صحیح است.خب تا بدین جا اجزای منطقی و محاسباتی CPU را با هم بررسی کردیم حال بهتر است تا نگاهی بر حافظه هایی که در خود CPU قرار دارند و بطور مستقیم با CPU سر و کار دارند را بررسی کنیم و با آنها آشنا شویم. این حافظه ها نظیر Register ها و حافظه های Cache ( کش ) پردازنده میباشند. در زیر نگاهی گذرا به هر یک از آنها میکنیم.
![سی پی یو چیست؟ CPU چیست؟](data:image/svg+xml;utf8,<svg xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" width="258" height="819"></svg>)
Register یا ثبات یک مکان بسیار کوچک در CPU است که وظیفه نگهداری داده ها را به صورت موقت در خود دارد. Register برای ذخیره سازی اطلاعاتی نظیر دستورالعمل ها ، آدرس های حافظه و هر داده ای نظیر bit sequence ( توالی بیت ها ) و یا کاراکتر ها و ... مورد استفاده قرار میگیرد. Register یا ثبات پردازنده باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا بتواند اطلاعاتی را که به آن تحویل داده میشود در خود نگه دارد.
نکته بسیار مهم اینکه پردازنده های با معماری 64 بیتی دارای Register هایی با ظرفیت 64 بیت هستند و پردازنده های با معماری 32 بیتی دارای Register هایی با ظرفیت 32 بیت هستند. Register ها یا ثبات ها سریعترین حافظه های یک کامپیوتر به شمار میروند. توجه کنید که بحث Register های یک پردازنده به اینجا ختم نمیشود و در پردازنده انواع مختلفی Register داریم که هر کدام وظیفه خاص خود را بر عهده دارد از این رو در حوصله این مقاله نمیگنجد که درباره آنها صحبت کنیم. انشالله در یک مقاله جداگانه درباره Register ها صحبت خواهم کرد.
حافظه Cache یا کش پردازنده حافظه ای است که در خود تراشه پردازنده قرار میگیرد یا ممکن است در مکان دیگری از مادربورد توسط یک bus یا گذرگاه ارتباطی با پردازنده در تماس باشد. حافظه Cache پردازنده بدین منظور استفاده میشود که برنامه ها و دستورالعمل هایی که به تعداد زیادی در کامپیوتر استفاده میشود را در خود ذخیره کند. زمانیکه CPU میخواهد داده ای را مورد پردازش قرار دهد ابتدا به نزدیک ترین حافظه Cache خود نگاه میکند تا در صورت موجود بودن آن دستورالعمل را پردازش کند.
اگر داده ها در نزدیک ترین حافظه Cache خود یافت شد آنرا مورد پردازش قرار میدهد اگر پیدا نشد به حافظه های Cache بعدی اش نگاه میکند و در نهایت اگر پیدا نشد به حافظه RAM سیستم رجوع میکند که مقداری زمان میبرد حافظه Cache بسیار گران است اما در عوض مانند رعد و برق سریع است. حافظه Cache پردازنده سطوح مختلفی دارد که ما به معرفی دو سطح از آن یعنی L1 Cache و L2 Cache میپردازیم که مستقیماََ با خود CPU در ارتباط است. توجه کنید که L3 Cache هم داریم اما به آن نمیپردازیم.
امروزه کامپیوتر ها با پردازنده های چند هسته ای یا در اصطلاح فنی Multi-Core همراه هستند. پردازنده چند هسته ای به این معنی است که بیش از یک عدد پردازنده یا CPU در تراشه CPU تعبیه شده است. پردازنده های چند هسته ای میتوانند به طور همزمان با یکدیگر کار کرده و دارای مزایایی نظیر سرعت بسیار زیاد ، مصرف انرژی برق کمتر ، کارایی بالا ، امکان پردازش موازی دستورالعمل یا Parallel Processing یا Multi-Tasking . توجه کنید از آنجا که تمام پردازنده ها در یک جا به هم متصل شده اند و بسیار به هم نزدیک هستند پس سرعت کارکردشان نیز بسیار بالاتر میرود. حال در زیر به معرفی انواع پردازنده های چند هسته ای میپردازیم.
![CPU چیست؟ معرفی جامع واحد پردازش مرکزی کامپیوتر یا سی پی یو](data:image/svg+xml;utf8,<svg xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" width="579" height="919"></svg>)
![امیرحسین کریم پور](data:image/svg+xml;utf8,<svg xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" width="120" height="120"></svg>)