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.
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.
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.