واحد پردازش مرکزی (CPU) جزء اصلی یک دستگاه است که به‌عنوان مرکز کنترل و مغز متفکر دستگاه عمل می‌کند. هر پردازنده مجموعه پیچیده‌ای از مدارهای الکترونیکی است که سیستم‌عامل و برنامه‌های دستگاه را اجرا می‌کند. هر عملی که در گوشی، کامپیوتر و لپ تاپ انجام می‌دهید به‌عنوان یک دستور ورودی به CPU ارسال و سپس پردازش شده و درنهایت، کار مورد نظر شما انجام می‌شود. در این مقاله از مجله لیپک می‌خواهیم شما را با این قطعه حیاتی در کالاهای دیجیتال آشنا کنیم.
واحد پردازش مرکزی (CPU) یک جزء سخت‌افزاری است که به‌عنوان واحد محاسباتی هسته در یک سرور عمل می‌کند. سرورها و سایر دستگاه‌های هوشمند داده‌ها را به سیگنال‌های دیجیتال تبدیل می‌کنند و عملیات ریاضی را روی آنها انجام می‌دهند. CPU جزء اصلی دستگاه است که سیگنال‌ها را پردازش می‌کند و محاسبات را ممکن می‌کند.
پردازنده‌ها به‌عنوان مغز هر دستگاه محاسباتی عمل می‌کند؛ دستورالعمل‌ها را از حافظه فراخوانی می‌کند، وظایف مورد نیاز را انجام می‌دهد و خروجی را به حافظه می‌فرستد. به عبارت ساده‌تر، تمام وظایف محاسباتی مورد نیاز برای اجرای سیستم‌عامل و نرم‌افزارها را انجام می‌دهد. در زیر می‌توانید عکس پردازنده را از مقابل، پشت و ساختار داخلی آن مشاهده کنید.
به‌طور خلاصه، یک CPU مسئول پردازش عملیات منطقی و ریاضی و اجرای دستورالعمل‌هایی است که به آن داده می‌شود. هر پردازشگر می‌تواند در هر ثانیه میلیون‌ها دستورالعمل را اجرا کند اما تنها یک دستور را در یک زمان به پیش می‌برد.
سی پی یو ابتدا ورودی خود را از مجراهایی نظیر موارد زیر دریافت می‌کند:
سپس چهار وظیفه خود را اجرا می‌کند:
درنهایت، خروجی متناسب با دستورالعمل مانند نمایش یک پنجره در صفحه به کاربر (یا صادرکننده دستورالعمل) تحویل داده می‌شود. این فرآیند، چرخه واکشی-اجرا (fetch-execute) نامیده می‌شود و میلیون‌ها بار در ثانیه اتفاق می‌افتد.
CPU می‌تواند به درخواست کاربر یا تشخیص خود، چرخه در حال اجرا را متوقف کرده و به رویدادهایی که نیاز به توجه فوری دارند رسیدگی کند. در این حالت، یک وقفه در چرخه رخ می‌دهد و پردازنده به‌طور موقت کار فعلی خود را به حالت تعلیق در می‌آورد، وضعیت آن را ذخیره می‌کند و پس از پردازش وقفه ایجاد شده، کار قبلی را از سر می‌گیرد.
CPUهای مدرن اغلب از تکنیک‌هایی مانند موازی‌سازی دستورالعمل‌ها برای افزایش عملکرد دستگاه استفاده می‌کنند. دستورالعمل‌های متعدد می‌توانند به‌طور همزمان در مراحل مختلف چرخه باشند؛ این یعنی امکان استفاده کارآمدتر از منابع CPU فراهم خواهد شد.
APU (واحد پردازش شتاب‌دهنده) نوعی پردازنده است که هر دو CPU و GPU را روی یک تراشه واحد ترکیب می‌کند.
NPU (واحد پردازش عصبی) یک شتاب‌دهنده تخصصی برای بار کاری هوش مصنوعی است که با CPU و GPU تفاوت دارد؛ زیرا NPU سیستم‌عامل یا پردازش گرافیکی را اجرا نمی‌کند اما به راحتی می‌تواند در انجام هر دو کار در حین بارهای کاری که با استفاده از شبکه‌های عصبی سرعت می‌گیرند کمک کند.
CPU یک مدار الکترونیکی پیچیده و شامل چندین جزء کلیدی است که داده‌ها را پردازش کرده و دستورالعمل‌ها را اجرا می‌کند. اجزای اصلی یک CPU در ادامه آورده شده است.
واحد کنترل پردازش (Control unit) دستورالعمل‌ها را مدیریت می‌کند و جریان داده‌ها را در CPU و بین سایر اجزای کامپیوتر هماهنگ می‌کند. این واحد دارای یک جزء رمزگشای دستورالعمل است که دستورالعمل‌های دریافت شده از حافظه را تفسیر و آنها را به میکروعملیات (دستورهای جزئی‌تر از دستور اصلی) تبدیل می‌کند که برای پردازنده قابل اجراست. واحد کنترل، سایر اجزای سیپییو را برای انجام عملیات مورد نیاز هدایت می‌کند.
رجیسترها (یا به زبان ساده، فضای ثبت) مکان‌های حافظه‌ای کوچک و پرسرعت در CPU هستند. این واحدهای ذخیره‌سازی، داده‌هایی را در خود ثبت می‌کنند که CPU روی آنها کار می‌کند و بدین ترتیب، دسترسی سریع پردازنده به داده‌ها را تسهیل می‌کند. رجیسترها زمان دسترسی سریع‌تری نسبت به سایر سطوح حافظه مانند RAM یا حافظه پنهان (Cache) ارائه می‌دهند. CPUها چندین نوع رجیستر دارند:
ALU عملیات حسابی پایه (جمع، تفریق، ضرب و تقسیم) و عملیات منطقی (AND، OR و NOT) را روی داده‌ها انجام می‌دهد. ALU داده‌ها را از رجیسترهای داخل CPU دریافت می‌کند، آنها را براساس دستورالعمل‌های واحد کنترل (CU) پردازش و نتیجه را تولید می‌کند.
بسته به معماری CPU، ممکن است یک واحد رابط پایانه جداگانه یا واحد مدیریت حافظه وجود داشته باشد. این اجزا وظایف مربوط به حافظه مانند مدیریت تعامل CPU و RAM را انجام می‌دهند. همچنین حافظه کش و حافظه مجازی را که CPU برای پردازش داده به آن نیاز دارد را کنترل می‌کند.
CPU برای همگام‌سازی عملیات داخلی خود به سیگنال ساعت متکی است. ساعت یک پالس ثابت در یک فرکانس خاص تولید می‌کند و این چرخه‌های ساعت، عملیات CPU را هماهنگ می‌کنند. سرعت کلاک بر حسب هرتز (Hz) اندازه‌گیری می‌شود و تعیین می‌کند که CPU در هر ثانیه می‌تواند چند دستور را اجرا کند. CPUهای مدرن دارای سرعت ساعت متغیر هستند و براساس حجم کاری تنظیم می‌شوند تا عملکرد و مصرف انرژی را متعادل کنند.
نکته: فرکانس پردازنده یا گیگاهرتز در CPU چیست؟ سرعت کلاک تعداد چرخه‌هایی را که CPU شما در هر ثانیه انجام می‌دهد، با واحد گیگاهرتز (گیگاهرتز) اندازه‌گیری می‌کند. در این مورد، “چرخه” واحد اصلی است که سرعت یک CPU را اندازه‌گیری می‌کند. در طول هر چرخه، میلیاردها ترانزیستور درون پردازنده باز و بسته می‌شوند. به‌طور کلی، سرعت کلاک بالاتر به معنای CPU سریعتر است. به‌عنوان مثال، یک پردازنده با فرکانس 2.5 گیگاهرتز قادر است 2.5 میلیارد حلقه در ثانیه را اجرا کند؛ یعنی بین مقدار گیگاهرتز، سرعت پردازش داده‌ها و دستورالعمل‌ها رابطه مستقیم وجود دارد.
در حالی که در گذشته پردازندههای تک هسته‌ای استاندارد بودند، امروزه تمام CPUها دارای چندین هسته فیزیکی هستند. هسته‌های بیشتر به CPU اجازه می‌دهد تا چندین رشته (توالی دستورالعمل‌ها) را به‌طور موازی مدیریت کند و عملکرد کلی را به‌طور قابل توجهی بهبود بخشد. برنامه‌ها با تقسیم وظایف به وظایف فرعی کوچک‌تر که قابل اجرا به صورت همزمان هستند، می‌توانند از طراحی چند هسته‌ای پردازنده استفاده کنند.
Hyper-threading یک پیاده‌سازی چند رشته‌ای همزمان است که توسط اینتل توسعه یافته است و به هر هسته CPU اجازه می‌دهد تا چندین رشته را به‌طور همزمان اجرا کند. این امکان اجازه می‌دهد تا هر هسته فیزیکی به‌عنوان دو هسته مجازی در سیستم‌عامل ظاهر شود.
نکته: تفاوت هسته و رشته چیست؟ هسته معرف قدرت پردازشی انجام امور است و بیان می‌کند که سیستم چقدر و با چه سرعتی توانایی پردازش امور سنگین یا نیمه‌سنگین را دارد. رشته (Thread) هم بیان می‌کند که پردازنده توانایی انجام همزمان چند کار را دارد. تعداد هسته و رشته در CPU باید تناسب داشته باشد و معمولاً به ازای هر هسته فیزیکی، دو رشته برای هدایت عملیات وجود دارد.
CPUهای مدرن همچنین دارای مجموعه دستورالعمل‌های پیشرفته و فناوری‌هایی هستند که برای سرعت بخشیدن به وظایف خاص طراحی شده اند. این مجموعه دستورالعمل‌ها فراتر از عملیات‌های اساسی حسابی و منطقی هستند و قابلیت‌های اضافی را برای انجام محاسبات پیچیده‌تر با کارآمدتر فراهم می‌کنند. به‌عنوان مثال، CPUها ممکن است شامل مجموعه دستورالعمل‌هایی خاص برای وظایف زیر باشند:
انواع اصلی CPU از جمله پردازندههای تک هسته‌ای، دو هسته ای، چهار هسته‌ای، شش هسته‌ای، هشت هسته‌ای و ده هسته‌ای در زیر توضیح داده شده است.
شرکت‌های زیادی در زمینه تولید پردازندههای کامپیوتر و گوشی فعالیت دارند. به همین دلیل در این قسمت، فقط به معرفی چند برند مشهور در این حوزه بسنده می‌کنیم.
شاید علاقه داشته باشید: مقایسه پردازندههای AMD و Intel
گرچه انتخاب CPU برای لپ تاپ و کامپیوتر گزینه‌های مشترکی دارند اما سخت‌افزاری که از CPU پشتیبانی می‌کند می‌تواند به‌طور چشمگیری تفاوت ایجاد کند. یک PC می‌تواند RAM بیشتری داشته باشد و کارت گرافیک با کیفیت بالاتری نسبت به لپ تاپ اجرا کند. اکثر لپ‌تاپ‌ها دارای چیپست‌های گرافیکی یکپارچه هستند، اگرچه برخی از لپ‌تاپ‌های سطح بالا دارای پردازندههای گرافیکی مجزا هستند. برای کارهای روزمره، تفاوتی در کار با یک CPU مشخص در لپتاپ و کامپیوتر احساس نمی شود اما برای کارهای سنگین مانند رندر ویدیو یا ویرایش و پردازش عکس، کامپیوترها معمولاً از لپ‌تاپ‌هایی با پردازندههای یکسان پیشی می‌گیرند (در این زمینه بخوانید: بهترین پردازندههای رندرینگ)
پردازنده گوشی هوشمند قطعه‌ای است که همه‌چیز را در گوشی هوشمند کنترل می‌کند و از عملکرد صحیح آن اطمینان می‌دهد. هر عملی که روی گوشی خود انجام می‌دهید مستقیماً به پردازنده فرستاده می‌شود. سپس این اعمال به تغییرات بصری روی صفحه شما تبدیل می‌شوند و همه این کارها در کسری از ثانیه اتفاق می‌افتد.
مثلاً در حال باز کردن چند عکس در یک برنامه هستید. این عمل توسط پردازنده ثبت شده و در حافظه دستگاه شما ذخیره می‌شود که به آن مرحله واکشی گفته می‌شود. سپس عمل در مرحله رمزگشایی به یک و صفر ترجمه می‌شود. دستورالعمل‌ها اکنون به زبانی که گوشی هوشمند می‌فهمد ذخیره می‌شود. دستور شما برای مرحله اجرا آماده است؛ پردازنده یک‌ها و صفرها را منتقل می‌کند و شما می‌توانید همه‌چیز را روی صفحه مشاهده کنید. تصاویر شما پس از باز شدن، دستورالعمل‌های اجرا شده آن در مرحله ذخیره‌سازی عملیات پردازنده، برای اجرای مجدد در حافظه رجیستر ذخیره می‌شوند. برای کسب اطلاعات کامل‌تر می‌توانید دو مقاله زیر را مطالعه کنید:
اجرای چندین واحد به‌طور همزمان، امکان انجام چند کار توسط پردازنده را فراهم می‌کند و می‌تواند عملکرد دستگاه را به‌طور چشمگیری بهبود بخشد. این قابلیت اگرچه مهم است اما تعداد هسته‌ها و پردازنده‌ها تنها عواملی نیستند که باید برای خرید CPU در نظر گرفته شوند. برای تعیین بهترین CPU مواردی که باید در نظر گرفت عبارتند از:
پیشنهاد می‌کنیم اطلاعات کامل‌تر را در مقاله راهنمای خرید سی پی یو مشاهده کنید.
در آخر، به چند سوال در مورد پردازنده‌ها پاسخ دادیم. اگر همچنان سوالی برای شما باقی مانده می‌توانید در بخش نظرات برای ما ارسال کنید.
پردازندههای موبایل به دلیل TDP (قدرت طراحی حرارتی) و مصرف انرژی پایین‌تر از پردازندههای کامپیوتر قدرتمندتر هستند. پردازندههای کامپیوتر برای عملکرد بالا بهینه شده اند، در حالی که پردازندههای گوشی برای مصرف انرژی کم و عمر باتری طولانی بهینه شده اند. همچنین در لپ تاپ‌ها عموماً از تراشه‌های گرافیکی یکپارچه استفاده می‌شود و عملکرد پردازنده برای کاربری طولانی‌تر باتری بهینه شده است.
CPU یک ریزپردازنده است و ریزپردازنده یک مدار مجتمع است که از میلیون‌ها ترانزیستور تشکیل شده است. با این حال، همه ریزپردازنده‌ها CPU نیستند. واحد پردازش مرکزی (CPU) تراشه‌ای است که به‌عنوان مغز کامپیوتر عمل می‌کند.
میزان برق مصرفی پردازنده‌ها بسیار متفاوت است و می‌تواند تاثیر زیادی روی عمر باتری داشته باشد. باید در نظر بگیرید که پردازنده‌هایی با سرعت گیگاهرتز و هسته‌های بالاتر انرژی بیشتری مصرف می‌کنند.
گیمرها و تولیدکنندگان محتوا که به قدرت بیشتری در سیستم خود نیاز دارند، باید پردازندههای حداقل چهار هسته‌ای با سرعت بیش از 2.5 گیگاهرتز را انتخاب کنند، اما می‌توان از پردازنده‌هایی با فرکانس 3.8 گیگاهرتز یا بالاتر نیز استفاده کنند. فرکانس پردازنده متناسب با نوع کاربری از دستگاه ارزیابی می‌شود (اطلاعات بیشتر در مقاله بهترین پردازندههای گیمینگ).
سرعت ساعت پردازنده با واحد گیگاهرتز اندازه گیری می‌شود، عدد بالاتر به معنای سرعت کلاک بیشتر است. برای اجرای برنامه‌ها، CPU باید به‌طور مداوم محاسبات را اجرا کند؛ پس اگر سرعت ساعت بالاتر باشد، می‌تواند این محاسبات را سریعتر محاسبه کرده و در نتیجه، برنامه‌ها سریعتر و روان‌تر اجرا می‌شوند.
CPU تمام وظایف مورد نیاز برای اجرای صحیح تمام نرم‌افزارها را انجام می‌دهد. از طرف دیگر یک GPU (پردازنده گرافیکی) از CPU برای انجام محاسبات همزمان پشتیبانی می‌کند. یک GPU می‌تواند کارهای ساده و تکراری را خیلی سریعتر انجام دهد، زیرا می‌تواند کار را به اجزای کوچک‌تر تقسیم کرده و آنها را به صورت موازی به پایان برساند.
منابع: freecodecamp.org | educba.com | investopedia.com | linkedin.com