cpu چیست ؟

چند کلامی با کاربر

cpu ، چیپست ، پردازنده ، سی پی یو ، مغز متفکر هر سیستم الکترونیکی است، این قطعه الکترونیکی به صورت فشرده ساخته می شوند، زبان آن به صورت یک جریان الکتریکی روشن و خاموش 0،1 است و بسته به سیستم مورد نظر میتواند توانایی هایی متفاوتی داشته باشد.

این مغز از جنس نیمه هادی های سیلسیلیوم و ژرمانیوم ساخته می شود، شاید کمی فهم عملکرد این قطعه راحت نباشد

ولی منطق عملکردی بسیار دقیق و قابل فهمی دارد که به جرات می توان تنها دلیل پیشرفت تکنولوژی را همین قطعه در نظر گرفت

چرا که اگر این میکرو سیستم ، به صورت فشرده نباشد، شاید یک مدار در اندازه ی چند متری باشد که از چندین دیود و ترانزیستور های در اندازه های مختلف ساخته شده است.

در اصل این میکرو سیستم از چندین میکرو سیستم های مختلف با توانایی های متفاوت ساخته شده که در کنار هم توسط دستگاه های خاصی قرار می گیرند و با پایه هایی که دارند می توانند داده هایی و یا جریان الکتریکی دریافت و پس از پردازش آن از پایه های خروجی، داده یا جریان الکتریکی را انتقال دهند

حال ما تیم تولید محتوی فروشگاه اینترنتی مودم ایران قصد داریم در ادامه سیر تا پیاز این قطعه را تا حد ممکن به زبان ساده بیان کنیم.

cpu ، چیپست ، سی پی یو ، پردازنده چیست؟

پردازنده یا واحد پردازش مرکزی (Central Processing Unit)، که اغلب به عنوان مغز کامپیوتر شناخته می‌شود، یک قطعه سخت‌ افزاری پیچیده است که مسئول اجرای دستورالعمل‌ های برنامه‌های کامپیوتری است.

هر کاری که کامپیوتر انجام می‌دهد، از حرکت دادن موس گرفته تا اجرای یک بازی ویدیویی پیچیده، توسط CPU مدیریت و پردازش می‌شود.

CPU یک تراشه نیمه‌هادی (IC) بسیار فشرده است که شامل میلیاردها ترانزیستور میکروسکوپی می‌باشد. این ترانزیستورها هستند که با روشن و خاموش شدن (۰ و ۱)، محاسبات و عملیات منطقی را انجام می‌دهند.

مشخصات ظاهری و فیزیکی

پردازنده از نظر ظاهری یک قطعه الکترونیکی مربع و یا مستطیل شکل مسطح و بسیار ظریف از جنس سیلیکون، پلاستیک و فلز است که معمولاً در ابعاد چندین سانتیمتر مربع (بین ۲×۲ تا ۵×۵ سانتیمتر) تولید می‌شود.

این قطعه که اغلب به رنگ سبز، مشکی یا طلایی دیده می‌شود، بر روی یک بستر پلاستیکی یا سرامیکی به نام “بستر” (Substrate) قرار گرفته که در سطح زیرین آن، صدها یا هزاران پایه فلزی براق و کوچک (پین‌های PGA) یا نقاط تماس فلزی (پدهای LGA) به صورت شبکه‌ای منظم قرار دارند که وظیفه اتصال الکتریکی پردازنده به برد اصلی را از طریق سوکت مخصوص بر عهده دارند.

در سطح رویی پردازنده‌های مدرن، یک صفحه فلزی صاف و براق (سرمایه حرارتی یا IHS) ازجنس مس یا نیکل آبکاری شده دیده می‌شود که بر روی خود تراشه سیلیکونی اصلی (Die) قرار گرفته و وظیفه توزیع و دفع حرارت تولید شده را به یک خنک‌کننده خارجی بر عهده دارد.

معمولاً اطلاعاتی مانند مدل، سرعت و شماره سریال پردازنده بر روی این صفحه فلزی حک یا چاپ شده است و در کناره‌ های آن نیز یک یا چند علامت مثلثی کوچک برای نشان دادن جهت صحیح نصب پردازنده در سوکت مادربرد وجود دارد.

اجزای اصلی تشکیل‌دهنده یک پردازنده

برای درک چگونگی کار CPU، باید با اجزای کلیدی آن آشنا شویم:

هسته (Cores)

در گذشته، پردازنده‌ ها تنها یک هسته داشتند. امروزه، اکثر CPU ها دارای چندین هسته هستند (دو هسته، چهار هسته، هشت هسته و حتی بیشتر).

هر هسته در واقع یک پردازنده مستقل است که می‌تواند دستورالعمل‌های خود را به طور همزمان اجرا کند. این قابلیت، چند وظیفگی (Multitasking) را ممکن می‌سازد و عملکرد کلی سیستم را به شدت افزایش می‌دهد.

واحد کنترل (Control Unit – CU)

این واحد مانند “مدیر ارکستر” پردازنده عمل می‌کند.

وظیفه آن، دریافت دستورالعمل‌ها از حافظه (RAM)، رمزگشایی (Decode) آن‌ها و سپس هماهنگی سایر بخش‌ های پردازنده برای اجرای آن دستورالعمل است.

واحد محاسبه و منطق (Arithmetic Logic Unit – ALU)

این واحد “موتور محاسباتی” پردازنده است.

تمام عملیات ریاضی (مانند جمع، تفریق، ضرب و تقسیم و … ) و عملیات منطقی (مانند مقایسه اعداد: بزرگ‌تر، کوچک‌تر، مساوی و …) در این بخش انجام می‌شود.

ثبات‌ها (Registers)

ثبات‌ها حافظه‌های بسیار کوچک و فوق‌العاده سریعی هستند که درون خود پردازنده قرار دارند.

آن‌ها به طور موقت داده‌ها و دستورالعمل‌هایی را که هسته در حال حاضر در حال کار بر روی آن‌هاست، ذخیره می‌کنند. دسترسی به ثبات‌ها در مقایسه با حافظه RAM ، تقریباً آنی است.

حافظه کش (Cache)

کش یک حافظه سریع و کوچک است که روی خود پردازنده تعبیه شده است.

وظیفه آن، ذخیره کردن داده‌ها و دستورالعمل‌های پرکاربردی است که پردازنده به احتمال زیاد به زودی به آن‌ها نیاز خواهد داشت. این کار باعث کاهش زمان انتظار برای دریافت اطلاعات از حافظه اصلی (RAM) که کندتر است ، می‌شود.

معمولاً سطوح مختلفی از کش وجود دارد L1 (سریع‌ترین و کوچک‌ترین)، L2 و L3 (کندتر اما بزرگ‌تر).

باس (Bus)

باس‌ ها مسیرهای ارتباطی هستند که اجزای داخلی پردازنده را به یکدیگر و همچنین پردازنده را به دیگر بخش‌های کامپیوتر (مانند حافظه RAM و دستگاه‌های ذخیره‌سازی) متصل می‌کنند. این مسیرها برای انتقال داده‌ها، آدرس‌ها و سیگنال‌های کنترل استفاده می‌شوند.

چرخه اجرای یک دستورالعمل: پردازنده چگونه کار می‌کند؟

کار پردازنده حول یک چرخه ثابت و بسیار سریع به نام “چرخه Fetch-Decode-Execute” می‌چرخد. این چرخه میلیاردها بار در ثانیه تکرار می‌شود (که با واحد گیگاهرتز – GHz – اندازه‌گیری می‌شود).

بیایید این چرخه را به طور مرحله‌ای بررسی کنیم:

مرحله ۱: واکشی (Fetch)

واحد کنترل، آدرس دستورالعمل بعدی که باید اجرا شود را از “شمارنده برنامه” (Program Counter) دریافت می‌کند.

سپس این آدرس را از طریق باس آدرس به حافظه RAM ارسال می‌کند.

حافظه RAM دستورالعمل موجود در آن آدرس را برمی‌گرداند و واحد کنترل آن را در “ثبات دستورالعمل” (Instruction Register) ذخیره می‌کند.

مرحله ۲: رمزگشایی (Decode)

واحد کنترل، دستورالعمل ذخیره‌شده را تجزیه و تحلیل (رمزگشایی) می‌کند تا بفهمد این دستورالعمل دقیقاً چه کاری باید انجام دهد (مثلاً دو عدد را جمع کند یا داده‌ای را در حافظه ذخیره کند).

واحد کنترل متوجه می‌شود که کدام بخش‌های پردازنده (مانند ALU) برای اجرای این دستور مورد نیاز هستند و سیگنال‌های کنترلی مناسب را به آن‌ها ارسال می‌کند.

مرحله ۳: اجرا (Execute)

در این مرحله، دستورالعمل رمزگشایی شده، عملی می‌شود.

اگر دستورالعمل یک عملیات ریاضی یا منطقی باشد، داده‌های مورد نیاز از ثبات‌ها یا حافظه به ALU منتقل می‌شوند و ALU محاسبه را انجام می‌دهد.

اگر دستورالعمل شامل خواندن یا نوشتن داده در حافظه باشد، واحد کنترل عملیات مربوطه را با حافظه اصلی انجام می‌دهد.

مرحله ۴: بازنویسی (Writeback)

این مرحله اغلب بخشی از چرخه “اجرا” در نظر گرفته می‌شود.

پس از اتمام محاسبات، نتیجه عملیات در یک ثبات یا در حافظه اصلی ذخیره (بازنویسی) می‌شود.

در نهایت، “شمارنده برنامه” به روز می‌شود تا به آدرس دستورالعمل بعدی اشاره کند و کل چرخه دوباره از ابتدا آغاز می‌شود.

یک تشبیه ساده: آشپزی

Fetch: شما دستور پخت (دستورالعمل) را از روی کتاب آشپزی (حافظه RAM) می‌خوانید.
Decode: شما دستور را می‌فهمید که مثلاً باید ابتدا پیاز را خرد کنید و سپس آن را تفت دهید.
Execute: شما واقعاً پیاز را خرد می‌کنید (ALU) و آن را در تابه (سخت‌افزار) می‌ریزید.
Writeback: شما پیاز سرخ شده را در یک کاسه (ثبات) قرار می‌دهید تا برای مرحله بعد آماده باشد.

مفاهیم کلیدی پیشرفته در پردازنده‌های مدرن

فرکانس کلاک (Clock Speed)

به سرعت انجام چرخه Fetch-Decode-Execute اشاره دارد. واحد آن هرتز (Hz) است. یک پردازنده ۳ GHz می‌تواند ۳ میلیارد چرخه در ثانیه انجام دهد. فرکانس بالاتر معمولاً به معنای عملکرد سریع‌ تر است، اما تنها معیار نیست.

معماری (Architecture)

طراحی اساسی و چیدمان ترانزیستورها در پردازنده را گویند. یک معماری کارآمد (مانند x86 اینتل یا ARM) حتی در فرکانس کلاک پایین‌تر می‌تواند عملکرد بهتری داشته باشد.

هایپرتردینگ (Hyper-Threading – Intel) / چندریسمانی همزمان (SMT)

یک فناوری که به هر هسته فیزیکی اجازه می‌دهد دو “هسته منطقی” برای سیستم عامل شبیه‌ سازی کند.

این کار به پردازنده امکان می‌دهد تا از منابع بلا استفاده خود بهتر استفاده کرده و در کارهای چند وظیفگی عملکرد بهتری داشته باشد.

فرآیند ساخت (Lithography)

به اندازه ریز ترانزیستورها بر حسب نانومتر (nm) اشاره دارد. اندازه کوچک‌تر (مثلاً ۵ نانومتر در مقابل ۱۴ نانومتر) به معنای قرارگیری ترانزیستورهای بیشتر در فضای کمتر، مصرف انرژی کمتر و تولید گرمای پایین‌تر است.

جمع‌بندی نهایی

پردازنده یک ماشین پیچیده اما اساساً ساده است که میلیاردها بار در ثانیه یک کار بسیار ابتدایی را تکرار می‌کند: خواندن یک دستورالعمل، فهمیدن آن، اجرای آن و ذخیره نتیجه. قدرت و پیچیدگی آن ناشی از سرعت فوق‌العاده بالا، موازی‌سازی (چند هسته‌ای) و معماری هوشمندانه‌ ای است که این عملیات ساده را قادر می‌سازد تا دنیای دیجیتال پیچیده ما را بسازد و اجرا کند.