آشنایی با سی پی یو (CPU) و نحوه عملکرد آن در کامپیوتر

پردازنده مرکزی یا سی پی یو (CPU) که به عنوان قلب تپنده کامپیوتر شناخته می‌شود، یکی از اصلی‌ترین و حیاتی‌ترین اجزای هر سیستمی است. اما این قطعه دقیقا چه کاری انجام می‌دهد و چه وظایفی دارد؟

تمامی محاسبات و پردازش‌های سیستم توسط پردازنده مرکزی یا Central Processing Unit انجام می‌شود. این قطعه به دیگر قطعات دستور می‌دهد که چگونه وظایف خود را اجرا کنند. اهمیت سی پی یو به قدری است که بدون وجود آن، هیچ یک از اجزای سیستم قادر به کار نخواهند بود. عملکرد سی پی یو مبتنی بر فرآیندهای پیچیده‌ای است که در کسری از ثانیه اتفاق می‌افتد. این تراشه با دریافت و تفسیر دستورات از حافظه سیستم، آن‌ها را پردازش کرده و نتایج را به سایر بخش‌های کامپیوتر ارسال می‌کند. در ادامه این مطلب با پلازا همراه باشید تا بیشتر با این قطعه مهم و وظایف آن آشنا شویم.

فهرست مطالب:

CPU چیست؟

واحد پردازنده مرکزی یا CPU یا سی پی یو، تراشه کامپیوتری است که اجرای تمامی عملیات‌ها را برعهده دارد. این قطعه در حقیقت مرکز فرماندهی کامپیوتر شماست و در هر لحظه وظایف سایر قطعات را، بسته به دستورالعمل‌هایی که از نرم‌افزارها دریافت می‌کند، به آن‌ها انتقال می‌دهد.

علاوه بر CPU کامپیوتر، در سایر دستگاه‌ها نیز یک واحد پردازنده مرکزی وجود دارد. در واقع هر دستگاهی که بتواند یک نرم‌افزار اجرا کند دارای پردازنده است. مثلا گوشی‌های و تلویزیون‌های هوشمند همگی دارای سی پی یو هستند. در کامپیوترهای مدرن و به خصوص گوشی‌های هوشمند، پردازنده به همراه سایر قطعات روی یک تراشه فیزیکی سوار می‌شوند.

برای مثال در برخی گوشی‌های هوشمند یک تراشه که از پردازنده میزبانی می‌کند ممکن است سایر وظایف مثل، تماس‌های صوتی، اتصال وای‌فای و GPS را نیز مدیریت کند. به چنین تراشه‌هایی که چندین وظیفه مختلف را انجام می‌دهند، SoC یا سیستم روی یک تراشه گفته می‌شود.

نحوه عملکرد CPU

نحوه کار سی پی یو را می‌توان در ۳ کلمه بازیابی، رمزگشایی و اجرا خلاصه کرد. پردازنده دستورالعمل‌های ارائه شده توسط یک نرم‌افزار را دریافت کرده و پس از پردازش آن‌ها، این دستورالعمل‌ها را اجرا می‌کند. در ادامه، با هر یک از این مراحل آشنا خواهیم شد:

• دریافت (Fetch): در این مرحله، پردازنده دستورالعمل‌های ارسال شده از سوی نرم‌افزارها را از رم دریافت می‌کند.
• رمزگشایی (Decode): پس از دریافت دستورالعمل، CPU باید آن را ترجمه کند. این کار توسط واحد کنترل (Control Unit) انجام می‌شود که دستورالعمل‌ها را به سیگنال‌های الکترونیکی تبدیل می‌کند. این سیگنال‌ها به قسمت‌های مختلف پردازنده ارسال می‌شوند تا هر کدام وظیفه خود را انجام دهند.
• اجرا (Execute): پس از ترجمه و در مرحله اجرا، دستورالعمل‌ها با کمک واحد محاسباتی و منطقی (ALU) پردازش می‌شوند. ALU وظیفه انجام عملیات ریاضی (مانند جمع و تفریق) و منطقی (مانند مقایسه و جابه‌جایی داده‌ها) را بر عهده دارد.

نتیجه این ۳ چرخه پردازشی بسته به استفاده شما متفاوت است و می‌تواند بوت شدن ویندوز، نمایش یک ویدیو در یوتیوب یا محاسبه مقادیر اضافه شده به یک صفحه گسترده باشد. در سیستم‌های مدرن، سی پی یو نقش یک رهبر ارکستر را بازی می‌کند و به سایر قطعات دستورالعمل‌های لازم را می‌دهد. مثلا به کارت گرافیک می‌گوید یک انفجار را نمایش دهد؛ چرا که شما به یک بشکه مهمات شلیک کردید یا به SSD دستور می‌دهد پروژه آفیس شما را به رم انتقال دهد تا به سرعت به آن دسترسی پیدا کنید.

فرکانس و تعداد هسته‌های CPU

فرکانس و تعداد هسته‌های CPU، دو عامل مهم هستند که مستقیما بر کارایی و سرعت پردازنده تاثیر می‌گذارند. در ادامه به توضیح هر یک از این عوامل و اهمیت آن‌ها می‌پردازیم:

• فرکانس یا Clock Speed: فرکانس CPU نشان‌دهنده سرعت عملکرد پردازنده است و با واحد گیگاهرتز (GHz) اندازه‌گیری می‌شود. فرکانس به این معنی است که پردازنده در هر ثانیه چند چرخه پردازشی را می‌تواند انجام دهد؛ برای مثال، یک پردازنده با فرکانس ۳.۵ گیگاهرتز قادر است ۳.۵ میلیارد چرخه در ثانیه اجرا کند. به عبارتی دیگر، هر چه فرکانس بالاتر باشد، پردازنده سریع‌تر می‌تواند دستورات را پردازش کند.
• تعداد هسته‌ها: هسته‌های CPU به عنوان واحدهای مجزا در پردازنده عمل می‌کنند که هر کدام توانایی اجرای یک رشته (Thread) از دستورات را دارند. هر هسته در حقیقت یک پردازنده کوچکتر است و بسیاری از نرم‌افزارها نیز به گونه‌ای نوشته شدند که بتوانند از چندین هسته برای پردازش داده‌هایی که مورد نیاز است، استفاده و سرعت اجرای نرم‌افزار را بالا ببرند. در گذشته بیشتر پردازنده‌ها تک‌هسته‌ای بودند، اما با پیشرفت فناوری، پردازنده‌ها به چندین هسته مجهز شده‌اند. یک CPU چند هسته‌ای (مانند ۴ هسته‌ای یا ۸ هسته‌ای) قادر است به‌صورت همزمان چندین کار را انجام دهد. این قابلیت به خصوص در برنامه‌ها و بازی‌های مدرن که از چندین رشته پردازشی استفاده می‌کنند، بسیار مفید است؛ به همین دلیل، تعداد هسته‌ها برای کاربرانی که به پردازش‌های چندوظیفه‌ای و سنگین نیاز دارند، اهمیت زیادی دارد.

مهمترین سازندگان انواع CPU

از آنجایی که پردازنده قطعه بسیار پیچیده‌ای است در حال حاضر انواع CPU کامپیوتر توسط ۴ تولیدکننده مطرح، طراحی و ساخته می‌شوند.

• اینتل: آبی‌های سیلیکون ولی، اولین شرکت جهان بودند که پردازنده‌ها را در مقیاس تجاری به بازار عرضه کرده و در حال حاضر طیف گسترده‌ای از انواع سی پی یو از پردازنده‌های m3 که در کروم‌بوک‌ها استفاده می‌شوند تا سری Core i9 که قلب تپنده سیستم‌های گیمینگ و تولید محتوا هستند را عرضه می‌کند.
• AMD: قرمزها نزدیک‌ترین و سرسخت‌ترین رقیب اینتل هستند که مانند آن‌ها انواع CPU را تولید و روانه بازار می‌کنند. AMD سری C و Athlon را برای کروم‌بوک‌ها می‌سازد و سری رایزن آن‌ها نیز معمولا در لپ‌تاپ‌های رده‌بالا و سیستم‌های گیمینگ مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• کوالکام اسنپدراگون: پردازنده‌های اسنپدراگون بیشتر از همه به خاطر اینکه تراشه مورد استفاده در گوشی‌های اندرویدی هستند شناخته شدند اما این شرکت به تازگی وارد بازار لپ‌تاپ‌ها هم شده است. پردازنده‌های لپ‌تاپ اسنپدراگون با معماری Arm خود، در سال‌های اولیه تعریف چندانی نداشتند اما کوالکام به تازگی با معرفی تراشه‌های اسنپدراگون X الیت و اسنپدراگون X پلاس، ورق را برگردانده و توانسته تراشه‌هایی قدرتمند با مصرف باتری بسیار کمتر از پردازنده‌های اینتل و AMD روانه بازار کند.
• اپل سیلیکون: جدیدترین کمپانی که به تولید CPU کامپیوتر مشغول شده اپل است. آن‌ها تصمیم گرفتند برای مک‌بوک‌های خود از پردازنده‌های ساخت خود استفاده و قید اینتل را بزنند. تا به امروز اپل ۳ نسل از پردازنده‌های سری M خود را روانه بازار کرده است. این پردازنده‌ها آنقدر از نظر عملکرد فوق‌العاده هستند که مک‌بوک‌های اپل را به گزینه اول بسیاری از کاربران تبدیل کرده‌اند.

سوالات متداول

سخن پایانی

امروزه با وجود اینکه انواع CPU کامپیوتر مانند گذشته روی عملکرد کلی سیستم تاثیر ندارد اما همچنان یکی از اجزا اصلی هر کامپیوتر است. گیمرها بیشتر از همه به سی پی یو هایی علاقه دارند که سرعت کلاک بالایی دارند. در حالی که افرادی که بیشتر با برنامه‌هایی مثل کد و نرم‌افزارهای ویرایش ویدیو سر و کار دارند به تعداد هسته‌های بیشتر نیازمند هستند. برای داشتن یک سیستم خوب شما به رم و هارد پرسرعت هم نیاز دارید و البته مهمتر از همه کارت گرافیک است که باید در تعادل و هم سطح پردازنده کامپیوتر شما باشد.