قسمت های مختلف CPU و وظایف آنها

CPU (واحد پردازنده) قلب یا مغز یه کامپیوتره. دستورالعمل‌هایی که بهش می‌دن رو اجرا می‌کنه. کار اصلی CPU انجام عملیات حسابی و منطقی و هماهنگ کردن دقیق دستورالعمل‌ها با همدیگه هست. قبل از اینکه عمیق بشیم تو بخش‌های مختلف CPU، می‌ریم قسمت های مختلف CPU و وظایف آنها و اینکه اجزای اصلی پردازنده چی هستن و چه نقشی دارن.

قسمت های مختلف و اجزای تشکیل دهنده cpu

بخش های اصلی تشکیل دهنده و اجزای CPU به شرح زیرن :

• واحد کنترل (Control Unit : CU) : کنترل‌کننده کارهای CPU هست. در واقع واحد کنترل مثل یه مدیره که فعالیت‌های بین بخش‌های مختلف یه کارخونه رو هماهنگ می‌کنه. واحد کنترل به بخش‌های مختلف CPU می‌گه که چجوری کار کنن، چه داده‌هایی رو استفاده کنن، و نتیجه محاسبات رو کجا بذارن.
• واحد تست حفاظت (Protection Test Unit : PTU) : با واحد کنترل کار می‌کنه، کار واحد تست حفاظت اینه که روی عملکرد بخش‌های مختلف نظارت کنه تا ببینه کارها درست انجام می‌شن یا نه. در واقع شبیه به یه بخش کنترل کیفیت تو یه کارخونه عمل می‌کنه. اگه واحد تست حفاظت بفهمه که یه چیزی درست انجام نشده، یه سیگنال خطا تولید می‌کنه.
• واحد ریاضی و منطق (Arithmetic and Logic Unit : ALU) : تمام کارهای محاسبات و توابع منطقی مقایسه‌ای رو برای CPU انجام می‌ده. از جمله کارهای واحد ALU می‌شه به عملیات جمع کردن، تفریق، تقسیم، ضرب، برابر، بیشتر از، کمتر از، و بقیه عملیات‌های محاسباتی و منطقی اشاره کرد.
• واحد پردازش اعشاری (Floating Point Unit : FPU): در واقع یه کمک پردازنده هستش که به انجام محاسبات ریاضی روی عددهای اعشار و بقیه عملیات‌های ریاضی مثل مثلثات و لگاریتم کمک می‌کنه. واحد FPU اسم‌های دیگه‌ای مثل کمک‌پردازنده ریاضی، واحد پردازش عددی (numerical processing unit : NPU) هم داره.
• واحد مدیریت حافظه (Memory Management Unit : MMU) : آدرس و فهرست‌بندی جاهایی رو که داده‌ها تو حافظه سیستم ذخیره می‌شه، مدیریت می‌کنه. هر وقت که CPU یه چیزی از حافظه بخواد، اونو از واحد مدیریت حافظه (MMU) درخواست می‌کنه. واحد MMU بخش‌بندی‌های حافظه و صفحه‌های اونو مدیریت می‌کنه و تمام آدرس‌های منطقی رو به آدرس‌های فیزیکی تبدیل می‌کنه.
• واحد رابط گذرگاه (Bus Interface Unit : BIU) : روی روابط بین CPU و بقیه بخش‌های مختلف کامپیوتر که از طریق گذرگاه (BUS) اتفاق می‌افتن، مدیریت و نظارت می‌کنه. همچنین واحد BIU به عنوان نقطه اتصال بین CPU و گذرگاه‌های خارجی اون هست، و همین‌طور تمام داده‌هایی رو که از واحد کنترل (CU) بیرون می‌رن، مدیریت می‌کنه.
• واحد پیش واکشی (Prefetch Unit) : هر وقت که واحد BIU بیکار بشه، دستورالعمل‌های حافظه CPU رو از دستوراتی که تو حافظه کامپیوتر هستن بارگیری می‌کنه. این به CPU اجازه می‌ده تا به دستورات بعدی یه نگاهی بندازه. واحد پیش واکشی (Prefetch Unit) دستورات رو تجزیه و تحلیل نمی‌کنه، واسه همین هم ممکنه بعضی وقت‌ها دستورات اضافی رو بارگذاری کنه، فرض واحد پیش واکشی اینه که دستورات پشت سر هم و به ترتیب اجرا می‌شن و به شاخه‌بندی‌ها و پرش‌های بین دستورات کاری نداره.
• واحد رمزگشایی (Decode Unit) : خیلی از دستورالعمل‌ها در واقع ترکیب دستورات ساده‌تر هستن. واحد رمزگشایی (Decode Unit) همون‌طور که از اسمش هم پیداست، کارش اینه که دستورات رو رمزگشایی کنه و اونا رو به ساده‌ترین شکل ممکن دربیاره. در حالی که واحد پیش واکشی، دستورات بیشتری رو بارگیری می‌کنه، این واحد اونا رو رمزگشایی می‌کنه تا برای ارسال به واحد کنترل (control unit) آماده بشن.
• ثبات‌ها (Registers): در واقع به عنوان حافظه‌های داخلی CPU هستن، ثبات‌ها داده‌هایی رو که تو CPU هستن، به صورت موقتی نگه می‌دارن، این داده‌ها شامل آدرس‌ها، دستورات و بقیه چیزها می‌شن.

اجزای CPU, وظایف CPU

تاریخچه CPU به چه زمانی باز می‌گردد؟

نخستین CPU تجاری دنیا تو سال ۱۹۷۱ میلادی توسط شرکت اینتل معرفی شد و «Intel® 4004» اسمش بود. این پردازنده ۴ بیتی بود و فرکانس ۷۴۰ کیلوهرتزی داشت و می‌تونست تو هر ثانیه ۹۲۶۰۰ دستور رو اجرا کنه. ۵ ماه بعد، اینتل از پردازنده ۸ بیتی خودش با نام «Intel® 8008» رونمایی کرد که فرکانس ۸۰۰ کیلوهرتزی داشت. برای مقایسه، پردازنده‌های نسل جدید و الان اینتل از فرکانس‌های ۵ گیگاهرتز و بالاتر پشتیبانی می‌کنن که نزدیک به ۷۰۰۰ برابر بیشتر از اولین CPU تجاری این شرکته.

ویژگی ها و مشخصات CPU

موقع خرید سی پی یو یا دستگاه‌هایی که پردازنده دارن، لازمه به یه سری ویژگی‌ها توجه کنین. این ویژگی‌ها بسته به کارکرد دستگاه، سرعتش و انتظاری که ازش دارین می‌تونه فرق داشته باشه. مثلاً سی‌پی‌یوی یه ساعت هوشمند در مقایسه با CPU یه کامپیوتر حرفه ای گیمینگ ضعیف تره و این دو تا از نظر کارایی کلی فرق‌های زیادی دارن. تعداد هسته‌ها، سرعت و قابلیت هایپرتریدینگ از ویژگی‌هایی هستن که موقع خرید باید بهشون توجه کنین.

• هسته ها Cores

  همون‌طور که قبلاً هم توضیحاتی تو این زمینه دادیم، تعداد هسته‌ها توی سی‌پی‌یو یه عامل خیلی مهمیه برای تعیین سرعت و کیفیت یه پردازنده. تعداد هسته‌های بیشتر تو پردازنده به این معنیه که CPU می‌تونه دو تا یا چند تا فرمان رو همزمان تحلیل، کنترل و اجرا کنه.

• 

  قسمت های مختلف CPU و وظایف آنها

• هایپرتریدینگ Hyper Threading

  هایپرتریدینگ اسم یه تکنولوژی جدیده تو CPU‌های جدید. تو این تکنولوژی فقط یه هسته پردازنده مرکزی وجود داره، اما این هسته جوری طراحی شده که می‌تونه قدرت و عملکرد چند هسته رو داشته باشه. تو این حالت، سیستم اجرایی دستگاه با قدرت و سرعت خیلی بالاتری کار می‌کنه. نقطه قوت پردازنده هایپرتریدینگ هم همین سرعت و قدرتیه که برای دستگاه به همراه داره.

مشخصات کلیدی CPU چیست ؟

• سرعت کلاک (Clock Speed): بر اساس گیگاهرتز اندازه‌گیری می‌شه، این سرعتیه که تراشه باهاش کار می‌کنه، پس هر چقدر سریع‌تر باشه بهتره. بیشتر CPU‌های جدید سرعت کلاک خودشون رو بر اساس کار و دمای محیط تنظیم می‌کنن، واسه همین یه سرعت کلاک پایه (حداقل) و یه سرعت توربو (حداکثر) رو توی لیست می‌بینین.
• هسته (Core): اینا پردازنده‌هایی هستن که توی خود پردازنده قرار دارن. CPU‌های جدید بین دو تا ۶۴ هسته دارن و بیشتر پردازنده‌ها چهار تا هشت هسته دارن. هر کدوم از این هسته‌ها می‌تونن کارهای خودشون رو انجام بدن. تو بیشتر مواقع، این روزا حداقل چهار هسته؛ یا حداقل چهار رشته (پایین‌تر توضیح داده می‌شه) لازمه.
• ترد (thread): این المان به تعداد فرآیندهای مستقلی اشاره می‌کنه که یه تراشه می‌تونه همزمان انجام بده که از نظر تئوری با تعداد هسته‌ها برابره. با این حال، خیلی از پردازنده‌ها قابلیت چند رشته‌ای دارن که به یه هسته اجازه می‌ده دو رشته عملکرد ایجاد کنه. اینتل به این می‌گه Hyper-Threading و AMD بهش می‌گه SMT (Multithreading) .
• TDP یا The Thermal Design Profile/Power : حداکثر مقدار حرارتیه که یه تراشه بر اساس وات تولید می‌کنه. با دونستن اینکه—مثلاً—Intel Core i7-8700K نود و پنج وات TDP داره، باید یه کولر یا یه خنک‌کننده CPU بخرین که بتونه این مقدار از هدر رفتن گرما رو کنترل کنه.Cache: کش یا حافظه داخلی پردازنده برای سریع‌تر کردن دسترسی به داده‌ها و دستورالعمل‌های بین CPU و RAM، استفاده می‌شه. سه نوع Cache هست: L1 که سریع‌ترینه ولی فضای کمتری داره، L2 که فضای بیشتری داره ولی کندتره، و L3 که فضاش بیشتره، ولی سرعت متوسطی داره. البته حافظه Cache به اندازه هسته و کلاک اهمیت نداره.
• IPC: حتی اگه دو تا CPU داشته باشین که سرعت کلاک و تعداد رشته یکسانی دارن، سطح‌های مختلفی از IPC یا Instructions per clock cycle را ارائه می‌دن. IPC یعنی حداکثر تعداد دستورالعمل‌ها تو هر سیکل و حسابی به معماری CPU بستگی داره. واسه همین IPC توی تراشه‌های نسل‌های جدیدتر بهتر از مدل‌های قدیمی‌تر کار می‌کنه. البته باید بدونین که IPC معمولاً به عنوان مشخصات نوشته نمی‌شه و اغلب با تست معیار اندازه‌گیری می‌شه، پس بهترین راه برای فهمیدنش، مراجعه به مقاله‌هاییه که مشخصات پردازنده مورد نظر شما رو بررسی می‌کنن.

قسمت های مختلف CPU و وظایف آنها

وظایف CPU ، واقعاً چه کاری انجام می‌دهد؟

وظایف CPU به شرح زیر است :

• پردازش دستورالعمل‌ها
• اجرای سیستم عامل و برنامه‌ها
• گرفتن ورودی از کاربر و برنامه‌های فعال
• پردازش داده‌های گرفته شده
• تولید خروجی

این خروجی ممکنه توسط یه برنامه ذخیره بشه یا روی صفحه نمایش داده بشه. اجرای دستورالعمل به سه تا مرحله اصلی تقسیم می‌شه: واکشی، رمزگشایی و اجرا.

یه CPU دستور رو از RAM می‌گیره (واکشی). دستورالعمل رو رمزگشایی می‌کنه (رمزگشایی). بعدش دستورالعمل رو با استفاده از قسمت‌های مربوط به CPU اجرا می‌کنه (اجرا).

CPU تو هسته خودش، یه دستورالعمل رو از یه برنامه می‌گیره و یه محاسبه‌ای رو انجام می‌ده. این فرآیند به سه تا مرحله کلیدی تقسیم می‌شه: واکشی، رمزگشایی و اجرا. یه CPU دستورالعمل رو از RAM واکشی می‌کنه، دستور رو رمزگشایی می‌کنه، و بعدش دستورالعمل رو با استفاده از بخش‌های مربوطه CPU اجرا می‌کنه.

دستور اجرا شده یا محاسبه می‌تونه شامل محاسبات ساده، مقایسه اعداد، انجام یه تابع یا جابجا کردن اعداد تو حافظه باشه. از اونجایی که همه چیز توی یه دستگاه محاسباتی با عددها نشون داده می‌شه، می‌تونین CPU رو به عنوان یه ماشین حسابی ببینین که خیلی سریع کار می‌کنه. حجم کار به دست اومده ممکنه ویندوز رو راه‌اندازی کنه، یه ویدیوی YouTube رو نشون بده یا سود مرکب رو تو یه صفحه‌ گسترده حساب کنه.

تو سیستم‌های جدید CPU داده‌ها رو در صورت نیاز به سخت‌افزارهای تخصصی می‌رسونه. مثلاً، CPU باید به کارت گرافیک بگه که تصویر رو نشون بده یا به هارد دیسک بگه برای دسترسی سریع‌تر یه سند Office رو به RAM سیستم منتقل کنه.