قسمت های مختلف CPU و وظایف آنها

CPU (واحد پردازنده) قلب و یا مغز یک کامپیوتر است. دستورالعمل‌هایی که به آن ارائه می‌شود را اجرا می‌کند. وظیفه اصلی CPU انجام عملیات حسابی و منطقی و تنظیم دقیق دستورالعمل‌ها با هم است. قبل از عمیق شدن در قسمت های مختلف CPU، به بررسی اینکه اجزای اصلی پردازنده چیست و چه نقشی دارند میپردازیم.

قسمت های مختلف CPU

بخش های اصلی تشکیل دهنده CPU به شرح زیر می باشند :

• واحد کنترل (Control Unit : CU) : کنترل کننده کارهای CPU می باشد. در واقع واحد کنترل به مانند یک مدیر است که فعالیت های بین بخش های مختلف یک کارخانه را هماهنگ می کند. واحد کنترل به بخش های مختلف CPU می گوید که چگونه عمل کنند، چه داده هایی را استفاده کنند، و نتایج محاسبات را کجا قرار بدهند.
• واحد تست حفاظت (Protection Test Unit : PTU) : با واحد کنترل کار می کند، کار واحد تست حفاظت، این است که بر عملکرد بخش های مختلف نظارت کند تا ببیند که کارها درست انجام می شوند یا نه. در واقع مشابه یک بخش کنترل کیفیت در یک کارخانه عمل می کند. اگر واحد تست حفاظت دریابد که چیزی درست انجام نشده است، یک سیگنال خطا تولید می کند.
• واحد ریاضی و منطق (Arithmetic and Logic Unit : ALU) : تمامی کارهای محاسبات و توابع منطقی مقایسه ای را برای CPU انجام می دهد. از جمله کارهای واحد ALU عملیات جمع کردن، تفریق، تقسیم، ضرب، برابر، بیشتر از، کمتر از، و دیگر عملیات محاسباتی و منطقی می باشد.
• واحد پردازش اعشاری (Floating Point Unit : FPU) : در واقع یک کمک پردازنده می باشد که به انجام محاسبات ریاضی بر روی اعداد اعشار و سایر عملیات ریاضی مانند مثلثات و لگاریتم کمک می کند. واحد FPU اسامی دیگری مانند کمک پردازنده ریاضی، واحد پردازش عددی (numerical processing unit : NPU) نیز دارد.
• واحد مدیریت حافظه (Memory Management Unit : MMU) : آدرس و فهرست بندی جاهایی که داده ها در حافظه سیستم ذخیره می شود را مدیریت می کند. هر وقت که CPU چیزی از حافظه را نیاز داشته باشد، آن را از واحد مدیریت حافظه (MMU) درخواست می کند. واحد MMU بخش بندی های حافظه و صفحات آن را مدیریت می کند و تمامی آدرس های منطقی را به آدرس های فیزیکی تبدیل می کند.
• واحد رابط گذرگاه (Bus Interface Unit : BIU) : بر روابط بین CPU و سایر بخش های مختلف کامپیوتر که از طریق گذرگاه (BUS) صورت می پذیرند، مدیریت و نظارت می کند. همچنین واحد BIU به عنوان نقطه اتصال بین CPU و گذرگاه های خارجی آن می باشد، و نیز تمامی داده هایی را که از واحد کنترل (CU) خارج می شوند، مدیریت می کند.
• واحد پیش واکشی (Prefetch Unit) : هر گاه که واحد BIU بیکار شود، دستوراالعمل های حافظه CPU را از دستورات موجود در حافظه کامپیوتر بارگیری می کند. این به CPU امکان می دهد تا به دستورات بعدی نگاهی بیندازد. واحد پیش واکشی (Prefetch Unit) دستورات را تجزیه و تحلیل نمی کند، برای همین هم ممکن است بعضی وقتها دستورات اضافی را بارگذاری کند، فرض واحد پیش واکشی بر این است که دستورات پشت سر هم و به ترتیب اجرا می شوند و به شاخه بندی ها و پرش های ما بین دستورات کاری ندارد.
• واحد رمزگشایی (Decode Unit) : بسیاری از دستور العمل ها در واقع ترکیبی از دستورات ساده تر هستند. واحد رمز گشایی (Decode Unit) همانطور که از نامش هم پیداست، کارش این است که دستورات را رمز گشایی کند و آنها را به ساده ترین شکل ممکن در می آورد. در حالیکه واحد پیش واکشی، دستورات بیشتری را بارگیری می کند، این واحد آنها را رمز گشایی می کند تا برای ارسال به واحد کنترل (control unit) آماده شوند.
• ثبات ها (Registers) : در واقع به عنوان حافظه های داخلی CPU هستند، ثبات ها داده های موجود در CPU را به صورت موقتی نگهداری می کنند، این داده ها شامل آدرس ها، دستورات و سایر چیزها می باشند.

تاریخچه CPU به چه زمانی باز می‌گردد؟

نخستین CPU تجاری دنیا در سال ۱۹۷۱ میلادی از سوی کمپانی اینتل معرفی شد و «Intel® 4004» نام داشت. این پردازنده ۴ بیتی از فرکانس ۷۴۰ کیلوهرتزی برخوردار بود و می‌توانست در هر ثانیه ۹۲۶۰۰ دستور را اجرا کند. ۵ ماه بعد، اینتل از پردازنده ۸ بیتی خود با نام «Intel® 8008» رونمایی کرد که فرکانس ۸۰۰ کیلوهرتزی داشت. برای مقایسه، پردازنده‌های نسل جدید و کنونی اینتل از فرکانس‌های ۵ گیگاهرتز و بالاتر پشتیبانی می‌کنند که نزدیک به ۷۰۰۰ برابر بیشتر از اولین CPU تجاری این شرکت است.

ویژگی ها و مشخصات CPU

هنگام خرید سی پی یو یا دستگاه‌هایی که دارای پردازنده هستند، لازم است به ویژگی هایی توجه کنید. این ویژگی ها با توجه به کارکرد دستگاه، سرعت آن و انتظاری که از آن دارید می تواند متفاوت باشد. به عنوان مثال سی پی یو یک ساعت هوشمند در مقایسه با CPU‌ یک کامپیوتر حرفه ای گیمینگ ضعیف تر است و این دو مورد از نظر عملکرد تفاوت های فراوانی دارند. تعداد هسته ها، سرعت و قابلیت هایپرتریدینگ از ویژگی‌هایی هستند که هنگام خرید باید به آن توجه کنید.

• هسته ها Cores

  همانطور که قبلا نیز توضیحاتی در این زمینه ارائه شد، تعداد هسته ها در سی پی یو عاملی تعیین کننده برای سرعت و کیفیت یک پردازنده است. تعداد هسته‌های بیشتر در پردازنده به این معنا است که CPU می تواند دو یا چند فرمان را به طور همزمان تحلیل، کنترل و اجرا کند.

• هایپرتریدینگ Hyper Threading

  هایپرتریدینگ نام یک تکنولوژی جدید در CPU های مدرن است. در این تکنولوژی تنها یک هسته پردازنده مرکزی وجود دارد، اما این هسته به گونه ای طراحی شده است که می تواند قدرت و عملکرد چند هسته را داشته باشد. در این صورت سیستم اجرایی دستگاه با قدرت و سرعت بسیار بالاتری عمل می کند. نقطه قوت پردازنده هایپرتریدینگ نیز همین سرعت و قدرت است که برای دستگاه به همراه دارد.

مشخصات کلیدی CPU چیست ؟

• سرعت کلاک (Clock Speed): اندازه گیری شده بر اساس گیگاهرتز ، این سرعتی است که تراشه کار می کند ، بنابراین سریعتر است. بیشتر CPU های مدرن سرعت ساعت خود را بر اساس کار و دمای آنها تنظیم می کنند ، بنابراین شما یک سرعت کلاک پایه (حداقل) و یک سرعت توربو (حداکثر) را در لیست مشاهده می کنید.
• هسته (Core): اینها پردازنده های درون پردازنده هستند. CPU های مدرن بین دو تا 64 هسته دارند و اکثر پردازنده ها دارای چهار تا هشت هسته هستند. هر کدام قادر به انجام وظایف خود هستند. در اکثر موارد این روزها ، حداقل چهار هسته-یا حداقل چهار رشته (به پایین مراجعه کنید) را می خواهید.
• ترد (thread): این المان به تعداد فرآیندهای مستقلی اشاره دارد که یک تراشه می تواند به طور همزمان انجام دهد که از نظر تئوری با تعداد هسته ها برابر است. با این حال، بسیاری از پردازنده ها دارای قابلیت چند تردی هستند که به یک هسته واحد اجازه می دهد دو رشته  عملکرد ایجاد کند. اینتل این را Hyper-Threading و AMD آن را SMT (Multithreading همزمان) می نامد.
• TDP یا The Thermal Design Profile/Power : حداکثر مقدار حرارتی است که یک تراشه بر حسب وات تولید می‌کند. با دانستن این که-به عنوان مثال-Intel Core i7-8700K دارای TDP 95 وات است ، باید یک کولر یا یک خنک کننده CPU تهیه کنید که  این مقدار از اتلاف گرما را کنترل کند.
• Cache: کش یا حافظه داخلی پردازنده برای سرعت بخشیدن به دسترسی به داده ها و دستورالعمل های بین CPU و RAM، استفاده می شود. سه نوع Cache وجود دارد: L1 سریعترین اما فضای کمتر، L2 فضای بیشتر و اما کندتر و L3 فضای بیشتر است ، اما سرعت متوسطی دارد. البته حافظه Cache به اندازه  هسته و کلاک اهمیت ندارد.
• IPC: حتی اگر دو CPU دارید که دارای سرعت کلاک و تعداد ترد یکسان هستند، سطوح مختلفی از IPC یا Instructions per clock cycle را ارائه می دهند. IPC به معنای حداکثر تعداد دستورالعمل ها در هر سیکل بوده و بستگی زیادی به معماری CPU دارد. بنابراین IPC در تراشه های نسل های جدیدتر بهتر از مدل های قدیمی تر عمل خواهد کرد. البته باید بدانید که IPC معمولاً به عنوان مشخصات ذکر نشده است و معمولاً از طریق تست معیار اندازه گیری می شود ، بنابراین بهترین راه برای دانستن آن مراجعه به مقاله هایی است که به بررسی مشخصات پردازنده مورد نظر شما، می‌پردازند.

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 ممکن است توسط یک برنامه ذخیره‌ شود یا روی صفحه نمایش داده‌ شود. اجرای دستورالعمل به سه مرحله اصلی تقسیم می‌شود: واکشی، رمزگشایی و اجرا.

یک CPU دستور را از RAM دریافت می‌کند(واکشی). دستورالعمل را رمزگشایی می‌کند (رمزگشایی). سپس دستورالعمل را با استفاده از قسمت‌های مربوط به CPU اجرا می‌کند (اجرا).

CPU در هسته خود، یک دستورالعمل ها را از یک برنامه می گیرد و یک محاسبه را انجام می دهد. این فرآیند به سه مرحله کلیدی تقسیم می شود: واکشی، رمزگشایی و اجرا. یک CPU دستورالعمل را از RAM واکشی می‌کند، دستور را رمزگشایی می‌کند، و سپس دستورالعمل را با استفاده از بخش‌های مربوطه CPU اجرا می‌کند.

دستور اجرا شده یا محاسبه می تواند شامل محاسبات پایه، مقایسه اعداد، انجام یک تابع یا جابجایی اعداد در حافظه باشد. از آنجایی که همه چیز در یک دستگاه محاسباتی با اعداد نشان داده می شود، می توانید CPU را به عنوان ماشین حسابی در نظر بگیرید که بسیار سریع کار می کند. حجم کاری حاصل ممکن است ویندوز را راه‌اندازی کند، یک ویدیوی YouTube را نمایش دهد یا سود مرکب را در یک صفحه‌ گسترده محاسبه کند.

در سیستم‌های مدرن CPU داده‌ها را در صورت نیاز به سخت‌افزار تخصصی تغذیه می‌کند. به عنوان مثال، CPU باید به کارت گرافیک بگوید که تصویر را نشان دهد یا به هارد دیسک بگوید برای دسترسی سریعتر یک سند Office را به RAM سیستم منتقل کند.