CPU چیست؟ این قطعه سخت افزاری که اختصار Central Processing Unit یا واحد پردازش مرکزی کامپیوتر است به نام CPU شناخته میشود.
Cpu یک مدار الکتریکی در کامپیوتر است که وظیفه آن اجرای مجموعه ای از دستورالعمل های (Instructions Set) یک برنامه کامپیوتری از طریق محاسبات پایه ای ،منطق و عمل ورودی و خروجی بر عهده دارد.
یکی از اجزای اصلی سی پی یو واحد محاسبه و منطق (ALU) نام دارد که وظیفه اجرای عملیات محاسباتی و منطقی را به عهده دارد.واحد ALU شامل قسمت ثبت اسناد (Registers) است که وظیفه تغذیه عملوند ها در واحد ALU و ذخیره نتایج را بر عهده دارد ، همچنین واحد ALU شامل یک واحد کنترل هماهنگ است که وظیفه تنظیم واکشی (Fetching) و اجرای دستورالعمل ها از داخل مموری و رجیستر ها را نیز بر عهده دارد.
Cpu های جدید از نوع ریزپردازنده هستند که بر روی یک مدار مجتمع (IC) از جنس اکسید فلز نیمه رسانا قرار میگیرند. یک آی سی ممکن است به جز Cpu شامل حافظه، رابط های جانبی و دیگر اجزا نیز باشد،به این نوع تجهیزات میکروکنترلر یا SoC (سیستم روی یک تراشه) میگویند که در رایانه هایی با پردازنده چند هسته ای استفاده شده و شامل چند هسته یا core می باشد.
تاریخچه cpu ها:
قبل از ظهور فناوری پردازنده ها ، اولین رایانه ها مانند انیاک (ENIAC) برای تغییر وظایف رایانه مجبور به سیم کشی دوباره بودند که به آنها رایانه های برنامه ثابت می گفتند.
با پیشرفت توانایی رایانه های برنامه ثابت در اجرای چندین برنامه عبارت CPU به عنوان ابزار اجرا کننده نرم افزار (برنامه اصلی رایانه)تعریف شد ، اولین بار نام سی پی یو برای رایانه هایی که قابلیت ذخیره نرم افزار را دارند استفاده شد.
ایده برنامه ذخیره شده توسط دانشمند ریاضیدان جان فون نیومن در سی ام ژوئن سال ۱۹۴۵ (۹ تیر ۱۳۲۴) در مقاله ای به نام «First Draft of a Report on the EDVAC» شرح داد ، سرانجام شکل کلی طرح برای برنامه های قابل ذخیره شدن در رایانه در آگوست ۱۹۴۹ (تیر ماه ۱۳۲۸) به نام EDVAC کامل شد.
Edvac برای اجرا دستورالعمل های معین در برنامه های متفاوت طراحی شده بود ، این دستوالعمل ها می توانستند باهم ترکیب شوند تا برنامه های مفید تر بر روی EDVAC اجرا شوند و زمان ذخیره و ثبت اطلاعات بالاتر روند.
پردازنده های اولیه به عنوان یک طرح سفارشی گران قیمت برای رایانه بود که مسیر تولید انبوه پردازنده ها را برای اهداف دیگر فراهم کرد. هم زمان با پیشرفت تکنولوژی طراحی پردازنده ها نیز پیچیده تر شده و ساختارهای متنوع و قابل اعتمادی در وسایل الکترونیکی ایجاد کردند.
پردازنده های ترانزیستوری اولین انقلاب در طراحی و تولید سی پی یو ها بودند که در دهه ۵۰ و ۶۰ میلادی ظهور کردند ، حجم بالا و المانهای سوئیچینگ شکننده(لامپ های خلا و رله های الکتریکی) از اشکالات ترانزیستورها بودند.
روش بعدی که بسیار مورد استقبال قرار گرفت تولید تعداد زیادی ترانزیستور روی یک فضای فشرده به نام مدار مجتمع (IC) بود . IC ها باعث پیدایش چیپ ها بودند ، چیپ ها تعداد زیادی از ترانزیستورها را روی یک پایه نیمه رسانا لایه لایه شده بودند.این مدارهای مجتمع به ۲ سری MSI و LSI (مدارهای با مقیاس متوسط و بزرگ) تقسیم شدند که در ابتدا صدها و سپس تا هزاران ترانزیستور را در مدار خود جای دادند.
شرکت IBM در سال ۱۹۶۴ سیستم معماری ۳۶۰ کامپیوتر را معرفی کرد که میتوانستند یک برنامه را با چندین سرعت و شکل مختلف اجرا کنند.شرکت IBM برای سهولت در پیشرفت برنامه ها از راهکار ریزبرنامه ها(ریز دستورالعمل ها) استفاده کرد که تا به امروز حتی در پردازنده های مدرن نیز استفاده میشود، سیستم معماری ۳۶۰ کامپیوتر چندیدن دهه بر بازار حکمفرمایی داشت .
در همان سال یعنی ۱۹۶۴ انجمن تجهیزات دیجیتالی (DEC) یک کامپیوتر قدرتمند با هدف کاربرد علمی و تحقیقاتی روانه بازار کرد که بعد ها با نام سیستم PDP-11 به نهایت شهرت رسید.این سیستم با مدارهای مجتمع SSI ساخته شده ولی با اجزا LSI تکمیل شده بود.اولین PDP-11 شامل پردازنده های مرکب از چهار مدار مجتمع LSI بود.
سال ۱۹۷۰ سال ابداع اولین ریزپردازنده خانواده اینتل به نام Intel 4004 بود اما اولین بهره برداری گسترده از ریزپردارنده ها در سال ۱۹۷۴ توسط Intel 8080 با نام CPU بود.
بیشتر بخوانیم: فرکانس پردازنده cpu چیست و چه تاثیری روی کامپیوتر دارد؟
عملیات اصلی ریز پردازنده ها:
کار اصلی ریزپردازنده ها اجرای به ترتیب دستورالعمل ها یا همان برنامه هاست.برنامه ها توسط یک سری از اعداد که در بخش خاصی از حافظه ذخیره شده اند فراخوانی و نمایش داده میشوند تا روی آنها عملیات (قانون پل نیومن)انجام شود.این عملیات عبارت است از : فراخوانی ، رمز گشایی ، اجرا
فراخوانی یا واکشی (fetch):
شامل فراخوانی یک دستورالعمل از حافظه برنامه میشود(این دستورالعمل بوسیله یک عدد یا ترتیبی از اعداد در قالب صفر و یک نمایش داده میشود) ، یک محل توسط کامپیوتر مشخص شده و در آن عددی ذخیره میشود که نشان دهنده جایگاه برنامه است.بعد از اینکه یک دستورالعمل فراخوانی میشود ،شمارنده برنامه با توجه به طول آن دستورالعمل ،واحد حافظه را افزایش می دهد.برخی از دستورالعمل ها از حافظه کند بازخوانی میشوند که باعث میشود ریزپردازنده ها مدت زمان زیادی را منتظر بازگشت دستورالعمل بماند ، این موضوع در پردازنده های مدرن با معماری مخفی سازی یا حافظه کش مورد توجه قرار گرفت .
رمز گشایی یا دی کد(Decode):
در این قسمت دستورالعمل ها به زبان قابل فهم کامپیوتر تبدیل و تفکیک میشود.
اجرا دستور (Execute):
در این مرحله با توجه به نوع سی پی یو میتواند یک یا مجموعه ای از عملیات مختلف باشد . دستورالعمل های رمزگشایی شده با توجه به نوع خود به بخش های مختلف پردازنده ارسال شده تا برای اجرای دستورالعمل های آتی ذخیره و ثبت شوند.
اگر روزانه با کامپیوتر یا لپ تاپ خود بسیار کار دارید، پیشنهاد میکنم همیشه دما دستگاه خود را مطلوب نگه دارید، در این زمینه میتوانید از مطلب " دمای مناسب CPU " استفاده کنید.
ساختار و اجزای درونی پردازنده ها:
واحد کنترل (Control Unit)
واحد کنترل نام قسمتی از پردازنده است که مسیر عملکرد CPU را تعیین میکند. این واحد تعیین می کند که کدام قسمت پردازنده مانند حافظه ، ALU ، و یا ورودی و خروجی به کدام دستورالعمل فرستاده شده باید پاسخ بدهد.
واحد محاسبات و منطق (ALU)
مدار دیجیتال داخل پردازنده که وظیفه محاسبه اعداد صحیح و منطق عملیات بیتی را بر عهده دارد.
تا به حال شده سیستمت داغ کنه و ندونی علتش چیه پس حتما مقاله علت داغ شدن سی پی یو کامپیوتر رو بخوانید.
واحد آدرس سازی (Address generation unit)
واحد آدرس سازی یا AGU نام واحد عملکردی داخل سی پی یو است که وظیفه محاسبه آدرس هایی که cpu برای دسترسی به حافظه اصلی میسازد را دارد.
واحد مدیریت حافظه (Memory management unit)
ریزپردازنده های جدید دارای واحدی به نام MMU هستند که آدرس های منطقی را به آدرس های RAM ترجمه میکند.
حافظه کش یا نهان (cache)
یک حافظه پنهان سخت افزاری داخل پردازنده اصلی است که زمان و انرژی متوسط دسترسی به داده از حافظه اصلی را کاهش میدهد.
سطوح در حافظه کش
برای بالا رفتن سرعت پردازش و افزایش اطلاعات مورد نیاز پردازنده ها ، این حافظه ها به چند سطح برای پردازش تقسیم میشوند.اولین سطح که به صورت اختصاصی توس پردازشگر مورد استفاده قرار می گیرد را حافظه کش L1 می گویند،معمولا این سطح حجم کمتر و سرعت بالاتری دارد.سطح دوم یا حافظه کش L2 حجم بیشتر و سرعت کمتری نسبت به سطح یک دارد و به نسبت معماری پردازشگر مورد استفاده قرار میگیرد.
با رایانه کمک همراه باشید تا به پاسخ سوال های خود در رابطه با نحوه کار پردازشگر مرکزی رایانه بیشتر آشنا شوید
سی پی یو چیست؟
عدد پردازشگر نشان دهنده چیه؟
سی پی یو ها با هم چه تفاوت هایی دارند؟
حافظه کش هوشمند ( اشتراکی )
در مدل های قدیمی پردازشگر ها هنگامی که پردازنده برای پردازش اطلاعات به مقدار بیشتری از حافظه احتیاج پیدا میکردند به سراغ حافظه RAM دستگاه میرفتند اما تولید کنندگان سی پی یو این مشکل را با طراحی کش اشتراکی حل کرده اند به صورتی که هر هسته با توجه به میزان احتیاج خود از حافظه کش برداشت میکند.برای مثال اگر ۲ هسته به حافظه بیشتر و ۴ هسته دیگر نیازی به حافظه نداشته باشد، آن دو هسته از تمام حافظه کش موجود استفاده میکند.
نرخ زمانی (clock rate)
پردازنده ها با منطق پالسی و تناوبی کار میکنند و به منظور همزمان سازی سیگنال ها طراحی و ساخته شده اند ، این دستگاه ها باید همیشه همگام یا همزمان باشند. به این نوع از سیگنال ها ،پالس ساعت (سیگنال ساعت) میگویند که معمولا به صورت یک موج مربعی متناوب(پریودیک) می باشد.طراحان پردازنده ها یک دوره تناوب مناسب برای پالس ساعت انتخاب میکنند تا بیشترین زمانی که پالس یا سیگنال قادر به حرکت از قسمت های مختلف پردازنده است را محاسبه کنند.
دامنه عدد صحیح (Integer range)
یک روش انتخابی در طراحی است که پردازنده از طریق آن اعداد را نمایش میدهد.اکثر کامپیوتر های دیجیتالی اخیر از مدل الکترونیکی بر پابه سیستم شمارش دسیمال (مبنای ۱۰ ) ساخته شده ودر برخی از سیستم های نامتعارف از سیستم سه تایی (مبنای ۳)استفاده می کنند.امروزه تمامی پردازنده های پیشرفته اعداد را به صورت دو-دویی (مبنای ۲) نمایش میدهند.علت نمایش از طریق اعداد حجم کم و دقت بالا در اعدادی است که پردازشگر میتواند نشان دهد.
در حالت دو-دویی یک بیت به یک مکان مشخص در پردازنده داده میشود تا پردازنده به صورت مستقیم با آن در ارتباط باشد ،ارزش بیت یک پردازنده «بزرگی کلمه» ، «پهنای بیت» ، «پهنای گذرگاه اطلاعات» یا «رقم صحیح» نامیده میشود.
موازی گرایی (پاراللیسم)
توضیح بالا در مورد عملکرد پایه پردازنده ها ، ساده ترین نوع عملکرد یک پردازنده است که به آن ساب اسکیلر میگویند.در حالت ساب اسکیلر برای اجرای یک دستور ، پردازنده آن دستور را روی یک یا دو جز اطلاعاتی در یک زمان اجرا می کند که باعث میشود پردازنده برای اجرای دستور بعدی منتطر بماند تا دستور قبلی به جواب برسد.
این نوع سی پی یو ها در مواردی که اجرای دستور به بیشتر از یک پالس ساعت (چرخه ساعتی)زمان نیاز دارد، معلق می مانند . در این حالت هر دو مسیر معلق شده و تعداد ترانزیستورهای بلا استفاده افزایش می یابد ، تلاش برای عملکرد بهتر باعث شد تا سی پی یو ها بیشتر به صورت موازی عمل کنند.
همچنین پیشنهاد میکنم اگر قصد خرید cpu را دارید، مطلب " راه های تشخیص مشخصات پردازنده " هم مطالعه کنید.
پاراللیسم در سطح دستوری
پردازنده برای افزایش پاراللیسم مراحل دستوری fetching (فراخوانی) و decoding (رمزگشایی) را پیش از اینکه اجرای دستور قبلی ، اجرا میکند. این تکنیک Instruction pipeling نام دارد.
پایپ لاینینگ با شکستن مسیر دستوری و تبدیل آن به چند مسیر سرعت پردازش را بالا برده و کمک میکند تا در هر زمان بیش از یک دستور اجرا شود.
تعداد هسته
در ابتدا واحد پردازش مرکزی فقط به انجام یک مجموعه از وظایف محدود بود که به آنها تک هسته ای میگفتند و با اینکه در زمان خود بسیار تاثیر گذار بودند ولی عملکرد آنها وقت گیر و کند بود ،طراحان و سازندگان برای ارتقا عملکرد پردازشگر ها تصمیم به اضافه کردن هسته گرفتند.حتما روی جعبه سی پی یو های امروزی عبارت ۲ هسته ای ،۴ یا حتی ۸ هسته ای را دیده اید ،پردازشگر ۲ هسته ای از ۲ سی پی یو مجزا تشکیل شده که بر روی یک تراشه سوار شده اند.
فرکانس پردازنده
فرکانس به معنی سرعت عملکرد پردازنده است .در سی پی یو های تک هسته ای معیار قوی بودن یک پردازشگر فرکانس بالای آن بود اما در سی پی یو های امروزی علاوه بر عدد فرکانس تعداد هسته نیز مهم است.
Hyper Threading
تکنولوژی هایپر تردینگ توسط شرکت اینتل توسعه داده شد که اجرای دستورالعمل های همزمان بیشتری را میسر میسازد.اولین بار در سال ۲۰۰۲ و به همراه Pentium 4 HT معرفی شد ،پنتیوم ۴ تنها یک هسته داشت و قابلیت اجرای یک دستور را داشت اما به کمک هایپر تردینگ میتوانست دو دستور را همزمان اجرا کند.در این فناوری دو یا چند هسته منطقی به ازای هر هسته برای بالا بردن سرعت پردازش ایجاد میشد.پردازنده های امروزی علاوه بر چند هسته ای بودن Hyper-Threading نیز هستند.
انواع CPU
در گذشته تولید کندگان برای تشخیص بهتر و سریع تر از اعداد برای نامگذاری محصولات خود کمک میگرفتند. عدد بزرگتر نشان از قوی تر بودن آن پردازشگر بود ،مثلا اینتل ۸۰۴۸۶ از اینتل ۸۰۳۸۶ قوی تر بود،روند نامگذاری با اعداد تا زمان ظهور سری پنتیوم ادامه داشت و بعد از آن از نام اختصاصی استفاده شد مانند:Celeron ، pentium ، Duron ، Xeon ، Athlon ، phenom و …
پردازشگر آرم (ARM)
پیشرفت در تلکنولوژی باعث شد تا موبایل ها ، دستگاه های بازی ، ماشین حساب ها هم مانند کامپیوتر های شخصی نیازمند پردازشگر مرکزی باشند. در کامپیوتر های شخصی پردازشگر برای تامین انرژی مورد نیاز خود به منبع تغذیه یا همان برق متصل است ولی پردازشگر آرم برای عملکرد بهینه و آسیب نرساندن به باتری دستگاه با توان مصرفی پایین طراحی شده اند.
در اواخر دهه ۸۰ میلادی شرکت apple computer با کمک کمپانی Acron Computers اولین مدل از ARM را رونمایی کردند. ARM پردازندهای خود را بر اساس معماری RISC (Reduced Instruction Set Computing) توسعه میدهد .
تولید کنندگان در نامگذاری پردازشگرهای خود نوع سی پی یو را مشخص میکنند مانند :
U نشانه کم مصرف بودن ، HQ نشانه عملکرد بالای گرافیکی، HK گرافیک بالا و قابلیت اورکلاکینگ ،K در مدل های دسکتاپ نشانه قابلیت اورکلاک و T به معنی کم مصرف بودن.
شکل ظاهری، طراحی و نحوه به‌کارگیری پردازنده‌ها در طول دوره تاریخ شکل‌گیری آنها تغییر کرده‌است ولی عملکرد پایه ای آنها بدون تغییر باقی مانده‌است.
سوکت اتصال سی پی یو
پردازشگر برای اتصال به مادربرد از نوع خاص اتصال دهنده استفاده میکند که به آن سوکت میگویند.
دو مورد از انواع سوکت اتصال :
PGA (Pin Grid Array)
LGA (Land Grid Array)
*تفاوت این سوکت ها در نوع اتصال آنها است.
سخن پایانی
امیدوارم از خواندن مطلب " CPU چیست " لذت برده باشید. در این مطلب قصد داشتیم، ابتدا شما را با موضوع پردازنده مرکزی آشنا ساخته و بعد به انواع cpu ها بپردازیم.
اگر در زمینه سخت افزاری و نرم افزاری با مشکل موبایل یا رایانه ای روبرو شدید، میتوانید با تماس با 9099071540 یا 0217129 تماس گرفته تا از کارشناسان به حل مشکلات کامپیوتری، مشاوره تلفنی و اینترنتی رایگان دریافت کنید.
همچنین پیشنهاد میکنم برای یادگیری ترفند های کامپیوتری صفحه رسمی آن در آپارات را همراهی کنید.