واحد پردازش مرکزی (CPU) چیست؟

پردازنده مرکزی (CPU) چیست؟

واحد پردازش مرکزی (CPU) یک قطعه سخت‌افزاری است که واحد محاسباتی اصلی در یک سرور محسوب می‌شود. سرورها و سایر دستگاه‌های هوشمند، داده‌ها را به سیگنال‌های دیجیتال تبدیل کرده و عملیات ریاضی روی آن‌ها انجام می‌دهند. CPU جزء اصلی است که این سیگنال‌ها را پردازش کرده و محاسبات را ممکن می‌سازد. این قطعه به عنوان مغز هر دستگاه محاسباتی عمل می‌کند. دستورالعمل‌ها را از حافظه می‌گیرد، وظایف مورد نیاز را انجام می‌دهد و خروجی را به حافظه برمی‌گرداند. CPU تمام وظایف محاسباتی مورد نیاز برای اجرای سیستم عامل و برنامه‌ها را بر عهده دارد.

فناوری CPU چگونه در طول زمان پیشرفت کرده است؟

اولین کامپیوترها برای پردازش از لامپ‌های خلاء استفاده می‌کردند. ماشین‌هایی مانند ENIAC و UNIVAC بزرگ و حجیم بودند و انرژی زیادی مصرف می‌کردند و گرمای قابل توجهی تولید می‌کردند. اختراع ترانزیستورها در اواخر دهه ۱۹۴۰، فناوری CPU را متحول کرد. ترانزیستورها جایگزین لامپ‌های خلاء شدند و کامپیوترها را کوچکتر، مطمئن‌تر و کم‌مصرف‌تر کردند. در اواسط دهه ۱۹۶۰، مدارهای مجتمع (IC) توسعه یافتند که چندین ترانزیستور و سایر اجزا را روی یک تراشه کامپیوتری واحد ترکیب می‌کردند. CPUها حتی کوچکتر و سریعتر شدند و منجر به ظهور ریزپردازنده‌ها شدند.

ریزپردازنده‌ها

ریزپردازنده‌ها کل CPU را روی یک تراشه IC واحد ترکیب کردند که کامپیوترها را در دسترس‌تر کرد و منجر به توسعه کامپیوترهای شخصی شد. در ابتدا، CPUها می‌توانستند ۱۶ تا ۳۲ بیت داده را به طور همزمان پردازش کنند. در اوایل دهه ۲۰۰۰، CPUهای ۶۴ بیتی ظهور کردند که امکان آدرس‌دهی حافظه بزرگتر را فراهم کردند و از پردازش داده‌های گسترده‌تر پشتیبانی می‌کردند.با افزایش چگالی ترانزیستور، افزایش بیشتر عملکرد CPU تک هسته‌ای چالش برانگیز شد. در عوض، تولیدکنندگان CPU شروع به استفاده از معماری پردازنده‌های چند هسته‌ای برای ادغام چندین هسته روی یک تراشه واحد کردند.

پردازنده‌های مدرن

با ظهور دستگاه‌های تلفن همراه، بهره‌وری انرژی حیاتی شده است. تولیدکنندگان CPU اکنون CPUهای کم‌مصرف و بهینه برای مصرف انرژی را برای دستگاه‌های قابل حمل مدرن مانند تلفن‌های هوشمند و تبلت‌ها توسعه می‌دهند.از آنجا که هوش مصنوعی (AI) و وظایف گرافیکی فشرده رایج‌تر شدند، CPUهای تخصصی مانند واحدهای پردازش گرافیکی (GPU) و شتاب‌دهنده‌های AI اکنون برای انجام این حجم کاری استفاده می‌شوند.تحقیق و توسعه مداوم در فناوری نانو و علم مواد، راه را برای ترانزیستورهای میکروسکوپی و CPUهای قدرتمندتر هموار کرده است. محاسبات کوانتومی و سایر فناوری‌های نوظهور، پتانسیل توسعه بیشتر فناوری پردازنده کامپیوتر را دارند.

اجزای یک CPU چیست؟

CPU یک مدار الکترونیکی پیچیده است که از چندین جزء اصلی تشکیل شده است که داده‌ها را پردازش کرده و دستورالعمل‌ها را اجرا می‌کنند. اجزای اصلی یک CPU به شرح زیر است:

• واحد کنترل: واحد کنترل، پردازش دستورالعمل را مدیریت می‌کند و جریان داده را در داخل CPU و بین سایر اجزای کامپیوتر هماهنگ می‌کند. این واحد دارای یک جزء رمزگشای دستورالعمل است که دستورالعمل‌های گرفته شده از حافظه را تفسیر کرده و آنها را به عملیات خردی تبدیل می‌کند که CPU می‌تواند اجرا کند. واحد کنترل، سایر اجزای CPU را برای انجام عملیات مورد نیاز هدایت می‌کند.
• ثبات‌ها: ثبات‌ها مکان‌های ذخیره‌سازی حافظه کوچک و پرسرعت در داخل CPU هستند. آنها داده‌هایی را که CPU در حال حاضر روی آنها کار می‌کند، نگه می‌دارند و دسترسی سریع به داده‌ها را تسهیل می‌کنند. CPUها دارای چندین نوع ثبات هستند، مانند:
  • ثبات‌های چندمنظوره که داده‌های عملیاتی را نگه می‌دارند.
  • ثبات‌های دستورالعمل که دستورالعمل فعلی در حال پردازش را نگه می‌دارند.
  • شمارنده برنامه که آدرس حافظه دستورالعمل بعدی برای واکشی را نگه می‌دارد. ثبات‌ها زمان دسترسی سریع‌تری نسبت به سایر سطوح حافظه مانند RAM یا حافظه کش فراهم می‌کنند.
• ALU (واحد محاسبه و منطق): واحد محاسبه و منطق (ALU) عملیات حسابی پایه (جمع، تفریق، ضرب و تقسیم) و عملیات منطقی (AND، OR و NOT) را روی داده‌ها انجام می‌دهد. این واحد داده‌ها را از ثبات‌های داخل CPU دریافت می‌کند، آنها را بر اساس دستورالعمل‌های واحد کنترل پردازش می‌کند و نتیجه را تولید می‌کند.
• واحد مدیریت حافظه: بسته به معماری CPU، ممکن است یک واحد رابط گذرگاه جداگانه یا واحد مدیریت حافظه وجود داشته باشد. این اجزا وظایف مربوط به حافظه، مانند مدیریت تعامل CPU و RAM را انجام می‌دهند. همچنین حافظه کش – یک واحد حافظه کوچک و سریع واقع در داخل CPU – و حافظه مجازی را که CPU برای پردازش داده به آن نیاز دارد، مدیریت می‌کند.
• ساعت: CPU برای همگام‌سازی عملیات داخلی خود به یک سیگنال ساعت متکی است. ساعت یک پالس ثابت با فرکانس خاص تولید می‌کند و این چرخه‌های ساعت عملیات CPU را هماهنگ می‌کنند. سرعت ساعت بر حسب هرتز (Hz) اندازه‌گیری می‌شود و تعیین می‌کند که CPU در هر ثانیه چند دستورالعمل می‌تواند اجرا کند. CPUهای مدرن دارای سرعت ساعت متغیر هستند که بر اساس حجم کاری برای ایجاد تعادل بین عملکرد و مصرف انرژی تنظیم می‌شوند.

CPU چگونه کار می‌کند؟

پردازنده‌های کامپیوتر با سایر قطعات سخت‌افزاری و برنامه‌های نرم‌افزاری برای پردازش داده‌ها و مدیریت جریان اطلاعات در دستگاه‌های الکترونیکی کار می‌کنند. آنها معمولاً به صورت چرخه‌ای کار می‌کنند و هر چرخه دستورالعمل نشان دهنده سه مرحله اصلی است.

چرخه اصلی پردازنده

مراحل اساسی در یک چرخه دستورالعمل به شرح زیر است:

• واکشی دستورالعمل: CPU دستورالعمل‌ها را از حافظه واکشی می‌کند. دستورالعمل‌ها کدهای باینری هستند که نشان دهنده وظایف یا عملیات خاص برای CPU هستند. واحد کنترل دستورالعمل را تفسیر می‌کند و عملیاتی را که باید انجام شود، تعیین می‌کند. همچنین اجزای خاص CPU مورد نیاز برای این کار را شناسایی می‌کند.
• پردازش دستورالعمل: CPU عملیات مشخص شده را روی داده‌های واکشی شده انجام می‌دهد. محاسبات ریاضی، مقایسه‌های منطقی، دستکاری داده‌ها یا انتقال داده بین ثبات‌ها یا مکان‌های حافظه را انجام می‌دهد.
• ذخیره‌سازی نتیجه: پس از اجرای دستورالعمل‌ها، CPU ممکن است نیاز به ذخیره نتایج در حافظه یا به روز رسانی ثبات‌های خاص با داده‌های جدید داشته باشد. شمارنده برنامه (PC) به روز می‌شود تا به آدرس دستورالعمل بعدی برای واکشی اشاره کند. CPU چرخه را تکرار می‌کند و دستورالعمل‌ها را به ترتیب واکشی، رمزگشایی و اجرا می‌کند.

توابع اضافی پردازنده

CPU همچنین می‌تواند دستورالعمل‌های جریان کنترل مانند پرش‌ها و شاخه‌ها را به همراه وقفه ها، سیگنال‌های تولید شده توسط دستگاه‌های خارجی یا رویدادهایی که نیاز به توجه فوری دارند، مدیریت کند. هنگامی که یک وقفه رخ می‌دهد، CPU به طور موقت کار فعلی را متوقف می‌کند، وضعیت آن را ذخیره می‌کند و به یک روتین سرویس وقفه می‌رود. پس از پردازش وقفه، CPU کار قبلی را از سر می‌گیرد. CPUهای مدرن اغلب از تکنیک‌هایی مانند موازی‌سازی و خط لوله دستورالعمل برای افزایش عملکرد استفاده می‌کنند. چندین دستورالعمل می‌توانند به طور همزمان در مراحل مختلف چرخه باشند که امکان استفاده کارآمدتر از منابع CPU را فراهم می‌کند.