زمان تقریبی مطالعه: 4 دقیقه

تاریخ: ۱۴۰۰-۰۴-۰۷
نویسنده: سهیل
CPU (پردازنده) چیست و چه کاری انجام می دهد؟

اگر مجبور باشید فقط یک قسمت از رایانه را انتخاب کنید مهمترین قسمت رایانه شما، واحد پردازش مرکزی (CPU) خواهد بود. این مرکز اصلی (یا “مغز”) است و دستورالعمل هایی را که از برنامه ها، سیستم عامل یا سایر اجزای رایانه شما می آید پردازش می کند.

 

سیگنال های باینری 1 و 0

به لطف پردازنده های قدرتمندتر، قادر به اجرا یک تصویر بر روی صفحه نمایش کامپیوتر به Netflix، گپ ویدیویی، پخش جریانی و بازی های ویدئویی کاملاً زنده هستیم.

پردازنده مرکزی یک شگفتی مهندسی است، اما در هسته خود، هنوز به مفهوم اساسی تفسیر سیگنال های باینری (1 و 0) متکی است. اکنون تفاوت اینجاست، به جای خواندن کارت های پانچ یا دستورالعمل های پردازش با مجموعه ای از لوله های خلا ، پردازنده های مدرن از ترانزیستورهای کوچک برای ایجاد فیلم های TikTok یا پر کردن اعداد در صفحه گسترده استفاده می کنند.

 

مبانی CPU

ساخت CPU پیچیده است. نکته مهم این است که هر پردازنده دارای سیلیکون (یا یک قطعه یا چند قطعه) است که میلیاردها ترانزیستور میکروسکوپی را در خود جای داده است.

همانطور که قبلاً اشاره کردیم، این ترانزیستورها از یک سری سیگنالهای الکتریکی (جریان “روشن” و “خاموش” جریان) برای نشان دادن کد باینری ماشین، ساخته شده از 1 و 0 استفاده می کنند. از آنجا که این ترانزیستورها بسیار زیاد هستند، پردازنده ها می توانند کارهای پیچیده و فزاینده ای را با سرعت بیشتری نسبت به قبل انجام دهند.

شمارش ترانزیستور لزوماً به معنای سریعتر بودن پردازنده نیست. با این حال، قدرت محاسباتی تلفنی که در جیب خود دارید بسیار بیشتر از نیرویی ست که برای رفتن به ماه لازم دارید.

قبل از اینکه از نردبان مفهومی پردازنده ها بالاتر برویم، بیایید در مورد نحوه اجرای دستورالعمل های پردازنده براساس کد دستگاه صحبت کنیم، به نام “مجموعه دستورالعمل ها”. CPU های شرکت های مختلف می توانند مجموعه دستورالعمل های مختلفی داشته باشند، اما نه همیشه.

به عنوان مثال در اکثر رایانه های شخصی ویندوز و پردازنده های فعلی Mac، صرف نظر از اینکه اینتل یا AMD هستند، از مجموعه دستورات x86-64 استفاده می کنند. با این حال، Mac هایی که در اواخر سال 2020 شروع به کار می کنند، CPU های مبتنی بر ARM دارند که از مجموعه دستورالعمل های دیگری استفاده می کنند. همچنین تعداد کمی از رایانه های شخصی ویندوز 10 با استفاده از پردازنده های ARM وجود دارد.

CPU (پردازنده) چیست و چه کاری انجام می دهد؟

هسته ها، حافظه پنهان و گرافیک ها

حالا، بیایید به خود سیلیکون نگاه کنیم. نمودار بالا مربوط به مقاله سفید اینتل است که در سال 2014 درباره معماری پردازنده این شرکت برای Core i7-4770S منتشر شده است. این فقط نمونه ای از شکل ظاهری یک پردازنده است. پردازنده های دیگر طرح های مختلفی دارند.

می توانیم ببینیم که این یک پردازنده چهار هسته ای است. در گذشته پردازنده تنها یک هسته داشت. اکنون که چندین هسته داریم، آنها دستورالعمل ها را خیلی سریعتر پردازش می کنند. هسته ها همچنین می توانند چیزی به نام hyper-threading یا همزمان چند رشته ای (SMT) داشته باشند که باعث می شود یک هسته برای کامپیوتر دو هسته به نظر برسد. همانطور که تصور می کنید این به سرعت پردازش بسیار کارآمد است.

هسته های موجود در این نمودار چیزی به نام حافظه پنهان L3 را به اشتراک می گذارند. این نوعی حافظه پردازنده در داخل CPU است. پردازنده ها همچنین دارای حافظه نهان L1 و L2 موجود در هر هسته و همچنین رجیسترهایی هستند که نوعی حافظه سطح پایین هستند. اگر می خواهید تفاوت بین رجیسترها، حافظه پنهان و RAM سیستم را درک کنید، این پاسخ را در StackExchange بررسی کنید.

CPU نشان داده شده در بالا همچنین شامل سیستم عامل ، کنترل کننده حافظه و سایر قسمتهای سیلیکون است که اطلاعات وارد شده به CPU و خارج شدن آنها را مدیریت می کند.

سرانجام، گرافیک پردازنده وجود دارد که تمام آن جزئیات ظاهری شگفت انگیزی را که در صفحه خود مشاهده می کنید تولید می کند. همه پردازنده ها از قابلیت های گرافیکی خاص خود برخوردار نیستند. به عنوان مثال پردازنده های رومیزی AMD Zen برای نمایش هر چیزی روی صفحه، به یک کارت گرافیک گسسته نیاز دارند. برخی از پردازنده های رومیزی Intel Core همچنین شامل گرافیک آنبورد نیستند.

 

CPU روی مادربرد

پس از بررسی اتفاق های پشت پرده پردازنده، بیایید نحوه ترکیب آن با بقیه رایانه های شخصی را بررسی کنیم. پردازنده مرکزی در مادربرد رایانه شما در سوکت قرار می گیرد.

هنگامی که در پریز قرار گرفت، سایر قسمتهای کامپیوتر می توانند از طریق چیزی به نام “گذرگاه” به CPU متصل شوند. به عنوان مثال RAM، از طریق گذرگاه اختصاصی خود به CPU متصل می شود، در حالی که بسیاری از اجزای PC از نوع خاصی از گذرگاه، به نام “PCIe” استفاده می کنند.

هر CPU دارای یک مجموعه “PCIe lane” است که می تواند از آن استفاده کند. به عنوان مثال پردازنده های AMD Zen 2 دارای 24 خط هستند که مستقیماً به پردازنده متصل می شوند. سپس این خطوط توسط تولید کنندگان مادربرد با راهنمایی AMD تقسیم می شوند.

به عنوان مثال، 16 خط معمولاً برای شیار کارت گرافیک x16 استفاده می شود. سپس چهار مسیر برای ذخیره سازی وجود دارد، مانند یک دستگاه ذخیره سریع، مانند M.2 SSD. به طور متناوب، این چهار خط نیز می توانند تقسیم شوند. از دو خط می توان برای M.2 SSD و دو مسیر دیگر برای درایو SATA کندتر مانند یک هارد دیسک یا SSD 2 و نیم اینچ استفاده کرد.

این دارای 20 خط است، چهار خط دیگر مخصوص چیپ ست است که مرکز ارتباطات و کنترل کننده ترافیک برای مادربرد است. سپس این چیپ ست اتصالات گذرگاه مخصوص به خود را دارد و امکان افزودن حتی بیشتر اجزای سازنده به رایانه را فراهم می کند. همانطور که انتظار دارید اجزای با عملکرد بالاتر ارتباط مستقیم تری با پردازنده مرکزی دارند.

همانطور که می بینید، پردازنده بیشتر پردازش دستورالعمل ها را انجام می دهد و حتی گاهی اوقات، گرافیک ها نیز کار می کنند (اگر برای آن ساخته شده باشد). CPU تنها راه پردازش دستورالعمل ها نیست. سایر مولفه ها مانند کارت گرافیک دارای قابلیت پردازش پردازنده مخصوص به خود هستند. GPU همچنین از قابلیت پردازش خاص خود برای کار با CPU و اجرای بازی ها یا انجام سایر کارهای گرافیکی استفاده می کند.

تفاوت عمده آنها این است که پردازنده های مولفه با در نظر گرفتن وظایف خاصی ساخته شده اند. CPU، یک دستگاه عمومی است که قادر به انجام هر کار محاسباتی است که از آن خواسته شده است. به همین دلیل CPU در رایانه شما حکومت می کند و بقیه سیستم برای عملکرد به آن وابسته هستند.