CPU چیست؟
به گزارش اپست به نقل از codecademy ، واحد پردازش مرکزی (CPU) یکی از مهمترین بخشهای هر کامپیوتری است. اغلب به آن «مغز کامپیوتر» میگویند، زیرا دستورات ما را پردازش و اجرا میکند و نقش بزرگی در سرعت و کارایی یک دستگاه دارد.
به عنوان یک توسعهدهنده، درک نحوه عملکرد CPU میتواند به رفع اشکال و عیبیابی کمک کند و همچنین درک و بهبود عملکرد نرمافزار شما را بهبود بخشد.
در ادامه، ما بررسی خواهیم کرد که از CPUها برای چه استفاده میشود، اجزای زیربنایی آنها چیست و چگونه با سایر بخشهای معماری کامپیوتر کار میکنند.
مبانی پردازنده مرکزی (CPU)
پردازنده مرکزی (CPU) یک قطعه سخت افزاری است که در برد مدار رایانه یا دستگاه هوشمند شما یافت می شود. این قطعه شبیه به یک تراشه سیلیکونی کوچک است، اما به لطف ترانزیستورهای داخلی خود که توالی اعداد دودویی را نگه می دارند و به عنوان دروازه منطقی عمل می کنند، قدرت محاسباتی عظیمی دارد.
CPU در رایانه های سنتی در نزدیکی تراشه گرافیکی و حافظه فیزیکی قرار دارد. در دستگاه های پوشیدنی با فضای محدود، سازندگان ممکن است از یک سیستم روی تراشه (SOC) استفاده کنند. SOC CPU را با سایر اجزای کلیدی ترکیب می کند تا قرار دادن آنها در فضای کوچک آسان تر شود.
همچنین می توانید CPU های ساخته شده در ماشین های مجازی را پیدا کنید. ماشین های مجازی از نرم افزاری به نام هایپر ویزور برای ایجاد CPU، حافظه و سایر اجزای مورد نیاز برای پردازش دستورات محاسباتی استفاده می کنند.
اجزای CPU
چندین جزء اصلی CPU را تشکیل می دهند، از جمله:
- واحد کنترل (CU): مدارهایی که حافظه، واحدهای منطقی و خروجی دستگاه ها را با ارسال سیگنال های کنترلی که نحوه عملکرد هر جزء را دیکته می کند، هدایت می کنند.
- واحد منطق حسابی (ALU): مداری که محاسبات را انجام می دهد در حالی که واحد محاسبه آدرس محل ذخیره سازی اطلاعات خاص در حافظه اصلی کامپیوتر را محاسبه می کند.
- واحد مدیریت حافظه (MMU): جزئی که حافظه را برای هر برنامه تخصیص می دهد و RAM، حافظه پنهان و منابع سیستم را برای اشیاء و ساختارهای داده مدیریت می کند.
هر پردازنده همچنین دارای یک حافظه پنهان (کش) رزرو شده است که در داخل رایانه تعبیه شده است و به آن امکان می دهد دستورات را به سرعت اجرا کند بدون اینکه حافظه را از ناحیه اصلی ذخیره سازی داده ها بیرون بکشد. از آنجایی که حافظه پنهان پردازنده در کنار هسته پردازنده قرار دارد، می توان به سرعت به حافظه دسترسی پیدا کرد – اما تنها مقدار محدودی در حافظه پنهان وجود دارد.
این حافظه پنهان کپیهایی از اطلاعات استفاده شده در طول جلسه فعلی را برای سریعتر و سادهتر کردن تکمیل کارها ذخیره میکند. در داخل حافظه پنهان پردازنده، چندین لایه میتواند وجود داشته باشد که سطح یک معمولاً یک سطح تقسیم شده است و سطح دو به عنوان مکانی برای انتقال اطلاعات از سطح یک زمانی که پر است عمل میکند.
CPU چه کار می کند؟
CPU اغلب با یک ماشین حساب مقایسه می شود و محاسبات پایه ای را انجام می دهد که به رایانه اجازه می دهد به دستورات شما پاسخ دهد. هر CPU مجموعه ای از دستورات داخلی دارد که به آن مجموعه دستورالعمل گفته می شود. این وظایف اساسی در CPU سخت افزار شده و شامل مواردی مانند محاسبات ریاضی ساده است.
CPU ها فقط کد باینری را می فهمند، بنابراین نرم افزار باید دستورات را به یک سری کدهای باینری ساده که CPU می فهمد ترجمه کند. دستورات پیچیده به وظایف ساده تری تقسیم می شوند که CPU می تواند با استفاده از دانش ذخیره شده در مجموعه دستورالعمل تکمیل کند. سپس هر کد باینری از یک سری سه مرحله ای به نام چرخه دستورالعمل عبور می کند:
- فراخوانی (Fetch): در این مرحله، CPU دستورالعمل را از حافظه اصلی سیستم (RAM) فراخوانی میکند.
- رمزگشایی (Decode): CPU دستورالعمل را تحلیل میکند تا بداند چه کاری باید انجام دهد.
- اجرا (Execute): CPU اقدامات لازم برای اجرای دستورالعمل را انجام میدهد.
پس از اتمام هر دستورالعمل، CPU به طور خودکار به دستورالعمل بعدی در صف میرود و چرخه اجرای دستورالعمل را از ابتدا آغاز میکند.
سرعت پردازش و زمان پاسخدهی کامپیوتر شما به شدت به CPU وابسته است. با این حال، عوامل دیگری مانند حافظه، قدرت پردازش هستهها و سایر موارد نیز میتوانند تأثیرگذار باشند.
سرعت ساعت CPU چیست؟
سرعت ساعت یک CPU بخش مهمی از نحوه عملکرد آن است و عملکرد ثابت کامپیوتر را تضمین میکند.
سیگنال ساعت به CPU میگوید که دنباله عملیات پردازش خود را دوباره شروع کند. رایانهای با سرعت ساعت بالاتر، این دنباله را بیشتر تکرار میکند، که باعث میشود CPU سریعتر کار کند و منجر به عملیات سریعتر شود.
با این حال، سرعت ساعت باید با عملیات CPU مطابقت داشته باشد تا به درستی کار کند، بنابراین صرفاً تنظیم سیگنال ساعت برای تکرار مکرر باعث سریعتر شدن آن نمیشود.
اجزای دیگر مورد استفاده با CPU
رایانههای مدرن حداقل دارای دو هسته هستند که همزمان با هم کار میکنند تا بتوانند تعداد عملیات همزمان در حال اجرا را مدیریت کنند. برخی از پردازندههای پرسرعت دارای 24 هسته هستند. این گاهی اوقات پردازنده چند هستهای نامیده میشود.
این پردازندهها به همراه CPU قادر به انجام کاری هستند که به عنوان چند نخی شناخته میشود. در اینجا CPU اساساً دو هسته مجازی ایجاد میکند که قادر به انجام وظایف و اجرای سیستمهای عامل به صورت جداگانه هستند و همان اثر یک پردازنده چند هستهای را میدهند.
در حالی که CPU نقش اصلی را در سرعت پردازش رایانه ایفا میکند، تنها عامل نیست. عامل مهم دیگر مقدار رم موجود است. رم با ارائه حافظه کوتاه مدتی که برای اجرای آنها لازم است، به برنامههای مورد استفاده رایانه قدرت میدهد.
RAM بسیار سریعتر از سایر انواع ذخیرهسازی در رایانه شما قابل دسترسی است. دادههای ذخیره شده در حین استفاده از رایانه ذخیره میشوند و هنگام خاموش شدن رایانه پاک میشوند.
در رایانههایی با رم ناکافی، هنگامی که CPU سعی میکند یک دستور را برای پردازش ارسال کند، زمان پردازش بسیار کندتر میشود زیرا باید حافظه در دسترس را از منبع دیگری بازیابی کند.
بدون یک CPU کارآمد، یک رایانه یا دستگاه هوشمند نمیتواند دستورات ورودی کاربر را تفسیر و اجرا کند. بنابراین، درک نحوه عملکرد این مؤلفه و سایر قطعات سختافزاری کلیدی، بخش اساسی یادگیری در مورد عملیات سیستمها و برنامهنویسی کامپیوتر است.
