پردازنده یا واحد پردازش مرکزی (CPU) قلب تپنده‌ی هر کامپیوتر محسوب می‌شود که وظیفه‌ی اجرای دستورات و پردازش اطلاعات را بر عهده دارد. در این مقاله به همه چیز درباره CPU یا پردازنده خواهیم پرداخت و توضیح کاملی از اجزای مختلف CPU، عملکرد آن، تاریخچه‌ی توسعه، معماری‌های مهم و نقش آن در پردازش کامپیوتر ارائه خواهد شد.
CPU چیست به زبان ساده
واحد پردازش مرکزی یا CPU، اصلی‌ترین بخش هر کامپیوتر است که وظایف محاسباتی و منطقی را بر عهده دارد. این واحد مسئول پردازش دستورات برنامه‌ها، کنترل اجزای مختلف سیستم و مدیریت جریان داده‌ها است.
اجازه دهید به زبان ساده بگوییم CPU چیست. فرض کنید مغز انسان را با CPU مقایسه کنیم. وقتی شما می‌خواهید تصمیم بگیرید که صبحانه چه بخورید، مغز شما اطلاعات مربوط به گزینه‌های موجود را پردازش می‌کند. مقایسه انجام می‌دهد و در نهایت تصمیم‌گیری می‌کند. پردازنده هم دستورات مختلف را پردازش کرده و نتیجه‌ی مناسب را ارائه می‌دهد.
به‌طور تخصصی عملکرد CPU را می‌توان به اجرای سه مرحله‌ی اصلی تقسیم کرد که جلوتر درباره آن‌ها بحث می‌کنیم.
- واحد حساب و منطق (ALU): مسئول انجام عملیات ریاضی و منطقی
- واحد کنترل (CU): مدیریت پردازش دستورات و هماهنگی بین اجزای مختلف
- رجیسترها: حافظه‌های سریع داخلی برای ذخیره‌ی داده‌ها و نتایج پردازش
تاریخچه‌ی توسعه‌ی CPU
اولین کامپیوترها مانند ENIAC دردسرهای زیادی برای اجرای برنامه‌های مختلف داشتند. مفهوم CPU با ظهور کامپیوترهای ذخیره‌سازی برنامه مانند EDVAC شکل گرفت.
ENIAC اولین کامپیوتر الکترونیکی عمومی بود که در سال ۱۹۴۵ ساخته شد. این ماشین عظیم از ۱۷۴۶۸ لامپ خلأ برای پردازش استفاده می‌کرد، اما برنامه‌هایش باید به‌صورت دستی سیم‌کشی می‌شدند.
EDVAC که در سال ۱۹۴۹ طراحی شد، یک گام بزرگ رو به جلو بود. این کامپیوتر از سیستم باینری استفاده می‌کرد و دارای معماری ذخیره‌سازی برنامه بود، یعنی می‌توانست دستورات را در حافظه نگه دارد.
در طول دهه‌های بعد، پردازنده‌ها به‌طور قابل توجهی بهبود یافتند. دهه ۱۹۵۰ تا ۱۹۷۰ پردازنده‌های مبتنی بر ترانزیستور جایگزین لامپ‌های خلأ شدند. در دهه ۱۹۸۰ ریزپردازنده‌ها معرفی شدند که CPU را در یک تراشه‌ی واحد ادغام کردند. دهه ۲۰۰۰ به بعد، زمان ظهور پردازنده‌های چند‌هسته‌ای برای افزایش توان پردازشی و بهینه‌سازی مصرف انرژی بود.
تصور کنید که ماشین‌های تایپ قدیمی را با کامپیوترهای مدرن مقایسه کنیم. در ماشین‌های تایپ، هر کلید مکانیکی باعث چاپ یک حرف روی کاغذ می‌شد، اما هیچ تغییری در عملکرد دستگاه وجود نداشت. این همان چیزی است که در کامپیوترهای اولیه اتفاق می‌افتاد؛ زیرا آن‌ها فقط برای انجام یک وظیفه خاص طراحی شده بودند. اما وظایف CPU و عملکرد پردازنده‌های مدرن به نحوی است که به هر دستوری از سمت کاربر واکنش نشان می‌دهند و می‌توانند کارهای متفاوتی انجام دهند.
یک پردازنده از چه بخش هایی تشکیل شده است
پردازنده (CPU) شامل چندین جزء کلیدی است که هر کدام نقش مهمی در پردازش داده‌ها و اجرای دستورات دارند. در ادامه، مهم‌ترین اجزای پردازنده را بررسی می‌کنیم.
واحد کنترل (CU)
واحد کنترل معادل Control Unit یا به اختصار CU مسئول مدیریت اجرای دستورات است. این بخش تعیین می‌کند که کدام دستور باید اجرا شود و داده‌ها را به بخش‌های مناسب هدایت می‌کند. به‌عبارتی، مانند مدیری است که وظایف را به بخش‌های مختلف اختصاص می‌دهد.
یک رستوران را تصور کنید که مدیر آن که تصمیم می‌گیرد کدام غذاها باید آماده شوند، وظایف را به آشپزها اختصاص می‌دهد و بر روند کار نظارت می‌کند.
واحد محاسبات و منطق (ALU)
واحد محاسبات و منطق معادل Arithmetic Logic Unit یا به اختصار ALU وظیفه‌ی انجام عملیات ریاضی و منطقی را بر عهده دارد. این واحد می‌تواند محاسباتی مانند جمع، تفریق، ضرب و تقسیم را انجام دهد و همچنین عملیات منطقی مانند AND، OR، NOT را پردازش کند. این بخش را می‌توان به ماشین‌حساب داخلی پردازنده تشبیه کرد.
ALU مانند ماشین‌حسابی است که برای انجام محاسبات سریع مانند جمع، تفریق و مقایسه‌ی اعداد استفاده می‌شود. وقتی شما مقدار پولی را برای خرید محاسبه می‌کنید، در واقع کار مشابهی با ALU انجام می‌دهید.
رجیسترها یا ثبات (Registers)
رجیسترها حافظه‌های بسیار سریع و کوچک داخل پردازنده هستند که داده‌های موقتی را ذخیره می‌کنند. این حافظه‌ها برای نگهداری داده‌های پردازشی و نتایج محاسبات استفاده می‌شوند.
رجیسترها مثل یادداشت‌های چسبی روی میز کار هستند که اطلاعات موقت و مهم را ذخیره می‌کنند تا سریع‌تر قابل دسترس باشند. برای مثال وقتی شماره تلفن کوتاهی را به‌طور موقت حفظ می‌کنید یا روی تکه کاغذی یادداشت می‌کنید، همان کاری را انجام می‌دهید که رجیسترهای پردازنده انجام می‌دهند.
حافظه‌ی نهان (Cache Memory)
حافظه‌ی نهان یک نوع حافظه‌ی سریع است که داده‌های پرکاربرد را ذخیره می‌کند تا پردازنده بتواند سریع‌تر به آن‌ها دسترسی داشته باشد. این حافظه باعث کاهش زمان تأخیر و افزایش سرعت پردازش می‌شود. مانند یخچال آشپزخانه که مواد غذایی پرمصرف را در دسترس قرار می‌دهد تا نیازی به رفتن به فروشگاه نباشد.
مثال دیگری را در نظر بگیرید؛ حافظه‌ی نهان مانند سینی چای روی میز است. وقتی چای را آماده می‌کنید، نیازی نیست هر بار به آشپزخانه بروید، بلکه سینی دم‌دست شما است. پردازنده هم داده‌های پرکاربرد را در حافظه‌ی نهان نگه می‌دارد تا سریع‌تر به آن دسترسی داشته باشد.
واحد مدیریت حافظه (MMU)
واحد مدیریت حافظه معادل Memory Management Unit یا به اختصار MMU مسئول مدیریت آدرس‌های حافظه و کنترل دسترسی به داده‌ها است. این واحد تعیین می‌کند که داده‌ها در کدام بخش از حافظه ذخیره شوند و پردازنده چگونه به آن‌ها دسترسی داشته باشد.
MMU مانند مسئول بایگانی در یک اداره است که تعیین می‌کند هر پرونده در کدام بخش از قفسه‌ها قرار بگیرد تا به‌راحتی پیدا شود. این واحد در پردازنده تعیین می‌کند که داده‌ها چگونه در حافظه نگهداری شوند.
واحد فچ (Fetch Unit)
این واحد مسئول خواندن دستورات از حافظه و ارسال آن‌ها به واحد کنترل است. در این مرحله، دستورات از حافظه خوانده شده و برای پردازش آماده می‌شوند.
واحد Fetch را می‌توان به دستیار آشپز در یک رستوران تشبیه کرد که مواد اولیه را برای آشپز آماده می‌کند. پردازنده نیز دستورات را از حافظه می‌گیرد و برای اجرا آماده می‌کند.
واحد اجرا (Execution Unit)
این واحد دستورات را دریافت کرده و عملیات‌های مختلف را اجرا می‌کند. نتایج پردازش به حافظه بازگردانده می‌شوند. مانند کارگران یک کارخانه که وظایف مشخصی را انجام می‌دهند تا محصول نهایی تولید شود.
واحد پردازش موازی (Parallel Processing Unit)
در پردازنده‌های مدرن، این واحد امکان اجرای همزمان چندین دستور را فراهم می‌کند. پردازنده‌های چند‌هسته‌ای از این قابلیت برای افزایش سرعت پردازش استفاده می‌کنند.
پردازش موازی مانند یک تیم از آشپزها در یک رستوران بزرگ است که همزمان چندین سفارش را آماده می‌کنند. در پردازنده‌های مدرن، چندین واحد می‌توانند دستورات را همزمان پردازش کنند تا سرعت افزایش یابد.
نحوه عملکرد CPU
پردازنده‌ها بر اساس چرخه‌ی دریافت، رمزگشایی و اجرای دستورات کار می‌کنند. در زمان دریافت دستور، Fetch دستور مورد نظر را از حافظه می‌خواند. دستور توسط واحد کنترل تحلیل شده و آماده‌ی اجرا می‌شود که به آن رمزگشایی (Decode) می‌گویند. سپس عملیات مورد نظر اجرا شده و نتیجه در رجیسترها ذخیره می‌شود. پردازنده‌های پیشرفته از Pipeline، پردازش موازی (Parallel Processing) و چند‌نخی یا چندتردی (Multithreading) برای افزایش بهره‌وری استفاده می‌کنند.
عملکرد CPU را می‌توان به تهیه‌ی یک غذای ساده تشبیه کرد. فرض کنید که قرار است یک ساندویچ درست کنید. برای دریافت دستور یا Fetch ابتدا دستور تهیه ساندویچ را از یک کتاب آشپزی انتخاب می‌کنید. دستور را خوانده یا رمزگشایی (Decode) می‌کنید و متوجه می‌شوید که باید نان، پنیر، گوجه و خیارشور آماده کنید. برای اجرا (Execute)، شروع به آماده کردن مواد، قرار دادن آن‌ها روی نان و سرو ساندویچ می‌کنید.
فرکانس پردازنده چیست
عملکرد و فرکانس پردازنده تحت تأثیر چندین عامل مهم قرار دارد.
سرعت ساعت یا Clock Speed همان فرکانس پردازنده است که بر حسب گیگاهرتز اندازه‌گیری می‌شود. تعدد هسته‌ها در پردازنده‌های چند‌هسته‌ای موجب می‌شوند که CPU قادر به اجرای همزمان چندین برنامه باشد.
حافظه‌ی نهان و تعداد دستوراتی که پردازنده می‌تواند در یک چرخه‌ی کاری پردازش کند نیز از دیگر عوامل مهم به‌شمار می‌روند.
برای درک بهتر، فرکانس پردازنده مانند سرعت یک خط تولید در کارخانه است. اگر یک کارخانه بتواند در هر دقیقه ۱۰۰ جعبه را بسته‌بندی کند، این مانند پردازنده‌ای با فرکانس ۱۰۰ هرتز است. حال اگر تعداد کارگران (در اینجا هسته‌های پردازشی) را افزایش دهیم، تولید سریع‌تر انجام می‌شود. درست مثل پردازنده‌های چند‌هسته‌ای که همزمان چندین کار را انجام می‌دهند.
پردازنده‌های مدرن
امروزه پردازنده‌های پیشرفته شامل پردازنده‌های چند‌هسته‌ای و پردازنده‌های هوش مصنوعی هستند که عملکرد کامپیوترها را ارتقاء داده‌اند. رایانش کوانتومی نیز یکی از فناوری‌های نوظهور است که پردازش اطلاعات را با سرعتی بسیار بیشتر از پردازنده‌های کلاسیک انجام می‌دهد.
آینده‌ی پردازنده‌ها را می‌توان با تحول در وسایل حمل‌ونقل زمینی مقایسه کرد. در گذشته، مردم با اسب و درشکه یا شتر سفر می‌کردند، سپس اتومبیل‌ها جایگزین شدند و امروزه قطارهای پرسرعت و خودروهای برقی امکان سفرهای سریع‌تر و کارآمدتر را فراهم کرده‌اند. همین اتفاق در پردازنده‌ها رخ داده است. از پردازنده‌های تک‌هسته‌ای به چند‌هسته‌ای و بعد پردازنده‌های مبتنی بر هوش مصنوعی و پردازش کوانتومی رسیده‌ایم.
