CPU چیست و چه کاربردی دارد؟

به‌طورکلی در هر سیستمی، چه انسانی و چه الکترونیکی مغز متفکر دارای اهمیت ویژه‌ای است. در بدن انسان مغز است که فعالیت سایر ارگان‌های بدن را مدیریت کرده و به هریک دستور می‌دهد که چه کاری انجام بدهند. مغز انسان برای فعالیت به اکسیژن و داده نیاز دارد. اگر مغز اکسیژن کافی داشته باشد اما داده‌هایی از محیط پیرامون دریافت نکند، نمی‌تواند آن را درک کرده و تصمیم درستی بگیرد. در یک سیستم کامپیوتری نیز CPU همان مغز است که با استفاده از داده‌هایی که از دستگاه‌های پیرامون خود دریافت می‌کند، تصمیم‌گیری می‌کند.

حتما تابه‌حال در مغازه‌های خریدوفروش گوشی و کامپیوتر یا از زبان دوستان و آشنایان بارها کلمه CPU را شنیده و به این فکر افتاده‌اید که اصلا CPU چیست؟ مربوط به کدام بخش کامپیوتر و گوشی می‌شود و چه کاری انجام می‌دهد؟ اگر ذهنتان پر از سؤال‌هایی مشابه این‌هاست، پیشنهاد می‌کنیم تا پایان این مطلب با ما همراه باشید. این مقاله از مبیت کاملا مناسب افرادی است که از کلمات مخفف دنیای کامپیوتری پیرامون خود خسته شده‌اند و قصد دارند مفهوم پرتکرارترین و مهم‌ترین آن یعنی CPU را بدانند. ما در این مقاله از مبیت همه آنچه را که باید در مورد CPU بدانید در اختیار شما قرار می‌دهیم.

شما همچنین می توانید راهنمای جامع خرید لپ‌تاپ ولپ‌تاپ بخریم یا کامپیوتر رومیزی؟ را نیز در در مبیت مطالعه کنید و با نکات دیگری که در هنگام خرید باید توجه کنید آشنا شوید.

تعریف اساسی و پایه CPU چیست؟

کلمه CPU مخفف عبارت انگلیسی Central Processor Unit به معنای واحد پردازش مرکزی است. همان‌طور که قبلا اشاره کردیم، مغز متفکر سیستم‌های کامپیوتری که بایدها و نبایدهای آن‌ها را مشخص می‌کنند CPU است. البته این مغز متفکر باید از مشاور نرم‌افزاری خود یعنی سیستم‌عامل کمک بگیرد تا از میان گزینه‌های موجود مناسب‌ترین گزینه را انتخاب کند. نبود CPU در بخش سخت‌افزاری کامپیوتر مانند نبود مغز در سر انسان است. این واحد مهم‌ترین و اصلی‌ترین واحد پردازنده داده‌های کامپیوتری است اما تنها واحد پردازشی موجود نیست.

البته ما قصد نداریم که با آوردن عبارت‌های مخفف دیگر واحدهای پردازشی شما را گیج کنیم. در این مقاله تمرکز ما روی CPU بوده و قول می‌دهیم که خبری از سایر مخفف‌های بی‌معنای (!) کامپیوتری نیست. وظیفه اصلی واحد پردازنده مرکزی یا همان CPU دریافت ورودی‌ها، پردازش آن‌ها و تولید خروجی‌های مناسب است. ورودی‌های این سیستم می‌تواند اعداد، حروف، برنامه‌ها، کدها و… باشد. به‌تناسب ورودی‌هایی که CPU از حافظه کامپیوتر دریافت می‌کند، خروجی‌هایی را برای رابط‌های کاربری کامپیوتر یعنی مانیتور، بلندگو، پرینتر و… ارسال می‌کند.

ورودی‌های موردنیاز CPU را دستگاه‌های ورودی نظیر موس، کی‌برد، میکروفون و حافظه‌ها تامین می‌کنند. این ورودی‌ها از طریق مدارهای مختلف در داخل کامپیوتر به زبان قابل فهم برای CPU که همان 0 و 1 (الفبای دودویی) است تبدیل‌شده و پردازش آن‌ها آغاز می‌شود. پس از انجام پردازش‌های لازم خروجی‌های تولیدشده از الفبای باینری به زبان قابل فهم برای انسان تبدیل می‌شود. حال وقت آن رسیده که کامپیوتر کارهایی را که شما به او دستور داده‌اید انجام دهد. یک برنامه از پیش نصب‌شده را اجرا کند، حاصل جمع دو عدد را نمایش دهد، شروع به نصب برنامه جدید کند یا یک فیلم یا عکس را باز کند. کلیه این اطلاعات ورودی توسط حافظه دسترسی تصادفی (RAM) به CPU داده می‌شود و توسط همین حافظه به سایر دستگاه‌ها ارسال می‌شود.

اگر بخواهیم در یک جمله CPU را تعریف کنیم می‌توانیم بگوییم: «CPU اصلی‌ترین واحد پردازشی کامپیوتر است که داده‌های ورودی را از حافظه گرفته، آن‌ها را پردازش می‌کند و نتیجه ‌ایجادشده را به حافظه برمی‌گرداند.» این کار دقیقا همان کاری است که مغز انسان و نورون‌های عصبی متصل به آن انجام می‌دهند. پس هرگاه فراموش کردید که CPU چیست، خود را به‌عنوان یک کامپیوتر تصور کنید. مغز شما همان واحد پردازش مرکزی سیستم کامپیوتری بدنتان است.

CPU چگونه کار پردازش داده را انجام می‌دهد؟

CPU باید مفهوم اطلاعات ورودی را بفهمد تا بتواند پردازش صحیحی روی آن‌ها انجام داده و دستورات ورودی را اجرا کند. عملکرد پردازنده‌ها از ابتدای نسل کامپیوتر تاکنون با پیشرفت‌های زیادی همراه بوده و تغییرات زیادی داشته است. تغییراتی که نتیجه آن‌ها سریع‌تر شدن اجرای برنامه‌ها، کوچک‌تر شدن حجم سیستم و امکان اجرای هم‌زمان چند برنامه است. برای CPU فرقی نمی‌کند که داده‌ای که در حال حاضر به‌عنوان ورودی آمده است، یک کلیک موس بوده یا صدایی از میکروفون ورودی است یا دستوری است که برنامه‌نویس در کد خود نوشته و قرار است آن را اجرا کند.

CPU تنها زبان صفر و یک را می‌فهمد و کدهای دودویی واردشده را ترجمه کرده و متناسب با دستوری که در کد نهفته است، پردازش لازم را انجام می‌دهد. کدهای دودویی ورودی به CPU توسط برنامه‌های دیگر ترجمه‌شده و در حافظه متصل به CPU قرار می‌گیرند. در همه پردازنده‌های مرکزی در سراسر دستگاه‌های کامپیوتری موجود در جهان، انجام سه مرحله واکشی (Fetch)، کدگشایی (Decode) و اجرا (Execute) ثابت و یکسان است. در ادامه برای شما توضیح خواهیم داد که در هریک از این مراحل دقیقا چه اتفاقی می‌افتد.

مرحله اول: واکشی (Fetch)

گفتیم که CPU باید داده‌های ورودی خود را از حافظه بردارد. درواقع می‌توانید تصور کنید که حافظه لیستی بلندبالا از داده‌های ورودی از بخش‌های مختلف سیستم است که CPU باید آن‌ها را پردازش کرده و خروجی‌های لازم را تولید کند. کلیه ورودی‌های سیستم در این مرحله به تعدادی دستورالعمل که توسط CPU قابل فهم است تبدیل شده و یکی‌یکی برای اجرا فراخوانده می‌شوند. مرحله واکشی پل عبور ورودی‌ها از حافظه به CPU است.

برای آنکه CPU بداند در حال حاضر باید به کدام‌یک از ورودی‌های موجود در صف اجازه ورود بدهد، واحدی به نام شمارنده برنامه (PC) به کمک آن می‌آید. در شمارنده برنامه شماره ورودی فعلی نگه‌داشته می‌شود. دستورالعمل ورودی پس از واکشی در حافظه داخلی CPU که با نام رجیستر شناخته می‌شود، ثبت‌شده و به عدد شمارنده برنامه یک واحد اضافه می‌شود تا مجوز ورود دستورالعمل بعدی صادر شود.

مرحله دوم: کدگشایی (Decode)

CPU باید از طریقی متوجه شود که معنای صفر و یک‌هایی که در حافظه خود (رجیستر) ذخیره کرده است چیست. به همین جهت باید آن‌ها را رمزگشایی کند. واحد کدگشایی در داخل CPU همچون هر واحد کدگشایی دیگری در سراسر جهان دارای کلیدی است که از طریق آن معنای صفر و یک‌های ورودی را متوجه می‌شود. درواقع در این واحد بخش‌های مختلف دستورالعمل ورودی همچون کلمات یک جمله از یکدیگر جداشده و هر بخش ازجمله به واحدی که آن را می‌فهمد ارسال می‌شود. به‌این‌ترتیب CPU متوجه خواهد شد که در مرحله اجرا دقیقا با چه چیزی طرف است.

مرحله سوم: اجرا (Execute)

دستوراتی که توسط CPU اجرا می‌شوند معمولا محاسباتی هستند. درواقع هر کلیک یا فشار کلید کی‌برد در دنیای ما درنهایت به یک سری عملیات ضرب و جمع و تفریق در دنیای CPU تبدیل می‌شود. به همین دلیل هسته اصلی اجراکننده دستورالعمل‌ها در CPU درواقع یک ماشین‌حساب ساده است که تنها قادر به اجرای 4 عمل اصلی است. البته واضح است که آنچه در واقعیت رخ می‌دهد به این سادگی نیست اما ما برای فهم بهتر شما از این تعبیر استفاده می‌کنیم. نتایج دستورات از طریق این ماشین‌حساب محاسبه‌شده و خروجی‌ها تولید می‌شوند. این خروجی‌ها ممکن است در حافظه اصلی ذخیره شوند یا برای اجرای دستورات بعدی در خود CPU و حافظه نزدیک به آن نگهداری شوند. نتیجه نهایی اجرای این دستورات محاسباتی چیزی است که شما در دنیای بیرون در قالب اجرای یک برنامه، باز شدن یک فایل، پخش شدن یک فیلم یا موسیقی و… می‌بینید.

هسته‌ها چه فایده‌ای دارند؟ CPU ها با هسته‌های بیشتر بهتر هستند یا با هسته‌های کمتر؟

برخلاف دنیای میوه‌ها که تعداد هسته‌های کمتر لذت شما را در خوردن میوه دوچندان می‌کند، در دنیای CPU ها تعداد هسته‌ها عاملی برای فخرفروشی است. در دنیای CPU های اولیه خبری از هسته نبود و همه CPU ها یک تکه مربع بزرگ بودند که با سرعت لاک‌پشتی به کار خود ادامه می‌دادند. با تکامل نسل CPU ها سازندگان آن‌ها به این فکر افتادند که با استفاده از روش‌هایی سرعت آن‌ها را افزایش داده و از گذر عمر بر لب جوی CPU جلوگیری کنند! روش‌های مختلفی برای این کار معرفی شد که جدیدترین آن‌ها افزایش تعداد هسته‌های CPU است.

منظور از یک CPU چندهسته‌ای، قرار گرفتن چندین CPU کوچک در یک واحد پردازنده اصلی است که هریک گوشه‌ای از کار را گرفته و به آن سرعت می‌بخشند. برای فهم بهتر تصور کنید که در خانه‌تکانی دم عید تعداد زیادی قالی برای شستن دارید. حیاط خانه شما به‌گونه‌ای است که در هر لحظه تنها امکان پهن کردن یک فرش وجود دارد. اما شما می‌توانید فرش را به 4 قسمت تقسیم کرده و هریک از اعضای خانواده شروع به شست و شوی بخشی از آن کنند. بدون شک زمان شستن فرش بسیار کوتاه‌تر از وقتی خواهد شد که دو نفر یا یک نفر برای شستن آن کمک کنند. از طرف دیگر اگر شما صاحب حیاط بزرگ‌تری شوید که برای دو فرش جای کافی داشته باشد، می‌توانید در یک‌زمان دو فرش را شسته و کار را بیشتر پیش ببرید. در دنیای CPU های چندهسته‌ای نیز دقیقا همین انفاق می‌افتد. به این حالت موازی‌سازی میگویند.

در CPU های موازی‌سازی شده درست مانند همان قصه فرش شستن، هریک از هسته‌ها وظیفه اجرای یک بخش از برنامه را بر عهده داشته و درنهایت برنامه با سرعت بیشتری اجرا می‌شود. در مواقعی که چندین برنامه در حال اجراست، هریک از هسته‌ها وظیفه اجرای یک برنامه را برعهده‌گرفته و تقسیم وظایف می‌کنند. اما اگر دقت کرده باشید الان سال‌هاست که در لپ‌تاپ‌ها چیزی بیشتر از corei7 را نمی‌شنویم. این به این معناست که تعداد هسته‌های CPU با علم امروز نمی‌تواند بیشتر از 7 عدد شود. این امر به دلیل مشکلات سخت‌افزاری ایجادشده و عدم امکان موازی‌سازی بیشتر برنامه‌هاست.

بگذارید به سراغ مثال قبلی خود برویم. تصور کنید که به‌جای 4 نفر، 6 نفر را برای شستن یک فرش در اختیار داشته باشیم. بدون شک قرار گرفتن 6 نفر بر روی یک فرش 12 متری بدون اینکه برخوردی با یکدیگر داشته و کار را برای دیگری دشوار کنند، بسیار دشوارتر از 4 نفر است. حال اگر این 6 نفر بیشتر و بیشتر شوند چه اتفاقی میافتد؟ کم‌کم تعداد افراد آن‌قدر زیاد می‌شود که قرارگیری آن‌ها روی فرش برای شست و شوی آن غیرممکن می‌شود. زیادتر شدن تعداد هسته‌ها در داخل CPU نیز همین مشکل را به وجود می‌آورد. افزایش گرما در محیط بسته CPU و مشکلات سخت‌افزاری ایجادشده در اثر آن به حدی است که هزینه‌های غلبه بر این مشکلات و خنک کردن CPU حتی از هزینه‌های ساخت نیز بالاتر رفته و اصلا به‌صرفه نیست.

حال تصور کنید که حیاط شما به‌قدری بزرگ شده که هر تعداد فرشی که داشته باشید را می‌توانید در آن پهن کنید. حداقل یک نفر هم برای شست و شوی فرش‌ها وجود دارد اما مواد شوینده و ابزارها محدود بوده و شما مجبور می‌شوید منابع موجود را به اشتراک بگذارید. در چنین مواقعی کار یک نفر تا زمان اتمام کار دیگری معطل باقی مانده و این حیاط بزرگ بدون داشتن منابع کافی عملا بلااستفاده است. وقتی میگوییم برنامه‌ها بیشتر از یک حدی قابلیت موازی‌سازی ندارند دقیقا همین شرایط ایجاد می‌شود. محدودیت منابع و وابستگی برنامه‌ها به یکدیگر باعث می‌شود که از یک جایی به بعد موازی‌سازی بیشتر بی‌معنا بوده و هیچ مزیتی به دنبال نداشته باشد. به همین دلیل سیستم‌عامل‌ها و بخش نرم‌افزاری به کمک سخت‌افزار آمده و امکان انجام بهتر موازی‌سازی برنامه‌ها را فراهم کردند.

در هنگام خرید یک سیستم کامپیوتری چه نکاتی درباره CPU دارای اهمیت است؟

هر سیستمی که به هر شکلی شبیه کامپیوتر باشد قطعا دارای CPU است. از ماشین‌حساب‌های ساده که تنها می‌توانند 4 عمل اصلی را انجام دهند بگیرید تا ابرکامپیوترهایی که قادر به انجام کارهای بزرگ و پیچیده محاسباتی و مدیریتی هستند. منتها وقتی شما برای خرید یک ماشین‌حساب مراجعه می‌کنید، هیچ‌وقت مشخصات CPU را نمی‌پرسید. ویژگی‌های CPU در کامپیوترهای رومیزی، لپ‌تاپ‌ها و گوشی‌های موبایل دارای اهمیت است. چراکه قدرت پردازشی آن‌ها را مشخص کرده و تعیین می‌کند که برای چه کاربردی مناسب هستند. اگر می‌خواهید در هنگام خرید سیستم کامپیوتری کلاه سرتان نرود تا پایان این بخش با مبیت همراه باشید. (اگر قصد خرید یک پردازنده را دارید به صفحه خرید پردازنده در مبیت سری بزنید.)

وقتی برای خرید کامپیوتر یا خرید لپ تاپ مراجعه می‌کنید، نیاز نیست که بدانید CPU چه مراحلی را برای اجرای دستورات طی می‌کند یا به چه روشی دستورات ورودی را به صفر و یک تبدیل می‌کند. تعداد هسته‌های CPU، تعداد بیت آن، اندازه حافظه RAM و فرکانس کاری می‌تواند تعیین کند که کدام سیستم کامپیوتری دارای قدرت پردازشی بالاتری است.

– تعداد هسته‌ها: در بخش قبلی توضیح دادیم که زیادتر شدن تعداد هسته‌ها چه نتیجه‌ای دارد. به‌طورقطع افزایش تعداد هسته‌ها سرعت سیستم کامپیوتری و توان پردازشی آن را افزایش می‌دهد. به همین دلیل CPU های corei7 از corei5 بهتر است. به همین ترتیب هرچه عدد کنار حرف i بزرگ‌تر باشد، CPU از قدرت موازی‌سازی و پردازشی بالاتری برخوردار است.

– تعداد بیت CPU: حتما در هنگام دانلود برنامه‌های کاربردی متوجه شده‌اید که برخی برنامه‌ها برای پردازنده‌های 32 بیتی و برخی برای پردازنده‌های 64 بیتی ارائه می‌شوند. این عدد نیز هرچه بزرگ‌تر باشد، CPU بهتری در اختیار شما قرار می‌گیرد. البته الان نسل سیستم‌های 32 بیتی تقریبا منقرض شده و کمتر جایی را پیدا می‌کنید که یک کامپیوتر 32 بیتی به شما بفروشد. منظور از این تعداد بیت حجم اطلاعاتی است که در یک لحظه به CPU وارد می‌شود. CPU اطلاعات را به‌صورت کلمه می‌خواند. حجم این کلمه‌ها می‌تواند 32 یا 64 بیت باشد. کلمه‌های 64 بیتی بسته‌های بزرگ‌تری از اطلاعات بوده و CPU های 64 بیتی قدرت بیشتری دارند.

– اندازه حافظه RAM: همه برنامه‌ها پیش از اجرا توسط CPU در حافظه RAM قرار می‌گیرند. حافظه اصلی کامپیوتر یا همان هارددیسک در فاصله دوری از CPU قرار داشته و برداشتن اطلاعات از آن نیازمند طی کردن فرایند بسیار پیچیده‌ای است. به همین دلیل هرچه حافظه RAM بزرگ‌تر باشد، سرعت اجرای برنامه‌ها توسط CPU بیشتر می‌شود. چراکه نیاز به مراجعه به حافظه اصلی کاهش یافته و CPU به‌جای اینکه خود را در مسیر رفت‌وآمد خسته کند، تمرکز بیشتری روی اجرای برنامه‌ها می‌گذارد.

– فرکانس کاری: سرعت عملکرد CPU به‌شدت تحت تاثیر فرکانس است. بیشتر بودن فرکانس کاری پردازنده به این معناست که در یک‌زمان واحد پردازنده می‌تواند کار بیشتری را انجام دهد. اهمیت این مسئله حتی از تعداد هسته‌ها نیز بیشتر است. دو هسته پردازشی با فرکانس کاری بیشتر خیلی بهتر از چهار هسته پردازشی با فرکانس کاری کمتر عمل خواهند کرد.

سخن پایانی

CPU ها مغز متفکرهای سیستم‌های کامپیوتری هستند که واکنش هر واحد در برابر دستور ورودی توسط کاربر را تعیین می‌کنند. زمانی که شما روی یک برنامه برای اجرا کلیک می‌کنید، این CPU است که شروع به کار کرده و به‌درستی آن را به اجرا درمی‌آورد. هر بخش نرم‌افزاری در داخل سیستم‌های کامپیوتری از سیستم‌عامل گرفته تا ساده‌ترین برنامه‌های کامپیوتری باید برای اجرا به CPU مراجعه کنند. به همین دلیل توجه به CPU یک سیستم در هنگام خرید دارای اهمیت بالایی است. در این مقاله از مبیت تلاش کردیم تا به ساده‌ترین زبان ممکن همه آنچه را که باید درباره نحوه عملکرد CPU و نکات مهم درباره خرید آن بدانید در اختیار شما قرار دهیم. امید است که پس از مطالعه این مقاله دیگر گوش‌هایتان با شنیدن واژه‌های CPU، RAM، فرکانس و هسته سوت نکشد!