نحوه عملکرد پردازنده یا سی پی یو (CPU) و اهمیت آن در کامپیوتر

شما احتمالا به هنگام خرید سیستم کامپیوتری نام سی پی یو (CPU) را بارها شنیده‌اید. نوع پردازنده همواره به عنوان یکی از مشخصات فنی مهم هر سیستم کامپیوتری مطرح می‌شود. اما مسئله‌ای که وجود دارد این است که هنگام تهیه یک سیستم کامپیوتری هرگز درباره اهمیت پردازنده به شما توضیح داده نمی‌شود.  به گونه‌ای که کاربر هنگام تهیه سیستم، درباره پردازنده و نوع آن به مشکل می‌خورد و نمی‌تواند تفاوت بین آن‌ها را به درستی تشخیص دهد. داشتن اطلاعات درباره نحوه عملکرد پردازنده به شما کمک خواهد کرد تا بتوانید انتخاب درستی را داشته باشید. برای آشنایی بیشتر با این قطعه مهم کامپیوتری، در ادامه این مقاله همراه ما باشید.

بیشتر بخوانید: آموزش کامل “انتقال فایل بین گوشی و کامپیوتر” بدون کابل + روش FTP

پردازنده یا سی پی یو (CPU) چیست؟

برای شروع می‌توان گفت کلمه سی پی یو (CPU) مخفف Central Processing Unit یا واحد پردازشگر مرکزی است.  این نام در واقع برای قطعه‌ای از سیستم کامپیوتری در نظر گرفته شده که از فناوری سنگینی استفاده می‌کند و از نظر کاری که انجام می‌دهد، پیچیده به شمار می‌رود. پردازنده تنها واحد پردازش در یک کامپیوتر نیست؛ چرا که واحدهای پردازش دیگری در سیستم سخت‌افزاری رایانه وجود دارند. با این حال این قطعه، قطعه اصلی برای پردازش اطلاعات و مهم‌ترین آن‌ها است.

اگر بخواهیم این قطعه را در مقام قیاس با اعضای بدن انسان بیاوریم، پردازنده به مانند مغز برای سیستم کامپیوتری عمل می‌کند. مغز نیز تنها مرکز اعصاب بدن انسان نیست، چرا که تمام تصمیمات در بدن انسان توسط مغز گرفته نمی‌شود. با این حال به عنوان اصلی‌ترین عضو در تصمیم گیری برای اعضای بدن شناخته می‌شود. به عبارتی می‌توان گفت مغز شما، همانند سی پی یو بدن شما است و سی پی یو در سیستم کامپیوتری نیز مانند مغز آن عمل می‌کند.

کاربردهای پردازنده بسیار زیاد هستند و شامل انجام محاسبات، اجرای برنامه‌ها و کارایی‌های دیگر می‌شود. سی پی یو به عنوان بخشی از یک اکوسیستم گسترده‌تر و متنوع که شامل اعضای دیگری مانند RAM می‌شود، فعالیت می‌کند. RAM دستورات زیادی را برای CPU ارسال می‌کند؛ این مجموعه دستورات دستورالعمل‌های مختلف را رمزگشایی می‌کنند و با پردازش آن‌ها، خروجی را به کاربر تحویل می‌دهند و پردازنده بر روی نحوه عملکرد کامپیوتر تاثیر می گذارد.

بیشتر بخوانید: بهترین پردازنده‌های گوشی

تمام کامپیوترها دارای سی پی یو هستند

شما می‌توانید قطعه پردازنده را در هر دستگاه الکترونیکی پیدا کنید. در واقع هر دستگاهی که در دسته کامپیوتر‌ها قرار گیرد، به گونه‌ای که یک دیتای ورودی دریافت کند و بعد از پردازش آن یک خروجی به کاربر دهد، حاوی پردازنده یا CPU است. این دستگاه‌ها شامل کامپیوتر ساده، لپ تاپ، تلویزیون هوشمند، تلفن همراه هوشمند، تبلت و سایر موارد این‌چنینی می‌شود. سی پی یو یا پردازنده روی یک برد الکتریکی که به مادربورد (Motherboard) شهرت دارد قرار می‌گیرد و معمولا قطعه‌ای کوچک به شکل مربع است. پردازنده روی مادربورد، توانایی تعامل و کنترل سایر قطعات سخت‌افزاری را دارد تا کامپیوتر را فعال نگه دارد.

نحوه عملکرد پردازنده یا CPU چگونه است؟

سی پی یو از زمان تولید تا به امروز پیشرفت‌های زیادی را تجربه کرده است. برای بررسی نحوه عملکرد پردازنده باید توابع آن را شناسایی کنیم. در ابتدا باید گفت تمام پردازنده‌ها در دل خود عملکرد یکسانی دارند، این مسئله چیزی است که آن‌ها را در نهایت مهم می‌کند. تمام پردازنده‌ها از ۴ تابع یا فانکشن (Function) اصلی تشکیل می‌شوند:

1. تابع Fetch
2. تابع Decode
3. تابع Execute
4. تابع Store

در ادامه این توابع را که در نحوه عملکرد پردازنده تاثیر می گذارند به طور مفصل شرح خواهیم داد

تابع Fetch:

این تابع یا فانکشن به سادگی مسئول دریافت یک دستورالعمل یا مجموعه‌ای از دستور‌العمل‌های مختلف توسط CPU است. این دستور‌العمل‌ها توسط رم به صورت مجموعه‌ای از کدهای باینری (صفر و یک) به پردازنده ارسال می‌شوند. زبان باینری یا صفر و یک زبانی است که کامپیوتر قادر به خواندن آن و پردازش اطلاعات درون آن است. هر دستورالعملی که به سمت پردازنده می‌آید، بخشی از یک مجموعه بزرگ‌تر از دستورالعمل‌ها است. به عبارتی می‌توان گفت هر کدام از آن‌ها مانند آجری در ساختمان مربوط به یک عمل مشخص هستند.

این مسئله بدین معنا است که CPU دستورالعمل‌ها را به صورت کورکورانه دریافت نمی‌کند و باید بداند کدام دستورالعمل از دستور فعلی پیروی می‌کند. برای انجام این کار، یک شمارنده برنامه وجود دارد که آدرس‌های گرفته شده از RAM را طبق دستورالعمل‌های مشخص پیگیری می‌کند.

برای مثال اگر دستوری از طرف آدرس یک آمده باشد، CPU می‌داند دستور بعدی برای آن برنامه خاص از آدرس دو بیاید. این دستورالعمل‌ها در مخزنی به نام ثبت دستورالعمل یا Instruction Register ذخیره می‌شوند. بعد از انجام این کار، شمارنده برنامه یکی از دستورالعمل‌ها را برای ارجاع آدرس به دستورالعمل بعدی اضافه می‌کند.

تابع Decode

زمانی که پردازنده کامپیوتر توانست عملکرد Fetch یک دستورالعمل را به طور صحیح انجام دهد و آن را در مخزن ثبت دستورالعمل (Instruction Register) ذخیره کند، آن را به رمزگشای دستورالعمل یا Instruction Decoder ارسال می‌کند. در این قسمت رمزگشای دستورالعمل، دستورالعمل را دریافت می‌کند و آن را به مجموعه‌ای از سیگنال‌های رمزگشایی شده تبدیل می‌کند. سپس این مجموعه به قسمت‌های مختلف CPU ارسال می‌شود و روی آن‌ها اعمال مختلفی انجام می‌شود.

تابع Execute:

قبل از عملکرد تابع Execute، دستورالعمل‌ها توسط CPU دریافت و در رجیستر دستورالعمل‌ها ذخیره می‌شوند. سپس این دستورالعمل‌ها به رمزگشای دستورالعمل ارسال می‌شوند و در آن جا رمزگشایی می‌شوند. سپس این دستورالعمل‌های رمزگشایی شده به قسمت‌های مختلف پردازنده ارسال می‌شوند و در آن جا نگهداری می‌شوند. هنگامی که دستورالعمل‌ها اجرا می‌شوند، خروجی‌هایی وجود خواهند داشت که در رجیستر سی پی یو ذخیره می‌شوند؛ جایی که دستورالعمل‌های دیگر بعدا به آن‌ها ارجاع داده می‌شوند.

اگر نتیجه نیازی به ذخیره در بخش رجیستر پردازنده نداشته باشد یا به هدف خود از حضور در رجیستر رسیده باشد، برای ذخیره‌سازی به رم یا هارد دیسک ارسال می‌شود. همچنین ممکن است نتیجه دستورالعمل به خروجی‌های دیگر سیستم مانند نمایشگر یا بلندگو انتقال داده شود.

تابع Store:

همان‌طور که به آن اشاره کردیم، عملکرد پردازنده بدین شکل است که خروجی‌ها را به RAM یا هارد دیسک برای ذخیره انتقال می‌دهد. از طرف دیگر خود پردازنده می‌تواند قطعه‌ای برای ذخیره‌سازی اطلاعات باشد. این قابلیت ذخیره اطلاعات بدین گونه است که داده‌ها را در هر یک از رجیستر‌های مختلف برای مدت کمی ذخیره می‌کند. البته باید این نکته را نیز در نظر داشت که سی پی یو یک دستگاه ذخیره‌سازی دائمی نیست.

هرگونه‌ داده‌ای که در پردازنده ذخیره شده باشد، بعد از قطع اتصال برق از بین می‌رود، همچنین هر فرایندی که هنگام قطع برق در حال اجرا باشد نیز بلافاصله متوقف می‌شود. در واقع رجیسترهای در CPU، برای ذخیره دیتاهایی که در برنامه‌های در حال اجرا وجود دارند، طراحی شده‌اند و تا زمانی که داده پاک شود یا به یک مخزن دائمی مانند هارد فرستاده شود، در پردازنده باقی می‌ماند.

تابع چندوظیفه‌ای یا Multitasking:

یکی از عملکردهای خاص و منحصر به فرد پردازنده که برای CPU مفید است، اجازه دادن به رایانه برای انجام چند کار به صورت هم‌زمان است. اگر بخواهیم به طور دقیق به بررسی این موضوع بپردازیم، باید بگوییم یک پردازنده به تنهایی چند کار را انجام نمی‌دهد. به جای آن، به سرعت بین انجام کارهای مختلف در تردد است. به همین دلیل کاربر تصور می‌کند که همه این کارها به صورت هم‌زمان در حال انجام شدن هستند.

برای مثال می‌توان گفت ممکن است یک کار مربوط به یادآوری یک به‌روزرسانی به موقع باشد، کار دیگر شامل بارگیری برنامه‌ای در حال باز شدن باشد و هم‌زمان یک فیلم نیز در سیستم شما در حال پخش باشد. سی پی یو بین همه این کارهای مختلف در حال رفت و برگشت است و کاربر تصور می‌کند که همه این اعمال به صورت هم‌زمان در حال صورت گرفتن هستند. با این وجود حتی قدرتمند‌ترین پردازنده‌های موجود در بازار نیز با محدودیت‌هایی مواجه هستند.

به همین دلیل سازندگان پردازنده تصمیم گرفتند چندین سی پی یو کوچک‌تر به نام هسته را در یک پردازنده قرار دهند. برای مثال یک سی پی یو با دو پردازنده در آن، به عنوان یک سی پی یو دو هسته‌ای شناخته می‌شود. این روند تا سی پی یو هشت هسته‌ای ادامه دارد. این سی پی یو‌ها امکان انجام چند کار را به طور هم‌زمان فراهم می‌کنند؛ به این دلیل که چندین پردازنده در حال پردازش اطلاعات سیستم شما هستند. این مسئله باعث می‌شود تا کامپیوترها قدرتمندتر شوند و سرعت پردازنده نیز افزایش پیدا کند.

بیشتر بخوانید: آیا روشن ماندن کامپیوتر از شب تا صبح ضرر دارد؟

کلام آخر نحوه عملکرد پردازنده یا سی پی یو (CPU) 

در این مقاله نگاهی به نحوه عملکرد پردازنده و اهمیت آن در سیستم کامپیوتری اشاره کردیم. همان‌طور که در متن به آن اشاره کردیم، متوجه شدیم که پردازنده مانند مغز سیستم عمل می‌کند. به گونه‌ای که پردازش بسیاری از اطلاعات درون کامپیوتر بر عهده این قطعه است. در واقع  اصلی‌ترین قطعه برای افزایش قدرت و سرعت یک سیستم کامپیوتری، پردازنده آن است. امیدواریم از خواندن این مقاله نهایت استفاده را برده باشید.