واحد پردازش مرکزی (CPU) چیست؟

واحد پردازش مرکزی یا همون cpu چیست ؟ واحد پردازش مرکزی (CPU) یک قطعه سخت‌افزاری است که هسته اصلی محاسباتی در یک سرور محسوب می‌شود. سرورها و دیگر دستگاه‌های هوشمند داده‌ها را به سیگنال‌های دیجیتال تبدیل کرده و روی آن‌ها عملیات ریاضی انجام می‌دهند CPU . مهم‌ترین بخش برای پردازش این سیگنال‌ها و امکان‌پذیر ساختن محاسبات است. این واحد به‌عنوان مغز هر دستگاه محاسباتی عمل می‌کند، دستورالعمل‌ها را از حافظه دریافت می‌کند، وظایف مورد نیاز را اجرا می‌کند و خروجی را به حافظه بازمی‌گرداند. همچنین وظیفه انجام تمامی عملیات محاسباتی لازم برای اجرای سیستم‌عامل و برنامه‌ها را برعهده دارد.

چگونه فناوری CPU در طول زمان پیشرفت کرد؟

اولین کامپیوترها برای پردازش از لوله‌های خلا استفاده می‌کردند. ماشین‌هایی مانند ENIAC و    UNIVAC بزرگ و حجیم بودند، انرژی زیادی مصرف می‌کردند و گرمای زیادی تولید می‌کردند. اختراع ترانزیستورها در اواخر دهه ۱۹۴۰، فناوری CPU را متحول کرد. ترانزیستورها جایگزین لوله‌های خلا شدند و کامپیوترها را کوچک‌تر، قابل‌اعتمادتر و کم‌مصرف‌تر کردند.

در اواسط دهه ۱۹۶۰، مدارهای مجتمع (ICs) معرفی شدند که چندین ترانزیستور و اجزای دیگر را روی یک تراشه کامپیوتری ترکیب می‌کردند. این پیشرفت‌ها باعث شدند  CPU‌ها کوچک‌تر و سریع‌تر شوند و به ظهور ریزپردازنده‌ها منجر شدند.

ریزپردازنده‌ها

ریزپردازنده‌ها تمامی اجزای CPU را روی یک تراشه واحد قرار دادند. این فناوری باعث شد کامپیوترها دسترس‌پذیرتر شوند و توسعه کامپیوترهای شخصی امکان‌پذیر شود. در ابتدا، CPU‌ها قادر به پردازش داده‌های ۱۶ تا ۳۲ بیتی بودند. در اوایل دهه ۲۰۰۰، پردازنده‌های ۶۴ بیتی معرفی شدند که امکان آدرس‌دهی حافظه بزرگ‌تر و پردازش داده‌های پیچیده‌تر را فراهم کردند.

با افزایش تراکم ترانزیستورها، افزایش عملکرد هسته‌های منفرد دشوارتر شد. در نتیجه، تولیدکنندگان  CPU شروع به استفاده از معماری چند‌هسته‌ای کردند و چندین هسته را روی یک تراشه ادغام کردند.

پردازنده‌های مدرن

با افزایش محبوبیت دستگاه‌های همراه، بهره‌وری انرژی اهمیت بیشتری یافت. امروزه تولیدکنندگان CPU برای دستگاه‌های مدرن قابل‌حمل مانند گوشی‌های هوشمند و تبلت‌ها، پردازنده‌های کم‌مصرف و کارآمد طراحی می‌کنند.

با پیشرفت وظایف مرتبط با هوش مصنوعی و گرافیک‌های پیچیده، پردازنده‌های تخصصی مانند واحدهای پردازش گرافیکی (GPU) و شتاب‌دهنده‌های هوش مصنوعی (AI) برای مدیریت این وظایف معرفی شدند. تحقیقات مداوم در حوزه فناوری نانو و علم مواد، به تولید ترانزیستورهای میکروسکوپی و پردازنده‌های قدرتمندتر منجر شده است. همچنین، رایانش کوانتومی و دیگر فناوری‌های نوظهور پتانسیل‌های فراوانی برای پیشرفت بیشتر در زمینه فناوری پردازنده‌های کامپیوتری دارند.

اجزای یک  CPU 

CPU یک مدار الکترونیکی پیچیده است که شامل چندین جزء کلیدی برای پردازش داده‌ها و اجرای دستورالعمل‌ها است. اجزای اصلی CPU عبارتند از:

• واحد کنترل  (Control Unit)  : 
  مدیریت پردازش دستورالعمل‌ها و هماهنگی جریان داده‌ها در داخل CPU و بین اجزای دیگر کامپیوتر. واحد کنترل شامل یک رمزگشای دستورالعمل است که دستورالعمل‌های دریافتی از حافظه را تفسیر کرده و آن‌ها را به ریزعملیات‌هایی تبدیل می‌کند که CPU می‌تواند اجرا کند. این واحد سایر اجزای CPU را برای انجام عملیات لازم هدایت می‌کند.
• ثبات‌ها (Registers)  :
  ثبات‌ها محل‌های ذخیره‌سازی کوچک و پرسرعت داخل CPU هستند که داده‌های در حال پردازش را نگهداری می‌کنند. ثبات‌ها شامل موارد زیر هستند:
  • ثبات‌های همه‌منظوره: نگهداری داده‌های عملیاتی
  • ثبات دستورالعمل: نگهداری دستورالعمل جاری

• شمارنده برنامه(Program Counter) : نگهداری آدرس حافظه دستورالعمل بعد

• واحد محاسباتی و منطقی (ALU)  : 
  واحد محاسباتی و منطقی (ALU) عملیات ریاضی (جمع، تفریق، ضرب، تقسیم) و منطقی را روی داده‌ها انجام می‌دهد. این داده‌ها از ثبات‌ها دریافت شده و پس از پردازش، نتیجه تولید می‌شود.
• واحد مدیریت حافظه:
  این واحد وظایف مرتبط با حافظه مانند مدیریت تعامل CPU و RAM را انجام می‌دهد. همچنین، حافظه پنهان (Cache) و حافظه مجازی را برای پردازش داده‌ها مدیریت می‌کند.

CPU چگونه کار می‌کند؟

پردازنده‌های کامپیوتری با سایر اجزای سخت‌افزاری و برنامه‌های نرم‌افزاری همکاری می‌کنند تا داده‌ها را پردازش کرده و جریان اطلاعات را مدیریت کنند. آن‌ها معمولاً در چرخه‌های دستورالعمل کار می‌کنند که سه مرحله اصلی دارند:

1. دریافت دستورالعمل(Instruction Fetch)  :
   CPU دستورالعمل‌ها را از حافظه دریافت می‌کند. دستورالعمل‌ها کدهای باینری هستند که وظایف یا عملیات خاصی را برای CPU مشخص می‌کنند.
2. پردازش دستورالعمل (Instruction Processing)  :
   CPU عملیات مشخص شده را روی داده‌های دریافت‌شده انجام می‌دهد. این عملیات ممکن است شامل محاسبات ریاضی، مقایسه‌های منطقی، یا انتقال داده‌ها باشد.
3. ذخیره نتیجه  (Result Storage) : 
   پس از اجرای دستورالعمل‌ها، CPU ممکن است نتایج را در حافظه ذخیره کرده یا ثبات‌ها را به‌روزرسانی کند. شمارنده برنامه (PC) نیز به آدرس دستورالعمل بعدی اشاره می‌کند. CPU این چرخه را به‌طور مداوم تکرار می‌کند.

ویژگی‌های پردازنده های پیشرفته تر 
پردازنده‌های مدرن شامل ویژگی‌های پیشرفته‌ای هستند که عملکرد، کارایی و انعطاف‌پذیری بیشتری را ارائه می‌دهند. برخی از این ویژگی‌ها عبارتند از:

1. چند‌هسته‌ای  (Multi-Core) :
   پردازنده‌های چند‌هسته‌ای دارای هسته‌های فیزیکی متعددی هستند که امکان پردازش هم‌زمان چندین رشته دستورالعمل را فراهم می‌کنند.
2. Hyper-Threading
   این فناوری که توسط اینتل معرفی شده، اجازه می‌دهد هر هسته فیزیکی به‌صورت دو هسته مجازی عمل کند و بهینه‌سازی استفاده از منابع سخت‌افزاری را امکان‌پذیر می‌سازد.
3. دستورالعمل‌های پیشرفته:
   شامل مجموعه دستورالعمل‌هایی برای تسریع وظایف خاص مانند پردازش چندرسانه‌ای، رمزنگاری، و پردازش هوش مصنوعی.