آیا می دانید؛ CPU چیست و چطور عمل می کند؟!

به گزارش گروه فضای مجازی، CPU یا همان واحد پردازش مرکزی رایانه در میان متخصصان به مغز معروف است و کارایی‌های مخصوص به خود را دارد که قصد دارد تا به معرفی آن و همچنین نحوه عملکردش بپردازد.

CPU چیست؟

واحد پردازش مرکزی (CPU) که از آن با عنوان مغز رایانه یاد می‌شود، تنها واحد پردازشی رایانه نیست؛ اما مهم‌ترین آن‌ها به شمار می‌رود. سی‌پی‌یو در واقع آن بخش از رایانه است که اقدامات، محاسبات و اجرای برنامه‌ها را بر عهده دارد.

سی‌پی‌یو داده‌های دستوری را از RAM دریافت، کدگشایی و پردازش می‌کند و تحویل می‌دهد. سی‌پی‌یو در انواع و اقسام دستگاه‌ها از رایانه و لپ‌تاپ گرفته تا گوشی هوشمند، تبلت و تلویزیون هوشمند وجود دارد. این تراشه‌ی کوچک و معمولا مربع‌شکل روی بورد اصلی دستگاه‌ها قرار می‌گیرد و با سایر سخت‌افزار‌ها برای اجرای رایانه‌ی شما در تعامل است.

یکی از اجزای اصلی CPU، واحد محاسبه و منطق (ALU) است که وظیفه اجرای اعمال محاسباتی و اعمال منطقی را بر عهده دارد. واحد ALU همچنین شامل ثبّات‌ها (Registers) است که وظیفه تغذیه عملوند‌ها به ALU و ذخیره نتایج عملکرد آن را بر عهده دارند. واحد ALU همچنین شامل یک واحد کنترلی است که وظیفه تنظیم واکِشی (Fetching) و اجرای دستورالعمل‌ها (از داخل مموری) را از طریق هدایت هماهنگ به ALU، رجیستر‌ها و سایر اجزا بر عهده دارد.

باید بدانید که اکثر CPU‌های جدید ریزپردازنده‌ای هستند، که در آن CPU بر روی یک مدار مجتمع (IC) تنهای ساخته شده از نیمه رسانای-فلز-اکسید قرار داده می‌شود.

یک IC علاوه بر CPU ممکن است شامل حافظه، رابط‌های جانبی و دیگر اجزای رایانه باشد؛ این چنین تجهیزات مجتمعی را معمولاً میکروکنترلر یا SoC (سیستم روی یک تراشه) می‌خوانند. در بعضی رایانه‌ها از پردازنده‌های چندهسته‌ای استفاده می‌شود. این پردازنده‌ها شامل یک مدارمجتمع هستند که شامل دو یا چند "هسته" یا "core" می‌باشند.

CPU چطور کار می‌کند؟

از نخستین پردازنده‌هایی که ظهور کردند، تاکنون پیشرفت‌های زیادی در طول سالیان حاصل شده است که با این وجود، عملکرد پایه‌ی سی‌پی‌یو شامل سه گام واکشی (Fetch)، رمزگشایی (Decode) و اجرا (Execute) به قوت خود باقی مانده است.

• واکشی (Fetch)

واکشی به دریافت دستورالعمل گفته می‌شود؛ دستورالعملی که در غالب صفر و یک و از طریق رم به سی‌پی‌یو ارسال می‌شود. هر دستور تنها بخش کوچکی از یک عملیات است. بنابراین، سی‌پی‌یو نیازمند این است که بداند دستورالعمل بعدی چیست. نشانی دستور فعلی توسط یک شمارشگر برنامه (PC) نگه داشته می‌شود. سپس PC و دستورالعمل‌ها در قسمت ثبت دستور (IR) قرار می‌گیرند. بعد از آن طول PC افزایش پیدا می‌کند تا به نشانی دستورالعمل بعدی ارجاع دهد.

• رمزگشایی (Decode)

وقتی یک دستور، واکشی و در IR ذخیره می‌شود، سی‌پی‌یو دستور را به مداری به نام رمزگشای دستور منتقل می‌کند. این مدار دستور را به سیگنال‌هایی تبدیل می‌کند که برای فعالیت به بخش‌های دیگر سی‌پی‌یو فرستاده می‌شود.

• اجرا (Execute)

در گام نهایی، دستورات رمزگشایی شده برای تکمیل به بخش‌های مربوطه در سی‌پی‌یو ارسال می‌شوند. نتایج معمولا در بخشی از سی‌پی‌یو ثبت می‌شوند تا در دستورالعمل‌های آتی به آن‌ها رجوع شود. برای درک بهتر می‌توانید این روند را به عملکرد حافظه‌ی ماشین حساب تشبیه کنید.

معرفی انواع CPU

• CPU‌های ترانزیستوری

پردازنده و حافظه مغناطیسی و رابط BUS رایانه DEC PDP-۸/I که از مدار‌های الکتریکی سایز متوسط ساخته شده‌اند.

پیچیدگی طراحی پردازنده‌ها هم‌زمان با افزایش سریع فناوری‌های متنوع که ساختار‌های کوچک‌تر و قابل اطمینان تری را در وسایل الکترونیک باعث می‌شد، افزایش یافت.

اولین موفقیت با ظهور اولین ترانزیستور‌ها حاصل شد. پردازنده‌های ترانزیستوری در طول دهه‌های ۵۰ و ۶۰ میلادی زمان زیادی نبود که اختراع شده بود و این در حالی بود که آن‌ها بسیار حجیم، غیرقابل اعتماد و دارای المان‌های سوئیچینگ شکننده مانند لامپ‌های خلأ و رله‌های الکتریکی بودند و با چنین پیشرفتی پردازنده‌هایی با پیچیدگی و قابلیت اعتماد بیشتری بر روی یک یا چندین برد مدار چاپی که شامل قسمت‌های تفکیک شده بودند ساخته شدند.

• CPU‌های تجمیع اندازه-کوچک

در این دوره روشی برای ساخت و تجمیع تعداد زیادی ترانزیستور در یک فضای کوچک ساخته شد. مدار مجتمع (IC) این قابلیت را فراهم ساخت تا بتوان تعداد زیادی ترانزیستور را بر روی یک دای از جنس نیمه رسانا، یا «چیپ» جانمایی کرد. در ابتدا مهندسان فقط قادر بودند تعداد کمی از مدار‌های ساده دیجیتال مانند NOR Gate‌ها را بر روی IC‌ها کوچک نمایی و جانمایی کنند.

CPU‌هایی که طبق این IC‌ها ساخته شدند را معمولاً «CPU‌های تجمیع اندازه-کوچک» می‌نامند.

• CPU‌های تجمیع اندازه-بزرگ

ماسفت (MOSFET) که "ترانزیستور MOS" نیز خوانده می‌شود، در سال ۱۹۵۹ ساخته و در ۱۹۶۰ معرفی شد. این اختراع منجر به ساخت مدارمجتمع MOS شد.

به دلیل قایلیت کوچکسازی بالا و مصرف انرژی خیلی پایینتر و چگالی خیلی بالاتر آن نسبت به ترانزیستور‌های پیوند دوقطبی ماسفت ساخت مدار‌های مجتمع تراکم-بالا را فراهم کرد.

: انتشار مطالب و اخبار تحلیلی سایر رسانه‌های داخلی و خارجی لزوماً به معنای تایید محتوای آن نیست و صرفاً جهت اطلاع کاربران از فضای رسانه‌ای منتشر می‌شود.