قسمت های مختلف CPU و وظایف آنها

CPU یا پردازنده چیست؟

CPU مخفف “Central Processing Unit” و به معنای “واحد پردازش مرکزی” است. این واحد پردازنده، مغز کامپیوتر است که دستورات داده شده به کامپیوتر را پردازش کرده و به آنها پاسخ می دهد. CPU در واقع یک مدار الکترونیکی است که وظیفه محاسبه و پردازش یکپارچه و اجرای برنامه ها و توابع در کامپیوتر را بر عهده دارد.

CPU باید سیستم عامل را برای انجام هر عملیاتی بر روی کامپیوتر تفسیر کند. هر CPU از یک واحد منطقی و یک واحد کنترل (CU) تشکیل شده است و موارد زیر را اندازه گیری می کند:

• حداکثر تعداد بیت یا دستورالعمل
• سرعت نسبی پردازنده
• امکان پردازش فرامین در زمان مشخص

اجزای CPU

هر پردازنده از ۴ جزء اصلی تشکیل شده است که عبارتند از: واحد ممیز شناور (FPU)، واحد محاسبه و منطق (ALU)، ثبات و حافظه پنهان. در ادامه هر یک از قسمت ها را به طور جداگانه توضیح می دهیم.

۱- واحد ممیز شناور (FPU)

واحد ممیز شناور بخشی از یک سیستم کامپیوتری است که وظیفه انجام عملیات ریاضی ریشه، ضرب، تقسیم، تفریق و جمع بر روی اعداد شناور را بر عهده دارد. این واحد می تواند توابع ماورایی مانند توابع مثلثاتی و نمایی را نیز انجام دهد، اما دقت زیادی ندارند.

۲- واحد محاسبه و منطق (ALU)

وظیفه این واحد که یکی از اجزای اصلی پردازنده است، انجام عملیات محاسباتی و منطقی است. واحد محاسبه و منطق در واقع یک مدار مجتمع در CPU یا GPU (واحد پردازش گرافیکی) است و به همین دلیل به آن واحد عدد صحیح (IU) نیز می گویند. این قسمت آخرین مؤلفه ای است که محاسبات را در پردازنده انجام می دهد.

۳-رجیستر (register)

ثبت پردازنده نوعی حافظه کامپیوتری است که داده ها و دستورالعمل ها را دریافت، انتقال و ذخیره می کند. علاوه بر این رجیستر پردازنده دستورات لازم برای انجام فرآیندها را به واحد محاسبه و منطق می دهد و نتیجه این عملیات را ذخیره می کند.

۴- کش یا حافظه کش

کش یک حافظه کوچک اما بسیار سریع در پردازنده است. وظیفه این حافظه ذخیره کپی از داده ها از مکان های اصلی استفاده است. سه سطح کش وجود دارد: کش L1، L2 و L3. حافظه نهان L3 تراشه اصلی است که روی تراشه پردازنده تعبیه شده است و از آنجایی که این حافظه کوچک است، فضای ذخیره سازی کمی نیز دارد.

L2 یک حافظه ثانویه است که یا بر روی تراشه پردازنده یا روی یک تراشه جداگانه که آن را به CPU متصل می کند نصب می شود. حافظه نهان L3 که در واقع حافظه پشتیبان تخصصی L1 و L2 است و عملکرد آنها را افزایش می دهد، حافظه نهان پردازنده نیز نامیده می شود.

انواع CPU

انواع مختلفی از پردازنده ها وجود دارد که در زیر به آنها اشاره می کنیم:

۱- پردازنده مجموعه دستورات خاص برنامه (ASIP)

این قسمت برای طراحی سیستم بر روی تراشه استفاده می شود. مجموعه دستورات ASIP برای استفاده در برنامه های خاص سفارشی شده است. برخی از دستورات خاص ASIP قابل تنظیم هستند. ASIP می تواند به عنوان جایگزینی برای شتاب دهنده های سخت افزاری برای کدگذاری ویدئو یا پردازش سیگنال باند پایه استفاده شود.

۲- انواع CPU بر اساس طبقه بندی Flynn

در طبقه بندی فلین، پردازنده ها بر اساس تعداد دستورالعمل ها و جریان داده های موجود به دسته های زیر تقسیم می شوند:

۱) SISD – یک دستورالعمل – یک داده

SISD اصطلاحی در معماری کامپیوتر است که در آن یک پردازنده تک هسته ای جریانی از دستورالعمل ها را برای ذخیره داده ها در حافظه اجرا می کند. طبق طبقه بندی فلین، SISD می تواند ویژگی های پردازش همزمان داشته باشد.

در این نوع معماری، دستورات از ماژول حافظه به واحد کنترل ارسال می شود، سپس رمزگشایی شده و در نهایت به واحد پردازش ارسال می شود. واحد پردازش داده های بازیابی شده را از ماژول حافظه پردازش می کند و سپس آن را برمی گرداند. ماشین‌های معمولی تک‌پردازنده‌ای مانند رایانه‌های شخصی، پردازنده‌های اصلی قدیمی، پردازنده‌های خط لوله و پردازنده‌های سوپراسکالر نمونه‌هایی از SSID هستند.

۲) SIMD – یک دستورالعمل – داده های متعدد

SIMD کامپیوتری است که دارای چندین عنصر پردازشی است و به طور همزمان عملیاتی را روی چندین داده انجام می دهد. علاوه بر این، در این نوع کامپیوترها، محاسبات موازی تنها بر روی یک دستورالعمل در یک زمان معین انجام می شود. سرعت پردازش در معماری SIMD بیشتر است و معمولا در طراحی سخت افزارهایی مانند کارت گرافیک از آن استفاده می شود.

۳) MISD- چندین دستورالعمل- یک داده

این اصطلاح نوعی معماری محاسباتی موازی است که در آن چندین واحد عملیات متفاوتی را بر روی یک داده انجام می دهند. در این نوع معماری، هر CU یک جریان فرمان را کنترل می کند و آن را با استفاده از عناصر پردازشی مربوطه پردازش می کند. این نوع معماری به ندرت مورد استفاده قرار می گیرد و معمولاً برای تحمل خطا استفاده می شود. کامپیوتر کنترل پرواز شاتل فضایی نمونه ای از MISD است.

۴) MIMD- چندین دستورالعمل- چند داده

این تکنیک برای رسیدن به موازی سازی استفاده می شود. ماشین های مجهز به معماری MIMD دارای چندین پردازنده هستند که هر کدام به صورت جداگانه و ناهمزمان عمل می کنند. این پردازنده های مستقل هر بار دستورات مختلفی را بر روی چندین داده مختلف اجرا می کنند. این ماشین ها ممکن است از حافظه مشترک یا حافظه توزیع شده بر اساس نحوه دسترسی پردازنده های MIMD به حافظه استفاده کنند.

۳- انواع CPU بر اساس تعداد هسته ها

پردازنده ها بر اساس تعداد هسته ها به انواع زیر تقسیم می شوند:

۱) تک هسته ای

ریزپردازنده های تک هسته ای از یک هسته تشکیل شده اند و از آنجایی که آنها فقط یک رشته را اجرا می کنند، می توانند دستورالعمل ها را فقط یک بار در هر سیکل ساعت اجرا کنند. این نوع پردازنده ها قدرت پردازش پایینی دارند و کاربرد کمتری دارند. بنابراین، پردازنده های چند هسته ای محبوبیت بیشتری دارند.

۲) چند هسته ای

پردازنده چند هسته ای ریزپردازنده ای است که دو یا چند هسته در یک واحد مجتمع دارد. هر کدام از این هسته ها دستورات برنامه را خوانده و اجرا می کنند. در پردازنده های چند هسته ای، یک پردازنده می تواند به طور همزمان دستورالعمل ها را روی هر هسته اجرا کند. به همین دلیل سرعت برنامه هایی که از تکنیک های محاسباتی چند رشته ای و موازی استفاده می کنند افزایش می یابد.

۳) پر ریسکی یا Hyper-Threading

Multithreading نوعی فناوری است که در ریزپردازنده های اینتل استفاده می شود. در این فناوری هر هسته به دو هسته مجزا تقسیم می شود. به این ترتیب هر هسته چندین عملکرد را همزمان اجرا می کند و این باعث افزایش سرعت سیستم می شود.

۴- پردازنده های تخصصی

۱) واحد پردازش گرافیکی (GPU)

واحد پردازش گرافیکی یک مدار الکترونیکی تخصصی است که برای سرعت بخشیدن به فرآیند ایجاد تصاویر در بافرهای فریم برای خروجی روی نمایشگر دستگاه از طریق دستکاری و اصلاح حافظه طراحی شده است. این واحد می تواند میزان پردازش تصویر و گرافیک کامپیوتر را تغییر دهد. در مقایسه با CPU، GPU به دلیل ساختار موازی آن برای پردازش داده های بزرگ به صورت موازی کارآمدتر است. GPU را می توان روی مادربرد یا کارت گرافیک نصب کرد.

۲) واحد پردازش فیزیک (PPU)

PPU که به عنوان کارت شتاب فیزیک نیز شناخته می شود، یک ریزپردازنده تخصصی است که بر خلاف GPU، وظیفه انجام محاسبات فیزیکی را بر عهده دارد. این پردازنده مخصوصاً در موتور فیزیک بازی های رایانه ای استفاده می شود تا بار کارهای پردازشی زمان بر از روی CPU برداشته شود و PPU آنها را انجام دهد. GPU داده های فیزیکی را شبیه سازی کرده و به CPU ارسال می کند. این نوع پردازنده در کامپیوترهایی که کارایی بالایی دارند استفاده می شود.

۳) پردازنده سیگنال دیجیتال (DSP)

DSP یکی دیگر از پردازنده های تخصصی است که برای انجام عملیات پردازش سیگنال طراحی شده است. این پردازنده سیگنال های آنالوگ پیوسته دنیای واقعی را اندازه گیری، فشرده و فیلتر می کند. DSP از نظر مصرف انرژی کارآمدتر عمل می کند و بنابراین می تواند برای پردازش داده های الکترونیکی قابل انتقال استفاده شود.

DSP ها می توانند چندین دستورالعمل و داده را به طور همزمان دریافت کنند. اگرچه این نوع پردازنده از نظر قیمت نسبت به سایر پردازنده ها ارزانتر است، اما در عین حال عملکرد بهتر و تاخیر کمتری دارد و نیازی به خنک کننده اختصاصی یا باتری بزرگتر ندارد.

۴) پردازنده شبکه

پردازنده شبکه یک دستگاه سخت افزاری قابل برنامه ریزی و ویژه است که قیمت و انعطاف پذیری پایین پردازنده های RISC و مقیاس پذیری و سرعت تراشه های ASIC را دارد. این نوع پردازنده قابلیت های CPU های همه منظوره را دارد و برای طراحی اپلیکیشن های شبکه استفاده می شود. فایروال ها، روترها، سوئیچ ها و دستگاه های امنیتی شبکه همگی از پردازنده شبکه استفاده می کنند.

۵) پردازنده فرانت اند (Front end processor)

پردازنده جلویی یک کامپیوتر کوچک است که شبکه ها را به کامپیوتر میزبان متصل می کند. داده ها بین کامپیوتر میزبان و پردازنده جلویی از طریق رابط های موازی با سرعت بسیار بالا منتقل می شوند. این پردازنده بار مدیریت دستگاه جانبی، مونتاژ و جداسازی بسته و همچنین تشخیص و تصحیح خطا را از کامپیوتر میزبان می گیرد. پردازنده جلویی با استفاده از رابط های سریال و از طریق شبکه های ارتباطی با دستگاه های جانبی ارتباط برقرار می کند.