هر آنچه درباره CPU

در این مقاله قصد داریم از CPU یا پردازنده صحبت کنیم . بگوییم که ساختار آن ها به چه صورت است و چگونه کار می کنند . در آخر نیز دو کمپانی ابرقدرت تولید کننده ی CPU های کامپیوتر یعنی Intel و AMD را با یکدیگر مقایسه می کنیم .

ابتدا به این موضوع می پردازیم که اصلا پردازنده چیه ؟

پردازنده یا CPU چیست ؟

همانطور که اغلب شما می دانید CPU مخفف Central Processing Unit و به معنای واحد پردازش مرکزی است. این قطعه که به عنوان مغز کامپیوتر نیز از آن یاد می شود ، همانند مغز انسان که اعضای بدن انسان را کنترل می کند ، قطعات موجود در کامپیوتر را کنترل می کند ، یا به عبارتی دیگر آن را اداره می نماید . جنس CPU از سیلیکون است که بعد از اکسیژن ، فراوان ترین عنصر در پوسته ی زمین است.

شاید برایتان جالب باشد که در برخی از مدل های CPU بیش از یک میلیارد ترانزیستور قرار گرفته است . چجوری !؟ با استفاده از تکنولوژی نانو . برای مثال برروی برخی از پردازنده های نسل پنج Core i7 اینتل حدود 1.9 میلیارد ترانزیستور جای گرفته است که نشان از ساختار فوق العاده پیچیده و اعجاب انگیز آن دارد !!!

واحد محاسبه و منطق یا ALU

ALU مخفف Arithmetic & Logic Unit و به معنای واحد محاسبه و منطق می باشد که یکی از بخش های CPU است. اگر بخواهیم خیلی ساده کار این بخش را توضیح دهیم باید بگوییم ، این واحد دستورات را از ورودی دریافت و با استفاده از عملگرهای ریاضی و منطقی و همینطور ثبات ها ، پردازش های لازم را برروی آن انجام می دهد و در صورت نیاز به خروجی تحویل می دهد. جالب اینجاست که با استفاده از جمع و تفریق تمام عملیات ریاضی انجام می شود .( ضرب با استفاده از عملگر جمع و تقسیم با استفاده از عملگر تفریق انجام می شود)

واحد کنترل یا CU

این واحد قسمتی از پردازنده است که کنترل جریان داده ها را در CPU و همچنین عملیات سایر قسمت ها را انجام می دهد . در برخی از منابع از آن به عنوان مغز پردازنده نیز یاد می شود.

کش یا Cache

قسمت دیگری به نام Cache در CPU قرار دارد که در واقع یک حافظه ی فوق العاده سریع و گران است . وظیفه ی این حافظه ، نگهداری داده هایی است که پردازنده زیاد با آن ها سر و کار دارد چرا که خواندن این داده ها از RAM باعث کندی عمل پردازش می شود . CPU هایی که امروزه در بازار موجود هستند ، معمولا 3 لایه کش با نام های L1 و L2 و L3 وجود دارد که L1 نزدیک ترین حافظه به پردازنده است و پس از آن به ترتیب L2 و L3 قرار دارند. پردازنده ها برای دستیابی به داده ی مورد نظر خود ، ابتدا کش سطح 1 و پس از آن سطح های 2 و 3 را مورد جستجو قرار می دهند که اگر آن در این حافظه ها موجود نبود ، به سراغ رم می روند.

کش سطح 1 یا L1 Cache

کش سطح یک ، اصلی ترین حافظه ی کش و همانطور که گفته شده نزدیک ترین حافظه به پردازنده است. L1 بالاترین سرعت و همچنین کمترین حافظه را در میان 3 کش دارد .

کش سطح 2 یا L2 Cache

به L2 Cache ، کش ثانویه نیز گفته می شود که پس از L1 Cache نزدیک ترین حافظه به پردازنده است . سرعت L2 از L1 کمتر است ولی حافظه ی بیشتری را نسبت به آن دارد.

کش سطح 3 یا L3 Cache

آخرین سطح از حافظه های کش L3 Cache نام دارد که در میان هسته های CPU به صورت Share شده قرار دارد. وقتی برای خرید یک پردازنده به بازار مراجعه می کنیم ، فروشنده به ما می کنید که فلان CPU دارای مثلا 8 مگابایت کش است. این کش همان L3 Cache می باشد.

برای آشنایی بیشتر با کش پردازنده میتوانید به مقاله زیر مراجعه نمایید:

منظور از هسته ی پردازنده چیست ؟

وقتی می گوییم که پردازنده ای 4 هسته ای با فرکانس کاری 2.3 گیگاهرتز است ، در حقیقت انگار 4 تا پردازنده به صورت جداگانه داریم که قدرت هر هسته برابر با 2.3 GHz می باشد و هر کدام به صورت تفکیک شده داده ها را پردازش می کنند. امروزه اکثر CPU هایی که در بازار موجود هستند چند هسته ای هستند و به ندرت می توان CPU تک هسته ای پیدا کرد . لازم به  ذکر است که تعداد هسته های بیشتر بدین معنا نیست که کارایی پردازنده نیز افزایش می یابد ، چرا که می بایست نرم افزارها نیز پردازش موازی پشتیبانی کنند.

سرعت پردازنده یا CPU Speed

همه ی ما هنگام خرید یک CPU ، به اولین چیزی که نگاه می کنیم ، سرعت آن است. سرعت پردازنده که به آن Clock یا کلاک CPU نیز گفته می شود ، بر حسب هرتز (Hertz) محاسبه می شود که به معنای این است که این پردازنده می تواند در هر ثانیه چه تعداد دستوری را اجرا کند.

یک مثال ساده :

فرض کنید یک پردازنده ی 2 هسته ای داریم که قدرت هر هسته ی آن 1 GHz است . به نظر شما این CPU حداکثر چه تعداد دستوری را در یک ثانیه می تواند انجام دهد ؟

جواب : این CPU می تواند حدود 2,150,000,000 دستور را در یک ثانیه انجام دهد !

CPU چگونه کار می کند ؟

CPU برای پردازش یک دستور به طور کلی 4 عمل و در برخی از موارد به 5 عمل را انجام می دهد که به صورت خلاصه هر کدام را توضیح خواهیم داد :

1- واکشی دستور یا Fetch : در این مرحله دستوری که می بایست پردازش شود ، از RAM فراخوانی شود.

2- رمزگشایی یا Decode : در این مرحله می بایست به منظور درک CPU ، دستور برای آن به کدهایی قابل فهم تبدیل شود که به آن رمزگشایی می گویند.

3- برداشت داده : گاهی اوقات ممکن است که برای اجرای یک دستور، نیاز به خواندن داده از دستگاه های ورودی / خروجی باشد . این مرحله در برخی از موارد ممکن است رخ ندهد.

4- پردازش داده یا Execute : برای اجرای هر دستور می بایست برخی از کارهای محاسباتی ویا منطقی برروی آن صورت گیرد ، که همان پردازش داده است.

5- نوشتن نتیجه یا Write back : پس از انجام عملیات پردازش ، یا نتیجه برای انجام سایر دستورات ذخیره می شود ویا در ماژول های ورودی خروجی نوشته می شود.

مقایسه ی پردازنده های Intel و AMD :

کمپانی های اینتل و AMD در حال حاضر دو غول صنعت تولید پردازنده هستند که با یکدیگر رقابت شدیدی دارند . اما در کل همیشه اینتل در این رقابت از رقیب خود پیشی گرفته است. جالب است که بدانید تاسیس این دوشرکت فقط یک سال با یکدیگر تفاوت دارد ، به عبارتی دیگر اینتل در سال 1968 و AMD در یک سال بعد یعنی سال 1969 تاسیس شده است.

اگر بخواهیم تفاوت های پردازنده های این دو کمپانی را به صورت خلاصه بیان کنیم ، باید بگوییم :

1- پردازنده های Intel قیمت بالاتری از پردازنده های شرکت AMD دارند.

2-L2 Cache پردارنده های کمپانی Intel معمولا 2 برابر CPU های شرکت AMD است که به همین دلیل قیمت بالاتری نسبت به AMD دارند.

3- در بسیاری از موارد پردازنده های کمپانی Intel عملکرد بسیار بهتری نسبت به AMD دارند که می توانید بنچمارک مربوط به پردازنده های این دو کمپانی را با زدن لینک زیر مشاهده کنید.

منبع:CPU Benchmarks