CPU چیست و چگونه کار می کند ؟

زمان مطالعه: 9 دقیقه

در این مطلب قصد داریم CPU را معرفی نموده و طرز کار آن را شرح دهیم. همچنین به شما عزیزان آموزش خواهیم داد که چگونه CPU را در کامپیوتر خود جاگذاری نمایید. تا انتها با ما همراه باشید.

همه چیز درمورد CPU

CPU چیست ؟

هر سیستم اطلاعاتی برای پردازش دستورات (عملکردهای منطقی، ریاضی و ...) نیاز به یک پردازنده (Processor) دارد. این وظیفه در کامپیوترها بر عهده CPU است.

CPU تقریبا تمامی دستورات داده شده بوسیله نرم‌ افزارها و سخت‌ افزارها را با استفاده از عملکردهای منطقی، محاسبات ریاضی و مقایسات پردازش می‌ کند.

CPU با استفاده از یک واحد ALU که مخفف Arithmetic & Logic Unit و به معنای "واحد محاسبه و منطق" است، تمامی دستورات ورودی را محاسبه، مقایسه یا بر طبق عملکردهای منطقی تصمیم گیری کرده و سپس در صورت نیاز، خروجی را تحویل می‌دهد.

این فرایند بر روی ثبات‌ های پردازنده به عنوان میزکار سی پی یو انجام می‌ شود. منظور از عملکردهای ریاضی، همان چند عمل ساده مثل ضرب، تقسیم، جمع و تفریق است.

برای درک بهتر عملکرد CPU، می‌توانید مغز انسان را به یاد آورید. ممکن است انسان بتواند بدون برخی از اعضای دیگر (در کامپیوتر مانند حافظه‌های جانبی و...)، به حیات خود ادامه دهد اما بدون مغز، امکان زندگی صفر است.

در واقع شما نمی‌ توانید هیچ تصمیمی بگیرید، اطلاعات را پردازش کنید، تصاویر را درک کنید، به سایر اعضا دستور بدهید و ... . مغز یک پردازنده قوی همانند CPU است.

در سیستم‌ های بزرگ مانند سرورها ممکن است چندین CPU استفاده شود اما در سیستم های شخصی (PC مخفف Personal Computer ) معمولاً فقط یک فضا (Slot) برای CPU بر روی برد اصلی (Motherboard یا Mainboard) وجود دارد.

هر Motherboard معمولاً فقط یک Slot برای اتصال به CPU دارد که محدوده خاصی از انواع CPU ها را پشتیبانی می‌ کند. یکی از مهم ترین نکاتی که در هنگام خرید Motherboard یا CPU ویا تعویض و آپگرید (Upgrade) پردازنده باید مورد توجه قرار گیرد، نوع پردازنده پشتیبانی شده توسط Motherboard است.

ممکن است پردازنده‌ ای که قصد خرید را دارید، توسط مادربرد شما پشتیبانی نشود.

CPU چگونه کار می‌کند ؟

در پروسه پردازش دستورات در CPU چهار مرحله اصلی وجود دارد. این چهار مرحله اصلی به ترتیب اجرا شده و فرآیند پردازش دستور به اتمام می‌ رسد.

مرحله اول: فراخوانی

در مرحله اول، پردازنده دستوری که باید پردازش کند را از طرف حافظه مربوط به یک برنامه (از طریق RAM یا به صورت مستقیم) دریافت می‌کند. این برنامه ممکن است در حداقل شرایط یک دستور و در حداکثر شرایط بی نهایت دستور را برای پردازش به CPU ارسال کند. به همین دلیل هر یک از این دستورها باید در محل‌های جداگانه آدرس دهی شوند.

اما مشکل اینجاست که واحد پردازشی CPU نمی‌داند کدام دستورات را در کدام یک از آدرس ها باید به ترتیب اجرا کند. برای حل این مشکل یک واحد دیگر به نام PC که مخفف عبارت Program Counter به معنای "شمارنده برنامه" است، وجود دارد.

این واحد مسئول حفظ ترتیب و وضعیت دستوراتی است که به پردازنده ارسال می‌شوند. به طور ساده، واحد پردازشی CPU هر یک از آدرس‌هایی که برای پردازش نیاز دارد را از طریق این واحد شمارنده بدست می‌آورد.

مرحله دوم: رمزگشایی

پس از دریافت دستورات، CPU باید بتواند این دستور را درک کند. واحد پردازنده CPU دستورات را در حالت کدهایی OP (به معنای کدهای پردازشی یا Operation Codes) می‌تواند پردازش کند. کدهای پردازشی زبان قابل درک ماشین و سخت افزارها هستند.

نوشتن برنامه‌ها به زبان باینری بسیار سخت است به همین خاطر زبان‌های برنامه نویسی سطح بالایی وجود دارد که نوشتن برنامه را آسان‌تر می‌کند. زبان‌های برنامه نویسی مختلفی وجود دارد که سازندگان برنامه‌ها می‌توانند از آن‌ها استفاده کنند.

به همین دلیل واحدی به نام Assembler (تبدیل کننده به اسمبلی) وجود دارد که ابتدا دستورات را به زبان سطح پایین اسمبلی (Assembly) تبدیل کرده سپس واحد دیگری این دستورات اسمبلی را به کدهای OP تبدیل می‌کند. حال این دستورات که به صورت کدهای OP در آمده اند، آماده پردازش در واحد پردازنده CPU هستند.

مرحله سوم: پردازش و اجرا

مرحله سوم و البته مهم ترین مرحله، پردازش و اجرا است. در این مرحله واحد پردازنده CPU یک دستور باینری را از یک آدرس مخصوص در دست دارد. این واحد تمامی دستورات را به کمک واحد ALU (مخفف Arithmetic & Logic Unit و به معنای "واحد محاسبه و منطق")، پردازش می‌کند.

ممکن است در حین پردازش، نیاز به یک دستور دیگر باشد که در این صورت Program counter دستور مورد نیاز را در اختیار واحد پردازنده CPU قرار می‌دهد یا ممکن است واحد پردازش، دستورات را برای زمان دیگری در ثبات‌های (Registers) داخلی خود ذخیره کند.

مرحله چهارم: بازنویسی

معمولا هر دستور یک مقدار خروجی دارد که در این مرحله این مقدار خروجی در حافظه جانبی کامپیوتر (مانند هارد دیسک‌ها، دیسک‌های حالت جامد و...) ذخیره یا به سایر قطعات ارسال می‌شود. برای نمونه فرض کنید که یک دستور برای نشان دادن یک عبارت به CPU برای پردازش ارسال می‌شود.

CPU پس از پردازش این دستور، همان عبارت را به عنوان خروجی بازمی‌گرداند یا به فرض، یک عمل ریاضی به عنوان مثال ۲ ضرب در ۲ به CPU برای پردازش ارسال می‌شود. حال CPU پس از پردازش عدد ۴ را به عنوان خروجی برمی‌گرداند.

در اغلب موارد، CPU این مقدار خروجی را که از مرحله اجرا و پردازش بدست آورده است را در ثبات‌های خود ذخیره می‌کند. با این کار، CPU می‌تواند از این خروجی‌ها به سرعت در دستورات دیگر استفاده کند. فرض کنید یک عملیات مقایسه به CPU برای پردازش ارسال می‌شود.

در این گونه موارد، CPU از مقادیر خروجی قبلی که در ثبات‌ های خود ذخیره کرده استفاده می‌کند تا نتیجه مقایسه را در یکی از ثبات‌های دیگر خود، یا به عنوان خروجی باز گرداند.

در این چهار مرحله اصلی، پردازنده فقط یک دستور که از Program Counter ارسال شده را پردازش می‌کند. پس از اتمام این چهار مرحله، در صورتی که دستور دیگری در صف پردازش وجود داشته باشد، توسط PC به سی پی یو داده می‌شود و مراحل از اول شروع می‌شوند تا زمانی که تمامی دستورات پردازش شوند.

طریقه ی جاگذاری CPU در داخل کامپیوتر

با استفاده از یک نرم افزار تشخیص دهنده و یا با مطالعه ی صفحه ی شروع به کار تشخیص دهید که نوع CPU کامپیوتر شما چیست. علاوه بر این، شما می توانید با باز کردن کیس و نگاه کردن به تراشه نوع آن را تشخیص دهید. برچسب روی تراشه را با دقت نگاه کنید تا شرکت تولید کننده، مدل و سرعت آن را متوجه شوید. اگر در بالای CPU هیت سینک یا یک فن نصب شده است، برای خواندن برچسب روی CPU باید ابتدا این قطعات را باز کنید
کامپیوتر را خاموش کرده و سپس اتصالات کیس را جدا کنید.
پیچ های روی پنل دسترسی کیس را باز کنید و سپس پنل را از آن جدا نمایید. پنل را کنار بگذارید و آن را در محلی ایمن قرار دهید.
با لمس کردن دستگیره ی در و یا هر وسیله ی متصل به زمین دیگر، تمام الکتریسیته ی ساکن موجود در بدن و لباس های خود را تخلیه کنید.
محل قرار گرفتن تراشه ی CPU را پیدا کنید. این تراشه در داخل یک سوکت روی مادربرد نصب شده است و بسته به مدل کامپیوتر شما شکل این سوکت متفاوت خواهد بود. بعضی از تراشه های CPU به مادربرد لحیم شده اند و فقط با جدا کردن مادربرد و نصب یک مادربرد جدید می توان آن ها را تعویض کرد.
این نوع تراشه ها CPU اختصاصی نامیده می شوند.
دفترچه راهنمای کامپیوتر خود را مطالعه کنید تا بفهمید که آیا CPU شما از نوع اختصاصی است یا خیر. اگر در داخل دفترچه نوشته شده است که در هنگام تعویض یا ارتقای CPU خود با شرکت تولید کننده ی کامپیوتر مشورت کنید، به احتمال زیاد کامپیوتر شما دارای یک CPU اختصاصی است.
در صورت لزوم برای دسترسی کامل به CPU همه ی قطعاتی همچون هارد درایو یا کارت های (مدارهای کوچک) موجود در شکاف بسط را جدا کنید. در کامپیوترهای جدید فقط با باز کردن چند پیچ و جدا کردن پنل می توانید به راحتی به مادربرد دسترسی پیدا کنید.
اگر تراشه با هیت سینک یا فن خنک کننده پوشیده شده است، برای دسترسی به آن ابتدا باید این قطعات را جا کنید. پس از این که به صورت واضح CPU را دیدید اهرمی را که روی سوکت Zero Insertion Force ( سوکتی که برای جا زدن آن نیروی بسیار کمی لازم است ) است با دقت اما محکم به طرف بالا هل دهید.
این اهرم معمولاً در کنار تراشه قرار دارد. بعضی از تراشه ها دارای گیره هایی نیز هستند که آن ها هم باید باز شوند. دفترچه راهنمای کامپیوتر خود را مطالعه کنید تا از اجزای تشکیل دهنده ی CPU مطلع شوید.
در هنگام جا گذاری CPU جدید دقت کنید که قسمت مربعی شکل دارای پین های ریز را روی جایگاه مخصوص خود قرار دهید. معمولاً روی طرف دیگر تراشه یک نشانه یا مارک CPU چاپ می شود تا محل اتصال CPU به سوکت مشخص باشد.
روی این پردازنده صدها پین وجود دارد که با اتصال به سوکت ارتباط پردازنده با مادربرد را میسر می کنند. توجه داشته باشید که هنگام اتصال مجدد هیت سینک باید مقدار اندکی چسب حرارتی روی قسمت بالایی CPU بریزید.
در هنگام خرید با فروشنده صحبت کنید که در صورت سازگار نبودن تراشه و یا وجود مشکل در آن، تراشه را برایتان تعویض کند. پس از نصب CPU و جاگذاری قطعات در جای خود مطمئن شوید که تراشه با کامپیوتر شما سازگار است.