پردازنده مرکزی (CPU) در دستگاه های مختلف چه نقشی دارد؟

این مقاله به بررسی نحوه عملکرد پردازنده مرکزی و نقش حیاتی آن در انواع مختلف دستگاه‌ها از جمله میکروکنترلرها، تلویزیون‌های هوشمند، سیستم‌‌های مخصوص بازی و مراکز داده مورد استفاده در هوش مصنوعی می‌پردازد. در ادامه، اجزای تشکیل‌دهنده CPU، معماری‌های گوناگون آن و همچنین نحوه تعامل آن با سایر قطعات سخت‌افزاری مورد بحث و بررسی قرار خواهد گرفت.

پردازنده مرکزی چگونه کار می‌کند؟

در قلب هر CPU، مجموعه‌ای از اجزای کلیدی قرار دارند که با همکاری یکدیگر، امکان پردازش اطلاعات را فراهم می‌کنند. این اجزا شامل واحد کنترل (Control Unit)، واحد محاسباتی و منطقی (Arithmetic Logic Unit – ALU) واحد کنترل حافظه و مجموعه‌ای از ثبات‌ها (Registers) می‌شوند.

واحد کنترل، وظیفه مدیریت فرآیند پردازش دستورالعمل‌ها و هماهنگی جریان داده‌ها را در داخل CPU و بین سایر اجزای کامپیوتر بر عهده دارد. این واحد، دستورالعمل‌های واکشی (Fetch) شده از حافظه را تفسیر کرده و آن‌ها را به ریز-عملیاتی تبدیل می‌کند که CPU قادر به اجرای آن‌ها باشد.

واحد محاسبه و منطقی، وظیفه انجام عملیات حسابی (مانند جمع، تفریق، ضرب و تقسیم) و عملیات منطقی (مانند AND، OR و NOT) بر روی داده‌ها را بر عهده دارد. ثبات‌ها، مکان‌های ذخیره‌سازی حافظه با سرعت بالا در داخل CPU هستند که داده‌های مورد استفاده در حال حاضر را نگهداری کرده و دسترسی سریع به آن‌ها را تسهیل می‌کنند.

عملکرد CPU بر اساس یک چرخه اساسی به نام چرخه واکشی-رمزگشایی-اجرا (Fetch-Decode-Execute Cycle) صورت می‌گیرد. در مرحله واکشی، CPU دستورالعمل بعدی را از حافظه اصلی (RAM) دریافت می‌کند. این دستورالعمل‌ها به صورت کدهای باینری هستند که وظایف یا عملیات خاصی را برای CPU مشخص می‌کنند.

در مرحله رمزگشایی، واحد کنترل دستورالعمل واکشی شده را تفسیر کرده و عملیات مورد نظر را تعیین می‌کند. همچنین، اجزای خاص CPU مورد نیاز برای انجام این وظیفه را شناسایی می‌کند. در مرحله اجرا، CPU عملیات مشخص شده را بر روی داده‌ها انجام می‌دهد. این عملیات شامل انجام محاسبات ریاضی، مقایسه‌های منطقی، دستکاری داده‌ها یا انتقال داده‌ها بین ثبات‌ها یا مکان‌های حافظه است.

پس از اجرای دستورالعمل، CPU ممکن است نیاز به ذخیره نتایج در حافظه یا به‌روزرسانی ثبات‌های خاص با داده‌های جدید داشته باشد. این چرخه به طور مداوم تکرار می‌شود و CPU دستورالعمل‌ها را به صورت متوالی واکشی، رمزگشایی و اجرا می‌کند.

در همین رابطه بخوانید:

در گذشته، پردازنده‌ها معمولاً دارای تک‌ هسته‌ای (single-core) بودند، اما امروزه اکثر CPUها چند هسته‌ای (multi-core) هستند. هر هسته، یک واحد پردازشی مستقل در داخل CPU است که می‌تواند دستورالعمل‌ها را به طور مستقل اجرا کند. این امر امکان انجام چند وظیفه به طور همزمان را فراهم کرده و عملکرد کلی سیستم را به طور چشمگیری بهبود می‌بخشد.

علاوه بر این، برخی از پردازنده‌ها از فناوری Hyper-Threading (یا Simultaneous Multi-Threading) استفاده می‌کنند که به هر هسته فیزیکی اجازه می‌دهد تا به عنوان دو هسته مجازی در سیستم عامل ظاهر شود. این امر به نرم‌افزارها اجازه می‌دهد تا از منابع سخت‌افزاری موجود به طور کارآمدتری استفاده کنند.

معماری‌های مورد استفاده در پردازنده‌ها

معماری CPU به طراحی و ساختار داخلی آن اشاره دارد. دو معماری اصلی CPU که در حال حاضر به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند عبارتند از x86 و ARM. معماری x86 عمدتاً در کامپیوترهای رومیزی، لپ‌تاپ‌ها و سرورها استفاده می‌شود و به  داشتن قدرت پردازشی بالا و توانایی در مدیریت حجم کاری سنگین شناخته شده است.

در مقابل، معماری ARM به دلیل مصرف انرژی پایین و کارایی بالا، به طور گسترده در دستگاه‌های تلفن همراه و سیستم‌های نهفته (embedded systems) مورد استفاده قرار می‌گیرد. البته این نگاه کلیشه‌ای به معماری‌های x86 و ARM در سال‌های اخیر دستخوش تغییراتی شده است و شاهد ساخت پردازنده‌های کم مصرف x86 مثل Lunar Lake اینتل و همچنین پردازنده سرور و PC مبتنی بر معماری ARM توسط شرکت‌هایی مثل Qualcomm و Ampere هستیم. معماری متن‌باز RISC-V نیز به عنوان یک گزینه انعطاف‌پذیر که شرکت‌ها می‌توانند به دلخواه خود آن را تغییر دهند، در حال ظهور است.

CPU در میکروکنترلرها: مغز متفکر سیستم‌های نهفته و دستگاه‌های هوشمند

میکروکنترلرها در واقع سیستم‌های کوچک و بر روی یک تراشه (SoC) هستند که شامل یک هسته CPU، حافظه و تجهیزات جانبی می‌باشند. این دستگاه‌ها به طور گسترده در سیستم‌های نهفته و دستگاه‌های هوشمند مورد استفاده قرار می‌گیرند. هسته CPU در میکروکنترلرها، وظیفه اجرای برنامه‌های خاصی را بر عهده دارد که عملکرد دستگاه را کنترل می‌کنند.

در همین رابطه بخوانید:

از آنجا که میکروکنترلرها برای انجام وظایف خاصی طراحی شده‌اند، CPU آن‌ها معمولاً برای بهینه‌سازی مصرف انرژی و هزینه، نسبت به پردازنده‌های مورد استفاده در کامپیوترهای شخصی، ساده‌تر و ضعیف‌تر است و در بیشتر موارد از پردازنده‌هایی با معماری ARM در آنها استفاده می‌شود.

لوازم خانه هوشمند مانند ترموستات‌، چراغ‌ها و جاروبرقی‌های هوشمند، از میکروکنترلرها برای کنترل و اتوماسیون عملکردهای خود بهره می‌برند. علاوه بر این، سیستم‌های کنترل صنعتی و خودروهای مدرن نیز به طور گسترده از میکروکنترلرها برای مدیریت و کنترل عملکردهای مختلف خود استفاده می‌کنند. بعضی از وظایف CPU در اینگونه دستگاه‌ها عبارت است از:

پردازش داده‌های حسگر و ناوبری: این دستگاه‌ها معمولاً مجهز به مجموعه‌ای از حسگرها مانند حسگرهای نزدیکی، ضربه، لبه و حتی دوربین یا LiDAR هستند. CPU به‌طور مداوم داده‌های ورودی از این حسگرها را خوانده و به صورت همزمان (Realtime) تجزیه و تحلیل می‌کند تا دما، موقعیت و سایر پارامترهای مورد نیاز برای عملکرد دستگاه را به دست آورد.

کنترل موتور و فعال‌سازی رله‌ها: با توجه به داده‌های پرداز ‌شده و الگوریتم‌های از پیش برنامه‌ریزی شده، CPU مدارهای جانبی برای کنترل تجهیزات جانبی مثل رله‌های سیستم‌های سرمایشی و گرمایشی،  یا موتورهای جاروبرقی هوشمند را فعال می‌کند.

ارتباطات و اتصال: در برخی مدل‌ها، قابلیت‌های ارتباطی مثل Wi-Fi و بلوتوث اجازه می‌دهد تا دستگاه از طریق اپلیکیشن‌های موبایل یا دستیارهای صوتی کنترل شود. CPU میکروکنترلر در این موارد علاوه بر مدیریت عملیات داخلی، ارتباطات شبکه و پردازش پروتکل‌های ارتباطی نیز کنترل می‌کند.

CPU در دستگاه‌های سرگرمی و تلویزیون‌های هوشمند

در گذشته نه چندان دور، تلویزیون‌ تنها یک گیرنده بود که وظیفه رمزگشایی و پخش سیگنال صوت و تصویر ورودی را داشت. اما تلویزیون‌های هوشمند امروزی، قادر به اجرای سیستم عامل، برنامه‌های کاربردی و اتصال به شبکه هستند. CPU در یک تلویزیون هوشمند، وظایف متعددی را بر عهده دارد که آن را از یک نمایشگر ساده به یک مرکز چندرسانه‌ای قدرتمند تبدیل می‌کند:

مدیریت سیستم‌عامل و برنامه‌ها: همانند رایانه و گوشی موبایل، تلویزیون‌های هوشمند از سیستم‌عامل‌های مخصوص به خود مانند Android TV، Tizen یا webOS استفاده می‌کنند و امکان اجرای برنامه‌هایی از جمله Netflix، Youtuve را دارند که هیچ یک اینها بدون CPU امکان‌پذیر نیست. از اجرای فرآیندهای پس‌زمینه و مدیریت حافظه گرفته تا تضمین کارکرد روان برنامه‌ها مانند Netflix، YouTube، مرورگرهای اینترنتی و اپلیکیشن‌های بازی.

در همین رابطه بخوانید:

رابط کاربری و اتصالات: پاسخگویی سریع و روان واسط کاربری (UI) تلویزیون هوشمند به شدت وابسته به عملکرد CPU است. پردازنده ورودی‌های کاربر از ریموت کنترل را پردازش می‌کند، منوها را هدایت کرده و عناصر گرافیکی UI را رندر می‌نماید. علاوه بر این، CPU در پردازش فرمان‌های صوتی، یکپارچه‌سازی با سیستم‌های خانه هوشمند (مانند کنترل نور و دما)، مدیریت اتصال شبکه Wi-Fi، Ethernet و دستگاه‌های جانبی مانند درایوهای USB یا بلندگوهای خارجی نقش حیاتی دارد.

نقش CPU در اجرای بازی‌ها

در سیستم‌های گیمینگ، علاوه بر CPU، واحد پردازش گرافیکی (Graphics Processing Unit – GPU) نیز نقش بسیار مهمی ایفا می‌کند. درک تفاوت‌های آن‌ها کلید درک نحوه رندر و اجرای بازی‌ها در سیستم‌های مدرن است.

در اینجا شرحی از مسئولیت‌های CPU در اجرای روان بازی‌ها آمده است:

منطق بازی: پردازنده مرکزی مسئول «قوانین» بازی است. این پردازنده تضمین می‌کند که یک بازی همان‌طور که طراحان در نظر داشتند رفتار کند. به عنوان مثال، در یک بازی استراتژیک، پردازنده مرکزی ممکن است مسئول مدیریت منابع، کنترل شخصیت‌های غیرقابل بازی (NPCها)، یا تعیین نتیجه نبردها بر اساس قوانین بازی باشد.

محاسبات فیزیک: در بسیاری از بازی‌ها، فیزیک واقع‌گرایانه برای تجربه گیم‌پلی بسیار مهم است. پردازنده مرکزی ممکن است مسئول محاسبه مسیر پرتاب یک تیر در یک بازی تیر و کمان، نیروی انفجار در یک بازی تیراندازی اول شخص، یا جاذبه در یک بازی اکتشاف فضایی باشد.

رفتار هوش مصنوعی: در بازی‌هایی با تعداد زیادی NPC، پردازنده مرکزی اغلب رفتار حریفان هوش مصنوعی را کنترل می‌کند. این رفتارها ممکن است شامل تعیین حرکات، واکنش‌ها یا استراتژی‌های آن‌ها بر اساس اقدامات بازیکن و قوانین بازی باشد.

پردازش ورودی: هر بار که یک دکمه را فشار می‌دهید یا ماوس خود را حرکت می‌دهید، پردازنده مرکزی شما است که این ورودی را به یک عمل در بازی ترجمه می‌کند.

پردازش صدا: فعال کردن جلوه‌های صوتی در زمان مناسب یا تنظیم صدا بر اساس موقعیت بازیکن در دنیای بازی را هم CPU انجام می‌دهد.

آماده‌سازی داده‌ها برای پردازنده گرافیکی (GPU): یکی از مهم‌ترین نقش‌های پردازنده مرکزی در بازی‌های رایانه‌ای، آماده‌سازی داده‌ها برای ارسال به پردازنده گرافیکی است. این موارد ممکن است شامل تعیین اینکه کدام اشیاء باید رندر شوند و همچنین موقعیت دوربین باشد. به عنوان مثال، پردازنده مرکزی تعیین می‌کند که کدام بخش‌های دنیای بازی در حال حاضر برای بازیکن قابل مشاهده هستند و باید توسط پردازنده گرافیکی در بازی‌ها به نمایش درآیند.

در همین رابطه بخوانید:

پردازنده گرافیکی (GPU)

برای اینکه تفاوت نقش CPU و GPU در اجرای بازی‌های گرافیکی بهتر مشخص شود، در این قسمت تعدادی از وظایف کارت گرافیک در اجرای بازی‌ها را بیان می‌کنیم:

تعیین رنگ پیکسل و رندر اشیاء سه‌بعدی: شاید اساسی‌ترین وظیفه پردازنده گرافیکی، تعیین رنگ هر پیکسل روی صفحه نمایش شما باشد. این شامل در نظر گرفتن رنگ و بافت اشیاء سه‌بعدی، شرایط نوری و دیدگاهی است که از آن به آن‌ها نگاه می‌کنید. به عنوان مثال، یک صحنه را در یک بازی تصور کنید که در آن در یک جنگل هنگام غروب آفتاب ایستاده‌اید. پردازنده گرافیکی است که محاسبه می‌کند چگونه نور غروب آفتاب رنگ درختان، سایه‌هایی که توسط درختان ایجاد می‌شوند و نحوه انعکاس نور از یک رودخانه نزدیک را تغییر می‌دهد.

ایجاد جلوه‌های ویژه: بسیاری از جلوه‌های ویژه‌ای که در بازی‌ها می‌بینید توسط پردازنده گرافیکی ایجاد می‌شوند. این شامل افکت‌هایی مانند مه، بازتاب‌ها، سایه‌ها و افکت‌های ذره‌ای (مانند آتش یا آب) می‌شود. پردازنده گرافیکی نحوه نمایش این افکت‌ها را در زمان واقعی محاسبه می‌کند و به آن‌ها اجازه می‌دهد تا در پاسخ به آنچه در بازی اتفاق می‌افتد تغییر کنند. مشهورترین افکتی که ممکن است درباره آن شنیده باشید، رهگیری پرتو (Ray Tracing) است.

در همین رابطه بخوانید:

– قابلیت Ray Tracing چیست؟ هرآنچه باید در مورد فناوری رهگیری پرتو بدانید

نگاشت بافت (Texture Mapping): بافت‌ها جزئیات بصری هستند که جنس اشیاء را در بازی نشان می‌دهند. آن‌ها مانند رنگی هستند که به مدل‌های سه‌بعدی ایجاد شده توسط پردازنده گرافیکی اعمال می‌شود. نگاشت بافت، فرآیند اعمال این بافت‌ها به مدل‌ها است.

پس‌پردازش (Post-Processing): پس از اینکه پردازنده گرافیکی ایجاد تصویر اصلی که روی صفحه نمایش داده می‌شود را به پایان رساند، می‌تواند جلوه‌های پس‌پردازش اضافی را نیز برای بهبود تصویر انجام دهد. این افکت‌ها می‌تواند شامل شامل افزودن تاری حرکت (Motion Blur)، آنتی آلیازینگ (Anti-Aliasing)، یا اعمال افکت عمق میدان (Depth of Field) برای واقع‌گرایانه‌تر نشان دادن صحنه باشد.

گلوگاه پردازنده در اجرای بازی‌ها

همانطور که گفته شد، پردازنده وظیفه کنترل وقایع جهان بازی را بر عهده دارد. به همین دلیل، در مواقعی که پردازنده نمی‌تواند با سرعت کافی اطلاعات فریم بعدی را برای رندر شدن به کارت گرافیک ارسال کند، این موضوع باعث بیکار ماندن و عدم استفاده از توان کامل پردازنده گرافیکی خواهد شد. هرچند طی سال‌های اخیر موتورهای بازی‌سازی پیشرفت‌های قابل توجهی در استفاده از هسته‌های بیشتر داشته‌اند، اما هنوز هم عملکرد تک‌هسته‌ای، مهم‌ترین عامل در تعیین سرعت پردازش بازی‌ها توسط CPU به حساب می‌آید.

در همین رابطه بخوانید:

– گلوگاه چیست؟ چطور باتل نک CPU یا GPU را در کامپیوتر رفع کنیم؟

– آشنایی با بهترین ترکیب‌های پردازنده و کارت گرافیک برای بازی در رزولوشن‌های مختلف

در مراکز داده هوش مصنوعی، معمولا تعداد زیادی GPU برای انجام محاسبات موازی به کار گرفته می‌شود. با این حال، حتی مواردی که بار اصلی پردازش بر دوش GPU گذاشته می‌شود، CPU نقش حیاتی خود را حفظ می‌کند. با توجه به نوع بار کاری CPU در دیتاسنترها، پردازنده‌های سرور، برخلاف CPUهای گیمینگ، تأکید کمتری بر فرکانس بالا و عملکرد تک‌هسته‌ای دارند و بیشتر بر ارائه بیشترین هسته‌های ممکن تمرکز دارند.

مدیریت سیستم و هماهنگی: در یک مرکز داده هوش مصنوعی، CPUهای موجود در سرور‌ها مسئول مدیریت کل سیستم هستند؛ از راه‌اندازی سیستم‌عامل گرفته تا مدیریت منابع مانند حافظه، ذخیره‌سازی و شبکه. CPU مانند رهبر یک ارکستر عمل کرده و هماهنگی بین اجزای مختلف، از جمله GPUها را بر عهده دارد.

پیش‌پردازش داده و مدیریت جریان ورودی: پیش از آنکه داده‌ها برای آموزش یا استنتاج مدل‌های هوش مصنوعی به GPUها ارسال شوند، نیاز به پیش‌پردازش دارند. این مراحل شامل بارگذاری، اصلاح یا قالب‌بندی داده‌ها می‌شود. CPU این وظایف را به دلیل انعطاف‌پذیری و کارایی در پردازش‌های متنوع بر عهده دارد و داده‌ها را برای پردازش‌های سنگین توسط GPU آماده می‌کند.

کنترل جریان و منطق سطح بالا: در حالی که GPUها انبوه محاسبات موازی مدل‌های هوش مصنوعی را  انجام می‌دهند، CPU مدیریت منطق سطح بالای مدل های هوش مصنوعی و جریان داده‌ها را بر عهده دارد. این وظایف شامل نظارت بر اجرای الگوریتم‌ها، کنترل فرآیند آموزش و هماهنگی تعاملات با سایر سیستم‌ها یا سرویس‌ها می‌شود.

بنابراین، حتی در مراکز داده‌ای که GPUها نقش اصلی را در محاسبات ایفا می‌کنند، CPU به عنوان مدیر سیستم، پیش‌پردازش داده‌ها و هماهنگ‌کننده‌ی عملیات، همچنان برای مدیریت و بهره‌وری حداکثری GPUها ضروری است.

پردازنده مرکزی (CPU) به عنوان هسته‌ی اصلی سیستم‌های محاسباتی، نقش حیاتی در پردازش داده‌ها و اجرای برنامه‌ها ایفا می‌کند. معماری‌های مختلفی برای CPUها وجود دارد که مهم‌ترین آن‌ها x86 و ARM هستند؛ x86 معمولاً در کامپیوترهای شخصی و سرورها استفاده می‌شود، در حالی که معماری ARM به دلیل مصرف انرژی پایین، در دستگاه‌های موبایل و سیستم‌های نهفته به کار می‌رود. همچنین، معماری متن‌باز RISC-V به عنوان گزینه‌ای انعطاف‌پذیر در حال مطرح شدن است.

CPU در دستگاه‌های مختلف نقش‌های متفاوتی ایفا می‌کند؛ در میکروکنترلرها، عملکرد آن برای کنترل حسگرها، مدیریت موتور و ارتباطات شبکه‌ای بهینه‌سازی شده است. در تلویزیون‌های هوشمند، پردازنده مسئول اجرای سیستم‌عامل، پردازش رابط کاربری و مدیریت اتصالات است. در دنیای بازی‌های ویدئویی، CPU منطق بازی، فیزیک، هوش مصنوعی و پردازش داده‌های ورودی را بر عهده دارد، در حالی که پردازنده گرافیکی (GPU) وظیفه رندر تصاویر و جلوه‌های بصری را انجام می‌دهد.

در سرورهای هوش مصنوعی نیز، CPU با مدیریت سیستم و پردازش‌های اولیه، نقش هماهنگ‌کننده را بین اجزای مختلف مانند GPUها بر عهده دارد. با وجود رشد استفاده از شتاب‌دهنده‌های محاسباتی مانند GPU و NPU، CPU همچنان به عنوان مرکز کنترل اصلی در سیستم‌های محاسباتی مدرن، جایگاه خود را حفظ کرده است.

پردازنده مرکزی (CPU) چیست و چه وظایفی دارد؟

پردازنده مرکزی یا CPU به عنوان مغز سیستم‌های الکترونیکی شناخته می‌شود و مسئول اجرای دستورالعمل‌های سیستم عامل و برنامه‌های کاربردی است. این واحد، داده‌های ورودی را پردازش کرده، عملیات حسابی و منطقی را انجام می‌دهد و کنترل کلی سیستم را بر عهده دارد.

تفاوت معماری‌های x86، ARM و RISC-V در پردازنده‌ها چیست؟

معماری x86 عمدتاً در کامپیوترهای رومیزی، لپ‌تاپ‌ها و سرورها استفاده می‌شود و توان پردازشی بالایی دارد. معماری ARM به دلیل مصرف انرژی پایین در دستگاه‌های موبایل و سیستم‌های نهفته کاربرد دارد. معماری RISC-V، به عنوان یک معماری متن‌باز و انعطاف‌پذیر، امکان سفارشی‌سازی بیشتری را برای تولیدکنندگان فراهم می‌کند.

نقش CPU در میکروکنترلرها چیست؟

در میکروکنترلرها، CPU وظیفه پردازش اطلاعات حسگرها و اجرای برنامه‌های کنترل کننده دستگاه‌های هوشمند مانند ترموستات‌ها، چراغ‌ها یا جاروبرقی‌های هوشمند را انجام می‌دهد. پردازنده‌های مورد استفاده در میکروکنترلرها برای مصرف پایین انرژی و کنترل دقیق وظایف مشخص در سیستم‌های نهفته بهینه شده اند.

در سیستم‌های گیمینگ، چه وظایفی بر عهده CPU است؟

در سیستم‌های گیمینگ، CPU مسئول مدیریت منطق بازی، انجام محاسبات فیزیکی، کنترل هوش مصنوعی NPCها و پردازش ورودی‌های کاربر می‌باشد. همچنین، CPU داده‌های لازم را برای رندر تصاویر به پردازنده گرافیکی (GPU) آماده می‌کند.

نقش CPU در سرورهای هوش مصنوعی چگونه است؟

در مراکز داده هوش مصنوعی، هرچند GPUها بار اصلی پردازش را برعهده دارند، CPU همچنان وظایف حیاتی مانند راه‌اندازی سیستم‌عامل، مدیریت منابع، پیش‌پردازش داده‌ها و هماهنگی بین اجزای مختلف از جمله GPUها را بر عهده دارد تا پردازش‌های سنگین هوش مصنوعی به بهینه‌ترین شکل انجام شود.