واحد پردازش مرکزی (به انگلیسی: Central Processing Unit) یا پردازنده مرکزی (به انگلیسی: Central Processor)، که با نام CPU شناخته می‌شود، یک مدار الکترونیکی در رایانه‌ها است که وظیفه اجرای مجموعه دستورالعمل‌های (Instructions Set) یک برنامه کامپیوتری را از طریق محاسبات پایه ای، منطق و عمل ورودی/خروجی بر عهده دارد.

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.

اکثر CPU های جدید ریزپردازنده ای 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.

آرایه‌پردازها یا پردازنده‌های برداری دارای پردازنده‌های چندگانه هستند که به صورت موازی با هم کار می‌کنند، و در آن هیچ واحدی مرکزی در نظر گرفته نمی‌شود.

شکل ظاهری، طراحی و نحوه به‌کارگیری پردازنده‌ها در طول دوره تاریخ شکل‌گیری آن‌ها تغییر کرده‌است ولی عملکرد پایه ای آن‌ها بدون تغییر باقی مانده‌است.
مدت زمان انجام یک کار به‌وسیله رایانه، به عوامل متعددی بستگی دارد که مهمترین آنها، سرعت پردازنده است. سرعت پردازنده معمولاً بر حسب مگاهرتز یا گیگاهرتز سنجیده می‌شود. هر چه مقدار این پارامتر بیشتر باشد، پردازنده سریعتر خواهد بود و در نتیجه قادر خواهد بود، محاسبات بیشتری را در هر ثانیه انجام دهد.

نسل سوم پردازنده‌های سرور اپیک (3rd Gen EPYC) با نام میلان (Milan) شناخته می‌شوند.

عملکرد ریزپردازنده‌ها

کارکرد اساسی اکثر ریزپردازنده‌ها، فارغ از شکل فیزیکی آنها، اجرای ترتیبی دستورالعمل‌هایی است که برنامه نامیده می‌شود. بحث در این مقوله نتیجه پیروی از قانون رایج نیومن را به همراه خواهد داشت. برنامه توسط یک سری از اعداد که در بخشی از حافظه ذخیره شده‌اند نمایش داده می‌شود. چهار مرحله که تقریباً تمامی ریزپردازنده‌هایی که از قانون فون نیومن در ساختارشان استفاده می‌کنند از آن پیروی می‌کنند عبارت‌اند از: واکِشی، دی کد یا رمزگشایی، اجرا و بازگشت برای نوشتن مجدد.

در طراحی یک سی پی یو یک لیست از عملیات بنام مجموعهٔ دستوری به صورت ذاتی وجود دارد که سی پی یو آن‌ها را انجام می‌دهد. چنین عملیاتی ممکن است شامل جمع یا تفریق کردن دو عدد، مقایسهٔ اعداد یا پرش به بخشی دیگر از یک برنامه باشد. هرکدام از این عملیات پایه‌ای توسط توالی خاصی از بیت‌ها نمایش داده می‌شود که این توالی برای چنین عملیات خاصی، Operation Code یا به صورت خلاصه اپکد (Opcode) نام دارد. فرستادن یک اپکد خاص به یک CPU باعث می‌شود تا CPU عملی را که توسط اپکد مذکور نمایش داده می‌شود انجام دهد. برای اجرای یک دستور در یک برنامهٔ کامپیوتری، CPU از اپکد دستور مذکور و نیز نشانوندهای آن (برای مثال، در مورد یک عمل جمع، دو عددی که قرار است با هم جمع شوند) استفاده می‌کند.

عمل ریاضی واقعی برای هر دستور توسط یک زیرواحد از سی پی یو به نام واحد محاسبه و منطق (ALU) انجام می‌گیرد. یک سی پی یو علاوه بر اینکه از ALU خودش برای انجام اعمال استفاده می‌کند، اعمال دیگری نظیر: خواندن دستور بعدی از حافظه، خواندن اطلاعات مشخص شده به صورت نشانوند از حافظه و نوشتن یافته‌های حاصل در حافظه را نیز به عهده دارد.

در بسیاری از طراحی‌های سی پی یو، یک مجموعهٔ دستوری مشخصا بین اعمالی که اطلاعات را از حافظه بارگیری می‌کنند و اعمال ریاضی افتراق می‌دهد. در این مورد اطلاعات بارگیری شده از حافظه در رجیسترها ذخیره می‌شود و یک عمل ریاضیاتی هیچ گونه نشانوندی نمی‌گیرد بلکه به سادگی عمل محاسباتی مذکور را روی اطلاعات موجود در رجیسترها انجام داده و آن را در یک رجیستر جدید می‌نویسد.

واکِشی (Fetch)

اولین مرحله که واکِشی یا Fetch نام دارد، شامل بدست آوردن یک دستورالعمل (Instruction) از حافظه برنامه است که به صورت عدد یا مجموعه مرتبی از اعداد می‌باشد.

دی کد یا رمزگشایی (Decode)

دستورالعملی که CPU از حافظه واکشی می‌کند، تعیین می‌کند که CPU چه کاری باید انجام دهد. در مرحله دی کد یا رمزگشایی که توسط مداری که instruction decoder یا رمزگشای دستورالعمل نام دارد، دستورالعمل به سیگنال‌هایی تغییر داده می‌شود که سایر قسمت‌های CPU را کنترل می‌کند.

اجرا (Execute)

پس از مراحل واکشی و رمزگشایی، مرحله «اجرا» انجام می‌شود. بسته به نوع CPU این عمل می‌تواند یک عمل تنها یا مجموعه ای مرتب از اعمال مختلف باشد.

 

فهرست مطالب:

مقدمه

یک تصویر بزرگ: ما الان کجا هستیم؟

یک شمای اصلی: چشم انداز کارایی

چه طور یک پردازشگر طراحی می شود: مرحله به مرحله

قالب های دستورالعمل های MIPS

ثبات منطقی انتقال (RTL)

تعیین پیش نیازهای مجموعه دستورالعمل

اجزاء مسیر داده

مقدمه واحد واکشی دستورالعمل

جمع و تفریق

عمل منطقی بلافاصله

عمل بارکردن

عمل ذخیره سازی

دستورالعمل انشعاب

مسیر داده برای عمل انشعاب

یک مسیر داده تک چرخه ای

مفهوم سیگنال های کنترلی

واحد واکشی دستورالعمل در ابتدای جمع

مسیر داده تک چرخه ای در طول عمل جمع و تفریق

واحد واکشی دستورالعمل در انتهای جمع

OR مسیر داده تک چرخه ای در طول عمل بلافاصله

مسیر داده تک چرخه ای در طول بارکردن

مسیر داده تک چرخه ای در طول عمل ذخیره سازی

مسیر داده تک چرخه ای در طول عمل انشعاب

واحد واکشی دستورالعمل در انتهای انشعاب

کنترل ALU

طراحی کنترل ALU

چهره قالب دستورالعملهای MIPS

طراحی واحد کنترل برای اجرای دستورالعمل تک چرخه ای

”جدول درستی” برای نوشتن ثباتی

PLA روشهای کنترل اصلی

پیاده سازی یک دستورالعمل چند چرخه ای

کاهش زمان چرخه

محدودیت های بنیادی زمان چرخه

دستورالعمل های فوری منطقی

دستورالعمل بارکردن

دستورالعمل ذخیره کردن

مسیر داده چند چرخه ای به همراه نمایش خطوط کنترلی

طرح ساعت زنی

مراحل پایه محاسبه دستورالعمل

کنترل برای PC بعدی

روشهای طراحی کنترل برای اجرای دستورات چند چرخه ای

ساختار FSM

کنترل اختصاصی برای چند چرخه ای

و...