सेंट्रल प्रोसेसिंग यूनिट (CPU) क्या है? इसके प्रमुख घटक, कार्य, ब्लॉक डाइग्राम एवं प्रकार

What is CPU: कंप्यूटर की दुनिया में, सेंट्रल प्रोसेसिंग यूनिट (सीपीयू) को अक्सर सिस्टम का मस्तिष्क माना जाता है। यह निर्देशों को निष्पादित करने, गणना करने और डेटा प्रबंधित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। कंप्यूटर हार्डवेयर और वास्तुकला की दुनिया में गहराई से जानने में रुचि रखने वाले किसी भी व्यक्ति के लिए सीपीयू और उसके विभिन्न घटकों को समझना आवश्यक है। इस अध्ययन ब्लॉग पोस्ट में, हम सीपीयू और उसके प्रमुख घटकों का पता लगाएंगे, उनके कार्यों और महत्व पर प्रकाश डालेंगे।

सेंट्रल प्रोसेसिंग यूनिट (Central Processing Unit – CPU)

सेंट्रल प्रोसेसिंग यूनिट एक माइक्रोचिप है जो कंप्यूटर में प्राथमिक प्रोसेसिंग यूनिट के रूप में कार्य करती है। यह बुनियादी अंकगणित, तर्क और नियंत्रण संचालन करके कंप्यूटर प्रोग्राम से निर्देशों की व्याख्या और निष्पादन करता है। सीपीयू आश्चर्यजनक गति से काम करता है, आधुनिक सीपीयू प्रति सेकंड अरबों निर्देशों को संसाधित करने में सक्षम है।

CPU Main Components

CPU – सेंट्रल प्रोसेसिंग यूनिट कम्प्यूटर का मस्तिष्क होता है जो कम्प्यूटर के सभी कार्यों की प्रोसेसिंग करता है। सीपीयू के प्रमुख घटक Control Unit (CU), Arithmetic Logic Unit (ALU) तथा Registers है।

1. Control Unit (CU) (नियंत्रण इकाई): यह घटक मस्तिष्क के प्रबंधक के रूप में कार्य करता है, निर्देशों के निष्पादन की देखरेख करता है और सीपीयू के भीतर और अन्य हार्डवेयर घटकों के बीच डेटा के प्रवाह को नियंत्रित करता है। यह निर्देश प्राप्त करता है, उन्हें डीकोड करता है, और उचित क्रियाओं को व्यवस्थित करता है।

2. Arithmetic Logic Unit (ALU) (अंकगणित तर्क इकाई): अक्सर सीपीयू के गणितीय मस्तिष्क के रूप में जाना जाता है, एएलयू जोड़, घटाव, गुणा, भाग और तुलना जैसे अंकगणित और तार्किक संचालन करता है। ये ऑपरेशन सभी गणनाओं के लिए बिल्डिंग ब्लॉक हैं।

3. Registers (रजिस्टर): रजिस्टरों को सीपीयू की अल्पकालिक मेमोरी के रूप में सोचें। वे अल्ट्रा-फास्ट स्टोरेज स्थान हैं जिनका उपयोग प्रसंस्करण के दौरान डेटा और निर्देशों को अस्थायी रूप से रखने के लिए किया जाता है। परिचालन को गति देने में रजिस्टर महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।

Block diagram of Central Processing Unit

सेंट्रल प्रोसेसिंग यूनिट (CPU) ब्लॉक डाइग्राम

1. माइक्रोप्रोसेसर (Microprocessor): यह कम्प्यूटर की मूल गणना क्षमता का निर्धारण करता है और कम्प्यूटर के सभी अनुक्रियात्मक और तार्किक गणनाओं को संचालित करता है।
   • अर्थमेटिक लॉजिक यूनिट (Arithmetic Logic Unit – ALU): ALU गणनाओं को प्रोसेस करने के लिए उपयोग किया जाता है, जैसे कि गणितीय और तार्किक प्रक्रियाएं।
   • विशिष्ट स्मृति (Registers): यह स्थानिक स्मृति है जिसमें कम्प्यूटर ऑपरेशन्स के लिए डेटा और गणना के लिए आवश्यक जानकारी स्थित रहती है।
   • नियंत्रण इकाई (Control Unit): इसका कार्य कम्प्यूटर की क्रियाओं को नियंत्रित करने और अनुकमित प्रक्रियाओं से बचाने के लिए होता है।
2. आंतरिक स्मृति (Internal Memory): इसमें कम्प्यूटर के लिए जरूरी डेटा और प्रोग्राम स्थित रहता है।
   • रेन्डम एक्सेस मेमोरी (Random Access Memory – RAM): RAM अस्थायी डेटा स्टोरेज के रूप में उपयोग होता है और यह कम्प्यूटर की वर्तमान कार्य को संचालित करने के लिए डेटा को रखता है।
   • रीड ओनली मेमोरी (Read Only Memory – ROM): ROM में कुछ महत्वपूर्ण जानकारी और सॉफ़्टवेयर स्थित होता है, जिसका कंप्यूटर को आरंभ करने और आवश्यक निर्देशों को पढ़ने के लिए उपयोग होता है।
3. कम्यूनिकेशन लाइन (Communication Lines – Bus System): इन लाइनों के माध्यम से डेटा और जानकारी कम्प्यूटर के अलग-अलग घटकों के बीच पास किया जाता है।
4. इनपुट और आउटपुट पोर्ट (Input and Output Ports): इनपुट पोर्ट के माध्यम से कम्प्यूटर को जानकारी प्राप्त की जाती है, जबकि आउटपुट पोर्ट से कम्प्यूटर से आउटपुट जानकारी प्रेषित की जाती है।

सेंट्रल प्रोसेसिंग यूनिट (CPU) कंप्यूटर का मस्तिष्क होता है जो सभी कार्यों का निर्णय लेता है और कंप्यूटर के सभी घटकों को नियंत्रित करता है, जिसके आधार पर कंप्यूटर का कार्य करता है। इसके बिना, कंप्यूटर का कोई भी काम संभव नहीं होता।

घड़ी की गति और कोर (Clock Speed and Cores)

सीपीयू का प्रदर्शन दो महत्वपूर्ण कारकों से काफी प्रभावित होता है: घड़ी की गति और कोर की संख्या।

घड़ी की गति (Clock Speed): गीगाहर्ट्ज़ (गीगाहर्ट्ज़) में मापी गई, घड़ी की गति यह निर्धारित करती है कि सीपीयू एक सेकंड में कितने चक्र पूरा कर सकता है। उच्च क्लॉक स्पीड के परिणामस्वरूप आम तौर पर तेज़ प्रोसेसिंग होती है। हालाँकि, आधुनिक सीपीयू प्रभावशाली घड़ी की गति तक पहुँच गए हैं, इसलिए आगे के सुधारों में अक्सर अन्य पहलू शामिल होते हैं, जैसे कि कई कोर।

कोर (Core): सीपीयू में कई कोर हो सकते हैं, जो एक चिप के भीतर मिनी-सीपीयू की तरह होते हैं। प्रत्येक कोर स्वतंत्र रूप से निर्देशों को निष्पादित कर सकता है, जिससे समानांतर प्रसंस्करण की अनुमति मिलती है। यह मल्टीटास्किंग और वीडियो संपादन या गेमिंग जैसे मांग वाले अनुप्रयोगों को संभालने के लिए आवश्यक है।

सीपीयू (CPU) के कार्य

सीपीयू (Central Processing Unit – CPU) कंप्यूटर का मुख्य कंपोनेंट होता है और यह कंप्यूटर के मुख्य कार्यों का निर्देशन और कंट्रोल करने के लिए जिम्मेदार होता है। सीपीयू के कार्य निम्नलिखित होते हैं:

1. अंकगणना (Arithmetic Calculations): सीपीयू अंकगणना कार्य करता है, जैसे कि गणितीय ऑपरेशन (जैसे कि जोड़ना, घटाना, गुणा, भाग) और मान्यता पूर्ण गणनाएं (floating-point calculations)।
2. डेटा स्टोरेज (Data Storage): सीपीयू डेटा को पढ़ने और लिखने के लिए मेमोरी से काम करता है। यह डेटा को प्रोसेस करने के लिए मेमोरी से डेटा को पुल और पुश करता है।
3. इंस्ट्रक्शन सेट प्रोसेसिंग (Instruction Set Processing): सीपीयू ऑपरेटिंग सिस्टम द्वारा दिए गए इंस्ट्रक्शन्स (आदेश) को प्रोसेस करता है। यह इंस्ट्रक्शन्स को पढ़कर और समझकर संचालित करता है।
4. कंट्रोल यूनिट (Control Unit): सीपीयू की कंट्रोल यूनिट कंप्यूटर की क्रियाओं को निर्देशित करती है और इंस्ट्रक्शन्स को ठीक से प्रोसेस करने के लिए तर्क से क्रियाओं का नियंत्रण करती है।
5. कैश मेमोरी (Cache Memory): सीपीयू कैश मेमोरी का उपयोग करता है ताकि इंस्ट्रक्शन्स और डेटा को तेजी से पहुंचा सके, जिससे कंप्यूटर की कार्यक्षमता में सुधार होता है।
6. कंप्यूटर की क्लॉक तरंग (Clock Frequency): सीपीयू की क्लॉक तरंग कंप्यूटर की प्रोसेसिंग की गति को नियंत्रित करती है। अधिक क्लॉक तरंग से सीपीयू की प्रोसेसिंग की गति बढ़ सकती है।
7. इंटररूप्ट प्रोसेसिंग (Interrupt Processing): सीपीयू इंटररूप्ट्स को प्रोसेस करके कंप्यूटर को विभिन्न प्रकार के अप्रत्याशित संघटनाओं से संबोधित करता है, जैसे कि हार्डवेयर या सॉफ़्टवेयर की समस्याएँ।
8. रजिस्टर प्रोसेसिंग (Register Processing): सीपीयू में रजिस्टर्स होते हैं, जो गणना और डेटा प्रसंस्करण के लिए उपयोग होते हैं। ये तेजी से डेटा को संचित करने और प्रोसेस करने में मदद करते हैं।

हाल की प्रगति

जैसे-जैसे प्रौद्योगिकी आगे बढ़ रही है, सीपीयू ने उल्लेखनीय विकास देखा है:

मल्टी-थ्रेडिंग (Multi-threading):

आधुनिक सीपीयू अक्सर मल्टी-थ्रेडिंग का समर्थन करते हैं, जो प्रत्येक कोर को कई थ्रेड्स (निर्देशों के स्वतंत्र अनुक्रम) को संभालने की अनुमति देता है। यह मल्टीटास्किंग और एकाधिक थ्रेड्स का उपयोग करने के लिए डिज़ाइन किए गए सॉफ़्टवेयर के प्रदर्शन में सुधार करता है।

ऊर्जा दक्षता (Energy Efficiency):

सीपीयू निर्माता लगातार ऊर्जा-कुशल डिजाइन पर काम कर रहे हैं। यह न केवल लैपटॉप में बैटरी जीवन को बढ़ाता है बल्कि डेटा केंद्रों में बिजली की खपत को भी कम करता है, जिससे हरित वातावरण में योगदान होता है।

एकीकृत ग्राफिक्स (Integrated Graphics):

कुछ सीपीयू अब एकीकृत ग्राफिक्स प्रोसेसिंग इकाइयों (जीपीयू) के साथ आते हैं, जिससे बुनियादी कंप्यूटिंग कार्यों में एक अलग ग्राफिक्स कार्ड की आवश्यकता समाप्त हो जाती है।

क्वांटम कंप्यूटिंग (Quantum Computing):

हालांकि अभी मुख्यधारा में नहीं हैं, क्वांटम सीपीयू उन जटिल समस्याओं को हल करने का वादा करते हैं जो क्लासिक सीपीयू के साथ व्यावहारिक रूप से हल नहीं हो पाती हैं।

उदाहरण से समझते है CPU कैसे काम करता है

सीपीयू (CPU) का काम कंप्यूटर के बाकी कंपोनेंट्स को कंट्रोल करना और विभिन्न कार्यों को प्रोसेस करना होता है। यहां एक उदाहरण दिया गया है कि CPU कैसे कार्य करता है:

उदाहरण 1: कॉम्प्यूटर में एक प्रोग्राम चलाना

1. प्रोग्राम शुरू करना: जब आप कंप्यूटर पर कोई प्रोग्राम चलाते हैं, तो ऑपरेटिंग सिस्टम सीपीयू को प्रोग्राम को मेमोरी से पढ़ने के लिए निर्देश देता है।
2. इंस्ट्रक्शन्स पढ़ना: सीपीयू मेमोरी से प्रोग्राम के पहले इंस्ट्रक्शन (आदेश) को पढ़ता है। इंस्ट्रक्शन डेटा और ऑपरेशन के साथ आता है, जैसे कि “दो नंबरों को जोड़ो”।
3. इंस्ट्रक्शन्स का पुर्ज़ा करना: सीपीयू इंस्ट्रक्शन को समझता है और उसे क्रियान्वित करने के लिए अपने रजिस्टर्स और लॉजिक गेट्स का उपयोग करता है। उदाहरण के तौर पर, यदि इंस्ट्रक्शन “दो नंबरों को जोड़ो” है, तो सीपीयू रजिस्टर से दो नंबर लेता है और उन्हें जोड़कर नतीजा निकालता है।
4. नतीजा प्रोसेसिंग और संचित करना: सीपीयू जोड़ का नतीजा निकालता है और उसे उचित रजिस्टर में संचित करता है। इसके बाद, यदि विशेष इंस्ट्रक्शन नहीं है, तो अगला इंस्ट्रक्शन पढ़ने के लिए आगे बढ़ता है।
5. इंस्ट्रक्शन की पुनरावलोकन (Instruction Fetch-Decode-Execute Cycle): इस प्रक्रिया को “इंस्ट्रक्शन फेच-डिकोड-एक्जीक्यूट साइकिल” कहा जाता है, और सीपीयू इसे बार-बार चलाता है, प्रत्येक इंस्ट्रक्शन के लिए।

इसी तरह, सीपीयू प्रोग्राम के हर इंस्ट्रक्शन को प्रोसेस करता है, जिससे कंप्यूटर प्रोग्राम को चलाने में सक्षम होता है। CPU की गति, कैश मेमोरी, और अन्य तकनीकी पैरामीटर्स कंप्यूटर की कार्यक्षमता पर प्रभाव डालते हैं।

CPU के प्रमुख प्रकार

केंद्रीय प्रोसेसिंग इकाइयों (Central Processing Unit – CPU) के कई प्रकार होते हैं, जो विभिन्न उद्देश्यों और आवश्यकताओं के अनुसार डिज़ाइन किए जाते हैं। ये CPU प्रकार निम्नलिखित हो सकते हैं:

1. Single-Core CPU: यह CPU केवल एक प्रोसेसिंग कोर के साथ आते हैं, जिससे एक ही समय में केवल एक कार्य को प्रोसेस किया जा सकता है।
2. Multi-Core CPU: Multi-Core CPU में एक ही चिप पर कई प्रोसेसिंग कोर होते हैं, जो एक साथ कई कार्यों को प्रोसेस करने में मदद करते हैं। इससे कंप्यूटर की कार्यक्षमता में वृद्धि होती है।
3. Dual-Core CPU: यह CPU में दो प्रोसेसिंग कोर्स होते हैं, जो दो कार्यों को प्रोसेस करने के लिए उपयोग किए जा सकते हैं।
4. Quad-Core CPU: Quad-Core CPU में चार प्रोसेसिंग कोर्स होते हैं, जिससे कंप्यूटर चार कार्यों को समय पर प्रोसेस कर सकता है।
5. Hexa-Core CPU: Hexa-Core CPU में छः प्रोसेसिंग कोर्स होते हैं, जो और भी अधिक पारदर्शी एप्लिकेशन्स और कार्यों को समय पर प्रोसेस करने में मदद करते हैं।
6. Octa-Core CPU: Octa-Core CPU में आठ प्रोसेसिंग कोर्स होते हैं, जिससे उच्च कार्यक्षमता और मल्टीटास्किंग की सुविधा होती है।
7. Many-Core CPU: इस प्रकार के CPU में बहुत सारे प्रोसेसिंग कोर्स होते हैं, जिनका उपयोग विशेष कार्यों के लिए किया जाता है, जैसे कि उच्च-प्रदर्शन सुपरकंप्यूटिंग।
8. ARM CPU: ARM (Advanced RISC Machine) CPU, मोबाइल डिवाइसेस और एम्बेडेड सिस्टम्स के लिए डिज़ाइन किए गए CPU होते हैं। इनमें कम बिजली की खपत होती है और कम गर्मी पैदा करते हैं, जो मोबाइल डिवाइसेस के लिए उपयोगी होता है।
9. x86 CPU: यह CPU व्यक्तिगत कंप्यूटर्स और सर्वर्स के लिए डिज़ाइन किए जाते हैं, और उन्हें Intel और AMD जैसी कंपनियाँ बनाती हैं।

इनमें से हर प्रकार का CPU अपनी विशेषता और उपयोग क्षेत्र होता है, और विभिन्न प्रकार के कंप्यूटिंग डिवाइस्स में उपयोग किए जाते हैं।

CPU के प्रकार एवं उदाहरण के साथ

केंद्रीय प्रोसेसिंग इकाइयों (Central Processing Unit – CPU) के कई प्रकार होते हैं, जिनमें हर प्रकार का CPU विशिष्ट उद्देश्यों के लिए डिज़ाइन किया जाता है। यहां कुछ प्रमुख CPU प्रकार और उनके उदाहरण दिए जा रहे हैं:

प्रमुख CPU प्रकार और उनके उदाहरण

1. Intel Core i9 (Desktop CPU): Intel की Core i9 सीरीज के CPU व्यक्तिगत कंप्यूटर्स और गेमिंग के लिए डिज़ाइन किए जाते हैं। इनमें कई कोर्स और उच्च क्लॉक गति होती है, जिससे उच्च प्रदर्शन प्राप्त होता है।
2. AMD Ryzen Threadripper (Desktop CPU): AMD के Ryzen Threadripper CPU भी गेमिंग और उच्च-प्रदर्शन कंप्यूटिंग के लिए विकसित किए गए हैं। इनमें कई कोर्स और उच्च क्लॉक गति होती है, जिससे बड़े कार्यों को प्रोसेस किया जा सकता है।
3. Intel Xeon (Server CPU): Intel की Xeon सीरी के CPU सर्वर्स और उच्च द्विता कंप्यूटिंग के लिए डिज़ाइन किए जाते हैं। ये CPU बड़ी कंपनियों और डेटा सेंटर्स के सर्वर्स में उपयोग होते हैं।
4. ARM Cortex (Mobile CPU): ARM Cortex CPU मोबाइल डिवाइसेस, टैबलेट्स, और ईम्बेडेड सिस्टम्स के लिए डिज़ाइन किए जाते हैं। इनमें कम बिजली की खपत और ऊर्जा की दक्षता होती है, जिससे बैटरी लाइफ बढ़ती है।
5. Apple M1 (Custom CPU): Apple M1 CPU Apple के मैकबुक्स और आइपैड्स में उपयोग होने वाला है। यह एक कस्टम डिज़ाइन CPU है जो Apple ने अपने उपकरणों के लिए विकसित किया है।
6. Raspberry Pi (Single-Board Computer CPU): Raspberry Pi का CPU एक छोटे से सिंगल-बोर्ड कंप्यूटर के रूप में उपयोग होता है और शिक्षा, हॉबी, और ईम्बेडेड प्रोजेक्ट्स के लिए पॉपुलर है।
7. NVIDIA GPU (Graphics Processing Unit): ग्राफ़िक्स प्रोसेसिंग इकाई (GPU) एक प्रकार की CPU होती है जो ग्राफ़िक्स और पार्ललल कंप्यूटिंग के लिए डिज़ाइन की जाती है। NVIDIA की GPU गेमिंग, डीप लर्निंग, और हाइ-परफॉर्मेंस कंप्यूटिंग के लिए जानी जाती है।

ये उदाहरण हैं और अन्य भी कई CPU प्रकार हो सकते हैं, जो विभिन्न कार्यो एवं उद्देश्यों के लिए डिज़ाइन किए जाते हैं और अलग-अलग कंप्यूटिंग उपकरणों में उपयोग होते हैं।