کارت گرافیک چگونه با پردازنده (CPU) هماهنگ می‌شود؟

کارت گرافیک و پردازنده دو مورد از اجزای کلیدی کامپیوتر و لپ تاپ هستند که حتی کاربران عادی هم با آن‌ها آشنایی دارند. با این حال، آن‌چه شاید برای خیلی از کاربران از آن جای سوال داشته باشد، نحوه تعامل و هماهنگی بین این دو قطعه مهم برای پردازش و تولید تصویر روی صفحه‌نمایش است. در این مطلب، پردازنده و کارت گرافیک را به‌صورت مجزا معرفی کرده و سپس نحوه تعامل آن‌ها را توضیح می‌دهیم.

پردازنده چیست؟

واحد پردازش مرکزی (Central processing unit یا به‌اختصار CPU) تراشه‌ای سیلیکونی شامل میلیاردها ترانزیستور است که داخل سوکتی روی مادربرد قرار می‌گیرد و مسئولیت پردازش و اجرای دستورالعمل‌ها را بر عهده دارد. پردازنده در واقع نقش «مغز» کامپیوتر را ایفا می‌کند و عملکرد کامپیوتر به آن وابسته است. البته در همین حال، خود پردازنده هم نمی‌تواند به تنهایی کار کند و باید با بقیه اجزای کامپیوتر تعامل برقرار کند.

اجزای کلیدی پردازنده شامل موارد زیر می‌شوند:

• واحد کنترل: واحد کنترل مسئول مدیریت و هماهنگی فعالیت‌های درون پردازنده است و از جمله وظایف آن می‌توان به تفسیر دستورالعمل‌ها، ارسال سیگنال و مدیریت جریان داده‌ها اشاره کرد.
• واحد محاسبه و منطق (Arithmetic and Logic Unit): همان‌طور که از نامش بر می‌آید، عملیات محاسبه (مثل جمع، تفریق، ضرب و تقسیم) و منطق (مثل مقایسه) در این واحد صورت می‌گیرند.
• واحد حافظه: واحد حافظه داده‌ها را از رم و حافظه ذخیره‌سازی می‌گیرد و برای دسترسی سریع در زمان پردازش، داخل کش ذخیره می‌کند. پردازنده‌های قدیمی حافظه‌ای تحت عنوان رجیستر داشتند، اما پردازنده‌های امروزی از کش هم استفاده می‌کنند.

کارت گرافیک چیست؟

واحد پردازش گرافیکی (Graphics Processing Unit یا به‌اختصار GPU) که عمدتاً به‌عنوان کارت گرافیک شناخته می‌شود، نوعی برد مدار چاپی است که با پردازش موازی داده‌های ریاضی، انواع محتوای بصری شامل تصاویر، ویدئوها و انیمیشن‌ها را تولید می‌کند. به زبان ساده، تصاویری که روی صفحه‌نمایش کامپیوتر خود می‌بینید، توسط کارت گرافیک پردازش و تولید می‌شوند.

اجزای اصلی کارت گرافیک عبارت‌اند از:

• تراشه سیلیکونی: بخش مرکزی کارت گرافیک که شامل همه اجزای اصلی آن از جمله هسته‌های پردازشی و کنترل‌گرهای حافظه (Memory controllers) می‌شود. همه محاسبات کارت گرافیک برای تولید و نمایش تصویر در این‌جا صورت می‌گیرند.
• حافظه گرافیکی (VRAM): حافظه پرسرعت اختصاصی کارت گرافیک که داده‌های تصویری مثل بافت‌ها را به‌صورت موقت ذخیره می‌کند تا واحد پردازش بتواند در صورت نیاز، به‌سرعت به آن‌ها دسترسی پیدا کرده و آن‌ها را پردازش کند.
• سیستم تغذیه و رابط‌ها: اجزایی مانند ماژول تنظیم ولتاژ (VRM) که مسئول مدیریت توان کارت گرافیک هستند، به‌همراه رابط‌هایی که کارت گرافیک را به مادربرد و مانیتور وصل می‌کنند.
• سیستم خنک‌کننده: مجموعه‌ای شامل اجزای مختلف مثل فن، لوله‌های حرارتی و گرماگیر (Heat sink) که حرارت تولیدشده توسط کارت گرافیک را مدیریت می‌کنند. برخی از سیستم‌های خنک‌کننده حتی از نوع مایع هستند و اجزایی از جمله بلوک آب، پمپ، لوله و رادیاتور را در بر می‌گیرند.

نحوه تعامل و هماهنگی کارت گرافیک و پردازنده

پردازنده و کارت گرافیک در عین حال که هر کدام نقش مشخصی در کامپیوتر دارند، با هم‌دیگر تعامل می‌کنند. برای برقراری تعامل هم به رابط‌هایی فیزیکی (باس یا گذرگاه) و نرم‌افزاری (درایور و API) نیاز دارند. این رابط‌ها امکان ارسال دستورالعمل‌های پردازنده به کارت گرافیک را فراهم می‌کنند تا کارت گرافیک با اجرای آن‌ها، تصویر رندرشده را روی صفحه به نمایش در بیاورد.

فرایندی که پردازنده و کارت گرافیک برای نمایش تصویر روی صفحه طی می‌کنند، به شرح زیر است:

1. آماده‌سازی اولیه توسط پردازنده: پردازنده پس از اجرا و پردازش برنامه یا بازی، المان‌هایی را که باید رندر شوند (مثل جزئیات صحنه، مدل‌ها و زاویه دوربین) مشخص می‌کند.
2. ارسال دستور به کارت گرافیک: پردازنده به‌واسطه API (مثل DirectX و Vulkan) دستورالعمل‌ها را به کارت گرافیک انتقال می‌دهد. API در این مرحله دستورات پردازنده را به دستورالعمل‌هایی قابل‌فهم برای واحد پردازش گرافیکی تبدیل می‌کند.
3. انتقال داده از طریق باس (PCIe): پردازنده از طریق باس PCIe داده‌هایی شامل دستورالعمل‌ها، بافت‌ها و اطلاعات هندسی را به حافظه گرافیکی (VRAM) می‌فرستد.
4. اجرای دستور توسط کارت گرافیک: واحد پردازش گرافیکی یا همان کارت گرافیک داده‌ها را دریافت کرده و با استفاده از هزاران هسته، به‌صورت موازی آن‌ها را پردازش می‌کند.
5. نمایش روی صفحه: کارت گرافیک در نهایت فریم رندرشده را از طریق رابط‌هایی مثل HDMI یا DisplayPort به صفحه‌نمایش ارسال می‌کند.

بیشتر بخوانید: بهترین کارت گرافیک تا ۸۰ میلیون + نکات مهم و راهنمای خرید

جمع‌بندی

پردازنده یا در اصل واحد پردازش مرکزی، مسئول اصلی پردازش در کامپیوتر است و پردازش‌های کلی را انجام می‌دهد. واحد پردازش گرافیکی یا کارت گرافیک هم وظیفه محاسبه و پردازش داده‌های بصری را بر عهده دارد. برای نمایش تصویر روی صفحه‌نمایش، پردازنده دستورالعمل‌ها را به کارت گرافیک ارسال می‌کند و کارت گرافیک هم پس از پردازش داده‌های بصری، تصویر نهایی را آماده نمایش روی صفحه می‌کند. ارتباط بین پردازنده و کارت گرافیک هم به‌واسطه رابط‌های فیزیکی و نرم‌افزاری ممکن می‌شود.