إعلان
مقالات و مواضيع

كل ما تريد معرفته عن وحدة المعالجة المركزية (CPU) و أهم وظائفها.

لطالما كان الحاسوب الجزء الأساسي من حياتنا وأعمالنا اليومية بما يحتويه من مكونات و دارات معقدة و لكن هل تساءلت يوماً عن كيفية قيامه بالامور و تنفيذه للأوامر؟ و ما هو المكون الأساسي المسؤول عن هذه العمليات.

سنتعرف على المكون الأساسي في أي حاسوب و هو الذي يحدد معظم قدرته و استجابته و سرعة أدائه.



ماهي وحدة المعالجة المركزية (CPU) ؟

وحدة المعالجة المركزية (Central Processing Unit (CPU : هي عبارة عن دارة الكترونية داخل الكمبيوتر تقوم بتنفيذ الأوامر و العمليات المطلوبة من خلال تنفيذ العمليات الحسابية و المنطقية و التحكمية و إدخال المعلومات وإخراجها I/O. اعتمدت صناعة الكمبيوتر على مصطلح “وحدة المعالجة المركزية” منذ أواخر الستينات و هي تشير بشكل أساسي الى المعالج و لنكون أكثر دقة الى وحدة التحكم (CU) و لكن مع تمييز المكونات الخارجية الأخرى مثل الذاكرة الرئيسية و دوائر I/O.

تغير شكل وحدات المعالجة المركزية و تصميمها و تنفيذها على مدار تاريخها و لكن وظيفتها الأساسية بقيت ثابتة و ظلت دون أي تغيير تقريبا.

تتضمن مكوناتها الأساسية : وحدة الحساب و المنطق(ALU) التي تقوم بالعمليات الحسابية و المنطقية و توفر للمعالج البيانات اللازمة لأداء المهام، و وحدة التحكم (CU) التي تقوم بعمليات جلب المعلومات من الذاكرة و تنظيمها و توجيه العمليات في ALU لأداء الوظيفة المطلوبة.

معظم وحدات المعالجة الحديثة هي عبارة عن المعالجات الدقيقة، أي أنه يتم تضمينها ضمن شريحة متكاملة IC واحدة، و كما ذكرنا ليس المعالج هو المكون الوحيد مما يعني أن هذه الشريحة قد تحتوي إضافة للمعالج على ذاكرة و واجهات طرفية و مكونات أخرى، في هذه الحالة يتم تسميتها Microcontroller. قد تستخدم بعض الحواسيب معالجا متعدد الأنوية و هو عبارة عن شريحة واحدة تحتوي على وحدتي معالجة أو أكثر و كل منها تسمى نواة.

وظيفة وحدة المعالجة المركزية (CPU)

الوظيفة الأساسية لمعظم وحدات المعالجة هو تنفيذ سلسلة من التعليمات المخزنة و التي نطلق عليها اسم البرنامج و يتم الاحتفاظ بالتعليمات التي تقوم بتنفيذها في نوع من ذاكرة الكمبيوتر.
وظائف وحدة المعالجة المركزية (cpu)

تتم عملية التنفيذ من خلال عدة مراحل :

 

  • جلب التعليمات و الأوامر:
    تتضمن الخطوة الأولى استرجاع المعلومات “التي يتم تمثيلها بعدد أو تسلسل من الأرقام” من ذاكرة البرنامج حيث يتم تحديد موقع التعليمات “العنوان” في ذاكرة البرنامج بواسطة عداد يقوم بتخزين رقم يحدد عنوان التعليمة التالية ليتم جلبها ، بعد جلب التعليمة تتم زيادة طول التعليمة لتحتوي عنوان التعليمة التالية في التسلسل.

تكون عملية جلب المعلومات بطيئة نوعا ما حيث تضطر وحدة المعالجة الى الانتظار في جلب كل تعليمة و لكن تم حل هذه المشكلة الى حد كبير في المعالجات الحديثة عن طريق ما يسمى معمارية المعالج.

 

  • فك التشفير:
    تحدد التعليمة التي تم جلبها ما ستفعله وحدة المعالجة ، يتم تنفيذ فك التشفير بواسطة الدوائر المعروفة باسم وحدة فك الترميز التي تحول التعليمات الى إشارات تتحكم في أجزاء أخرى من وحدة المعالجة.

يتم تعريف الطريقة التي يتم بها تفسير العملية من خلال مجموعة تعليمات “ISA” ، تشير مجموعة من البتات داخل التعليمة “تدعى شيفرة التشغيل” إلى العملية التي يجب القيام بها في حين أن الحقول المتبقية توفر معلومات تكميلية مطلوبة للعملية مثل المعاملات ، قد يتم تحديد هذه المعاملات كقيمة ثابتة أو كموقع لقيمة الذي يكون سجل معالج أو عنوان ذاكرة.

تختلف آلية العمل هذه باختلاف تصميم CPU ، ففي بعض التصميمات يتم تصميم مفكك التشفير كدائرة ثابتة غير قابلة للتغيير ، أما في تصاميم أخرى فيتم استخدام microprogram لترجمة التعليمات الى مجموعة من إشارات تكوين CPU يتم تطبيقها بشكل تسلسلي على مدار نبضات متعددة على مدار الساعة. في بعض الحالات تكون الذاكرة التي تخزن microprogram قابلة لإعادة الكتابة مما يجعل من الممكن تغيير طريقة فك تشفير المعالج.

 

  • التنفيذ:
    يتم تنفيذ التعليمات اعتمادا على بنية وحدة المعالجة فقد يتم تنفيذها من خلال إجراء واحد أو مجموعة من الإجراءات ، أثناء كل إجراء يتم توصيل الأجزاء المختلفة من الوحدة بالكهرباء عن طريق الاستجابة لنبضات الساعة و ذلك للتمكن من إجراء كل أو جزء من العملية المطلوبة حتى اكتمال الإجراء. في كثير من الأحيان يتم كتابة النتائج الى سجل وحدة المعالجة الداخلي للوصول السريع عن طريق تعليمات لاحقة ، أما في حالات أخرى يمكن كتابة النتائج الى ذاكرة رئيسية تكون أقل تكلفة و ذات سعة أعلى و لكن بشكل أبطأ.

آلية عمل وحدة المعالجة المركزية (CPU)

بعد التعرف على الوظائف من المؤكد أنك تتساءل كيف تقوم CPU بتنفيذ هذه العمليات لإعطائك النتائج التي تظهر لك على الشاشة؟

في صلب وحدة المعالجة المركزية هناك مجموعة من العمليات الأساسية التي يمكن أن تؤديها و تسمى مجموعة التعليمات على سبيل المثال : إضافة أو طرح رقمين، مقارنة رقمين، أو القفز الى أجزاء مختلفة من البرنامج. يتم تمثيل كل عملية أساسية بمزيج من البتات و التي تعرف باسم “شيفرة تشغيل لغة الآلة”.

أثناء تنفيذ التعليمات في برنامج لغة الآلة تقوم وحدة المعالجة بتحديد العملية التي يتم تنفيذها من خلال فك الشيفرة السابقة ، و كما ذكرنا فإن التعليمات تتكون من شيفرة التشغيل و البتات الإضافية التي تحدد تفاصيل العملية (على سبيل المثال الأرقام التي سيتم جمعها في حال عملية الإضافة).

يتم تنفيذ العملية الحسابية الفعلية لكل تعليمة بواسطة دائرة منطقية تكاملية داخل معالج CPU و الذي يعرف بوحدة الحساب و المنطق ALU. توم وحدة المعالجة بتنفيذ التعليمات عن طريق جلبها من الذاكرة و ذلك باستخدام ALU لتنفيذ العملية ثم تخزين النتيجة على الذاكرة. بجانب العمليات الحسابية و المنطقية توجد تعليمات أخرى مختلفة مثل تلك الخاصة بتحميل البيانات من الذاكرة و تخزينها مرة أخرى و العمليات المتفرغة و العمليات الحسابية على أرقام الفاصلة العائمة التي تقوم بها وحدة أرقام الفاصلة العائمة FPU.

عند التعمق في التكوين الداخلي ل CPU فإننا سنواجه بعض المفاهيم و المصطلحات التي يجب تسليط الضوء عليها لفهم عمل وحدة المعالجة بشكل كامل و هي:

وحدة التحكم CU :

نظريا يمكن تقسيم وحدة المعالجة المركزية الى وحدتين ، الأولى هي وحدة التحكم CU التي تحتوي على دارات تستخدم إشارات كهربائية لتوجيه نظام الكمبيوتر بأكمله و ذلك من أجل تنفيذ تعليمات البرنامج المخزنة، و لكن لا تقوم وحدة التحكم بتنفيذ تعليمات البرنامج و بدلاً من ذلك توجه أجزاء أخرى من النظام للقيام بذلك ، و تتصل وحدة التحكم بكل من وحدة الحساب و المنطق ALU و الذاكرة.

وحدة الحساب والمنطق ALU :

تعتبر النصف الثاني من وحدة المعالجة و هي عبارة عن دارة رقمية داخل المعالج تقوم بأداء عمليات حسابية و منطقية. المدخلات الى ALU هي البيانات التي يتم تشغيلها و التي تسمى المعاملات و معلومات الحالة من العمليات السابقة و رمز من وحدة التحكم يشير الى العملية التي يجب تنفيذها. قد تأتي المعاملات من سجلات وحدة المعالجة المركزية الداخلية أو الذاكرة الخارجية أو قد تكون ثوابت تم إنشاؤها بواسطة ALU نفسها.

وحدة إدارة الذاكرة :

تحتوي معظم معالجات الحواسيب المتطورة على وحدة إدارة ذاكرة تقوم بترجمة عناوين منطقية الى عناوين ذاكرة الوصول العشوائي الفعلية و توفير حماية للذاكرة و أنظمة نقل البيانات خصوصا في وحدات التحكم الدقيقة.

تردد الساعة:

و يسمى أيضا بتردد المعالج ، معظم وحدات المعالجة المركزية عبارة عن دوائر رقمية متزامنة مما يعني أنها تستخدم إشارة على مدار الساعة لتسريع عملياتها التسلسلية. يتم إنتاج إشارة الساعة من خلال دائرة مذبذب خارجية تولد عددا ثابتا من النبضات كل ثانية بشكل موجة دورية مربعة.

يحدد تواتر نبضات الساعة المعدل الذي تقوم به وحدة المعالجة بتنفيذ التعليمات و بالتالي كلما كانت الساعة أسرع كلما زادت التعليمات التي ستنفذها كل ثانية.

تم تطوير معدلات التردد بشكل متزايد و ذلك لتحسين الأداء و لكن لا تزال تحوي بعض المشاكل و العيوب، على سبيل المثال تخضع إشارة الساعة للتأخير من أي إشارة كهربائية أخرى مما يجعل من الصعب الحفاظ على إشارة الساعة مما يؤدي الى خلل في عمل وحدة المعالجة و لتجنب حدوث هذه المشكلة تم تزويد وحدات المعالجة الحديثة بعدة إشارات متشابهة على مدار الساعة لتفادي تأخير إشارة واحدة بشكل كبير بما يكفي لإحداث خلل في الوحدة. هناك مشكلة رئيسية أخرى حيث أن معدلات الساعة المتزايدة تبدد كمية كبيرة من الحرارة مما بتطلب أنظمة تبريد متطورة لتفادي المشاكل الناتجة عن الحرارة الزائدة.

وحدة المعالجة المركزية (cpu)

الأداء :

يعتمد أداء المعالج أو سرعته على العديد من العوامل مثل تردد الساعة (الذي يعطى عادة بمضاعفات الهرتز) و التعليمات لكل ساعة( IPC) و التي تمثل معا عوامل التعليمات في الثانية (IPS).

يزداد أداء وحدة المعالجة المركزية باستخدام معالجات متعددة النواة و التي تقوم بتوصيل معالجين أو أكثر  (و التي تسمى النواة) الى دارة متكاملة واحدة تربط بينها.

من الناحية المثالية سيكون المعالج ثنائي الأنوية مثلا قويا تقريبا بمقدار ضعف المعالج الأساسي و لكن من الناحية العملية فإن مكاسب الأداء أصغر بكثير و قد لا تصل سوى ل 50٪ بسبب خوارزميات البرامج غير الكاملة و التنفيذ. زيادة عدد النوى يزيد من عبء العمل الذي يمكن التعامل معه.

و هذا يعني أن المعالج يمكنه التعامل مع العديد من الأحداث غير المتزامنة و المقاطعات و ما الى ذلك و التي من الممكن أن تؤثر على وحدة المعالجة المركزية عند زيادة العبء عليها. يمكن النظر إلى هذه النوى على أنها طوابق مختلفة في مصنع معالجة

حيث يتعامل كل طابق مع مهمة مختلفة. في بعض الأحيان ، ستتعامل هذه النوى مع المهام نفسها مثل النوى المجاورة لها إذا لم تكن النواة الواحدة كافية للتعامل مع المعلومات.

نظراً لقدرات معينة من وحدات المعالجة المركزية الحديثة ، مثل خيوط المعالجة الفائقة وغير المتشابكة ، والتي تتضمن مشاركة موارد وحدة المعالجة المركزية الفعلية مع السعي إلى زيادة الاستخدام ، أصبحت مستويات أداء الأجهزة ومراقبتها تدريجياً مهمة أكثر تعقيدًا. تقوم بعض وحدات المعالجة المركزية (CPU) بتطبيق منطق أجهزة إضافي يراقب الاستخدام الفعلي لأجزاء مختلفة من وحدة المعالجة ويوفر عدادات مختلفة يمكن الوصول إليها من قبل البرامج ؛ مثال على ذلك تقنية Intel Counter Monitor Monitor.

على الرغم من كون وحدة المعالجة المركزية الجزء الحيوي في الحاسوب إلا أنها لا تستطيع القيام بوظائفها و أداء مهماتها من دون المكونات الأخرى، لذلك تعمل التكنولوجيا بشكل مستمر على تطويرها و إضافة المكونات الحساسة الأخرى الى التركيب الداخلي لها لزيادة كفائتها و تقديم أفضل أداء ممكن.

إعلان
المصدر
digital trendswikipediamakeuseof
زر الذهاب إلى الأعلى
error:
إغلاق

أنت تستخدم إضافة Adblock

برجاء دعمنا عن طريق تعطيل إضافة Adblock