وحده المعالجه المركزيه : المعالج CPU
المعالج (Central processing unit)
CPU
وحدة المعالجة المركزية (( CPU ))
قبل أن ابداء هناك مصطلحات يجب عليك معرفتها وهي وحدات القياس المستخدمة في الحاسب الآلي
بت = Bit = وهي اصغر وحدة
البايت = Bayt = 8 bit
الكيلو بايت = KB = 1024 B
الميجا بايت = MB = 1024 KB
الجيجا بايت = GB = 1024 MB
المعالج : وهو القلب النابض لجهاز الحاسب الآلي جهاز بلا معالج كأنسان من غير قلب فالأنسان من غير قلب يعتبر ميت لان القلب هو المسؤل عن ضخ الدم الى باقي اجزاء الجسم .
والمعالج هو قلب الحاسب المسؤل عن ضخ البيانات والمعلومات الى باقي اجزاء الحاسب .
خصائص المعالج :
1. سرعة المعالج ( CPU Speed ) : وهي مقياس لعدد العمليات التي يمكن للمعالج أن يؤديها في الثانية الواحدة . وتقاس بــ MHZ او GHZ وهو معدل نبضات الساعة التي تعطى للمعالج .
2. حجم الكلمة ( Word Size ) : وهو أكبر عدد من البت (( bit الذي يمكن للمعالج عملها في المرة الواحدة . والأن في وقتنا الحاظر اغلب المعالجات هي معالجات ذات 64 بت أي انها تستطيع ان تتعامل مع 64 بت في المرة الواحدة .
حجم الكلمة هي عبارة عن عدد خطوط البيانات الموضحة في الرسم الأعلى .
3. مسار البيانات ( Data Path ) : وهو أكبر عدد من البت يمكن نقلها من والى المعالج في المرة الواحدة .
ويتم نقل البيانات في نفس خطوط البيانات وتقريباً الأن تم الربط بين مسار البيانات وحجم الكلمة فأصبحوا واحد ولاكن ذكرتهم اثنيناتهم تجاوزاً .
4. أكبر سعة للذاكرة ( Maximum amount of memory ) : وهي أكبر سعة ذاكرة يمكن توصيلها بالمعالج .
وهي مربوطة بخطوط العناوين الموجودة بالرسم في الاعلى فخطوط العناوين هي المسؤلة عن عنونة الذاكرة ( RAM ) . وتأخذ وتقاس بهذه العلاقة
أكبر سعة ذاكرة (RAM) يمكن توصيلها بمعالج ما = 2 أس عدد الخطوط الناقلة للعناوين
مثال : معالج يملك 29 خط عناوين . ما هي اكبر سعة ذاكرة (RAM) يمكن وضعها بهذا الجهاز ؟
جـ : اكبر سعة ذاكرة يمكن وضعها بهذا الجهاز = 2 ^ 29 = 536870912 Bayt
536870912 بايت = 524288 كيلو بايت = 512 ميجا بايت = 0.5 جيجا بايت
(( ملاحظة :: العلامة ^ = الأس ))
الناتج من العلاقة يعطينا الحجم بالبايت ويجب عليك التحويل من وحدة الى وحدة بالعلاقة التالية :
الحجم بالبايت / 1024 = الحجم بالكيلو بايت ......... وهكذا
سؤال مربتط بالسؤال السابق :: لو وضعنا ذاكرة حجمها 1024 MB هل يعمل الجهاز بشكل اقوى من ان نضع بها ذاكرة حجمها 512 MB ؟؟
الجواب :: طبعاً لا ولن يفرق الأداء بأي شكل من الاشكال لأن المعالج لايمكنة عنونة سوى 512 MB فيضيع علينا ذاكرة حجمها 512 MB بلا أي فائدة لأن المعالج لايمكنه التعامل سوى مع 512 MB .
مثال آخر : ذاكرة حجمها 2 GB موصولة بالجهاز . كم عدد خطوط العناوين اللازمة لعنونة هذه الذاكرة ؟
جـ : أولاً يجب علينا ان نحول القيمة من GB الى Bayt
2 * 1024 * 1024 * 1024 = 2147483648 بايت
نحظر الآلة الحاسبة ونفعل الآتي :
Log 2147483648 / Log 2
= 31 خط
أي نحتاج لعنونة هذه الذاكرة الى 31 خط عنواين .
وأغلب المعالجات في الوقت الحاظر تحتوي على 32 خط عناوين أي تستطيع ان تعنون ذاكرة بحجم 4 GB .
5. ذاكرة الكاش المثبته بالمعالج ( Internal cache memory ) : وهي أكبر كمية
كاش مموري ( Cache memory ) موجودة داخل المعالج وغالباً ما يكون حجمها 512 KB او 256 KB . ( لاحظ ان الحجم بالكيلو فقط نظراً لأرتفاع سعر هذا النوع من الذاكرة )
وتتلخص الفائدة من ذاكرة الكاش هي بما ان سرعتها كبيرة جداً جداً تفوق سرعة ذاكرة الـ RAM العادية بحوالي 20 مرة فتستخدم كوسيط بين المعالج وذاكرة الـ RAM تجد شرح أكثر في الموضوع بعد قليل .
وسأتطرق للحديث عن الفرق بينها وبين الـ RAM في موضوع سابق انشاء الله .
أنواع المعالجات
يمكن تقسيمها الى أنواع من حيث عدد البتات للأرقام التي يتعاملون معها (( حجم الكلمة التي ذكرناها في الاعلى أو عدد خطوط البيانات )) ::
1 – معالجات 4 بت : وهذه تستخدم في الألات الحاسبة وبعض الاحتياجات الخاصة ولا تستخدم في الحاسب الآلي
2 – معالجات 8 بت : وهذا النوع من المعالجات ايضاً ظهر قديماً وكان يستخدم في بعض الاجهزة ولعلنا نذكر اتاري سيجا واتاري ننتندو وكانت تلك الاجهزة تستخدم هذا النوع من المعالج ولايستخدمة الحاسب الالي .
3 – معالجات 16 بت : ظهرت معالجات شهيرة وقوية مع هذا المعالج في ذالك الوقت ولاكنها الأن تعتبر منقرضة واصبحت من التاريخ ومن بعض الامثلة على هذا النوع من المعالج
( Intel 8088 وكان بسرعة MHZ 4.77
Intel 80286 وكان بسرعة 12 MHZ )
4 – معالجات 32 بت : ظهرت في أوائل التسعينات وتعتبر الأن منقرضة ايضاً ومن الامثلة على هذا النوع من المعالجات
( Intel 80386 وكان بسرعة MHZ 25 - Intel 80486 وكان بسرعتين الأولى 33 MHZ والثانية 66 MHZ ( اول جهاز اشتريته كان يحمل هذا النوع من المعالج ) )
5 – معالجات 64 بت : وهي المعالجات التي في العصر الحالي ومن الأمثلة على هذا النوع من المعالجات :
( ملاحظة : البنتيوم P = Pentium )
( Intel P – Intel P2 – Intel P3 – Intel P4 )
ميكانيكية عمل المعالج
عندما يريد المعالج مثلاً معالجة بيانات موجودة على القرص الصلب ( Hard Disk ) فهو لايأخذ البيانات مباشرة من القرص الصلب . لماذا ؟
لأن المعالج سريع جداً والقرص الصلب يعتبر بطيء نوعاً ماء فلتفادي هذه المشكلة عملوا المصممون الآتي
يطلب المعالج البيانات التي يريدها من القرص الصلب وتكون عن طريق خطوط التحكم .
يقوم القرص الصلب بأفراز البيانات التي طلبها المعالج ويقوم بوضعها في الذاكرة RAM .
بما أن الذاكرة RAM بطيئة بعض الشي على المعالج فأن الكاش مموري ( Cache memory ) يقوم بدور الوسيط بين المعالج والذاكرة RAM نظراً لسرعته الفائقة .
يأخذ المعالج البيانات من الكاش مموري ويقوم بمعالجتها .
وهذه دراسه أخرى ومعلومات أكثر :
الموضوع
تعريف المعالج وكيف يصنع
تعريف الترانزستور وأنواعه ومميزاته وعيوبه
كيف يعمل المعالج والشركات المصنعة له والفروق بينها
مكونات المعالج
ما الذي يحدد أداء المعالج
عمليات وحدة المعالجة المركزية
تحسين المعالجات وأشكالها
عريف المعالج: وحدة المعالجة المركزية هي عبارة عن دائرة متكاملة مصممة على
شريحة صغيرة من مادةالسليكون وتتكون هذه الوحدة من ملايين
الترانزستوراتالصغيرة الحجم وتتصل فيما بينها بأسلاك دقيقة للغاية من
الألمونيوم هذه الوحدة هي عقل الكمبيوتر. وهي المكان الذي يتم فيه كافة
العمليات الحسابية. والوحدة تنقسم إلى قسمين:
1- وحدة الحساب المنطقي: وتقوم بأداء عمليات حسابيةومنطقية،
2- وحدة التحكم: وهي تقوم بأخذ التعليمات من الذاكرة وتفسيرها
وتنفيذهابمساعدة وحدة الحساب المنطقي إن تطلب الأمر.
ما هو المعالج:
عندما تود الإشارة إلى نوع حاسب ما فإنك تلجأ غالباً إلى نوع المعالج الذي
يحتويه فتقول "هذا الجهاز هو الرابع بسرعة 3400 فما هو المعالج ؟
المعالج عبارة عن شريحة من السليكون مغلفة وموصلة باللوحة الأم بطريقة خاصة
لتقوم باستقبال البيانات من أجزاء الحاسب الأخرى ومعالجتها ثم إرسال النتائج
إلى الأجزاء الأخرى لإخراجها أو تخزينها وجميع العمليات الحسابية تقوم بها
هذه الوحدة ، وكل ما تفعله أثناء عملك على الحاسب يقوم به المعالج جزئياً أو
كلياً بشكل أو آخر .
والمعالج لا يفكر ولا يفهم بل يطبق التعليمات الموجودة في البرنامج وهو "
دماغ الحاسب " وكل العمليات التي تقوم بها باستخدام الحاسب يقوم بها المعالج
بشكل مباشر أو غير مباشر.
عندما تشتري حاسباً فإن أول ما تسأل عنهغالباً هو سرعة المعالج ( مثلاً
500ميجاهرتز ) ، فتختلف بذلك قدرات المعالجات المختلفة بسرعتها في القيام
بالعملياتالحسابية ، إن الميجاهرتز الواحد يساوي مليون دورة في الثانية
الواحدة ومعالج 500ميجاهرتز يؤدي 500 مليون دورة في الثانية.
كيف يصنع المعالج: تمر صناعة المعالج بالكثير من الخطوات فصناعة معالج حديث
قد تستغرق 90 يوماً من العمل باستخدام تقنيات عالية جداً . ويتكون
الترانزستور من مادة شبه موصلة غالباً ما تكون السيلكون .
إن أول خطوة لصناعة المعالج هي جلب السيلكون ومعالجته ليصبح في النهاية على
شكل كريستال حجم الواحدة منها يقارب العشرين سنتيمتراً ، وتقطع بواسطة أدوات
خاصة إلى شرائح كل شريحة منها سمكها أقل من 1 مليمتر وقطرها 20 سم وتستعمل كل
واحدة من هذه الرقاقات بعد المعالجة في صنع ما يقرب من 140 معالج يعطب منها
حوالي 20 . تأتي بعد ذلك مرحلة تصميم المعالج (على الورق) وهذه عملية تأخذ
الكثير من الوقت ثم بعد ذلك تبدأ عملية التصنيع باستخدام أدوات دقيقة جداً
وأجهزة حاسب آلي ضخمة جداً ً ويتم تصنيع الترانزستورات باستخدام الضوء ومواد
حساسة للضوء على شكل طبقات تختلف باختلاف المعالج وحسب تعقيده لتنتج لنا من
كل رقاقة كما قلت المئات من المعالجات ، فتقطع هذه الرقاقة إلى مئات القطع
لتكون كل قطعة معالج قائم بذاته ونحيط بأن المعالج يصنع في بيئة معزولة
تماما.
ثم تأتي بعد ذلك عملية وضع كل رقاقة من هذه الرقاقات داخل غلاف لها حتى
تحميها من العوامل الخارجية وحتى يسهل حملها والتعامل معها . طبعاً بعض القطع
من هذه الرقاقات قد لا تعمل نتيجة كون بعض أجزاء السيلكون معطوب ، أيضاًَ قد
يعمل بعضها أسرع من الأخرى لذا نجد الاختلاف في سرعات الساعة للمعالجات.
ماهو الترانزستور وما علاقته بالمعالج
يجب أن نعلم أن المعالج في تركيبه الداخلي يحتوي على ترانزستورات وسأتناول في
السطور التالية هذا الموضوع بشيء من التفصيل وكلما زادت عدد الترانزستورات
زادت قدرة المعالج على المعالجة لذلك تحوي المعالجات الحديثة عدد من
الترانزستورات يصل إلى 200 مليون ترانزستور ولكن كيف لهذا المعالج الصغير في
حجمه الكبير في فعله أن يحوي هذا العدد المهول !!
هنا نأتي لشيء اسمه ((دقة الصنع)) وحينما نذكر أن المعالج AMD Athlon 3500+
بدقة صنع 13 نانومتر نعني أن الترانزستور الواحد حجمه يعادل 13 نانومتر أي 13
جزء من مليار جزء من المتر !!!!!
ويوجد دقة صنع أقل من 13 نانومتر وهي 9 نانومتر !!!! وكلما قلت دقة الصنع
استطعنا أن نصل إلى سرعات أكبر لأن المسافة بين الترانزستورات تصبح أقل وهذا
يعني سرعة أكبر في النقل مع حرارة أقل لأن الترانزيستور يقل حجمه فيصدر حرارة
ما هو الترانزستور:
الترانزستور عبارة عن مفتاح كهربائيمتناهي الدقة يشبه مفتاح الضوء التقليدي
الذي يحتوي على وضعين (تشغيل و توقيف) ولهذا فإنه يعمل على التحكم في سريان
الإلكترونات في البلورات الصلبة وقد كانتالصمامات المفرغة تستخدم لهذه المهمة
مما أدى إلى استبدالها في معظم الأجهزةالإلكترونية بالترانزستورات وهذا بدوره
أدى إلى تصغير تلك الأجهزة وتقليل تكاليفهاإلى مستوى قياسي.
يتكون الترانزستور من ثلاث طبقات بدلا من طبقتين بالنسبةللصمام الثنائي ,
يشبه الترانزستور صمامين ثنائيين موضوعين بجانب بعضهما البعض ظهرلظهر .
تصنع الترانزستورات الأكثر شيوعا في العالم من شرائح رقيقة من السيلكونأو
الجرمانيوم مخلوط بشوائب قليلة من معدن أخر مثل الأنتيمون أو الزرنيخ ثم
توصلتلك الشرائح بأسلاك ثم يوضع الترانزستور الجاهز في وعاء صغير لحمايته.
أنواع الترانزستورات:
هناك نوعان رئيسيان من الترانزستوراتيعمل كل منهما بطريقة مختلفة عن الآخر
ولكن الاستفادة من أي منهما تعود إلى قدرتهعلى التحكم في التيار الكهربائي
بالجهد الضعيف وهذان النوعان هما :
الترانزستور الوصلي :
ويتكون من قطعة من نوع واحدمن مادة شبه موصلة بين طبقتين سميكتين من مادة شبه
موصلة ويمكن تصنيفه إلى نوعين
1- ترانزستور القاعدة السالبة
2- ترانزستور القاعدةالموجبة
ترانزستور التأثير المجالي:
يتكون هذا النوع منطبقتين فقط من المادة شبه الموصلة , إحداهما فوق الأخرى
طرق توصيل الترانزستور
يتم توصيل الترانزستور بثلاث طرق لكل منها خواصها, هي:
1-دارة القاعدة المشتركة
2-دارة الباعثالمشترك
3-دارة المجمع المشترك
مميزات وعيوب الترانزستور:
يعد الترانزستور من أهم اكتشاف القرن العشرين ومعذلك فإنه كغيره من الأجهزة
يوجد له مميزات كما يوجد له عيوب من اهمها تعرضه الدائمللتلف إذا تم توصيله
بالبطارية بطرقة خاطئة أي بطريقة عكسية . أما مميزاته فهيكالتالي :
1-حجمه صغير جدا حيث لايتجاوز رأس عود الكبريت مما جعل إمكانيةتصغير الأجهزة
الإلكترونية ممكنة بعد أن كانت مستحيلة قبل سنواتقليلة.
2-لا يحتوي بداخله على فتيلة، ولذلك فإنه لا يحتاج إلى تيار كبير،فبينما
يحتاج صمام الرادير النموذجي إلى فرق جهد عال بين المهبط و المصعد يقدر
بعدةمئات الفولتات ،فإن الترانزيستور لا يحتاج لأكثر من عدة فولتات.
3-أكثر نشاطاو فعالية
4- لا يؤدي إلى هدر الطاقة
5- يعيش لفترة أطول
أنواع المعالجات :-
تنقسم المعالجات من حيث عدد البتات إلى عدة أقسام :-
1- معالجات ذات 8 بت .
2- معالجات ذات 16بت.
3- معالجات ذ32 بت .
4- معالجات ذات 64 بت هي المستخدمة اليوم.
- يوجد العديد من الشركات المصنعة للمعالجات ومن أهم هذه الشركات:-
1- شركة إنتل.
2- شركة AMD.
الفروق بين معالج وآخر:
1. المعالج السريع يقوم بنفس العمل و لكن أسرعمن المعالج البطيء ، المعالج لا
يحدد أداء حاسبك بمفرده ولكنه يحدد أقصى أداء يمكنأن يصل إليه حاسبك وعلى
المكونات الأخرى في الحاسب أن تكون سريعة أيضاً لكي يكونالحاسب بكامله سريع .
2. الاعتمادية : إن المعالج المنخفض الجودة قديجعل حاسبك غير مستقر .
3. إن المعالج السريع قد يشغل برنامج معينبينما المعالج الأبطأ لا يتمكن من
تشغيله .
4. بعض المعالجات تستهلك الكثير من الطاقة ممايزيد من مشاكل الحرارة ويؤثر
بالتالي على الأداء والاستقرار .
5. اختيار اللوحة الأم : حيث أن اللوحة الأمالتي تختارها لا بد أن تدعم
المعالج الذي تود تركيبه والعكس .
كيف يعمل المعالج:
1. يقرأ التعليمات من الذاكرة العشوائية .
2. يقرر ما هي البيانات اللازمة لتنفيذ الأمر.
3. يجلب البيانات اللازمة لتنفيذ ذلك الأمر.
4. ينفذ الأمر.
5. يكتب النتيجة في الذاكرة العشوائية: طبعاً الذاكرة العشوائية بطيئة لذا
تستعمل " ذاكرة الكتابة المخبئية " لحفظ البيانات لحين تمكن الذاكرة
العشوائية من قراءتها .
مكونات المعالج:
وحدة التحكم
Control Unit هي وحدة التحكم في المعالج ومن هذا نفهم أنها الجزء الأهم
فيهفهي تقوم بتوجيه وحدة الحساب والمنطق والمسجلات حال عملها وكيفية عملها
وفي أي وقتتعمل.
وحدة الحساب والمنطق
ويرمز لها بالرمز ALU وهو اختصار لكلمات Arithmetic and Logic Unit
وظيفتهاالعمليات الحسابية كالجمع والطرح والضرب والقسمة والعمليات المنطقية
مثل (و ، أو ،ليس ، إذا كان فإن)
FPU
Floating Point Unit وحدة حساب النقطة العائمة ويقصد بالنقطة العائمة
نقطةالكسر ، فتكون هذه الوحدة مخصصة لمعالجة العمليات الرقمية.
L1 Cache
الذاكرة المخبئية من المستوى الأول ، وهي مقسمة على قسمين ، قسم للقراءة
فقطوقسم يقبل الكتابة عليه وكلما زادت هذه الذاكرة كلما زاد ذلك من أداء
المعالج. وهيمرتفعة السعر لذلك يكون حجمها صغير في المعالج 8-64 كيلوبايت ،
وغالبا ما تستخدمهذه الذاكرة لتخزين العمليات المتكررة في المعالج.
L2 Cache
الذاكرة المخبئية من المستوى الثاني ، وظيفة هذه الذاكرة تكمن في كونها
ذاكرةمؤقتة سريعة جدا بحيث تعمل على تسريع تدفق التعليمات ما بين المعالج
والذاكرة . وتكون أكبر حجما من المستوى الأول ، وظيفتها الرئيسية تسريع أداء
المعالج ونقلالبيانات ، ويكون ترددها مساويا لتردد المعالج ، وغالبا ما تكون
هذه الذاكرة ما بين 256-2048 كيلوبايت.
L3 Cache
الذاكرة المخبئية من المستوى الثالث ، لا تختلف عن L2 من حيث الوظيفة إلا
أنهاأقل منها في السرعة ، وتتميز بحجمها الكبير 1-8 ميجابايت وهي أقل كذلك من
حيث السعر، وظيفتها سد الفجوة ما بين L2 و الذاكرة الرئيسية حيث تعتبر مرحلة
وسيطة بينهما ،وتتميز هذه الذاكرة بتوقيت أقل وقابلية توسيعها أكبر وأكثر
عملية من L2. بقي أننعلم أن المعالج يبحث بشكل منطقي عن المعلومة ، بداية في
الذاكرة المخبئية منالمستوى الأول ثم من الذاكرة المخبئية من المستوى الثاني
فإذا لم يجدها ينطلقللمستوى الثالث فإذا لم يجدها ينتظر قدومها من الذاكرة
الرئيسية.
BSB
Backside Bus ناقل الجانب الخلفي وهو ناقل التعليمات ما بين المعالج
والذاكرةالمخبئية من المستوى الثاني.
FSB
Front side Bus ناقل الجانب الأمامي وهو ناقل التعليمات ما بين
المعالجوالذاكرة الرئيسية ، وكلما زاد تردد الناقل الأمامي كلما زاد
أداءالمعالج.
Hyper Transport
أصبح الآن القياس مختلفا ففي معالجات AMD من جيل 64 بت بدأت الشركة
بالاعتمادعلى تقنيةHyper Trnasport وهي بديل عن الناقل الأمامي FSB وتتميز
بقدرة الهائلة علىالتطور ، ويقاس أداءها بكمية البيانات المتدفقة في الثانية.
المسجلات
Registers عبارة عن مسجلات لتخزين البيانات المستخدمة في وحدة الحساب
والمنطقلإتمام المهام المطلوبة من قبل وحدة التحكم.
Thermal Monitor
نظام حماية المعالج من الاحتراق ، وظيفته قراءة درجة حرارة المعالج فإذا
وصلتإلى حد الخطر إما أن يتوقف الجهاز عن العمل أو ينزل تردد المعالج حتى
تتناقص حرارته، ولكل شركة طريقتها الخاصة بذلك.
Enhanced Virus protection
تقنية اخترعتها وطورتها شركة AMD وتقوم شركة Microsoft بدعمها من خلال
نظامالتشغيلWindows XP تقوم على مكافحة الفيروسات والتروجان مباشرة عبر تقنية
مضمنة فيالمعالج ، وهي نقلة نوعية في مجال مكافحة الفيروسات.
ما الذي يحدد أداءالمعالج:
تردد المعالج
وقد سبق أن قلنا أنه لا يشترط أن يعني ذلك أن المعالج ذي التردد الأعلى
يعطيأداء أكبر ، ولكن يكون هذا على شرط أن المعالج من نفس النوعية وبنفس
المواصفاتالفنية فإذا أتينا بمعالج آخر له نفس المواصفات ولكنه يزيد عنه في
التردد فإن هذايعني أنه أفضل أداء.
تردد الناقل الأمامي
كلما زاد تردد الناقل الأمامي FSB كلما أدى ذلك إلى مزيد من البيانات
التيتنتقل من المعالج إلى الذاكرة الرئيسية )العشوائيةولذلك لو أتينا
بمعالجين من نفس الصنف ومتشابهةفي المواصفات وبتردد 2.4GHz على سبيل المثال ،
بحيث يكون أحدهما بتردد ناقل 400والثاني بتردد ناقل 533 فإن ذلك يعني أن
المعالج الثاني يعطي أداء أكبر.
الذاكرة المخبئية
سواء كانت ذاكرة المستوى الأول(L1) أو المستوى الثاني(L2) أو المستوى الثالث
(L3) في بعض المعالجات، فإن زيادتها يعني زيادة أداء المعالج ، وهذا يفسر
الفرقالشاسع بين معالج Celeron-D الذي يعمل بذاكرة مخبئة من المستوى الثاني
بحجم 256كيلوبايت ومعالج Pentium4 الذي يعمل بذاكرة مخبئية من المستوى الثاني
بحجم 512كيلوبايت.
حجم الترانزستورات
ويقصد بها الحجم الذي صنعت وفقه ملايين الترانزستورات الموجودة في
المعالجوتقاس بالماكيرون (1مم= مليون نانومتر) أو بالنانومتر وحاليا أشهر
تقنيات التصنيعما بين 130 نانومتر و 90 نانومتر ، وكلما صغر حجم هذه
الترانزستورات كلما ساهم ذلكفي إعطاء أداء أكبر ، كذلك استهلاكا أقل للطاقة
وانبعاثا حراريا أقل ، وهذا منالناحية النظرية أما من الناحية العملية ومن
خلال الاختبارات ثبت أن هذا الأمر ليسله تأثير كبير ، بل تأثير هامشي.
التعليمات Instructions
فيتميز كل معالج باستخدامه مجموعة من التعليمات التي تساهم في جعل
المعالجينفذ تعليمات أكثر ، وتطور Intel تقنية SIMD مثل SSE و SSE2 و SSE3
بينما تطور شركة AMD تعليمات 3Dknow الموجهة خصيصا للتقنية ثلاثية الأبعاد ،
وتمميز AMD بتضمينهاتقنية Intel بينما لا تقوم Intel بتضمين تقنيات AMD في
معالجاتها.
التقنيات الفنية
هناك بعض التقنيات الإضافية التي تساهم في أداء المعالج تقومالشركات بتطويرها
، فعلى سبيل المثال تقنية HyerThreading في معالجات Pentium4 عبارة عن تقنية
استغلال الجزء الفائض من قدرة المعالج للقيام بتعليمات أخرى ، بحيثيستمر
المعالج بالعمل بطاقته الكاملة 100% مما ينتج عنه أداء أعلى ، وطورت AMD
مقابل ذلك تقنية HyperTrasnport التي تساهم في زيادة التدفق ما بين
الذاكرةوالمعالج وطقم الرقاقات وبشكل كبير جدا وهي تقنية لمعالجات AMD64.
وحدات حساب ومنطق ووحدات نقاط متحركة أكثر:
ولتحسين أداء الحساب، وضع مصنعو الرقائق وحدة حساب ومنطق إضافية، مما يعني
نظريًّا القدرة على إجراء ضِعْف ما يجري من عمليات في نفس الوقت، والعديد من
وحدات الحساب والمنطق في وحدة معالجة مركزية واحدة يعني إنهاء المهمات بسرعات
أكبر كما لو أن عددًا يقوم بتنظيف أرضية حجرة بدلاً من واحد فقط.
وبالإضافة للعديد من وحدات وحدة المعالجة المركزية بدلاً من وحدة واحدة
بالجهاز، دمجت شركة Intel وحدة لمعاجلة النقطة المتحركة (FPU / floating
point unit) في وحدة المعالجة المركزية. هذه الوحدة تعالج حسابات الأرقام
المتناهية الكبر والمتناهية الصغر، بينما تصبح وحدة الحساب والمنطق حرة
لتعالج شيئًا آخر.
عظَّم سرعة الأداء مرة أخرى كل من شركتي (Advanced Micro Devices / AMD &
Intel) عن طريق تنفيذ التعليمات تقريبًا بالتوازي زمنيًّا مع بعضهم البعض
(آنيًّا)، إذ يحتاج تنفيذ تعليمة ما لعدد من الخطوات المنفصلة من جلب وترجمة
على سبيل المثال، وفي الأصل ينبغي على وحدة المعالجة المركزية الانتهاء من
تنفيذ تلك التعليمة في دورة كاملة قبل أن تشرع في تنفيذ التعليمة التي تليها،
أما وقد تم إيجاد أكثر من خط معالجة – إن جاز التعبير – فإن دوائر منفصلة
تقوم بهذه الخطوات المنفصلة. هذا يحرر الترانزستورات التي تعالج تعليمة ما
لتصبح مستعدة لاستقبال وتنفيذ ومعالجة تعليمة أخرى بعدما انتقلت التعليمة
السابقة منها إلى غيرها، فيما يشبه حركة أكثر من شخص على سلم واحد، فبينما
يرفع أحدهم رجله لينقلها إلى الدرجة التالية ، تصبح نفس الدرجة خالية لرجل
آخر، وهكذا.
إضافات أخرى حسَّنت كثيرًا من الأداء مثل "التنبؤ الفرعي" (branch
prediction)، حيث يمكن تخمين أي خطوة فرعية قد يأخذها البرنامج. و"التنفيذ
الحدسي" (speculative execution)، بمعنى تنفيذ ما تم التنبؤ به، كذلك القدرة
على تنفيذ سلسلة تعليمات كاملة من البرنامج خارج ترتيبها وتسلسلها المعتاد
بالبرنامج لتكون جاهزة التنفيذ وقت طلبها، وهو ما يسمى بـ "إتمام خارج
التسلسل" أو (out-of-order completion).
كل تلكم التحسينات التي طرأت على وحدة المعالجة المركزية زادت من سرعتها،
وجعلت السرعة تقاس بالجيجا هرتز 1GHz. والعجيب في الأمر أن الاختبارات التي
أجريت كشفت عن أن الطفرات التي طرأت على السرعة كانت طفيفة المردود، خاصة على
البرامج المكتبية، والتي تعتمد بشدة على سرعة القرص الصلب وسرعة الذاكرة في
النظام RAM، ولعل في هذا إجابة شافية - ولو بعض الشيء - عمّا يتم داخل وحدة
المعالجة المركزية، إذ يعول الكثير عندما يشرع في شراء جهاز على الأرقام
الكبيرة، دون النظر إلى مدى حاجته لتلك الأرقام، وهل هذه الأرقام الضخمة تعبر
– حقيقة - عن سرعة مطلقة ؟! بمعنى، هل – فعلاً – "الجهاز" الذي تبلغ سرعة
معالجه 600 ميجا هرتز مثلاً أسرع بالفعل من "جهاز" سرعة وحدة المعالجة
المركزية به 500 ميجا هرتز؟ أم أن هناك متغيرات أخرى تتحدد من خلالها سرعة
الجهاز وأداؤه ؟
عمليات وحدة المعالجة المركزية:
تختزن المعلومات الخاصة بعمليات وحدة المعالجة المركزية في الذاكرة على شكل
bytes، وهذه المعلومات إما أن تكون تعليمات أو بيانات، والبيانات عبارة عن
حرف أو عدد أو لون مثلاً، بينما التعليمات هي التي توجه وحدة المعالجة
المركزية إلى ما يجب فعله مع البيانات من جمع وطرح ونقل على سبيل المثال.
ولأداء عملية بسيطة على أي بيانات، تحتاج وحدة المعالجة المركزية إلى أربعة
عناصر وهي: التعليمة، ومؤشر التعليمة، ومسجل، ووحدة الحساب والمنطق.
مؤشر التعليمة (instruction pointer)، وهو الذي يدل وحدة المعالجة المركزية
على مكان التعليمة بالذاكرة والتي تكون الوحدة بصدد تنفيذها.
مسجل (register)، وهو مكان للتخزين المؤقت في وحدة المعالجة المركزية، حيث
تختزن عليه مؤقتًا البيانات التي تنتظر معالجتها بواسطة تعليمة ما، أو
البيانات التي تم معالجتها بالفعل، مثل ناتج جمع رقمين.
وحدة الحساب والمنطق (arithmetic – logic unit / ALU)، وهي الآلة الحاسبة
بوحدة المعالجة المركزية، والتي تقوم بإجراء العمليات الحسابية والمنطقية
التي أملتها تعليمة ما على وحدة المعالجة المركزية.
وبالإضافة إلى ما سبق من أجزاء أساسية للمعالج، هناك أيضًا أجزاء أخرى
تحتاجها للقيام بوظائفها، وهي:
1- جالب التعليمة (instruction fetch)، وهي التي تقوم بإحضار التعليمة من
الذاكرة RAM أو أي مكان لتخزين التعليمات على وحدة المعالجة المركزية CPU.
2- مترجم التعليمة (instruction decoder)، وهو الذي يأخذ التعليمة من جالب
التعليمة ويترجمها (يفك شفرتها) بحيث تفهمها وحدة المعالجة المركزية، وهو
أيضًا الذي يحدد بعد ذلك ما يجب اتخاذه من خطوات لتنفيذ تلك التعليمة.
3- وحدة التحكم (control unit)، وهي التي تدير وتنسق كل العمليات على
الرقاقة، فبأمرها ونهيها تأتمر وتنتهي المكونات السالف ذكرها بالأوامر
والنواهي الخاصة بالعمليات، فليس لوحدة الحساب والمنطق أن تجري عملية ما دون
أن تأمرها وحدة التحكم، وكذلك يشرع جالب التعليمات فقط في إحضار تعليمة ما
بعد أن تأذن له وحدة التحكم حتى لو انتظرت تلك التعليمة التنفيذ لفترة طويلة،
وما ينبغي لمترجم التعليمة في ترجمة تعليمة ما وفك شفرتها بعد إحضارها دون
أمر منها.
تحسين وحدة المعالجة المركزية:
تحتاج وحدة المعالجة المركزية إلى القليل من المكونات للقيام بوظائفها، ولكن
التصميم الأساسي قد تغير عبر السنوات الماضية؛ مما أثر على الأداء بشكل عام،
ودائمًا ما كان الهدف من ذلك التجويد في كل مرة هو المعالجة الأسرع للبيانات.
فبينما استمر البحث حول الطرق التي تجعل سرعة وحدة المعالجة المركزية أكبر،
لاحظ مصنعو الرقائق أن وحدة المعالجة المركزية تتعطل في الوقت الذي يستغرق
لجلب تعليمة ما أو بيانات من ذاكرة النظام. ولتقليل الفاقد من ذلك الوقت، تم
إضافة مكان للتخزين يعرف بالكاش (cache) بالوحدة نفسها، حيث أمكن به تخزين
البيانات والتعليمات فيه مؤقتًا على وحدة المعالجة المركزية نفسها، مما خفض
من عدد الرحلات إلى الذاكرة.
تعاظمت فكرة الـ (cache)؛ ليضع مصنعو الأنظمة – بين أول كاش في وحدة المعالجة
المركزية وبين ذاكرة النظام RAM، ذاكرة ذات سرعة أكبر وأعلى، أسموها (level 2
cache or L2 cache)، مما يعني أن مسافة وعدد الرحلات إلى الذاكرة أصبح أقل
وأقل. هذه الـ (cache) الثانوية، سرعان ما تم دمجها مع وحدة المعالجة
المركزية نفسها؛ حتى تصبح مكانًا إضافيًّا لتخزين التعليمات والبيانات مع ما
سببته من زيادة سرعة الوحدة.
أشكال المعالج:
وفي السابق كان شكل المعالج أول ما بدءكالشريحة توضع بشكل أفقي على اللوحة
الأم في المقبس Socket ثم بظهور معالجات بنتيوم 2 تطور شكل المعالج إلى شكل
البطاقة التي توضع بشكل عمودي على اللوحة الأم ويسمىالموضع الذي يوضع فيه
بالشق Slot ثم عاد المعالج مرة أخرى إلى الشكل القديم Socket ، وتقاس سرعة
المعالج بالهيرتز(دورة/ ثانية) ، فإذا قيل لنا أن معالج مثل بنتيوم 4يعمل
بتردد 3.4 جيجاهيرتز فهذا يعني أن المعالج ينفذ 3400 ميجاهرتز في الثانية أو
3400 مليون هرتز في الثانية ، والهيرتز كما نعرف هي الدورة التي من الممكن أن
ينفذفيها المعالج شيئا من مهامه خلال زمن معين ، وال جيجاهيرتز يساوي 1000
ميجاهرتز ،ولا يدل هذا الرقم بأي حال من الأحوال على الأداء بين المعالجات
المختلفة ، ونقصدبالأداء سرعة إنجاز المهمات ، فلو افترضنا أن لدينا معالجان
من نفس النوعية ،ولنفترض السيليرون مثلا ، فإن أداء سيليرون يعمل بتردد 2800
ميجاهرتز أكبر من أداءسيليرون بتردد 2400 ميجاهرتز ، ولكن لو أتينا بمعالجين
من صنفين مختلفين ، ولنفترضمعالج بنتيوم 4 وسيليرون وكلاهما بتردد 2800
ميجاهرتز فإن بتنيوم 4 يعطي أداء أعلىمن أداء سيليرون من نفس السرعة ، وسنجد
أن بنتيوم 4 يؤدي مهاما أكبر في نفس المدةعلى الرغم من أن التردد في كلا
المعالجين واحد وذلك لاختلافات أخرى في المعالج.
قبل أن ابداء هناك مصطلحات يجب عليك معرفتها وهي وحدات القياس المستخدمة في الحاسب الآلي
بت = Bit = وهي اصغر وحدة
البايت = Bayt = 8 bit
الكيلو بايت = KB = 1024 B
الميجا بايت = MB = 1024 KB
الجيجا بايت = GB = 1024 MB
المعالج : وهو القلب النابض لجهاز الحاسب الآلي جهاز بلا معالج كأنسان من غير قلب فالأنسان من غير قلب يعتبر ميت لان القلب هو المسؤل عن ضخ الدم الى باقي اجزاء الجسم .
والمعالج هو قلب الحاسب المسؤل عن ضخ البيانات والمعلومات الى باقي اجزاء الحاسب .
خصائص المعالج :
1. سرعة المعالج ( CPU Speed ) : وهي مقياس لعدد العمليات التي يمكن للمعالج أن يؤديها في الثانية الواحدة . وتقاس بــ MHZ او GHZ وهو معدل نبضات الساعة التي تعطى للمعالج .
2. حجم الكلمة ( Word Size ) : وهو أكبر عدد من البت (( bit الذي يمكن للمعالج عملها في المرة الواحدة . والأن في وقتنا الحاظر اغلب المعالجات هي معالجات ذات 64 بت أي انها تستطيع ان تتعامل مع 64 بت في المرة الواحدة .
حجم الكلمة هي عبارة عن عدد خطوط البيانات الموضحة في الرسم الأعلى .
3. مسار البيانات ( Data Path ) : وهو أكبر عدد من البت يمكن نقلها من والى المعالج في المرة الواحدة .
ويتم نقل البيانات في نفس خطوط البيانات وتقريباً الأن تم الربط بين مسار البيانات وحجم الكلمة فأصبحوا واحد ولاكن ذكرتهم اثنيناتهم تجاوزاً .
4. أكبر سعة للذاكرة ( Maximum amount of memory ) : وهي أكبر سعة ذاكرة يمكن توصيلها بالمعالج .
وهي مربوطة بخطوط العناوين الموجودة بالرسم في الاعلى فخطوط العناوين هي المسؤلة عن عنونة الذاكرة ( RAM ) . وتأخذ وتقاس بهذه العلاقة
أكبر سعة ذاكرة (RAM) يمكن توصيلها بمعالج ما = 2 أس عدد الخطوط الناقلة للعناوين
مثال : معالج يملك 29 خط عناوين . ما هي اكبر سعة ذاكرة (RAM) يمكن وضعها بهذا الجهاز ؟
جـ : اكبر سعة ذاكرة يمكن وضعها بهذا الجهاز = 2 ^ 29 = 536870912 Bayt
536870912 بايت = 524288 كيلو بايت = 512 ميجا بايت = 0.5 جيجا بايت
(( ملاحظة :: العلامة ^ = الأس ))
الناتج من العلاقة يعطينا الحجم بالبايت ويجب عليك التحويل من وحدة الى وحدة بالعلاقة التالية :
الحجم بالبايت / 1024 = الحجم بالكيلو بايت ......... وهكذا
سؤال مربتط بالسؤال السابق :: لو وضعنا ذاكرة حجمها 1024 MB هل يعمل الجهاز بشكل اقوى من ان نضع بها ذاكرة حجمها 512 MB ؟؟
الجواب :: طبعاً لا ولن يفرق الأداء بأي شكل من الاشكال لأن المعالج لايمكنة عنونة سوى 512 MB فيضيع علينا ذاكرة حجمها 512 MB بلا أي فائدة لأن المعالج لايمكنه التعامل سوى مع 512 MB .
مثال آخر : ذاكرة حجمها 2 GB موصولة بالجهاز . كم عدد خطوط العناوين اللازمة لعنونة هذه الذاكرة ؟
جـ : أولاً يجب علينا ان نحول القيمة من GB الى Bayt
2 * 1024 * 1024 * 1024 = 2147483648 بايت
نحظر الآلة الحاسبة ونفعل الآتي :
Log 2147483648 / Log 2
= 31 خط
أي نحتاج لعنونة هذه الذاكرة الى 31 خط عنواين .
وأغلب المعالجات في الوقت الحاظر تحتوي على 32 خط عناوين أي تستطيع ان تعنون ذاكرة بحجم 4 GB .
5. ذاكرة الكاش المثبته بالمعالج ( Internal cache memory ) : وهي أكبر كمية
كاش مموري ( Cache memory ) موجودة داخل المعالج وغالباً ما يكون حجمها 512 KB او 256 KB . ( لاحظ ان الحجم بالكيلو فقط نظراً لأرتفاع سعر هذا النوع من الذاكرة )
وتتلخص الفائدة من ذاكرة الكاش هي بما ان سرعتها كبيرة جداً جداً تفوق سرعة ذاكرة الـ RAM العادية بحوالي 20 مرة فتستخدم كوسيط بين المعالج وذاكرة الـ RAM تجد شرح أكثر في الموضوع بعد قليل .
وسأتطرق للحديث عن الفرق بينها وبين الـ RAM في موضوع سابق انشاء الله .
أنواع المعالجات
يمكن تقسيمها الى أنواع من حيث عدد البتات للأرقام التي يتعاملون معها (( حجم الكلمة التي ذكرناها في الاعلى أو عدد خطوط البيانات )) ::
1 – معالجات 4 بت : وهذه تستخدم في الألات الحاسبة وبعض الاحتياجات الخاصة ولا تستخدم في الحاسب الآلي
2 – معالجات 8 بت : وهذا النوع من المعالجات ايضاً ظهر قديماً وكان يستخدم في بعض الاجهزة ولعلنا نذكر اتاري سيجا واتاري ننتندو وكانت تلك الاجهزة تستخدم هذا النوع من المعالج ولايستخدمة الحاسب الالي .
3 – معالجات 16 بت : ظهرت معالجات شهيرة وقوية مع هذا المعالج في ذالك الوقت ولاكنها الأن تعتبر منقرضة واصبحت من التاريخ ومن بعض الامثلة على هذا النوع من المعالج
( Intel 8088 وكان بسرعة MHZ 4.77
Intel 80286 وكان بسرعة 12 MHZ )
4 – معالجات 32 بت : ظهرت في أوائل التسعينات وتعتبر الأن منقرضة ايضاً ومن الامثلة على هذا النوع من المعالجات
( Intel 80386 وكان بسرعة MHZ 25 - Intel 80486 وكان بسرعتين الأولى 33 MHZ والثانية 66 MHZ ( اول جهاز اشتريته كان يحمل هذا النوع من المعالج ) )
5 – معالجات 64 بت : وهي المعالجات التي في العصر الحالي ومن الأمثلة على هذا النوع من المعالجات :
( ملاحظة : البنتيوم P = Pentium )
( Intel P – Intel P2 – Intel P3 – Intel P4 )
ميكانيكية عمل المعالج
عندما يريد المعالج مثلاً معالجة بيانات موجودة على القرص الصلب ( Hard Disk ) فهو لايأخذ البيانات مباشرة من القرص الصلب . لماذا ؟
لأن المعالج سريع جداً والقرص الصلب يعتبر بطيء نوعاً ماء فلتفادي هذه المشكلة عملوا المصممون الآتي
يطلب المعالج البيانات التي يريدها من القرص الصلب وتكون عن طريق خطوط التحكم .
يقوم القرص الصلب بأفراز البيانات التي طلبها المعالج ويقوم بوضعها في الذاكرة RAM .
بما أن الذاكرة RAM بطيئة بعض الشي على المعالج فأن الكاش مموري ( Cache memory ) يقوم بدور الوسيط بين المعالج والذاكرة RAM نظراً لسرعته الفائقة .
يأخذ المعالج البيانات من الكاش مموري ويقوم بمعالجتها .
وهذه دراسه أخرى ومعلومات أكثر :
الموضوع
تعريف المعالج وكيف يصنع
تعريف الترانزستور وأنواعه ومميزاته وعيوبه
كيف يعمل المعالج والشركات المصنعة له والفروق بينها
مكونات المعالج
ما الذي يحدد أداء المعالج
عمليات وحدة المعالجة المركزية
تحسين المعالجات وأشكالها
عريف المعالج: وحدة المعالجة المركزية هي عبارة عن دائرة متكاملة مصممة على
شريحة صغيرة من مادةالسليكون وتتكون هذه الوحدة من ملايين
الترانزستوراتالصغيرة الحجم وتتصل فيما بينها بأسلاك دقيقة للغاية من
الألمونيوم هذه الوحدة هي عقل الكمبيوتر. وهي المكان الذي يتم فيه كافة
العمليات الحسابية. والوحدة تنقسم إلى قسمين:
1- وحدة الحساب المنطقي: وتقوم بأداء عمليات حسابيةومنطقية،
2- وحدة التحكم: وهي تقوم بأخذ التعليمات من الذاكرة وتفسيرها
وتنفيذهابمساعدة وحدة الحساب المنطقي إن تطلب الأمر.
ما هو المعالج:
عندما تود الإشارة إلى نوع حاسب ما فإنك تلجأ غالباً إلى نوع المعالج الذي
يحتويه فتقول "هذا الجهاز هو الرابع بسرعة 3400 فما هو المعالج ؟
المعالج عبارة عن شريحة من السليكون مغلفة وموصلة باللوحة الأم بطريقة خاصة
لتقوم باستقبال البيانات من أجزاء الحاسب الأخرى ومعالجتها ثم إرسال النتائج
إلى الأجزاء الأخرى لإخراجها أو تخزينها وجميع العمليات الحسابية تقوم بها
هذه الوحدة ، وكل ما تفعله أثناء عملك على الحاسب يقوم به المعالج جزئياً أو
كلياً بشكل أو آخر .
والمعالج لا يفكر ولا يفهم بل يطبق التعليمات الموجودة في البرنامج وهو "
دماغ الحاسب " وكل العمليات التي تقوم بها باستخدام الحاسب يقوم بها المعالج
بشكل مباشر أو غير مباشر.
عندما تشتري حاسباً فإن أول ما تسأل عنهغالباً هو سرعة المعالج ( مثلاً
500ميجاهرتز ) ، فتختلف بذلك قدرات المعالجات المختلفة بسرعتها في القيام
بالعملياتالحسابية ، إن الميجاهرتز الواحد يساوي مليون دورة في الثانية
الواحدة ومعالج 500ميجاهرتز يؤدي 500 مليون دورة في الثانية.
كيف يصنع المعالج: تمر صناعة المعالج بالكثير من الخطوات فصناعة معالج حديث
قد تستغرق 90 يوماً من العمل باستخدام تقنيات عالية جداً . ويتكون
الترانزستور من مادة شبه موصلة غالباً ما تكون السيلكون .
إن أول خطوة لصناعة المعالج هي جلب السيلكون ومعالجته ليصبح في النهاية على
شكل كريستال حجم الواحدة منها يقارب العشرين سنتيمتراً ، وتقطع بواسطة أدوات
خاصة إلى شرائح كل شريحة منها سمكها أقل من 1 مليمتر وقطرها 20 سم وتستعمل كل
واحدة من هذه الرقاقات بعد المعالجة في صنع ما يقرب من 140 معالج يعطب منها
حوالي 20 . تأتي بعد ذلك مرحلة تصميم المعالج (على الورق) وهذه عملية تأخذ
الكثير من الوقت ثم بعد ذلك تبدأ عملية التصنيع باستخدام أدوات دقيقة جداً
وأجهزة حاسب آلي ضخمة جداً ً ويتم تصنيع الترانزستورات باستخدام الضوء ومواد
حساسة للضوء على شكل طبقات تختلف باختلاف المعالج وحسب تعقيده لتنتج لنا من
كل رقاقة كما قلت المئات من المعالجات ، فتقطع هذه الرقاقة إلى مئات القطع
لتكون كل قطعة معالج قائم بذاته ونحيط بأن المعالج يصنع في بيئة معزولة
تماما.
ثم تأتي بعد ذلك عملية وضع كل رقاقة من هذه الرقاقات داخل غلاف لها حتى
تحميها من العوامل الخارجية وحتى يسهل حملها والتعامل معها . طبعاً بعض القطع
من هذه الرقاقات قد لا تعمل نتيجة كون بعض أجزاء السيلكون معطوب ، أيضاًَ قد
يعمل بعضها أسرع من الأخرى لذا نجد الاختلاف في سرعات الساعة للمعالجات.
ماهو الترانزستور وما علاقته بالمعالج
يجب أن نعلم أن المعالج في تركيبه الداخلي يحتوي على ترانزستورات وسأتناول في
السطور التالية هذا الموضوع بشيء من التفصيل وكلما زادت عدد الترانزستورات
زادت قدرة المعالج على المعالجة لذلك تحوي المعالجات الحديثة عدد من
الترانزستورات يصل إلى 200 مليون ترانزستور ولكن كيف لهذا المعالج الصغير في
حجمه الكبير في فعله أن يحوي هذا العدد المهول !!
هنا نأتي لشيء اسمه ((دقة الصنع)) وحينما نذكر أن المعالج AMD Athlon 3500+
بدقة صنع 13 نانومتر نعني أن الترانزستور الواحد حجمه يعادل 13 نانومتر أي 13
جزء من مليار جزء من المتر !!!!!
ويوجد دقة صنع أقل من 13 نانومتر وهي 9 نانومتر !!!! وكلما قلت دقة الصنع
استطعنا أن نصل إلى سرعات أكبر لأن المسافة بين الترانزستورات تصبح أقل وهذا
يعني سرعة أكبر في النقل مع حرارة أقل لأن الترانزيستور يقل حجمه فيصدر حرارة
ما هو الترانزستور:
الترانزستور عبارة عن مفتاح كهربائيمتناهي الدقة يشبه مفتاح الضوء التقليدي
الذي يحتوي على وضعين (تشغيل و توقيف) ولهذا فإنه يعمل على التحكم في سريان
الإلكترونات في البلورات الصلبة وقد كانتالصمامات المفرغة تستخدم لهذه المهمة
مما أدى إلى استبدالها في معظم الأجهزةالإلكترونية بالترانزستورات وهذا بدوره
أدى إلى تصغير تلك الأجهزة وتقليل تكاليفهاإلى مستوى قياسي.
يتكون الترانزستور من ثلاث طبقات بدلا من طبقتين بالنسبةللصمام الثنائي ,
يشبه الترانزستور صمامين ثنائيين موضوعين بجانب بعضهما البعض ظهرلظهر .
تصنع الترانزستورات الأكثر شيوعا في العالم من شرائح رقيقة من السيلكونأو
الجرمانيوم مخلوط بشوائب قليلة من معدن أخر مثل الأنتيمون أو الزرنيخ ثم
توصلتلك الشرائح بأسلاك ثم يوضع الترانزستور الجاهز في وعاء صغير لحمايته.
أنواع الترانزستورات:
هناك نوعان رئيسيان من الترانزستوراتيعمل كل منهما بطريقة مختلفة عن الآخر
ولكن الاستفادة من أي منهما تعود إلى قدرتهعلى التحكم في التيار الكهربائي
بالجهد الضعيف وهذان النوعان هما :
الترانزستور الوصلي :
ويتكون من قطعة من نوع واحدمن مادة شبه موصلة بين طبقتين سميكتين من مادة شبه
موصلة ويمكن تصنيفه إلى نوعين
1- ترانزستور القاعدة السالبة
2- ترانزستور القاعدةالموجبة
ترانزستور التأثير المجالي:
يتكون هذا النوع منطبقتين فقط من المادة شبه الموصلة , إحداهما فوق الأخرى
طرق توصيل الترانزستور
يتم توصيل الترانزستور بثلاث طرق لكل منها خواصها, هي:
1-دارة القاعدة المشتركة
2-دارة الباعثالمشترك
3-دارة المجمع المشترك
مميزات وعيوب الترانزستور:
يعد الترانزستور من أهم اكتشاف القرن العشرين ومعذلك فإنه كغيره من الأجهزة
يوجد له مميزات كما يوجد له عيوب من اهمها تعرضه الدائمللتلف إذا تم توصيله
بالبطارية بطرقة خاطئة أي بطريقة عكسية . أما مميزاته فهيكالتالي :
1-حجمه صغير جدا حيث لايتجاوز رأس عود الكبريت مما جعل إمكانيةتصغير الأجهزة
الإلكترونية ممكنة بعد أن كانت مستحيلة قبل سنواتقليلة.
2-لا يحتوي بداخله على فتيلة، ولذلك فإنه لا يحتاج إلى تيار كبير،فبينما
يحتاج صمام الرادير النموذجي إلى فرق جهد عال بين المهبط و المصعد يقدر
بعدةمئات الفولتات ،فإن الترانزيستور لا يحتاج لأكثر من عدة فولتات.
3-أكثر نشاطاو فعالية
4- لا يؤدي إلى هدر الطاقة
5- يعيش لفترة أطول
أنواع المعالجات :-
تنقسم المعالجات من حيث عدد البتات إلى عدة أقسام :-
1- معالجات ذات 8 بت .
2- معالجات ذات 16بت.
3- معالجات ذ32 بت .
4- معالجات ذات 64 بت هي المستخدمة اليوم.
- يوجد العديد من الشركات المصنعة للمعالجات ومن أهم هذه الشركات:-
1- شركة إنتل.
2- شركة AMD.
الفروق بين معالج وآخر:
1. المعالج السريع يقوم بنفس العمل و لكن أسرعمن المعالج البطيء ، المعالج لا
يحدد أداء حاسبك بمفرده ولكنه يحدد أقصى أداء يمكنأن يصل إليه حاسبك وعلى
المكونات الأخرى في الحاسب أن تكون سريعة أيضاً لكي يكونالحاسب بكامله سريع .
2. الاعتمادية : إن المعالج المنخفض الجودة قديجعل حاسبك غير مستقر .
3. إن المعالج السريع قد يشغل برنامج معينبينما المعالج الأبطأ لا يتمكن من
تشغيله .
4. بعض المعالجات تستهلك الكثير من الطاقة ممايزيد من مشاكل الحرارة ويؤثر
بالتالي على الأداء والاستقرار .
5. اختيار اللوحة الأم : حيث أن اللوحة الأمالتي تختارها لا بد أن تدعم
المعالج الذي تود تركيبه والعكس .
كيف يعمل المعالج:
1. يقرأ التعليمات من الذاكرة العشوائية .
2. يقرر ما هي البيانات اللازمة لتنفيذ الأمر.
3. يجلب البيانات اللازمة لتنفيذ ذلك الأمر.
4. ينفذ الأمر.
5. يكتب النتيجة في الذاكرة العشوائية: طبعاً الذاكرة العشوائية بطيئة لذا
تستعمل " ذاكرة الكتابة المخبئية " لحفظ البيانات لحين تمكن الذاكرة
العشوائية من قراءتها .
مكونات المعالج:
وحدة التحكم
Control Unit هي وحدة التحكم في المعالج ومن هذا نفهم أنها الجزء الأهم
فيهفهي تقوم بتوجيه وحدة الحساب والمنطق والمسجلات حال عملها وكيفية عملها
وفي أي وقتتعمل.
وحدة الحساب والمنطق
ويرمز لها بالرمز ALU وهو اختصار لكلمات Arithmetic and Logic Unit
وظيفتهاالعمليات الحسابية كالجمع والطرح والضرب والقسمة والعمليات المنطقية
مثل (و ، أو ،ليس ، إذا كان فإن)
FPU
Floating Point Unit وحدة حساب النقطة العائمة ويقصد بالنقطة العائمة
نقطةالكسر ، فتكون هذه الوحدة مخصصة لمعالجة العمليات الرقمية.
L1 Cache
الذاكرة المخبئية من المستوى الأول ، وهي مقسمة على قسمين ، قسم للقراءة
فقطوقسم يقبل الكتابة عليه وكلما زادت هذه الذاكرة كلما زاد ذلك من أداء
المعالج. وهيمرتفعة السعر لذلك يكون حجمها صغير في المعالج 8-64 كيلوبايت ،
وغالبا ما تستخدمهذه الذاكرة لتخزين العمليات المتكررة في المعالج.
L2 Cache
الذاكرة المخبئية من المستوى الثاني ، وظيفة هذه الذاكرة تكمن في كونها
ذاكرةمؤقتة سريعة جدا بحيث تعمل على تسريع تدفق التعليمات ما بين المعالج
والذاكرة . وتكون أكبر حجما من المستوى الأول ، وظيفتها الرئيسية تسريع أداء
المعالج ونقلالبيانات ، ويكون ترددها مساويا لتردد المعالج ، وغالبا ما تكون
هذه الذاكرة ما بين 256-2048 كيلوبايت.
L3 Cache
الذاكرة المخبئية من المستوى الثالث ، لا تختلف عن L2 من حيث الوظيفة إلا
أنهاأقل منها في السرعة ، وتتميز بحجمها الكبير 1-8 ميجابايت وهي أقل كذلك من
حيث السعر، وظيفتها سد الفجوة ما بين L2 و الذاكرة الرئيسية حيث تعتبر مرحلة
وسيطة بينهما ،وتتميز هذه الذاكرة بتوقيت أقل وقابلية توسيعها أكبر وأكثر
عملية من L2. بقي أننعلم أن المعالج يبحث بشكل منطقي عن المعلومة ، بداية في
الذاكرة المخبئية منالمستوى الأول ثم من الذاكرة المخبئية من المستوى الثاني
فإذا لم يجدها ينطلقللمستوى الثالث فإذا لم يجدها ينتظر قدومها من الذاكرة
الرئيسية.
BSB
Backside Bus ناقل الجانب الخلفي وهو ناقل التعليمات ما بين المعالج
والذاكرةالمخبئية من المستوى الثاني.
FSB
Front side Bus ناقل الجانب الأمامي وهو ناقل التعليمات ما بين
المعالجوالذاكرة الرئيسية ، وكلما زاد تردد الناقل الأمامي كلما زاد
أداءالمعالج.
Hyper Transport
أصبح الآن القياس مختلفا ففي معالجات AMD من جيل 64 بت بدأت الشركة
بالاعتمادعلى تقنيةHyper Trnasport وهي بديل عن الناقل الأمامي FSB وتتميز
بقدرة الهائلة علىالتطور ، ويقاس أداءها بكمية البيانات المتدفقة في الثانية.
المسجلات
Registers عبارة عن مسجلات لتخزين البيانات المستخدمة في وحدة الحساب
والمنطقلإتمام المهام المطلوبة من قبل وحدة التحكم.
Thermal Monitor
نظام حماية المعالج من الاحتراق ، وظيفته قراءة درجة حرارة المعالج فإذا
وصلتإلى حد الخطر إما أن يتوقف الجهاز عن العمل أو ينزل تردد المعالج حتى
تتناقص حرارته، ولكل شركة طريقتها الخاصة بذلك.
Enhanced Virus protection
تقنية اخترعتها وطورتها شركة AMD وتقوم شركة Microsoft بدعمها من خلال
نظامالتشغيلWindows XP تقوم على مكافحة الفيروسات والتروجان مباشرة عبر تقنية
مضمنة فيالمعالج ، وهي نقلة نوعية في مجال مكافحة الفيروسات.
ما الذي يحدد أداءالمعالج:
تردد المعالج
وقد سبق أن قلنا أنه لا يشترط أن يعني ذلك أن المعالج ذي التردد الأعلى
يعطيأداء أكبر ، ولكن يكون هذا على شرط أن المعالج من نفس النوعية وبنفس
المواصفاتالفنية فإذا أتينا بمعالج آخر له نفس المواصفات ولكنه يزيد عنه في
التردد فإن هذايعني أنه أفضل أداء.
تردد الناقل الأمامي
كلما زاد تردد الناقل الأمامي FSB كلما أدى ذلك إلى مزيد من البيانات
التيتنتقل من المعالج إلى الذاكرة الرئيسية )العشوائيةولذلك لو أتينا
بمعالجين من نفس الصنف ومتشابهةفي المواصفات وبتردد 2.4GHz على سبيل المثال ،
بحيث يكون أحدهما بتردد ناقل 400والثاني بتردد ناقل 533 فإن ذلك يعني أن
المعالج الثاني يعطي أداء أكبر.
الذاكرة المخبئية
سواء كانت ذاكرة المستوى الأول(L1) أو المستوى الثاني(L2) أو المستوى الثالث
(L3) في بعض المعالجات، فإن زيادتها يعني زيادة أداء المعالج ، وهذا يفسر
الفرقالشاسع بين معالج Celeron-D الذي يعمل بذاكرة مخبئة من المستوى الثاني
بحجم 256كيلوبايت ومعالج Pentium4 الذي يعمل بذاكرة مخبئية من المستوى الثاني
بحجم 512كيلوبايت.
حجم الترانزستورات
ويقصد بها الحجم الذي صنعت وفقه ملايين الترانزستورات الموجودة في
المعالجوتقاس بالماكيرون (1مم= مليون نانومتر) أو بالنانومتر وحاليا أشهر
تقنيات التصنيعما بين 130 نانومتر و 90 نانومتر ، وكلما صغر حجم هذه
الترانزستورات كلما ساهم ذلكفي إعطاء أداء أكبر ، كذلك استهلاكا أقل للطاقة
وانبعاثا حراريا أقل ، وهذا منالناحية النظرية أما من الناحية العملية ومن
خلال الاختبارات ثبت أن هذا الأمر ليسله تأثير كبير ، بل تأثير هامشي.
التعليمات Instructions
فيتميز كل معالج باستخدامه مجموعة من التعليمات التي تساهم في جعل
المعالجينفذ تعليمات أكثر ، وتطور Intel تقنية SIMD مثل SSE و SSE2 و SSE3
بينما تطور شركة AMD تعليمات 3Dknow الموجهة خصيصا للتقنية ثلاثية الأبعاد ،
وتمميز AMD بتضمينهاتقنية Intel بينما لا تقوم Intel بتضمين تقنيات AMD في
معالجاتها.
التقنيات الفنية
هناك بعض التقنيات الإضافية التي تساهم في أداء المعالج تقومالشركات بتطويرها
، فعلى سبيل المثال تقنية HyerThreading في معالجات Pentium4 عبارة عن تقنية
استغلال الجزء الفائض من قدرة المعالج للقيام بتعليمات أخرى ، بحيثيستمر
المعالج بالعمل بطاقته الكاملة 100% مما ينتج عنه أداء أعلى ، وطورت AMD
مقابل ذلك تقنية HyperTrasnport التي تساهم في زيادة التدفق ما بين
الذاكرةوالمعالج وطقم الرقاقات وبشكل كبير جدا وهي تقنية لمعالجات AMD64.
وحدات حساب ومنطق ووحدات نقاط متحركة أكثر:
ولتحسين أداء الحساب، وضع مصنعو الرقائق وحدة حساب ومنطق إضافية، مما يعني
نظريًّا القدرة على إجراء ضِعْف ما يجري من عمليات في نفس الوقت، والعديد من
وحدات الحساب والمنطق في وحدة معالجة مركزية واحدة يعني إنهاء المهمات بسرعات
أكبر كما لو أن عددًا يقوم بتنظيف أرضية حجرة بدلاً من واحد فقط.
وبالإضافة للعديد من وحدات وحدة المعالجة المركزية بدلاً من وحدة واحدة
بالجهاز، دمجت شركة Intel وحدة لمعاجلة النقطة المتحركة (FPU / floating
point unit) في وحدة المعالجة المركزية. هذه الوحدة تعالج حسابات الأرقام
المتناهية الكبر والمتناهية الصغر، بينما تصبح وحدة الحساب والمنطق حرة
لتعالج شيئًا آخر.
عظَّم سرعة الأداء مرة أخرى كل من شركتي (Advanced Micro Devices / AMD &
Intel) عن طريق تنفيذ التعليمات تقريبًا بالتوازي زمنيًّا مع بعضهم البعض
(آنيًّا)، إذ يحتاج تنفيذ تعليمة ما لعدد من الخطوات المنفصلة من جلب وترجمة
على سبيل المثال، وفي الأصل ينبغي على وحدة المعالجة المركزية الانتهاء من
تنفيذ تلك التعليمة في دورة كاملة قبل أن تشرع في تنفيذ التعليمة التي تليها،
أما وقد تم إيجاد أكثر من خط معالجة – إن جاز التعبير – فإن دوائر منفصلة
تقوم بهذه الخطوات المنفصلة. هذا يحرر الترانزستورات التي تعالج تعليمة ما
لتصبح مستعدة لاستقبال وتنفيذ ومعالجة تعليمة أخرى بعدما انتقلت التعليمة
السابقة منها إلى غيرها، فيما يشبه حركة أكثر من شخص على سلم واحد، فبينما
يرفع أحدهم رجله لينقلها إلى الدرجة التالية ، تصبح نفس الدرجة خالية لرجل
آخر، وهكذا.
إضافات أخرى حسَّنت كثيرًا من الأداء مثل "التنبؤ الفرعي" (branch
prediction)، حيث يمكن تخمين أي خطوة فرعية قد يأخذها البرنامج. و"التنفيذ
الحدسي" (speculative execution)، بمعنى تنفيذ ما تم التنبؤ به، كذلك القدرة
على تنفيذ سلسلة تعليمات كاملة من البرنامج خارج ترتيبها وتسلسلها المعتاد
بالبرنامج لتكون جاهزة التنفيذ وقت طلبها، وهو ما يسمى بـ "إتمام خارج
التسلسل" أو (out-of-order completion).
كل تلكم التحسينات التي طرأت على وحدة المعالجة المركزية زادت من سرعتها،
وجعلت السرعة تقاس بالجيجا هرتز 1GHz. والعجيب في الأمر أن الاختبارات التي
أجريت كشفت عن أن الطفرات التي طرأت على السرعة كانت طفيفة المردود، خاصة على
البرامج المكتبية، والتي تعتمد بشدة على سرعة القرص الصلب وسرعة الذاكرة في
النظام RAM، ولعل في هذا إجابة شافية - ولو بعض الشيء - عمّا يتم داخل وحدة
المعالجة المركزية، إذ يعول الكثير عندما يشرع في شراء جهاز على الأرقام
الكبيرة، دون النظر إلى مدى حاجته لتلك الأرقام، وهل هذه الأرقام الضخمة تعبر
– حقيقة - عن سرعة مطلقة ؟! بمعنى، هل – فعلاً – "الجهاز" الذي تبلغ سرعة
معالجه 600 ميجا هرتز مثلاً أسرع بالفعل من "جهاز" سرعة وحدة المعالجة
المركزية به 500 ميجا هرتز؟ أم أن هناك متغيرات أخرى تتحدد من خلالها سرعة
الجهاز وأداؤه ؟
عمليات وحدة المعالجة المركزية:
تختزن المعلومات الخاصة بعمليات وحدة المعالجة المركزية في الذاكرة على شكل
bytes، وهذه المعلومات إما أن تكون تعليمات أو بيانات، والبيانات عبارة عن
حرف أو عدد أو لون مثلاً، بينما التعليمات هي التي توجه وحدة المعالجة
المركزية إلى ما يجب فعله مع البيانات من جمع وطرح ونقل على سبيل المثال.
ولأداء عملية بسيطة على أي بيانات، تحتاج وحدة المعالجة المركزية إلى أربعة
عناصر وهي: التعليمة، ومؤشر التعليمة، ومسجل، ووحدة الحساب والمنطق.
مؤشر التعليمة (instruction pointer)، وهو الذي يدل وحدة المعالجة المركزية
على مكان التعليمة بالذاكرة والتي تكون الوحدة بصدد تنفيذها.
مسجل (register)، وهو مكان للتخزين المؤقت في وحدة المعالجة المركزية، حيث
تختزن عليه مؤقتًا البيانات التي تنتظر معالجتها بواسطة تعليمة ما، أو
البيانات التي تم معالجتها بالفعل، مثل ناتج جمع رقمين.
وحدة الحساب والمنطق (arithmetic – logic unit / ALU)، وهي الآلة الحاسبة
بوحدة المعالجة المركزية، والتي تقوم بإجراء العمليات الحسابية والمنطقية
التي أملتها تعليمة ما على وحدة المعالجة المركزية.
وبالإضافة إلى ما سبق من أجزاء أساسية للمعالج، هناك أيضًا أجزاء أخرى
تحتاجها للقيام بوظائفها، وهي:
1- جالب التعليمة (instruction fetch)، وهي التي تقوم بإحضار التعليمة من
الذاكرة RAM أو أي مكان لتخزين التعليمات على وحدة المعالجة المركزية CPU.
2- مترجم التعليمة (instruction decoder)، وهو الذي يأخذ التعليمة من جالب
التعليمة ويترجمها (يفك شفرتها) بحيث تفهمها وحدة المعالجة المركزية، وهو
أيضًا الذي يحدد بعد ذلك ما يجب اتخاذه من خطوات لتنفيذ تلك التعليمة.
3- وحدة التحكم (control unit)، وهي التي تدير وتنسق كل العمليات على
الرقاقة، فبأمرها ونهيها تأتمر وتنتهي المكونات السالف ذكرها بالأوامر
والنواهي الخاصة بالعمليات، فليس لوحدة الحساب والمنطق أن تجري عملية ما دون
أن تأمرها وحدة التحكم، وكذلك يشرع جالب التعليمات فقط في إحضار تعليمة ما
بعد أن تأذن له وحدة التحكم حتى لو انتظرت تلك التعليمة التنفيذ لفترة طويلة،
وما ينبغي لمترجم التعليمة في ترجمة تعليمة ما وفك شفرتها بعد إحضارها دون
أمر منها.
تحسين وحدة المعالجة المركزية:
تحتاج وحدة المعالجة المركزية إلى القليل من المكونات للقيام بوظائفها، ولكن
التصميم الأساسي قد تغير عبر السنوات الماضية؛ مما أثر على الأداء بشكل عام،
ودائمًا ما كان الهدف من ذلك التجويد في كل مرة هو المعالجة الأسرع للبيانات.
فبينما استمر البحث حول الطرق التي تجعل سرعة وحدة المعالجة المركزية أكبر،
لاحظ مصنعو الرقائق أن وحدة المعالجة المركزية تتعطل في الوقت الذي يستغرق
لجلب تعليمة ما أو بيانات من ذاكرة النظام. ولتقليل الفاقد من ذلك الوقت، تم
إضافة مكان للتخزين يعرف بالكاش (cache) بالوحدة نفسها، حيث أمكن به تخزين
البيانات والتعليمات فيه مؤقتًا على وحدة المعالجة المركزية نفسها، مما خفض
من عدد الرحلات إلى الذاكرة.
تعاظمت فكرة الـ (cache)؛ ليضع مصنعو الأنظمة – بين أول كاش في وحدة المعالجة
المركزية وبين ذاكرة النظام RAM، ذاكرة ذات سرعة أكبر وأعلى، أسموها (level 2
cache or L2 cache)، مما يعني أن مسافة وعدد الرحلات إلى الذاكرة أصبح أقل
وأقل. هذه الـ (cache) الثانوية، سرعان ما تم دمجها مع وحدة المعالجة
المركزية نفسها؛ حتى تصبح مكانًا إضافيًّا لتخزين التعليمات والبيانات مع ما
سببته من زيادة سرعة الوحدة.
أشكال المعالج:
وفي السابق كان شكل المعالج أول ما بدءكالشريحة توضع بشكل أفقي على اللوحة
الأم في المقبس Socket ثم بظهور معالجات بنتيوم 2 تطور شكل المعالج إلى شكل
البطاقة التي توضع بشكل عمودي على اللوحة الأم ويسمىالموضع الذي يوضع فيه
بالشق Slot ثم عاد المعالج مرة أخرى إلى الشكل القديم Socket ، وتقاس سرعة
المعالج بالهيرتز(دورة/ ثانية) ، فإذا قيل لنا أن معالج مثل بنتيوم 4يعمل
بتردد 3.4 جيجاهيرتز فهذا يعني أن المعالج ينفذ 3400 ميجاهرتز في الثانية أو
3400 مليون هرتز في الثانية ، والهيرتز كما نعرف هي الدورة التي من الممكن أن
ينفذفيها المعالج شيئا من مهامه خلال زمن معين ، وال جيجاهيرتز يساوي 1000
ميجاهرتز ،ولا يدل هذا الرقم بأي حال من الأحوال على الأداء بين المعالجات
المختلفة ، ونقصدبالأداء سرعة إنجاز المهمات ، فلو افترضنا أن لدينا معالجان
من نفس النوعية ،ولنفترض السيليرون مثلا ، فإن أداء سيليرون يعمل بتردد 2800
ميجاهرتز أكبر من أداءسيليرون بتردد 2400 ميجاهرتز ، ولكن لو أتينا بمعالجين
من صنفين مختلفين ، ولنفترضمعالج بنتيوم 4 وسيليرون وكلاهما بتردد 2800
ميجاهرتز فإن بتنيوم 4 يعطي أداء أعلىمن أداء سيليرون من نفس السرعة ، وسنجد
أن بنتيوم 4 يؤدي مهاما أكبر في نفس المدةعلى الرغم من أن التردد في كلا
المعالجين واحد وذلك لاختلافات أخرى في المعالج.
تعليقات