▷ ما هو المعالج وكيف يعمل

اليوم سنرى بعض الأجهزة. يتكون فريقنا من عدد كبير من المكونات الإلكترونية التي يمكنها معًا تخزين البيانات ومعالجتها. المعالج أو وحدة المعالجة المركزية أو وحدة المعالجة المركزية هي المكون الرئيسي. سوف نتحدث عن ماهية المعالج ومكوناته وكيف يعمل بالتفصيل.

جاهز؟ لنبدأ!

فهرس المحتويات

ما هو المعالج؟

أول شيء يجب علينا تحديده هو ما هو المعالج الدقيق لمعرفة كل شيء آخر. المعالج الدقيق هو دماغ حاسوب أو حاسوب ، ويتكون من دارة متكاملة مغلفة بشريحة سيليكون تتكون من ملايين الترانزستورات. وتتمثل مهمتها في معالجة البيانات والتحكم في تشغيل جميع أجهزة الكمبيوتر ، على الأقل جزء كبير منها والأهم من ذلك: أنها مسؤولة عن أداء العمليات المنطقية والرياضية.

إذا أدركنا ذلك ، فإن جميع البيانات التي يتم تداولها عبر جهازنا هي نبضات كهربائية ، تتكون من إشارات من الأصفار والأصفار تسمى البتات. يتم تجميع كل من هذه الإشارات في مجموعة من البتات التي تشكل التعليمات والبرامج. المعالج هو المسؤول عن فهم كل هذا من خلال إجراء العمليات الأساسية: SUM ، SUBTRACT ، AND ، OR ، MUL ، DIV ، OPPOSITE AND INVERSE. ثم يتعين علينا المعالج الدقيق:

• يقوم بفك تشفير وتنفيذ تعليمات البرامج المحملة في الذاكرة الرئيسية للكمبيوتر. ينسق ويتحكم في جميع المكونات التي يتكون منها الكمبيوتر والأجهزة الطرفية المتصلة به والماوس ولوحة المفاتيح والطابعة والشاشة ، إلخ.

عادة ما تكون المعالجات مربعة الشكل أو مستطيلة الشكل وتوجد على عنصر يسمى مقبس متصل باللوحة الأم. سيكون هذا مسؤولاً عن توزيع البيانات بين المعالج وبقية العناصر المتصلة به.

هندسة الكمبيوتر

في الأقسام التالية سنرى بنية المعالج بالكامل.

العمارة فون نيومان

منذ اختراع المعالجات الدقيقة حتى اليوم ، فهي تستند إلى بنية تقسم المعالج إلى عدة عناصر سنراها لاحقًا. هذا يسمى العمارة فون نيومان. إنها هندسة اخترعها عالم الرياضيات فون نيومان في عام 1945 والتي تصف تصميم جهاز كمبيوتر رقمي مقسم إلى سلسلة من الأجزاء أو العناصر.

لا تزال المعالجات الحالية تعتمد إلى حد كبير على هذه البنية الأساسية ، على الرغم من أنه تم إدخال عدد كبير من العناصر الجديدة منطقيا حتى يكون لدينا العناصر الكاملة للغاية التي لدينا اليوم. إمكانية أرقام متعددة على نفس الشريحة ، وعناصر ذاكرة على مستويات مختلفة ، ومعالج رسومات مدمج ، إلخ.

الأجزاء الداخلية للكمبيوتر

الأجزاء الأساسية للكمبيوتر وفقًا لهذه البنية هي كما يلي:

• الذاكرة: هي العنصر الذي يتم فيه تخزين التعليمات التي ينفذها الكمبيوتر والبيانات التي تعمل عليها التعليمات. هذه التعليمات تسمى البرنامج. وحدة المعالجة المركزية أو وحدة المعالجة المركزية: هي العنصر الذي حددناه سابقًا. وهي مسؤولة عن معالجة التعليمات التي تأتي إليها من الذاكرة وحدة الإدخال والإخراج: تسمح بالاتصال بالعناصر الخارجية. حافلات البيانات: هي المسارات أو المسارات أو الكابلات التي تربط العناصر السابقة فعليًا.

عناصر المعالجات الدقيقة

بعد تحديد الأجزاء الرئيسية للكمبيوتر وفهم كيفية تداول المعلومات من خلاله.

• وحدة التحكم (UC): هي العنصر المسؤول عن إعطاء الأوامر من خلال إشارات التحكم ، على سبيل المثال ، الساعة. يبحث عن التعليمات في الذاكرة الرئيسية ويمررها إلى وحدة فك ترميز التعليمات لتنفيذها. الأجزاء الداخلية:
  1. الساعة: يولد موجة مربعة لمزامنة عمليات المعالج عداد البرنامج: يحتوي على عنوان الذاكرة للإرشادات التالية التي سيتم تنفيذها سجل التعليمات: يحتوي على التعليمات التي تقوم حاليًا بتنفيذ جهاز التسلسل: إنشاء أوامر أولية للمعالجة التعليم. مفكك التعليمات (DI): هو المسؤول عن تفسير وتنفيذ التعليمات التي تصل ، واستخراج رمز العملية للتعليمات.

• وحدة الحساب المنطقي (ALU): هي المسؤولة عن إجراء العمليات الحسابية (SUM ، SUBTRACTION ، MULTIPLICATION ، DIVISION) والعمليات المنطقية (AND ، OR ،…). الأجزاء الداخلية.
  1. الدائرة التشغيلية: تحتوي على معددات ودوائر لتنفيذ العمليات. تسجيلات الإدخال: يتم تخزين البيانات وتشغيلها قبل دخول المجمع التشغيلي : يقوم بتخزين نتائج العمليات التي يتم إجراؤها سجل الحالة (العلم): يخزن شروطًا معينة يجب مراعاتها في العمليات اللاحقة.

• وحدة الفاصلة العائمة (FPU): لم يكن هذا العنصر في التصميم المعماري الأصلي ، فقد تم تقديمه لاحقًا عندما أصبحت التعليمات والحسابات أكثر تعقيدًا مع ظهور البرامج الممثلة بيانيًا. هذه الوحدة مسؤولة عن تنفيذ عمليات الفاصلة العائمة ، أي الأعداد الحقيقية. Record Bank and Cache: تتمتع معالجات اليوم بذاكرة متغيرة تصل من ذاكرة الوصول العشوائي إلى وحدة المعالجة المركزية. هذا أسرع بكثير من ذاكرة الوصول العشوائي وهو مسؤول عن تسريع وصول المعالج إلى الذاكرة الرئيسية.

• الناقل الأمامي (FSB): يُعرف أيضًا باسم ناقل البيانات أو الناقل الرئيسي أو ناقل النظام. هو المسار أو القناة التي توصل المعالج الدقيق باللوحة الأم ، وتحديدا مع الشريحة المسماة الجسر الشمالي أو nothbridge. هذا هو المسؤول عن التحكم في تشغيل ناقل وحدة المعالجة المركزية الرئيسي وذاكرة الوصول العشوائي ومنافذ التوسعة مثل PCI-Express. والمصطلحات المستخدمة لتعريف هذا الناقل هي "Quick Path Interconnect" لشركة Intel و "Hypertransport" لـ AMD.

المصدر: sleeperfurniture.co

المصدر: ixbtlabs.com

• الجانب الخلفي BUS (BSB): يقوم هذا الناقل بتوصيل ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى 2 (L2) بالمعالج ، طالما أنها غير مدمجة في قلب وحدة المعالجة المركزية نفسها. في الوقت الحالي ، تحتوي جميع المعالجات الدقيقة على ذاكرة تخزين مؤقت مضمنة في الشريحة نفسها ، لذا فإن هذا الناقل هو أيضًا جزء من نفس الشريحة.

اثنين أو أكثر من المعالجات الدقيقة الأساسية

في المعالج نفسه ، لن يكون لدينا فقط هذه العناصر موزعة في الداخل ، ولكن يتم نسخها الآن. سيكون لدينا العديد من نوى المعالجة أو ما هو نفس المعالجات الدقيقة داخل الوحدة. سيكون لكل منها ذاكرة تخزين مؤقت خاصة بها L1 و L2 ، وعادة ما يتم مشاركة L3 بينهما ، في أزواج أو معًا.

بالإضافة إلى ذلك ، سيكون لدينا ALU و UC و DI و FPU لكل من النوى ، لذلك تتضاعف السرعة وقدرة المعالجة اعتمادًا على عدد النوى لديها. تظهر أيضًا عناصر جديدة داخل المعالجات الدقيقة:

• وحدة التحكم في الذاكرة المدمجة (IMC): الآن مع ظهور العديد من النوى ، يحتوي المعالج على نظام يسمح لك بالوصول مباشرة إلى الذاكرة الرئيسية. GPU مدمج (iGP) - يعالج GPU معالجة الرسومات. هذه في الغالب عمليات نقطة عائمة مع سلاسل بت عالية الكثافة ، لذا فإن المعالجة أكثر تعقيدًا بكثير من بيانات البرنامج العادية. ونتيجة لذلك ، هناك نطاقات المعالجات الدقيقة التي تنفذ داخلها وحدة مخصصة حصريًا لمعالجة الرسومات.

لا تحتوي بعض المعالجات ، مثل AMD Ryzen ، على بطاقة رسومات داخلية. فقط وحدات APU الخاصة بك؟

تشغيل المعالجات الدقيقة

يعمل المعالج بالتعليمات ، كل من هذه التعليمات هو رمز ثنائي ملحق معين يمكن وحدة المعالجة المركزية فهمه.

وبالتالي ، فإن البرنامج عبارة عن مجموعة من التعليمات ولتنفيذه يجب تنفيذه بالتتابع ، أي تنفيذ أحد هذه التعليمات في كل خطوة أو فترة زمنية. لتنفيذ التعليمات هناك عدة مراحل:

• البحث عن التعليمات: نقوم بإحضار التعليمات من الذاكرة إلى المعالج فك تشفير التعليمات: يتم تقسيم التعليمات إلى رموز أبسط يمكن فهمها بواسطة البحث الذي يتم تشغيله بواسطة وحدة المعالجة المركزية : مع التعليمات المحملة في وحدة المعالجة المركزية ، يجب عليك العثور على عامل التشغيل المقابل التعليمات: تنفيذ العملية المنطقية أو الحسابية اللازمة حفظ النتيجة: النتيجة مخبأة

يعمل كل معالج مع مجموعة معينة من التعليمات ، وقد تطورت مع المعالجات. يشير الاسم x86 أو x386 إلى مجموعة الإرشادات التي يعمل بها المعالج.

تقليديا ، تم استدعاء معالجات 32 بت x86 ، وذلك لأنهم في هذه البنية عملوا مع هذه المجموعة من التعليمات من معالج Intel 80386 الذي كان أول من قام بتطبيق بنية 32 بت.

تحتاج مجموعة التعليمات هذه إلى التحديث للعمل بكفاءة أكبر وببرامج أكثر تعقيدًا. في بعض الأحيان نرى أنه في متطلبات تشغيل البرنامج تأتي مجموعة من الاختصارات مثل SSE و MMX وما إلى ذلك. هذه هي مجموعة التعليمات التي يمكن للمعالج الدقيق التعامل معها. لذلك لدينا:

• SSE (تدفق ملحقات SIMD): لقد مكنوا وحدات المعالجة المركزية من العمل مع عمليات الفاصلة العائمة. SSE2 ، SSE3 ، SSE4 ، SSE5 ، إلخ: تحديثات مختلفة لهذه المجموعة من التعليمات.

عدم توافق المعالج

نتذكر جميعًا متى يمكن تشغيل نظام تشغيل Apple على جهاز كمبيوتر يعمل بنظام Windows أو Linux. هذا يرجع إلى نوع التعليمات من المعالجات المختلفة. استخدمت Apple معالجات PowerPC ، التي عملت مع تعليمات بخلاف Intel و AMD. وبالتالي ، هناك العديد من تصميمات التعليمات:

• CISC (كمبيوتر مجموعة التعليمات المعقدة): هو الذي تستخدمه Intel و AMD ، وهو يتعلق باستخدام مجموعة من الإرشادات القليلة ، ولكنها معقدة. لديهم استهلاك أعلى للموارد ، كونها تعليمات أكثر اكتمالا تتطلب عدة دورات على مدار الساعة. RISC (كمبيوتر مجموعة التعليمات المخفض): هو الذي تستخدمه Apple و Motorola و IBM و PowerPC ، وهي معالجات أكثر كفاءة مع المزيد من التعليمات ، ولكن أقل تعقيدًا.

يتوافق كلا نظامي التشغيل حاليًا لأن Intel و AMD يطبقان مجموعة من البنى في معالجاتهما.

عملية تنفيذ التعليمات

1. تتم إعادة تشغيل المعالج عند استقبال إشارة RESET ، وبهذه الطريقة يعد النظام نفسه باستقبال إشارة ساعة تحدد سرعة العملية. في سجل CP (عداد البرنامج) عنوان الذاكرة الذي تقوم وحدة التحكم (UC) بإصدار الأمر لجلب التعليمات التي قامت ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) بتخزينها في عنوان الذاكرة الموجود في لوحة التحكم. ثم ترسل ذاكرة الوصول العشوائي البيانات ويتم وضعها في ناقل البيانات حتى والذي يتم تخزينه في RI (سجل التعليمات). UC يدير العملية ويتم تمرير التعليمات إلى وحدة فك الترميز (D) للعثور على معنى التعليمات. بعد ذلك يتم تنفيذ UC ليتم تنفيذه ، وبمجرد معرفة التعليمات والتشغيل ، يتم تحميل كليهما في سجلات إدخال ALU (REN) ، وتنفذ ALU العملية وتضع النتيجة في ناقل البيانات و CP يضاف 1 لتنفيذ التعليمات التالية.

كيف تعرف ما إذا كان المعالج جيدًا

لمعرفة ما إذا كان المعالج الدقيق جيدًا أم سيئًا ، يجب أن ننظر إلى كل من مكوناته الداخلية:

عرض الحافلة

يحدد عرض الناقل حجم السجلات التي يمكنها الدوران من خلالها. يجب أن يتطابق هذا العرض مع حجم تسجيلات المعالج. بهذه الطريقة لدينا أن عرض الحافلة يمثل أكبر سجل يمكنها نقله في عملية واحدة.

ستكون ذاكرة RAM ذات صلة مباشرة بالحافلة ، ويجب أن تكون قادرة على تخزين كل من هذه السجلات مع العرض الخاص بها (وهذا ما يسمى عرض كلمة الذاكرة).

ما لدينا حاليًا عندما يكون عرض الناقل 32 بت أو 64 بت ، أي يمكننا نقل وتخزين ومعالجة سلاسل 32 أو 64 بت في نفس الوقت. مع 32 بت لكل منها إمكانية أن تكون 0 أو 1 يمكننا معالجة كمية من الذاكرة 2 ³² (4 جيجابايت) ومع 64 بت 16 EB Exabytes. هذا لا يعني أن لدينا 16 إكسابايت من الذاكرة على جهاز الكمبيوتر الخاص بنا ، بل إنها تمثل القدرة على إدارة واستخدام قدر معين من الذاكرة. ومن هنا كان القيد الشهير لأنظمة 32 بت لمعالجة 4 جيجا بايت فقط من الذاكرة.

باختصار ، كلما اتسعت الحافلة ، زادت سعة العمل.

ذاكرة التخزين المؤقت

هذه الذكريات أصغر بكثير من ذاكرة الوصول العشوائي ولكنها أسرع بكثير. وتتمثل وظيفتها في تخزين التعليمات التي ستتم معالجتها أو معالجة آخرها. كلما زادت ذاكرة التخزين المؤقت ، زادت سرعة المعاملة التي يمكن لوحدة المعالجة المركزية التقاطها وإسقاطها.

هنا يجب أن ندرك أن كل ما يصل إلى المعالج يأتي من القرص الصلب ، ويمكن القول أن هذا أبطأ بشكل كبير من ذاكرة الوصول العشوائي وأكثر من ذاكرة التخزين المؤقت. ولهذا السبب ، تم تصميم ذكريات الحالة الصلبة هذه لحل مشكلة الاختناق الكبير الذي يمثل محرك الأقراص الثابتة.

وسنسأل أنفسنا ، فلماذا لا يقومون فقط بتصنيع مخابئ كبيرة ، الإجابة بسيطة لأنها باهظة الثمن.

سرعة المعالج الداخلي

غالبًا ما تكون سرعة الإنترنت هي الشيء الأكثر إثارة للدهشة عند النظر إلى المعالج. "يعمل المعالج بسرعة 3.2 غيغاهرتز" ، ولكن ما هذا؟ السرعة هي تردد الساعة الذي يعمل به المعالج الدقيق. كلما زادت هذه السرعة ، زادت العمليات لكل وحدة زمنية يمكنها القيام بها. هذا يترجم إلى أداء أعلى ، ولهذا السبب هناك ذاكرة تخزين مؤقت ، لتسريع جمع البيانات بواسطة المعالج للقيام دائمًا بالحد الأقصى لعدد العمليات لكل وحدة زمنية.

يتم إعطاء تردد الساعة هذا بواسطة إشارة موجة مربعة دورية. الحد الأقصى للوقت لإجراء العملية هو فترة واحدة. الفترة هي معكوس التردد.

ولكن ليس كل شيء بسرعة. هناك العديد من المكونات التي تؤثر على سرعة المعالج. إذا كان لدينا على سبيل المثال معالج رباعي النواة بتردد 1.8 جيجاهرتز وآخر أحادي النواة بتردد 4.0 جيجاهرتز ، فمن المؤكد أن المعالج رباعي النواة أسرع.

سرعة الحافلة

كما أن سرعة المعالج مهمة ، فإن سرعة ناقل البيانات مهمة أيضًا. تعمل اللوحة الأم دائمًا بتردد ساعة أقل بكثير من المعالج الدقيق ، ولهذا السبب سنحتاج إلى مضاعف يضبط هذه الترددات.

إذا كان لدينا على سبيل المثال لوحة أم مع ناقل على تردد ساعة 200 ميجاهرتز ، فإن مضاعف 10x سيصل إلى تردد وحدة المعالجة المركزية 2 جيجا هرتز.

العمارة المصغرة

تحدد المعمارية الدقيقة للمعالج عدد الترانزستورات لكل وحدة مسافة فيه. يتم قياس هذه الوحدة حاليًا بالنانومتر (نانومتر) كلما كان أصغر ، زاد عدد الترانزستورات ، وبالتالي ، يمكن استيعاب العدد الأكبر من العناصر والدوائر المتكاملة.

يؤثر هذا بشكل مباشر على استهلاك الطاقة ، وستحتاج الأجهزة الأصغر إلى تدفق إلكترون أقل ، لذلك ستكون هناك حاجة إلى طاقة أقل لأداء نفس الوظائف كما في الهندسة المعمارية الدقيقة الأكبر.

المصدر: intel.es

تبريد المكونات

نظرًا للسرعة الهائلة التي تصل إليها وحدة المعالجة المركزية ، يولد التدفق الحالي الحرارة. كلما زاد التردد والجهد سيكون هناك جيل أكبر من الحرارة ، لذلك من الضروري تبريد هذا المكون. هناك عدة طرق للقيام بذلك:

• التبريد السلبي: عن طريق المبددات المعدنية (النحاس أو الألومنيوم) التي تزيد من سطح التلامس مع الهواء عن طريق الزعانف. التبريد النشط: بالإضافة إلى غرفة التبريد ، يتم أيضًا وضع مروحة لتوفير تدفق هواء قسري بين زعانف العنصر السلبي.

• التبريد السائل: يتكون من دائرة تتكون من مضخة ومبرد زعانف. يتم تدوير الماء من خلال كتلة موجودة في وحدة المعالجة المركزية ، ويجمع العنصر السائل الحرارة المتولدة وينقلها إلى المبرد ، والذي عن طريق التهوية القسرية يبدد الحرارة ، مرة أخرى يخفض درجة حرارة السائل.

تتضمن بعض المعالجات خافض حرارة. عادةً ما لا تكون مشكلة كبيرة… لكنها تعمل على تشغيل الكمبيوتر الشخصي وتحسينه في نفس الوقت

• التبريد بواسطة الأنابيب الحرارية: يتكون النظام من دائرة مغلقة من أنابيب النحاس أو الألومنيوم المملوءة بالسوائل. يجمع هذا السائل الحرارة من وحدة المعالجة المركزية ويتبخر بارتفاع إلى أعلى النظام. عند هذه النقطة يوجد خافض حرارة زعانف يتبادل حرارة السائل من الداخل إلى الهواء الخارجي ، وبهذه الطريقة يتكثف السائل وينخفض ​​إلى كتلة وحدة المعالجة المركزية.

نوصي

بهذا نختتم مقالنا حول ماهية المعالج وكيف يعمل بالتفصيل. نتمنى ان يعجبك