وحدة المعالجة المركزية 1- تعريف وحدة المعالجة المركزية وحدة المعالجة المركزية CPU اختصارا ل Central Processing Unit هي الجزء الأساسي والمهم في جهاز الحاسب الالي وهي المسؤولة عن معالجة البيانات والقيام بكافة العمليات المنطقية والحسابية Arithmetic / Logic operations، وكذا اصدار جميع الأوامر على جهاز الكمبيوتر. ما مبدأ عمل وحدة المعالجة، وما مكوناتها الداخلية؟. تحتوي معظم الاجهزة الالكترونية والالكتروميكانيكية على وحدة معالجة مركزية والتي يرمز لها بالاختصار CPU. تجدر الاشارة ان هاته الاخيرة تكون مختلفة من جهاز الى اخر وذالك باختلاف طبيعة عمل كل جهاز، بحيث وحدة المعالجة المركزية CPU الموجودة بجهاز الكمبيوتر ليست هي الموجودة بالسيارات الحديثة مثلا وهكذا. فيما يلي بعض الاجهزة التي تحتوي على المعالجات المركزية: - خوادم الإنترنت Server - أجهزة الحاسوب سواء كانت محمولة او مكتبية. - الموبايلات او الهواتف الذكية. - التابليتات Tablets او ما يسمى بالاجهزة اللوحية. - معظم الاجهزة الالكترومنزلية. - الأجهزة الطبية. - شاشات التلفاز الحديثة. - الساعات اليدوية الذكية. - اجهزة GPS. - السيارات الحديثة. - اجهزة الالعاب مثل: - الاكس بوكس X-BOX - البلايستايشن PlayStation.
النوى والكاش والرسومات: الآن، دعونا نلقي نظرة على السيليكون نفسه. الرسم البياني أعلاه مأخوذ من مستند إنتل Intel تم نشره في عام 2014 حول بنية وحدة المعالجة المركزية للشركة لمعالج Core i7-4770S. هذا مجرد مثال لما يبدو عليه أحد المعالجات، للمعالجات الأخرى تخطيط مختلف. يمكننا أن نرى أن هذا معالج رباعي النواة. كان هناك وقت كانت فيه وحدة المعالجة المركزية تحتوي على نواة واحدة فقط. الآن بعد أن أصبح لدينا نوى متعددة، فإنهم يعالجون التعليمات بشكل أسرع. يمكن أن تحتوي النوى أيضاً على شيء يسمى الترابط المفرط أو خيوط المعالجة المتعددة المتزامنة (SMT)، مما يجعل نواة واحدة تبدو وكأنها نواة لجهاز الكمبيوتر. هذا كما قد تتخيل، يساعد في تسريع أوقات المعالجة بشكل أكبر. تشترك النوى الموجودة في هذا الرسم البياني في شيء يسمى ذاكرة التخزين المؤقت L3. هذا شكل من أشكال الذاكرة المدمجة داخل وحدة المعالجة المركزية. تحتوي وحدات المعالجة المركزية أيضاً على ذواكر كاش L1 و L2 الموجودة في كل نواة، بالإضافة إلى السجلات، والتي تعد شكلاً من أشكال الذاكرة منخفضة المستوى. إذا كنت تريد فهم الاختلافات بين السجلات وذاكرة التخزين المؤقت وذاكرة الوصول العشوائي RAM للنظام، فانظر إلى هذه الإجابة على موقع StackExchange.
تحتوي كل وحدة CPU على مجموعة من خطوط PCIe التي يمكنها استخدامها. تحتوي وحدات المعالجة المركزية Zen 2 من AMD على سبيل المثال، على 24 خطاً (ناقلاً) تتصل مباشرة بوحدة المعالجة المركزية. ثم يتم تقسيم هذه الخطوط من قبل الشركات المصنعة للوحات الأم بتوجيه من AMD. على سبيل المثال، يتم استخدام 16 خطاً بشكل نموذجي لفتحة بطاقة رسومات x16. بعد ذلك، هناك أربع خطوط للتخزين، مثل جهاز تخزين سريع واحد، مثل M. 2 SSD. بدلاً من ذلك، يمكن أيضاً تقسيم هذه الخطوط الأربعة. يمكن استخدام مسارين لمحرك الأقراص M. 2 SSD واثنان لمحرك أقراص SATA أبطأ، مثل محرك الأقراص الثابتة أو SSD مقاس 2. 5 بوصة. هذه الـ 20 خطاً، والأربعة الأخرى محجوزة لمجموعة الشرائح، وهي مركز الاتصالات ووحدة التحكم في حركة المرور للوحة الأم. بعد ذلك، تحتوي مجموعة الشرائح على مجموعتها الخاصة من النواقل، مما يتيح إضافة المزيد من المكونات إلى جهاز الكمبيوتر. كما قد تتوقع، فإن المكونات عالية الأداء لها اتصال مباشر بوحدة المعالجة المركزية. كما ترى، تقوم وحدة المعالجة المركزية بمعظم معالجة التعليمات، وفي بعض الأحيان، تقوم بتنفيذ الرسومات (إذا كانت مصممة لذلك).
استخدام ذاكرة التخزين المؤقت أسرع من استخدام ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) لأنها جزءٌ فعليٌّ من المعالج؛ ومزيد من ذاكرة التخزين المؤقت يعني مساحة أكبر للاحتفاظ بمثل هذه المعلومات. *
أنواع المعالجات تصنف المعالجات من حيث عدد البتات Bits وهي تصف قدرة المعالج في التعامل مع حجم البيانات، فكلما زاد عدد البتات التي يستطيع المعالج أن يتعامل معها، كلما زادت قدرته علي معالجة البيانات بصورة أسرع و أكثر كفاءة. و هي تنقسم إلى عدة أقسام: معالجات ذات 8 بت: مثل المعالج Intel 8085 معالجات ذات 16 بت: مثل المعالجات intel 8088 و intel 80286 معالجات ذات 32 بت: مثل المعالجات intel 80386 و intel 80486 و AMD486 معالجات ذات 64 بت: مثل المعالجات intel Xeon و AMD Athlon وهي التي باتت مستخدمة اليوم أمثلة سرعة الذاكرة المخبئية cache لكل معالج: إن معالج Pentium IV علي سبيل المثال له ناقل أمامي (Front Side Bus (FSB والمسؤول عن نقل البيانات من وإلى المعالج والذاكرة المخبئية. سرعة الناقل لهذا المعالج هي 400 ميجاهيرتز وحجم الناقل هو 64 بت وبذلك تكون سرعة نقل البيانات بين المعالج و الذاكرة المخبئية هي 400 ميجا * 64 لتكون 25600 ميجا بت، تقسم علي 8 لتكون 3200 ميجا بايت في الثانية أو 3. 2 جيجا (ألف مليون) بايت في الثانية [ 10]. معالج Pentium Gold الحديث لديه ناقل أمامي بسرعة 8GT/s و هي تعني 8 جيجا نقلة بيانات في الثانية الواحدة.