comptia وحدة المعالجة المركزية

يعدّ المعالج Processor ويُسمى وحدة المعالجة المركزية CPU ‏(Central Processing Unit) أو المعالج المصغَّر Microprocessor أهمَّ مكونات الحاسوب فبدونه لا يوجد حاسوب، وهو دارة إلكترونية تنفِّذ التعليمات وتعالج البيانات باستخدام عمليات الحساب والمنطق.

معالج Intel 80486DX2. نشرت الصورة في ويكيبيديا برخصة المشاع الإبداعي BY-SA

تغيَّر تصميم المعالج وشكله كثيرًا عبر العقود الأخيرة ولكنّ عمله الأساسي بقي ثابتًا. المعالجات الحديثة هذه الأيام هي معالجات مصغَّرة أي أنّ جميع مكونات وعناصر المعالج تتواجد في دارة متكاملة IC واحدة وقد تحتوي هذه الدارة على عناصر إضافية كذاكرة ومُتحكمات Microcontrollers وغيرها.
يُصنع المعالج من عناصر إلكترونيَّة تدعى أشباه نواقل وهي الترانزستورات حيث يحتوي على الملايين منها، والمزايا التي تضيفها الترانزستورات للمعالج هي الدقة والاستهلاك الأقل للطاقة والسرعة العالية.

مكونات المعالج

يتألف المعالج من مكونات عدَّة أهمها هي:

وحدة التحكم Control Unit

هي دارة رقمية تتحكم بتوجيه جميع الأوامر والبيانات لمعالجتها فهي لا تنفِّذ أو تعالج البيانات وإنما تتخاطب مع الذاكرة ووحدة الحساب والمنطق وأجهزة الإدخال والإخراج وتنسِّق فيما بينها لتنفيذ الأوامر لذا نجد أن وحدة التحكم تدير وتنظِّم أغلب أجهزة الحاسوب. وتتحكم أيضا بكمية البيانات المنتقلة بين المعالج وجميع العناصر والأجهزة، وبتدفق البيانات داخل المعالج، وبتنظيم عمل الوحدات الأخرى الموجودة داخله.

وحدة الحساب والمنطق ALU ‏(Arithmetic Logic Unit)

هي دارة رقمية مسؤولة عن تنفيذ ومعالجة البيانات عبر إجراء العمليات الحسابية والمنطقية، والعملية الحسابية المستخدمة هي الجمع فقط أما بقية العمليات يمكن مكافأتها وتحويلها إلى عملية الجمع.
تأتي البيانات من الذاكرة إلى المعالج لتعالج ضمن هذه الوحدة ثم تعاد إلى الذاكرة أو تخزَّن مؤقتًا في السجلّات Registers وهي ذاكرة سريعة جدًا.

وحدة التحكم بالذاكرة MMC ‏(Memory Management Unit)

تحوي المعالجات غالية الثمن وحدة التحكم بالذاكرة التي وظيفتها تحويل العناوين المنطقية إلى عناوين الذاكرة الفيزيائية RAM، وتأمين حماية الذاكرة، ونقل البيانات إلى جهاز تخزين ثانوي (كالقرص الصلب) وإحضارها منه، ولها فائدة كبيرة عند استخدام الذاكرة الافتراضية Virtual memory. قد لا تحتوي المعالجات البسيطة أو المكتبية على هذه الوحدة.

عامل الشكل

يصف عامل الشكل Form factor شكل المعالج الخارجي ونوع المقبس الذي يركَّب عليه، وأشهر عوامل الشكل هي:

LGA

هي تقنية لتعليب المعالج والدارات وتدعىLGA‏ (Land Grid Array) حيث يزوَّد أسفل المعالج بشبكة من تماسات صغيرة تتصل مع اللوحة الأم، ويركَّب هذا النوع على المقبس أو يُلحم مباشرة على اللوحة. ومن المعالجات التي تستخدم هذا العامل هي “Intel Pentium 4” و “Intel Xeon” و “Intel Core 2” و “Intel Core” و “AMD Opteron” إذ تستخدمه معالجات Intel الحديثة خلافًا لمعالجات AMD التي تستخدم التصميم PGA بكثرة.

المعالج Pentium 4 بتعليب LGA 775. نشرت الصورة برخصة المشاع الإبداعيBY-SA لصاحبها Eric Gaba

أشهر المقابس التي تدعم عامل الشكل LGA هي مقبس “LGA 775”، الذي تستخدمه جميع المعالجات من نوع “Intel Pentium D” و “Core 2”، والمقبس “LGA 1150”، ويشير الرقم 775 والرقم 1150 إلى عدد الأرجل الموجودة على المقبس.

PGA

المعالج Pentium 4 بتعليب PGA. نشرت هذه الصورة برخصة المشاع الإبداعي BY-SA لصاحبها Liam McSherry

هي تقنية لتعليب المعالج والدارات وتسمى PGA ‏(Pin Grid Array) ويكون شكل المعالج مربعًا أو مستطيلًا وتوزَّع الأرجل أسفل المعالج بانتظام ولا تغطي كامل مساحته، ويركب هذا النوع على اللوحة عبر ثقوبٍ موجودةٍ عليها أو عبر مقبس، وله أنواع كثيرة وهي:

• FC-PGA ‏(Flip-Chip PGA): صمَّمت شركة Intel هذا النوع مع معالجات “Pentium III” و “Celeron” و “Pentium 4” التي تستخدم المقابس:
  • “Socket 370
  • Socket 478
• SPGA‏ (Staggered PGA): يُستخدم مع معالجات Intel والمقابس التي تدعمه هي:
  • Socket 5
  • Socket 7
  • Socket 8
• CPGA‏ (Ceramic PGA): تستخدم الدارات المتكاملة هذا التصميم بكثرة، وبعض المعالجات التي تستخدمه هي معالجات “AMD Athlon” و “AMD Buron” والمقابس هي:
  • Socket A
  • Socket AM2
  • Socket AM2+‎
• OPGA‏ (Organic PGA): يُستعمل مع الدارات المتكاملة والمعالجات، وابتكرته بدايةً شركة AMD مع المعالج “Athlon XP”، والمقابس المستخدمة هي:
  • Socket A
  • Socket 754
  • Socket 939
  • Socket 940
  • Socket FM1
  • Socket FM2
  • Socket AM2
  • Socket AM2+‎
  • Socket AM3
  • Socket AM3+‎
  • Socket AM4

SECC

تدعى هذه التقنية Single Edge Contact Cartridge وتعرف أيضًا Slot 1 واستخدمت مع المعالج “Intel Pentium II” والمعالج “Intel Pentium III”.

ذاكرة التخبئة Cache memory

هي ذاكرة سريعة وصغيرة جدًا من نوع SRAM تتموضع داخل المعالج أو على اللوحة الأم. تُستخدَم لتقليل الزمن والطاقة اللازميْن للوصول إلى البيانات الموجودة في الذاكرة الرئيسية (ذاكرة الوصول العشوائي RAM) إذ تُخزَّن عليها البيانات متكررة الاستخدام بدلًا من إعادتها إلى الذاكرة ثم إحضارها من جديد. سرعة المعالج عالية جدًا بالمقارنة مع الذاكرة الرئيسية لذا سيحصل الكثير من الهدر في الوقت اللازم لانتقال المعلومات الموجودة في الذاكرة إلى المعالج حال عدم وجود ذاكرة التخبئة.

نموذج توضيحي يبين الفرق بين سرعة معالجة البيانات عند استخدام ذاكرة التخبئة وسرعتها بدونها. المصدر: extremetech.com

تحوي المعالجات أنواعًا متعددةً من هذه الذاكرة منها ذاكرة تخبئة للتعليمات وأخرى للبيانات التي تُقسم إلى مستويات عدَّة.

أنواع ذاكرة التخبئة

تحوي الحواسيب الحديثة والخواديم ثلاثة أنواع من ذاكرة التخبئة وهي:

• ذاكرة تخبئة التعليمات Instruction cache: تزيد من سرعة جلب التعليمات وتنفيذها.
• ذاكرة تخبئة البيانات Data cache: تزيد من سرعة الحصول على البيانات من الذاكرة الرئيسية أو كتابة البيانات عليها لإعادتها إلى الذاكرة الرئيسية، وتقسم إلى مستويات وهي:
  1. المستوى الأول L1: هي ذاكرة سريعة جدًا مع سعة تخزينية صغيرة (8 – 128 كيلوبايت) تُدمج مع المعالج، وغالبًا يكون لكل نواة ذاكرة L1 منفصلة.
  2. المستوى الثاني L2: هي أبطأ سرعةً من L1 ولكن سعتها أكبر (64 كيلوبايت – 16 ميغابايت) وتُدمج مع المعالج وقد يكون لكل نواة ذاكرة منفصلة أو تشترك جميع النوى في المعالج بذاكرة L2 واحدة.
  3. المستوى الثالث L3: أبطأ من سابقتها (تكون سرعتها من مضاعفات سرعة الذاكرة الرئيسية) وأكبر سعةً (4 – 128 ميغابايت) وغالبًا تشترك جميع النوى بذاكرة L3 واحدة.
  4. المستوى الرابع L4: يندر استخدامها وتوجد على رقاقة منفصلة وسعتها أكبر من 512 ميغابايت.
• ذاكرة التخبئة من نوع TLB‏ (Translation Look-aside buffer): وظيفتها تسريع عملية تحويل العناوين الافتراضية إلى عناوين فيزيائية للتعليمات والبيانات. يمكن أن توجد ذاكرة منفصلة للتعليمات وتدعى ITLB‏ (Instruction TLB) وذاكرة منفصلة للبيانات أيضًا وتدعى DTLB‏ (Data TLB)، وتكون هذه الذاكرة جزءًا من وحدة التحكم بالذاكرة MMC.

آلية العمل مع المعالج

تنتقل البيانات المراد معالجتها بين الذاكرة الرئيسية وذاكرة التخبئة ككتل ثابتة الحجم Cache blocks وعندما يريد المعالج القراءة من الذاكرة الرئيسية أو الكتابة عليها يتحقق أولًا من وجود نسخة من البيانات في ذاكرة التخبئة. إن وجد المعالج تلك البيانات فإنه يقرأها مباشرةً من ذاكرة التخبئة ثم يخزِّن الناتج فيها وهذه العملية أسرع بكثير من القراءة من الذاكرة الرئيسية.
عندما يطلب المعالج البيانات من ذاكرة التخبئة فإنه يطلبها أولًا من الذاكرة L1 فإن لم يجدها يطلبها من الذاكرة L2 فإن لم يجدها يبحث عنها في الذاكرة L3 فإن وجدها أخذها للمعالجة وإن لم يجدها يُرسِلُ إلى الذاكرة لإحضار تلك البيانات.
إن لم يجد المعالج البيانات في ذاكرة التخبئة فإن هذه الذاكرة تطلب نسخةً من البيانات من الذاكرة الرئيسية التي بدورها ترسل نسخة من البيانات إليها وحينئذ يقرأ المعالج تلك البيانات. تُرسَلُ البيانات بعد الانتهاء من معالجتها إلى ذاكرة التخبئة ومنها تعاد إلى الذاكرة الرئيسية؛ أمَّا إن كان المعالج يحتاج تلك البيانات مرارًا وتكرارًا فإنها تبقى فيها ريثما ينتهي المعالج منها.

المعالجات متعدِّدة النوى

المعالج متعدِّد النوى هو معالج واحد يحتوى على وحدات معالجة مستقلة تدعى كل واحدة منها “نواة” Core. يمكن للمعالج متعدد النوى معالجة العديد من التعليمات في الوقت نفسه ممَّا يزيد من سرعته.
قد تتشارك النوى ذاكرة تخبئة مع بعضها و قد تنفرد كل نواة بمستوى واحد أو أكثر من ذاكرة التخبئة، توضح الصورة بنية معالج ثنائي النوى تنفرد كل نواة فيه بذاكرة L1 وتشترك النواتان بذاكرة L2.

تستطيع بعض المعالجات محاكاة عمل نواتين من نواة واحدة فيزيائيَّة وتدعى هذه التقنية HT‏ (Hyper Threading) التي طورتها شركة Intel على معالجاتها. هذا يعني أنَّه إذا كان المعالج رباعي النوى ويدعم هذه التقنية فإنه يعمل وكأنه ثماني النوى، وبالتأكيد لا يتساوى هذا المعالج مع نظيره الذي يحوي ثماني نوى فيزيائيَّة في الأداء.

المصدر: GetHow.org

سرعة النبضات Clock speed

يشير هذا المصطلح إلى التردد Frequency أو سرعة المعالج وتقاس بالهيرتز Hz (عدد النبضات بالثانية)، أي عدد التعليمات التي تعالج بالثانية، وتقاس سرعة المعالج حاليًا بواحدة غيغاهيرتز GHz. فالمعالج الذي سرعته 1 هيرتز مثلًا يستطيع معالجة أمر واحد في الثانية، والمعالج الذي سرعته 3 غيغاهيرتز يستطيع معالجة 3 بليون أمر في الثانية.

بنية المعالج 32 بت و64 بت

تؤثِّر البنية المعمارية للمعالج فيما إذا كانت 32 بت أو 64 بت على أدائه وتحدِّد نوع نظام التشغيل والبرامج المستخدمة معه، ولكن ما هو الفرق بينهما؟ الفرق بين المعالج 32 بت والمعالج 64 هو:

• حجم الكلمة المعالجة كلَّ نبضة: يستطيع المعالج 32 بت معالجة البيانات ذات الحجم 32 بت والمعالج 64 بت يعالج البيانات ذات الحجم 64 بت في كلِّ نبضة ولذلك تأثيرٌ على كمية البيانات المعالجة.
• عرض ناقل العناوين Address bus: (شرحناه في درس اللوحة الأم) إذ يحدِّد حجم الذاكرة الأعظمي الذي يستطيع المعالج التعامل معها فالمعالجات 32 بت يكون عرض ناقل العناوين 32 بت وتستطيع التعامل مع ذاكرة سعتها 4 غيغابايت كأقصى حد، أمَّا معالجات64 بت يكون عرض الناقل 64 بت وسعة الذاكرة التي تستطيع التعامل معها كبيرة.

انتبه إلى التوافق بين نظام التشغيل والبرامج وبين بنية المعالج فإن استخدمت نظام تشغيل أو برامج ذات 32 بت مع معالج 64 بت لن تستثمر كامل كفاءة المعالج وخصوصًا إن كان البرنامج المستخدم هو للرسم والتصميم ثلاثي الأبعاد.
ملاحظة: نظام تشغيل 64 بت لا يعمل مطلقًا مع معالج من نوع 32 بت.

الشركات المصنِّعة

توجد في مجال تصنيع معالجات الحواسيب شركتان متنافستان وهما Intel و AMD وتطرح كل شركةٍ إصدارات عديدة من المعالجات. تقسَّم معالجات Intel إلى أجيال (الجيل الأول والثاني والثالث …إلخ.) ومعالج Core i7-7700K ذو الجيل السابع هو الأحدث إلى الآن أمَّا أحدث معالج منAMD هو معالج Ryzen 7 1800X.
قد تسأل هل معالجات Intel أفضل أم معالجات AMD وماذا اختار عند شراء حاسوب جديد؟
الجواب على هذا السؤال يحتاج إلى مقالة أخرى للبحث والتمحيص عن الفروق والاختلافات بين معالجات الشركتين، وباختصار يمكن أن تكون معالجات AMD أرخص أو أكثر مرونة لكسر سرعتها من معالجات Intel أو قد تكون معالجات Intel أفضل للألعاب ولا تُصدر الكثير من الحرارة ولكن ذلك لا ينطبق على جميع المعالجات.
نقطة أخيرة أحببت أن أوضحها وهي أنَّك قد تجد خلال بحثك عن الفرق بين المعالجات أولئك المتعصبين لشركة Intel أو AMD الذين يرون محاسن ومزايا معالج تلك الشركة دون الأخرى وإذا سألتهم ماذا أختار فيرشدونك مباشرة لشركتهم المفضلة.
ابحث بنفسك واقرأ جميع المواصفات والمزايا ثم قرر بناءً على ذلك أي نوع من المعالجات هو الأفضل والأنسب.

شراء وتركيب المعالج على اللوحة الأم

يجب قبل شراء معالج جديد مراعاة جميع الأمور السابقة وليس التركيز على السرعة فقط، ولا تنسَ أيضًا التوافق مع اللوحة الأم (تردد الناقل الأمامي FSB ومعامل الضرب ونوع المقبس) لاستثمار كامل ثمن المعالج الذي دفعته.

انتبه عند تركيب المعالج إلى وجود بعض العلامات التي تساعد على تركيبه منها وجود سهمٍ في أحد زوايا المعالج يقابله سهمٌ يشبهه على المقبس أو وجود بعض النتوءات على المقبس التي تدلك على الطريقة الصحيحة لتركيب المعالج. وحذار من استخدام العنف أثناء تركيب المعالج خصوصًا مع معالجات من نوع PGA فأي حركة خاطئة تؤدي إلى كسر أحد أرجله وتعطل المعالج أو المقبس.

تبريد بالسائل. المصدر asetek.com

تُركَّب فوق المعالج أداة التبريد المناسبة له بعد تركيبه على المقبس وإمَّا أن يكون نظام التبريد مروحة مع مشتتٍ حراريٍ، ولا تنسَ في هذه الحالة إضافة القليل من معجونة التبريد التي تحسِّن من انتقال الحرارة من سطح المعالج إلى المشتت، أو التبريد عبر السوائل أو التبريد الغازي.

الخلاصة

تعلمنا في هذا الدرس أشياء كثيرة حول المعالج وهي غيض من فيض ولكنها كافية لفهم مبدأ المعالج ومكوناته ومواصفاته.

المصادر

1. Control unit، ويكيبيديا.
2. SECC،‏ Computer Hope.
3. Pin Grid Array، ويكيبيديا.
4. Land Grid Array، ويكيبيديا
5. وحدة الحساب والمنطق، ويكيبيديا.
6. ALU،‏ Computer Hope.
7. Central processing unit، ويكيبيديا.
8. وحدة معالجة مركزية، ويكيبيديا.
9. Cache memory، ويكيبيديا.
10. CPU cache، ويكيبيديا.
11. Multi-core processor، ويكيبيديا.
12. What Is a CPU?‎،‏ Lifewire.
13. What is the difference between a 32-bit and 64-bit CPU?‎،‏ Computer Hope.