تسجيل الدخول

سنستكمل شرحنا حول المعالج

سنستذكر أولا الأشياء اللازمة لهذا الدرس:

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: ( كاملة )

وحدة التحكم :
Control Unit هي وحدة التحكم في المعالج ومن هذا نفهم أنها الجزء الأهم فيه فهي تقوم بتوجيه وحدة الحساب والمنطق والمسجلات حال عملها وكيفية عملها وفي أي وقت تعمل.

وحدة الحساب والمنطق :
ويرمز لها بالرمز ALU وهو اختصار لكلمات Arithmetic and Logic Unit وظيفتها العمليات 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 نقطة الكسر ، فتكون هذه الوحدة مخصصة لمعالجة العمليات الرقمية.

L1 Cache
الذاكرة المخبئية من المستوى الأول ، وهي مقسمة على قسمين ، قسم للقراءة فقط وقسم يقبل الكتابة عليه وكلما زادت هذه الذاكرة كلما زاد ذلك من أداء المعالج ، وهي مرتفعة السعر لذلك يكون حجمها صغير في المعالج 8-64 كيلوبايت ، وغالبا ما تستخدم هذه الذاكرة لتخزين العمليات المتكررة في المعالج.

L2 Cache
الذاكرة المخبئية من المستوى الثاني ، وظيفة هذه الذاكرة تكمن في كونها ذاكرة مؤقتة سريعة جدا بحيث تعمل على تسريع تدفق التعليمات ما بين المعالج والذاكرة ، وتكون أكبر حجما من المستوى الأول ، وظيفتها الرئيسية تسريع أداء المعالج ونقل البيانات ، 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 أنها أقل 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 أن نعلم أن المعالج يبحث بشكل منطقي عن المعلومة ، بداية في الذاكرة المخبئية من المستوى الأول ثم من الذاكرة المخبئية من المستوى الثاني فإذا لم يجدها ينطلق للمستوى الثالث فإذا لم يجدها ينتظر قدومها من الذاكرة الرئيسية.

BSB
Backside Bus ناقل الجانب الخلفي وهو ناقل التعليمات ما بين المعالج والذاكرة المخبئية من المستوى الثاني.

FSB
Front side Bus ناقل الجانب الأمامي وهو ناقل التعليمات ما بين المعالج والذاكرة الرئيسية ، وكلما زاد تردد الناقل الأمامي كلما زاد أداء المعالج.

Hyper Transport
أصبح الآن القياس مختلفا ففي معالجات AMD من جيل 64 بت بدأت الشركة بالاعتماد على تقنية Hyper Trnasport وهي بديل عن الناقل الأمامي FSB وتتميز بقدرة هائلة على التطور ، ويقاس أداءها بكمية البيانات المتدفقة في الثانية.

المسجلات
Registers عبارة عن مسجلات لتخزين البيانات المستخدمة في وحدة الحساب والمنطق لإتمام المهام المطلوبة من قبل وحدة التحكم.

Thermal Monitor
نظام حماية المعالج من الاحتراق ، وظيفته قراءة درجة حرارة المعالج فإذا وصلت إلى 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 نظام التشغيلWindows XP تقوم على مكافحة الفيروسات والتروجان مباشرة عبر تقنية مضمنة في المعالج ، وهي نقلة نوعية في مجال مكافحة الفيروسات.

ما الذي يحدد أداء المعالج:

تردد المعالج :

وقد سبق أن قلنا أنه لا يشترط أن يعني ذلك أن المعالج ذي التردد الأعلى يعطي أداء أكبر ، ولكن يكون هذا على شرط أن المعالج من نفس النوعية وبنفس المواصفات الفنية 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 التي تنتقل من المعالج إلى الذاكرة الرئيسية (العشوائية) ولذلك لو أتينا بمعالجين من نفس الصنف ومتشابهة في المواصفات وبتردد 2.4GHz على سبيل المثال ، بحيث يكون أحدهما بتردد ناقل 400 والثاني 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 الفرق الشاسع 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 المعالج وتقاس بالماكرون (1مم= مليون نانومتر) أو بالنانومتر وحاليا أشهر تقنيات التصنيع ما بين 130 نانومتر و 90 نانومتر ، وكلما صغر حجم هذه الترانزستورات كلما ساهم ذلك في إعطاء أداء أكبر ، كذلك استهلاكا أقل للطاقة وانبعاثا حراريا أقل ، وهذا من الناحية النظرية أما من الناحية العملية ومن خلال الاختبارات ثبت أن هذا الأمر ليس له تأثير كبير ، بل تأثير هامشي.

التعليمات Instructions :
يتميز كل معالج باستخدامه مجموعة من التعليمات التي تساهم في جعل المعالج ينفذ 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 بتضمينها تقنية Intel بينما لا تقوم Intel بتضمين تقنيات AMD في معالجاتها.

التقنيات الفنية :
هناك بعض التقنيات الإضافية التي تساهم في أداء المعالج تقوم الشركات بتطويرها ، فعلى سبيل المثال تقنية HyerThreading في معالجات Pentium4 عبارة عن تقنية استغلال الجزء الفائض من قدرة المعالج للقيام بتعليمات أخرى ، بحيث يستمر المعالج بالعمل بطاقته الكاملة 100% مما ينتج عنه أداء أعلى ، وطورت AMD مقابل ذلك تقنية HyperTrasnport التي تساهم في زيادة التدفق ما بين الذاكرة والمعالج وطقم الرقاقات وبشكل كبير جدا وهي تقنية لمعالجات AMD64.

وحدات حساب ومنطق ووحدات نقاط متحركة أكثر:
ولتحسين أداء الحاسب، 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.
"التنفيذ الحدسي" (speculative execution)، بمعنى تنفيذ ما تم التنبؤ به.
"إتمام خارج التسلسل" أو (out-of-order completion)، هو القدرة على تنفيذ سلسلة تعليمات كاملة من البرنامج خارج ترتيبها وتسلسلها المعتاد بالبرنامج لتكون جاهزة التنفيذ وقت طلبها.

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.

التعليمة : و هي الأمر الوارد لتنفيذه

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 بدء كالشريحة 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 ويسمى الموضع 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 4 يعمل 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 ينفذ فيها 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 ، ونقصد بالأداء 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 ، ولنفترض معالج بنتيوم 4 وسيليرون وكلاهما بتردد 2800 ميجاهرتز فإن بتنيوم 4 يعطي أداء أعلى من أداء سيليرون من نفس السرعة ، وسنجد أن بنتيوم 4 يؤدي مهاما أكبر في نفس المدة على الرغم من أن التردد في كلا المعالجين واحد وذلك لاختلافات أخرى في المعالج.

و هنا انتهى الهدف الأساسي من درسنا حول المعالجات

و الحمد لله قد استوفيتنا كامل المعلومات بشكل بسيط و مبسط ، يستطيع من خلاله كل شخص أن يعرف حق المعرفة كيف يشتري معالجا أو بروسيسور.

و عليكم السلام و رحمة الله و بركاته

إن شاء الله مواصلين

سيكون الدرس التالي عن الاندرويد

بارك الله فيك اضافة جميلة و اسلوب شرح بسيط

جزاك الله خيرا

سأبدأ الآن في تحضير الدروس القادمة حول الأندرويد ، و بمجرد الانتهاء من تحضيرها سأرفقها تباعا