المعالج هو بلا شك المكون الرئيسي لأي جهاز كمبيوتر. هذه القطعة الصغيرة من السيليكون، التي يبلغ حجمها عدة عشرات من المليمترات، هي التي تؤدي جميع المهام المعقدة التي تحددها لجهاز الكمبيوتر الخاص بك. هذا هو المكان الذي يعمل فيه نظام التشغيل، وكذلك جميع البرامج. ولكن كيف يعمل كل ذلك؟ سنحاول دراسة هذا السؤال في مقالتنا اليوم.

يقوم المعالج بإدارة البيانات الموجودة على جهاز الكمبيوتر الخاص بك وتنفيذ ملايين التعليمات في الثانية. وأعني بمعالج النصوص ما يعنيه بالضبط - شريحة صغيرة مصنوعة من السيليكون والتي تقوم بالفعل بجميع العمليات على الكمبيوتر. قبل أن ننتقل إلى كيفية عمل المعالج، يجب علينا أولاً أن نفكر بالتفصيل في ماهيته ومما يتكون.

أولا دعونا نلقي نظرة على ما هو المعالج. وحدة المعالجة المركزية أو وحدة المعالجة المركزية (وحدة المعالجة المركزية) - وهي عبارة عن دائرة كهربائية صغيرة بها عدد كبير من الترانزستورات مصنوعة على بلورة السيليكون. تم تطوير أول معالج في العالم بواسطة شركة إنتل في عام 1971. بدأ كل شيء مع Intel 4004. يمكنه فقط إجراء العمليات الحسابية ويمكنه معالجة 4 بايت فقط من البيانات. تم طرح النموذج التالي في عام 1974 - Intel 8080 ويمكنه بالفعل معالجة 8 بتات من المعلومات. بعد ذلك كانت 80286، 80386، 80486. ومن هذه المعالجات جاء اسم البنية.

كانت سرعة ساعة المعالج 8088 5 ميجا هرتز، وكان عدد العمليات في الثانية 330.000 فقط، وهو أقل بكثير من المعالجات الحديثة. تتمتع الأجهزة الحديثة بترددات تصل إلى 10 جيجا هرتز وعدة ملايين من العمليات في الثانية.

لن نفكر في الترانزستورات، بل سننتقل إلى مستوى أعلى. يتكون كل معالج من المكونات التالية:

• جوهر- يتم تنفيذ جميع عمليات معالجة المعلومات والعمليات الرياضية هنا؛
• وحدة فك ترميز الأوامر- ينتمي هذا المكون إلى النواة، فهو يحول أوامر البرنامج إلى مجموعة من الإشارات التي سيتم تنفيذها بواسطة الترانزستورات الأساسية؛
• مخبأ- مساحة من الذاكرة فائقة السرعة، صغيرة الحجم، يتم فيها تخزين البيانات المقروءة من ذاكرة الوصول العشوائي (RAM)؛
• السجلات- هذه خلايا ذاكرة سريعة جدًا يتم فيها تخزين البيانات المعالجة حاليًا. لا يوجد سوى عدد قليل منها ولها حجم محدود - 8 أو 16 أو 32 بت؛ وتعتمد سعة بتات المعالج على هذا؛
• المعالج المساعد- نواة منفصلة تم تحسينها فقط لأداء عمليات معينة، على سبيل المثال، معالجة الفيديو أو تشفير البيانات؛
• عنوان الحافلة- للتواصل مع جميع الأجهزة المتصلة باللوحة الأم، يمكن أن يكون عرضها 8 أو 16 أو 32 بت؛
• مركبة البيانات- للتواصل مع ذاكرة الوصول العشوائي. وباستخدامه، يمكن للمعالج كتابة البيانات إلى الذاكرة أو قراءتها من هناك. يمكن أن يكون ناقل الذاكرة 8 أو 16 أو 32 بت، وهذا هو مقدار البيانات التي يمكن نقلها في وقت واحد؛
• حافلة المزامنة- يسمح لك بالتحكم في تردد المعالج ودورات التشغيل؛
• أعد تشغيل الحافلة- لإعادة ضبط حالة المعالج؛

يمكن اعتبار المكون الرئيسي هو جهاز الحوسبة الأساسي أو الحسابي، بالإضافة إلى سجلات المعالج. كل شيء آخر يساعد هذين المكونين على العمل. دعونا نلقي نظرة على ما هي السجلات وما هو الغرض منها.

• السجلات أ، ب، ج- مصمم لتخزين البيانات أثناء المعالجة، نعم، هناك ثلاثة منهم فقط، لكن هذا يكفي؛
• EIP- يحتوي على عنوان تعليمات البرنامج التالية في ذاكرة الوصول العشوائي؛
• إسب- عنوان البيانات في ذاكرة الوصول العشوائي؛
• ز- يحتوي على نتيجة عملية المقارنة الأخيرة؛

بالطبع، هذه ليست جميع سجلات الذاكرة، لكن هذه هي أهمها وأكثرها استخدامًا من قبل المعالج أثناء تنفيذ البرنامج. حسنًا، الآن بعد أن عرفت مما يتكون المعالج، يمكنك إلقاء نظرة على كيفية عمله.

كيف يعمل معالج الكمبيوتر؟

يمكن للنواة الحاسوبية لوحدة المعالجة المركزية إجراء العمليات الحسابية والمقارنات ونقل البيانات بين الخلايا وذاكرة الوصول العشوائي (RAM) فقط، ولكنها كافية للسماح لك بممارسة الألعاب ومشاهدة الأفلام وتصفح الويب والمزيد.

في الحقيقة أي برنامج يتكون من التعليمات التالية: نقل، إضافة، ضرب، قسمة، فرق، والانتقال إلى التعليمات إذا تحقق شرط المقارنة. بالطبع، هذه ليست كل الأوامر، فهناك أوامر أخرى تجمع بين تلك المذكورة بالفعل أو تبسط استخدامها.

يتم تنفيذ جميع تحركات البيانات باستخدام تعليمات النقل (mov)، وتقوم هذه التعليمات بنقل البيانات بين خلايا التسجيل، بين السجلات وذاكرة الوصول العشوائي، بين الذاكرة والقرص الصلب. هناك تعليمات خاصة للعمليات الحسابية. وتعليمات القفز ضرورية للوفاء بالشروط، على سبيل المثال، التحقق من قيمة السجل A وإذا لم تكن صفرًا، فانتقل إلى التعليمات على العنوان المطلوب. يمكنك أيضًا إنشاء حلقات باستخدام تعليمات القفز.

كل هذا جيد جدًا، لكن كيف تتفاعل كل هذه المكونات مع بعضها البعض؟ وكيف تفهم الترانزستورات التعليمات؟ يتم التحكم في تشغيل المعالج بأكمله بواسطة وحدة فك ترميز التعليمات. فهو يجعل كل مكون يفعل ما يفترض أن يفعله. دعونا نلقي نظرة على ما يحدث عندما نحتاج إلى تنفيذ برنامج ما.

في المرحلة الأولى، يقوم جهاز فك التشفير بتحميل عنوان التعليمة الأولى للبرنامج في الذاكرة في سجل التعليمة التالية EIP، ولهذا يقوم بتنشيط قناة القراءة ويفتح ترانزستور المزلاج لوضع البيانات في سجل EIP.

في دورة الساعة الثانية، يقوم مفكك تشفير التعليمات بتحويل الأمر إلى مجموعة إشارات لترانزستورات قلب الحوسبة، والتي تقوم بتنفيذه وكتابة النتيجة على أحد السجلات، على سبيل المثال، C.

في الدورة الثالثة، يقوم جهاز فك التشفير بزيادة عنوان التعليمة التالية بمقدار عنوان واحد بحيث يشير إلى التعليمة التالية في الذاكرة. بعد ذلك، يتابع برنامج فك التشفير تحميل الأمر التالي، وهكذا حتى نهاية البرنامج.

يتم تشفير كل تعليمات بالفعل بواسطة سلسلة من الترانزستورات، ويتم تحويلها إلى إشارات، مما يؤدي إلى تغييرات فيزيائية في المعالج، على سبيل المثال، تغيير موضع المزلاج الذي يسمح بكتابة البيانات إلى خلية ذاكرة، وما إلى ذلك. تتطلب الأوامر المختلفة عددًا مختلفًا من دورات الساعة لتنفيذها؛ على سبيل المثال، قد يتطلب أمر واحد 5 دورات على مدار الساعة، بينما قد يتطلب أمر آخر أكثر تعقيدًا ما يصل إلى 20 دورة. لكن كل هذا لا يزال يعتمد على عدد الترانزستورات في المعالج نفسه.

حسنًا، كل هذا واضح، لكن كل هذا لن ينجح إلا إذا كان هناك برنامج واحد قيد التشغيل، وإذا كان هناك العديد منهم وكلهم في نفس الوقت. يمكننا أن نفترض أن المعالج لديه عدة مراكز، ثم يقوم كل مركز بتشغيل برنامج منفصل. ولكن لا، في الواقع لا توجد مثل هذه القيود.

يمكن تنفيذ برنامج واحد فقط في أي وقت. يتم تقسيم كل وقت المعالج بين جميع البرامج قيد التشغيل، ويتم تنفيذ كل برنامج لبضع دورات على مدار الساعة، ثم يتم نقل المعالج إلى برنامج آخر، ويتم تخزين جميع محتويات السجلات في ذاكرة الوصول العشوائي. عندما يعود التحكم إلى هذا البرنامج، يتم تحميل القيم المحفوظة مسبقًا في السجلات.

الاستنتاجات

هذا كل شيء، في هذه المقالة نظرنا في كيفية عمل معالج الكمبيوتر، وما هو المعالج وما يتكون منه. قد يكون الأمر معقدًا بعض الشيء، لكننا جعلناه أسهل. أتمنى أن يكون لديك الآن فهم أفضل لكيفية عمل هذا الجهاز المعقد للغاية.

في ختام الفيديو عن تاريخ المعالجات:

يعلم الجميع تقريبًا أن العنصر الرئيسي بين جميع المكونات "الصلبة" في الكمبيوتر هو المعالج المركزي. لكن دائرة الأشخاص الذين يفهمون كيفية عمل المعالج محدودة للغاية. معظم المستخدمين ليس لديهم فكرة عن هذا. وحتى عندما يبدأ النظام فجأة في التباطؤ، يعتقد الكثيرون أن المعالج لا يعمل بشكل جيد ولا يعلق أهمية على العوامل الأخرى. لفهم الموقف بشكل كامل، دعونا نلقي نظرة على بعض جوانب تشغيل وحدة المعالجة المركزية.

ما هي وحدة المعالجة المركزية؟

مما يتكون المعالج؟

إذا تحدثنا عن كيفية عمل معالج Intel أو AMD المنافس له، فأنت بحاجة إلى إلقاء نظرة على كيفية تصميم هذه الرقائق. أول معالج دقيق (بالمناسبة، كان من إنتل، موديل 4040) ظهر في عام 1971. يمكنه فقط إجراء أبسط عمليات الجمع والطرح مع معالجة 4 بتات فقط من المعلومات، أي أن لديه بنية 4 بت.

تعتمد المعالجات الحديثة، مثل البكر، على الترانزستورات وهي أسرع بكثير. يتم تصنيعها بواسطة الطباعة الحجرية الضوئية من عدد معين من رقائق السيليكون الفردية التي تشكل بلورة واحدة تُطبع فيها الترانزستورات. يتم إنشاء الدائرة على مسرع خاص باستخدام أيونات البورون المتسارعة. في الهيكل الداخلي للمعالجات، المكونات الرئيسية هي النوى والناقلات والجزيئات الوظيفية التي تسمى المراجعات.

الخصائص الرئيسية

مثل أي جهاز آخر، يتميز المعالج بمعلمات معينة لا يمكن تجاهلها عند الإجابة على سؤال حول كيفية عمل المعالج. أولا وقبل كل هذا:

• عدد النوى؛
• عدد المواضيع؛
• حجم ذاكرة التخزين المؤقت (الذاكرة الداخلية)؛
• تردد الساعة
• سرعة الإطارات.

في الوقت الحالي، دعونا نركز على تردد الساعة. ليس من قبيل الصدفة أن يُطلق على المعالج اسم قلب الكمبيوتر. مثل القلب، فهو يعمل في وضع النبض بعدد معين من النبضات في الثانية. يتم قياس تردد الساعة بالميجاهرتز أو جيجاهرتز. كلما كان أعلى، كلما زاد عدد العمليات التي يمكن للجهاز القيام بها.

يمكنك معرفة التردد الذي يعمل به المعالج من خلال خصائصه المعلنة أو إلقاء نظرة على المعلومات الواردة فيه. ولكن أثناء معالجة الأوامر، يمكن أن يتغير التردد، وأثناء رفع تردد التشغيل (رفع تردد التشغيل) يمكن أن يزيد إلى الحدود القصوى. وبالتالي، فإن القيمة المعلنة هي مجرد مؤشر متوسط.

عدد النوى هو مؤشر يحدد عدد مراكز المعالجة للمعالج (يجب عدم الخلط بينه وبين الخيوط - قد لا يكون عدد النوى والخيوط هو نفسه). وبسبب هذا التوزيع، من الممكن إعادة توجيه العمليات إلى مراكز أخرى، وبالتالي زيادة الأداء العام.

كيف يعمل المعالج: معالجة الأوامر

الآن قليلا عن هيكل الأوامر القابلة للتنفيذ. إذا نظرت إلى كيفية عمل المعالج، فأنت بحاجة إلى أن تفهم بوضوح أن أي أمر يتكون من مكونين - عنصر تشغيلي وعامل.

يحدد جزء التشغيل ما يجب أن يفعله نظام الكمبيوتر في الوقت الحالي؛ ويحدد المعامل ما يجب أن يعمل عليه المعالج. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يحتوي نواة المعالج على مركزين للحوسبة (حاويات، خيوط)، والتي تقسم تنفيذ الأمر إلى عدة مراحل:

• إنتاج؛
• فك التشفير؛
• تنفيذ الأمر؛
• الوصول إلى ذاكرة المعالج نفسه
• حفظ النتيجة.

اليوم، يتم استخدام التخزين المؤقت المنفصل في شكل استخدام مستويين من ذاكرة التخزين المؤقت، مما يتجنب اعتراض أمرين أو أكثر للوصول إلى إحدى كتل الذاكرة.

بناءً على نوع معالجة الأوامر، يتم تقسيم المعالجات إلى معالجات خطية (تنفيذ الأوامر بالترتيب الذي تمت كتابتها به)، ودورية ومتفرعة (تنفيذ التعليمات بعد معالجة شروط الفرع).

العمليات المنفذة

ومن بين الوظائف الرئيسية المسندة إلى المعالج، من حيث الأوامر أو التعليمات المنفذة، يمكن تمييز ثلاث مهام رئيسية:

• العمليات الرياضية القائمة على جهاز حسابي منطقي؛
• نقل البيانات (المعلومات) من نوع واحد من الذاكرة إلى نوع آخر؛
• اتخاذ قرار بشأن تنفيذ الأمر، وعلى أساسه اختيار التبديل إلى تنفيذ مجموعات أخرى من الأوامر.

التفاعل مع الذاكرة (ROM وRAM)

في هذه العملية، المكونات التي يجب ملاحظتها هي الناقل وقناة القراءة والكتابة، المتصلة بأجهزة التخزين. يحتوي ROM على مجموعة ثابتة من البايتات. أولاً، يطلب ناقل العناوين بايتًا محددًا من ذاكرة القراءة فقط، ثم ينقلها إلى ناقل البيانات، وبعد ذلك تغير قناة القراءة حالتها ويوفر ذاكرة القراءة فقط البايت المطلوب.

لكن المعالجات لا يمكنها قراءة البيانات من ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) فحسب، بل يمكنها أيضًا كتابتها. في هذه الحالة، يتم استخدام قناة التسجيل. ولكن، إذا نظرت إليها، بشكل عام، يمكن لأجهزة الكمبيوتر الحديثة، من الناحية النظرية البحتة، الاستغناء عن ذاكرة الوصول العشوائي على الإطلاق، لأن وحدات التحكم الدقيقة الحديثة قادرة على وضع بايتات البيانات الضرورية مباشرة في ذاكرة شريحة المعالج نفسها. ولكن لا توجد طريقة للاستغناء عن ROM.

من بين أمور أخرى، يبدأ النظام من وضع اختبار الأجهزة (أوامر BIOS)، وعندها فقط يتم نقل التحكم إلى نظام التشغيل التحميل.

كيفية التحقق مما إذا كان المعالج يعمل؟

الآن دعونا نلقي نظرة على بعض جوانب التحقق من أداء المعالج. يجب أن يكون مفهوما بوضوح أنه إذا كان المعالج لا يعمل، فلن يتمكن الكمبيوتر من بدء التحميل على الإطلاق.

إنها مسألة أخرى عندما تحتاج إلى إلقاء نظرة على مؤشر استخدام قدرات المعالج في لحظة معينة. يمكن القيام بذلك من خلال "إدارة المهام" القياسية (على عكس أي عملية، تتم الإشارة إلى النسبة المئوية لحمل المعالج الذي توفره). لتحديد هذه المعلمة بشكل مرئي، يمكنك استخدام علامة تبويب الأداء، حيث يتم تعقب التغييرات في الوقت الفعلي. يمكن رؤية المعلمات المتقدمة باستخدام برامج خاصة، على سبيل المثال، CPU-Z.

بالإضافة إلى ذلك، يمكنك استخدام نوى معالج متعددة باستخدام (msconfig) ومعلمات التمهيد الإضافية.

المشاكل المحتملة

وأخيرا، بضع كلمات عن المشاكل. كثيرًا ما يتساءل العديد من المستخدمين لماذا يعمل المعالج ولا يتم تشغيل الشاشة؟ هذا الوضع لا علاقة له بالمعالج المركزي. والحقيقة هي أنه عند تشغيل أي جهاز كمبيوتر، يتم اختبار محول الرسومات أولا، وبعد ذلك فقط كل شيء آخر. ربما تكمن المشكلة بالتحديد في معالج شريحة الرسومات (جميع مسرعات الفيديو الحديثة لها معالجات رسومات خاصة بها).

ولكن باستخدام مثال عمل جسم الإنسان، عليك أن تفهم أنه في حالة السكتة القلبية، يموت الجسم بأكمله. الشيء نفسه مع أجهزة الكمبيوتر. المعالج لا يعمل - نظام الكمبيوتر بأكمله "يموت".

"إنهم لا ينفخون في المبرد من أجل معالج موهوب."

لا يمكن المبالغة في تقدير أهمية المعالج لأي جهاز كمبيوتر شخصي. وهذا الجهاز الإلكتروني صغير الحجم نسبياً، ولكنه يستهلك نسبة كبيرة من الطاقة التي يستقبلها من مصدر الطاقة، وتمثل تكلفته نصيب الأسد من تكلفة الكمبيوتر. ليس من قبيل الصدفة أن العديد من الأشخاص، عادة ما لا يكونون على دراية كبيرة بمصطلحات الكمبيوتر، يربطون المعالج بالكمبيوتر نفسه. وعلى الرغم من أن هذه وجهة نظر خاطئة بالطبع، إلا أنه ليس من الصعب فهم أسباب مثل هذا الارتباط. بعد كل شيء، يمكن بسهولة تشبيه المعالج بدماغ الكمبيوتر، وفي هذه الحالة سوف يقوم بتجسيد جوهر الكمبيوتر والتعرف عليه بنفس الطريقة التي يجسد بها الدماغ البشري جوهر الشخص ويحدد شخصيته.

وتجدر الإشارة على الفور إلى أن هذا المقال سيتحدث بشكل أساسي عن وحدة المعالجة المركزية للكمبيوتر، ما يسمى بوحدة المعالجة المركزية (وحدة المعالجة المركزية)، بينما تشتمل المعالجات أيضًا على العديد من الشرائح المساعدة الموجودة في الكمبيوتر، مثل معالج بطاقة الفيديو أو بطاقات الصوت. ومع ذلك، فإن مبادئ التشغيل المميزة لوحدات المعالجة المركزية صالحة إلى حد كبير لأنواع أخرى من الرقائق.

ظهرت المعالجات الأولى في فجر تكنولوجيا الكمبيوتر. وكان التطور السريع لتكنولوجيا الحواسيب الصغيرة إلى حد كبير نتيجة لظهور الأول المعالجات الدقيقة.إذا كانت جميع العناصر الضرورية لوحدة المعالجة المركزية موجودة سابقًا في دوائر إلكترونية مختلفة، فقد تم دمجها في المعالجات الدقيقة لأول مرة على شريحة واحدة. في المستقبل، سنعني بمصطلح "المعالج" المعالجات الدقيقة، لأن هذه الكلمات أصبحت مرادفات لفترة طويلة.

يعد المعالج الدقيق i4004 هو الجد الأكبر لوحدات المعالجة المركزية (CPU) الحالية

كان أحد المعالجات الدقيقة الأولى هو معالج Intel i4004 رباعي البت. وكانت لها خصائص كانت مثيرة للسخرية في العصر الحديث، لكن في وقتها - أوائل السبعينيات - كان مظهرها يمثل طفرة تكنولوجية حقيقية. كما يمكنك أن تتخيل من تسميتها، كانت ذات أربع بتات وكان ترددها حوالي 0.1 ميجاهرتز. وكان سليلها المباشر، المعالج i8088، هو الذي اختارته شركة IBM باعتباره "العقل" لأول جهاز كمبيوتر شخصي، جهاز كمبيوتر IBM الشخصي.

المعالج i8088 المستخدم في أول كمبيوتر شخصي من شركة IBM

مع مرور السنين، أصبحت خصائص وحدة المعالجة المركزية أكثر خطورة وإبهارًا، ونتيجة لذلك، أصبحت خصائص أجهزة الكمبيوتر الشخصية أكثر إثارة للإعجاب. كان i80386 علامة بارزة في تطوير المعالجات الدقيقة. لقد كانت أول وحدة معالجة مركزية كاملة 32 بت يمكنها معالجة 4 جيجابايت من ذاكرة الوصول العشوائي، في حين أن معظم سابقاتها يمكنها التعامل مع 640 كيلو بايت كحد أقصى من ذاكرة الوصول العشوائي. استمر هذا النوع من القدرات في المعالجات الدقيقة للكمبيوتر المكتبي لفترة طويلة، ما يقرب من عقدين من الزمن. في منتصف الثمانينات، بدا أن 4 غيغابايت من ذاكرة الوصول العشوائي ضخمة بشكل خيالي، ولكن الآن يمكن اعتبارها صغيرة بالنسبة لجهاز كمبيوتر جاد.

i80386 - أول وحدة معالجة مركزية كاملة 32 بت

المعالج الدقيق التالي من إنتل، 486DX، رائع لأنه أول من يتميز بذاكرة تخزين مؤقت داخلية - ذاكرة الوصول العشوائي الداخلية للمعالج الدقيق. بالإضافة إلى ذلك، فقد أدخلت العديد من التحسينات الأخرى التي حددت إلى حد كبير التطور الإضافي للمعالجات الدقيقة. ويمكن قول الشيء نفسه عن معالج إنتل القادم، بنتيوم.

Intel 486DX - أول معالج مزود بذاكرة تخزين مؤقت داخلية

المعالج من إنتل - بنتيوم

جنبا إلى جنب مع وحدة المعالجة المركزية بنتيوم 4، . وكانت معالجات Opteron من AMD وPentium D من Intel إيذانا ببدء العصر الحديث لتطور وحدة المعالجة المركزية، عصر المعالجات ذات النوى المتعددة. الآن هناك العديد من وحدات المعالجة المركزية في السوق من مختلف الشركات المصنعة، لكن الشركات المصنعة الرئيسية لا تزال شركتين - Intel و AMD، حيث تمثل الأولى أكثر من 80٪ من السوق.

وحدة المعالجة المركزية Opteron من AMD وPentium D من Intel

جهاز وحدة المعالجة المركزية

تحتوي أي وحدة معالجة مركزية على نواة حوسبة (أحيانًا يكون هناك العديد منها)، بالإضافة إلى ذاكرة تخزين مؤقت، أي ذاكرة الوصول العشوائي الخاصة بها. تحتوي ذاكرة التخزين المؤقت عادة على مستويين - الأول والثاني (الداخلي والخارجي). الحجم الداخلي أصغر، ولكنه أسرع من الخارجي. تبلغ سعة ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الثاني لوحدات المعالجة المركزية الحديثة عدة ميغابايت - أكثر من ذاكرة الوصول العشوائي لأجهزة الكمبيوتر الشخصية الأولى!

يحتوي قلب وحدة المعالجة المركزية على عدة كتل وظيفية - وحدة التحكم، ووحدة جلب التعليمات، ووحدة الفاصلة العائمة، ووحدة الأعداد الصحيحة، وما إلى ذلك. يوجد أيضًا في النواة السجلات الرئيسية للمعالج، والتي تحتوي على البيانات التي تتم معالجتها في لحظة معينة. في التصميم الكلاسيكي للمعالج الدقيق x86، يوجد 16 فقط من هذه السجلات.

اليوم، النوعان الرئيسيان من المعالجات الأكثر استخدامًا هما CISC (حوسبة مجموعة التعليمات المعقدة) وRISC (حوسبة مجموعة التعليمات المخفضة). تحتوي معالجات CISC على عدد قليل من السجلات الداخلية، ولكنها تدعم مجموعة كبيرة من التعليمات. تحتوي معالجات RISC على الكثير من السجلات، لكن مجموعة التعليمات محدودة. تقليديًا، تنتمي المعالجات الدقيقة لأجهزة الكمبيوتر الشخصية ذات بنية Intel x86 إلى فئة معالجات CISC، ولكن في الوقت الحاضر تعد معظم المعالجات الدقيقة عبارة عن مزيج من هاتين المعمارتين.

إذا نظرنا إلى وحدة المعالجة المركزية على مستوى الأجهزة، فهي في الواقع عبارة عن شريحة ضخمة تقع على بلورة سيليكون واحدة، تحتوي على ملايين، أو حتى مليارات، الترانزستورات. كلما كانت الترانزستورات أصغر، زاد عددها لكل وحدة مساحة من وحدة المعالجة المركزية، وزادت قدرتها الحاسوبية. بالإضافة إلى ذلك، يعتمد تبديد الطاقة واستهلاك الطاقة للمعالج على حجم الترانزستورات - فكلما كان حجمها أصغر، كانت خصائص المعالج أصغر. هذا العامل مهم، لأن وحدة المعالجة المركزية هي الجهاز الأكثر استهلاكا للطاقة في جهاز كمبيوتر حديث. لذلك تعتبر مشكلة تقليل تسخين المعالج من أهم المشاكل التي تواجه مطوري أجهزة الكمبيوتر والمعالجات نفسها.

بشكل منفصل، تجدر الإشارة إلى الحالة التي توجد بها وحدة المعالجة المركزية. عادةً ما تكون مادة غلاف المعالج من السيراميك أو البلاستيك. في البداية، كانت المعالجات ملحومة بإحكام في اللوحة الأم، ولكن الآن يتم إدراج معظمها في فتحات خاصة - مآخذ. لقد سهّل هذا الأسلوب على المستخدم ترقية النظام - ما عليك سوى إدخال وحدة المعالجة المركزية (CPU) الأخرى التي تدعمها هذه اللوحة الأم في المقبس، وستحصل على جهاز كمبيوتر أكثر قوة.

مقبس المعالج الحديث

يتصل المعالج بأجهزة أخرى باستخدام قنوات اتصال خاصة (حافلات) - ناقل الذاكرة وناقل البيانات وحافلة العناوين. تعد سعة البت لهذا الأخير مهمة جدًا، نظرًا لأن مقدار وحدة المعالجة المركزية المتاحة، وبالتالي البرامج وذاكرة الوصول العشوائي، يعتمد على هذه المعلمة.

مبدأ التشغيل

لمعالجة البيانات، يتلقى جهاز التحكم في وحدة المعالجة المركزية البيانات نفسها من ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) أو ذاكرة التخزين المؤقت للمعالج، بالإضافة إلى الأوامر التي تصف عملية معالجة البيانات. يتم وضع البيانات في السجلات الداخلية للمعالج الدقيق، ويتم تنفيذ العمليات عليها باستخدام وحدة حسابية منطقية وفقًا للأوامر المستلمة.

مبدأ تشغيل المعالج

تتم مزامنة تشغيل وحدة المعالجة المركزية من خلال ما يسمى بإشارات الساعة. من المؤكد أن كل مستخدم يعرف مفهوم تردد الساعة، والذي يعكس عدد دورات المعالج في الثانية. سيتم تحديد هذه القيمة إلى حد كبير من خلال خصائص المعالج. ومع ذلك، فإن أداء الكمبيوتر لا يتناسب دائمًا مع سرعة الساعة. والنقطة هنا ليست فقط أن وحدات المعالجة المركزية الحديثة تحتوي على عدة نوى، ولكن أيضًا أن المعالجات المختلفة لها بنيات مختلفة، ونتيجة لذلك، يمكنها إجراء عدد مختلف من العمليات في الثانية. يمكن لوحدات المعالجة المركزية الحديثة إجراء عدة عمليات في دورة ساعة واحدة، في حين أن المعالجات الدقيقة الأولى، على العكس من ذلك، يمكن أن تستغرق عدة دورات على مدار الساعة لإكمال عملية واحدة.

تدعم وحدات المعالجة المركزية ذات البنية x86 تاريخيًا أوضاع تشغيل المعالج التالية:

1. حقيقي
2. محمي
3. افتراضي
4. وضع المشرف

كان وضع التشغيل الحقيقي هو الوضع الوحيد الذي تعمل فيه جميع وحدات المعالجة المركزية حتى i80386. في هذا الوضع، يمكن للمعالج معالجة 640 كيلو بايت فقط من ذاكرة الوصول العشوائي. ونتيجة لظهور الوضع المحمي، تمكن المعالج من العمل بكميات كبيرة من ذاكرة الوصول العشوائي. يوجد أيضًا نوع من الوضع المحمي يسمى الوضع الظاهري، وهو مصمم للتوافق مع البرامج القديمة المكتوبة لمعالجات 8086.

تشتمل أوضاع تشغيل المعالج أيضًا على وضع المشرف، والذي يستخدم عند العمل في أنظمة التشغيل الحديثة. في هذا الوضع، يتمتع رمز البرنامج بوصول غير مقيد إلى كافة موارد النظام.

خاتمة

في هذه المقالة، تعرفت بشكل عام على غرض وحدة المعالجة المركزية المركزية وتاريخها وبنيتها، وتعرفت على أوضاع تشغيل المعالج وأصبحت على دراية بمبادئ تشغيله. وحدة المعالجة المركزية هي الجهاز الأكثر تعقيدًا والأكثر أهمية في الكمبيوتر.يمكننا أن نقول بأمان أن تطوير تكنولوجيا الكمبيوتر يرتبط إلى حد كبير بالتقدم المحرز في تطوير وحدة المعالجة المركزية. يعتمد أداء الكمبيوتر بأكمله، وكذلك قدرات مكوناته الفردية، على قوة المعالج الدقيق وميزات التشغيل الخاصة به.

يجب التعامل مع اختيار المعالج المركزي لجهاز الكمبيوتر بأقصى قدر من المسؤولية، لأنه يعتمد أداء العديد من مكونات الكمبيوتر الأخرى بشكل مباشر على جودة وحدة المعالجة المركزية المختارة.

من الضروري ربط إمكانيات جهاز الكمبيوتر الخاص بك ببيانات طراز المعالج المطلوب. إذا قررت تجميع جهاز كمبيوتر بنفسك، فحدد أولاً المعالج واللوحة الأم. يجب أن نتذكر لتجنب النفقات غير الضرورية أن جميع اللوحات الأم لا تدعم المعالجات القوية.

السوق الحديث جاهز لتوفير مجموعة واسعة من المعالجات المركزية - بدءًا من وحدات المعالجة المركزية (CPU) المصممة للأجهزة شبه المحمولة منخفضة الأداء وحتى الرقائق عالية الأداء لمراكز البيانات. فيما يلي بعض النصائح لمساعدتك في اتخاذ القرار الصحيح:

• اختر الشركة المصنعة التي تثق بها. يوجد اليوم موردان فقط لمعالجات أجهزة الكمبيوتر المنزلية في السوق - Intel وAMD. يتم وصف مزايا كل منهم بمزيد من التفصيل أدناه.
• انظر إلى ما هو أبعد من التردد. هناك رأي مفاده أن التردد هو العامل الرئيسي المسؤول عن الأداء، ولكن هذا ليس صحيحا تماما. تتأثر هذه المعلمة أيضًا بشكل كبير بعدد النوى وسرعة قراءة المعلومات وكتابتها وحجم ذاكرة التخزين المؤقت.
• قبل شراء المعالج، تأكد من أن اللوحة الأم لديك تدعمه.
• للحصول على معالج قوي، ستحتاج إلى شراء نظام تبريد. كلما زادت قوة وحدة المعالجة المركزية والمكونات الأخرى، زادت متطلبات هذا النظام.
• انتبه إلى مقدار ما يمكنك رفع تردد تشغيله عن المعالج. بشكل عام، يمكن رفع تردد التشغيل للمعالجات غير المكلفة التي لا يبدو أنها تتمتع بأداء رائع للوهلة الأولى إلى مستوى وحدات المعالجة المركزية المتميزة.

بعد شراء المعالج، لا تنس وضع المعجون الحراري عليه - فهذا مطلب إلزامي. يُنصح بعدم التبذير في هذه النقطة وشراء عجينة عادية على الفور والتي ستستمر لفترة طويلة.

اختيار الشركة المصنعة

لا يوجد سوى اثنين منهم - Intel و AMD. كلاهما ينتج معالجات لأجهزة الكمبيوتر المكتبية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، ومع ذلك، هناك اختلافات كبيرة بينهما.

حول إنتل

توفر Intel معالجات قوية وموثوقة للغاية، ولكن في نفس الوقت أسعارها هي الأعلى في السوق. يتم استخدام أحدث التقنيات في الإنتاج، مما يسمح بالتوفير في نظام التبريد. نادرًا ما ترتفع درجة حرارة وحدات المعالجة المركزية Intel، لذا فإن الطرازات الأعلى فقط هي التي تتطلب نظام تبريد جيدًا. دعونا نلقي نظرة على مزايا معالجات إنتل:

• تخصيص الموارد ممتازة. يكون الأداء في البرامج كثيفة الاستخدام للموارد أعلى (شريطة أنه بالإضافة إلى ذلك، لا يوجد برنامج آخر يعمل بمتطلبات وحدة المعالجة المركزية المماثلة)، لأن يتم نقل كل قوة المعالج إليه.
• تعمل منتجات Intel بشكل أفضل مع بعض الألعاب الحديثة.
• تحسين التفاعل مع ذاكرة الوصول العشوائي (RAM)، مما يؤدي إلى تسريع النظام بأكمله.
• ينصح أصحاب أجهزة الكمبيوتر المحمول باختيار هذه الشركة المصنعة، لأنها... تستهلك معالجاتها طاقة أقل، كما أنها مدمجة ولا تعمل بهذه الحرارة.
• تم تحسين العديد من البرامج للعمل مع Intel.

• إن تعدد المهام للمعالجات عند العمل مع البرامج المعقدة يترك الكثير مما هو مرغوب فيه.
• هناك "مدفوعات زائدة للعلامة التجارية".
• إذا كنت بحاجة إلى استبدال وحدة المعالجة المركزية بأخرى أحدث، فمن المحتمل أن تضطر إلى تغيير بعض المكونات الأخرى في الكمبيوتر (على سبيل المثال، البطاقة الأم)، لأن قد لا تكون وحدات المعالجة المركزية "الزرقاء" متوافقة مع بعض المكونات القديمة.
• قدرات رفع تردد التشغيل صغيرة نسبيًا مقارنة بمنافستها.

حول أيه إم دي

هذه شركة مصنعة أخرى للمعالجات تتمتع بحصة سوقية تعادل تقريبًا شركة Intel. تركز بشكل أساسي على شريحة الميزانية والمتوسطة، ولكنها تنتج أيضًا نماذج معالجات متطورة. المزايا الرئيسية لهذا المصنع:

• قيمة المال. في حالة AMD، لن تضطر إلى "دفع مبالغ زائدة مقابل العلامة التجارية".
• إمكانيات واسعة لرفع مستوى الأداء. يمكنك رفع تردد التشغيل للمعالج بنسبة 20% من الطاقة الأصلية، وكذلك ضبط الجهد.
• تعمل منتجات AMD بشكل جيد في وضع تعدد المهام، مقارنة بنظيراتها من Intel.
• منتجات متعددة المنصات. سيعمل معالج AMD دون مشاكل مع أي لوحة أم أو ذاكرة الوصول العشوائي أو بطاقة الفيديو.

لكن المنتجات من هذه الشركة المصنعة لها أيضًا عيوبها:

• لا تعتبر وحدات المعالجة المركزية AMD موثوقة تمامًا مقارنة بمعالجات Intel. الأخطاء أكثر شيوعًا، خاصة إذا كان عمر المعالج عدة سنوات.
• تصبح معالجات AMD (خاصة الطرازات القوية أو الطرازات التي قام المستخدم برفع تردد تشغيلها) ساخنة جدًا، لذا يجب أن تفكر في شراء نظام تبريد جيد.
• إذا كانت لديك رسومات مدمجة من Intel، فكن مستعدًا لمواجهة مشكلات التوافق.

ما مدى أهمية التردد وعدد النوى؟

هناك رأي مفاده أنه كلما زاد عدد النوى والترددات في المعالج، كلما كان النظام يعمل بشكل أفضل وأسرع. هذا البيان صحيح جزئيا فقط، لأنه إذا كان لديك معالج 8 نواة مثبتًا لديك، ولكن جنبًا إلى جنب مع محرك الأقراص الصلبة، فسيكون الأداء ملحوظًا فقط في البرامج المطلوبة (وهذه ليست حقيقة).

للعمل القياسي على جهاز كمبيوتر والألعاب في الإعدادات المتوسطة والمنخفضة، معالج مع 2-4 مراكز بالتزامن مع . سوف يسعدك هذا التكوين بالأداء في المتصفحات والتطبيقات المكتبية وبمعالجة الرسومات والفيديو البسيطة. إذا قمت بتضمين وحدة قوية ذات 8 نواة في هذه الحزمة بدلاً من وحدة المعالجة المركزية العادية التي تحتوي على 2-4 مراكز، فسيتم تحقيق الأداء المثالي في الألعاب الثقيلة حتى في الإعدادات الفائقة (ومع ذلك، سيظل الكثير يعتمد على بطاقة الفيديو) .

أيضًا، إذا كان لديك خيار بين معالجين لهما نفس الأداء، ولكن نماذج مختلفة، فسوف تحتاج إلى إلقاء نظرة على نتائج الاختبارات المختلفة. بالنسبة للعديد من نماذج وحدات المعالجة المركزية الحديثة، يمكن العثور عليها بسهولة على موقع الشركة المصنعة.

ما الذي يمكن أن تتوقعه من وحدات المعالجة المركزية (CPU) عند نقاط سعر مختلفة؟

الوضع مع الأسعار في الوقت الحالي هو كما يلي:

• يتم توفير أرخص المعالجات في السوق فقط من قبل شركة AMD. يمكن أن تكون مناسبة تمامًا للعمل في التطبيقات المكتبية البسيطة وتصفح الإنترنت وممارسة الألعاب مثل Solitaire. ومع ذلك، فإن الكثير في هذه الحالة سيعتمد على تكوين جهاز الكمبيوتر. على سبيل المثال، إذا كان لديك ذاكرة وصول عشوائي (RAM) قليلة، ومحرك أقراص ثابتة (HDD) ضعيف، ولا يوجد محول رسومات، فلا يمكنك الاعتماد على أن النظام يعمل بشكل صحيح.
• معالجات فئة السعر المتوسط. هنا يمكنك بالفعل رؤية نماذج منتجة تمامًا من AMD ونماذج ذات أداء متوسط ​​من Intel. سيتطلب الأول نظام تبريد موثوقًا، وقد تعوض تكاليفه فوائد السعر المنخفض. في الحالة الثانية، سيكون الأداء أقل، ولكن المعالج سيكون أكثر استقرارا. يعتمد الكثير مرة أخرى على تكوين جهاز الكمبيوتر أو الكمبيوتر المحمول.
• معالجات عالية الجودة لفئة السعر المرتفع. في هذه الحالة، تكون خصائص منتجات AMD وIntel متساوية تقريبًا.

حول نظام التبريد

قد تأتي بعض المعالجات بنظام تبريد كامل يسمى. "ملاكمة". لا ينصح باستبدال نظامك "الأصلي" بنظام تناظري من شركة مصنعة أخرى، حتى لو كان يقوم بعمله بشكل أفضل. والحقيقة هي أن الأنظمة "المعبأة" تتكيف بشكل أفضل مع معالجها ولا تتطلب تكوينًا جادًا.

إذا بدأت نوى وحدة المعالجة المركزية في السخونة الزائدة، فمن الأفضل تثبيت نظام تبريد إضافي للنظام الموجود. سيكون أرخص، وخطر إتلاف أي شيء سيكون أقل.

يعد نظام التبريد المعبأ من Intel أسوأ بكثير من AMD، لذلك يوصى بالاهتمام بشكل خاص بأوجه القصور فيه. المشابك مصنوعة بشكل أساسي من البلاستيك، وهو أيضًا ثقيل جدًا. وهذا يسبب المشكلة التالية - إذا تم تثبيت المعالج والمبرد على لوحة أم رخيصة الثمن، فهناك خطر "ثنيها"، مما يجعلها غير صالحة للاستعمال. لذلك، إذا كنت لا تزال تفضل Intel، فاختر اللوحات الأم عالية الجودة فقط. هناك أيضًا مشكلة أخرى - مع التسخين القوي (أكثر من 100 درجة)، يمكن أن تذوب المقاطع ببساطة. ولحسن الحظ، فإن درجات الحرارة هذه نادرة جدًا بالنسبة لمنتجات إنتل.

صنع فريق Reds نظام تبريد أفضل بمشابك معدنية. وعلى الرغم من ذلك، فإن وزن النظام أقل من نظيره من إنتل. كما أن تصميم المشعات يسمح بتثبيتها على اللوحة الأم دون أي مشاكل، وسيكون الاتصال باللوحة الأم أفضل بكثير، مما يلغي إمكانية إتلاف اللوحة. ولكن تجدر الإشارة إلى أن معالجات AMD تصبح أكثر سخونة، لذا فإن المشعاعات المعبأة عالية الجودة ضرورية.

معالجات هجينة مع بطاقة رسوميات مدمجة

تنتج الشركتان أيضًا معالجات مزودة ببطاقة رسوميات مدمجة (APU). صحيح أن أداء الأخير منخفض جدًا ويكفي فقط لأداء المهام اليومية البسيطة - العمل في التطبيقات المكتبية وتصفح الإنترنت ومشاهدة مقاطع الفيديو وحتى ممارسة الألعاب المتساهلة. بالطبع، هناك معالجات APU متطورة في السوق، والتي تكفي مواردها حتى للعمل الاحترافي في برامج تحرير الرسومات ومعالجة الفيديو البسيطة وتشغيل الألعاب الحديثة بأقل الإعدادات.

تعد وحدات المعالجة المركزية هذه أكثر تكلفة وتسخن بشكل أسرع بكثير من نظيراتها التقليدية. تحتاج أيضًا إلى مراعاة أنه في حالة بطاقة الفيديو المدمجة، لا يتم استخدام ذاكرة الفيديو المدمجة، ولكن ذاكرة الوصول العشوائي من نوع DDR3 أو DDR4. ويترتب على ذلك أن الأداء سيعتمد أيضًا بشكل مباشر على مقدار ذاكرة الوصول العشوائي. ولكن حتى لو كان جهاز الكمبيوتر الخاص بك مزودًا بعدة عشرات من جيجابايت من ذاكرة الوصول العشوائي DDR4 (أسرع نوع اليوم)، فمن غير المرجح أن تكون البطاقة المدمجة قادرة على مطابقة أداء محول الرسومات حتى من فئة السعر المتوسط.

المشكلة هي أن ذاكرة الفيديو (حتى لو كانت 1 جيجابايت فقط) أسرع بكثير من ذاكرة الوصول العشوائي، لأن... إنه مصمم للعمل مع الرسومات.

ومع ذلك، يمكن لمعالج APU المقترن ببطاقة فيديو باهظة الثمن بعض الشيء أن يوفر أداءً عاليًا في الألعاب الحديثة بإعدادات منخفضة أو متوسطة. لكن في هذه الحالة، من المفيد التفكير في نظام التبريد (خاصة إذا كان المعالج و/أو محول الرسومات من AMD)، لأنه قد لا تكون موارد المشعاعات المدمجة الافتراضية كافية. من الأفضل اختبار العملية ثم تحديد ما إذا كان نظام التبريد "الأصلي" يمكنه التعامل معها أم لا، بناءً على النتائج.

من هي معالجات APU الأفضل؟ حتى وقت قريب، كانت AMD هي الرائدة في هذا القطاع، ولكن في العامين الماضيين بدأ الوضع يتغير ومن حيث الطاقة، أصبحت منتجات AMD و Intel من هذا القطاع متساوية تقريبًا. يحاول البلوز أن يكونوا موثوقين، ولكن في نفس الوقت تعاني نسبة السعر إلى الأداء قليلاً. يمكنك الحصول على معالج APU منتج من المعالجات "الحمراء" بسعر ليس مرتفعًا جدًا، لكن العديد من المستخدمين يعتبرون شرائح APU ذات الميزانية المحدودة من هذه الشركة المصنعة غير موثوقة.

المعالجات المتكاملة

إن شراء اللوحة الأم التي تحتوي بالفعل على معالج ونظام تبريد ملحوم بها يساعد المستهلك على التخلص من مشكلات التوافق المختلفة وتوفير الوقت، لأن كل ما تحتاجه مدمج بالفعل في اللوحة الأم. وعلاوة على ذلك، فإن مثل هذا الحل ليس في المتناول.

لكن لها عيوبها الكبيرة:

• لا توجد خيارات الترقية. سوف يصبح المعالج الملحوم في اللوحة الأم قديمًا عاجلاً أم آجلاً، ولكن لاستبداله سيتعين عليك تغيير اللوحة الأم بالكامل.
• إن قوة المعالج المدمج في اللوحة الأم تترك الكثير مما هو مرغوب فيه، لذلك لن تتمكن من لعب الألعاب الحديثة حتى في الحد الأدنى من الإعدادات. لكن هذا الحل لا يصدر أي ضوضاء تقريبًا ويشغل مساحة صغيرة جدًا في وحدة النظام.
• لا تحتوي هذه اللوحات الأم على فتحات كثيرة جدًا لذاكرة الوصول العشوائي (RAM) ومحركات الأقراص الثابتة (HDD)/SSD.
• في حالة حدوث أي ضرر بسيط، إما أن يتم إرسال الكمبيوتر للإصلاحات، أو (على الأرجح) يجب استبدال اللوحة الأم بالكامل.

العديد من المعالجات الشعبية

أفضل موظفي الميزانية:

معالجات متوسطة السعر:

أعلى المعالجات:

إذا كنت تقوم بتجميع جهاز كمبيوتر من الصفر، فمن الأفضل شراء المعالج في البداية، ثم المكونات المهمة الأخرى له - بطاقة الفيديو واللوحة الأم.