ربما، عند اختيار جهاز كمبيوتر ودراسة خصائصه، لاحظت أنه يتم تقديم عنصر مثل المعالج أهمية عظيمة. لماذا هو، وليس النموذج، وإمدادات الطاقة، أو؟ نعم، هذا أيضا مكونات مهمةالأنظمة ومنها الاختيار الصحيحيعتمد أيضًا كثيرًا، لكن خصائص وحدة المعالجة المركزية تؤثر بشكل مباشر وإلى حد كبير على سرعة وأداء جهاز الكمبيوتر. دعونا نلقي نظرة على معنى هذا الجهاز في الكمبيوتر.

لنبدأ بإزالة المعالج من وحدة النظام. ونتيجة لذلك، لن يعمل الكمبيوتر. الآن هل تفهم ما هو الدور الذي يلعبه؟ لكن دعونا ندرس المشكلة بمزيد من التفصيل ونكتشف ما هو معالج الكمبيوتر.

ما هو معالج الكمبيوتر

بيت القصيد هو أن وحدة المعالجة المركزية (اسمها الكامل) هي كما يقولون القلب الحقيقي وفي نفس الوقت دماغ الكمبيوتر. أثناء عملها، تعمل أيضًا جميع المكونات الأخرى لوحدة النظام والأجهزة الطرفية المتصلة بها. وهو مسؤول عن معالجة تدفقات البيانات المختلفة وينظم أيضًا تشغيل أجزاء من النظام.

أكثر التعريف الفنييمكن العثور عليها على ويكيبيديا:

وحدة المعالجة المركزية - الوحدة الإلكترونيةأو دارة متكاملة(المعالج الدقيق)، تنفيذ تعليمات الآلة (رمز البرنامج)، الجزء الرئيسي المعداتالكمبيوتر أو وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة.

في الحياة الواقعية، تبدو وحدة المعالجة المركزية وكأنها لوحة مربعة صغيرة بحجم علبة الثقاب، ويبلغ سمكها عدة ملليمترات، الجزء العلويوالتي، كقاعدة عامة، مغطاة بغطاء معدني (في إصدارات سطح المكتب)، وفي الأسفل هناك العديد من جهات الاتصال. في الواقع، لكي لا تتشدق، انظر إلى الصور التالية:

بدون أمر يصدر من المعالج، حتى مثل هذا عملية بسيطة، مثل إضافة رقمين، أو تسجيل ميجابايت واحد من المعلومات. كل هذا يتطلب الوصول الفوري إلى وحدة المعالجة المركزية. أما بالنسبة للمهام الأكثر تعقيدًا، مثل تشغيل لعبة أو معالجة الفيديو.

تجدر الإشارة إلى الكلمات المذكورة أعلاه أن المعالجات يمكنها أيضًا أداء وظائف بطاقة الفيديو. الحقيقة هي أنه يوجد في الرقائق الحديثة مكان لوحدة تحكم الفيديو التي تؤدي جميع الوظائف اللازمة لها وتستخدم ذاكرة الفيديو. لا أعتقد أن هذا مدمج النوى الرسوماتقادرة على التنافس مع بطاقات الفيديو من الطبقة المتوسطة على الأقل، وهذا المزيد من الخياراتللأجهزة المكتبية التي لا تحتاج إلى رسومات قوية، ولكن لا يزال بإمكانها التعامل مع شيء ضعيف. الميزة الرئيسية للرسومات المدمجة هي السعر - لا تحتاج إلى شراء بطاقة فيديو منفصلة، ​​وهذا يعد توفيرًا كبيرًا.

كيف يعمل المعالج

في الفقرة السابقة تم شرح ماهية المعالج وما هو المطلوب من أجله. حان الوقت للنظر في كيفية عمله.

يمكن تمثيل نشاط وحدة المعالجة المركزية بتسلسل الأحداث التالية:

• من ذاكرة الوصول العشوائي حيث تم تحميله برنامج محدد(دعنا نقول محرر النص)، تقوم وحدة التحكم بالمعالج باسترجاعها معلومات ضروريةبالإضافة إلى مجموعة من الأوامر التي يجب تنفيذها. يتم إرسال كل هذا إلى الذاكرة العازلة (ذاكرة التخزين المؤقت) وحدة المعالجة المركزية؛
• تنقسم المعلومات الخارجة من الذاكرة المؤقتة إلى نوعين: التعليمات والمعاني والتي يتم إرسالها إلى السجلات (وهي خلايا ذاكرة في المعالج). الأول يذهب إلى سجلات الأوامر، والثاني إلى سجلات البيانات؛
• يعالج المعلومات من السجلات وحدة المنطق الحسابية (جزء من وحدة المعالجة المركزية الذي يقوم بإجراء التحويلات الحسابية والمنطقية للبيانات الواردة)، والذي يقرأ المعلومات منها ثم ينفذها الأوامر الضروريةعلى الأرقام الناتجة.
• وتنقسم النتائج الناتجة إلى انتهى و غير مكتمل ، انتقل إلى السجلات، حيث يتم إرسال المجموعة الأولى إلى ذاكرة التخزين المؤقت لوحدة المعالجة المركزية؛
• لنبدأ هذه النقطة بحقيقة أن هناك مستويين رئيسيين لذاكرة التخزين المؤقت: العلوي و أدنى . يتم تخزين آخر الأوامر والبيانات المستلمة اللازمة لإجراء العمليات الحسابية في ذاكرة التخزين المؤقت. افضل مستوى، ويتم إرسال العناصر غير المستخدمة إلى ذاكرة التخزين المؤقت ذات المستوى الأدنى. هذه العملية مستمرة بالطريقة الآتية- تنتقل جميع المعلومات من مستوى ذاكرة التخزين المؤقت الثالث إلى المستوى الثاني، ثم تنتقل إلى المستوى الأول مع المعلومات غير الضرورية هذه اللحظةالبيانات وإرسالها إلى المستويات الدنياوالعكس هو الصحيح؛
• في نهاية الدورة الحسابية، سيتم كتابة النتيجة النهائية إلى ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) للنظام لتحرير مساحة ذاكرة التخزين المؤقت لوحدة المعالجة المركزية (CPU) للعمليات الجديدة. ولكن قد يحدث أن تكون الذاكرة المؤقتة ممتلئة، ثم تنتقل البيانات غير المستخدمة إلى ذاكرة الوصول العشوائي (RAM)، أو إلى مستوى ذاكرة التخزين المؤقت الأقل.

الخطوات خطوة بخطوة للإجراءات المذكورة أعلاه هي تدفق تشغيل المعالج والإجابة على السؤال - كيف يعمل المعالج.

أنواع المعالجات والشركات المصنعة الرئيسية لها

هناك أنواع عديدة من المعالجات، بدءًا من المعالجات الضعيفة أحادية النواة وحتى القوية متعددة النواة. من الألعاب والعمل إلى المتوسط ​​من جميع النواحي. ولكن هناك نوعان من المعسكرات الرئيسية لوحدة المعالجة المركزية - AMD و Intel الشهيرة. هاتان الشركتان تنتجان المعالجات الدقيقة الأكثر رواجًا وشعبية في السوق. الفرق الرئيسي بين منتجات AMD و Intel ليس في عدد النوى، ولكن في البنية - الهيكل الداخلي. يقدم كل من المنافسين هيكله الداخلي الخاص، ونوع المعالج الخاص به، والذي يختلف جذريًا عن منافسه.

منتجات كل جانب لها إيجابيات وسلبيات خاصة بها، لذلك أقترح عليك إلقاء نظرة فاحصة عليها بإيجاز.

إيجابيات معالجات إنتل:

• لديها استهلاك أقل للطاقة.
• يركز المطورون على Intel أكثر من تركيزهم على AMD؛
• أداء أفضل للألعاب؛
• يتم تنفيذ الاتصال بين معالجات Intel وذاكرة الوصول العشوائي (RAM) بشكل أفضل من اتصال AMD؛
• العمليات التي يتم إجراؤها في إطار برنامج واحد فقط (على سبيل المثال، فك الضغط) تسير بشكل أفضل، وتلعب AMD في هذا الصدد.

سلبيات معالجات إنتل:

• العيب الأكبر هو السعر. وحدة المعالجة المركزية من من هذه الشركة المصنعةفي كثير من الأحيان يكون ترتيبها أعلى من منافسها الرئيسي؛
• ينخفض ​​الأداء عند استخدام برنامجين أو أكثر من البرامج "الثقيلة"؛
• نوى الرسومات المدمجة أدنى من AMD؛

إيجابيات معالجات AMD:

• أكبر ميزة لدى Intel هي أكبر ناقص - السعر. يمكنك شراء معالج متوسط ​​جيد من AMD، والذي سيكون 4، وربما حتى 5 الألعاب الحديثة، في حين أنه سيكلف أقل بكثير من معالج ذي أداء مماثل من منافس؛
• نسبة كافية من الجودة والسعر؛
• يمد نوعية العملالأنظمة؛
• القدرة على رفع تردد التشغيل للمعالج، وبالتالي زيادة قوته بنسبة 10-20%؛
• تتفوق نوى الرسومات المدمجة على Intel.

سلبيات معالجات AMD:

• تتفاعل معالجات AMD بشكل أسوأ مع ذاكرة الوصول العشوائي؛
• استهلاك الطاقة أعلى من إنتل؛
• تعمل الذاكرة العازلة في المستويين الثاني والثالث بتردد أقل؛
• أداء الألعاب يتخلف عن المنافسين؛

ولكن على الرغم من المزايا والعيوب المذكورة أعلاه، إلا أن كل شركة من الشركات مستمرة في التطور، وتصبح معالجاتها أكثر قوة مع كل جيل، ويتم مراعاة أخطاء السطر السابق وتصحيحها.

الخصائص الرئيسية للمعالجات

لقد نظرنا إلى ماهية معالج الكمبيوتر وكيف يعمل. بعد أن أصبحت على دراية بالنوعين الرئيسيين، فقد حان الوقت للانتباه إلى خصائصهما.

لذلك، أولا، دعونا ندرجها: العلامة التجارية، السلسلة، الهندسة المعمارية، دعم مقبس معين، سرعة ساعة المعالج، ذاكرة التخزين المؤقت، عدد النوى، استهلاك الطاقة وتبديد الحرارة، الرسومات المتكاملة. الآن دعونا ننظر إليها مع التوضيحات:

• العلامة التجارية – من يصنع المعالج: AMD أو Intel. من خيار معينلا يعتمد ذلك على سعر الشراء والأداء فقط، كما يمكن للمرء أن يفترض من القسم السابق، ولكن أيضًا على اختيار مكونات الكمبيوتر الأخرى، وخاصة اللوحة الأم. منذ المعالجات من AMD وإنتل لديها تصميم مختلفوالهندسة المعمارية، ثم في المقبس (مقبس لتثبيت المعالج عليه اللوحة الأم) مصممة لنوع واحد من المعالجات، لن يكون من الممكن تثبيت معالج آخر؛
• السلسلة - يقوم كلا المنافسين بتقسيم منتجاتهما إلى العديد من الأنواع والأنواع الفرعية. (AMD - Ryzen، FX، Intel-i5، i7)؛
• بنية المعالج هي في الواقع الأعضاء الداخلية لوحدة المعالجة المركزية؛ كل نوع من المعالجات له بنية فردية. في المقابل، يمكن تقسيم نوع واحد إلى عدة أنواع فرعية؛
• دعم مقبس معين للغاية خاصية مهمةالمعالج، نظرًا لأن المقبس نفسه عبارة عن "مقبس" على اللوحة الأم لتوصيل المعالج، ويتطلب كل نوع من المعالجات موصلًا مناسبًا. في الواقع تم ذكر هذا أعلاه. إما أنك تحتاج إلى معرفة المقبس الموجود على اللوحة الأم بالضبط واختيار المعالج له، أو العكس (وهو الأصح)؛
• تعد سرعة الساعة أحد المؤشرات المهمة لأداء وحدة المعالجة المركزية. دعونا نجيب على السؤال ما هي سرعة ساعة المعالج. ستكون الإجابة بسيطة على هذا المصطلح الهائل - حجم العمليات المنجزة لكل وحدة زمنية، مقاسة بالميغاهيرتز (MHz)؛
• ذاكرة التخزين المؤقت هي الذاكرة المثبتة مباشرة في المعالج، وتسمى أيضًا الذاكرة العازلة، له مستويان - العلوي والسفلي. الأول يحصل معلومات نشطةوالثاني - غير مستخدم هذه اللحظة. وتنتقل عملية الحصول على المعلومات من المستوى الثالث إلى الثاني ومن ثم إلى الأول، معلومات غير ضروريةيشق طريق العودة؛
• عدد النوى - يمكن أن تحتوي وحدة المعالجة المركزية على واحد إلى عدة مراكز. اعتمادًا على الرقم، سيتم تسمية المعالج ثنائي النواة، رباعي النواة، وما إلى ذلك. وبناء على ذلك فإن القوة ستعتمد على عددهم؛
• استهلاك الطاقة وتبديد الحرارة. كل شيء بسيط هنا - كلما زاد "استهلاك" المعالج للطاقة، زادت الحرارة التي سيولدها؛ انتبه إلى هذه النقطة لتحديد مبرد التبريد ومصدر الطاقة المناسبين.
• رسومات متكاملة - ايه ام دي أولاظهرت مثل هذه التطورات في عام 2006، وظهرت شركة إنتل منذ عام 2010. وأظهر الأول نتائج أفضل من منافسيه. ولكن لا يزال، لم يتمكن أي منهم حتى الآن من الوصول إلى بطاقات الفيديو الرئيسية.

الاستنتاجات

كما تعلم بالفعل، يلعب المعالج المركزي للكمبيوتر دورًا حيويًا في النظام. في مقال اليوم، شرحنا ما هو معالج الكمبيوتر، وما هو تردد المعالج، وما هو وما هو مطلوب منه. ما مدى اختلاف بعض وحدات المعالجة المركزية عن غيرها، وما هي أنواع المعالجات الموجودة؟ تحدثنا عن إيجابيات وسلبيات منتجات حملتين متنافستين. ولكن ما هي الخصائص التي سيتم تثبيت المعالج فيها وحدة النظامالأمر متروك لك لتقرر.

يعد المعالج أحد أهم أجزاء الكمبيوتر، أي دماغه. يتحكم في جزء الحوسبة الخاص به وينفذ أكواد البرنامج. وإلا فإن المعالج يسمى المعالج الدقيق. وترجم من اللغة الإنجليزية اختصار CPU يعني وحدة المعالجة المركزية.

المعالج الأول هذا النوع تم اختراعهالخامس شركة انتل. تاريخ الميلاد: 15 نوفمبر 1971. كان أول معالج رباعي البت اسمه إنتل 4004. لقد كان مختلفًا تمامًا عن أحفاده المعاصرين في القوة والتصميم. ملك تردد الساعةلا يزيد عن 740 كيلو هرتز، وستة عشر مخرجًا بأربعة بتات ونفس عدد المدخلات. تم استخدامه بنشاط في إشارات المرور وأجهزة تحليل الدم ثم في مسبار Pioneer-10. بالطبع، كانت جميع وحدات المعالجة المركزية الأولى تحتوي على نواة ضعيفة جدًا لعمليات الحساب.

ما هو المعالج

يقوم المعالج أو وحدة المعالجة المركزية (كما تم كتابة الاختصار سابقًا) بمعالجة المعلومات الواردة من الأجهزة الأخرى. وهو يفعل ذلك في ذاكرته وفي ذاكرة الأجهزة الأخرى. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن للجهاز بشكل مستقل إدارة العملعناصر أخرى من اللوحة الأم، مدمجة ومنفصلة.

وحدة المعالجة المركزية ليست فقط على اللوحة الأم. بطاقات الفيديو لها خاصة بها الأجهزة الخاصةأو وحدة معالجة الرسومات ( وحدات معالجة الرسومات). وهم مسؤولون عن أداء الفيديووعرض الصورة. يمكننا أن نستنتج أنه عندما يكون العمل الحسابي الرياضي المعقد مطلوبا، حيث تكون إدارة الأوامر والتفاعل بينهما أجزاء إلكترونيةالأجهزة - تحتاج دائمًا إلى عقل يجمع كل شيء معًا ويضع قواعد لن تسمح للعملية بالتدفق بشكل فوضوي. هذا الدماغ هو وحدة المعالجة المركزية (CPU).

القوة تعتمدعلى سرعة مطابقة الأوامر ومعالجة البيانات التي تستثمرها الشركة المصنعة. تعتمد السرعة والعديد من المعلمات الأخرى على عدد الترانزستورات الموجودة في الجهاز وعدد النوى وسعتها. والقدرة على تنفيذ مجموعة محددة من التعليمات تسمى بنية وحدة المعالجة المركزية.

ما هي بنية المعالج

نعني بهندسة وحدة المعالجة المركزية توافق الجهازمع مجموعة معينة من الأوامر وطرق تنفيذها وهياكلها. من حيث الكمية والسرعة، تتميز RISC و CISC.

ريسكالمترجم يعني جهاز كمبيوتر مزود بمجموعة مخفضة من الأوامر. تتميز هذه البنية بزيادة الأداء بسبب التعليمات المبسطة. وبالتالي يزداد تردد الساعة ويزداد توزيعها بين الكتل.

لوحدة المعالجة المركزية مع بنية RISC تثبيت الطول المميزتعليمات الآلة (32 بت)، لا توجد عمليات قراءة وكتابة وتغيير. في المعالج الدقيق بهذه البنية، لا يمكن العثور على برامج ثابتة بداخله. يتم تنفيذ الأوامر كرمز الجهاز العادي.

سيسكالهندسة المعمارية هي مجموعة معقدة من الأوامر. يجب أن يقال أن جميع وحدات المعالجة المركزية الحالية مبنية على هذه البنية. وتعتمد العديد من المعالجات الحديثة على هذه البنية ولكن مع نواة RISC. ويتميز عن RISC بعدد غير ثابت من أطوال الأوامر، وجميع الإجراءات مشفرة في أمر واحد، وعدد صغير من السجلات.

أنواع وحدة المعالجة المركزية

وحدة المعالجة المركزية مقسمة إلى أنواعحسب الشركة المصنعة، حسب التثبيت، حسب عدد النوى والعديد من المعلمات الأخرى. كل هذا مشروط ومعقد للغاية. دعونا ننظر إلى أهمها.

وحدة المعالجة المركزية من قبل الشركة المصنعةمقسمة إلى إنتل، AMD، VIA. تنقسم وحدات المعالجة المركزية من Intel إلى خطوط i3 وi5 وi7. يحتوي كل سطر من نواتين، على سبيل المثال i3، إلى أربعة أو أكثر (i5، i7، i9). يحتوي كل سطر عدة أجيالوحدة المعالجة المركزية. يتم تعديل كل جيل عن طريق إضافة النوى، وزيادة السرعة العمل الحسابي. الخطوط القديمة من إنتل، مثل core 2 duo وغيرها، لم تنته بعد من الاستخدام.

تختلف وحدات المعالجة المركزية عن AMD في ما تنتجه هذه الشركة الأجهزة الهجينة. وتشمل أيضا شريحة الرسومات. لذلك في بعض الأحيان بطاقة فيديو منفصلةغير مطلوب. هذه هي القوى العاملة الفعالة. السلبية الوحيدة هي الصيام زيادة درجة الحرارة. فهي أكثر سخونة بكثير من معالجات إنتل.

وحدات المعالجة المركزية من شركة VIA التايوانية لا تحظى بشعبية كبيرة. لا يمكنهم التنافس مع شركات عملاقة مثل Intel أو AMD.

الأجهزة مقسومًا على عمق البت. سعة البت هي حجم معالجة البيانات لكل دورة ساعة تتبادلها وحدة المعالجة المركزية مع ذاكرة الوصول العشوائي. لا يوجد سوى اثنين منهم - 32 بت و 64 بت. على جهاز كمبيوتر مزود بوحدة معالجة مركزية 32 بت، يتم تثبيت Windows 32 بت فقط. الحد الأقصى لذاكرة الوصول العشوائي يصل إلى 4 جيجا بايت. 64 المعالج قليلاتم إصداره كتوسيع للأول. لذلك، يمكنك تثبيت أنظمة 32 و 64 بت عليه. الحد الأقصى لذاكرة الوصول العشوائي هو بالفعل 16 تيرابايت.

بواسطة عدد النوىتنقسم وحدة المعالجة المركزية إلى ثنائي النواة، رباعي النواة، ستة النواة، ثمانية النواة، إلخ. كلما زاد عدد النوى، زاد عدد الخيوط، مما يعني زيادة أداء الكمبيوتر.

عن طريق شراء المعالج مع بطاقة فيديو مدمجة، لن يحتاج المستخدم إلى إنفاق أموال إضافية على أموال منفصلة. المعالجات الحديثةمع بطاقة فيديو مدمجة، فإنها تسمح لك بالعمل مع العديد من البرامج المتساهلة ولعب الألعاب القديمة. بالنسبة للألعاب الأحدث أو البرامج الثقيلة مثل AutoCAD وPhotoshop، والتي تتضمن الحوسبة الرسومية بشكل كبير، بطاقة فيديو إضافيةستظل هناك حاجة.

من خلال الهندسة المعمارية، يمكن تقسيم المعالجات إلى RISC وCISC (التي تمت مناقشتها سابقًا)، بالإضافة إلى المخزن المؤقت والمعالج المسبق ومعالج الاستنساخ. المخزن المؤقت - يستخدم لمعالجة المعلومات المتوسطة، أي. يعمل كمنطقة عازلة بين المعالج المركزي والأجهزة. المعالج المسبق - أو برنامج ل المعالجة الأوليةأو جهاز يؤدي نفس وظائف المخزن المؤقت. النسخ هي نسخ من المعالجات من الشركات الشهيرة؛ فهي ليست دائمًا متطابقة تمامًا؛ غالبًا ما يقوم المصنعون بتحسينها وإضافة تقنياتهم الخاصة.

مما تتكون وكيف تعمل؟

سترى في الصورة أدناه الدائرة الداخليةالمعلمات التي تشكل المعالج. ظاهريا يظهر رقاقة السيليكونمع مليارات الترانزستورات التي من خلالها يتبادل الإشارات مع الأجهزة الأخرى.

الأجهزة الرئيسية لأي وحدة معالجة مركزية هي نواة أو عدة نوى، ومستويين أو ثلاثة مستويات من ذاكرة التخزين المؤقت، ووحدة تحكم ذاكرة الوصول العشوائي، ووحدة تحكم ناقل النظام.

يتضمن جوهر كتلة جلب التعليمات، توقع الفرع، كتل فك التشفير، أخذ عينات البيانات، تنفيذ التعليمات، كتلة التحكم، كتلة المقاطعة، السجلات وعداد البرنامج.

وأهمها كتلة المقاطعة. يسمح لك بإيقاف البرامج والرد على الأحداث في الوقت المناسب. أي أن هذه الكتلة مسؤولة عن تعدد المهام في المعالج.

ذاكرة التخزين المؤقت هي المسؤولة عن التخزين المؤقت للمعلوماتوالتي يصل إليها المستخدم في أغلب الأحيان. ونتيجة لذلك، تزداد سرعة تسليم البيانات إلى سجلات وحدة المعالجة المركزية.

وحدة تحكم ذاكرة الوصول العشوائي تقع في نورثبريدج. وهو مسؤول عن توصيل وحدة المعالجة المركزية بعقد ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) ووحدة التحكم في الرسومات.

وحدة تحكم ناقل النظام هي المسؤولة عن نقل الكود الثنائي.

نظرًا لأن المعالج يقوم بكل العمل تقريبًا ويتم تحميله بشكل كبير، فيجب أن يعمل نظام تبديد الحرارة وفقًا لذلك. يتم تحديد متطلبات تبديد الحرارة أو TDP لكل معالج. لا يظهرون القيم القصوى، ولكن الحد الأدنى في ظل ظروف التشغيل العادية. إذا كان جهاز الكمبيوتر الخاص بك يسخن بسبب تبريد ضعيف، ترتفع درجة الحرارة. عندما أثار إشارة ارتفاع درجة الحرارةيتم إيقاف تشغيل الكمبيوتر أو تخطي بعض الدورات. أي أنه يمكن أن يتجمد ويعمل ببطء.

الخصائص الرئيسية لوحدة المعالجة المركزية

إلى الرئيسي خصائص وحدة المعالجة المركزيةيتصل:

• عدد النوى. إنهم مسؤولون عن تشغيل البرامج في وقت واحد. ولكن هذا لا يعني أنه كلما زاد عدد النوى، كلما كان تشغيل البرنامج أسرع. إذا تم تحسين الأداة المساعدة لنواتين، فستعمل على اثنين من النوى وليس أكثر.
• تكراروحدة المعالجة المركزيةيتحكم في سرعة تبادل المعلومات بين المعالج وناقل النظام.
• العملية الفنية. يساوي حاليا 22 نانومتر. العملية الفنية هي حجم الترانزستورات. إنهم مسؤولون عن الإنتاجية. كيف مقاس اصغر، يمكن وضع المزيد منها على شريحة وحدة المعالجة المركزية.
• تردد الساعة. هذا هو عدد العمليات الحسابية لكل وحدة زمنية. الأكبر، كلما كان ذلك أفضل. لكن لا ينبغي لنا أن ننسى الخصائص الأخرى.
• قابس كهرباء جهاز الحوسبة. يجب أن يتطابق المقبس مع مقبس اللوحة الأم.

كل عام تصبح التكنولوجيا أفضل وأفضل. ولذلك، قد تتغير البيانات من سنة إلى أخرى.

2. أثناء تطورها، تتطور هياكل أشباه الموصلات باستمرار. ولذلك فإن مبادئ بناء المعالجات وعدد العناصر الداخلة في تركيبها وكيفية تنظيم تفاعلها تتغير باستمرار. وبالتالي، فإن وحدات المعالجة المركزية التي لها نفس المبادئ الهيكلية الأساسية تسمى عادةً معالجات لها نفس البنية. وتسمى هذه المبادئ نفسها بهندسة المعالج (أو الهندسة المعمارية الدقيقة).

على الرغم من ذلك، في نفس البنية، قد تختلف بعض المعالجات بشكل كبير عن بعضها البعض - في الترددات نظام الحافلاتوعملية التصنيع وهيكل وحجم الذاكرة الداخلية وما إلى ذلك.

3. لا ينبغي بأي حال من الأحوال الحكم على المعالج الدقيق إلا من خلال مؤشر مثل تردد إشارة الساعة، والذي يتم قياسه بالميجا أو الجيجاهيرتز. في بعض الأحيان قد تكون "النسبة المئوية" ذات سرعة الساعة المنخفضة أكثر إنتاجية. المؤشرات المهمة جدًا هي: عدد دورات الساعة المطلوبة لتنفيذ أمر ما، وعدد الأوامر التي يمكن تنفيذها في وقت واحد، وما إلى ذلك.

تقييم قدرات المعالج (الخصائص)

في الحياة اليومية، عند تقييم إمكانيات المعالج، تحتاج إلى الانتباه إلى المؤشرات التالية (كقاعدة عامة، يتم الإشارة إليها على عبوة الجهاز أو في قائمة الأسعار أو كتالوج المتجر):

• عدد النوى. تحتوي وحدات المعالجة المركزية متعددة النواة على 2، 4، وما إلى ذلك على شريحة واحدة (في حزمة واحدة). النوى الحوسبة. تعد زيادة عدد النوى من أكثر الأمور طرق فعالةزيادة كبيرة في قوة المعالج. ولكن من الضروري أن نأخذ في الاعتبار أن البرامج التي لا تدعم النوى المتعددة (كقاعدة عامة، هذه برامج قديمة) لن تعمل بشكل أسرع على المعالجات متعددة النواة، لأن لا يمكن استخدام أكثر من نواة واحدة؛
• حجم ذاكرة التخزين المؤقت. نقدا - سريع جدا الذاكرة الداخليةالمعالج الذي يستخدمه كنوع من المخزن المؤقت في حالة الحاجة للتعويض عن "الانقطاعات" أثناء العمل معه كبش. ومن المنطقي أنه كلما كانت ذاكرة التخزين المؤقت أكبر، كلما كان ذلك أفضل.
• عدد المواضيع - الإنتاجيةأنظمة. غالبًا لا يتطابق عدد الخيوط مع عدد النوى. على سبيل المثال، رباعية النواة إنتل كوريعمل i7 في 8 خيوط وهو أسرع في الأداء من العديد من المعالجات سداسية النواة؛
• تردد الساعة هو قيمة توضح عدد العمليات (الدورات) التي يمكن للمعالج تنفيذها لكل وحدة زمنية. فمن المنطقي أن من تردد أعلى، أولئك المزيد من العملياتيمكنه الأداء، أي. كلما اتضح أنه أكثر إنتاجية.
• سرعة الناقل الذي يتم من خلاله توصيل وحدة المعالجة المركزية بوحدة تحكم النظام الموجودة على اللوحة الأم.
• العملية الفنية - كلما كانت أدق، قل استهلاك المعالج للطاقة، وبالتالي قلّت حرارته.

سؤال مهم من المستخدمين، أؤجله إلى وقت لاحق، ما هو المعالج في الكمبيوتر؟ وحدة المعالجة المركزية (CPU) - الجزء الأكثر أهميةأجهزة أي جهاز كمبيوتر، مسؤولة عن أداء ما يلزم عمليات حسابية, المحددة بواسطة البرامج، تنسيق عمل الجميع دون استثناء.

وبطبيعة الحال، المعالج هو قلب كل جهاز كمبيوتر. المعالج هو الذي ينفذ التعليمات برمجة، يستخدم على كمبيوتر شخصييعالج مجموعة البيانات وينفذ عمليات حسابية معقدة. الخصائص الرئيسية للمعالج هي: الأداء وسرعة الساعة واستهلاك الطاقة والهندسة المعمارية وذاكرة التخزين المؤقت.

إذن، نحن نفهم ما هو المعالج، ولكن ما هي أنواعه وما هو المعالج الموجود في الكمبيوتر؟ دعونا نتحدث عن كل شيء بالترتيب. من المعروف أن المعالجات أحادية النواة ومتعددة النواة. المعالج متعدد النواة هو معالج مركزي يحتوي على نواتين (أو أكثر) للحوسبة تقع على شريحة معالج واحدة صغيرة أو في واحدة المبنى العام. يحتوي المعالج النموذجي على نواة واحدة فقط. أصبح عصر المعالجات أحادية النواة شيئًا من الماضي تدريجيًا. من حيث خصائصها، فهي بشكل عام أدنى من المعالجات متعددة النواة.

على سبيل المثال، غالبا ما يكون تردد الساعة لمعالج ثنائي النواة المتوسط ​​أقل بكثير من تردد معالج جيد أحادي النواة، ولكن بسبب تقسيم المهام إلى "كلا الرأسين"، يصبح الفرق في النتائج ضئيلا. ثنائي النواة المعالج الأساسييمكن لـ 2 Duo بتردد ساعة يبلغ 1.7 جيجا هرتز أن يتفوق بسهولة على معالج Celeron أحادي النواة بتردد ساعة يبلغ 2.8 جيجا هرتز، لأن الأداء لا يعتمد فقط على التردد، ولكن أيضًا على عدد النوى وذاكرة التخزين المؤقت وعوامل أخرى.

في الوقت الحالي، يهيمن اثنان على سوق الكمبيوتر العالمي أكبر مصنعمعالجات - شركة إنتل(حصتها اليوم حوالي 84٪) و شركة ايه ام دي(حوالي 10٪). إذا نظرت إلى تاريخ تطوير المعالجات المركزية، فيمكنك رؤية الكثير من الأشياء المثيرة للاهتمام. منذ ظهور الأول أجهزة الكمبيوتر المكتبيةكانت الطريقة الرئيسية لزيادة الإنتاجية هي الزيادة بشكل منهجي تردد الساعة.

وهذا أمر واضح ومنطقي للغاية. ومع ذلك، هناك حد لكل شيء ولا يمكن زيادة التردد إلى ما لا نهاية. ولسوء الحظ، مع زيادة التردد، يبدأ توليد الحرارة في الزيادة بشكل غير خطي، ليصل في النهاية إلى المستوى الحرج قيم عالية. حتى الآن، حتى استخدام العمليات التقنية الأكثر دقة في إنشاء الترانزستورات لم يساعد في حل هذه المشكلة.

هل هناك طريقة للخروج من هذا الوضع الصعب للغاية؟ وسرعان ما تم العثور على حل باستخدام عدة نوى في بلورة واحدة. تقرر استخدام خيار المعالج "2 في 1". تسبب ظهور أجهزة الكمبيوتر التي تحتوي على مثل هذه المعالجات في السوق خط كاملالنزاعات. هل تحتاج إلى معالجات متعددة النواة؟ كيف هي أفضل من المعالجات التقليدية أحادية النواة؟ ربما شركات التصنيع تريد فقط تحقيق ربح إضافي؟ الآن يمكننا الإجابة بثقة: هناك حاجة إلى معالجات متعددة النواة، فهي المستقبل. في العقود القادمة، من المستحيل تخيل التقدم في هذه الصناعة دون استخدام معالجات متعددة النواة.

المعالجات متعددة النواة، ما فائدةها؟ استخدام مثل هذه المعالجات يمكن مقارنته باستخدام العديد منها معالجات منفصلةلجهاز كمبيوتر واحد. توجد النوى على نفس الشريحة، وهي ليست مستقلة تمامًا (على سبيل المثال، تستخدم ذاكرة تخزين مؤقت مشتركة). عند استخدام البرامج الموجودة التي تم إنشاؤها في الأصل للعمل مع مركز واحد، يوفر هذا الخيار ميزة كبيرة. ستكون قادرًا على تشغيل مهمتين (أو أكثر) كثيفة الاستخدام للموارد في وقت واحد دون أدنى إزعاج. ومع ذلك، فإن تسريع عملية واحدة يعد مهمة مستحيلة تقريبًا لهذه الأنظمة. نتيجة لذلك، نحصل على نفس المعالج أحادي النواة تقريبا مع زائد صغير في شكل القدرة على تشغيل العديد من البرامج في وقت واحد.

كيف تكون؟ إن الطريق للخروج من هذا الموقف الصعب واضح تمامًا - فهو يتطلب تطوير جيل جديد من البرامج القادرة على استخدام عدة مراكز في وقت واحد. من الضروري موازنة العمليات بطريقة أو بأخرى. في الواقع، تبين أن هذا صعب للغاية. بالطبع، قد يكون من السهل جدًا موازاة بعض المهام. على سبيل المثال، من السهل نسبيًا موازاة ترميز الفيديو والصوت.

هنا، يعتمد الأمر على مجموعة من الخيوط من نفس النوع، وبالتالي فإن تنظيم تنفيذها المتزامن مهمة بسيطة إلى حد ما. إن مكاسب المعالجات متعددة النواة الحالية في حل مشكلات الترميز مقارنة بالمعالجات أحادية النواة "المماثلة" سوف تتناسب مع عدد هذه النوى: إذا كان هناك نواتان، فستكون أسرع مرتين، وأربعة مراكز - أربع مرات أسرع، و 6 مراكز - أسرع بست مرات. وللأسف الأغلبية الساحقة مهام مهمةالموازاة أكثر صعوبة بكثير. في معظم الحالات، مطلوب إعادة صياغة كبيرة كود البرنامج.

عدة مرات بالفعل من ممثلين أقوياء جدًا شركات الكمبيوتركانت هناك تصريحات مبهجة حول التطوير الناجح للمعالجات الأصلية متعددة النواة للجيل الجديد، والتي تكون قادرة على تقسيم خيط واحد بشكل مستقل إلى مجموعة من سلاسل الرسائل المستقلة، ولكن لسوء الحظ، لم يُظهر أي منها حتى الآن عينة عمل واحدة من هذا القبيل .

خطوات شركات الكمبيوتر نحو الاستخدام الشاملالمعالجات متعددة النواة واضحة جدًا ومباشرة. وتتمثل المهمة الرئيسية لهذه الشركات في تحسين المعالجات، وإنشاء معالجات جديدة واعدة متعددة النواة، والحفاظ على سياسة تسعير مدروسة تهدف إلى خفض الأسعار (أو تقييد نموها). اليوم، في الجزء الأوسط من عمالقة الكمبيوتر الرائدين في العالم (AMD و Intel)، يمكنك رؤية مجموعة واسعة جدًا من المعالجات ثنائية النواة ورباعية النواة.

إذا رغبت في ذلك، يمكنك العثور على خيارات أكثر تعقيدا. والخبر السار هو أن مطوري البرامج الحديثة أنفسهم بدأوا في اتخاذ خطوة مهمة نحو الوصول إلى المستخدم. كثير أحدث الألعابلقد اكتسبت بالفعل دعمًا لنواتين. أقوى منهم له أهمية حيوية عمليا معالج ثنائي النواةلضمان والحفاظ على الأداء الأمثل.

من خلال إلقاء نظرة على رفوف أفضل متاجر الكمبيوتر وتحليل الوضع مع التشكيلة، يمكننا أن نقول ذلك الصورة الكبيرةليس سيئا على الإطلاق. تمكنت الشركات المصنعة للمعالجات متعددة النواة من تحقيق مستوى عالٍ جدًا من إنتاج البلورات المناسبة. سياسة الأسعارإنهم يجرون أمرًا معقولًا جدًا. بناءً على الأسعار الحالية، يمكن ملاحظة أن مضاعفة عدد نوى المعالج، على سبيل المثال، لا يؤدي عادةً إلى زيادة مضاعفة في سعر هذا المعالج بالنسبة للمشتري. وهذا أمر معقول جداً ومنطقي تماماً. بالإضافة إلى ذلك، من الواضح تماما للكثيرين أنه مع زيادة في عدد النوى المعالج المركزيفمضاعفة الإنتاجية في المتوسط ​​لا تزيد بنفس المقدار.

ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أنه على الرغم من كل المسار الشائك لإنشاء معالجات متعددة النواة أكثر تقدما، فإنه ببساطة لا يوجد بديل لها في المستقبل المنظور القريب. يمكن للمستهلكين العاديين الذين يرغبون في مواكبة العصر فقط تحديث أجهزة الكمبيوتر الخاصة بهم في الوقت المناسب، وذلك باستخدام معالجات جديدة مع عدد متزايد من النوى المدمجة، والإخراج بهذه الطريقة الأداء العامللمزيد من مستوى عال. متنوع معالجات أحادية النواةلا تزال تستخدم بنجاح في الهواتف المحمولة، نتبووكس وغيرها من المعدات.

إذا كنت لا تعرف مكانه، فاقرأ المقال: "". اكتب في التعليقات ما هو المعالج الذي لديك؟

المحاضرة 6. اتجاهات تطوير المعالجات.منيازسمهآر إنسإلخيانهاية الخبرESSياررملنياالخامسستهXنoloزوومتعددة النواةرعملدأنس

وحدة المعالجة المركزية

وحدة المعالجة المركزية في الحالة العامةيتضمن:

وحدة حسابية منطقية

حافلات البيانات وحافلات العناوين؛

السجلات.

عدادات البرنامج

ذاكرة التخزين المؤقت - ذاكرة صغيرة سريعة جدًا (من 8 إلى 512 كيلو بايت)؛

المعالج الرياضي الفاصلة العائمة.

يتم تنفيذ المعالجات الحديثة في النموذج المعالجات الدقيقة . جسديا، المعالج الدقيق هو دارة متكاملة- رقاقة رقيقة مستطيلة الشكل من السيليكون البلوري تبلغ مساحتها بضعة مليمترات مربعة فقط، توضع عليها دوائر تنفذ جميع وظائف المعالج. عادةً ما يتم وضع البلورة البلورية في علبة مسطحة من البلاستيك أو السيراميك ويتم توصيلها بأسلاك ذهبية إلى دبابيس معدنية بحيث يمكن توصيلها باللوحة الأم للكمبيوتر.

1. تحسين أداء المعالج

لفترة طويلة، تم تحديد التقدم في مجال المعالجات الدقيقة فعليًا بقيمة تردد الساعة. في عام 2001 في خطط الشركاتأشار مصنعو المعالجات الدقيقة إلى أنه بحلول نهاية العقد سيتم التغلب على حاجز 10 جيجا هرتز. للأسف، تبين أن هذه الخطط كانت خاطئة. تبين أن الشخص الذي اعتمد على معماريات متعددة النواة كان على حق.

تم إصدار أول معالج ثنائي النواة في عائلة Power بواسطة شركة IBM. اليوم، يتم تقديم المعالجات متعددة النواة من قبل شركة Sun Microsystems (UltraSPARC T1 ذات ثمانية النواة)، بالإضافة إلى Intel وAMD.

ينص قانون مور على أن عدد الترانزستورات الموضوعة على شريحة أشباه الموصلات يتضاعف كل عامين، مما يؤدي، من ناحية، إلى زيادة الإنتاجية، ومن ناحية أخرى، إلى انخفاض تكلفة إنتاج الرقائق. على الرغم من أهمية وفعالية هذا القانون، لسنوات عديدة، تقييم آفاق مزيد من التطوير، من وقت لآخر توقعوا الفشل الحتمي.

كعقبات على طول الطريق مزيد من التطويروتشمل العوامل المذكورة القيود الناجمة عن الحجم المادي، والارتفاع الكبير في استهلاك الطاقة، وتكاليف الإنتاج الباهظة.

لسنوات عديدة، كانت الطريقة الوحيدة لتحسين أداء المعالج هي زيادة سرعة الساعة. على مر السنين، ترسخ الرأي القائل بأن سرعة ساعة المعالج هي المؤشر الرئيسي لأدائه. إن زيادة ترددات الساعة في المرحلة الحالية ليست مهمة سهلة. تم وضع حد لسباق سرعات ساعة المعالجات الدقيقة بسبب مشكلة تيارات التسرب التي لم يتم حلها والزيادة غير المقبولة في تبديد الحرارة للدوائر الدقيقة.

أداء المعالج (الأداء) هو نسبة العدد الإجمالي لتعليمات كود البرنامج المنفذة إلى وقت تنفيذها أو عدد التعليمات المنفذة في الثانية (معدل التعليمات):

لأوليالشطرنجتفيونانوثانيةترفيلتشيال =إلخ يا و صوت د و ت ه ل ن يا مع ت ب

الخامسرهم انا فيهسصolnهلاأنا

وبما أن السمة الرئيسية للمعالج أصبحت تردد الساعة، فسوف نقوم بإدخال التردد في صيغة أداء المعالج. المضاعف والمقام لعدد المعاملات التي تم تنفيذ التعليمات عليها:

إلخياوصوتدوتهلنيامعتب= ل أولي الشطرنج ت في و ن مع ت ر في كيلوطن و ذ ل أولي ح ه مع ت في ت أ ل ت فوق

لأوليالشطرنجتفيتألتيافي فيرهلي فيسصolnهلاأنا

الجزء الأول من المنتج الناتج هو عدد التعليمات التي يتم تنفيذها لكل دورة على مدار الساعة (Instruction Per Clock، IPC)، والجزء الثاني من المنتج هو عدد دورات المعالج لكل وحدة زمنية (تردد ساعة المعالج، F أو Frequency). وبالتالي، فإن أداء المعالج لا يعتمد فقط على تردد الساعة، ولكن أيضًا على عدد التعليمات التي يتم تنفيذها في كل ساعة (IPC):

إلخياوحفيدوتهلنيامعتب = (أناصج)(F)

تحدد الصيغة الناتجة اثنان صأالزنكسصيادXقصيدة لفيالخامسهلوماذالايوصريال عمانيمنفيدوتهلبنيامعأنتصريانهاية الخبرESSمرجع سابقأ. صهيتخلص منسذ - فيالخامسهلوماذالاه تألcom.tovoy ساعةثُم أنت صريال عمانينهاية الخبرESSمرجع سابقأ, والثانية – فيالخامسهلوماذالاه لرأوالشطرنجتوا فيمعترفيkciذ صروغرأمنرائعلالتطوير التنظيميأ، الخامسسصرأنأنايأكلس حأ التطوير التنظيميون رألت صريال عمانينهاية الخبرESSمرجع سابقأ.

لا يمكن أن تكون الزيادة في تردد الساعة لا نهائية ويتم تحديدها من خلال تكنولوجيا تصنيع المعالج. في الوقت نفسه، لا تتناسب الزيادة في الإنتاجية بشكل مباشر مع الزيادة في تردد الساعة، أي أن هناك ميل إلى التشبع، عندما تصبح الزيادة الإضافية في تردد الساعة غير مربحة.

يعتمد عدد التعليمات التي يتم تنفيذها خلال دورة ساعة واحدة على البنية الدقيقة للمعالج: على عدد وحدات التنفيذ، وعلى طول خط الأنابيب وكفاءة تعبئته، وعلى وحدة الجلب المسبق، وعلى تحسين كود البرنامج لـ نظرا للبنية الدقيقة للمعالج.

لذلك، فإن مقارنة أداء المعالجات بناءً على تردد الساعة الخاص بها لا يمكن تحقيقه إلا ضمن نفس البنية (بنفس قيمة عدد العمليات المنجزة في الثانية - معالجات IPC).

إن مقارنة أداء المعالجات ذات البنى المختلفة بناءً على سرعة الساعة أمر غير عادل. على سبيل المثال، بناءً على سرعة الساعة، من غير الصحيح مقارنة أداء المعالجات ذات أحجام مختلفة لذاكرة التخزين المؤقت L2، أو أداء المعالجات التي تدعم تقنيات Hyper-Thread Din g ولا تدعمها.

نظرًا للتخفيض المحدد في تكلفة الترانزستورات، أصبح من الممكن التعويض عن عيوب بنية المعالج بكميتها، والتي أصبحت في النهاية سببًا للحفاظ على مخطط تنظيم أنظمة الكمبيوتر المقترح في الأربعينيات البعيدة، والذي تم تسميته بعد جون فون نيومان. من الصعب أن نتخيل أي مجال تكنولوجي حديث آخر، مع إعلان مشاركته في التقدم التقني، سيكون محافظًا جدًا في جوهره. لقد كتب الكثير عن أوجه القصور المتأصلة في دائرة فون نيومان، ولكن بغض النظر عما يقولونه حول هذا الموضوع الآن، قبل عشر سنوات، لم يكن من الممكن مواجهة أي حجج للاقتناع بأن صناعة المعالجات قد اختارت الحل الوحيد الطريق الصحيح، على أساس النمو الكمي. يكفي أن نتذكر بأي فخر تم نطق الأرقام الجديدة؛ كان يعتقد أنه إذا لم يكن مليون ترانزستورات كافية، فسوف نصنع مليار - "لا توجد مشكلة"، والشيء الرئيسي هو تقليل حجم البلورات والوصلات البينية وزيادة تردد الساعة. ولكن عليك أن تدفع ثمن كل شيء. يستهلك كل ترانزستور الطاقة، ونتيجة لذلك، وفقًا لـ IDC، تبلغ تكلفة الكهرباء اللازمة لتشغيل مراكز البيانات اليوم أكثر من 80٪ من تكلفة شراء معدات الكمبيوتر، وفي غضون عامين ستكون هذه الأرقام متساوية.

إن الابتعاد عن التنفيذ المتسلسل للأوامر واستخدام عدة وحدات تنفيذ في معالج واحد يجعل من الممكن معالجة العديد من التعليمات الدقيقة للمعالج في وقت واحد، أي التنظيم صأرأليلمنمنأفيبالضبط نفس الشيءفيمعترفيkciذ(التعليماتالمستوىالتوازي - أنالص)، مما يؤدي بالطبع إلى زيادة الإنتاجية الإجمالية.

تم تنفيذ أسلوب آخر لحل هذه المشكلة في بنية VLIW/EPIC الخاصة بـ IA-64 (تعليمات طويلة جدًا)، حيث تم نقل بعض المشكلات من الأجهزة إلى المترجم. ومع ذلك، يدرك المطورون أن الهندسة المعمارية أكثر أهمية لتحقيق الأداء العالي.

مع وجود عدد كبير من الكتل الوظيفية للدائرة الدقيقة وحجمها الكبير، تنشأ مشكلة تتعلق بسرعة انتشار الإشارة - في دورة ساعة واحدة، لا يتوفر للإشارات الوقت للوصول إلى الكتل الضرورية. كحل ممكن، ما يسمى " للأمعتهرس",أينفيمعتروذمعتواساعةتوحنيادفيبلويتخلص منألومعب, نياحأثم فينفيثلاثةللتيار مترددتهخندق صأسستويالاانا كنتمهلاثه. يمكننا القول أن فكرة بناء معالجات دقيقة متعددة النواة هي تطوير لفكرة العناقيد، لكن في هذه الحالة دفيبلورفيهتمعأنانهاية الخبرهلإرأوم صريال عمانينهاية الخبرESSمرجع سابقنأوه جوهر.

يمكن اعتبار التكنولوجيا سلفًا آخر للنهج متعدد النواة أناntel- حذصهصتحصهأدينز، حيث يوجد أيضًا صغير دفيبلويتخلص منأنوه أصأرأتفيراي وومعصرأبحفوقألاه دالخامسفيXصاوتولفوقفيمعترفيتشارك, ومعصرأبحفيyushchو× المجموعهه الأساسية.

يحتوي المعالج متعدد النواة على اثنين أو أكثر من "مراكز التنفيذ". جوهرصريال عمانينهاية الخبرESSأورا مرائعنيا نأحالخامسأر هذ معومعتهمفي ومعصرألاتهلن.نسX فيمعتروذمعتلفزيون (نأالبورون أرووزير الخارجيةهتإريا- سجلوالشطرنجكيX فيمعتروذمعتلفزيون) , صرهدنأالزنكآههنسX دلا وصول.أبوتكو دأنسX. يعتبر نظام التشغيل كل من مراكز التنفيذ بمثابة معالج منفصل يحتوي على جميع موارد الحوسبة اللازمة. ولذلك، فإن بنية المعالج متعدد النواة، بدعم من البرامج المناسبة، تسمح بالتنفيذ المتوازي الكامل لسلاسل برامج متعددة.

بحلول عام 2006، كان جميع مطوري المعالجات الدقيقة الرائدين قد أنشأوا معالجات ثنائية النواة. أول من ظهر كان معالجات RISC ثنائية النواة من شركة Sun Microsystems (UltraSPARCIV)، وIBM (Power4، Power5) وHP (PA-8800 وPA-8900).

أعلنت AMD وIntel عن إطلاق معالجات ثنائية النواة ببنية x86 في وقت واحد تقريبًا.

لقد وصلت بنية المعالج إلى درجة عالية من التعقيد، لذا أصبح الانتقال إلى المعالجات متعددة النواة هو الاتجاه الرئيسي لزيادة أداء أنظمة الحوسبة.

ترقيات دائرة فون نيومان

في الواقع، إن معمارية كمبيوتر فون نيومان ليست الوحيدة الممكنة، أي الفضاء الحلول المقبولةأوسع بكثير. لذلك، بناءً على طرق تنظيم تسلسل تنفيذ الأوامر وتبادل البيانات بين المعالج والذاكرة، يمكن تقسيم جميع أجهزة الكمبيوتر إلى أربع فئات:

SISD (بيانات فردية للتعليمات الفردية)- "دفق أوامر واحد، دفق بيانات واحد"؛

SIMD (بيانات متعددة للتعليمات الفردية)- "دفق أوامر واحد، العديد من تدفقات البيانات"؛

MISD (بيانات فردية متعددة التعليمات)- "العديد من تدفقات الأوامر، وتدفق بيانات واحد"؛

MIMD (تعليمات متعددة بيانات متعددة)- "العديد من تدفقات الأوامر، والعديد من تدفقات البيانات"؛

تفترض فئة SISD أنه يمكن تنفيذ تعليمات واحدة في كل مرة، ويمكن أن تعمل فقط على أجزاء البيانات التي توجد عناوينها مباشرة في معاملات هذه التعليمات. في المقابل، تشتمل فئة MIMD على أجهزة يمكنها تنفيذ العديد من الأوامر في وقت واحد باستخدام العديد من أجزاء البيانات. يُعرف هذا التصنيف باسم تصنيف فلين، الذي سمي على اسم مؤيده مايكل فلين، وهو مهندس وعالم متميز يعمل الآن أستاذًا في جامعة ستانفورد. ويترتب على ذلك أن آلة فون نيومان هي حالة خاصة تندرج ضمن فئة SISD. تم تصميم معظم أجهزة الكمبيوتر الحديثة وفقًا لهذا المخطط تمامًا؛ وفي الوقت نفسه، تم تصميم جميع أجهزة الكمبيوتر العملاقة من العشرة الأوائل TOP500 وفقًا لمخطط MIMD.

سيكون من غير الصحيح تفسير النمو في أداء المعالج فقط من خلال زيادة المؤشرات الكمية؛ فمن الطبيعي أن يتم اقتراح العديد من الترقيات الجادة على مدار العقود، وهي انحرافات عن مخطط فون نيومان، ولكنها محدودة الحجم.

تاريخيًا، كان الأول هو اختراع معالجات قادرة على أداء العمليات ليس على محتويات سجل واحد أو عدة سجلات، ولكن على أجزاء أكبر من البيانات؛ وفقًا لتصنيف فلين، فإنهم يقعون ضمن فئة SIMD. يرتبط مظهرهم بمشروع سليمان (1962، شركة وستنجهاوس).

وفي وقت لاحق، تم تطبيق مبدأ مماثل للعمل مع البيانات في الآلة الأكثر إنتاجية في عصرها، ILLIAC IV (1972). إذا كان المعالج، باستخدام تعليمات واحدة، يمكنه إجراء عمليات على المتجهات، فسيتم استدعاؤه معالج ناقلات(معالج ناقل)، وإذا كان أكثر من المصفوفات، ثم معالج المصفوفة(معالج المصفوفة). استخدم سيمور كراي لاحقًا مبادئ المتجهات لتطوير حواسيبه العملاقة، بدءًا من Cray-1. اليوم، تُستخدم دوائر SIMD على نطاق واسع في المعالجات المتخصصة المصممة لوحدات تحكم الألعاب.

بعد إدخال فئة جديدة من المعالجات المتجهة، اضطرت المعالجات التقليدية إلى أن تسمى "العددية" من أجل التمييز؛ ولهذا السبب ظهرت الحلول ذات الاسم الغريب في الخطوة التالية " المعالجات الفائقة"فكرة السلمية الفائقة هي أن المعالج ينظر إلى التعليمات التي تقترب من التنفيذ ويختار منها تلك التسلسلات التي يمكن تنفيذها بالتوازي." مثل هذه المعالجات قادرة على تنفيذ عدة تعليمات في دورة ساعة واحدة، وقد أصبح هذا النوع من التوازي يسمى التوازي على مستوى التعليمات(التوازي على مستوى التعليمات، ILP). من الواضح، عند تردد معين، سيكون المعالج السلمي الفائق أكثر إنتاجية من المعالج العددي، لأنه قادر على تجميع عدة تعليمات وتنفيذها في وقت واحد، وتوزيعها عبر وحداته الوظيفية. كان مؤسس فكرة حزب العمل المستقل هو نفسه كراي؛ قام بتطبيقه في عام 1965 في كمبيوتر CDC 6600، ثم تم إعادة إنتاج ILP في معالجات Intel i960 (1988) وAMD 29050 (1990)؛ وكان النهج السلمي الفائق مناسبًا بشكل خاص لمعالجات RISC مع مجموعة التعليمات المبسطة الخاصة بها؛ لاحقًا، بدءًا من Pentium II، تم تقديم ILP والمعالجات ذات بنية CISC.

في نفس الوقت تقريبًا، ظهر لأول مرة على الحواسيب الكبيرة ثم على الحواسيب الصغيرة لاحقًا الذاكرة المؤقتة; لاحقًا، تم تطوير فكرة التخزين المؤقت في حلول متعددة المستويات، والتي افترضت وجود ذاكرات تخزين مؤقت من المستوى الأول والثاني، ومن ثم المستوى الثالث.

اختراع مهم آخر أدى إلى تسريع تشغيل المعالجات تنفيذ غير عادي(التنفيذ خارج الترتيب، OoO)، وهو تنفيذ محدود لفكرة المعالجة تدفق البيانات(حساب تدفق البيانات). على الرغم من أن المحاولات الأولى في هذا الاتجاه تمت أثناء تصميم أجهزة كمبيوتر CDC، إلا أن التطبيقات الأولى كانت في الواقع في IBM 360، ثم في معالجات Power1. واحدة من أهم مزايا التنفيذ الاستثنائي هو ذلك هذه التكنولوجيايسمح لك بمطابقة سرعات المعالج الأعلى مع الذاكرة الأبطأ، وإزالة بعض الحمل من ذاكرة التخزين المؤقت.

من المعالم البارزة في سلسلة التحسينات في هندسة فون نيومان موازاة الخيط(توازي مستوى الخيط، TLP). هذه التقنية موجودة في عدة إصدارات؛ فيما بينها - تعدد الخيوط في وقت واحد(تعدد مؤشرات الترابط المتزامنة، SMT) و تعدد الخيوط على الرقاقة(تعدد مؤشرات الترابط على مستوى الشريحة، CMT). يختلف النهجان بشكل أساسي في فكرة ماهية "الخيط"، بمعنى آخر، في مستوى تفصيل الخيوط.

ترتيبًا زمنيًا، كان المعالج الأول الذي يدعم تعدد العمليات هو معالج دي سي Alpha EV4 21064. كان المصير الدراماتيكي لعائلة المعالجات هذه ولا يزال موضع نقاش جدي، وعلى الرغم من توقف إصدار EV7 عن الإنتاج، وبقاء EV8 وEV9 على الورق، إلا أن هناك سببًا للاعتقاد بأنه قد يتم إحياء نواة EV7 في أحد المعالجات متعددة النواة القادمة. الممثل النموذجي لمعسكر SMT هو Pentium 4 به تقنية اتش تي تي(فرط خيوط التكنولوجيا). يدعم المعالج تقسيم التعليمات التي تم اختيارها من مهمة واحدة إلى قسمين في وضع SMT، مما يوفر زيادة إجمالية في الأداء تبلغ حوالي 30%. في معالج UltraSPARC T1، المعروف سابقًا باسم Niagara، يتم إنشاء سلاسل العمليات من مهام مختلفة؛ لا يوجد تزامن في هذه الحالة؛ كل مؤشر ترابط يمثل نواة المعالج الظاهري.

لذلك، يبدو أن كل شيء رائع، ولكن نتيجة تعقيد المنطق هو تفاوت ملحوظ في تكاليف المكونات الإنتاجية والمساعدة للمعالجات - الوحدة الحسابية المنطقية نفسها تحتل أقل من 20٪ من مساحة الشريحة.