وحدة المعالجة المركزية (Central Processing Unit (CPU أو ما تُسمى بالمعالج processor هي أحد مكونات الحاسوب التي تقوم بمعالجة البيانات التي تتضمنها البرمجيات، وهي بمثابة العقل للحاسوب. وتختلف قُدرات المعالجات المختلفة بسرعتها في القيام بالعمليات الحسابية. إن الميجاهيرتز الواحد يساوي مليون دورة في الثانية الواحدة ومعالج 500 ميجاهيرتز يؤدي 500 مليون دورة في الثانية [1].
الفرق بين معالج ومعالج آخر
- المعالج السريع يقوم بنفس العمل ولكن أسرع من المعالج البطيء، كما أن المعالج لا يُحدد أداء حاسوبك بمفرده ولكنه يحدد أقصى أداء يمكن أن يصل إليه حاسوبك، وعلى المكونات الأخرى في الحاسب أن تكون سريعة أيضًا لكي يكون الحاسوب بكامله سريع [2].
- الاعتمادية: إن المعالج المنخفض الجودة قد يجعل حاسوبك غير مستقر [3].
- المعالج السريع قد يشغل برنامج معين، بينما المعالج الأبطأ لا يتمكن من تشغيله.
- بعض المعالجات تستهلك الكثير من الطاقة مما يزيد من مشاكل الحرارة، ويؤثر بالتالي على الأداء والاستقرار [4].
- اختيار اللوحة الأم: حيث أن اللوحة الأم التي تختارها لابد أن تدعم المعالج الذي تود تركيبه [2] [5].
تكوين وطريقة عمل المعالج
المعالج هو عبارة عن شريحة الكترونية تتكون من العديد من الدوائر الرقمية التي تعمل بالنظام العددي الثنائي (صفر و واحد 1/0). هنا نجد أن المعالج يتكون داخليًا من ثلاثة عناصر أساسية [6]:
وحدة التنفيذ (Execution Unit)
هي الوحدة المسؤولة عن استخراج الوظائف المطلوبة من الأوامر، ونقل البيانات من وإلى وحدة المنطق الحسابي وذاكرة التخزين [6].
وحدة المنطق الحسابي (Arithmetic Logic Unit – ALU)
هي التي تعمل على تنفيذ العمليات الحسابية والمنطقية للمعاملات حسب المطلوب من المعلومات المستخرجة من وحدة التنفيذ، وكما فى الشكل التالي فإن a و b هما المعاملان، Result هو الناتج، وALU operation هي المدخلات من وحدة التنفيذ execution unit لتحديد نوع العملية الحسابية المراد تنفيذها [7].
شكل 1 – رمز وحدة المنطق الحسابي [7]
تحتوي المعالجات الحديثة الآن على وحدة إضافية داخل وحدة الـ ALU وهي وحدة الفاصلة العائمة (Floating Point Unit (FPU لتنفيذ العمليات الرياضية على أعداد الفاصلة العائمة مثل الجمع والطرح والضرب والقسمة والجذر التربيعي [8]. وتلعب هذه الوحدة دورًا رئيسيًا في سرعة تشغيل البرامج التي تعتمد بشكل كبير على الأعداد العشرية، وهي في الغالب الألعاب ثلاثية الأبعاد وبرامج الرسم الهندسي مثل الأوتوكاد والأرشكاد [9].
ذاكرة التخزين المؤقت الأولية (L1 Cache أو Primary Cache)
إدراجها في وحدة المعالجة المركزية يوفر الوقت مقارنة مع الحاجة إلى الحصول على البيانات من ذاكرة الوصول الرئيسية [2].
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.
ملاحظة
إن وضع الذاكرة المخبئية داخل المعالج يزيد من سرعة الوصول إلي البيانات و التعامل معها مما يزيد من كفاءة المعالج، كما أن ذلك يتيح إمكانية تركيب أكثر من معالج على نفس اللوحة الأم حيث يصبح كل معالج له الذاكرة المخبئية الخاصة به، فلا تتزاحم المعالجات على ذاكرة عشوائية RAM واحدة وتبطئ من أداء الجهاز ككل [11].
إعداد :Nora Elshwemy
مراجعة: كريم محمد
تدقيق: Wael Yassir
المصادر:
[1] .White, R. (1993). How computers work
[2] .Thompson, R. B., & Thompson, B. F. (2003). PC hardware in a nutshell. OReilly
[5] Intel® Desktop Compatibility Tool. Retrieved from http://processormatch.intel.com
[6] .Goel, A. (2010). Computer Fundamentals. Pearson Education India
[7] Patterson, D. A., & Hennessy, J. L. (2014). Computer organization and design the hardware/software interface (4th ed.). Morgan Kaufman.
[8] .Intel. (2011). Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual
[9] .Intel. Intel and the Floating-Point Standard Case Study
[10] .Afriyie, B. S. (2006). Introduction to computer fundamentals. Victoria, B.C.: Trafford
[11] .Intel. (1990). I486 Microprocessor Hardware Reference Manual
#الباحثون _المصريون
