ما هي وحدة المعالجة المركزية (المعالج) CPU؟ وما هو عملها؟
سبب كونها الجزء الأكثر أهمية في جهاز الكمبيوتر
إذا كان عليك اختيار جزء واحد فقط، فإن وحدة المعالجة المركزية (CPU) أو ما يسمى اختصاراً المعالج هو أهم جزء في جهاز الكمبيوتر!
إنه المحور الأساسي (أو الدماغ)، حيث يعالج الإرشادات والتعليمات التي تأتي من البرامج أو نظام التشغيل أو المكونات الأخرى في جهاز الكمبيوتر.
1 و 0:
بفضل وحدات المعالجة المركزية الأكثر قوة، انتقلنا من مجرد القدرة على عرض صورة على شاشة الكمبيوتر، إلى نتفليكس Netflix ودردشة الفيديو والبث وألعاب الفيديو التي تزداد واقعية.
تعد وحدة المعالجة المركزية إحدى عجائب الهندسة، ولكنها في جوهرها لا تزال تعتمد على المفهوم الأساسي لتفسير الإشارات الثنائية (1 و 0).
يتمثل الاختلاف الآن في أنه بدلاً من قراءة تعليمات المعالجة، تستخدم وحدات المعالجة المركزية الحديثة ترانزستورات صغيرة لإنشاء مقاطع فيديو تيك توك TikTok أو ملء الأرقام في جدول بيانات.
أساسيات وحدة المعالجة المركزية:
تصنيع وحدة المعالجة المركزية معقد للغاية. النقطة المهمة هي أن كل وحدة معالجة CPU تحتوي على سيليكون (إما قطعة واحدة أو عدة قطع) تحتوي على مليارات الترانزستورات المجهرية.
وكما أشرنا سابقاً، تستخدم هذه الترانزستورات سلسلة من الإشارات الكهربائية (تشغيل On و إيقاف التشغيل Off) لتمثيل الشيفرة الثنائية للآلة المكونة من 1 و 0.
ونظراً لوجود عدد كبير من هذه الترانزستورات، يمكن لوحدات المعالجة المركزية القيام بمهام معقدة بشكل متزايد وبسرعات أكبر من ذي قبل.
لا يعني عدد الترانزستور بالضرورة أن وحدة المعالجة المركزية ستكون أسرع. ومع ذلك، لا يزال هذا سبباً أساسياً لامتلاك الهاتف الذي تحمله في جيبك لقدرات حوسبة أكبر بكثير مما كان عليه الكوكب بأكمله عندما ذهبنا إلى القمر لأول مرة.
قبل أن نتقدم بشكل أكبر في السلم المفاهيمي لوحدات المعالجة المركزية، دعنا نتحدث عن كيفية تنفيذ وحدة المعالجة المركزية للتعليمات بناءً على كود الجهاز، المسمى مجموعة التعليمات.
يمكن أن تحتوي وحدات المعالجة المركزية (CPU) من شركات مختلفة على مجموعات تعليمات مختلفة، ولكن ليس دائماً.
تستخدم معظم أجهزة الكمبيوتر التي تعمل بنظام ويندوز Windows ومعالجات ماك Mac الحالية، على سبيل المثال، مجموعة تعليمات x86-64، بغض النظر عما إذا كانت وحدة معالجة مركزية إنتل Intel أو AMD.
ومع ذلك، تحتوي أجهزة ماك Mac التي ظهرت لأول مرة في أواخر عام 2020 وحدات معالجة مركزية قائمة على بنية ARM، والتي تستخدم مجموعة تعليمات مختلفة.
يوجد أيضاً عدد صغير من أجهزة الكمبيوتر التي تعمل بنظام Windows 10 باستخدام معالجات ARM.
النوى والكاش والرسومات:
الآن، دعونا نلقي نظرة على السيليكون نفسه. الرسم البياني أعلاه مأخوذ من مستند إنتل Intel تم نشره في عام 2014 حول بنية وحدة المعالجة المركزية للشركة لمعالج Core i7-4770S. هذا مجرد مثال لما يبدو عليه أحد المعالجات، للمعالجات الأخرى تخطيط مختلف.
يمكننا أن نرى أن هذا معالج رباعي النواة. كان هناك وقت كانت فيه وحدة المعالجة المركزية تحتوي على نواة واحدة فقط. الآن بعد أن أصبح لدينا نوى متعددة، فإنهم يعالجون التعليمات بشكل أسرع.
يمكن أن تحتوي النوى أيضاً على شيء يسمى الترابط المفرط أو خيوط المعالجة المتعددة المتزامنة (SMT)، مما يجعل نواة واحدة تبدو وكأنها نواة لجهاز الكمبيوتر. هذا كما قد تتخيل، يساعد في تسريع أوقات المعالجة بشكل أكبر.
تشترك النوى الموجودة في هذا الرسم البياني في شيء يسمى ذاكرة التخزين المؤقت L3. هذا شكل من أشكال الذاكرة المدمجة داخل وحدة المعالجة المركزية.
تحتوي وحدات المعالجة المركزية أيضاً على ذواكر كاش L1 و L2 الموجودة في كل نواة، بالإضافة إلى السجلات، والتي تعد شكلاً من أشكال الذاكرة منخفضة المستوى.
إذا كنت تريد فهم الاختلافات بين السجلات وذاكرة التخزين المؤقت وذاكرة الوصول العشوائي RAM للنظام، فانظر إلى هذه الإجابة على موقع StackExchange.
تحتوي وحدة المعالجة المركزية الموضحة أعلاه أيضاً على وكيل النظام ووحدة التحكم في الذاكرة وأجزاء أخرى من السيليكون تدير المعلومات الواردة إلى وحدة المعالجة المركزية والخروج منها.
أخيراً، هناك رسومات المعالج المدمجة، والتي تنشئ كل تلك العناصر المرئية الرائعة التي تراها على شاشتك. لا تحتوي كل وحدات المعالجة المركزية (CPU) على قدرات الرسومية الخاصة.
تتطلب وحدات المعالجة المركزية لسطح المكتب AMD Zen، على سبيل المثال، بطاقة رسومات منفصلة لعرض أي شيء على الشاشة، كما أن بعض وحدات المعالجة المركزية Intel Core لسطح المكتب لا تتضمن أيضاً رسومات مدمجة.
وحدة المعالجة المركزية على اللوحة الأم:
الآن بعد أن نظرنا إلى ما يحدث تحت غطاء وحدة المعالجة المركزية، دعنا نلقي نظرة على كيفية تكاملها مع بقية القطع في جهاز الكمبيوتر.
توضع وحدة المعالجة المركزية فيما يسمى بمقبس على اللوحة الأم لجهاز الكمبيوتر.
بمجرد تثبيته المعالج في المقبس، يمكن لأجزاء أخرى من الكمبيوتر الاتصال بوحدة المعالجة المركزية من خلال ما يسمى القنوات أو النواقل Buses.
ذاكرة الوصول العشوائي على سبيل المثال، تتصل بوحدة المعالجة المركزية من خلال ناقلها Bus الخاص، بينما تستخدم العديد من مكونات الكمبيوتر نوعاً معيناً يسمى PCIe.
تحتوي كل وحدة CPU على مجموعة من خطوط PCIe التي يمكنها استخدامها. تحتوي وحدات المعالجة المركزية Zen 2 من AMD على سبيل المثال، على 24 خطاً (ناقلاً) تتصل مباشرة بوحدة المعالجة المركزية. ثم يتم تقسيم هذه الخطوط من قبل الشركات المصنعة للوحات الأم بتوجيه من AMD.
على سبيل المثال، يتم استخدام 16 خطاً بشكل نموذجي لفتحة بطاقة رسومات x16. بعد ذلك، هناك أربع خطوط للتخزين، مثل جهاز تخزين سريع واحد، مثل M.2 SSD.
بدلاً من ذلك، يمكن أيضاً تقسيم هذه الخطوط الأربعة. يمكن استخدام مسارين لمحرك الأقراص M.2 SSD واثنان لمحرك أقراص SATA أبطأ، مثل محرك الأقراص الثابتة أو SSD مقاس 2.5 بوصة.
هذه الـ 20 خطاً، والأربعة الأخرى محجوزة لمجموعة الشرائح، وهي مركز الاتصالات ووحدة التحكم في حركة المرور للوحة الأم.
بعد ذلك، تحتوي مجموعة الشرائح على مجموعتها الخاصة من النواقل، مما يتيح إضافة المزيد من المكونات إلى جهاز الكمبيوتر. كما قد تتوقع، فإن المكونات عالية الأداء لها اتصال مباشر بوحدة المعالجة المركزية.
كما ترى، تقوم وحدة المعالجة المركزية بمعظم معالجة التعليمات، وفي بعض الأحيان، تقوم بتنفيذ الرسومات (إذا كانت مصممة لذلك).
ومع ذلك، فإن وحدة المعالجة المركزية ليست هي الطريقة الوحيدة لمعالجة التعليمات. فإن المكونات الأخرى مثل بطاقة الرسومات، لها قدراتها الخاصة على المعالجة.
تستخدم وحدة معالجة الرسومات أيضاً إمكانات المعالجة الخاصة بها للعمل مع وحدة المعالجة المركزية وتشغيل الألعاب أو تنفيذ مهام أخرى تتطلب رسومات كثيرة.
الاختلاف الكبير هو أن المعالجات الخاصة بالمكونات مبنية على أساس مهام محددة. بينما وحدة المعالجة المركزية عبارة عن جهاز متعدد الأغراض قادر على القيام بأي مهمة حوسبة مطلوبة للقيام بها.
هذا هو السبب في أن وحدة المعالجة المركزية هي الجزء الأكثر أهمية داخل جهاز الكمبيوتر، ويعتمد عليها باقي النظام ليعمل.
