ما هي وحدة المعالجة المركزية وماذا تفعل؟

إذا تم تحديد جزء واحد فقط ، فإن أهم جزء في الكمبيوتر هو وحدة المعالجة المركزية (CPU). إنه المركز الرئيسي (أو “الدماغ”) ، الذي يعالج التعليمات من البرامج أو أنظمة التشغيل أو المكونات الأخرى في الكمبيوتر.

1 و

بفضل وحدة المعالجة المركزية الأكثر قوة ، قفزنا من مكان يكاد يكون من المستحيل فيه عرض الصور على شاشة الكمبيوتر إلى Netflix ودردشة الفيديو والبث المباشر وألعاب الفيديو الواقعية بشكل متزايد.

تعد وحدة المعالجة المركزية أعجوبة هندسية ، ولكنها في جوهرها لا تزال تعتمد على المفهوم الأساسي لتفسير الإشارات الثنائية (1 و ). يتمثل الاختلاف الآن في أنه بدلاً من قراءة البطاقات المثقوبة أو استخدام مجموعات الأنبوب المفرغ لمعالجة التعليمات ، تستخدم وحدات المعالجة المركزية الحديثة ترانزستورات صغيرة لإنشاء مقاطع فيديو TikTok أو ملء الأرقام في جداول البيانات.

أساسيات وحدة المعالجة المركزية

تصنيع وحدة المعالجة المركزية معقد للغاية. النقطة المهمة هي أن كل وحدة معالجة مركزية بها سيليكون (واحد أو أكثر) يحمل مليارات الترانزستورات الصغيرة.

كما ذكرنا سابقًا ، تستخدم هذه الترانزستورات سلسلة من الإشارات الكهربائية (التيار “تشغيل” والتيار “إيقاف التشغيل”) لتمثيل رمز ثنائي للآلة يتكون من 1 و ثانية. نظرًا لوجود عدد كبير جدًا من هذه الترانزستورات ، يمكن لوحدة المعالجة المركزية أداء مهام معقدة بشكل متزايد بشكل أسرع من ذي قبل.

لا يعني عدد الترانزستورات بالضرورة أن وحدة المعالجة المركزية ستكون أسرع. ومع ذلك ، لا يزال هذا سببًا أساسيًا ، أي أن القوة الحاسوبية للهاتف المحمول في جيبك أقوى بكثير من الكوكب بأكمله عندما هبطنا على القمر لأول مرة.

قبل المضي قدمًا في السلم المفاهيمي لوحدة المعالجة المركزية ، دعنا أولاً نناقش كيفية تنفيذ وحدة المعالجة المركزية للتعليمات المسماة “مجموعة التعليمات” بناءً على رمز الجهاز. يمكن أن تحتوي وحدات المعالجة المركزية (CPU) من شركات مختلفة على مجموعات تعليمات مختلفة ، ولكن هذا ليس هو الحال دائمًا.

على سبيل المثال ، تستخدم معظم أجهزة الكمبيوتر التي تعمل بنظام Home windows ومعالجات Mac الحالية مجموعة تعليمات x86-64 ، بغض النظر عما إذا كانت معالجات Intel أو AMD. ومع ذلك ، سيتم تجهيز أجهزة Mac التي تم إطلاقها في نهاية عام 2020 بوحدات معالجة مركزية قائمة على ARM ، والتي تستخدم مجموعات تعليمات مختلفة. هناك أيضًا عدد قليل من أجهزة الكمبيوتر التي تعمل بنظام Windows 10 والتي تستخدم معالجات ARM.

ذات صلة: ما هو الملف الثنائي ولماذا تستخدمه أجهزة الكمبيوتر؟

الأساسية وذاكرة التخزين المؤقت والرسومات

الآن ، دعونا نلقي نظرة على السيليكون نفسه. الصورة أعلاه مأخوذة من الورقة البيضاء لشركة Intel الصادرة في عام 2014 ، والتي قدمت بنية وحدة المعالجة المركزية للشركة لـ Main i7-4770S. هذا مجرد مثال لما يبدو عليه أحد المعالجات — للمعالجات الأخرى تخطيطات مختلفة.

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 ، يمكنهم معالجة التعليمات بشكل أسرع. يمكن أن تحتوي النوى أيضًا على ميزة تسمى hyperthreading أو multithreading في وقت واحد (SMT) ، مما يجعل نواة واحدة تبدو مثل اثنين على جهاز كمبيوتر. كما قد تتخيل ، يساعد هذا في تقليل وقت المعالجة بشكل أكبر.

تشترك النوى في هذا الشكل في شيء يسمى ذاكرة التخزين المؤقت L3. هذا شكل من أشكال الذاكرة المدمجة داخل وحدة المعالجة المركزية. تحتوي وحدة المعالجة المركزية أيضًا على مخابئ L1 و L2 وسجلات موجودة في كل نواة ، وهي شكل من أشكال الذاكرة منخفضة المستوى. إذا كنت تريد فهم الفرق بين السجلات وذاكرة التخزين المؤقت وذاكرة الوصول العشوائي للنظام ، فتحقق من هذه الإجابة على StackExchange.

تحتوي وحدة المعالجة المركزية الموضحة أعلاه أيضًا على وكلاء النظام ووحدات التحكم في الذاكرة وأجزاء أخرى من السيليكون تستخدم لإدارة المعلومات التي تدخل إلى وحدة المعالجة المركزية وتغادرها.

أخيرًا ، هناك رسومات على اللوحة للمعالج ، والتي تولد جميع العناصر المرئية الرائعة التي تراها على الشاشة. لا تمتلك كل وحدات المعالجة المركزية قدراتها الرسومية الخاصة. على سبيل المثال ، تتطلب وحدة المعالجة المركزية لسطح المكتب AMD Zen بطاقة رسومات منفصلة لعرض أي شيء على الشاشة. بعض وحدات المعالجة المركزية Intel Core لسطح المكتب لا تتضمن أيضًا رسومات مدمجة.

وحدة المعالجة المركزية على اللوحة الأم

الآن بعد أن فهمنا الوظائف الأساسية لوحدة المعالجة المركزية ، دعنا نلقي نظرة على كيفية تكاملها مع بقية جهاز الكمبيوتر الخاص بك. توجد وحدة المعالجة المركزية في فتحة تسمى فتحة على اللوحة الأم للكمبيوتر الشخصي.

بمجرد تثبيته في الفتحة ، يمكن توصيل أجزاء أخرى من الكمبيوتر بوحدة المعالجة المركزية من خلال طريقة تسمى “ناقل”. على سبيل المثال ، يتم توصيل ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) بوحدة المعالجة المركزية من خلال ناقلها الخاص ، وتستخدم العديد من مكونات الكمبيوتر ناقلًا محددًا يسمى “PCIe”.

تحتوي كل وحدة CPU على مجموعة من “قنوات PCIe” التي يمكن استخدامها. على سبيل المثال ، تحتوي Zen 2 CPU من AMD على 24 قناة متصلة مباشرة بوحدة المعالجة المركزية. بعد ذلك ، ستقوم الشركات المصنعة للوحات الأم بتقسيم هذه القنوات بتوجيه من AMD.

على سبيل المثال ، عادةً ما تستخدم فتحات بطاقة الرسومات x16 16 قناة. بعد ذلك ، هناك أربع قنوات تخزين ، مثل جهاز تخزين سريع (مثل M.2 SSD). بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أيضًا فصل هذه الممرات الأربعة. يمكن استخدام قناتين لمحركات أقراص M.2 SSD ، ويمكن استخدام قناتين لمحركات أقراص SATA الأبطأ ، مثل محركات الأقراص الثابتة أو محركات أقراص الحالة الثابتة مقاس 2.5 بوصة.

هذا هو 20 ممرًا ، والممرات الأربعة المتبقية محجوزة لمجموعة الشرائح ، وهي مركز الاتصال ووحدة التحكم في حركة المرور باللوحة الأم. بعد ذلك ، تحتوي مجموعة الشرائح على مجموعتها الخاصة من اتصالات الناقل بحيث يمكن إضافة المزيد من المكونات إلى جهاز الكمبيوتر. كما قد تتوقع ، تتصل المكونات عالية الأداء بشكل مباشر أكثر بوحدة المعالجة المركزية.

كما ترى ، تقوم وحدة المعالجة المركزية بمعظم معالجة التعليمات ويمكنها أحيانًا معالجة الرسومات (إذا كانت لمعالجة الرسومات). ومع ذلك ، فإن وحدة المعالجة المركزية ليست هي الطريقة الوحيدة لمعالجة التعليمات. المكونات الأخرى (مثل بطاقات الرسومات) لها إمكانيات المعالجة الخاصة بها على متن الطائرة. تستخدم وحدة معالجة الرسومات أيضًا إمكانات المعالجة الخاصة بها للتعاون مع وحدة المعالجة المركزية وتشغيل الألعاب أو أداء مهام أخرى كثيفة الرسومات.

الاختلاف الأكبر هو أن المعالج المكون مبني مع وضع مهام محددة في الاعتبار. ومع ذلك ، فإن وحدة المعالجة المركزية هي جهاز للأغراض العامة يمكنه أداء أي مهام حوسبية مطلوبة للقيام بها. هذا هو السبب في أن وحدة المعالجة المركزية تهيمن على جهاز الكمبيوتر الخاص بك ، ويعتمد باقي النظام عليها في التشغيل.