الفصل : 3
الجزء : 1
العنوان : وحدة المعالج المركزية ( CPU )
■ في هذا الفصل، ستتعرف على كيفية:
• تحديد المكونات الأساسية لوحدة المعالجة المركزية (CPU).
• وصف علاقة وحدات المعالجة المركزية (CPUs) مع الذاكرة.
• شرح أنواع وحدات المعالجة المركزية (CPUs) الحديثة.
• اختيار وتثبيت وحدة المعالجة المركزية (CPU).
• حل مشاكل وحدات المعالجة المركزية (CPUs).
وحدة المعالجة المركزية central processing unit (CPU) ، المعروفة أيضًا بالmicroprocessor, هي شريحة إلكترونية واحدة مصنوعة من السيليكون تجعل جهاز الكمبيوتر... حاسوبًا. تحتوي أجهزة الكمبيوتر المكتبية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف الذكية، حتى الأجهزة الصغيرة في الساعات الذكية أو آلات الغسيل، على وحدة معالجة مركزية. تكون وحدة المعالجة المركزية مخفية دائمًا على اللوحة الأم تحت المشتت الحراري وعادةً مجموعة مراوح أيضًا.
تطلق شركات تصنيع وحدات المعالجة المركزية أسماء لمعالجاتها بطريقة مشابهة لصناعة السيارات: تحصل وحدات المعالجة المركزية على صنع ونموذج، مثل Intel Core i9، Qualcomm Snapdragon 835، أو AMD Ryzen 7. ولكن ما الذي يحدث داخل وحدة المعالجة المركزية لجعلها قادرة على القيام بالأشياء المذهلة التي تُطلب منها في كل مرة تقوم فيها بالعمل على لوحة المفاتيح؟
يتناول هذا الفصل وحدات المعالجة المركزية بتفصيل. سنناقش أولاً كيفية عمل المعالجات والمكونات التي تمكنها من التفاعل مع بقية الكمبيوتر. يشرح القسم الثاني كيفية عمل وحدات المعالجة المركزية مع الذاكرة. يقوم القسم الثالث بجولة في وحدات المعالجة المركزية الحديثة. يتناول القسم الرابع العمل العملي، واختيار وتثبيت وحدات المعالجة المركزية. يغطي القسم النهائي حل مشكلات وحدات المعالجة المركزية بالتفصيل.
■ المكونات الأساسية لوحدة المعالجة المركزية:
على الرغم من أن الكمبيوتر قد يبدو ذكيًا إلى حد كبير، إلا أن مقارنة وحدة المعالجة المركزية (CPU) بالدماغ البشري تبالغ بشكل كبير في إبراز قدراتها. تعمل وحدة المعالجة المركزية كآلة حاسبة قوية جدًا بدلاً من العمل كدماغ، لكنها تعتبر آلة حاسبة رائعة! تقوم وحدات المعالجة المركزية في الوقت الحالي بإجراء عمليات جمع وطرح وضرب وقسمة ونقل مليارات الأرقام في الثانية. يعطي معالجة هذه الكمية الهائلة من المعلومات بهذه السرعة انطباعًا بذكاء وحدة المعالجة المركزية. يعود ذلك ببساطة إلى سرعة وحدة المعالجة المركزية، بدلاً من الذكاء الفعلي، الذي يمكّن الكمبيوترات من تنفيذ مهام مثل الوصول إلى الإنترنت وتشغيل ألعاب بصرية رائعة أو تحرير الصور.
يحتاج الفني الماهر إلى فهم بعض وظائف وحدة المعالجة المركزية الأساسية لدعم أجهزة الحوسبة، لذلك دعنا نبدأ بتحليل كيفية عمل وحدة المعالجة المركزية. إذا كنت ترغب في تعليم شخص ما كيفية عمل محرك سيارة، فسوف تستخدم مثالًا بسيطًا نسبيًا للمحرك، أليس كذلك؟ ينطبق المبدأ نفسه هنا. دعنا نبدأ دراسة وحدة المعالجة المركزية مع "إنتل 8088"، الأب الروحي لجميع وحدات المعالجة المركزية في الكمبيوتر الشخصي، التي تم اختراعها في أواخر السبعينيات. تعرّف هذه الوحدة المعالجة المركزية على فكرة ال microprocessor الحديث وتحتوي على نفس الأجزاء الأساسية المستخدمة في وحدات المعالجة المركزية الأكثر تقدمًا اليوم.
ابدأ بتصور وحدة المعالجة المركزية (CPU) كرجل في صندوق (انظر الشكل 1 ). هذا الرجل الذكي يستطيع أداء أي وظيفة رياضية تقريباً، وتلاعب البيانات، وتقديم الإجابات بسرعة كبيرة.
 |
| الشكل 1 |
هذا الرجل مفيد بشكل كبير بالنسبة لنا، ولكن هناك مشكلة - إنه يعيش في صندوق صغير مغلق. قبل أن يتمكن من العمل معنا، يجب أن نجد طريقة لتبادل المعلومات معه (انظر الشكل2 ).
 |
| الشكل 2 |
تخيل أننا نقوم بتركيب مجموعة من 16 مصباحًا، 8 منها داخل صندوقه و 8 خارج صندوقه. يتصل كل مصباح من الـ 8 الموجودة داخل الصندوق بأحد المصابيح الـ 8 الموجودة خارج الصندوق لتشكيل زوج. يكون كل زوج من المصابيح إما مضاءة أو مطفأة. يمكنك التحكم في الأزواج الـ 8 من المصابيح باستخدام مجموعة من 8 مفاتيح خارج الصندوق، ويمكن للرجل في الصندوق أيضًا التحكم فيها باستخدام مجموعة متطابقة من 8 مفاتيح داخل الصندوق. يُطلق على هذا الجهاز لتبادل المعلومات عبر المصابيح اسم "الحافلة الخارجية للبيانات" external data bus (EDB).
يوضح الشكل 3 رؤية طبقية للحافلة الخارجية للبيانات. عندما يقوم أي منكما بتحريك المفتاح للوضع التشغيل، يضيء كلا المصباحين، ويتم أيضًا تحريك المفتاح الآخر إلى وضع التشغيل. إذا قمتما بإيقاف المفتاح، يتم إطفاء المصابيح على الجانبين، بالإضافة إلى المفتاح الآخر في هذا الزوج.
 |
| الشكل 3 |
هل يمكنك أن ترى كيف يعمل هذا؟ عن طريق إنشاء أنماط تشغيل/إيقاف للمصابيح التي تمثل قطع بيانات مختلفة أو أوامر، يمكنك إرسال تلك المعلومات إلى الرجل في الصندوق، ويمكنه إرسال المعلومات بنفس الطريقة - بشرط أن تتفقا مسبقًا على ما تعنيه الأنماط المختلفة للمصابيح. لتحقيق ذلك، تحتاج إلى نوع من دليل الشفرة الذي يعيّن معاني للعديد من الأنماط المختلفة التي قد تعرضها الحافلة الخارجية للبيانات (EDB). احتفظ بهذا الفكر في ذهنك بينما نستكشف دليل الشفرات بعض الشيء أكثر.
قبل المضي قدمًا، تأكد من أنك واضح على حقيقة أن هذا هو تشبيه، وليس واقعًا. هناك حقًا حافلة خارجية للبيانات (EDB)، ولكنك لن ترى أي مصابيح أو مفاتيح على وحدة المعالجة المركزية. ومع ذلك، يمكنك رؤية أسلاك صغيرة تخرج من العديد من وحدات المعالجة المركزية (انظر الشكل 4 ). إذا طبقت جهدًا على إحدى هذه الأسلاك، فإنك في الأساس تقوم بتحريك المفتاح. هل فهمت الفكرة؟ لذلك، إذا كانت السلك متصلاً بالجهد وإذا كانت مصباحًا صغيرًا مرتبطًا بالسلك، فإن المصباح سيضيء، أليس كذلك؟ من نفس الناحية، إذا كان السلك بلا طاقة، فإن المصباح لن يضيء. هذا هو السبب في أن تشبيه المفتاح والمصباح قد يساعدك في تصور هذه الأسلاك الصغيرة وهي تومض باستمرار وتنطفئ.
 |
| الشكل 4 |
الآن بعد أن يمكنك التواصل مع الرجل في الصندوق باستخدام الحافلة الخارجية للبيانات (EDB)، يجب أن تتعرف على كيفية عملها من خلال وضع جهود على الأسلاك. وهذا يثير مشكلة في التسمية. من الصعب أن نقول شيئًا مثل "تشغيل - إيقاف - تشغيل - إيقاف - تشغيل - تشغيل - إيقاف - إيقاف" عند الحديث عن الأسلاك التي تحمل جهدًا. بدلاً من أن نقول أن أحد أسلاك الحافلة الخارجية للبيانات مشغولة أو غير مشغولة، سنستخدم الرقم 1 للتمثيل الشامل للحالة المشغولة والرقم 0 للتمثيل الشامل للحالة غير المشغولة (انظر الشكل5 ). بهذه الطريقة، بدلاً من وصف حالة المصابيح على أنها "تشغيل - إيقاف - تشغيل - إيقاف - تشغيل - تشغيل - إيقاف - إيقاف"، يمكننا أن نصفها بكتابة "10101100".
 |
| الشكل 5 |
في أجهزة الكمبيوتر، تنطفئ وتشتعل الأسلاك مرارًا وتكرارًا. ونتيجة لذلك، يمكننا استخدام نظام "1 و 0" أو النظام الثنائي لوصف حالة هذه الأسلاك في أي لحظة معينة. (انظر، كنت تعتقد فقط أن محبي الكمبيوتر يتحدثون باللغة الثنائية لإرباك الناس العاديين. هاه!) هناك الكثير أكثر في نظام الأعداد الثنائية في علم الحوسبة، ولكن هذا هو مكان رائع للبدء.
■ السجلات (Registers):
الرجل في الصندوق يقدم رؤية جيدة حول مساحة العمل داخل وحدة المعالجة المركزية (CPU). يوفر EDB وسيلة للتواصل مع الرجل في الصندوق حتى تتمكن من إعطائه عمل للقيام به. ولكن للقيام بهذا العمل، يحتاج إلى طاولة عمل؛ في الواقع، يحتاج إلى ما لا يقل عن أربع طاولات عمل. كل واحدة من هذه الطاولات الأربعة تحتوي على 16 مصباحًا صغيرًا. هذه المصابيح الصغيرة ليست متصلة بزوجين؛ إنها مجرد 16 مصباحًا متصفًا على طول الطاولة. يتم التحكم في كل مصباح عن طريق مفتاح واحد فقط يتحكم فيه الرجل في الصندوق. عن طريق إنشاء أنماط تشغيل/إيقاف مثل تلك الموجودة على EDB ، يمكن للرجل في الصندوق استخدام هذه الأجهزة الأربعة من المصابيح لحل المسائل الرياضية. في الكمبيوتر الحقيقي، يُطلق على هذه الطاولات العمل "السجلات" (انظر الشكل 6 ) وتخزن الأوامر والبيانات الداخلية.
 |
| الشكل 6 |
السجلات توفر لـلرجل في الصندوق مكان عمل للمشاكل التي تُعطى له. جميع وحدات المعالجة المركزية تحتوي على عدد كبير من السجلات، ولكن لحظة دعونا نركز على الأربعة الأكثر شيوعًا: أطلقت شركة إنتل عليها أسماء AX وBX وCX وDX.
ملاحظة :
كانت وحدة المعالجة المركزية 8088 أول وحدة معالجة مركزية تستخدم السجلات العامة AX-DX الأربعة، ولا تزال موجودة حتى في أحدث وحدات المعالجة المركزية. (ولكن لديها المزيد من المصابيح الكهربائية!) في معالجات 32 بت، يتم إضافة حرف "E" للسجلات لتعزيز قدراتها، لذا تكون EAX وEBX، وهكذا. أما السجلات بتقنية 64 بت فتحصل على حرف "R" (لا أعرف لماذا)، وبالتالي RAX وRBX، وهكذا.
رائع! نحن على وشك أن نبدأ بوضع الرجل في الصندوق للعمل، ولكن قبل أن تُغلق الغطاء على الصندوق، يجب أن تعطي الرجل أداة إضافية. هل تتذكر دفتر الشفرات الذي ذكرته سابقًا؟ دعنا نقوم بإنشاء واحد لنمكّننا من التواصل معه. توضح الشكل 7 الدفتر الذي سنستخدمه. سنعطي نسخة واحدة للرجل ونحتفظ بنسخة ثانية لأنفسنا.
 |
| الشكل 7 |
في هذا الدفتر الشفرات، على سبيل المثال، يعني الرقم 10000111 نقل الرقم 7 إلى سجل AX. تُطلق على هذه الأوامر
microprocessor’s machine language
الأوامر المدرجة في الشكل ليست أوامر فعلية؛ كما تخمن، قمت بتبسيطها بشكل كبير. في الواقع، وحدة المعالجة المركزية Intel 8088 استخدمت أوامر مشابهة جدًا لهذه، بالإضافة إلى عدد من المئات من الأوامر الأخرى. فيما يلي بعض أمثلة على لغة الجهاز الفعلية لوحدة المعالجة المركزية Intel 8088:
عن طريق وضع أوامر لغة الجهاز - المعروفة باسم سطور الشفرة - على EDB واحدة تلو الأخرى، يمكنك توجيه الرجل في الصندوق للقيام بمهام محددة. جميع أوامر لغة الجهاز التي يفهمها وحدة المعالجة المركزية تشكل مجموعة التعليمات الخاصة بها.
لذا ها هو وحدة المعالجة المركزية حتى الآن: يمكن للرجل في الصندوق التواصل مع العالم الخارجي عبر EDB. لديه أربعة سجلات يمكنه استخدامها للعمل على المشاكل التي تُعطى له. ولديه دفتر الشفرات - مجموعة التعليمات - حتى يتمكن من فهم الأنماط المختلفة (أوامر لغة الجهاز) على EDB (انظر الشكل 8 ).
 |
| الشكل 8 |
■ ساعة (Clock) :
حسنًا، إذًا أنت جاهز لوضع الرجل في الصندوق للعمل. يمكنك إرسال الأمر الأول عن طريق إضاءة الأسلاك على EDB. كيف يعرف الرجل في الصندوق متى تكون قد انتهيت من إعداد الأسلاك وحان الوقت للتنفيذ؟
تخيل أن هناك جرسًا داخل الصندوق يتم تشغيله بواسطة زر على الجانب الخارجي للصندوق. في كل مرة تضغط فيها على الزر لتدق الجرس، يقرأ الرجل في الصندوق مجموعة الأضواء التالية على EDB. بالطبع، لا يستخدم الكمبيوتر الحقيقي جرسًا. يعتبر السلك الخاص بالساعة (يشير معظم الرسوم التوضيحية إلى السلك بالتسمية CLK) هو الجرس في وحدة المعالجة المركزية الحقيقية. تخبر الشحنة على سلك الساعة (CLK) وحدة المعالجة المركزية بأن هناك قطعة أخرى من المعلومات في انتظار المعالجة (انظر الشكل9 ).
 |
| الشكل 9 |
لكي تقوم وحدة المعالجة المركزية بمعالجة الأمر الموضوع على EDB، يجب توفير جهد كافي للسلك CLK. وتُعرف الشحنة الواحدة على سلك CLK بدورة الساعة (clock cycle). في الواقع، تتطلب وحدة المعالجة المركزية ما لا يقل عن اثنتين من دورات الساعة للتفاعل مع الأمر، وعادةً ما تكون أكثر من ذلك. في الواقع، قد تحتاج وحدة المعالجة المركزية إلى المئات من دورات الساعة لمعالجة بعض الأوامر (انظر الشكل 10 ).
 |
| الشكل 10 |
أقصى عدد من دورات الساعة التي يمكن لوحدة المعالجة المركزية التعامل معها في فترة زمنية محددة يُشار إليه بسرعة الساعة(clock speed) . سرعة الساعة هي أسرع سرعة يمكن لوحدة المعالجة المركزية العمل بها، وتحدد من قبل مصنع وحدة المعالجة المركزية. كان معالج Intel 8088 يتمتع بسرعة ساعة تبلغ 4.77 ميجاهرتز (4.77 مليون دورة في الثانية)، وهي بطيئة جدًا بمقاييس العصر الحديث، ولكنها لا تزال رقمًا كبيرًا مقارنة بالعمل بواسطة قلم وورقة. تعمل وحدات المعالجة المركزية عالية الأداء اليوم بسرعات تتجاوز 5 غيغاهرتز (5 مليار دورة في الثانية). سترى هذه المصطلحات "هيرتز" كثيرًا في هذا الفصل، لذا إليك ما تعنيه:
1 هرتز (1 Hz) = 1 دورة في الثانية
1 ميجاهرتز (1 MHz) = 1 مليون دورة في الثانية
1 جيجاهرتز (1 GHz) = 1 مليار دورة في الثانية
سرعة الساعة لوحدة المعالجة المركزية هي سرعتها القصوى، وليس السرعة التي يجب أن تعمل بها. يمكن لوحدة المعالجة المركزية أن تعمل بأي سرعة، طالما لا تتجاوز هذه السرعة القصوى. يتم طباعة سرعة الساعة لدى العديد من نماذج وحدات المعالجة المركزية بوضوح (انظر الشكل 11). قد تحتوي نماذج أخرى على رمز غامض.
 |
| الشكل 12 |
تحدد بلورة النظام السرعة (system crystal) التي تعمل بها وحدة المعالجة المركزية وبقية الكمبيوتر. عادة ما يكون بلورة النظام عبارة عن مذبذب كوارتز (quartz oscillator )، مشابه جدًا لتلك الموجودة في ساعة اليد ، ملحومة باللوحة الأم (انظر الشكل 12 ).
 |
| الشكل 12 |
ملاحظة :
شركات صناعة وحدات المعالجة المركزية تبيع نفس الطراز والموديل الدقيق للوحدة المعالجة المركزية بسرعات مختلفة. جميع هذه الوحدات المعالجة المركزية تخرج من نفس خطوط التجميع، فلماذا تختلف سرعاتها؟ يأتي كل وحدة معالجة مركزية مع اختلافات طفيفة - وهي في الواقع عيوب - في السيليكون الذي يجعل وحدة المعالجة المركزية تعمل بسرعة أعلى من غيرها. تأتي الاختلافات في السرعة من اختبار كل وحدة معالجة مركزية لمعرفة السرعة التي يمكنها التعامل معها.
الان الموضوع عن كيفية عمل الساعة الداخلية في الكمبيوتر، وده اللي بيتحكم في سرعة المعالجة. الموضوع بيتكلم عن الـ quartz oscillator المذبذب الكوارتز اللي بيحدد سرعة الساعة الداخلية، وده بيتحكم فيه عن طريق الـ clock chip او رقاقة الساعة .
الـ quartz oscillator بيبعت إشارة كهربائية على سرعة عالية، وبتروح للـ clock chip اللي بيظبط الإشارة دي عشان تناسب سرعة المعالج. والـ motherboard بتتكلم مع المعالج وتعرف منه سرعته، وبتظبط الـ clock chip عشان تشتغل المعالجة بالسرعة اللي المعالج يحتاجها.
والـ clock chip بيبعت إشارة كهربائية على السلك اللي اسمه CLK، واللي بيحكم في سرعة المعالجة. الـ quartz oscillator والـ clock chip بيعملوا مع بعضهم عشان يحددوا السرعة اللي المعالج بيشتغل عليها، ولو السرعة اللي المعالج بيحتاجها مش متوفرة، المعالج بيشتغل بالسرعة اللي المتاحة. ولو كانت السرعة أكبر من اللي المعالج بيحتاجها، المعالج بيمكن يتسخن ويوقف.
في الأيام القديمة، كان لازم يتم ضبط الـ quartz oscillator والـ clock chip بدقة، عشان المعالج يشتغل بالسرعة الصحيحة، بس في الأيام دي الـ motherboard بتتكلم مع المعالج والـ clock chip بيظبط نفسه بنفسه، فيكون الأمر أسهل وأسرع.
تنبيه:
بعض المستخدمين العدوانيين يقومون بعملية ما يسمى بـ "Overclocking"، وهي زيادة سرعة المعالج عن طريق زيادة سرعة الإشارة الكهربائية التي يتم إرسالها من الـ clock chip بطريقة تضاعفها بشكل أسرع من السرعة المصممة للمعالج. يقومون بذلك لجعل المعالجات الأقل سرعة (الأرخص) تعمل بسرعة أعلى وللحصول على أداء أفضل في البرامج الأكثر تطلبًا. يمكن الاطلاع على قسم "Overclocking" في وقت لاحق من هذا الفصل.
■ العودة إلى ال EBD :
من المعروف أن السجلات في وحدة المعالجة المركزية (CPU) لا تستخدم المصابيح الكهربائية لتمثيل الحالات التشغيلية (1) والإيقاف (0). فالسجلات هي مناطق تخزين صغيرة على وحدة المعالجة المركزية مكونة من دوائر شبه موصلة مجهرية تحمل شحنات. إنه من الأسهل تخيل مصباحًا كهربائيًا مضاءً يمثل دائرة تحمل شحنة؛ عندما يكون المصباح مطفأً، فإنه لا يوجد شحنة.
الشكل 13 هو رسم تخطيطي لمعالج 8088، يظهر الأسلاك التي تتكون منها ال EBD والسلك الواحد للساعة. ونظرًا لأن السجلات داخل المعالج المركزي، فلا يمكنك رؤيتها في هذا الشكل.
 |
| الشكل 13 |
تجربة تفاعلية بسيطة لفهم كيفية عمل العملية. في هذا المثال، سنقوم بإعطاء التعليمات لوحدة المعالجة المركزية (CPU) لجمع العددين 2 و 3. للقيام بذلك، يجب أن ترسل سلسلة من الأوامر إلى وحدة المعالجة المركزية؛ ستقوم وحدة المعالجة المركزية بالعمل على كل أمر، وفي النهاية ستقدم لك الإجابة. يُرجى الرجوع إلى دليل الأوامر في الشكل 7 لترجمة التعليمات التي تقوم بإعطائها إلى الرجل في الصندوق إلى أوامر ثنائية.
هل قمت بتجربتها؟ إليك كيف تعمل:
1. ضع 10000000 على الحافلة الخارجية للبيانات (EDB).
2. ضع 00000010 على EDB.
3. ضع 10010000 على EDB.
4. ضع 00000011 على EDB.
5. ضع 10110000 على EDB.
6. ضع 11000000 على EDB.
عند الانتهاء من الخطوة السادسة، ستكون القيمة على EDB هي 00000101، وهي الرقم العشري 5 مكتوباً بالنظام الثنائي.
مبروك! لقد قمت للتو بجمع العددين 2 و 3 باستخدام أوامر فردية من دليل الأوامر. هذه المجموعة من الأوامر تُعرف باسم برنامج، وهو سلسلة من الأوامر يتم إرسالها إلى وحدة المعالجة المركزية بترتيب محدد لأداء عمل. كل إعداد مستقل على الحافلة الخارجية للبيانات هو سطر برمجة. لذلك، يحتوي هذا البرنامج على ستة أسطر برمجة.
فيديو الأستاذ سامح رمضان الخاص ب CPU سيكون مناسب جدا لهذا الفصل ويقدمه على اليوتيوب في كورس ال A+ سيكون من الجيد ان تسمعه وتفهمه من المقال والشرح هنا , يمكنك ان تصل له من خلال الرابط التالي :
■ النهاية
نكون هنا انتهينا تماما من الجزء 1 من الفصل 3 من شهادة A plus المقدمة من CompTIA نتقدم الأن ولكن المشوار طويل وممتع جدا جدا لذلك احرص على قرائة كل فصل سريعا
و لا بد وانت تقرا ان تكون مركز جيدا لكل معلومة ومعك ورقة وقلم , لانك بالتاكيد ستحتاجها
واذا واجهتك اي مشكلة في الفهم او ما شابه , يمكنك على الفور الذهاب الى المجتمع الخاص بنا في Telegram للمناقشة والتواصل معنا من هنا
او اذا واجهتك مشكلة في الموقع او تريد اجابة سريعة يمكنك الذهاب الى اخر صفحة في الموقع ستجد صفحة اتصل بنا موجودة يمكنك ارسالة لنا مشكلتك , وسيتم الرد عليها بسرعة جدا ان شاء الله
ويمكنك الأنضمام الى المجتمع Hidden Lock بالكامل مع جميع قنواته للأستفادة في اخر الأخبار في عالم التقنية وايضا الكتب بالمجان والكورسات والمقالات من خلال الرابط التالي لمجموعة القنوات من هنا
يمكنك ايضا متابعتنا في منصات X او Twitter سابقا , لمشاهدة الاخبار والمقالات السريعة والمهمة من هنا
وفقط كان معكم sparrow مقدم هذه الشهادة من فريق Hidden Lock
