بالإضافة إلى تحويل هذه التعليمات إلى مخرجات ثنائية 0 | 1. تعرف معنا على وحدة المعالج ودورها في الأجهزة.
ما هي وحدة المعالجة المركزية CPU؟
"وحدة المعالجة المركزية CPU " هو اختصار لـ"Cenral processing unit". وهي وحدة المعالجة المركزية للكمبيوتر ، ويمكن أن نسميها دماغ الكمبيوتر أو عقل الكمبيوتر بالمعنى الأساسي. كلما زادت قوة المعالج ، زادت سرعة معالجته.
وحدة المعالجة المركزية ، التي تعرف غالبا باسم المعالج المركزي أو المعالج الرئيسي. أو ببساطة معالج ، هي دائرة كهربائية تنفذ التعليمات التي يتكون منها برنامج كمبيوتر.
تتكون وحدة المعالجة المركزية من ملايين الترانزستورات على رقاقة السيليكون. تخزن هذه الترانزستورات البيانات في كود ثنائي 0/1 ، وهي اللغة التي تفهمها بقية مكونات الكمبيوتر.
تقوم وحدة المعالجة المركزية بإجراء مهام حسابية ومنطقية وتحكمية وإدخال / إخراج أساسية كما هو محدد في تعليمات البرنامج.
المكونات الخارجية بما في ذلك الذاكرة الرئيسية ودائرة الإدخال / الإخراج والمعالجات المتخصصة مثل وحدات معالجة الرسومات. هي أمثلة على المكونات الخارجية.
لقد تطور شكل وحدات المعالجة المركزية وتصميمها وتنفيذها بمرور الوقت ، لكن أنشطتها الأساسية ظلت كما هي تقريبا. المكونات الرئيسية للمعالجة المركزية للوحدة هي وحدة المنطق الحسابي ، التي تقوم بعمليات حسابية ومنطقية.
ومعالج السجلات ، الذي يوفر المعاملات إلى ALU ويخزن نتائج عمليات ALU . ووحدة التحكم التي تنظم عمليات الجلب وفك التشفير و تنفيذ التعليمات من خلال توجيه عمليات منسقة من ALU والسجلات والمكونات الأخرى.
الغالبية العظمى من وحدات المعالجة المركزية الحديثة عبارة عن معالجات دوائر متكاملة ، والتي تتضمن وحدة أو أكثر من وحدات المعالجة المركزية على شريحة واحدة من أشباه الموصلات ذات أكسيد معدني.
المعالجات متعددة النواة عبارة عن شرائح معالجات دقيقة تتميز بعدد كبير من وحدات المعالجة المركزية. يمكن إنشاء وحدات المعالجة المركزية الافتراضية أو المنطقية. باستخدام وحدات معالجة مركزية حقيقية متعددة الخيوط ووحدات معالجة مركزية.
تاريخ وحدة المعالجة المركزية
نظرا لأن كلمة "وحدة المعالجة المركزية" تفهم عموما على أنها جهاز لتشغيل البرامج ، ظهرت أولى الأجهزة التي قد يطلق عليها بشكل شرعي وحدات المعالجة المركزية مع اختراع برنامج الكمبيوتر.
كان يلزم توصيل أجهزة الكمبيوتر القديمة ، مثل ENIAC ، ماديا لإنجاز وظائف مختلفة ، مما يكسبها لقب "أجهزة الكمبيوتر الثابتة". منذ عام 1955 ، تم استخدام عبارة "وحدة المعالجة المركزية".
كان مفهوم الكمبيوتر المخزن موجودا في السابق في تصميم J. Presper Eckert و ENIAC لجون ويليام موشيلي ، ولكن تم حذفه في البداية بحيث يمكن الانتهاء منه في أقرب وقت.
قبل تطوير ENIAC ، في 30 يونيو 1945 ، أصدر عالم الرياضيات جون فون نيومان وثيقة بعنوان المسودة الأولى لتقرير عن EDVAC. كان مخططا لجهاز كمبيوتر مخزن ، والذي سينتهي في أغسطس 1949. كان من المفترض أن تنفذ EDVAC عددا معينا من التعليمات من مختلف الأنواع.
بشكل ملحوظ ، كان من المقرر تخزين برامج EDVAC في ذاكرة كمبيوتر عالية السرعة بدلا من التعرف عليها من خلال الأسلاك المادية للجهاز.
هذا يتغلب على قيود ENIAC الرئيسية: الوقت والجهد الهائل اللازمين لإعادة تكوين الكمبيوتر للوفاء بوظيفة جديدة. يمكن تعديل البرنامج الذي ينفذه EDVAC ببساطة عن طريق تغيير محتويات الذاكرة ، وذلك بفضل بنية فون نيومان.
قام جهاز Manchester Baby ، وهو جهاز كمبيوتر صغير مخزن مبكرا ، بتشغيل برنامجه الأول في 21 يونيو 1948 ، وشغل Manchester Mark 1 أول برنامج له خلال ليلة 16-17 يونيو 1949.
كانت وحدات المعالجة المركزية المبكرة عبارة عن تصميمات مخصصة تم استخدامها كمكون لجهاز كمبيوتر أكبر ، وأحيانا أكثر ثراء بالميزات.
ومع ذلك ، فإن إدخال المعالجات متعددة الأغراض ذات الإنتاج الضخم قد حل محل هذه الاستراتيجية لإنشاء وحدات معالجة مركزية متخصصة لتطبيق معين.
بدأ هذا التوحيد مع أجهزة كمبيوتر ترانزستور منفصلة ضخمة وأجهزة كمبيوتر صغيرة ، واستمر بسرعة مع شعبية الدائرة المتكاملة. مكن IC من تصميم وتصنيع وحدات المعالجة المركزية المتطورة بشكل متزايد بدقة نانوية.
أدى تصغير وحدات المعالجة المركزية (CPU) وتوحيدها إلى توسيع نطاق وجود الأدوات الرقمية في الحياة الحديثة. بما يتجاوز الاستخدام المحدود لأجهزة الكمبيوتر المخصصة.
يمكن العثور على المعالجات الدقيقة الحديثة في مجموعة واسعة من الأجهزة الإلكترونية ، من السيارات إلى الهواتف المحمولة ، وحتى في ألعاب الفيديو.
ما دور المعالج في الحاسوب؟
- تتمثل العملية الأساسية لمعظم وحدات المعالجة المركزية ، بغض النظر عن شكلها المادي ، في تنفيذ برنامج ، وهو عبارة عن مجموعة من التعليمات المخزنة.
- يتم تخزين التعليمات التي يجب تنفيذها في شكل من أشكال ذاكرة الكمبيوتر. أثناء تشغيلها ، تتبع جميع وحدات المعالجة المركزية تقريبا مراحل الجلب وفك التشفير والتنفيذ ، والتي يشار إليها باسم دورة التعليمات.
- يتم تكرار العملية بأكملها بعد تنفيذ التعليمات. مع دورة التعليمات التالية غالبا ما تجلب التعليمات التالية في التسلسل بسبب القيمة المتزايدة في عداد البرنامج.
- سيتم تحديث عداد البرنامج ليحتوي على موقع التعليمات التي تم قفزها إذا تم تنفيذ تعليمات القفز ، وسيستمر البرنامج في العمل بشكل طبيعي.
- يمكن استرداد التعليمات المتعددة وفك تشفيرها وتنفيذها في نفس الوقت على وحدات المعالجة المركزية الأكثر تعقيدا. يناقش هذا القسم "خط أنابيب RISC الأساسي" ، والذي يوجد في العديد من وحدة المعالجة المركزية (CPU) البسيطة المستخدمة في الأجهزة الكهربائية.
- إنه يتجاهل بشكل أساسي الأهمية الحاسمة لذاكرة التخزين المؤقت لوحدة المعالجة المركزية ، وبالتالي مرحلة الوصول إلى خط الأنابيب.
- تقوم بعض التعليمات بتغيير عداد البرنامج بدلا من توفير بيانات الإخراج مباشرة. يشار إلى هذه التعليمات باسم "القفزات" ، وهي تساعد في سلوك البرنامج مثل الحلقات والتنفيذ المشروط ووجود الوظائف. تعليمات أخرى في بعض المعالجات تعدل حالة البتات في سجل "الأعلام".
- يمكن استخدام هذه العلامات لتعديل سلوك البرنامج لأنها تشير بشكل متكرر إلى نتيجة العديد من العمليات.
- تقوم تعليمات "المقارنة" ، على سبيل المثال ، في مثل هذه المعالجات بتقييم قيمتين وتعيين أو مسح البتات في سجل العلامات للإشارة إلى أيهما أكبر أو ما إذا كانا متساويين. يمكن بعد ذلك استخدام إحدى هذه العلامات من خلال تعليمات الانتقال اللاحقة لتحديد تدفق البرنامج.
ما هي أهم مكونات وحدة المعالجة المركزية CPU؟
- الجلب
- فك التشفير
- التنفيذ
- الهيكل والتطبيق
- وحدة التحكم
- وحدة المنطق
- وحدة الإنشاء
- ذاكرة التخزين المؤقت
- معدل الساعة
- النطاق الصحيح
CU (وحدة التحكم) و ALU (الوحدة الحسابية والمنطقية) هما المكونان الأساسيان لوحدة المعالجة المركزية. تنظم وحدة المعالجة تنفيذ العمليات وتتحكم في التوصيلات بين المعالج وأجزاء الكمبيوتر الأخرى.
بالإضافة إلى التوصيلات المرتبطة بالوحدة الحسابية والمنطقية ، بينما تقوم الوحدة الحسابية والمنطقية كما يوحي اسمها بإجراء العمليات الحسابية والمنطقية العمليات المطلوبة لمعالجة البيانات ، مثل الجمع والطرح والمقارنة المنطقية.
تشمل أهم مكونات وحدة المعالجة المركزية او معالج الحاسوب ما يلي:
الجلب
المرحلة الأولى ، الجلب ، تستلزم الحصول على تعليمات البرنامج من الذاكرة. يحدد عداد البرنامج ، الذي يحتوي على رقم يوفر عنوان التعليمات التالية التي سيتم جلبها ، مكان التعليمات في ذاكرة البرنامج.
يزيد الكمبيوتر من طول التعليمات بعد جلب التعليمات بحيث تحتوي على عنوان التعليمات التالية في التسلسل.
كثيرا ما يتم الحصول على الإرشادات المطلوب جلبها من ذاكرة بطيئة ، مما يتسبب في توقف وحدة المعالجة المركزية أثناء انتظار عودة التعليمات. تساعد تصميمات ذاكرات التخزين المؤقت وخطوط الأنابيب في وحدات المعالجة المركزية المعاصرة في حل هذه المشكلة.
فك التشفير
يتم تحديد ما تفعله وحدة المعالجة المركزية من خلال الكود والتعليمات التي تستردها من الذاكرة. يتم تحويل التعليمات إلى إشارات تتحكم في أقسام أخرى من وحدة المعالجة المركزية أثناء عملية فك التشفير. والتي يتم تنفيذها بواسطة دائرة فك تشفير ثنائية تعرف باسم وحدة فك ترميز التعليمات.
تحدد بنية مجموعة تعليمات وحدة المعالجة المركزية كيفية تفسير التعليمات. عادة ما تتم الإشارة إلى الإجراء الذي يتعين القيام به من خلال مجموعة واحدة من البتات ضمن تعليمات تسمى رمز التشغيل.
بينما تقدم الحقول المتبقية عادة معلومات إضافية ضرورية للعملية ، مثل المعاملات. يمكن أن تكون هذه المعاملات قيمة ثابتة أو موقعا لقيمة يمكن أن تكون سجل وحدة المعالجة المركزية أو عنوان ذاكرة ، اعتمادا على وضع العنونة.
يتم تنفيذ وحدة فك ترميز التعليمات في بعض أبنية وحدة المعالجة المركزية كدائرة فك ترميز ثنائية ثابتة. يتم استخدام برنامج microprogram في ظروف أخرى لتحويل التعليمات إلى مجموعات من إشارات تكوين وحدة المعالجة المركزية التي يتم تطبيقها بشكل متتابع عبر العديد من نبضات الساعة.
في ظروف معينة ، تكون الذاكرة التي تحتوي على الأداة قابلة لإعادة الكتابة ، مما يسمح لوحدة المعالجة المركزية بتفسير التعليمات بطريقة مختلفة.
التنفيذ
تأتي مرحلة التنفيذ بعد عمليتي الجلب وفك التشفير. قد تكون هذه عملية واحدة أو سلسلة من الإجراءات ، اعتمادا على بنية وحدة المعالجة المركزية.
تعمل إشارات التحكم على تنشيط أو تعطيل المكونات المميزة لوحدة المعالجة المركزية أثناء كل إجراء ، مما يسمح لها بإكمال كل أو جزء من العملية المطلوبة.
بعد ذلك ، تنتهي العملية عادة استجابة لنبض الساعة. داخليا ، تتم كتابة النتائج في كثير من الأحيان إلى سجل وحدة المعالجة المركزية لسهولة الوصول إليها من خلال التعليمات التالية. في ظروف أخرى ، تتم كتابة النتائج في ذاكرة رئيسية أبطأ ، ولكن أقل تكلفة ، ذات سعة أكبر.
عندما يتم تنفيذ تعليمات إضافة ، على سبيل المثال ، يتم تنشيط سجلات تخزين المعاملات ، وكذلك مكونات وحدة المنطق الحسابي التي تجري عملية الإضافة.
تتدفق المعاملات من المصدر إلى ALU عند حدوث نبضة الساعة ، ويظهر المجموع عند خرج ALU. يتم تمكين المكونات الأخرى لتوصيل الإخراج إلى التخزين على نبضات الساعة المتتالية.
يتم تعيين علامة تجاوز حسابي إذا كان المجموع الناتج كبيرا جدا ، مما يؤثر على العملية التالية.
الهيكل والتطبيق
الأسلاك الصلبة في دائرة وحدة المعالجة المركزية هي مجموعة من العمليات الأساسية التي يمكن أن تؤديها ، تسمى مجموعة التعليمات.
قد تتضمن هذه العمليات ، على سبيل المثال ، إضافة أو طرح رقمين ، أو مقارنة رقمين ، أو القفز إلى جزء مختلف من البرنامج. يتم تمثيل كل تعليمة بمجموعة فريدة من البتات ، تعرف باسم كود تشغيل لغة الآلة.
أثناء معالجة التعليمات ، تقوم وحدة المعالجة المركزية بفك شفرة التشغيل إلى إشارات تحكم تنظم سلوك وحدة المعالجة المركزية. يتكون تعلم لغة الآلة الكامل من كود التشغيل ، وفي كثير من الحالات ، بتات إضافية تحدد وسيطات العملية.
بالارتقاء في مستوى التعقيد ، فإن برنامج لغة الآلة عبارة عن مجموعة من تعليمات لغة الآلة التي تنفذها وحدة المعالجة المركزية.
يتم تنفيذ كل إجراء رياضي لكل تعليمة بواسطة وحدة المنطق الحسابي ، أو ALU ، وهي دائرة منطقية توافقية داخل معالج وحدة المعالجة المركزية.
تنفذ وحدة المعالجة المركزية التعليمات عن طريق استرجاعها من الذاكرة ، وتنفيذ إجراء باستخدام وحدة ALU الخاصة بها ، ثم وضع النتيجة في الذاكرة.
هناك تعليمات أخرى لتحميل البيانات من الذاكرة وحفظها مرة أخرى ، والعمليات المتفرعة ، والعمليات الحسابية على قيم الفاصلة العائمة التي تنفذها وحدة الفاصلة العائمة في وحدة المعالجة المركزية ، بالإضافة إلى التعليمات الخاصة بحساب الأعداد الصحيحة والعمليات المنطقية.
وحدة التحكم
وحدة التحكم هي أحد مكونات وحدة المعالجة المركزية (CPU) التي توجه عملية المعالج. يوجه ذاكرة الكمبيوتر ووحدة الحساب والمنطق وأجهزة الإدخال والإخراج حول كيفية الاستجابة لأوامر المعالج.
يوفر إشارات التوقيت والتحكم للوحدات الأخرى ، وتوجيه عملها. وحدة التحكم المركزية مسؤولة عن غالبية موارد الكمبيوتر. يتحكم في تدفق البيانات بين وحدة المعالجة المركزية والأجهزة المختلفة.
وحدة المنطق
الحساب وحدة المنطق الحسابي (ALU) هي دائرة رقمية تؤدي العمليات الحسابية الصحيحة والعمليات المنطقية داخل المعالج. كلمات البيانات التي سيتم تشغيلها ، معلومات الحالة من العمليات السابقة ، ورمز من وحدة التحكم يشير إلى الإجراء المراد تنفيذه كلها مدخلات إلى ALU.
قد تنشأ المعاملات من سجلات وحدة المعالجة المركزية الداخلية أو الذاكرة الخارجية ، أو قد تكون ثوابت تنتجها وحدة ALU نفسها ، اعتمادا على التعليمات التي يتم تنفيذها.
تظهر نتيجة العملية عند مخرجات ALU بمجرد استقرار جميع إشارات الإدخال ونشرها عبر دائرة ALU. والنتائج هي كلمة البيانات ، التي يمكن وضعها في السجل أو الذاكرة ، ومعلومات الحالة ، والتي يتم حفظها عادة في سجل وحدة المعالجة المركزية الداخلية المخصص والمخصص لهذا الغرض.
وحدة الإنشاء
وحدة إنشاء العنوان ، المعروف أيضا باسم وحدة حساب العنوان ، هو وحدة تنفيذ المعالج التي تحسب العناوين التي تستخدمها وحدة المعالجة المركزية للوصول إلى الذاكرة الرئيسية.
يمكن تقليل مقدار دورات وحدة المعالجة المركزية اللازمة لتنفيذ تعليمات الآلة المميزة عن طريق إجراء حساب العنوان بواسطة دوائر منفصلة تعمل بالتوازي مع بقية وحدة المعالجة المركزية ، مما يؤدي إلى تحسين الأداء.
يجب أن تحسب وحدات المعالجة المركزية عناوين الذاكرة اللازمة لجلب البيانات من الذاكرة أثناء تنفيذ عمليات مختلفة ؛ على سبيل المثال ، يجب حساب مواضع عناصر الصفيف في الذاكرة قبل أن تتمكن وحدة المعالجة المركزية من جلب البيانات من مواقع الذاكرة الفعلية.
تستخدم عمليات حسابية للأعداد الصحيحة المختلفة ، مثل الجمع والطرح وعمليات النموذج وتحولات البتات ، في حساب إنشاء العنوان. يتطلب حساب عنوان الذاكرة أحيانا العديد من إرشادات المعالج ذات الأغراض العامة ، والتي لا تقوم دائما بفك التشفير والتنفيذ بكفاءة.
يمكن إزالة حسابات إنشاء العناوين المختلفة من بقية وحدة المعالجة المركزية وعادة ما يتم إكمالها بكفاءة في دورة وحدة معالجة مركزية واحدة عن طريق تضمين AGU في بنية وحدة المعالجة المركزية وتوفير إرشادات محددة تستخدم AGU.
يتم تحديد قدرات AGU بواسطة وحدة المعالجة المركزية وبنيتها. ونتيجة لذلك ، تقوم بعض وحدات AGU بإجراء وكشف المزيد من العمليات الحسابية للعناوين ، في حين أن البعض الآخر لديه تعليمات متخصصة متطورة يمكنها التعامل مع العديد من المعاملات في وقت واحد.
علاوة على ذلك ، تتضمن بعض بنيات وحدة المعالجة المركزية العديد من وحدات AGU ، مما يسمح بالتنفيذ المتزامن للعديد من حسابات العناوين ، مما يؤدي إلى زيادة تحسين الأداء من خلال الاستفادة من الطبيعة الأفضل لتصميمات وحدة المعالجة المركزية الحديثة.
على سبيل المثال ، تمتلك معماري Intel's Sandy Bridge و Haswell العديد من وحدات AGU ، مما يعزز عرض النطاق الترددي للنظام الفرعي لذاكرة وحدة المعالجة المركزية من خلال السماح بالعديد من التعليمات للوصول إلى الذاكرة بشكل متواز.
تتكون وحدة إدارة الذاكرة من
تعمل معظم المعالجات الدقيقة المتطورة في وحدة إدارة الذاكرة على تحويل العناوين المنطقية إلى عناوين ذاكرة RAM فعلية ، مما يسمح بحماية الذاكرة والترحيل ، وهو أمر مفيد للذاكرة الافتراضية. غالبا ما تكون وحدات MMU غائبة عن المعالجات الأبسط ، مثل وحدات التحكم الدقيقة.
ذاكرة التخزين المؤقت ومخابئ L1 | L2 | L3
تستخدم وحدة المعالجة المركزية (CPU) للكمبيوتر ذاكرة تخزين مؤقت للأجهزة لتقليل متوسط تكلفة الوصول إلى البيانات من الذاكرة الرئيسية.
ذاكرة التخزين المؤقت هي ذاكرة أصغر وأسرع تخزن نسخا من البيانات من مواقع الذاكرة الرئيسية التي يتم الوصول إليها بشكل متكرر بالقرب من مركز وحدة المعالجة المركزية.
تتميز معظم وحدات المعالجة المركزية بالعديد من ذاكرات التخزين المؤقت المستقلة ، بما في ذلك مخابئ التعليمات والبيانات ، وغالبا ما يتم تنظيم ذاكرة التخزين المؤقت للبيانات على أنها بنية هرمية ذات مستويات متعددة من ذاكرة التخزين المؤقت.
توجد مخابئ وحدة المعالجة المركزية على مستويات عديدة في جميع وحدات المعالجة المركزية الحالية. كان لدى وحدات المعالجة المركزية الأولى التي تستخدم ذاكرة تخزين مؤقت مستوى واحد فقط من ذاكرة التخزين المؤقت ، والتي لم يتم فصلها إلى L1d و L1i مثل مخابئ المستوى 1 اللاحقة.
تم العثور على ذاكرة تخزين مؤقت منقسمة المستوى 1 في جميع وحدات المعالجة المركزية الحديثة تقريبا مع ذاكرات التخزين المؤقت. لديهم أيضا مخابئ L2 ، بالإضافة إلى مخابئ L3 لوحدات المعالجة المركزية الأكبر.
عادة لا يتم تقسيم ذاكرة التخزين المؤقت L2 وتعمل كمستودع مشترك لذاكرة التخزين المؤقت L1 ، والتي تم تقسيمها بالفعل. يتم تخصيص ذاكرة التخزين المؤقت L2 للمعالج متعدد النواة لكل نواة ولا يتم مشاركتها بشكل عام.
لا يتم تقسيم ذاكرة التخزين المؤقت L3 وذاكرة التخزين المؤقت ذات المستوى الأعلى ويتم مشاركتها بين النوى.
ذاكرة التخزين المؤقت L4 ليست منتشرة على نطاق واسع في الوقت الحالي ، وعادة ما تكون على ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية بدلا من ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة على كتلة أو شريحة منفصلة.
كان هذا هو الحال أيضا مع L1 في الماضي ، لكن الرقائق الأكبر جعلت ذلك ممكنا.
توجد ذاكرات تخزين مؤقت أخرى ، مثل المخزن المؤقت للترجمة ، وهو أحد مكونات وحدة إدارة ذاكرة معظم وحدات المعالجة المركزية.
معدل الساعة
غالبية معالجات الحاسوب عبارة عن دوائر متزامنة ، مما يعني أنها تستخدم إشارة ساعة لتسريع العمليات المتسلسلة. تخلق دائرة مذبذب خارجية عددا محددا من النبضات في الثانية على شكل موجة مربعة دورية لتوليد إشارة الساعة.
يتم تحديد وتيرة تنفيذ وحدة المعالجة المركزية للتعليمات من خلال تردد نبضات الساعة ؛ وبالتالي ، كلما زادت سرعة الساعة ، زادت التعليمات التي تنفذها وحدة المعالجة المركزية في الثانية.
طريقة بوابة الساعة ، والتي تتضمن إيقاف تشغيل إشارة الساعة إلى مكونات غير ضرورية ، هي إحدى التقنيات للتعامل مع تبديل المكونات غير الضرورية. ومع ذلك ، نظرا لأن هذا ينظر إليه عادة على أنه صعب التنفيذ ، فإنه يستخدم فقط في الأجهزة منخفضة الطاقة للغاية.
يعد Xenon المستند إلى IBM PowerPC والمستخدم في Xbox أحد بنية وحدة المعالجة المركزية الحديثة البارزة التي تستخدم بوابة ساعة واسعة النطاق ؛ نتيجة لذلك ، انخفض استهلاك الطاقة ل Xbox بشكل كبير.
هناك خيار آخر لمعالجة بعض المشكلات المتعلقة بإشارة الساعة العالمية وهو إيقاف تشغيلها تماما. بينما يؤدي التخلص من إشارة الساعة العالمية إلى تعقيد عملية التصميم بعدة طرق ، توفر البنى غير المتزامنة مزايا مهمة من حيث استخدام الطاقة وتبديد الحرارة على الأجهزة المتزامنة.
تم تصميم وحدات المعالجة المركزية غير المتزامنة ، على الرغم من ندرتها ، تماما دون استخدام إشارة الساعة العالمية. تعتبر AMULET المتوافقة مع ARM و MiniMIPS المتوافقة مع MIPS R3000 مثالين مشهورين على ذلك.
بدلا من إلغاء إشارة الساعة تماما ، تسمح بعض تصميمات وحدة المعالجة المركزية لعناصر معينة من الجهاز بأن تكون غير متزامنة ، مثل استخدام وحدات ALU غير المتزامنة مع خطوط الأنابيب الفائقة لتحسين الكفاءة الحسابية.
في حين أنه من غير الواضح ما إذا كانت البنى غير المتزامنة تماما يمكن أن تعمل على قدم المساواة مع الإصدارات المتزامنة أو أفضل منها ، فمن الواضح أنها تتفوق على الأقل في المهام البسيطة. هذا ، إلى جانب استهلاكها المنخفض للطاقة وتبديد الحرارة المرتفع ، يجعلها مثالية لأجهزة الكمبيوتر المدمجة.
النطاق الصحيح
يتم تحديد نطاق قيم الأعداد الصحيحة التي قد تعمل عليها وحدة المعالجة المركزية مباشرة من خلال حجم العدد الصحيح لوحدة المعالجة المركزية. على سبيل المثال ، يمكن لوحدة المعالجة المركزية (CPU) ذات 8 بتات معالجة أعداد صحيحة مع نطاق من 256 قيمة عددية منفصلة ممثلة بثمانية بتات.
يتم تمثيل القيم العددية بشكل مختلف بواسطة كل وحدة معالجة مركزية. بعض أجهزة الكمبيوتر الرقمية المبكرة ، على سبيل المثال ، عبرت عن الأرقام باستخدام القيم العشرية القياسية ، بينما استخدم البعض الآخر تمثيلات غريبة مثل ثلاثية.
تمثل جميع وحدات المعالجة المركزية الحالية تقريبا أرقاما في شكل ثنائي ، حيث يتوافق كل رقم مع خاصية فيزيائية ثنائية مثل الجهد "العالي" أو "المنخفض".
يشار إلى حجم ودقة الأرقام الصحيحة التي يمكن أن تمثلها وحدة المعالجة المركزية بالتمثيل العددي. يتم تحديد ذلك في حالة وحدة المعالجة المركزية الثنائية من خلال عدد البتات التي يمكنها معالجتها في عملية واحدة.
والتي يشار إليها عادة باسم حجم الكلمة أو عرض البت أو عرض مسار البيانات أو دقة العدد الصحيح أو حجم العدد الصحيح.
يتم تحديد نطاق قيم الأعداد الصحيحة التي قد تعمل عليها وحدة المعالجة المركزية مباشرة من خلال حجم العدد الصحيح لوحدة المعالجة المركزية. على سبيل المثال ، يمكن لوحدة المعالجة المركزية (CPU) ذات 8 بتات معالجة أعداد صحيحة مع نطاق من 256 قيمة عددية منفصلة ممثلة بثمانية بتات.
يتأثر أيضا مقدار مواقع الذاكرة التي قد تعالجها وحدة المعالجة المركزية مباشرة بالنطاق المناسب. إذا كانت وحدة المعالجة المركزية الثنائية تمثل عنوان ذاكرة يحتوي على 32 بت ، فقد تتناول 232 مكانا في الذاكرة مباشرة.
تستخدم بعض وحدات المعالجة المركزية تقنيات تسمح بمعالجة المزيد من الذاكرة للتغلب على هذا القيد ولأسباب أخرى متنوعة.
تحتاج أحجام الكلمات الكبيرة إلى مزيد من الدوائر ، مما يعني أنها أكبر من الناحية المادية وتكلفتها أعلى وتستخدم طاقة أكبر. نتيجة لذلك ، حتى لو كانت وحدات المعالجة المركزية (CPU) ذات أحجام الكلمات الأكبر متوفرة بشكل كبير ، فإن المتحكمات الدقيقة ذات أقل من 4 أو 8 بتات يتم استخدامها بشكل روتيني في التطبيقات الحالية.
ومع ذلك ، عندما يكون الأداء الأفضل ضروريا ، فإن مزايا حجم الكلمات الأكبر قد تفوق العيوب.
تتميز العديد من مجموعات التعليمات بعروض بت مميزة للأعداد الصحيحة وبيانات الفاصلة العائمة للاستفادة من مزايا كل من أطوال البت المنخفضة والعالية. يتيح ذلك لوحدات المعالجة المركزية (CPU) التي تنفذ مجموعة التعليمات هذه أن يكون لها عروض بت مختلفة لمناطق مختلفة من الجهاز.
مجموعة تعليمات IBM System / 360 ، على سبيل المثال ، كانت إلى حد كبير 32 بت ، لكنها سمحت بقيم الفاصلة العائمة 64 بت للسماح بمزيد من الدقة والنطاق في أرقام الفاصلة العائمة.
تستخدم العديد من تصميمات وحدة المعالجة المركزية الحديثة عرضا مختلطا مشابها لهذا العرض ، خاصة عندما يكون المعالج مصمما للتطبيقات ذات الأغراض العامة ويكون التوازن المناسب بين قدرات العدد الصحيح والنقطة العائمة ضروريا.
استنتاج أخير
مع التطورات في الإنترنت والشبكات الاجتماعية وإمكانيات الهاتف المحمول ، تطور استخدام الكمبيوتر بشكل كبير في السنوات الأخيرة. الأشخاص المتميزون لديهم مطالب مختلفة يمكن أن يلبيها الكمبيوتر.
لذا فإن الخطوة الأولى هي تحديد متطلباتك ونوع وحدة المعالجة المركزية CPU الذي تريده. تابعوا معنا المقالات القادمة عن أفضل المعالجات وأفضل شركات التصنيع في موقعكم دليل التكنولوجيا والسيو.
المراجع: