كيف يعمل المعالج الدقيق للكمبيوتر؟ دعونا نلقي نظرة على بعض النقاط المهمة حول كيفية عمل الكمبيوتر.

يعلم الجميع تقريبًا أن العنصر الرئيسي بين جميع المكونات "الصلبة" في الكمبيوتر هو المعالج المركزي. لكن دائرة الأشخاص الذين يفهمون كيفية عمل المعالج محدودة للغاية. معظم المستخدمين ليس لديهم فكرة عن هذا. وحتى عندما يبدأ النظام فجأة في التباطؤ، يعتقد الكثيرون أن المعالج لا يعمل بشكل جيد ولا يعلق أهمية على العوامل الأخرى. لفهم الموقف بشكل كامل، دعونا نلقي نظرة على بعض جوانب تشغيل وحدة المعالجة المركزية.

ما هي وحدة المعالجة المركزية؟

مما يتكون المعالج؟

إذا تحدثنا عن كيفية عمل معالج Intel أو AMD المنافس له، فأنت بحاجة إلى إلقاء نظرة على كيفية تصميم هذه الرقائق. أول معالج دقيق (بالمناسبة، كان من إنتل، موديل 4040) ظهر في عام 1971. يمكنه إجراء أبسط عمليات الجمع والطرح فقط مع معالجة 4 بتات فقط من المعلومات، أي أن لديه بنية 4 بت.

تعتمد المعالجات الحديثة، مثل البكر، على الترانزستورات وهي أسرع بكثير. يتم تصنيعها بواسطة الطباعة الحجرية الضوئية من عدد معين من رقائق السيليكون الفردية التي تشكل بلورة واحدة تُطبع فيها الترانزستورات. يتم إنشاء الدائرة على مسرع خاص باستخدام أيونات البورون المتسارعة. في الهيكل الداخلي للمعالجات، المكونات الرئيسية هي النوى والناقلات والجزيئات الوظيفية التي تسمى المراجعات.

الميزات الرئيسية

مثل أي جهاز آخر، يتميز المعالج بمعلمات معينة لا يمكن تجاهلها عند الإجابة على سؤال حول كيفية عمل المعالج. أولا وقبل كل هذا:

• عدد النوى
• عدد المواضيع
• حجم ذاكرة التخزين المؤقت (الذاكرة الداخلية)؛
• تردد الساعة
• سرعة الإطارات.

في الوقت الحالي، دعونا نركز على تردد الساعة. ليس من قبيل الصدفة أن يُطلق على المعالج اسم قلب الكمبيوتر. مثل القلب، فهو يعمل في وضع النبض بعدد معين من النبضات في الثانية. يتم قياس تردد الساعة بالميجاهرتز أو جيجاهرتز. كلما زاد ارتفاعه، زادت العمليات التي يمكن للجهاز القيام بها.

يمكنك معرفة التردد الذي يعمل به المعالج من خلال خصائصه المعلنة أو إلقاء نظرة على المعلومات الواردة فيه. ولكن أثناء معالجة الأوامر، يمكن أن يتغير التردد، وأثناء رفع تردد التشغيل (رفع تردد التشغيل) يمكن أن يزيد إلى الحدود القصوى. وبالتالي، فإن القيمة المعلنة هي مجرد مؤشر متوسط.

عدد النوى هو مؤشر يحدد عدد مراكز المعالجة للمعالج (يجب عدم الخلط بينه وبين الخيوط - قد لا يكون عدد النوى والخيوط هو نفسه). وبسبب هذا التوزيع، من الممكن إعادة توجيه العمليات إلى مراكز أخرى، وبالتالي زيادة الأداء العام.

كيف يعمل المعالج: معالجة الأوامر

الآن قليلا عن هيكل الأوامر القابلة للتنفيذ. إذا نظرت إلى كيفية عمل المعالج، فأنت بحاجة إلى أن تفهم بوضوح أن أي أمر يتكون من مكونين - عنصر تشغيلي وعامل.

يحدد الجزء التشغيلي ما يجب إنجازه في اللحظةفي نظام الكمبيوتر، يحدد المعامل ما يجب أن يعمل عليه المعالج. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يحتوي قلب المعالج على مركزين للحوسبة (حاويات، خيوط)، والتي تقسم تنفيذ الأمر إلى عدة مراحل:

• إنتاج؛
• فك التشفير؛
• تنفيذ الأمر؛
• الوصول إلى ذاكرة المعالج نفسه
• حفظ النتيجة.

اليوم، يتم استخدام التخزين المؤقت المنفصل في شكل استخدام مستويين من ذاكرة التخزين المؤقت، مما يتجنب اعتراض أمرين أو أكثر للوصول إلى إحدى كتل الذاكرة.

بناءً على نوع معالجة الأوامر، يتم تقسيم المعالجات إلى معالجات خطية (تنفيذ الأوامر بالترتيب الذي تمت كتابتها به)، ودورية ومتفرعة (تنفيذ التعليمات بعد معالجة شروط الفرع).

العمليات المنفذة

ومن بين الوظائف الرئيسية المسندة إلى المعالج، من حيث الأوامر أو التعليمات المنفذة، يمكن تمييز ثلاث مهام رئيسية:

• العمليات الرياضية القائمة على جهاز حسابي منطقي؛
• نقل البيانات (المعلومات) من نوع واحد من الذاكرة إلى نوع آخر؛
• اتخاذ قرار بشأن تنفيذ الأمر، وعلى أساسه اختيار التبديل إلى تنفيذ مجموعات أخرى من الأوامر.

التفاعل مع الذاكرة (ROM وRAM)

في هذه العملية، المكونات التي يجب ملاحظتها هي الناقل وقناة القراءة والكتابة، المتصلة بأجهزة التخزين. يحتوي ROM على مجموعة ثابتة من البايتات. أولاً، يطلب ناقل العناوين بايتًا محددًا من ذاكرة القراءة فقط، ثم ينقلها إلى ناقل البيانات، وبعد ذلك تغير قناة القراءة حالتها ويوفر ذاكرة القراءة فقط البايت المطلوب.

لكن المعالجات لا يمكنها قراءة البيانات من ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) فحسب، بل يمكنها أيضًا كتابتها. في هذه الحالة، يتم استخدام قناة التسجيل. ولكن، إذا نظرت إليها، إلى حد كبير أجهزة الكمبيوتر الحديثةمن الناحية النظرية البحتة، يمكننا الاستغناء عن ذاكرة الوصول العشوائي على الإطلاق، لأن وحدات التحكم الدقيقة الحديثة قادرة على وضع بايت البيانات اللازمة مباشرة في ذاكرة شريحة المعالج نفسها. ولكن لا توجد طريقة للاستغناء عن ROM.

من بين أمور أخرى، يبدأ النظام من وضع اختبار الأجهزة (أوامر BIOS)، وبعد ذلك فقط يتم نقل التحكم إلى نظام التشغيل التحميل.

كيفية التحقق مما إذا كان المعالج يعمل؟

الآن دعونا نلقي نظرة على بعض جوانب التحقق من أداء المعالج. يجب أن يكون مفهوما بوضوح أنه إذا كان المعالج لا يعمل، فلن يتمكن الكمبيوتر من بدء التحميل على الإطلاق.

إنها مسألة أخرى عندما تحتاج إلى إلقاء نظرة على مؤشر استخدام قدرات المعالج في لحظة معينة. يمكن القيام بذلك من خلال "إدارة المهام" القياسية (على عكس أي عملية يتم الإشارة إلى النسبة المئوية لحمل المعالج الذي توفره). لتحديد هذه المعلمة بشكل مرئي، يمكنك استخدام علامة تبويب الأداء، حيث يتم تعقب التغييرات في الوقت الفعلي. يمكن رؤية الخيارات المتقدمة باستخدام برامج خاصةعلى سبيل المثال وحدة المعالجة المركزية-Z.

بالإضافة إلى ذلك، يمكنك استخدام نوى معالج متعددة باستخدام (msconfig) و خيارات إضافيةالتنزيلات.

المشاكل المحتملة

وأخيرا، بضع كلمات عن المشاكل. كثيرًا ما يتساءل العديد من المستخدمين لماذا يعمل المعالج ولا يتم تشغيل الشاشة؟ هذا الوضع لا علاقة له بالمعالج المركزي. والحقيقة هي أنه عند تشغيل أي جهاز كمبيوتر، يتم اختبار محول الرسومات أولا، وبعد ذلك فقط كل شيء آخر. ربما تكمن المشكلة بالتحديد في معالج شريحة الرسومات (جميع مسرعات الفيديو الحديثة لها معالجات رسومات خاصة بها).

ولكن باستخدام مثال عمل جسم الإنسان، عليك أن تفهم أنه في حالة السكتة القلبية، يموت الجسم بأكمله. الشيء نفسه مع أجهزة الكمبيوتر. المعالج لا يعمل - نظام الكمبيوتر بأكمله "يموت".

المعالجات الحديثة لها شكل مستطيل صغير، يتم تقديمه على شكل رقاقة سيليكون. اللوحة نفسها محمية بغطاء خاص مصنوع من البلاستيك أو السيراميك. جميع الدوائر الرئيسية محمية، وبفضلها يتم التشغيل الكامل لوحدة المعالجة المركزية. إذا مع مظهركل شيء بسيط للغاية، ماذا عن الدائرة نفسها وكيف تم تصميم المعالج؟ دعونا ننظر إلى هذا بمزيد من التفصيل.

وحدة المعالجة المركزية لا تشمل عدد كبيرعناصر مختلفة. يقوم كل منهم بإجراءاته الخاصة، ويتم نقل البيانات والتحكم. المستخدمين العاديينلقد اعتدنا على التمييز بين المعالجات من خلال سرعة الساعة وحجم ذاكرة التخزين المؤقت والنوى. ولكن هذا ليس كل ما يضمن موثوقية و عمل سريع. يجدر إيلاء اهتمام خاص لكل مكون.

بنيان

غالبًا ما يختلف التصميم الداخلي لوحدات المعالجة المركزية عن بعضها البعض؛ فكل عائلة لديها مجموعة خاصة بها من الخصائص والوظائف - وهذا ما يسمى بنيتها المعمارية. يمكن رؤية مثال لتصميم المعالج في الصورة أدناه.

لكن الكثير من الناس معتادون على فهم بنية المعالج بطريقة مختلفة قليلاً. إذا نظرنا إليها من وجهة نظر برمجية، فسيتم تعريفها من خلال قدرتها على تنفيذ مجموعة معينة من الأكواد. إذا قمت بشراء وحدة المعالجة المركزية الحديثة، فمن المرجح أن تكون بنية x86.

النوى

الجزء الرئيسي من وحدة المعالجة المركزية يسمى النواة، وهو يحتوي على جميع الكتل الضرورية، ويقوم أيضًا بتنفيذ المهام المنطقية والحسابية. إذا نظرت إلى الشكل أدناه، يمكنك أن ترى كيف تبدو كل كتلة وظيفية للنواة:

1. وحدة جلب التعليمات.هنا يتم التعرف على التعليمات من خلال العنوان الموضح في عداد البرنامج. يعتمد عدد القراءة المتزامنة للأوامر بشكل مباشر على عدد وحدات فك التشفير المثبتة، مما يساعد على تحميل كل دورة عمل بأكبر عدد من التعليمات.
2. توقع التحولهو المسؤول عن التشغيل الأمثل لوحدة جلب التعليمات. فهو يحدد تسلسل التعليمات التي سيتم تنفيذها، وتحميل خط أنابيب النواة.
3. وحدة فك التشفير.هذا الجزء من النواة مسؤول عن تحديد عمليات معينة لأداء المهام. مهمة فك التشفير نفسها صعبة للغاية بسبب حجم التعليمات المتغير. تحتوي أحدث المعالجات على العديد من هذه الكتل في قلب واحد.
4. وحدات أخذ عينات البيانات.يأخذون المعلومات من ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) أو ذاكرة التخزين المؤقت. يقومون بالضبط بأخذ عينات من البيانات الضرورية في هذه اللحظة لتنفيذ التعليمات.
5. كتلة التحكم.الاسم نفسه يتحدث كثيرًا عن أهمية هذا المكون. في القلب، هو العنصر الأكثر أهمية، لأنه يوزع الطاقة بين جميع الكتل، مما يساعد على تنفيذ كل إجراء في الوقت المحدد.
6. وحدة لحفظ النتائج.مصممة للتسجيل بعد الانتهاء من معالجة التعليمات في ذاكرة الوصول العشوائي. تم تحديد عنوان التخزين في المهمة قيد التشغيل.
7. عنصر العمل مع الانقطاعات.وحدة المعالجة المركزية قادرة على القيام بمهام متعددة بفضل وظيفة المقاطعة، والتي تسمح لها بإيقاف تقدم أحد البرامج عن طريق التبديل إلى تعليمات أخرى.
8. السجلات.يتم تخزين النتائج المؤقتة للتعليمات هنا؛ ويمكن تسمية هذا المكون بذاكرة الوصول العشوائي السريعة الصغيرة. في كثير من الأحيان لا يتجاوز حجمه عدة مئات من البايتات.
9. عداد الأوامر.يقوم بتخزين عنوان التعليمات التي سيتم استخدامها في دورة المعالج التالية.

حافلة النظام

يقوم ناقل نظام وحدة المعالجة المركزية بتوصيل الأجهزة المضمنة في الكمبيوتر. هو وحده الذي يرتبط به مباشرة؛ أما العناصر المتبقية فترتبط من خلال وحدات تحكم مختلفة. تحتوي الحافلة نفسها على العديد من خطوط الإشارة التي يتم من خلالها نقل المعلومات. يحتوي كل خط على بروتوكول خاص به، والذي يوفر الاتصال عبر وحدات التحكم مع مكونات الكمبيوتر الأخرى المتصلة. للحافلة تردد خاص بها، وكلما زاد ارتفاعها، زادت سرعة تبادل المعلومات بين عناصر الاتصال في النظام.

ذاكرة التخزين المؤقت

يعتمد أداء وحدة المعالجة المركزية على قدرتها على جلب التعليمات والبيانات من الذاكرة في أسرع وقت ممكن. بسبب ذاكرة التخزين المؤقت، يتم تقليل وقت تنفيذ العمليات بسبب حقيقة أنها تعمل كمخزن مؤقت، مما يضمن النقل الفوري للبيانات من وحدة المعالجة المركزية إلى ذاكرة الوصول العشوائي أو العكس.

السمة الرئيسية للذاكرة المؤقتة هي اختلاف مستوياتها. إذا كانت عالية، فهذا يعني أن الذاكرة أبطأ وأكثر ضخامة. أسرع وأصغر ذاكرة هي المستوى الأول. مبدأ تشغيل هذا العنصر بسيط للغاية - تقوم وحدة المعالجة المركزية بقراءة البيانات من ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) وإدخالها في ذاكرة التخزين المؤقت لأي مستوى، مع حذف المعلومات التي تم الوصول إليها منذ فترة طويلة. إذا احتاج المعالج إلى هذه المعلومات مرة أخرى، فسوف يستقبلها بشكل أسرع بفضل المخزن المؤقت.

المقبس (الموصل)

نظرا لحقيقة أن المعالج لديه موصل خاص به (أنثى أو فتحة)، يمكنك استبداله بسهولة في حالة كسر جهاز الكمبيوتر الخاص بك أو ترقيته. بدون مقبس، سيتم لحام وحدة المعالجة المركزية ببساطة في اللوحة الأم، مما يجعل الإصلاحات اللاحقة أو الاستبدال أكثر صعوبة. يجدر الانتباه - كل فتحة مخصصة حصريًا لتثبيت معالجات معينة.

غالبًا ما يقوم المستخدمون بالشراء عن غير قصد معالج غير متوافقواللوحة الأم مما يسبب مشاكل إضافية.

وحدة المعالجة المركزية هو مكون العمل الرئيسي لجهاز الكمبيوتر الذي يقوم بإجراء العمليات الحسابية والمنطقية، ويتحكم في عملية الحوسبة وينسق تشغيل جميع أجهزة الكمبيوتر.

يحتوي المعالج المركزي بشكل عام على:

وحدة حسابية منطقية

حافلات البيانات وحافلات العناوين؛

السجلات.

عدادات البرنامج

ذاكرة التخزين المؤقت - جدا ذاكرة سريعةحجم صغير،

المعالج الرياضي الفاصلة العائمة.

يتم تنفيذ المعالجات الحديثة كمعالجات دقيقة. من الناحية المادية، المعالج الدقيق عبارة عن دائرة متكاملة - رقاقة مستطيلة رفيعة من السيليكون البلوري تبلغ مساحتها بضعة ملليمترات مربعة فقط، توضع عليها دوائر تنفذ جميع وظائف المعالج. عادةً ما يتم وضع اللوح البلوري في غلاف مسطح من البلاستيك أو السيراميك ويتم توصيله بواسطة أسلاك ذهبية بدبابيس معدنية بحيث يمكن توصيله باللوحة الأم للكمبيوتر.

الخصائص الرئيسية للمعالج:

الأداء هو الخاصية الرئيسية التي توضح السرعة التي يقوم بها الكمبيوتر بعمليات معالجة المعلومات. ويعتمد بدوره على الخصائص التالية:

تردد الساعة - يحدد عدد دورات المعالج في الثانية

سعة البت - تحدد حجم الحد الأدنى من المعلومات التي تسمى الكلمة الآلية

مساحة العنوان - عرض ناقل العنوان، أي الحد الأقصى لمقدار ذاكرة الوصول العشوائي التي يمكن تثبيتها على الكمبيوتر

8.2.3. مبدأ تشغيل المعالج.

المعالج هو العنصر الرئيسي للكمبيوتر. فهو يتحكم بشكل مباشر أو غير مباشر في جميع الأجهزة والعمليات التي تحدث في الكمبيوتر.

في تصميم المعالجات الحديثة هناك اتجاه واضح نحو الزيادة المستمرة في تردد الساعة. وهذا أمر طبيعي: كلما زاد عدد العمليات التي يقوم بها المعالج، كلما ارتفع أدائه. يتم تحديد الحد الأقصى لتردد الساعة إلى حد كبير من خلال تكنولوجيا إنتاج الدوائر الدقيقة الحالية (أصغر أحجام العناصر التي يمكن تحقيقها، والتي تحدد الحد الأدنى لوقت إرسال الإشارة).

بالإضافة إلى زيادة تردد الساعة، يتم تحقيق زيادة أداء المعالج من خلال المطورين باستخدام تقنيات أقل وضوحًا مرتبطة باختراع بنيات جديدة وخوارزميات معالجة المعلومات. دعونا نلقي نظرة على بعض منهم باستخدام مثال معالج بنتيوم(ص5) والنماذج اللاحقة.

دعونا ندرج الميزات الرئيسية لمعالج Pentium:

معالجة معلومات خطوط الأنابيب؛

بنية السلمية الفائقة؛

وجود ذاكرة تخزين مؤقت منفصلة للأوامر والبيانات؛

وجود كتلة التنبؤ بعنوان الانتقال؛

تنفيذ البرنامج الديناميكي؛

وجود وحدة حساب النقطة العائمة.

دعم تشغيل المعالجات المتعددة؛

توافر أدوات الكشف عن الأخطاء.

يعني مصطلح "هندسة السلمية الفائقة" أن المعالج يحتوي على أكثر من وحدة حوسبة واحدة. غالبًا ما تسمى هذه الوحدات الحسابية خطوط الأنابيب. لاحظ أنه تم تنفيذ أول بنية سلمية فائقة في الكمبيوتر المنزلي "Elbrus-1" (1978).

يسمح وجود خطي أنابيب في المعالج بتنفيذ (إكمال) أمرين (تعليمات) في وقت واحد.

يقسم كل مسار عملية تنفيذ الأمر إلى عدة مراحل (على سبيل المثال، خمس):

جلب (قراءة) أمر من ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) أو ذاكرة التخزين المؤقت؛

فك تشفير (فك) الأمر، أي تحديد رمز العملية التي يتم تنفيذها؛

تنفيذ الأمر؛

الوصول إلى الذاكرة.

تخزين النتائج التي تم الحصول عليها في الذاكرة.

لتنفيذ كل مرحلة من المراحل المذكورة (كل عملية)، يتم استخدام مرحلة جهاز منفصلة. وبالتالي، هناك خمس مراحل في كل خط أنابيب معالج بنتيوم.

في معالجة خطوط الأنابيب، يتم تخصيص دورة واحدة من تردد المزامنة (الساعة) لكل مرحلة. في كل دورة جديدة، ينتهي تنفيذ أمر واحد ويبدأ تنفيذ أمر جديد. يسمى هذا النوع من تنفيذ الأوامر بالترابط.

مجازيًا، يمكن مقارنتها بناقل الإنتاج (التدفق)، حيث يتم دائمًا تنفيذ نفس العملية في كل قسم بمنتجات مختلفة. في الوقت نفسه، عندما يغادر المنتج النهائي خط التجميع، يأتي منتج جديد إليه، وبقية المنتجات في هذا الوقت في مراحل مختلفة من الاستعداد. يجب أن يتم انتقال المنتجات المصنعة من قسم إلى آخر بشكل متزامن، وفقًا لإشارات خاصة (في المعالج، هذه دورات يتم إنشاؤها بواسطة مولد الساعة).

إجمالي وقت التنفيذ لتعليمة واحدة في خط أنابيب من خمس مراحل سيكون خمس دورات على مدار الساعة. في كل دورة ساعة، سيقوم المسار بمعالجة (تنفيذ) خمسة تعليمات مختلفة في وقت واحد. ونتيجة لذلك، سيتم تنفيذ خمسة أوامر في خمس دورات على مدار الساعة. وبالتالي، فإن الأنابيب تزيد من أداء المعالج، ولكنها لا تقلل من وقت تنفيذ تعليمة واحدة. يتم الحصول على المكاسب من خلال معالجة عدة أوامر في وقت واحد.

في الواقع، يزيد خط الأنابيب من وقت تنفيذ كل أمر على حدة بسبب التكاليف الإضافية المرتبطة بتنظيم خط الأنابيب. في هذه الحالة، يقتصر تردد الساعة على سرعة تشغيل أبطأ مرحلة من الناقل.

على سبيل المثال، خذ بعين الاعتبار عملية تنفيذ أمر تبلغ أوقات تنفيذ مرحلته 60 و30 و40 و50 و20 نانوثانية. لنفترض أن التكاليف الإضافية لتنظيم معالجة خطوط الأنابيب هي 5 نانوثانية.

إذا لم تكن هناك خطوط أنابيب، فسوف يستغرق الأمر

60 + 30 + 40 + 50 + 20 = 200 نانو ثانية.

إذا تم استخدام منظمة ناقلة، فيجب أن تكون مدة التكت مساوية لمدة أبطأ مرحلة معالجة مع إضافة التكاليف "العامة"، أي. 60 + 5 = 65 نانو ثانية. وبالتالي، فإن التخفيض في وقت تنفيذ الأمر الذي تم الحصول عليه نتيجة لخط الأنابيب سيكون 200/65"3.1 مرة.

لاحظ أن وقت تنفيذ خط الأنابيب لتعليمة واحدة هو 5 × 65 = 325 نانوثانية. هذه القيمة أكبر بكثير من 200 نانوثانية - وقت تنفيذ الأمر بدون توجيه. لكن التنفيذ المتزامن لخمسة أوامر في وقت واحد يعطي متوسط ​​وقت إكمال أمر واحد يبلغ 65 نانو ثانية.

يحتوي معالج Pentium على مخبأين L1 (يوجدان داخل المعالج). كما تعلم، فإن التخزين المؤقت يزيد من أداء المعالج عن طريق تقليل عدد المرات التي ينتظر فيها وصول المعلومات من ذاكرة الوصول العشوائي البطيئة. يأخذ المعالج البيانات والأوامر الضرورية من الذاكرة المؤقتة السريعة (المخزنة)، حيث يتم إدخالها مسبقًا.

أدى وجود ذاكرة تخزين مؤقت واحدة في تصميمات المعالجات السابقة إلى حدوث تعارضات هيكلية. أحيانًا تحاول تعليماتان يتم تنفيذهما بواسطة خط الأنابيب في وقت واحد قراءة المعلومات من ذاكرة تخزين مؤقت واحدة. يؤدي إجراء تخزين مؤقت منفصل (تخزين مؤقت) للأوامر والبيانات إلى التخلص من مثل هذه التعارضات، مما يسمح بتنفيذ كلا الأمرين في وقت واحد.

تطوير تكنولوجيا الكمبيوتر مستمر. يبحث المصممون باستمرار عن طرق جديدة لتحسين منتجاتهم. المورد الأكثر قيمة للمعالجات هو أدائها. ولهذا السبب، يتم اختراع تقنيات مختلفة لزيادة أداء المعالج.

إحدى هذه التقنيات هي توفير الوقت من خلال التنبؤ بمسارات التنفيذ المحتملة لخوارزمية متفرعة. يتم ذلك باستخدام كتلة التنبؤ بعنوان الفرع المستقبلي. فكرة كيفية عملها تشبه فكرة كيفية عمل الذاكرة المؤقتة.

وكما هو معروف، هناك عمليات حسابية خطية ودورية ومتفرعة. في الخوارزميات الخطية، يتم تنفيذ الأوامر بالترتيب الذي كتبت به في ذاكرة الوصول العشوائي (RAM): بالتسلسل واحدًا تلو الآخر. بالنسبة لمثل هذه الخوارزميات، لا يمكن أن تحقق كتلة التنبؤ بعنوان الفرع المقدمة في المعالج أي مكاسب.

في خوارزميات التفرع، يتم تحديد اختيار التعليمات من خلال نتائج التحقق من شروط التفرع. إذا انتظرت نهاية العملية الحسابية عند نقطة الفرع ثم قمت بالاختيار من ذاكرة الوصول العشوائي (RAM). الأمر الصحيح، فسيكون هناك حتماً ضياع للوقت بسبب وقت الخمول غير المنتج للمعالج (قراءة أمر من ذاكرة الوصول العشوائي بطيئة).

تعمل كتلة التنبؤ بعنوان الفرع بشكل استباقي وتحاول التنبؤ بعنوان الفرع مسبقًا من أجل نقل التعليمات المطلوبة من ذاكرة الوصول العشوائي البطيئة إلى مخزن مؤقت خاص لهدف الفرع السريع BTB (Branch Target Buffer) مسبقًا.

عندما يحتوي المخزن المؤقت BTB على تنبؤ صحيح، يحدث الانتقال دون تأخير. وهذا يذكرنا بذاكرة التخزين المؤقت، التي بها أخطاء أيضًا. بسبب الأخطاء، يجب قراءة المعاملات ليس من ذاكرة التخزين المؤقت، ولكن من OP البطيء. وبسبب هذا يضيع الوقت.

يتم تنفيذ فكرة التنبؤ بعنوان الانتقال في المعالج من خلال مخزنين مؤقتين مستقلين للجلب المسبق. إنهم يعملون جنبًا إلى جنب مع المخزن المؤقت للتنبؤ بالفرع، حيث يقوم أحد المخزن المؤقت بتحديد التعليمات بالتتابع، والثاني - وفقًا لتنبؤات BTV.

يحتوي معالج Pentium على خطي أنابيب من خمس مراحل لتنفيذ عمليات النقاط الثابتة. بالإضافة إلى ذلك، يحتوي المعالج على خط أنابيب ذو فاصلة عائمة مكون من ثماني مراحل. هذه الحسابات مطلوبة عند إجراء العمليات الحسابية، وكذلك لمعالجة الصور الملونة الديناميكية ثلاثية الأبعاد بسرعة.

يتبع تطوير بنية المعالج مسار الزيادة المستمرة في حجم ذاكرة التخزين المؤقت للمستويين الأول والثاني. وكان الاستثناء هو معالج Pentium 4، الذي انخفض حجم ذاكرة التخزين المؤقت فيه بشكل غير متوقع مقارنة بمعالج Pentium III.

لتحسين الأداء في تصميمات المعالجات الجديدة، اثنان حافلات النظام، تعمل على ترددات مختلفة على مدار الساعة. يتم استخدام الناقل السريع للعمل مع ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الثاني، ويتم استخدام الناقل البطيء لتبادل المعلومات التقليدية مع الأجهزة الأخرى، مثل ذاكرة الوصول العشوائي. إن وجود حافلتين يزيل التعارضات عند تبادل المعلومات بين المعالج والذاكرة الرئيسية وذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الثاني الموجودة خارج شريحة المعالج.

تحتوي المعالجات التي تتبع بنتيوم على عدد كبير من المراحل في خط الأنابيب. وهذا يقلل من وقت تنفيذ كل عملية في مرحلة منفصلة، ​​مما يعني أنه يسمح لك بزيادة تردد ساعة المعالج.

يستخدم معالج Pentium Pro (P6) أسلوبًا جديدًا للترتيب الذي يتم به تنفيذ التعليمات بشكل تسلسلي في ذاكرة الوصول العشوائي (RAM).

الأسلوب الجديد هو تنفيذ الأوامر بترتيب عشوائي لأنها جاهزة (بغض النظر عن الترتيب في ذاكرة الوصول العشوائي). ومع ذلك، يتم دائمًا إنشاء النتيجة النهائية وفقًا للترتيب الأصلي للأوامر في البرنامج. يسمى ترتيب تنفيذ الأمر هذا ديناميكيًا أو استباقيًا.

لنأخذ على سبيل المثال الجزء التالي من المنهج المكتوب بلغة موجهة نحو الآلة (الخيالية).

r1 ¬الأمر 1

r3 ¬r1 + r2 الأمر 2

r5 ¬r5 + 1 الفريق 3

r6 ¬r6 - r7 الفريق 4

تشير الرموز r1…r7 إلى السجلات الغرض العام(RON)، والتي تم تضمينها في كتلة تسجيل المعالج.

يشير رمز mem إلى خلية ذاكرة RAM.

دعونا نعلق على البرنامج المسجل.

الأمر 1: اكتب إلى RON r1 محتويات خلية ذاكرة RAM التي تم تحديد عنوانها في RON r4.

الأمر 2: اكتب إلى RON r3 نتيجة إضافة محتويات المسجلين r1 وr2.

الأمر 3: أضف واحدًا إلى محتويات السجل r5.

الأمر 4: قم بتقليل محتويات RON r6 بمحتويات السجل r7.

لنفترض أنه عند تنفيذ التعليمات 1 (تحميل معامل من الذاكرة إلى سجل الأغراض العامة r1)، اتضح أن محتويات ذاكرة خلية الذاكرة ليست في ذاكرة التخزين المؤقت للمعالج (حدث خطأ؛ لم يتم تسليم المعامل المطلوب مسبقًا إلى المخزن المؤقت من ذاكرة الوصول العشوائي).

مع النهج التقليدي، سيبدأ المعالج في تنفيذ التعليمات 2، 3، 4 فقط بعد دخول البيانات من ذاكرة خلية الذاكرة الرئيسية إلى المعالج (وبشكل أكثر دقة، في السجل r1). نظرا لأن القراءة ستحدث من ذاكرة الوصول العشوائي البطيئة، فستستغرق هذه العملية وقتا طويلا (وفقا لمعايير المعالج). أثناء انتظار هذا الحدث، سيكون المعالج خاملاً، ولا يقوم بأي عمل مفيد.

في المثال أعلاه، لا يستطيع المعالج تنفيذ التعليمة 2 قبل اكتمال التعليمة 1، لأن التعليمة 2 تستخدم نتائج التعليمة 1. وفي الوقت نفسه، يمكن للمعالج تنفيذ التعليمات 3 و 4 مقدمًا، والتي لا تعتمد على نتيجة التعليمة 1. التعليمات 1 و 2.

في مثل هذه الحالات، يعمل المعالج P6 بشكل مختلف.

لا ينتظر المعالج P6 إكمال تنفيذ التعليمات 1 و2، ولكنه يشرع فورًا في تنفيذ التعليمات 3 و4 خارج الترتيب. ويتم تخزين نتائج التنفيذ المسبق للتعليمات 3 و4 واسترجاعها لاحقًا، بعد تنفيذ التعليمات 1 و 2. وبالتالي، يقوم المعالج P6 بتنفيذ التعليمات وفقًا لجاهزيتها للتنفيذ، بغض النظر عن موقعها الأولي في البرنامج.

تعد الإنتاجية، بالطبع، مؤشرًا مهمًا لأداء الكمبيوتر. ومع ذلك، من المهم بنفس القدر إجراء عمليات حسابية سريعة مع وجود عدد قليل من الأخطاء.

يحتوي المعالج على جهاز اختبار ذاتي يقوم تلقائيًا بفحص وظائف معظم عناصر المعالج.

بالإضافة إلى ذلك، يتم اكتشاف الأعطال التي تحدث داخل المعالج باستخدام تنسيق بيانات خاص. تتم إضافة بت التكافؤ إلى كل معامل، مما يجعل جميع الأرقام المتداولة داخل المعالج متساوية. يشير ظهور رقم فردي إلى حدوث فشل. إن وجود رقم فردي يشبه ظهور ورقة نقدية مزيفة بدون علامات مائية.

وحدات قياس سرعة المعالجات (وأجهزة الكمبيوتر) يمكن أن تكون:

MIPS (MIPS - تعليمات ضخمة في الثانية) - مليون أمر (تعليمات) على أرقام النقاط الثابتة في الثانية؛

MFLOPS (عملية عائمة ضخمة في الثانية) - مليون عملية على أرقام الفاصلة العائمة في الثانية؛

GFLOPS (عملية جيجا عائمة في الثانية) - مليار عملية على أرقام الفاصلة العائمة في الثانية.

هناك تقارير عن أسرع حاسوب في العالم، ASCI White (شركة IBM)، والذي تصل سرعته إلى 12.3 TFLOPS (تريليون عملية).

المعالج هو بلا شك المكون الرئيسي لأي جهاز كمبيوتر. هذه القطعة الصغيرة من السيليكون، التي يبلغ حجمها عدة عشرات من المليمترات، هي التي تؤدي جميع المهام المعقدة التي تحددها لجهاز الكمبيوتر الخاص بك. يعمل هنا نظام التشغيل، وكذلك كافة البرامج. ولكن كيف يعمل كل ذلك؟ سنحاول دراسة هذا السؤال في مقالتنا اليوم.

يقوم المعالج بإدارة البيانات الموجودة على جهاز الكمبيوتر الخاص بك وتنفيذ ملايين التعليمات في الثانية. وأعني بمعالج النصوص ما يعنيه بالضبط - شريحة صغيرة مصنوعة من السيليكون والتي تقوم بالفعل بجميع العمليات على الكمبيوتر. قبل أن ننتقل إلى كيفية عمل المعالج، يجب علينا أولاً أن نفكر بالتفصيل في ماهيته ومما يتكون.

أولا دعونا نلقي نظرة على ما هو المعالج. وحدة المعالجة المركزية أو وحدة المعالجة المركزية (وحدة المعالجة المركزية) - وهي عبارة عن دائرة كهربائية صغيرة بها عدد كبير من الترانزستورات مصنوعة على بلورة السيليكون. تم تطوير أول معالج في العالم بواسطة شركة إنتل في عام 1971. بدأ كل شيء مع Intel 4004. يمكنه فقط إجراء العمليات الحسابية ويمكنه معالجة 4 بايت فقط من البيانات. تم طرح النموذج التالي في عام 1974 - Intel 8080 ويمكنه بالفعل معالجة 8 بتات من المعلومات. بعد ذلك كانت 80286، 80386، 80486. ومن هذه المعالجات جاء اسم البنية.

كانت سرعة ساعة المعالج 8088 5 ميجا هرتز، وكان عدد العمليات في الثانية 330.000 فقط، وهو أقل بكثير من المعالجات الحديثة. تتمتع الأجهزة الحديثة بترددات تصل إلى 10 جيجا هرتز وعدة ملايين من العمليات في الثانية.

لن نفكر في الترانزستورات، بل سننتقل إلى مستوى أعلى. يتكون كل معالج من المكونات التالية:

• جوهر- يتم تنفيذ جميع عمليات معالجة المعلومات والعمليات الرياضية هنا؛
• وحدة فك ترميز الأوامر- ينتمي هذا المكون إلى النواة، فهو يحول أوامر البرنامج إلى مجموعة من الإشارات التي سيتم تنفيذها بواسطة الترانزستورات الأساسية؛
• مخبأ- مساحة من الذاكرة فائقة السرعة، صغيرة الحجم، يتم فيها تخزين البيانات المقروءة من ذاكرة الوصول العشوائي (RAM)؛
• السجلات- هذه خلايا ذاكرة سريعة جدًا يتم فيها تخزين البيانات المعالجة حاليًا. لا يوجد سوى عدد قليل منها ولها حجم محدود - 8 أو 16 أو 32 بت؛ وتعتمد سعة بتات المعالج على هذا؛
• المعالج المساعد- نواة منفصلة تم تحسينها فقط لأداء عمليات معينة، على سبيل المثال، معالجة الفيديو أو تشفير البيانات؛
• حافلة العنوان- للتواصل مع جميع الأجهزة المتصلة باللوحة الأم، يمكن أن يكون عرضها 8 أو 16 أو 32 بت؛
• حافلة البيانات- للتواصل مع ذاكرة الوصول العشوائي. وباستخدامه، يمكن للمعالج كتابة البيانات إلى الذاكرة أو قراءتها من هناك. يمكن أن يكون ناقل الذاكرة 8 أو 16 أو 32 بت، وهذا هو مقدار البيانات التي يمكن نقلها في وقت واحد؛
• حافلة المزامنة- يسمح لك بالتحكم في تردد المعالج ودورات التشغيل؛
• أعد تشغيل الحافلة- لإعادة ضبط حالة المعالج؛

يمكن اعتبار المكون الرئيسي هو جهاز الحوسبة الأساسي أو الحسابي، بالإضافة إلى سجلات المعالج. كل شيء آخر يساعد هذين المكونين على العمل. دعونا نلقي نظرة على ما هي السجلات وما هو الغرض منها.

• السجلات أ، ب، ج- مصمم لتخزين البيانات أثناء المعالجة، نعم، هناك ثلاثة منهم فقط، ولكن هذا يكفي؛
• EIP- يحتوي على عنوان تعليمات البرنامج التالية في ذاكرة الوصول العشوائي؛
• إسب- عنوان البيانات في ذاكرة الوصول العشوائي؛
• ز- يحتوي على نتيجة عملية المقارنة الأخيرة؛

بالطبع، هذه ليست جميع سجلات الذاكرة، لكن هذه هي أهمها وأكثرها استخدامًا من قبل المعالج أثناء تنفيذ البرنامج. حسنًا، الآن بعد أن عرفت مما يتكون المعالج، يمكنك إلقاء نظرة على كيفية عمله.

كيف يعمل معالج الكمبيوتر؟

لا يمكن للنواة الحسابية لوحدة المعالجة المركزية سوى إجراء العمليات الحسابية والمقارنات ونقل البيانات بين الخلايا وذاكرة الوصول العشوائي (RAM)، ولكنها كافية للسماح لك بممارسة الألعاب ومشاهدة الأفلام وتصفح الويب والمزيد.

في الحقيقة أي برنامج يتكون من التعليمات التالية: نقل، إضافة، ضرب، قسمة، فرق، والانتقال إلى التعليمات إذا تحقق شرط المقارنة. بالطبع، هذه ليست كل الأوامر، فهناك أوامر أخرى تجمع بين تلك المذكورة بالفعل أو تبسط استخدامها.

يتم تنفيذ جميع تحركات البيانات باستخدام تعليمات النقل (mov)، حيث تقوم هذه التعليمات بنقل البيانات بين خلايا التسجيل، بين السجلات وذاكرة الوصول العشوائي، بين الذاكرة وذاكرة الوصول العشوائي. القرص الصلب. هناك تعليمات خاصة للعمليات الحسابية. وتعليمات القفز ضرورية للوفاء بالشروط، على سبيل المثال، التحقق من قيمة السجل A وإذا لم تكن صفرًا، فانتقل إلى التعليمات على العنوان المطلوب. يمكنك أيضًا إنشاء حلقات باستخدام تعليمات القفز.

كل هذا جيد جدًا، لكن كيف تتفاعل كل هذه المكونات مع بعضها البعض؟ وكيف تفهم الترانزستورات التعليمات؟ يتم التحكم في تشغيل المعالج بأكمله بواسطة وحدة فك ترميز التعليمات. فهو يجعل كل مكون يفعل ما يفترض أن يفعله. دعونا نلقي نظرة على ما يحدث عندما نحتاج إلى تنفيذ برنامج ما.

في المرحلة الأولى، يقوم جهاز فك التشفير بتحميل عنوان التعليمة الأولى للبرنامج في الذاكرة في سجل التعليمة التالية EIP، ولهذا يقوم بتنشيط قناة القراءة ويفتح ترانزستور المزلاج لوضع البيانات في سجل EIP.

في دورة الساعة الثانية، يقوم مفكك تشفير التعليمات بتحويل الأمر إلى مجموعة إشارات لترانزستورات قلب الحوسبة، والتي تقوم بتنفيذه وكتابة النتيجة على أحد السجلات، على سبيل المثال، C.

في الدورة الثالثة، يقوم جهاز فك التشفير بزيادة عنوان التعليمة التالية بمقدار عنوان واحد بحيث يشير إلى التعليمة التالية في الذاكرة. بعد ذلك، يتابع برنامج فك التشفير تحميل الأمر التالي، وهكذا حتى نهاية البرنامج.

يتم تشفير كل تعليمات بالفعل بواسطة سلسلة من الترانزستورات، ويتم تحويلها إلى إشارات، مما يسبب تغييرات فيزيائية في المعالج، على سبيل المثال، تغيير موضع المزلاج الذي يسمح بكتابة البيانات إلى خلية ذاكرة، وما إلى ذلك. تتطلب الأوامر المختلفة عددًا مختلفًا من دورات الساعة لتنفيذها؛ على سبيل المثال، قد يتطلب أمر واحد 5 دورات على مدار الساعة، بينما قد يتطلب أمر آخر أكثر تعقيدًا ما يصل إلى 20 دورة. لكن كل هذا لا يزال يعتمد على عدد الترانزستورات الموجودة في المعالج نفسه.

حسنًا، كل هذا واضح، ولكن كل هذا لن ينجح إلا إذا كان هناك برنامج واحد قيد التشغيل، وإذا كان هناك العديد منهم وكلهم في نفس الوقت. يمكننا أن نفترض أن المعالج لديه عدة مراكز، ثم يتم تنفيذ كل نواة برامج منفصلة. ولكن لا، في الواقع لا توجد مثل هذه القيود.

يمكن تنفيذ برنامج واحد فقط في وقت واحد. تتم مشاركة كل وقت وحدة المعالجة المركزية بين الجميع تشغيل البرامج، يتم تنفيذ كل برنامج لبضع دورات على مدار الساعة، ثم يتم نقل المعالج إلى برنامج آخر، ويتم تخزين كافة محتويات السجلات في كبش. عندما يعود التحكم إلى هذا البرنامج، يتم تحميل القيم المحفوظة مسبقًا في السجلات.

الاستنتاجات

هذا كل شيء، في هذه المقالة نظرنا في كيفية عمل معالج الكمبيوتر، وما هو المعالج وما يتكون منه. قد يكون الأمر معقدًا بعض الشيء، لكننا أبقيناه بسيطًا. أتمنى أن يكون لديك الآن فهم أفضل لكيفية عمل هذا الجهاز المعقد للغاية.

في ختام الفيديو عن تاريخ المعالجات:

في الوقت الحاضر، يوجد الكثير من المعلومات على الإنترنت حول موضوع المعالجات، ويمكنك العثور على مجموعة من المقالات حول كيفية عملها، حيث يتم ذكر السجلات والساعات والمقاطعات وما إلى ذلك بشكل أساسي... ولكن بالنسبة لشخص هو لست على دراية بكل هذه المصطلحات والمفاهيم، فمن الصعب جدًا مثل هذه الذبابة" فهم العملية، ولكن عليك أن تبدأ صغيرًا - أي بفهم أساسي كيف يعمل المعالج وما هي الأجزاء الرئيسية التي يتكون منها.

فماذا سيكون داخل المعالج الدقيق إذا قمت بتفكيكه:

يشير الرقم 1 إلى السطح المعدني (الغطاء) للمعالج الدقيق، والذي يعمل على إزالة الحرارة والحماية من التلف الميكانيكي لما يوجد خلف هذا الغطاء (أي داخل المعالج نفسه).

في رقم 2 توجد البلورة نفسها، والتي هي في الواقع الجزء الأكثر أهمية والأكثر تكلفة في تصنيع المعالج الدقيق. وبفضل هذه البلورة تتم جميع العمليات الحسابية (وهذه هي الوظيفة الأكثر أهمية للمعالج) وكلما كانت أكثر تعقيدًا، كلما كانت مثالية، كلما كان المعالج أقوى وأكثر تكلفة، وفقًا لذلك . البلورة مصنوعة من السيليكون. في الواقع، عملية التصنيع معقدة للغاية وتحتوي على عشرات الخطوات، المزيد من التفاصيل في هذا الفيديو:

الرقم 3 عبارة عن ركيزة خاصة من القماش يتم ربط جميع الأجزاء الأخرى من المعالج بها، بالإضافة إلى أنها تلعب دور لوحة الاتصال - عليه الجانب الخلفييوجد عدد كبير من "النقاط" الذهبية - وهي جهات اتصال (يمكنك رؤيتها قليلاً في الصورة). بفضل لوحة الاتصال (الركيزة)، يتم ضمان التفاعل الوثيق مع البلورة، لأنه ليس من الممكن التأثير بشكل مباشر على البلورة بأي شكل من الأشكال.

يتم تثبيت الغطاء (1) بالجزء الخلفي (3) باستخدام مادة لاصقة مقاومة للتسرب درجات حرارة عالية. لا توجد فجوة هوائية بين البلورة (2) والغطاء؛ ويأخذ المعجون الحراري مكانه؛ فعندما يتصلب يشكل "جسرًا" بين كريستال المعالج والغطاء، مما يضمن نقلًا جيدًا للحرارة.

يتم توصيل البلورة بالركيزة باستخدام اللحام ومانع التسرب، ويتم توصيل جهات اتصال الركيزة بجهات اتصال البلورة. يوضح هذا الشكل بوضوح كيفية توصيل جهات الاتصال البلورية بجهات اتصال الركيزة باستخدام أسلاك رفيعة جدًا (التكبير 170x في الصورة):

بشكل عام جهاز المعالجات الشركات المصنعة المختلفةوحتى النماذج من نفس الشركة المصنعة يمكن أن تختلف بشكل كبير. لكن مخطط الدائرةتظل العملية كما هي - تحتوي جميعها على ركيزة تلامس وبلورة (أو عدة بلورات موجودة في علبة واحدة) وغطاء معدني لتبديد الحرارة.

على سبيل المثال، هذا ما تبدو عليه ركيزة الاتصال لمعالج Intel Pentium 4 (المعالج مقلوب رأسًا على عقب):

يعتمد شكل جهات الاتصال وهيكل ترتيبها على المعالج و اللوحة الأمالكمبيوتر (يجب أن تتطابق المقابس). على سبيل المثال، في الصورة أعلاه، جهات اتصال المعالج بدون "دبابيس"، حيث أن المسامير موجودة مباشرة في مقبس اللوحة الأم.

وهناك موقف آخر حيث تبرز "دبابيس" جهات الاتصال مباشرة من ركيزة جهة الاتصال. هذه الميزة نموذجية بشكل أساسي لمعالجات AMD:

كما ذكرنا أعلاه الجهاز نماذج مختلفةقد تختلف المعالجات من نفس الشركة المصنعة، ولدينا مثال واضح على ذلك - معالج رباعي النواة إنتل كور 2 رباعية، وهي في الأساس 2 معالج ثنائي النواةخطان ثنائيان أساسيان مدمجان في حالة واحدة:

مهم! عدد البلورات داخل المعالج وعدد نوى المعالج ليسا نفس الشيء.

في الموديلات الحديثة معالجات إنتل 2 بلورات (رقائق) تناسب مرة واحدة. الشريحة الثانية - النواة الرسومية للمعالج، تلعب بشكل أساسي دور بطاقة الفيديو المدمجة في المعالج، أي أنه حتى في حالة عدم وجود بطاقة رسومات في النظام، فإن النواة الرسومية ستأخذ دور بطاقة الفيديو ، وهو قوي جدًا في ذلك (في بعض نماذج المعالجات، تسمح لك القوة الحاسوبية لنوى الرسومات بلعب الألعاب الحديثة على إعدادات الرسومات المتوسطة).

هذا كل شيء جهاز المعالجات الدقيقة المركزيةباختصار بالطبع.