وحدة المعالجة المركزية

وحدة المعالجة المركزية Central Processing Unit (CPU)

تعريف وحدة المعالجة المركزية (1) • وحدة المعالجة المركزية (المعالج) عبارة عن شريحة تحتوي على ملايين الترانزيستورات. • يقوم المعالج بمتابعة تنفيذ المعطيات والتحكم بكافة نشاطات الحاسب باستخدام النواقل (Buses) الخارجية والداخلية. • ينفذ المعالج جميع العمليات المطلوبة مثل التحريك، والنسخ، والمقارنة، والعمليات الحسابية والمنطقية على المعطيات، لذلك يوصف بأنه القلـب النابض للحاسب. • تقاس سرعة المعالج بوحدة الهرتز (ميجاهرتز/ جيجاهرتز) وهي عدد العمليات التي يمكن تنفيذها بوحدة الزمن، فكلما كانت سرعة المعالج أكبر كلما زادت سرعة الحاسب. • شركة Intel وشركة AMD(Advanced Micro Devices) هما الشركتان الأضخم في مجال صناعة المعالجات م.نضال قاسم

م.نضال قاسم

العوامل التي تؤثرعلى أداء المعالج • سرعة تردد المعالج • سرعة الناقل الأمامي Front Side Bus (FSB) - السرعة - عرض حزمة البيانات • حجم الذاكرة المخبأة Cash memory • حجم الذاكرة الرئيسية RAM م.نضال قاسم

1- سرعة تردد المعالج • تقاس سرعة المعالج بالميجا هرتز أو الجيجاهرتز التي تعني مليون و مليار دورة بالثانية وكلما كان هذا العدد أكبر كانت السرعة أكبر. • ويتولد التردد عن طريق بلورة من الكوارتز تهتز عند مرور التيار الكهربائي عبرها فيتولد نتيجة ذلك نبضات ثابتة في كل مكوّن متزامن مع الإشارة، كل نبضة من هذه النبضات تعطي دورة واحدة للنظام وعندها ترسَل للمعالج إشارة تطلب فيها أداء عملية أخرى. م.نضال قاسم

سرعة المعالج • لا يمكننا مقارنة أداء الأنظمة بناء فقط على ترددات المعالج لأنه هناك عدة عوامل تؤثر بأداء النظام ككل. مثلا : • الدورة (Cycle): هي أصغر زمن بالنسبة للمعالج. • كل عملية يقوم بها المعالج تتطلب على الأقل دورة واحدة وعادة عدة دورات. • الزمن من أجل تنفيذ التعليمات يختلف من معالج لآخر • في معالجات 8086 و 8080 المعالج كان يأخذ متوسطا حوالي 12 دورة لتنفيذ تعليمة واحدة . • أما المعالجات pentium II/III/4 يمكنها أن تنفذ 3 تعليمات أو أكثر بالدورة الواحدة . • تردد الساعة للمعالج فقط مفيد عندما نقارن بين معالجات من نفس العائلة مثلا يمكن مقارنة Intel core 2 Quad 2.4 و Intel core 2 Quad 3.4 . م.نضال قاسم

2-الناقل الأمامي (Front side bus) • يدعى أيضا في بعض الأحيان CPU busأو external data bus • يتولى الناقل مهمة تحويل كل البيانات من وإلى وحدة المعالجة المركزية ومجموعة الشرائح الأخرى والذاكرة في حالات كثيرة. • تشير إلى الناقل المتواجد بين المعالج و الرقاقة الرئيسية والذي يدعى (North Bridge ) أو (Memory Controller Hub) م.نضال قاسم

Front Side Bus ( FSB) السرعة “speed" • لناقل البيانات الأساسي تأثير كبير على أداء الجهاز كله فهو الذي يحدد سرعة دخول وخروج المعلومات والأوامر من وإلى وحدة المعالجة المركزية. • مثلا: إذا كان لدينا معالج بنتيوم4 يعمل بتردد FSB 800MHZ و لوحة أم تعمل بتردد FSB 400 MHZ فالنظام ككل سيعمل بالتردد الأضعف دائما أي بتردد 400 ميغا هرتز. لذلك يفضل أن يكون هناك تطابق بين سرعتي الناقل الأمامي للمعالج و اللوحة الأم. م.نضال قاسم

Front Side Bus ( FSB)عرض الحزمة"Data Path width" • وهو عدد خطوط أو الأسلاك الممكن إرسال أو استقبال البيانات عبرها من و إلى المعالج. • كلما كان عرض هذه الحزمة أكبر كلما كانت كمية البيانات المرسلة أو المستقبلة عبر ال FSB أكبر. م.نضال قاسم

كيف تحدد ال FSBسرعة المعالج • Multiplier(المضروب):معامل الضرب لا يعدو كونه معامل ثابت حين يضرب في ترددالـFSB نحصل على سرعة المعالج الكلي • سرعة المعالج تحدد بالمعادلة التالية : سرعة المعالج (ميجاهيرتز) = معامل الضرب(x(Multiplierسرعة الناقل الأمامي (FSB-in MHz) - ملاحظة: سرعة تردد المعالج دائما اسرع من سرعة الناقل الأمامي FSB مثلا : إذا كان لدينا سرعة الناقل الأمامي 133 MHZ و ال Multiplier=10 فسوف تكون السرعة هي 1330 MHzأو 1.33 GHz م.نضال قاسم

Overclocking • وهي عملية جعل المعالج يعمل بتردد أكبر من تردده الأصلي وذلك من خلال تغيير قيمة Multiplier ويتم ذلك من خلال الBios أو من خلال برامج خاصة. • يسبب ذلك إرتفاع في درجة حرارة المعالج و عدم استقرار في النظام لذلك تحتاج هذه الطريقة إلى اساليب تبريد خاصة. م.نضال قاسم

32-bits(x86) and 64-bits processor م.نضال قاسم

32-bits VS 64-bits • 32-bits: تحتوي على سجلات عناوين بعرض 32 بت. -قادرة على عنونة ذاكرة بحجم: 232 =4GB • 64-bits: تحتوي على سجلات عناوين بعرض 64بت. - قادرة على عنونة ذاكرة بحجم: =16 exabyte264 ملاحظة :exabyte=1,152,921,504,606,846,976 bytes or 260 م.نضال قاسم

32 and 64 bits processor • Back side bus (BSB) : هو الbus الذي يصل بين نواة المعالج و الذاكرة الكاش . • Internal bus : هي مجموعة النواقل(buses) التي تصل مكونات المعالج الداخلية. م.نضال قاسم

32 and 64 bits processor • حتى نستفيد من ميزة 64بت يجب أن تدعم البرمجيات هذه الميزة مثل : نظام التشغيل- التطبيقات – برامج تعريف الأجهزة (drivers) • ملاحظة: نظام التشغيل 32 بت يمكن أن يعمل على معالج 64 بت ولكن لايمكن لنظام التشغيل 64 بت أن يعمل على معالج 32 بت. م.نضال قاسم

3- الكاش Processor cache • ذاكرة سريعة جدا تستخدم لتخزن البيانات والتعليمات الأكثر استخداما من قبل المعالج. • تضم أغلب المعالجات المستوى الأول والثاني من ذاكرة الكاش الفورية بالإضافة إلى ذاكرة النظام الأساسية وعندما تبحث وحدة المعالجة المركزية عن البيانات فهي تبحث أولاً فى ذاكرة المستوى الأول ثم تتصفح ذاكرة المستوى الثاني . وبعد ذلك تقوم بفحص الذاكرة الرئيسية ومن الواضح أنه كلما زادت سرعة حصول وحدة المعالجة المركزية على البيانات كلما زادت كفاءة أدائها. وتعتبر المساحة الخالية في الذاكرة الفورية محدودة للغاية إلى حد يسمح بتخزين البيانات التي تستخدم بكثرة فقط ، حيث أن المستوى الأول من ذاكرة الكاش مقسم بين البيانات والأوامر • كلما كان حجم الكاش كبير كلما كان أداء المعالج افضل لأنه لن يضطر المعالج عندها إلى الذهاب إلى مكان آخر للحصول على البيانات المطلوبة. م.نضال قاسم

مستويات الكاش Cache Level • الكاش المستوى الأول Level1 cache • الكاش المستوى الثاني Level2 cache • الكاش المستوى الثالث Level3 cache م.نضال قاسم

الذاكرة الكاش مستوى الأول(Level 1 cache)أو Internal cache • اسرع أنواع الكاش • مدمجة في داخل المعالج ولذلك فهي تعمل بسرعة موازية لسرعة نواة المعالج (core) • صغيرة جدا بسبب أنه تم وضعها في داخل رقاقة المعالج • عادة يكون حجمها بين 16 كيلوبايت إلى 32 كيلوبايت • في المعالجات متعددة الأنوية كل نواة لها ذاكرة كاش داخلية خاصة بها من المستوى الأول. م.نضال قاسم

الذاكرة الكاش مستوى الأول(Level 1 cache)أو Internal cache م.نضال قاسم

الذاكرة الكاش مستوى الثاني (Level 2 cache) أو External cache • في الماضي كانت مصممة داخل اللوحة الأم. • في المعالجات الحديثة تم إضافتها داخل رزمة المعالج (process package) وليس ضمن المعالج نفسه . • أكبر من الذاكرة كاش من المستوى الأول. • في المعالجات المتعددة الأنوية Multicores تكون مشتركة بين الانوية Cores حيث يتم تقسيمها على عدد الأنوية. مثلا إذا كان لدي معالج بنواتين Dual core والذاكرة Level 2 cache =4MB فإن كل نواة تحصل على 2MB من الكاش مستوى الثاني أو الكاش الخارجي. • تصل سعاتها حاليا مابين 512 كيلوبايت حتى 12 ميجابايت م.نضال قاسم

الذاكرة الكاش مستوى الثالث (Level 3 cache) • موجودة على اللوحة الأم بين الذاكرة الرئيسية والمعالج • تدعى الآن بالكاش الخارجية أو (external cache) • في بعض المعالجات الحديثة تم دمجها ضمن رزمة المعالج أيضا(process package). م.نضال قاسم

ميزات المعالجات الحديثة • Hyperthreading • Throttling • Multicore • VRM • Microcode and Multimedia extensins(MMX) م.نضال قاسم

(HT) Hyperthreading • تكنولوجيا Hyper Threading هى خاصة بشركة Intel و هى تجعل نواة المعالج تظهر لنظام التشغيل على أنها نواتان و اذا كان المعالج ثنائى تظهر على أنها 4 أنوية و هكذا و نتيجة لذلك يقوم نظام التشغيل بمعاملة المعالج الأحادى كما يعامل المعالجات متعددة الأنوية . • تتم هذه التقنية بجعل المعالج يحتوي على أكثر من وحدة حساب ومنطق (ALU) حيث في المعالجات القديمة كان يوجد فقط وحدة حساب ومنطق واحدة فقط. • تسمح للمعالج الوحيد النواة بمعالجة مجموعتين مستقلتين من التعليمات بنفس الوقت. • تمكن من تحويل المعالج الفيزيائي الوحيد النواة إلى معالجين افتراضيين. • لا يعطي أداء سريع كما لو أننا نستخدم معالجين منفصلين ولكن يعطي تحسين بالأداء حوالي 15% إلى 30% • يجب أن يدعم نظام التشغيل هذه الميزة حتى يستفيد منها. • عدة تطبيقات لاتدعم هذه الميزة و يبطئ أداءها عندما تكون هذه الميزة مفعلة. • يمكننا أن نلغي الميزة أو نفعلها عن طريق ال BIOS م.نضال قاسم

(HT) Hyperthreading • يمكن رؤية المعالج بنواة واحدة وكأنه معالج بنواتين كما هو ظاهر في Task manager نلاحظ أن كل نواة تقوم بعمل مختلف عن الآخر حيث التردد مختلف بين النواتين. م.نضال قاسم

multiple processors(تعددية المعالجات) يمكن لأكثر من معالج واحد العمل على نفس الحاسب ، ولكن ليس كل المعالجات تستطيع ذلك ، كما إن الزيادة في الأداء لا تكون الضعف دائماً ، إن سرعة حاسب ذو معالجين يعتمد على عدة عوامل : • يجب أن توفر اللوحة الأم هذه الإمكانية : يجب أن يكون فيها فتحتين أو أكثر للمعالج ، إن الأغلبية القصوى من اللوحات الأم لا تدعم هذه الميزة . • يجب أن يدعم المعالج هذه الميزة . • يجب أن يدعم نظام التشغيل والبرنامج هذه الميزة م.نضال قاسم

لوحة أم مصممة لوضع معالجين م.نضال قاسم

Multicore(تعدد الأنوية) • هذه الميزة تعني أن المعالج يملك اكثر من نواة واحدة (core) تعمل بالتردد نفسه وبشكل مستقل عن بعضها البعض. • كل نواة هي عبارة عن معالج منطقي يملك وحدتي حساب ومنطق (ALU) لذلك يمكن لكل نواة أن تعالج تعليمتين بالوقت الواحد. • كل نواة تحوي (L1 cache) خاصة بها. • عدد التعليمات التي يمكن أن يعالجها المعالج في نفس الوقت = عدد الأنوية* 2 • Dual core : يحتوي على نواتين أي يمكن أن يعالج 4 تعليمات بالوقت الواحد. • Triple core : يحتوي على ثلاثة أنوية أي يمكن أن يعالج 6 تعليمات بالوقت الواحد. • Quad core : يحتوي على أربع أنوية أي يمكن أن يعالج 8 تعليمات بالوقت الواحد. م.نضال قاسم

رسم يوضح اربع أنوية (Quad core) م.نضال قاسم

أمثلة على المعالجات متعددة الأنوية • نواة واحدة : pentium4, celeron • نواتين : pentium 4 Extreme, core Duo, Core2 Duo • أربع أنوية: Core 2 Quad, Core 2 Extrem, Core i7 م.نضال قاسم

VRM • الجهود الكهربائية: تعمل المعالجات في كثير من الأحيان على جهود كهربائية إضافة للجهود الأساسية +5V و +3.3V، هذه الجهود لا توفرها وحدة التغذية الكهربائية القياسية ولهذا نحتاج لوحدة صغيرة تسمى وحدة تنظيم الجهد (VRM) والتي تعمل على تنظيم الجهود الكهربائية الواصلة للمعالج؛ فإذا احتاج المعالج لجهد 1.5 فولت مثلاً تقوم هذه الوحدة بتخفيض الجهد للوصول للجهد المطلوب. م.نضال قاسم

Throttling • تسمح هذه التقنية بتخفيض ترددات المعالج الفعالة في حال عدم إنشغاله وذلك للحفاظ على درجة حرارته منخفضة و للحفاظ على الطاقة الكهربائية. • هذه التقنية متواجدة بشكل عام في الأجهزة المحمولة حيث أن الطاقة الكهربائية و الحرارة عامل أساسي. م.نضال قاسم

(MMX)Multimedia extensins • قامت شركة إنتل عام 1996 بإضافة تقنية جديدة إلى معالجات بنتيوم أسمتها MMX وذلك استجابة لظهور عدد كبير من البرامج التي تعتمد بشكل كبير على البيانات وتم تصميمها للتعامل مع عمليات بيانية ضخمة عن طريق إجراء عمليات حسابية على كميات ضخمة من البيانات. • تضمين المعالج 57 تعليمة (أمر) جديد لتحسين أداء العرض والصوت والقدرات الرسومية. • دعم تقنية معالجة بيانات متعددة بتعليمة واحدة (SIMD) والتي تتيح إمكانية تنفيذ عدة مقاطع من البيانات بتعليمة واحدة بدل الحاجة لتعليمة لكل مقطع بيانات. م.نضال قاسم

بعض مواصفات المعالجات م.نضال قاسم

بعض مواصفات المعالجات-تتمة م.نضال قاسم

أهم الشركات المصنعة لوحدة المعالجة المركزية • شركة إنتل (Intel): http://www.intel.com • شركة إي إم دي (AMD): http://www.amd.com • شركة سيركس (Cyrix): http://www.viatech.com • شركة موتورولا (Motorola): http://www.motorola.com م.نضال قاسم

وحدة المعالجة المركزية