أحسنت! وصلت إلى ختام الفصل الثالث: المعالجات

وزاري: ٢٠١٨ د٣

وحدة المعالجة المركزية (Central Processing Unit - CPU) أو ما يسمى بالمعالج، هي دائرة متكاملة مصممة على شريحة صغيرة الحجم من السيليكون تحتوي على عشرات بل مئات الملايين من الترانزستورات وتتصل فيما بينها بأسلاك دقيقة للغاية من الألمنيوم، مهمتها تنفيذ العمليات الرئيسة (الحسابية والمنطقية) مثل التحريك والنسخ والمقارنة بين المعطيات، والإشراف على كافة نشاطات الحاسوب ومتابعة تنفيذها باستخدام النواقل (Buses) الخارجية والداخلية. وهي القلب النابض للحاسوب ودماغه والعقل المدبر فيه.

وزاري: ٢٠٢٠ د٣

سرعة المعالج لها أثر كبير في سرعة الحصول على نتائج التعليمات، وتقاس بالميجاهيرتز (MHz)، وللمعالج سرعتان: السرعة الداخلية (Internal Clock) والسرعة الخارجية (External Clock).

وزاري: ٢٠٢٢ تمهيدي ، ٢٠٢٠ د١ ، ٢٠٢٠ تمهيدي ، ٢٠١٦ د١ ، ٢٠١٦ د٣ ، ٢٠١٦ تمهيدي ، ٢٠١٥ د١ ، ٢٠١٥ إقليم د٢

يُذكر أي خمسة مما يأتي:

١- سرعة الساعة (التردد) ٢- تردد الناقل الأمامي (FSB) ٣- الذاكرة المخبئة (Cache Memory) ٤- نواقل النظام ٥- الجهود الكهربائية ٦- عوامل الشكل ٧- تقنية التصنيع (حجم الترانزستورات)

وزاري: ٢٠١٦ د١ ، ٢٠١٦ د٣

العوامل:

١- سرعة الساعة (التردد) ٢- تردد الناقل الأمامي (FSB) ٣- الذاكرة المخبئة (Cache Memory) ٤- نواقل النظام ٥- الجهود الكهربائية ٦- عوامل الشكل ٧- تقنية التصنيع (حجم الترانزستورات)

شرح أحدها (سرعة الساعة): هو التردد الذي يعمل وفقه المعالج على تنفيذ التعليمات، ويقاس بوحدة ميجاهرتز (MHz) ويقاس حالياً بوحدة جيجا هرتز (GHz)، وكلما كانت قيمة التردد أعلى كانت سرعة الحاسوب أكبر. ويتولد التردد عن طريق بلورة من الكوارتز تهتز عند مرور التيار الكهربائي عبرها، فيتولد نتيجة ذلك نبضات ثابتة في كل مكوّن متزامن مع الساعة، وكل نبضة من هذه النبضات تعطي دورة واحدة للنظام وعندها ترسل للمعالج إشارة تطلب فيها أداء عملية أخرى.

وزاري: ٢٠٢٠ د٢ ، ٢٠١٨ تمهيدي ، ٢٠١٦ د١

هو التردد الذي يعمل وفقه المعالج على تنفيذ التعليمات، ويقاس بوحدة ميجاهرتز (MHz) ويقاس حالياً بوحدة جيجا هرتز (GHz)، وكلما كانت قيمة التردد أعلى كانت سرعة الحاسوب أكبر.

العلاقة: كلما كانت قيمة التردد أعلى كانت سرعة الحاسوب أكبر.

ويتولد التردد عن طريق بلورة من الكوارتز تهتز عند مرور التيار الكهربائي عبرها، فيتولد نتيجة ذلك نبضات ثابتة في كل مكوّن متزامن مع الساعة، وكل نبضة من هذه النبضات تعطي دورة واحدة للنظام وعندها ترسل للمعالج إشارة تطلب فيها أداء عملية أخرى.

وزاري: ٢٠٢٠ تمهيدي ، ٢٠١٨ د١ ، ٢٠١٧ تمهيدي ، ٢٠١٥ د١

هي مساحة تُخزّن فيها البيانات والتعليمات كثيرة الاستخدام، وتعمل على تخزين مواقع ذاكرة (RAM) كثيرة الاستخدام وتسمح بتنفيذ البيانات والتعليمات بسرعة.

أنواعها:

١- ذاكرة المستوى الأول (Level 1 - L1): تتواجد عادة ضمن المعالج وتسمى الذاكرة المخبئة الداخلية.

٢- ذاكرة المستوى الثاني (Level 2 - L2): تتواجد خارج المعالج أو خارج دوائره وتسمى الذاكرة المخبئة الخارجية، وتقوم بنفس وظائف (L1) لكنها أكبر حجماً منها وبذلك تساعد على تحسين الأداء.

٣- ذاكرة المستوى الثالث (Level 3 - L3): تقع فوق المستويين (L1 و L2) وخارج شريحة ووحدة المعالج، وظهر هذا النوع أول مرة عام (1999م) مع معالجات (K6-III) من (AMD).

وزاري: ٢٠١٩ د١ ، ٢٠١٨ د٣ ، ٢٠١٨ تمهيدي ، ٢٠١٦ د١ ، ٢٠١٦ تمهيدي ، ٢٠١٥ إقليم د٢

تعمل على تخزين البيانات والتعليمات كثيرة الاستخدام ومواقع ذاكرة (RAM) كثيرة الاستخدام، وتسمح بتنفيذها بسرعة، فتساعد على تحسين الأداء وكلما كانت أكبر حجماً كانت سرعة الحاسوب أكبر.

وزاري: ٢٠١٩ د١

تعمل على تنظيم الجهود الكهربائية الواصلة للمعالج؛ فهي وحدة صغيرة تُخفض الجهد للوصول إلى الجهد الذي يحتاجه المعالج (مثلاً 1.5V)، لأن وحدة التغذية القياسية لا توفر هذه الجهود.

وزاري: ٢٠٢٠ د٣

هي الطريقة التي يتم وفقها توزيع المكونات ضمن وحدة المعالج بما في ذلك عدد الأرجل وشكل وأبعاد المعالج، ومن أشهر عوامل الشكل لمعالجات (Intel): (Pin Grid Array) PGA ، (Single Edge Contact Cartridge) SECC ، (Flip Chip-Pin Grid Array) FC-PGA.

وزاري: ٢٠٢٢ تمهيدي ، ٢٠١٨ د١ ، ٢٠١٥ إقليم د٢

السرعة الداخلية (Internal Clock) ، السرعة الخارجية (External Clock)

وزاري: ٢٠١٨ د١ ، ٢٠١٦ تمهيدي

المقصود بتغليف المعالج الدقيق هو عملية إحاطة الأجزاء والتراكيب الداخلية للمعالج بغلاف خاص مصنوع من مواد خاصة، والغرض منه أن يجعل شريحة السيليكون سهلة الحمل وآمنة من العوامل الخارجية وأن توصل من الخارج مع اللوحة الأم حتى يتواصل المعالج مع الأجزاء الأخرى للحاسوب.

١- كان أول معالج من نظام (IBM) يستخدم نظام تغليف ذا مواد سيراميكية، لكن هذه الطريقة لم تعد تنفع في المعالجات الأحدث بسبب العدد الكبير للإبر، لأن الإبر كانت تخرج من طرفين فقط من أطراف المعالج.

٢- طُوّر النوع الثاني وهو التغليف المتكامل: يوضع المعالج داخل علبة مربعة أو مستطيلة قليلة الارتفاع وتخرج إبر المعالج من الأسفل وتدخل في مقبس خاص على اللوحة الأم، ويوفر خروج عدد كبير من الإبر.

٣- يصنع التغليف أحياناً من البلاستيك ويسمى (PGA - P)، وأحياناً من السيراميك (PGA - C)، ويعتبر البلاستيك أفضل من السيراميك. ولاتساع عدد أكبر من الإبر عُدّل إلى (PGA - S)، وعائلة (Pentium) تغلف بهذه الطريقة.

٤- الأجيال الحديثة غُلّفت بطريقة (Dual Pattern PGA) إذ يحوي التغليف المعالج والذاكرة المخبئة المدمجة معه على لوحة إلكترونية مطبوعة داخل (Cartridge) يتصل باللوحة الأم بمقبس خاص.

٥- بعد التغليف تتم عملية ترميز المعالج بالحفر بأشعة الليزر على الواجهة العلوية للغلاف لذكر اسم الشركة المصنعة (مثل Intel) واسم المعالج (Pentium) وقد تذكر السرعة.

وزاري: ٢٠٢٠ د٣

مواد سيراميكية

وزاري: ٢٠١٥ د٢

إحاطة ، بغلاف خاص

وزاري: ٢٠٢٢ تمهيدي ، ٢٠١٩ د١ ، ٢٠١٩ تمهيدي ، ٢٠١٨ د١ ، ٢٠١٦ د٣ ، ٢٠١٦ تمهيدي

١- ظهرت هذه العائلة لتعلن بدء دعم ذاكرة (RAM) من نوع DDR3 وتعلن نهاية تطوير عائلة (Core 2 Duo).

٢- تحتوي معالجاتها على شريحتي معالجة في قالب واحد داخل المعالج وتستطيع معالجة أربع عمليات في وقت واحد.

٣- تقنية Clarkdale لمعالجة أشباه الموصلات بعرض 32 نانو متر، واستخدمت لتصميم معالجات الأجهزة المكتبية.

٤- تقنية Arrandale لمعالجة أشباه الموصلات بعرض 32 نانو متر، واستخدمت لتصميم معالجات الأجهزة المحمولة.

وزاري: ٢٠٢٠ د١

هو الـ (Celeron) المخصص للحاسوب المحمول، يأتي بسعر منخفض ويعمل بذاكرة مخبئة من المستوى الثاني بحجم (128 - 256) KB وبتردد ناقل 400 MHz.

وزاري: ٢٠٢٠ تمهيدي

للدلالة على مكان تثبيت المعالج في المكان المخصص له على اللوحة الأم (تحديد الاتجاه الصحيح للتثبيت).

وزاري: ٢٠٢٠ د١ ، ٢٠١٦ د١ ، ٢٠١٦ د٣ ، ٢٠١٥ إقليم د١

يُذكر ما يأتي (أو خمسة منها):

١- تقصر من عمر المعالج الدقيق.

٢- تبطئ أداءه وفعالياته.

٣- تتسبب بأخطاء في الحسابات الرياضية والمنطقية.

٤- تتسبب بتوقف الحاسوب عن العمل بشكل متكرر.

٥- قد يعيد الحاسوب تشغيل نفسه بدون سبب.

٦- قد تحدث أشياء غريبة مثل أخطاء في القرص الصلب.

٧- في الحالات شديدة الحرارة وتوقف المروحة لفترة طويلة تؤدي لعطب المعالج كلياً.

وزاري: ٢٠١٦ د١

لأنها تتولد عن مرور التيار الكهربائي في الترانزستورات؛ وكلما كانت فولتية المعالج ومعماريته أقل كانت الحرارة الناتجة أقل، ولذلك تنتج المعالجات المختلفة كميات مختلفة من الحرارة.

وزاري: ٢٠٢٢ تمهيدي ، ٢٠٢٠ د١ ، ٢٠٢٠ د٢ ، ٢٠٢٠ تمهيدي ، ٢٠١٧ د١ ، ٢٠١٧ د٣

طرائق التبريد:

١- التبريد بالمبدد الحراري ٢- التبريد بالمروحة ٣- التبريد بالماء

شرح إحداها (التبريد بالمبدد الحراري): المبدد الحراري عبارة عن شريحة من المعدن تلتصق بسطح المعالج (مربعة أو مستطيلة عادة) يخرج منها بشكل عمودي عدد كبير من الأعمدة المعدنية، وفائدته أن الحرارة الناتجة من سطح المعالج تنتشر في القضبان العمودية ذات المساحة السطحية الكبيرة فتقوم بتبديد الحرارة، وكلما كان المبدد الحراري أكبر كان أفضل، ويصنع عادة من الألمنيوم لأنه موصل جيد للحرارة.

التبريد بالمروحة: الفائدة الأساسية من استخدام المروحة هي دفع الهواء بين الأعمدة المعدنية للمبدد الحراري بحيث يمكن تبديد قدر أكبر من الحرارة. وفي بعض الأحيان يستخدم المبدد الحراري بدون مروحة وهذا يقلل التكلفة ويجعل المعالج غير معرض للتلف بسبب توقف المروحة، وفي هذه الحالة يجب استعمال مبدد حراري كبير جداً، ولكن لوحظ أن استخدام المروحة يجعل التبريد أفضل حتى 10 مرات من المبدد الحراري بدون مروحة.

التبريد بالماء: التبريد بالماء من أكثر أشكال تبريد المعالجات إثارة، ويستعمل الماء بطريقة مثل المستعملة في السيارات؛ فهو يعتمد على تمرير المياه داخل المبدد الحراري (له تركيب خاص) أو استبدال المبدد الحراري بعلبة صغيرة يمر فيها الماء.

وزاري: ٢٠٢٠ د٣ ، ٢٠١٥ د٢

المبدد الحراري عبارة عن شريحة من المعدن تلتصق بسطح المعالج (مربعة أو مستطيلة عادة) يخرج منها بشكل عمودي عدد كبير من الأعمدة المعدنية، وفائدته أن الحرارة الناتجة من سطح المعالج تنتشر في القضبان العمودية ذات المساحة السطحية الكبيرة فتقوم بتبديد الحرارة، وكلما كان المبدد الحراري أكبر كان أفضل، ويصنع عادة من الألمنيوم لأنه موصل جيد للحرارة.

وزاري: ٢٠١٩ تمهيدي ، ٢٠١٥ د٢ ، ٢٠١٥ إقليم د١

يجب أن يكون المبدد الحراري ملتصقاً بسطح المعالج تماماً؛ وفي بعض المعالجات لا يكون ملتصقاً به من المصنع بل يثبت فوقه بمثبتات معدنية (معالجات Pentium مثال)، وفي هذه الحالة تبقى كمية بسيطة جداً من الهواء بين المعالج والمبدد، فيجب وضع مادة بيضاء خاصة (العجينة الحرارية) تسمى (Heat Sink Compound) تملأ الفراغ البسيط وتسمح للحرارة بأن تنتقل بكفاءة من المعالج، ويجب وضع كمية بسيطة جداً منها.

وزاري: ٢٠٢٠ د٢ ، ٢٠٢٠ د٣ ، ٢٠١٧ د٢ ، ٢٠١٧ تمهيدي

١- كفاءة المبدد الحراري.

٢- كفاءة مروحة التبريد.

٣- كمية الحرارة التي ينتجها المعالج.

٤- درجة حرارة علبة النظام، حيث لا يمكن لأي مبدد حراري ومروحة أن يحفظ درجة حرارة المعالج إلى أقل من درجة حرارة علبة النظام، لأن الهواء الذي يدفع بين أعمدة المبدد الحراري مأخوذ من علبة النظام نفسها.

٥- تصميم العلبة: ففي علب النظام من نوع (ATX) تساعد العلبة نفسها في تبريد المعالج بتركيبها إذ يقع المعالج تحت مجهز القدرة (Power Supply) ليكون في مجرى الهواء، إضافة إلى فتحات أمامية وخلفية ومروحة تبريد إضافية في جسم العلبة الخلفي.

وأحد الأسباب أيضاً وجود الأوساخ داخل المبدد الحراري مما يمنع الهواء من المرور فيه.

وزاري: ٢٠١٩ د١

لأن الهواء الذي يدفع بين أعمدة المبدد الحراري مأخوذ من علبة النظام نفسها.

وزاري: ٢٠٢٠ د٣

الأوساخ (الأتربة)

وزاري: ٢٠٢٠ د٣

الأعمدة المعدنية

وزاري: ٢٠١٨ د٣ ، ٢٠١٧ د٢ ، ٢٠١٦ د٣ ، ٢٠١٦ تمهيدي ، ٢٠١٥ إقليم د٢

المبدد الحراري ، المروحة ، الماء

وزاري: ٢٠١٩ تمهيدي

كفاءة المبدد الحراري ، كفاءة مروحة التبريد (أو: كمية الحرارة التي ينتجها المعالج، درجة حرارة علبة النظام، تصميم العلبة)

وزاري: ٢٠١٩ د١

تقصر من عمر المعالج ، تبطئ أداءه

وزاري: ٢٠٢٠ د٢ ، ٢٠١٩ تمهيدي ، ٢٠١٨ د٣ ، ٢٠١٧ د٢ ، ٢٠١٧ د٣

يُذكر أي خمس نقاط مما يأتي:

١- التأكد من أن اللوحة الأم تقوم بدعم المعالج.

٢- إغلاق جهاز الحاسوب ونزع القابس الكهربائي من مصدر القدرة قبل تثبيت المعالج لتجنب تلف المكونات.

٣- وضع المعالج في الاتجاه الصحيح له على اللوحة الأم: في أحد أركانه مثلث يشير إلى السن رقم 1 بالمعالج، ويحتوي أحد أركان المقبس (Socket) على علامة تشير إلى موضع السن رقم 1، كما يحتوي المعالج على فتحتين (Notches) على الجانبين يقابلهما بروزان على المقبس.

٤- إضافة طبقة مناسبة من المعجون الحراري (Thermal grease) بين المعالج ومبرد المعالج.

٥- التأكد من تثبيت مبرد المعالج (CPU Cooler) بصورة جيدة على المعالج قبل استخدام النظام، لأنه في حالة عدم تثبيته تزداد درجة حرارة المعالج بشكل مستمر مما قد يؤدي إلى تلفه.

٦- التأكد من الموائمة لتردد المعالج على اللوحة الأم طبقاً لمواصفات المعالج، وأن تردد ناقل النظام (System Bus Frequency) لا يكون أقل من مواصفات الأجهزة.

وزاري: ٢٠٢٠ تمهيدي

لتجنب تلف المكونات (وإتلاف المعالج)، ولذلك يجب إغلاق الجهاز ونزع القابس الكهربائي من مصدر القدرة قبل التثبيت.

وزاري: ٢٠١٨ د١ ، ٢٠١٥ د٢

لأنه في حالة عدم تثبيت المبرد تزداد درجة حرارة المعالج بشكل مستمر مما قد يؤدي إلى تلف المعالج.

وزاري: ٢٠٢٠ د١ ، ٢٠٢٠ د٢ ، ٢٠١٥ د٢

السرعة الداخلية (Internal Clock): هي سرعة تبادل البيانات داخل المعالج (أي عدد النبضات التي تستطيع أن تصدرها أي وحدة داخل المعالج)، فإذا كانت سرعة معالج الداخلية 500MHz فهذا يعني أن جميع وحداته الداخلية ترددها 500,000,000 نبضة في الثانية. وكلما زاد تردد المعالج الداخلي زادت كمية الأوامر المتبادلة داخله وبالتالي تنفيذ عمليات أكثر في الثانية، مما يزيد سرعة الحاسوب بشكل عام.

وزاري: ٢٠٢٠ د٣

السرعة الخارجية (External Clock): وتسمى (System Bus)، وهي سرعة تبادل البيانات بين المعالج وبين الجسر الجنوبي (South Bridge). فمثلاً إذا كانت سرعة (Pentium 3) الخارجية 133MHz فهذا يعني أنه يسري بينه وبين الجسر الجنوبي 133,000,000 نبضة في الثانية على كل بت من الناقل. وكلما ازدادت زادت كمية الأوامر والبيانات التي تصل إلى المعالج وبالتالي زادت فاعلية السرعة الداخلية؛ فلو كانت السرعة الداخلية سريعة جداً والخارجية بطيئة فلن نستفيد من السرعة الداخلية بشكل كامل.

وزاري: ٢٠١٨ تمهيدي

الداخلية: سرعة تبادل البيانات داخل المعالج (نبضات الوحدات الداخلية في الثانية).

الخارجية (System Bus): سرعة تبادل البيانات بين المعالج والجسر الجنوبي.

وكلما ازدادت الخارجية زادت كمية الأوامر والبيانات الواصلة إلى المعالج فتزداد فاعلية السرعة الداخلية.

وزاري: ٢٠٢٠ د٢ ، ٢٠١٩ د١

التدرج الفائق (Superscalar): كون المعالج يحوي أكثر من خط لتنفيذ العمليات؛ فإذا وصلت عمليتان إلى معالج بخط معالجة واحد نفذ الأولى ثم الثانية، أما إذا وصلتا إلى معالج بخطي معالجة فتنفذ كل تعليمة في خط معالجة في نفس الوقت وبذلك نحصل على النتائج بشكل أسرع.

تقسيم خطوط المعالجة إلى مراحل (Pipelining): أي أن خط المعالجة يقسم إلى مراحل، كل مرحلة تقوم بتنفيذ جزء من العملية إلى إتمام التنفيذ.

وزاري: ٢٠٢٠ د٣ ، ٢٠١٨ تمهيدي ، ٢٠١٧ د١ ، ٢٠١٥ د٢ ، ٢٠١٥ إقليم د٢

١- يستخدم نفس نوع الموصل (Socket) الموجود على اللوحة الأم.

٢- تتوافق سرعته مع اللوحة الأم.

٣- يتوافق مع إمكانيات اللوحة الأم في إمداده بالطاقة المناسبة.

٤- يدعم نفس سرعة الناقل (Bus Speed) الموجود في الجهاز.

٥- أو التحقق من إجازته للعمل مع اللوحة الأم (Mother Board) بواسطة الشركات المصنعة للمعالج أو اللوحة الأم أو الحاسوب.