أحسنت! وصلت إلى ختام الفصل الثاني: تنفيذ التعليمات في المعالج

وزاري: ٢٠٢٤ د١

يتم التعامل مع المعالج بوسيلتين هما:

١- المكونات البرمجية Software: وتتم باعتماد البرمجة بلغة الآلة Machine Language الخاصة بالمعالج الذي يتم التعامل معه، إذ إن كل معالج له لغة آلة خاصة به، وكل معالج يستطيع تنفيذ تعليمات المعالج الذي قبله ويملك مجموعة تعليمات موسعة وإضافية.

٢- المكونات المادية Hardware: وتشتمل على كيفية توصيل المعالج على الأطراف المحيطة به مثل (الذاكرة، ووحدات الإدخال والإخراج)، واستعمال المعالج في التطبيقات المختلفة مثل (دوائر التحكم).

والمتعامل مع المعالج لا بد أن يكون ملماً بكلتا الوسيلتين.

وزاري: ٢٠٢٦ د١

البرنامج مجموعة من التعليمات المتسلسلة المرتبة منطقياً، مكتوبة بلغة برمجة معينة، تقوم بتوجيه المعالج لأداء وظيفة ما أو عمل معين مثل التحكم في متغير معين أو التعرف على معلومة معينة من بين الكثير من المعلومات. ويمكن النظر لأي برنامج على أنه مجموعة من الشفرات الثنائية المخزنة في الذاكرة في انتظار أن يقوم المعالج بتنفيذها.

وزاري: ٢٠٢٥ د٢

التعليمة (الإيعاز) هي الشفرة الثنائية (Binary Code) التي تعطى للمعالج وعلى أثرها يقوم المعالج بتنفيذ عمل معين، مثل جمع رقمين أو إحضار معلومة من الذاكرة أو غير ذلك من الأفعال التي يستطيع المعالج القيام بها. مثال: الشفرة (10000000) معناها اجمع محتويات السجل B مع سجل التراكم A وضع النتيجة في السجل A.

وزاري: ٢٠٢٥ تمهيدي

لغة الآلة هي اللغة المتكونة من الواحدات والأصفار التي يتم إرسالها بسهولة عبر إشارات كهربائية ليتعامل معها المعالج، وهي اللغة الوحيدة التي يفهمها الحاسوب ويوظفها للاتصال بين الوحدات الداخلية المختلفة، وتعد لذلك اللغة الداخلية له. وقد اعتمدت في كتابة برمجيات الجيل الأول من الحواسيب، وتختلف من معالج إلى آخر تبعاً لنوعه وطرازه وتركيبه الداخلي.

وزاري: ٢٠٢٦ د١

برمجة الحواسيب بالنظام الثنائي مباشرة عملية شاقة بسبب العيوب الآتية:

١- البرامج المكتوبة بلغة الآلة تأخذ وقتاً طويلاً في إدخالها للذاكرة، لأنها تكتب بتاً بعد بت.

٢- صعوبة فهم أي خطأ أو متابعته أو تصحيحه، لأن الأعداد الثنائية نماذج من الواحدات والأصفار يصعب التفريق بينها ولاسيما بعد مدة عمل طويلة معها.

٣- شكل البرنامج لا يعطي أي دلالة على الغرض منه، بخلاف البرامج المكتوبة بلغات البرمجة الأخرى.

٤- من السهل أن يقع المبرمج في الكثير من الأخطاء في أثناء الكتابة، ومن الصعب جداً عليه استخراجها فيما بعد.

وزاري: ٢٠١٧ د١

حاولوا التغلب على بعض عيوبها باعتماد النظام الست عشري (Hexadecimal) بدلاً من النظام الثنائي، فحل مشكلة صعوبة كتابة البرامج واستخراج الأخطاء منها إلى حد ما، لكن بقيت مشكلة التعامل مع أرقام صماء لا تحمل أي دلالة عن ماذا يفعل الأمر. ولذلك طوروا فكرة إعطاء كل أمر شفرة مكونة من ثلاثة أو أربعة أحرف في الأكثر مختصرة من الحروف الأبجدية تدل تقريباً على ما يقوم به المعالج عند تنفيذ الأمر، فنشأت لغة التجميع.

وزاري: ٢٠٢٢ تمهيدي

لغة التجميع هي لغة تعتمد شفرات رمزية سهلة التذكر (اختصارات حرفية مكونة من ثلاثة أو أربعة أحرف في الأكثر) بدلاً من الشفرات الرقمية المعتمدة في لغة الآلة، مثل (MOV, ADD)، وتسمى أيضاً الشفرات الحرفية (Mnemonics Codes) أو لغة الترميز. وهي من اللغات منخفضة المستوى لارتباطها بالمعالج مباشرة.

وزاري: ٢٠١٧ د١

هي اختصارات حرفية (شفرات رمزية) سهلة التذكر تدل تقريباً على ما يقوم به المعالج عند تنفيذ الأمر، بدلاً من الشفرات الرقمية؛ مثل ADD اختصار لكلمة جمع (Addition) وSUB اختصار لكلمة طرح (Subtraction)، وتعني الشفرات التي يمكن تذكرها، وهي نفسها لغة التجميع.

وزاري: ٢٠٢٦ د١

هو برنامج خاص يقوم بتحويل (ترجمة) البرنامج المكتوب بلغة التجميع ذي الشفرات الحرفية إلى برنامج بلغة الآلة ذي الشفرات الثنائية، لأن المعالج لا يتعامل إلا مع الشفرات الثنائية. ويسمى البرنامج المكتوب بلغة التجميع برنامج المصدر (Source Program)، والبرنامج المكتوب بلغة الآلة برنامج الهدف (Object Program).

وزاري: ٢٠١٥ د٢

العبارة خطأ؛ والصحيح: تعد لغة الترميز (التجميع) من اللغات منخفضة المستوى لأنها مرتبطة بالمعالج مباشرة، وهذا لا يعني أنها لغة ضعيفة.

وزاري: ٢٠٢٦ تمهيدي

العبارة صحيحة؛ فلغة الآلة ولغة التجميع من اللغات منخفضة المستوى المرتبطة بالمعالج مباشرة، ويمكن تفسيرها مباشرة بواسطة الأجهزة (Hardware) نفسها.

وزاري: ٢٠٢٤ د٢

تعليمة النقل MOV تستعمل لنسخ (نقل) المعطيات الموجودة في معامل المصدر (Source Operand) إلى معامل الهدف (Destination Operand)، وصيغتها: MOV destination , source. وتبقى محتويات المصدر كما هي بعد التنفيذ.

مثال: التعليمة MOV D, C تنسخ محتويات السجل C إلى السجل D، فتصبح محتويات السجل D مطابقة لمحتويات السجل C.

وزاري: ٢٠٢١ د١

تعليمة الجمع ADD تستعمل لجمع البيانات الموجودة في معامل الهدف مع البيانات الموجودة في معامل المصدر ثم تخزن النتيجة في معامل الهدف، وصيغتها: ADD destination, source. مثال: ADD A, B معناها A = A + B.

وزاري: ٢٠٢٥ تمهيدي

تقسم البنية الأساسية للحاسوب على ثلاثة أجزاء رئيسة هي: وحدة المعالجة المركزية CPU، والذاكرة (RAM / ROM)، ووحدات الإدخال والإخراج (Input / Output Devices)، وتتصل بعضها ببعض عبر النواقل (ناقل العناوين وناقل البيانات).

تكبير

وزاري: ٢٠٢٣ د١

تخبر التعليمة HALT المعالج بوقف زيادة عداد البرنامج والاستفسار عن التعليمة التالية. وفي حالة عدم وجود التعليمة HALT يتابع المعالج تعديل قيمة عداد البرنامج وجلب التعليمات.

وزاري: ٢٠٢٦ تمهيدي

مؤقت النظام دائرة خاصة داخل كل حاسوب، وظيفتها ليست معرفة الوقت وإنما إرسال نبضات كهربائية صغيرة (نبضات التوقيت CLK) إلى المعالج الذي يوظفها للتحكم في العمليات التي ينجزها، فكل عمليات المعالج يتم التحكم بها بالحافة الصاعدة أو الحافة النازلة لنبضة النظام. وهو بمنزلة جهاز تنظيم ضربات القلب (Pacemaker) للمعالج.

وزاري: ٢٠٢٤ د١

هي المدة الزمنية المستغرقة لأي عملية قراءة أو كتابة يقوم بها المعالج.

وزاري: ٢٠٢٥ تمهيدي

دورة الآلة: هي المدة الزمنية المستغرقة لأي عملية قراءة أو كتابة يقوم بها المعالج.

دورة التعليمة: هي المدة الزمنية التي تستغرقها السلسلة المتكاملة من الإجراءات أو العمليات لتنفيذ تعليمة معينة، وهي ليست ثابتة القيمة بل تتغير بحسب نوع التعليمة، وتتراوح ما بين دورة آلة واحدة وخمس دورات في بعض المعالجات، وكل دورة آلة تتراوح ما بين ثلاث في الأقل إلى خمس دورات للساعة.

وزاري: ٢٠٢٦ تمهيدي

تتضمن دورة التعليمة بنحو أساسي دورتين رئيستين هما:

١- دورة جلب التعليمة (Fetch Instruction Cycle). ٢- دورة تنفيذ التعليمة (Execution Instruction Cycle).

وتتضمن كل دورة عدداً من الخطوات، كل خطوة منها تسمى الطور (Phase).

وزاري: ٢٠٢٦ تمهيدي

هي المدة الزمنية التي تستغرقها السلسلة المتكاملة من الإجراءات أو العمليات لتنفيذ تعليمة معينة، وتتضمن في جميع المعالجات دورتين رئيستين هما دورة جلب التعليمة ودورة تنفيذ التعليمة.

وزاري: ٢٠٢٤ د٢

تبدأ دورة التعليمة بالبداية، ثم دورة الجلب (أجلب التعليمة)، ثم دورة التنفيذ (نفذ التعليمة)، وبعدها تعود الحلقة لجلب التعليمة التالية إلى أن يحين التوقف.

تكبير

وزاري: ٢٠١٨ د٢

تضاف إلى دورتي الجلب والتنفيذ دورة ثالثة هي دورة المقاطعة؛ فبعد تنفيذ التعليمة يجري الاستفسار عن المقاطعة: فإذا كانت المقاطعة مفعلة نفذت المقاطعة ثم يعود المعالج لجلب التعليمة التالية، وإذا كانت معطلة ينتقل مباشرة لجلب التعليمة التالية، وفي النهاية التوقف.

تكبير

وزاري: ٢٠٢٤ د١

تقوم وحدة السيطرة المنطقية بدورة جلب التعليمة، وتتكون من ثلاثة أطوار:

١- طور العنوان (T0): بداية دورة الجلب؛ يحتوي عداد البرنامج على عنوان التعليمة المراد تنفيذها فيوضع هذا العنوان في مسجل عنوان الذاكرة MAR.

٢- طور الزيادة (T1): تزداد قيمة عداد البرنامج بواحد ليؤشر إلى موقع التعليمة التالية، ويوضع العنوان الموجود في MAR على ناقل العناوين لتحديد موقع الذاكرة، ثم ينقل محتوى ذلك العنوان عبر ناقل البيانات إلى مسجل الذاكرة العازلة MBR الذي يخزن شفرة التعليمة المجلوبة.

٣- طور الذاكرة (T2): ينقل محتوى MBR إلى مسجل التعليمة IR ليتم بعد ذلك فك شفرته وتنفيذه.

وزاري: ٢٠٢١ تمهيدي

ويعرف بـ T0، وهو بداية دورة جلب التعليمة؛ إذ يحتوي عداد البرنامج على عنوان التعليمة المراد تنفيذها، فيتم وضع هذا العنوان في مسجل عنوان الذاكرة (MAR).

وزاري: ٢٠٢٥ تمهيدي

ويعرف بـ T1، وفيه يتم زيادة عداد البرنامج بواحد ليؤشر إلى موقع التعليمة التالية، ويضع المعالج العنوان الموجود في MAR على ناقل العناوين، ثم ينقل محتوى ذلك العنوان عبر ناقل البيانات إلى مسجل الذاكرة العازلة (MBR) الذي يخزن شفرة التعليمة التي جلبت من الذاكرة قبل نقلها إلى مسجل التعليمة (IR).

وزاري: ٢٠٢٣ د١

ويعرف بـ T2، وفيه يتم نقل محتوى مسجل الذاكرة العازلة (MBR) إلى مسجل التعليمة (IR) ليتم بعد ذلك فك شفرته وتنفيذه.

وزاري: ٢٠٢٥ د٢

طور العنوان (T0): هو بداية دورة الجلب، يوضع فيه عنوان التعليمة الموجود في عداد البرنامج في مسجل عنوان الذاكرة (MAR).

طور الذاكرة (T2): هو آخر أطوار دورة الجلب، ينقل فيه محتوى مسجل الذاكرة العازلة (MBR) إلى مسجل التعليمة (IR) ليتم فك شفرته وتنفيذه.

وزاري: ٢٠٢٣ د١

تمر دورة التعليمة بالخطوات الرئيسة الآتية: (١) جلب التعليمة من الذاكرة إلى وحدة التحكم، (٢) فك شفرة التعليمة إلى أوامر في وحدة التحكم، (٣) تنفيذ الأوامر في وحدة الحساب والمنطق، (٤) خزن النتائج في الذاكرة.

تكبير

وزاري: ٢٠١٩ د١

العبارة خطأ؛ والصحيح: تحتوي دورة التنفيذ على ثلاثة أطوار تعرف بـ (T3, T4, T5)، أما (T0, T1, T2) فهي أطوار دورة الجلب.

وزاري: ٢٠١٥ د٢

العبارة خطأ؛ والصحيح: دورة التعليمة ليست ثابتة القيمة، فهي تتغير بحسب نوع التعليمة، وتتراوح ما بين دورة آلة واحدة وخمس دورات في بعض المعالجات.

وزاري: ٢٠٢١ د٢

أهم العوامل المؤثرة في سرعة المعالج:

١- مجموعة التعليمات (Instruction Set).

٢- تردد المعالج أو تردد مولد النبضات.

٣- سرعة النواقل (Bus Speed).

٤- الذاكرة المخبئة (Cache Memory).

٥- الحرارة وتبديد الحرارة (Heat and Heat Dissipation).

وزاري: ٢٠٢٥ تمهيدي

هي شفرة مبنية داخل المعالج تخبره كيف ينفذ واجباته، ولا يملك مستعمل المعالج القدرة على التحكم بها ولا تحديثها (Update). وهي مع البنية الداخلية للمعالج تؤثر بنحو واضح في أدائه، فالبنية الداخلية تحدد عدد الدورات والنبضات التي يحتاج إليها المعالج لتنفيذ تعليمة معينة.

وزاري: ٢٠٢٢ تمهيدي

CISC (مجموعة التعليمات المعقدة): تتضمن مئات التعليمات لتغطية كل الحالات الممكنة، فيحتاج المعالج إلى مئات الآلاف من الترانزستورات مما يجعل تصميمه معقداً جداً ويحتاج إلى وقت طويل وكلفة عالية، وهي التقنية المعتمدة حتى أواخر العقد 1980.

RISC (مجموعة التعليمات المختصرة): طورت بعد أواخر العقد 1980، وتقلل عدد التعليمات من المئات إلى نحو 40 تعليمة أو ما يقارب ذلك، ويتم استغلال جميع الترانزستورات الباقية لتحسين قدرة المعالج وكفاءته.

وزاري: ٢٠٢٦ د١

يقصد بتردد المعالج تردد الساعة التي يعمل عليها المعالج، فكلما كان تردد الساعة أعلى أصبح بإمكان المعالج عمل أشياء أكبر في وقت أقل. وتقاس سرعة المعالج بالهرتز؛ فالمعالج الذي تردده 200 MHz قادر على عمل 200 مليون دورة في الثانية.

وزاري: ٢٠١٩ د١

تعتمد سرعة الناقل على عرض الناقل وتردده بحسب المعادلة: سرعة الناقل (بت/ثانية) = عرض الناقل (بت) × تردد الناقل (هيرتز).

الحل: سرعة الناقل = 16 × 100,000 = 1,600,000 bit/s = 1.6 Mbit/s.

وزاري: ٢٠٢٦ تمهيدي

هي ذاكرة صغيرة تشبه ذاكرة الوصول العشوائي إلا أنها أسرع منها وأصغر، توضع على ناقل النظام بين المعالج وذاكرة الوصول العشوائي، وتخزن البيانات الأكثر طلباً من المعالج مما يجعلها في متناوله بسرعة حين يطلبها.

وزاري: ٢٠١٩ تمهيدي

لأن المعالج يطلب البيانات نفسها أكثر من مرة في أوقات متقاربة، تخزن الذاكرة المخبئة البيانات الأكثر طلباً. وتعمل بالخطوات الآتية:

١- عندما يحتاج المعالج بيانات معينة يبحث عنها أولاً في الذاكرة المخبئة.

٢- إذا لم يجدها فيها ينتقل الطلب إلى الذاكرة العشوائية RAM.

٣- ترسل الذاكرة العشوائية البيانات إلى المعالج وترسل نسخة منها إلى الذاكرة المخبئة.

٤- في المرة القادمة عندما يطلب المعالج البيانات نفسها يجدها في الذاكرة المخبئة.

تكبير

وزاري: ٢٠٢٦ د١

لوضع الذاكرة المخبئة داخل المعالج فائدتان:

١- السرعة.

٢- في حالة تركيب أكثر من معالج واحد على اللوحة الأم لا تتزاحم المعالجات على الذاكرة المخبئة، لأن لكل معالج ذاكرته الخاصة.

وزاري: ٢٠٢٦ تمهيدي

أي قطعة إلكترونية ومنها المعالج تحتاج إلى أن تكون ضمن مدى معين من درجات الحرارة، فإذا زادت درجة الحرارة عن هذا الحد فإنها تقصر من عمر المعالج وتبطئ أداءه وتتسبب بأخطاء في الحسابات، وقد يعيد الحاسب تشغيل نفسه من دون سبب. فالحرارة تنتج من مرور التيار الكهربائي في الترانزستورات، وكلما كانت فولتية المعالج ومعماريته أقل كانت الحرارة الناتجة أقل.

ومن وسائل التبديد: المبدد الحراري، وهو شريحة من المعدن تلتصق بسطح المعالج يخرج منها عدد كبير من الأعمدة المعدنية فتنتشر الحرارة بين القضبان العمودية ذات المساحة السطحية الكبيرة فتبدد الحرارة؛ ومروحة التبريد التي تدفع الهواء بين الأعمدة المعدنية للمبدد الحراري فيبدد قدراً أكبر من الحرارة.

وزاري: ٢٠١٥ د٢

السيليزية (°C).

وزاري: ٢٠٢٥ تمهيدي

المبدد الحراري شريحة من المعدن تلتصق بسطح المعالج، يخرج منها بنحو عمودي عدد كبير من الأعمدة المعدنية، وفائدته انتشار الحرارة الناتجة من المعالج بين القضبان العمودية ذات المساحة السطحية الكبيرة فتبدد الحرارة. ويصنع من الألمنيوم لأنه موصل جيد للحرارة.

وزاري: ٢٠٢١ د٢

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

وزاري: ٢٠١٥ د٣

حتى لا يعود الهواء الساخن الخارج من المبدد الحراري للدخول مرة ثانية.

وزاري: ٢٠٢٥ د٢

عملها دفع الهواء بين الأعمدة المعدنية للمبدد الحراري بحيث يمكن تبديد قدر أكبر من الحرارة، فيصبح التبريد أفضل.

وزاري: ٢٠٢٦ د١

جهاز على شكل شريحة مربعة يوضع على سطح المعالج ويعمل بالكهرباء، ويقوم بسحب الحرارة من سطح المعالج إلى السطح الآخر، ويثبت المبدد الحراري من أعلاه. يبرد بكفاءة تامة لكنه غالي الثمن.

وزاري: ٢٠٢٣ د١

لأنه غالي الثمن، وتعد كلفته واحدة من الأسباب التي قللت استعماله في الحواسيب الحديثة.

وزاري: ٢٠٢٠ تمهيدي

وسائل تبريد المعالجات الحديثة:

١- المبدد الحراري.

٢- مروحة التبريد.

٣- مبرد بالتير (Peltier Cooler).

٤- التبريد بالماء (Water Cooling).

٥- التبريد بالنيتروجين السائل (Liquid Nitrogen Cooler).

٦- التبريد بالضاغطات (Compressor Cooling).

شرح المبدد الحراري: شريحة من المعدن تلتصق بسطح المعالج يخرج منها عدد كبير من الأعمدة المعدنية، وفائدته انتشار الحرارة الناتجة من المعالج بين القضبان العمودية ذات المساحة السطحية الكبيرة فتبدد الحرارة، ويصنع من الألمنيوم لأنه موصل جيد للحرارة.