ما هو المعالج الدقيق؟

كما هو الحال مع وحدات المعالجة المركزية، عادة ما يُنظر إلى المعالجات الدقيقة على أنها "دماغ" الكمبيوتر. وخلافًا لوحدات المعالجة المركزية التقليدية، تدمج المعالجات الدقيقة الدوائر الحسابية والمنطقية ودوائر التحكم الخاصة بوحدات المعالجة المركزية التقليدية في دائرة رقمية واحدة متعددة الأغراض تعمل بنظام الساعة وقائمة على السجلات.

على الرغم من أن مصطلحي وحدة المعالجة المركزية والمعالج الدقيق غالبًا ما يستخدمان بالتبادل، فإن المعالج الدقيق هو في الأساس وحدة معالجة مركزية الكل في واحد على شريحة واحدة. يقلل هذا التصميم أحادي الشريحة من عدد التوصيلات الكهربائية الضعيفة، ما يحسن الموثوقية من خلال تقليل نقاط الفشل المحتملة. وعلى هذا النحو، حلت المعالجات الدقيقة بشكل شبه كامل محل وحدات المعالجة المركزية التقليدية متعددة العناصر.

قبل المعالجات الدقيقة، كانت أجهزة الكمبيوتر تستخدم رفوفًا من الدوائر المتكاملة لإنجاز وظائف الحوسبة الرئيسية للكمبيوتر. وفي عام 1971، حدث تحول كبير في تقنية الحوسبة مع طرح Intel 4004، وهو أول معالج دقيق متاح في الأسواق. لم يكن هذا الجهاز الرائد، الذي صممه Federico Faggin، مجرد استجابة لطلب من شركة Busicom اليابانية لصناعة الإلكترونيات لتصميم 12 شريحة إلكترونية مخصصة لآلة حاسبة. لقد كانت لحظة فارقة أحدثت ثورة في طريقة تفكيرنا حول الحوسبة، حيث صممت شركة Intel، بدلاً من إنتاج 12 شريحة فردية، جهاز منطقي للأغراض العامة.

كانت بنية Intel 4004، التي تعتبر محدودة القدرة وفقًا للمعايير الحالية، تعمل بسرعة ساعة 740 كيلوهرتز ويمكنها فقط معالجة تدفقات البيانات بحد أقصى 4 بت، والمعروفة أيضًا باسم "nibble". على الرغم من ضعف معالج 4004 مقارنةً بالمعالجات الدقيقة الحديثة ذات 8 بت إلى 64 بت، فإنه يعتبر عالميًا طفرة ثورية في مجال الدوائر الإلكترونية. فكما تنبأ قانون Moore، أدى التطور السريع في تقنية أشباه الموصلات إلى تحسينات كبيرة في قوة المعالجة. تصنع المعالجات الدقيقة من قِبل كبار الموردين، مثل Intel وPentium، وتستخدمها كل شركات التقنية الكبرى، مثل ®IBM وMicrosoft وApple، وهي تشغيل آلاف الأنظمة والتطبيقات بدءًا من أجهزة التحكم عن بُعد لأجهزة التلفاز إلى محطة الفضاء الدولية.

تجمع المعالجات الدقيقة الحديثة بين ملايين الترانزستورات والمقاومات والصمامات الثنائية الصغيرة على مادة شبه موصلة لإنشاء العناصر الرئيسية لوحدة المعالجة المركزية. تُرتب هذه العناصر لتشكيل أنواع مختلفة من بنى الكمبيوتر الفريدة لإجراء العمليات الحسابية وتشغيل التعليمات. يمكن تقسيم وظائف المعالج الدقيق العادي إلى أربع خطوات رئيسية.

1. جلب البيانات: يجلب المعالج الدقيق (أو "يحضر") التعليمات من ذاكرة الكمبيوتر. يمكن بدء عملية جلب البيانات عن طريق الإدخال التلقائي أو اليدوي.
2. فك التشفير: يعمل المعالج الدقيق على "فك تشفير" التعليمات، حيث يفسر بشكل أساسي المدخلات أو الأوامر إلى طلب ويبدأ عملية أو عملية حسابية محددة.
3. التنفيذ: ببساطة، ينفذ المعالج الدقيق العملية المطلوبة.
4. التخزين: تُخزن نتيجة التنفيذ في ذاكرة الكمبيوتر.

يمكن أن تكمل المعالجات الدقيقة هذه العمليات من خلال دمج العناصر الرئيسية لوحدة المعالجة المركزية في دائرة مفردة. فيما يلي العناصر الرئيسية لوحدة المعالجة الدقيقة:

• الوحدة الحسابية المنطقية (ALU): هي الوحدة المنطقية الرئيسية لوحدة المعالجة المركزية، حيث يتم بها تنفيذ العمليات المنطقية بما في ذلك الحسابات الرياضية ومقارنات البيانات.
  
  
• وحدة التحكم (CU): يفسر دائرة وحدة التحكم التعليمات ويبدأ تنفيذها ويتوجه العمليات الأساسية للمعالج.
  
  
• السجلات: توفر السجلات ذاكرة تخزين صغيرة وسريعة تستخدمها وحدة المعالجة المركزية لتخزين البيانات والتعليمات مؤقتًا أثناء عمليات الحساب.
  
  
• ذاكرة التخزين المؤقت: تستخدم المعالجات الدقيقة ووحدات المعالجة المركزية ذاكرة التخزين المؤقت، وهي شكل من أشكال الذاكرة عالية السرعة الموجودة بالقرب من وحدة المعالجة المركزية، لتخزين البيانات التي يتكرر الوصول إليها لتسريع الأداء.
  
  
• الناقلات وواجهات الناقلات: توفر واجهات الناقلات نقاط دخول وخروج للبيانات للانتقال عبر مجموعات مختلفة من الأسلاك (يشار إليها باسم الناقلات)، مثل ناقل العنوان أو ناقل البيانات. تربط الناقلات والواجهات العناصر الداخلية المختلفة فيزيائيًا، ما يتيح الاتصال داخل وحدة المعالجة المركزية والأجهزة الطرفية الأخرى مثل وحدات الإدخال/الإخراج (I/O) ويسهله.
  
  
• الترانزستورات: تعد الترانزستورات إحدى العناصر الأساسية في الدوائر المتكاملة، وهي عبارة عن أشباه موصلات صغيرة تنظم تيارات وإشارات كهربائية وتضخمها وتولدها. ويمكن أن تعمل أيضًا مفاتيحًا بسيطة أو يمكن دمجها لتكوين بوابات منطقية. عدد الترانزستورات هو مؤشر شائع لقوة المعالج الدقيق.
  
  
• نوى المعالج: تُعرف وحدات المعالجة الفردية داخل المعالجات الدقيقة باسم النوى. المعالجات الحديثة في كثير من الأحيان تتضمن نوى متعددة (ثنائية النواة أو رباعية النواة) مما يسمح بالمعالجة المتوازية عن طريق تمكين أداء مهام متعددة في نفس الوقت.
  
  
• الساعة: على الرغم من أن كل المعالجات الدقيقة لا تحتوي على ساعة داخلية، فإنها كلها تعمل بنظام الساعة. يعتمد بعضها على شرائح ساعة خارجية، وهي معروفة بدقتها المحسنة. سواء كانت داخلية أو خارجية، فإن دورة ساعة المعالج الدقيق تحدد التردد الذي سينفذ به الأوامر. تُقاس سرعات الساعة الحديثة بالميغاهيرتز (MHz) والغيغاهيرتز (GHz).

تشير بنية المعالج الدقيق إلى منهجيات التصميم والتنظيم المختلفة لعناصر وحدة المعالجة المركزية المختلفة للمعالج. والعناصر المعمارية الرئيسية للمعالج الدقيق كالتالي:

• بنية مجموعة التعليمات (ISA): تحدد بنية مجموعة التعليمات الخاصة بالمعالج الدقيق مجموعة التعليمات التي يمكن للمعالج تنفيذها. توفر بنى مجموعة التعليمات مثل بنى الكمبيوتر بمجموعة التعليمات المخفضة (RISC) والكمبيوتر بمجموعة التعليمات المعقدة (CISC) طرقًا مختلفة لمعالجة البيانات، وتقدم مستويات مختلفة من الأداء والموثوقية والسرعة المناسبة لأنواع مختلفة من التطبيقات.
  
  
• مسار البيانات: يحدد مسار بيانات المعالج الدقيق الترتيب الذي تنتقل به البيانات عبر عناصر المعالج الدقيق (الناقلات، الوحدة الحسابية المنطقية، السجلات)، ما يؤثر على الأداء الكلي.
  
  
• مسار التحكم: على غرار مسار البيانات، يوجه عنصر مسار التحكم في بنية المعالج الدقيق تسلسل العمليات ويدير نقل البيانات داخل وحدة المعالجة المركزية.
  
  
• التسلسل الهرمي للذاكرة: يعتبر التسلسل الهرمي للذاكرة عنصرًا مهمًا في بنية المعالج، حيث يوفر بنية لمستويات مختلفة من الذاكرة (ذاكرة التخزين المؤقت، والسجلات، وذاكرة الوصول العشوائي) لتحسين كفاءة الوصول إلى البيانات وسرعة استرجاعها.

تتنوع المعالجات الدقيقة من حيث الطاقة والأداء ومنهجيات البنى والحجم واستهلاك الطاقة والعديد من المتغيرات الأخرى، وهي مصممة لكل أنواع التطبيقات. تعد المعالجات الدقيقة ذات الأغراض العامة شائعة في أجهزة الكمبيوتر الشخصية والأجهزة المحمولة، في حين أن الوحدات المتخصصة عالية الأداء مثل معالجات الإشارات الرقمية (DSPs) مصممة للمهام الصعبة مثل معالجة الصوت والكلام والفيديو والصور.

فيما يأتي بعض الأنواع الرئيسية من المعالجات الدقيقة.