فهم دور وحدة المعالجة المركزية CPU في أداء الكمبيوتر

تعتبر وحدة المعالجة المركزية (CPU) من العناصر الأساسية في أي جهاز كمبيوتر، حيث تلعب دورًا محوريًا في معالجة البيانات وتنفيذ الأوامر. تعمل هذه الوحدة على تنفيذ المهام المختلفة، بدءًا من تشغيل التطبيقات وانتهاءً بمعالجة الألعاب الثقيلة. لكن ما هي آلية عمل وحدة المعالجة المركزية وكيف تؤثر على أداء الجهاز بشكل عام؟ في هذا المقال، سنستعرض وظيفة وحدة المعالجة المركزية، وكيفية اختيار الأنسب لاحتياجاتك، وأهمية هذه الوحدة في تحقيق أداء مثالي للجهاز.

أهم النقاط المستفادة

• وحدة المعالجة المركزية هي عقل الكمبيوتر، فهي تعالج التعليمات من البرامج والمكونات.
• تستخدم وحدات المعالجة المركزية الحديثة مليارات الترانزستورات المجهرية لتفسير الإشارات الثنائية، مما يتيح أداء مهام معقدة بسرعات عالية.
• تتصل وحدة المعالجة المركزية بمكونات الكمبيوتر الأخرى من خلال المقابس والناقلات.

الجزء الأكثر أهمية في الكمبيوتر، إذا كان عليك اختيار واحد فقط، هو وحدة المعالجة المركزية. إنها المحور الأساسي (أو “العقل”)، وهي تعالج التعليمات التي تأتي من البرامج أو نظام التشغيل أو المكونات الأخرى في الكمبيوتر.

1 و0: ما تفعله وحدة المعالجة المركزية

بفضل وحدات المعالجة المركزية الأكثر قوة، انتقلنا من مجرد القدرة على عرض صورة على شاشة الكمبيوتر إلى Netflix والدردشة عبر الفيديو والبث المباشر وألعاب الفيديو الواقعية بشكل متزايد.

وحدة المعالجة المركزية هي من عجائب الهندسة، ولكنها في جوهرها لا تزال تعتمد على المفهوم الأساسي لتفسير الإشارات الثنائية (1 و0). الفرق الآن هو أنه بدلاً من قراءة البطاقات المثقبة أو معالجة التعليمات بمجموعات من الصمامات المفرغة، تستخدم وحدات المعالجة المركزية الحديثة ترانزستورات صغيرة لإنشاء مقاطع فيديو TikTok أو ملء الأرقام في جدول بيانات.

أساسيات وحدة المعالجة المركزية

إن تصنيع وحدة المعالجة المركزية معقد. والنقطة المهمة هنا هي أن كل وحدة معالجة مركزية تحتوي على السيليكون (إما قطعة واحدة أو عدة قطع) الذي يضم مليارات الترانزستورات المجهرية.

كما أشرنا في وقت سابق، تستخدم هذه الترانزستورات سلسلة من الإشارات الكهربائية (التيار “مُشغَّل” والتيار “مُطفأ”) لتمثيل الكود الثنائي للآلة، والذي يتكون من 1 و0. ولأن هناك الكثير من هذه الترانزستورات، فإن وحدات المعالجة المركزية قادرة على القيام بمهام معقدة بشكل متزايد وبسرعات أكبر من ذي قبل.

إن عدد الترانزستورات لا يعني بالضرورة أن وحدة المعالجة المركزية سوف تكون أسرع. ومع ذلك، فإنه لا يزال سببًا أساسيًا في أن الهاتف الذي تحمله في جيبك يتمتع بقوة حوسبة أكبر بكثير مما كان عليه الكوكب بأكمله عندما ذهبنا إلى القمر لأول مرة.

قبل أن ننتقل إلى أعلى السلم المفاهيمي لوحدات المعالجة المركزية، دعونا نتحدث عن كيفية تنفيذ وحدة المعالجة المركزية للتعليمات بناءً على الكود الآلي، والذي يُسمى “مجموعة التعليمات”. يمكن لوحدات المعالجة المركزية من شركات مختلفة أن تحتوي على مجموعات تعليمات مختلفة، ولكن ليس دائمًا.

على سبيل المثال، تستخدم معظم أجهزة الكمبيوتر التي تعمل بنظام Windows مجموعة التعليمات x86-64، بغض النظر عما إذا كانت وحدة معالجة مركزية من Intel أو AMD. ومع ذلك، فإن أجهزة Mac من عام 2020 وما بعده تحتوي على وحدات معالجة مركزية تعتمد على ARM تسمى Apple Silicon، والتي تستخدم مجموعة تعليمات مختلفة. هناك أيضًا عدد صغير ولكنه متزايد من أجهزة الكمبيوتر التي تعمل بنظام Windows تستخدم معالجات ARM، مثل Lenovo Yoga Slim 7x.

نظرة داخلية: النوى وذاكرة التخزين المؤقت والرسومات

الآن، دعونا نلقي نظرة على السيليكون نفسه. الرسم البياني أعلاه مأخوذ من ورقة بيضاء لشركة Intel نُشرت في عام 2014 حول بنية وحدة المعالجة المركزية للشركة لـ Core i7-4770S. هذا مجرد مثال لكيفية ظهور معالج واحد – المعالجات الأخرى لها تخطيطات مختلفة.

يمكننا أن نرى أن هذا معالج رباعي النواة. كان هناك وقت حيث كانت وحدة المعالجة المركزية تحتوي على نواة واحدة فقط. الآن بعد أن أصبح لدينا نوى متعددة، فإنها تعالج التعليمات بشكل أسرع بكثير. يمكن أن تحتوي النوى أيضًا على ما يسمى بالترابط المتعدد أو الترابط المتزامن (SMT)، مما يجعل نواة واحدة تبدو وكأنها اثنتين للكمبيوتر الشخصي. هذا، كما قد تتخيل، يساعد في تسريع أوقات المعالجة بشكل أكبر.

تشترك النوى في هذا الرسم البياني في شيء يسمى ذاكرة التخزين المؤقت L3. هذا شكل من أشكال الذاكرة المدمجة داخل وحدة المعالجة المركزية. تحتوي وحدات المعالجة المركزية أيضًا على ذاكرة تخزين مؤقتة L1 وL2 موجودة في كل نواة، بالإضافة إلى السجلات، وهي شكل من أشكال الذاكرة منخفضة المستوى. إذا كنت تريد فهم الاختلافات بين السجلات والذاكرات المؤقتة وذاكرة الوصول العشوائي للنظام، فراجع هذه الإجابة على StackExchange.

يحتوي المعالج الموضح أعلاه أيضًا على وكيل النظام ووحدة التحكم في الذاكرة وأجزاء أخرى من السيليكون التي تدير المعلومات الواردة والصادرة من وحدة المعالجة المركزية.

أخيرًا، هناك الرسومات المدمجة في المعالج، والتي تولد كل تلك العناصر المرئية الرائعة التي تراها على شاشتك. لا تحتوي جميع وحدات المعالجة المركزية على قدرات الرسومات الخاصة بها. على سبيل المثال، تتطلب وحدات المعالجة المركزية لسطح المكتب AMD Zen بطاقة رسومات منفصلة لعرض أي شيء على الشاشة. كما لا تتضمن بعض وحدات المعالجة المركزية لسطح المكتب Intel Core رسومات مدمجة.

وحدة المعالجة المركزية على اللوحة الأم

الآن بعد أن نظرنا إلى ما يحدث تحت غطاء وحدة المعالجة المركزية، فلنلق نظرة على كيفية تكاملها مع بقية جهاز الكمبيوتر الخاص بك. توجد وحدة المعالجة المركزية في ما يسمى بالمقبس على اللوحة الأم لجهاز الكمبيوتر الخاص بك.

بمجرد وضعها في المقبس، يمكن لأجزاء أخرى من الكمبيوتر الاتصال بوحدة المعالجة المركزية من خلال شيء يسمى “الحافلات”. على سبيل المثال، تتصل ذاكرة الوصول العشوائي بوحدة المعالجة المركزية من خلال ناقل خاص بها، في حين تستخدم العديد من مكونات الكمبيوتر نوعًا معينًا من الناقل، يسمى “PCIe”.

تحتوي كل وحدة معالجة مركزية على مجموعة من “مسارات PCIe” يمكنها استخدامها. على سبيل المثال، تحتوي وحدات المعالجة المركزية Zen 5 من AMD على 28 مسارًا تتصل مباشرة بوحدة المعالجة المركزية. ثم يتم تقسيم هذه المسارات من قبل مصنعي اللوحات الأم بتوجيه من AMD.

على سبيل المثال، تُستخدم 16 مسارًا عادةً لفتحة بطاقة الرسومات x16. ثم، هناك ثمانية مسارات للتخزين، مثل جهاز تخزين سريع، مثل SSD M.2. بدلاً من ذلك، يمكن أيضًا تقسيم هذه المسارات الثمانية. يمكن استخدام مسارين لمحرك أقراص SSD من نوع M.2، ومسارين لمحرك أقراص SATA الأبطأ، مثل محرك الأقراص الثابتة أو محرك أقراص SSD مقاس 2.5 بوصة، وما إلى ذلك.

وهذا يعني 24 مسارًا، مع تخصيص المسارات الأربعة الأخرى لمجموعة الشرائح، والتي تعد مركز الاتصالات ووحدة التحكم في حركة المرور للوحة الأم. ثم تحتوي مجموعة الشرائح على مجموعة خاصة بها من اتصالات الناقل، مما يتيح إضافة المزيد من المكونات إلى جهاز الكمبيوتر. وكما قد تتوقع، فإن المكونات ذات الأداء الأعلى لها اتصال أكثر مباشرة بوحدة المعالجة المركزية.

كما ترى، تقوم وحدة المعالجة المركزية بمعظم معالجة التعليمات، وأحيانًا تعمل حتى الرسومات (إذا تم بناؤها لذلك). ومع ذلك، فإن وحدة المعالجة المركزية ليست الطريقة الوحيدة لمعالجة التعليمات. فالمكونات الأخرى، مثل بطاقة الرسومات، لها قدرات معالجة خاصة بها على متنها. كما تستخدم وحدة معالجة الرسومات قدرات المعالجة الخاصة بها للعمل مع وحدة المعالجة المركزية وتشغيل الألعاب أو تنفيذ مهام أخرى مكثفة للرسومات.

والفرق الكبير هو أن معالجات المكونات مبنية مع وضع مهام محددة في الاعتبار. ومع ذلك، فإن وحدة المعالجة المركزية هي جهاز عام الغرض قادر على القيام بأي مهمة حوسبة يُطلب منه القيام بها. ولهذا السبب، تحتل وحدة المعالجة المركزية مكانة بارزة داخل جهاز الكمبيوتر الخاص بك، ويعتمد باقي النظام عليها للعمل.

اختيار وحدة المعالجة المركزية المناسبة لك

إذا كنت تقوم ببناء جهاز كمبيوتر، وخاصة جهاز للألعاب، فأنت تريد التأكد من اختيار معالج سريع ومقاوم للمستقبل. راجع دليلنا لأفضل وحدات المعالجة المركزية في السوق للبدء. تأكد من التحقق من قياساتك قبل طلب أي أجزاء أخرى.

إن فهم كيفية عمل وحدة المعالجة المركزية وأهميتها في أداء الكمبيوتر يمكن أن يساعدك في اتخاذ قرارات مستنيرة عند شراء أو ترقية جهازك. يجب أن تؤخذ احتياجاتك الشخصية بعين الاعتبار عند اختيار وحدة المعالجة المركزية المناسبة، حيث يمكن أن يؤثر ذلك بشكل كبير على كفاءة الجهاز وسرعته. استثمار الوقت في معرفة المزيد حول هذه الوحدة يمكن أن يعود عليك بفوائد كبيرة في تجربتك اليومية.