وحدة المعالجة المركزية (CPU)، والتي يشار إليها غالبًا باسم "عقل" نظام الكمبيوتر، هي المكون الأساسي المسؤول عن تفسير وتنفيذ معظم الأوامر الصادرة من أجهزة وبرامج الكمبيوتر. إنه جزء أساسي من أي جهاز كمبيوتر، بما في ذلك الخوادم وأجهزة الكمبيوتر والهواتف الذكية والمزيد.
الرحلة التاريخية لوحدة المعالجة المركزية (CPU)
تتمتع وحدة المعالجة المركزية، كما نعرفها اليوم، بتاريخ غني يعود إلى الأيام الأولى للحوسبة. يمكن إرجاع مفهوم المعالج المركزي إلى الأربعينيات من القرن العشرين مع تطوير أول كمبيوتر إلكتروني للأغراض العامة، وهو ENIAC. استخدم إينياك الأنابيب المفرغة لإجراء العمليات الحسابية لكنه كان يفتقر إلى وحدة معالجة مركزية.
كان أول جهاز يستخدم وحدة المعالجة المركزية المناسبة هو مانشستر مارك 1، الذي طورته جامعة مانشستر في عام 1949. ولكن في عام 1971 عندما أصدرت شركة إنتل 4004، أول معالج دقيق متاح تجاريا، بدأت وحدات المعالجة المركزية تصبح مصطلحا منزليا. كان لهذا المعالج الدقيق بنية 4 بت وكان يستخدم بشكل أساسي في الآلات الحاسبة.
منذ ذلك الحين، تطورت وحدات المعالجة المركزية عبر عدة أجيال، مما أدى إلى زيادة كبيرة في قوة المعالجة، وتقليل الحجم، وأصبحت أكثر كفاءة في استخدام الطاقة. وقد استرشدت هذه التحسينات بقانون مور، الذي تنبأ بأن عدد الترانزستورات الموجودة على الشريحة سوف يتضاعف كل عامين تقريبًا.
نظرة فاحصة على وحدة المعالجة المركزية (CPU)
وحدة المعالجة المركزية عبارة عن قطعة تقنية معقدة تؤدي العديد من المهام في وقت واحد لضمان الأداء السلس لجهاز الكمبيوتر. فهو يفسر وينفذ التعليمات من ذاكرة النظام، وينفذ العمليات الحسابية والمنطقية، ويدير تدفق البيانات بين المكونات المختلفة للكمبيوتر.
تتكون وحدات المعالجة المركزية الحديثة من عدة نوى، كل نواة قادرة على أداء المهام بشكل مستقل. تسمح وحدات المعالجة المركزية متعددة النواة بالمعالجة المتزامنة لمهام متعددة، مما يعزز الأداء العام للنظام.
علاوة على ذلك، تم تصميم وحدات المعالجة المركزية باستخدام بنى دقيقة مختلفة، وأكثرها شيوعًا هو x86 (الذي تستخدمه Intel وAMD) وARM (المستخدم في معظم الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية).
تعقيدات وحدة المعالجة المركزية (CPU)
تتكون وحدة المعالجة المركزية من عدة مكونات رئيسية:
-
وحدة التحكم (CU): يتحكم CU في مكونات الأجهزة المختلفة في النظام ويديرها. فهو يفسر التعليمات الواردة من الذاكرة ويحولها إلى سلسلة من إشارات التحكم التي تعمل على تشغيل أجزاء أخرى من الكمبيوتر.
-
وحدة المنطق الحسابي (ALU): وحدة ALU مسؤولة عن إجراء العمليات الحسابية والمنطقية.
-
السجلات: هذه مناطق تخزين صغيرة عالية السرعة داخل وحدة المعالجة المركزية والتي تحتفظ بالبيانات مؤقتًا أثناء المعالجة.
-
مخبأ: هذه كمية صغيرة من ذاكرة الوصول العشوائي عالية السرعة (RAM) المبنية مباشرة داخل المعالج للوصول السريع إلى المعلومات المستخدمة بشكل متكرر.
-
الباصات: هي أنظمة اتصالات تقوم بنقل البيانات بين المكونات الموجودة داخل جهاز الكمبيوتر، أو بين أجهزة الكمبيوتر.
الميزات الرئيسية لوحدة المعالجة المركزية (CPU)
تشمل الميزات الرئيسية لوحدة المعالجة المركزية ما يلي:
-
قوة المعالجة: يتم تعريفه بعدد التعليمات التي يمكن لوحدة المعالجة المركزية التعامل معها في الثانية. يتم تحديده بشكل أساسي من خلال سرعة الساعة وعدد النوى.
-
بنية مجموعة التعليمات (ISA): هذا هو جزء المعالج الذي يحدد أنواع البيانات المدعومة، والسجلات، وأوضاع العنونة، وبنية الذاكرة، ومجموعة التعليمات (أو الأوامر التي يمكن لوحدة المعالجة المركزية تنفيذها).
-
استهلاك الطاقة وتبديد الحرارة: عندما تصبح وحدات المعالجة المركزية أكثر قوة، فإنها تولد المزيد من الحرارة. يعد التبديد الفعال للحرارة وانخفاض استهلاك الطاقة من الميزات الأساسية لوحدات المعالجة المركزية الحديثة.
-
تكنولوجيا متعددة النواة: تحتوي وحدات المعالجة المركزية الحديثة على نوى متعددة، مما يسمح بالمعالجة المتوازية، وبالتالي زيادة الأداء والكفاءة.
أنواع وحدات المعالجة المركزية (CPU)
| يكتب | يستخدم | أمثلة |
|---|---|---|
| وحدات المعالجة المركزية لسطح المكتب | المستخدمة في أجهزة الكمبيوتر الشخصية | إنتل كور آي 7، إيه إم دي رايزن 5 |
| وحدات المعالجة المركزية للخادم | مصمم لأجهزة الكمبيوتر الخادم ويمكنه التعامل مع مهام متعددة في وقت واحد | إنتل زيون، أيه إم دي إبيك |
| وحدات المعالجة المركزية المتنقلة | مصممة للأجهزة المحمولة، مع إعطاء الأولوية لكفاءة الطاقة | أبل A14 بيونيك، كوالكوم سنابدراجون 888 |
| وحدات المعالجة المركزية المضمنة | تستخدم في الأجهزة والآلات، المصممة لمهام محددة | أرم كورتيكس-M |
الاستفادة من وحدة المعالجة المركزية (CPU)
وحدات المعالجة المركزية موجودة في كل مكان في العالم الحديث. إنها موجودة في كل شيء بدءًا من أجهزة الكمبيوتر والهواتف الذكية وحتى السيارات والأجهزة. ومع ذلك، يمكن أن يسبب الاستخدام غير السليم أو العوامل البيئية مشكلات مثل ارتفاع درجة الحرارة أو الاستخدام المفرط لوحدة المعالجة المركزية.
عادةً ما يتم حل مثل هذه المشكلات عن طريق استخدام المشتتات الحرارية أو مراوح التبريد لارتفاع درجة الحرارة، وتحسين البرامج أو ترقية الأجهزة للاستخدام المفرط لوحدة المعالجة المركزية.
مقارنة وحدة المعالجة المركزية (CPU) بمصطلحات مماثلة
| شرط | تعريف | الاختلافات الرئيسية |
|---|---|---|
| وحدة المعالجة المركزية | المكون الأساسي للكمبيوتر الذي يقوم بمعظم عمليات المعالجة | ينفذ التعليمات، ويجري العمليات الحسابية |
| GPU (وحدة معالجة الرسومات) | دائرة إلكترونية متخصصة مصممة لمعالجة الذاكرة وتغييرها بسرعة لتسريع عملية إنشاء الصور | مصممة للمعالجة المتوازية، وتستخدم لتقديم الرسومات |
| SoC (نظام على شريحة) | دائرة متكاملة تجمع جميع مكونات الكمبيوتر أو أي نظام آخر في شريحة واحدة | يجمع بين وحدة المعالجة المركزية ووحدة معالجة الرسومات والذاكرة والمزيد في شريحة واحدة |
| FPGA (صفيف البوابة القابلة للبرمجة ميدانيًا) | دائرة متكاملة مصممة ليتم تكوينها بعد التصنيع | قابلة للتخصيص بدرجة كبيرة، وتستخدم لتطبيقات محددة |
الآفاق المستقبلية لوحدة المعالجة المركزية (CPU)
من المتوقع أن تستمر وحدات المعالجة المركزية المستقبلية في اتجاه التصغير وتحسين كفاءة الطاقة وزيادة قوة المعالجة. تعد الحوسبة الكمومية والمعالجات الخاصة بالذكاء الاصطناعي أيضًا من المجالات الناشئة التي يمكن أن تعيد تعريف مشهد وحدة المعالجة المركزية.
وحدة المعالجة المركزية (CPU) والخوادم الوكيلة
في سياق الخوادم الوكيلة، تلعب وحدة المعالجة المركزية دورًا أساسيًا في إدارة ومعالجة حركة المرور الواردة والصادرة. تسمح قوة وحدة المعالجة المركزية الأعلى للخادم الوكيل بالتعامل مع المزيد من الاتصالات المتزامنة وتنفيذ مهام أكثر تعقيدًا مثل الفحص العميق للحزم والتشفير/فك التشفير، مما يؤدي إلى تحسين الأداء العام وأمان الخادم.
