أساسيات المعالج

تعتمد معمارية فون نيومان· على معظم حواسيب الأغراض العامة:

• ذاكرة واحدة — ذاكرة الوصول الفوري (IAS) — تحتفظ بـ تعليمات البرنامج والبيانات (مفهوم البرنامج المخزن).
• معالج (CPU) يستخرج التعليمات من الذاكرة وينفذها واحدة تلو الأخرى.
• تعمل التعليمات بترتيب محدد إلا إذا غيّر فرع تدفق التنفيذ.

فكرة البرنامج المخزن هي ما يجعل الحاسوب مرناً: غيّر البرنامج وتغيّر وظيفته دون الحاجة لإعادة توصيل الأسلاك.

جميع هذه الأجزاء تقع داخل شريحة صغيرة واحدة. يُظهر الرسم البياني لاحقاً في هذا القسم كيفية اتصالها؛ الصورة أدناه تُظهر الشريحة الحقيقية.

وحدة الحساب والمنطق (ALU)

تقوم وحدة ALU بالحساب (جمع، طرح، ...) والمنطق (AND, OR, مقارنات). تأخذ المعاملات من المسجلات وتضع النتائج مرة أخرى في مسجل.

وحدة التحكم (CU)

وحدة التحكم تفسر كل تعليمة وتُرسل إشارات التحكم لتنفيذها — فتح مسارات البيانات، إخبار ALU بما يجب فعله، والتحكم في قراءات وكتابات الذاكرة.

ساعة النظام

تُرسِل الساعة تدفقاً مستمراً من النبضات تبقي المعالج متناسقاً. تستغرق كل تعليمة عددًا ثابتًا من الدورات، وتعد سرعة الساعة (مثلاً 3.8 GHz) عاملاً في الأداء.

"اشرح كيف تعمل وحدة التحكم وساعة النظام معاً": تُصدر الساعة نبضات بتردد ثابت؛ تستخدم وحدة التحكم كل نبضة لتقدم دورة جلب-تنفيذ بخطوة واحدة، وترسل إشاراتها التحكمية في تزامن مع النبضات، بحيث يتغير حالة كل جزء من المعالج معاً. سرعة أعلى تعني خطوات أكثر في الثانية، حتى النقطة التي لا تستطيع فيها الدوائر الاستقرار بين النبضات.

المسجلات

المسجلات مخازن صغيرة وسريعة جداً داخل المعالج. كل مسجل purpose خاص له وظيفة ثابتة في الدورة:

• عداد البرنامج (PC) — عنوان التعليمة التالية.
• مسجل عنوان الذاكرة (MAR) — العنوان الذي يتم قراءته أو كتابته.
• مسجل بيانات الذاكرة (MDR) — البيانات المتجهة إلى الذاكرة أو القادمة منها.
• مسجل التعليمة الحالية (CIR) — التعليمة التي يتم تفسيرها حالياً.
• المجمّع (ACC) — القيمة التي يعمل عليها ALU.
• مسجل الحالة — يحتوي على علامات (الحمل، الصفر، السالب، التفوق) المستخدمة في الفروع. كل علامة بت واحد، يتم تعيينه أو إلغاؤه بواسطة ALU بعد عملية: علامة الصفر بعد مقارنة تطابقت، علامة الحمل عند تفوق الجمع عن المسجل، علامة السالب عندما يكون النتيجة سالبة. القفز الشرطي يقرأ العلامات لقرارة الفرع، ويمكن أن ترفع علامة التفوق مقاطعة.
• مسجل المؤشر — إزاحة تُضاف إلى العنوان في العنونة بالمؤشر؛ زيادته ينقل عبر مصفوفة عنصرًا واحدًا في كل مرة.

سؤال "أتمم الجدول الذي يصف دور كل مسجل" يتطلب جملة دقيقة واحدة لكل مسجل بهذه المصطلحات: PC يحمل عنوان التعليمة التالية سيتم جلبها؛ MAR يحمل عنوان الموقع الذي يتم القراءة منه أو الكتابة فيه؛ MDR يحمل البيانات أو التعليمة التي تم قراءتها للتو من، أو سيتم كتابتها إلى، ذلك الموقع؛ CIR يحمل التعليمة جاري تفسيرها وتنفيذها حالياً؛ ACC يحمل نتيجة آخر عملية حسابية أو منطقية.

تُستخدم المسجلات متعددة الأغراض من قبل المبرمج لتخزين القيم المؤقتة أثناء الحساب. تُكتب حركات البيانات بين المسجلات والذاكرة باستخدام رمز نقل المسجل — على سبيل المثال MAR ← [PC] ("نسخ محتويات PC إلى MAR").

ثلاث ناقلات داخلية (مجموعات من الأسلاك المتوازية) تربط الأجزاء:

• ناقل العنوان — ينقل عنوان الذاكرة. ذو اتجاه واحد (CPU → الذاكرة).
• ناقل البيانات — ينقل البيانات. ثنائي الاتجاه.
• ناقل التحكم — ينقل إشارات التحكم (قراءة، كتابة، انقطاع). ثنائي الاتجاه.

يمكن لـ ناقل العناوين بسعة $n$ بت الوصول إلى $2^{n}$ موقع في الذاكرة. تحدد سعة ناقل البيانات عدد البتات المنقولة في كل وصول (غالبًا ما تكون حجم الكلمة).

• سرعة الساعة — دورات أكثر في الثانية.
• عدد النوى — معالج متعدد النوى يشغل عدة خيوط عمل في وقت واحد.
• حجم الكلمة — معالج 64-بت يتعامل مع كتل بحجم 64-بت لكل دورة ويمكنه معالجة ذاكرة أكبر بكثير من المعالج 32-بت.
• كمية RAM — تزيد RAM من سعة تخزين مجموعة العمل؛ القليل منها يجبر نظام التشغيل على التبديل إلى القرص الصلب.
• حجم ذاكرة الكاشي — زيادة الكاشي تقلل متوسط زمن الوصول للذاكرة.
• نوع التخزين الثانوي — يحمّل SSD البرامج بشكل أسرع بكثير من HDD.
• عرض وسرعة الناقل — الناقلات الأوسع والأسرع تنقل البيانات بسرعة أكبر.

طابق المواصفات مع عبء العمل: المعالج رباعي النوى يفوق ثنائي النواة في المهام المتوازية، لكن السرعة الأعلى لكل نواة تفوز في المهام ذات الخيط الواحد.

كل عامل هو إجابة بعلامة اثنتين مع سبب مرفق:

• مزيد من النوى: يمكن لكل نواة جلب وتنفيذ تعليماتها الخاصة في نفس الوقت، لذا تعمل عدة برامج أو خيوط عمل برنامج واحد بالتوازي. لكن يجب كتابة البرنامج لاستخدام أكثر من نواة واحدة، لذا مضاعفة النوى لا تضاعف السرعة.
• سرعة ساعة أعلى: دورات جلب-تنفيذ أكثر في الثانية، لذا تعليمات أكثر في الثانية؛ والحد الأقصى هو الحرارة الناتجة.
• ناقل أوسع: ناقل بيانات أوسع ينقل المزيد من البتات في كل نقل، لذا يُقلل عدد النقلات المطلوبة لنفس البيانات؛ ناقل عناوين أوسع يمكنه معالجة مواقع ذاكرة أكثر.
• ذاكرة الكاشي: ذاكرة صغيرة وسريعة داخل أو بجانب المعالج تحتفظ بأحدث التعليمات والبيانات استخدامًا أو الأكثر تكرارًا. قراءتها من الكاشي أسرع بكثير من RAM، لذا يقضي المعالج وقتًا أقل في الانتظار.

"اشرح لماذا يقوم الكمبيوتر الجديد بأداء أفضل" تُجاب بمقارنة المواصفطين سطراً بسطر: سرعة ساعة أعلى تنفذ تعليمات أكثر في الثانية، نوى أكثر تشغل مهام أكثر في وقت واحد، كاشي أكبر يعني وصولات أبطأ أقل إلى RAM، وRAM أكبر يعني نقلات أقل إلى القرص.

المنفذ هو مقبس فيزيائي لتوصيل جهاز طرفي:

• USB (ناقل تسلسلي عالمي) — متعدد الأغراض (ألواح مفاتيح، محركات أقراص، هواتف).
• HDMI (واجهة الوسائط عالية الدقة) — فيديو وصوت رقمي إلى شاشة.
• VGA (مصفوفة رسوميات الفيديو) — خرج فيديو تناظري قديم إلى شاشات العرض.
• Ethernet (RJ-45) — شبكة محلية سلكية. منافذ الصوت — سماعات الرأس/مايكروفون.

تستخدم منافذ مختلفة إشارات مختلفة، لذا لن يتناسب كابل HDMI مع مقبس USB. USB-C غير معتاد في حمل الفيديو والبيانات والطاقة.

"اشرح كيف يتصل الكمبيوتر بالشاشة عبر HDMI": يرسل منفذ HDMI الفيديو والصوت كإشارة رقمية واحدة عبر كابل واحد، لذا لا حاجة للتحويل إلى تناظري ولا يتدهور الصورة؛ يحمل الكابل دقة عالية وتقوم منفذ الشاشة بفك تشفير الإشارة. الجهاز USB شغّل واتصل: عند توصيله يكتشفه الكمبيوتر، ويتعرف عليه، ويحمل أو يثبت التعريف المطلوب له، ويمكنه تزويد بالطاقة، كل ذلك بدون إعادة تشغيل.

يكرر المعالج دورة الجلب-التنفيذ، مرة واحدة لكل تعليمة آلية.

الجلب

1. يُنسخ عنوان PC إلى MAR.
2. يتم زيادة PC ليشير إلى التعليمة التالية.
3. تذهب إشارة قراءة عبر ناقل التحكم.
4. تضع الذاكرة التعليمة على ناقل البيانات.
5. تُنسخ إلى MDR، ثم إلى CIR.

يسأل الامتحان عن هذه الخطوات بـرمز نقل المسجل، حيث [X] تعني محتويات المسجل X و[[MAR]] تعني محتويات موقع الذاكرة الذي يقع عنوانه في MAR:

MAR ← [PC]          the address of the next instruction goes to the MAR
PC  ← [PC] + 1      the PC now points to the following instruction
MDR ← [[MAR]]       the instruction at that address is read into the MDR
CIR ← [MDR]         the instruction is copied into the CIR for decoding

الترتيب مهم: يتم زيادة PC مباشرة بعد نسخ عنوانه، بحيث لا يزال بإمكان القفز المنفذ لاحقًا استبداله. أثناء التنفيذ يصف الرمز نفسه كل تعليمة؛ على سبيل المثال لـ LDD 200، لدينا MAR ← 200، MDR ← [[MAR]]، ACC ← [MDR].

فك التشفير

تقوم وحدة التحكم بفك تشفير التعليمات في مسجل CIR — ما هي العملية، وما هي المعاملات أو العناوين.

التنفيذ

تنفذها وحدة التحكم: العمليات الحسابية/المنطقية تُرسل إلى ALU (الناتج إلى ACC)؛ عملية التحميل/التخزين تنقل البيانات بين الذاكرة والمسجل؛ قفزة تغيير PC. ثم يتكرر الدورة.

المقطع هو إشارة توقف الدورة الطبيعية حتى يتمكن CPU من معالجة حدث طارئ (ضغط مفتاح، وصول حزمة بيانات، عطل في الأجهزة، القسمة على صفر، مؤقت نظام التشغيل).

معالجة واحدة:

1. إكمال التعليمة الحالية.
2. حفظ الحالة (PC والمسجلات).
3. تحميل عنوان روتين خدمة المقاطعة (ISR) في PC وتشغيله.
4. يقوم ISR بمعالجة الحدث.
5. استعادة الحالة المحفوظة والاستمرار.

تسمح المقاطعات للنظام بالاستجابة بسرعة دون أن يفحص CPU الأجهزة باستمرار، وهي الطريقة التي يستخدمها نظام التشغيل لمتعدد المهام.

"اشرح كيف يتم اكتشاف المقطع القادم من جهاز إدخال ومعالجته في دورة F-E" إجابة مؤهلة بأربع نقاط: يرسل الجهاز إشارة مقطع تضع علم المقاطعة في مسجل المقاطعة؛ يفحص المعالج ذلك المسجل في نهاية كل دورة استخراج-تنفيذ، بعد انتهاء تنفيذ التعليمة الحالية؛ إذا تم تعيين العلم وكان للمقطع أولوية أعلى من المهمة الحالية، يتم حفظ محتويات PC والمسجلات الأخرى على الكدسة؛ يتم تحميل عنوان روتين خدمة المقاطعة في PC ويتم تشغيل الروتين؛ عند انتهائه، يتم استعادة القيم المحفوظة من الكدسة ويستمر البرنامج المقطوع من حيث توقف.

أسباب تستحق التسمية: مقطع أجهزة من جهاز (ضغط مفتاح، فارغ مخزن الطابعة، وصول حزمة شبكة)، مقطع برمجيات من خطأ (القسمة على صفر، تعليمة غير قانونية، فائض حسابي)، مقطع مؤقت من نظام التشغيل يحدد نهاية شريحة زمنية، وإنذار بانقطاع الطاقة.

يقوم CPU فعلياً بتشغيل الرمز الآلي — أنماط البتات، محددة لمعمارية واحدة. لغة التجميع هي شكل مقروء، بتعليمة واحدة لكل تعليمة آلية، مكتوبة باستخدام أسماء رمزية مثل LDD، ADD، JMP. مجمع يترجمها إلى رمز آلي.

مجمع ثنائي المرور

يقوم مجمع ثنائي المرور بقراءة المصدر مرتين:

• المرحلة 1 تبني جدول الرموز: كل مرة يظهر فيها عنوان فرعي (مثل LOOP:)، نسجل عنوانه؛ لم يتم إنتاج أي كود بعد.
• المرحلة 2 تولد الكود: ترجم كل تعليمة، وعندما تشير إحداها إلى عنوان فرعي (مثل JMP LOOP)، ابحث عن عنوانه في جدول الرموز.

المراوئان يتعاملان مع الإشارات الأمامية (قفزة إلى علامة مُعرفة لاحقاً).

مثال محلول. طبق عملية المجمع ثنائي المرور على هذا البرنامج، حيث تُخزن أول تعليمة فيه في العنوان 100.

        LDD  COUNT
LOOP:   DEC  ACC
        CMP  #0
        JPN  LOOP
        END
COUNT:  5

تقرأ المرحلة 1 كل سطر، تحسب العنوان الذي سيحتله، وتسجل كل عناوين فرعية في جدول الرموز: LOOP = 101 (السطر DEC) وCOUNT = 105 (سطر البيانات). لا يتم إنتاج كود. تقرأ المرحلة 2 البرنامج مرة أخرى وترجم كل سطر إلى لغة الآلة، استبدال كل رمز بصيغة مختصرة برقمها الأوامر، وكل عنوان رمزي بالرقم من جدول الرموز: LDD COUNT يصبح أوامر لـ LDD مع عامل 105، وJPN LOOP يصبح أوامر لـ JPN مع عامل 101. كان بالإمكان حل القفز إلى LOOP في مرحلة واحدة، لكن القفز للأمام إلى عنوان فرعي لم يُرَ بعد لم يكن ممكناً، ولهذا يقوم المترجم بإجراء مرحلتين.

مجموعة تعليمات نموذجية

تستخدم كامبريدج مجموعة عامة صغيرة مطبوعة في جدول المرجع للورقة، مع مسجل واحد للاستخدام العام وهو المجمع (ACC)، ومسجل فهرسة (IX). المعامل المكتوب #n هو عدد عشري، Bn عدد ثنائي و&n عدد سداسي عشر؛ <address> هو رقم موقع أو علامة.

سؤال "تجميع تعليمات لغة التجميع" يطلب أسماء المجموعات وتعليمة واحدة من كل مجموعة: نقل البيانات، الإدخال والإخراج، الحساب، القفز غير المشروط والمشروط، المقارنة، ومعالجة البتات.

وضع العنونة (أو أوضاع العنونة) يوضح كيف يجد المعالج operand:

• العنونة الفورية — operand هو القيمة الموجودة في التعليمة. LDM #10 يحمل 10.
• العنونة المباشرة — تحمل التعليمة عنواناً؛ والـoperand هي القيمة الموجودة هناك. LDD 200.
• العنوبة غير المباشرة — تحمل التعليمة عنواناً يحتوي على عنوان آخر، وهو البيانات. LDI 200.
• العنونة المؤشرية — العنوان الفعال هو address + index register؛ تستخدم للمصفوفات. LDX 100 مع IR = 5 يقرأ العنوان 105.

(العنونة النسبية تعطي العنوان كإزاحة عن PC — تستخدم للقفز.)

مثال محلول. الذاكرة تحتوي: الموقع 200 = 250، الموقع 250 = 99، الموقع 105 = 7. مسجل المؤشر يحتوي 5. ماذا يوجد في المسجل ACC بعد كل من LDM #200، LDD 200، LDI 200 و LDX 100؟ اتبع مدى البحث الذي يحتاجه كل وضع. LDM #200 هو فوري - operand هو الرقم المكتوب في التعليمة، لذا يحمل ACC 200. LDD 200 هو مباشر - اذهب إلى الموقع 200 وأخذ ما فيه: 250. LDI 200 هو غير مباشر - الموقع 200 يحتوي 250، وهو عنوان آخر، لذا استمر إلى الموقع 250: 99. LDX 100 هو مؤشري - أضف مسجل المؤشر إلى العنوان، $100 + 5 = 105$، واقرأ الموقع 105: 7. احسب القفزات لفصلها: فوري 0، مباشر 1، غير مباشر 2، مؤشري 1 (بعد إضافة المؤشر).

لـتتبعه: قم بإنشاء جدول بأعمدة لـPC، ACC، مسجل المؤشر، كل متغير وأي علامات. مر عبر التعليمات، محدثاً الجدول بعد كل منها؛ اتبع الفروع عندما تغير PC؛ توقف عند END. نمط شائع هو حلقة تمر على مصفوفة باستخدام العنونة المؤشرية.

مثال محلول. تتبع هذا البرنامج. العنوان 200 يحتوي 5 والعنوان 201 يحتوي 0.

100   LDD  200
101   CMP  #0
102   JPE  108
103   OUT
104   DEC  ACC
105   STO  200
106   LDD  201
107   JMP  100
108   END

اكتب صف واحد لكل تعليمة يتم تنفيذها، مملئاً فقط الأعمدة التي تتغير:

وهكذا، حتى LDD 200 يحمل 0، تضع المقارنة علامة المساواة، JPE 108 تُتخذ وينتهي البرنامج. ثلاثة things يفحصهم الممتحن: a CMP لا يغير أي مسجل، بل علامة فقط؛ قفز لم يُتخذ يُحسب كتنفيذ؛ و OUT يخرج حرفاً، لذا يوضع في عمود الإخراج، وليس عمود ACC. "حدد تأثير تغيير LDD 10 إلى LDM #10": سيحمل ACC الرقم 10 بدلاً من محتوى العنوان 10.

الإزاحة المنطقية تحرك جميع البتات يساراً أو يميناً بمقدار بعض الخانات، ملء المواقع الجديدة بـ0.

• إزاحة يسار بمقدار 1 (LSL #1) — تتحرك البتات يساراً، يدخل 0 من اليمين؛ للرقم غير الإشارةي هذا هو × 2.
• إزاحة يمين بمقدار 1 (LSR #1) — تتحرك البتات يميناً، يدخل 0 من اليسار؛ للرقم غير الإشارةي هذا هو integer ÷ 2.

الإزاحة بمقدار $n$ خانات تضرب أو تقسم على $2^{n}$. مثال: 00001011 (11) LSL #1 → 00010110 (22).

البيتات المُزاحة من النهاية تُفقَد، لذا فإن عملية الضرب صحيحة فقط طالما كانت هذه البتات أصفاراً. عملية LSL #2 على عدد صحيح بتكامل الثمانيتين 11001010 تعطي 00101000: البتان 1 اللذان سقطا من اليسار ضيعا، وتغيرت بت الإشارة، ولم يعد الناتج أربعة أضعاف الأصل.

الإزاحة اليمنى الحسابية تحافظ على بت الإشارة ليظل العدد السالب الإشارة سالباً. الإزاحة الدائرية (دوران) تغذي البت الذي يسقط من أحد الطرفين مرة أخرى في الطرف الآخر، لذا لا تُفقد بتات.

"أظهر نتيجة إزاحة يمين حسابية بمقدار 3 خانات على 10011110": انسخ بت الإشارة في كل مكان شاغر، 11110011. نفس الإزاحة على 01011100 تعطي 00001011. إزاحة يسار دائرية بمقدار 1 على 10000110 تعطي 00001101: يظهر leading 1 مرة أخرى على اليمين.

الفرق بين إزاحتي اليمين هو بت واحد. خذ 11110000، وهو 240 مقروءً كعدد غير إشارةي و$-16$ مقروءً كعدد إشارةي. LSR #1 يجلب 0 ويعطي 01111000 $= 120$، وهو النصف الصحيح من 240. ASR #1 ينسخ بت الإشارة ويعطي 11111000 $= -8$، وهو النصف الصحيح من $-16$. لا أحدهما خاطئ — كل منهما ينصف القيمة تحت قراءة واحدة.

معالجة البتات للمراقبة/التحكم

الأجهزة المدمجة غالباً ما تستخدم بت واحد من المسجل لكل إشارة (مثلاً بت $n$ = LED $n$). باستخدام قناع — تخفيق البتات — يمكنك:

• ضبط بت $n$: R = R OR قناعًا مع ضبط بت $n$.
• إزالة بت $n$: R = R AND قناع ببت $n$ صفر والباقي مفعّل.
• تبديل بت $n$: R = R XOR قناعًا مع ضبط بت $n$.
• اختبار بت $n$: R AND القناع، ثم تحقق مما إذا كان النتيجة غير صفرية.

معالجة البتات سريعة، وتستهلك ذاكرة قليلة، وتسمح لبايت واحد باستيعاب ما يصل إلى 8 حالات تشغيل/إيقاف.

في مجموعة تعليمات الامتحان هذه هي AND، OR وXOR مع كتابة قناع كعامل عشري أو ثنائي أو سداسي عشر. مع احتواء ACC على 10101100:

"اكتب التعليمة التي تجعل أقل بت معنوية يساوي 1 وتترك الباقي دون تغيير": OR #1، أو OR B00000001. لإزالة بت استخدم AND مع قناع يحتوي على 0 في ذلك المكان و1s في الأماكن الأخرى؛ لاختبار بت، AND مع قناع يحتوي على 1 فقط في ذلك المكان، ثم قارن النتيجة بالصفر. في جهاز مراقبة، يسمح بت واحد من المسجل لكل مستشعر لأحد AND بالتحقق من تشغيل مستشعر معين، ويُمكّن OR واحد تشغيل بت التحكم في المؤثر دون الإضرار بالآخرين.

تُصنّف أسئلة التعريف بناءً على صياغة ثابتة. احفظ هذه التعريفات بدقة، وقدم إجابة واحدة فقط.

• تعلم دورة الجلب والتنفيذ بمصطلحات نقل المسجلات (PC, MAR, MDR, CIR, ACC) وما يزيد PC.
• سمّ عمل كل مسجل؛ ناقل العناوين أحادي الاتجاه، ناقل البيانات ثنائي الاتجاه.
• ميز بين أوضاع العنونة (الفورية، المباشرة، غير المباشرة، الفهرسية) — سؤال شائع.
• اشرح كيف تؤثر سرعة الساعة، عدد النواة، حجم الكاش وطول الكلمة على الأداء.
• بالنسبة لـ الإزاحة الثنائية، حدد ما إذا كانت منطقية أو حسابية؛ الإزاحة اليسرى تضرب في 2، والإزاحة اليمنى تقسم على 2.

أخطاء شائعة

• قول أن PC يحمل التعليمة الحالية، أو أن MDR يحمل عنواناً. PC يحمل عنوان التعليمة التالية؛ MDR يحمل بيانات أو تعليمة، لا عنوان أبداً.
• ترك زيادة PC خارج الجلب، أو وضعها بعد التنفيذ. يحدث بمجرد نسخ العنوان إلى MAR.
• قراءة LDD 10 على أنها "حمل 10". LDD 10 يحمل محتويات العنوان 10؛ LDM #10 يحمل الرقم 10.
• وضع قيمة في عمود ACC لـ CMP أو OUT. المقارنة تضع علامة فقط؛ الإخراج يذهب إلى عمود الإخراج.
• قول أن المقاطعة تُعالج "فوراً". ينهي المعالج التعليمة الحالية ويتحقق من المقاطعات في نهاية الدورة.
• استخدام إزاحة يمنية منطقية على رقم مكمل اثنين سالب. فقط الإزاحة الحسابية تحافظ على بت الإشارة.