عمارة فون نيومان ووحدة المعالجة المركزية (CPU)

التقرير الذي لا تزال كل حاسوب يتبعه

• في يونيو 1945، نشر جون فون نيومان مسودة مطبوعة تصف آلة لم تُبنَ بعد: EDVAC.
• فكرتها كانت بسيطة وجديدة. احتفظ بالبرنامج في نفس الذاكرة الخاصة بالبيانات، واجعل معالجاً واحداً يجلب وينفذ التعليمات واحدة تلو الأخرى.
• لم تُنهَ المسودة أبداً، لكن التصميم نُسخ في كل مكان. هاتفك، حاسوبك المحمول وخادم مدرستك جميعها مبنية عليه.
• تأخذ هذه الدرس النموذج تفكيكاً: الذاكرة، أجزاء المعالج، مسجلاتاته والناقلات بينها.

نموذج فون نيومان

• عمارة فون نيومان· تحتوي على ذاكرة واحدة، وهي الذاكرة ذات الوصول الفوري (IAS)، تحتفظ بكل من تعليمات البرنامج والبيانات. هذا هو مفهوم البرنامج المخزن.
• المعالج يجلب كل تعليمات من الذاكرة وينفذها، واحدة تلو الأخرى، حسب ترتيب العناوين ما لم يغير تعليمة التفرع التدفق.
• التعليمات والبيانات والعناوين كلها تنتقل بين المعالج والذاكرة عبر ناقلات مشتركة.

ذاكرة واحدة، معالج واحد، ثلاث ناقلات

لماذا يهم برنامج مخزن

• غيّر البرنامج في الذاكرة وستقوم نفس الأجهزة بعمل مختلف. لا إعادة توصيل أسلاك، ولا جهاز جديد.
• البرنامج مجرد بيانات حتى يتم جلبه، لذا يمكن تحميله من قرص، إرساله عبر شبكة أو كتابته بواسطة برنامج آخر.
• صياغة الامتحان: التعليمات والبيانات محفوظة في نفس الذاكرة، ويتم جلب التعليمات واحدة تلو الأخرى وتنفيذها بواسطة المعالج.

ALU، وحدة التحكم والمؤقت

• ALU (وحدة الحساب والمنطق) تقوم بالحساب (جمع، طرح) والمنطق (AND, OR, مقارنات)، مستخرجة المؤثرات من المسجلات وتضع النتيجة مرة أخرى في واحد منها.
• وحدة التحكم (CU) ترجم كل تعليمات وتُرسل إشارات التحكم لتنفيذها: فتح مسارات البيانات، إخبار ALU بما يجب فعله، وترتيب قراءات وكتابات الذاكرة.
• مؤقت النظام يرسل تدفقاً منتظماً من النبضات. تحرك وحدة التحكم الدورة خطوة واحدة لكل نبضة، بحيث تتغير حالة كل جزء معاً؛ سرعة المؤقت، بالجيجاهرتز، هو عدد النبضات في الثانية.

المعالج بأكمله هو شريحة صغيرة واحدة

المسجلات

• المسجلات هي ذخائر صغيرة جداً وسريعة للغاية داخل المعالج. المسجلات العامة تحمل القيم المؤقتة للمبرمج. المسجلات المتخصصة لكل منها مهمة ثابتة واحدة في الدورة.

السجلات، وحدة التحكم و ALU، مرتبطة بالنواقل

مثال محلول: "وصف دور كل سجل"

أعلام سجل الحالة

• كل علم هو بت واحد، يتم تعيينه أو حذفه بواسطة ALU بعد عملية: علامة الصفر عندما تعطي النتيجة أو المقارنة صفرًا، علامة الحمل عندما تجاوزت الإضافة سعة السجل، علامة السالب عندما تكون النتيجة سالبة، علامة التجاوز عندما لا يتسع الناتج المعتمد للإشارة.
• القفز الشرطي يقرأ علماً لتحديد ما إذا كان سيوجه المسار. هذا هو الطريقة التي تعمل بها IF والحلقات في الأجهزة.
• يمكن لعلامة التجاوز أيضًا رفع مقاطعة، وهو ما ستعاليه الدرس التالي.

الناقلات الثلاثة

• ناقل العناوين ينقل العنوان الذي يرغب المعالج في الوصول إليه. وهو ذو اتجاه واحد، من المعالج إلى الذاكرة.
• ناقل البيانات ينقل البيانات أو التعليمات نفسها. وهو ذو اتجاهين، لأن عمليات القراءة والكتابة تسير في اتجاهين متعاكسين.
• ناقل التحكم ينقل إشارات التحكم مثل القراءة والكتابة والساعة والمقاطعة. وهو ذو اتجاهين.

ثلاثة ناقلات نظام تربط المعالج بالذاكرة والإدخال/الإخراج

مثال محلول: كم الواسع كافٍ؟

ترميز انتقال السجلات

• تُكتب الحركات بين السجلات والذاكرة باستخدام ترميز انتقال السجلات: MAR ← [PC] يعني "نسخ محتويات PC إلى MAR".
• الأقواس المربعة تعني "محتويات"، و[[MAR]] تعني "محتويات الموقع الذي يكون عنوانه في MAR".
• يُكتب دورة جلب-تنفيذ الكاملة بهذه الطريقة في الدرس القادم؛ الترميز نفسه هو سهم assignments في pseudocode.

علامات ضائعة

لقد فهمت الأمر