حاسوب الأرشيف

كثيرًا ما تتردد كلمة CPU على آذاننا عند الحديث عن العالم الداخلي للحاسوب ومكوناته. ونسمع الكثيرين يوصون بأهمية الاختيار الحريص للحاسوب بناءً على نوع ال CPU. فماذا تعني تلك الكلمة؟

ما هو ال CPU؟

«وحدة المعالجة المركزية-central processing unit» أو اختصارًا ال CPU هو مركز المعالجة الرئيسي في الحاسوب. والجزء الأساسي المسؤول عن تنفيذ الأوامر البرمجية. حيث تتلقى الأوامر البرمجية وتقوم بتنفيذها وتنظيم التفاعلات بين المكونات الأخرى للحاسوب. توجد رقاقة ال CPU في قلب الحاسوب على لوحة الدائرة الرئيسية (اللوحة الأم-motherboard).
[1]

لا يقتصر وجود الCPU أو المعالج على الحاسوب فقط، ولكن أي جهاز قابل لاستقبال الأوامر البرمجية أو تشغيل برنامج فهو يحتوي على CPU. سواء كان ذلك حاسوب مكتبي أو محمول أو حتى هاتف ذكي.

يوجد المعالج في الحاسوب المكتبي والعديد من الحواسيب المحمولة منفصلًا عن ذاكرة الوصول العشوائية RAM و شريحة الرسوميات GPU.

ولكن في العديد من أجهزة الحاسوب الحديثة، وبالأخص الهاتف الذكي، توجد رقاقة ال cpu مع العديد من المكونات الأخرى في رقاقة واحدة. حيث أنه في الهاتف الذكي، يمكن للرقاقة الحاملة لل cpu معالجة وظائف أخرى مثل المكالمات الهاتفية أو ال wi-fi أو حتى خدمات تحديد المواقع GPS. تعرف تلك الرقاقة متعددة الأغراض ب SoCs (System-on-a-chip).
[2]

مما يتكون المعالج cpu؟

تُبنى وحدة المعالجة المركزية (CPU) عن طريق وضع بلايين من الترانزستورات المجهرية على شريحة كمبيوتر واحدة. تسمح له تلك الترانزستورات بإجراء الحسابات التي يحتاجها لتشغيل البرامج المخزنة على ذاكرة النظام. حيث أن تلك الترانزستورات بكل بساطة هي بوابات دقيقة يتم تشغيلها أو إيقاف تشغيلها. وبالتالي تُنتج الآحاد أو الأصفار التي تترجم كل ما تفعله بالجهاز. سواء كان ذلك مشاهدة مقاطع الفيديو أو كتابة بريد إلكتروني.
وبعبارة أخرى، يقوم المعالج عن طريق الترانزستورات بترجمة أي سطر برمجي إلى سلسلة من الآحاد أو الأصفار يمكن التعامل معها وفهمها وتنفيذها.

أحد أكثر التطورات شيوعًا في تقنية ال cpu هو جعل تلك الترانزستورات أصغر وأصغر. وقد أدى ذلك إلى تحسين سرعة وحدة المعالجة المركزية على مدى عقود، وغالبًا ما يشار إلي ذلك التطور باسم قانون مور. [3]

كيف يعمل ال cpu؟

يقوم المعالج بشكل أساسي بتلقي التعليمات البرمجية وإجراء العمليات الحسابية ومن ثم تنفيذ تلك التعليمات.
تحتوي وحدة المعالجة المركزية على أربع وظائف: جلب التعليمات وفك تشفيرها وتنفيذها وتخزينها.

في البداية، يقوم بجلب التعليمات من ذاكرة الحاسب RAM. بعد ذلك، يقوم بفك تشفيرها أو ترجمة هذه التعليمات إلى تعليمات ثنائية (أو سلسلة من 1 و 0) حتى يتمكن الكمبيوتر من فهم التعليمات. وأخيرًا ، ينفذ هذه التعليمات ويخزن المخرجات في ذاكرته. [4]

مصطلحات هامة خاصة بال cpu

التردد أو (سرعة الساعة-clock speed)

يتم التعبير عن سرعة الساعة بالجيجا هرتز (GHz). وهي مؤشر تقريبي على عدد العمليات الحسابية التي يمكن للمعالج إجراؤها في كل ثانية. فكلما زاد الرقم، زادت العمليات الحسابية.
ولكن يجب علينا الوضع في الاعتبار سنة إصدار ال cpu أو ما يعرف بجيل المعالج. حيث أنه على سبيل المثال، المعالج الصادر عام 2008 لا يمكن اعتباره متساوٍ في الأداء مع المعالج الصادر عام 2018 بافتراض امتلاكهما نفس التردد.
حيث أن التردد المتساوي لهما لا يمكن أخذه كمعيار عند اختلاف سنة الاصدار أو الجيل.

الأنوية- cores

تتأثر أيضًا سرعة معالجة ال cpu للبيانات بعدد الأنوية التي تحتوي عليها. كل نواة هي في الأساس وحدة معالجة مركزية في حد ذاتها. ويتم كتابة العديد من البرامج بحيث يمكن أن يعمل cpu متعدد الأنوية على معالجة البيانات التي يتطلبها البرنامج في نفس الوقت. مما يزيد بشكل كبير من سرعة تشغيل هذا البرنامج.
تحتوي وحدات المعالجة المركزية الحديثة على نواتين على الأقل. والعديد منها يحتوي على أربعة أو ثمانية أو أكثر. وجود أنوية متعددة يؤدي بالتأكيد إلى زيادة في السرعة، ولكن ذلك يعتمد على نوع البرنامج الذي تقوم بتشغيله. حيث يمكن للمعالج رباعي النواة أداء بعض المهام مثل تحرير الفيديو بسرعة تبلغ ضعف سرعة الشريحة ثنائية النواة. لكن إضافة أكثر من أربعة أنوية لن يؤدي بالضرورة إلى تحسين أداء الألعاب بشكل أكبر.

المسارات أو الخيوط- threads

خيوط وحدة المعالجة المركزية هي في الأساس نسخة افتراضية من النواة. وتساعد على جعل أداء المعالج أكثر كفاءة.
وبشكل أوضح، يتم تقسيم وحدة المعالجة المركزية الكلية للجهاز إلى عدة أنوية مستقلة بذاتها تعمل كوحدة معالجة متكاملة. ويتم تقسيم النواة الواحدة إلى عدة مسارات افتراضية لتعمل بشكل متوازٍ لتحقيق أعلى سرعة للأداء.

في هذه الأيام، تحتوي المعالجات الصادرة من مختلف الشركات عادةً على خيطين أو مسارين لكل نواة.
وتمامًا مثل الأنوية، يعد وجود عدد كبير من المسارات أو الخيوط للنواة أمرًا مهمًا عندما يكون جهاز الكمبيوتر متعدد المهام أو يتعامل مع أعباء عمل ثقيلة.

مصادر:

[1] Wikipedia.
[2] Trusted Reviews.
[3] digitaltrends.
[4] hellotech.

كيف يعمل القرص الصلب؟

أُنتج أول قرص صلب بواسطة شركة IBM سنة 1957، وكان بسعة تخزين 3.75 ميغابايت، ما يكفي لتخزين ملف صوتي بطول أقل من 4 دقائق، وبكتلة 910 كيلوغرام، ما يساوي تقريبًا ضعف كتلة ثلاجة متوسطة الحجم، وكان ذلك نقلة نوعية لوسائط التخزين والصناعات التقنية. وقد تطور إلى اليوم ليبلغ وزنه 62 غرام، وبسعة تخزينية تصل إلى 16 تيرابايت [1][2]. ربما جميعنا سبق لنا التعامل مع الأقراص الصلبة؛ لكن هل تساءلت يومًا عن الطريقة التي تستخدمها لتخزين بياناتك؟ يحاول المقال تغطية النقاط الأساسية لتوضيح كيفية عمل القرص الصلب.

-كيف تخزن الحواسيب المعلومات؟

تقوم الحواسيب بمعالجة وتخزين المعلومات في صورة رقمية، فبدل فهم الكلمات والأرقام-كما يفعل البشر-فإنها تقوم بتحويلها إلى سلاسل مكونة من الصفر والواحد يطلق عليها الصيغة الثنائية أو الكود الثنائي. فمثلًا يخزن الحرف (A)داخل الحاسوب في صورة: “01000001”، وهذا ينطبق على جميع الرموز التي تحتويها لوحة مفاتيح حاسوبك، فجميع الحروف على اختلاف حالاتها، والأرقام، وعلامات الترقيم، جميعها يمكن أن تُمثّل بتركيبات مختلفة تتكون فقط من ثمانية أعداد ثنائية. ولكي يكون باستطاعة جميع الحواسيب التعامل مع هذه البينات استُخدمت صيغة موحدة لتمثيلها، تُدعى هذه الصيغة <<أسكي- <<ASCIIوهي اختصار للكود الأمريكي القياسي لتبادل المعلومات (American Standard Code for Information Interchange) [3].

نفس العملية يتم إجرائها على أشكال البيانات الأخرى؛ فالصور، وملفات الفيديو، والصوت، تحول إلى صيغ رقمية ليتم التعامل معها [4].

-كيف يعمل القرص الصلب؟

يحتوي القرص الصلب على صفيحة دائرية من مادة قابلة للمغنطة تسمى <<الصفيحة-Platter>> مقسمة إلى بلايين من المساحات الصغيرة، كل واحدة من تلك المساحات يمكن أن تُمغنط ((magnetize بشكل مستقل (وذلك لتخزين العدد الثنائي 1) أو تُزال مغنطتها ( (demagnetize (لتخزين العدد الثنائي 0). استخدمت المغنطة كطريقة تخزين في ذاكرة الكومبيوتر وذلك لعدم احتياجها لوجود التيار الكهربائي لكي تظل محتفظة بحالتها، فالمساحة المغنطة تظل كذلك حتى تُزال مغنطتها، وبذلك فبيناتك المخزة بالقرص الصلب بحاسوبك تظل هناك حتى بعد فصل القدرة الكهربائية عنه.

-ما هي مكونات القرص الصلب؟

المكونات الرئيسية للقرص الصلب هي: صفيحة واحدة أو أكثر، حيث تخزن المعلومات مغناطيسيًّا، ودراع آلية تقوم بتحريك مغناطيس صغير يدعى <<رأس الكتابة والقراءة- <<read-write head جيئة وذهابًا فوق الصفيحة، وذلك لتسجيل أو تخزين المعلومات، إضافةُ إلى دائرة إلكترونية تتحكم بكل شيء، وتربط القرص الصلب بباقي أجزاء الكومبيوتر.

أكثر أجزاء القرص الصلب أهمية هي الصفيحة، وتصنع من مادة صلبة كالزجاج، أو السيراميك، أو الألومنيوم، ويتم تغطيتها بطبقة رقيقة من المعدن الذي يمكن مغنطته أو إزالة مغنطته. يحتوي القرص الصلب الصغير في العادة على صفيحة واحدة، تغطيها طبقة مغناطيسية من كلا الوجهين، وتحوي الأقراص الأكبر على مجموعة من الصفائح المثبتة على محور مركزي، مع فراغات صغيرة بينها. تتحرك الصفائح بسرعة تصل إلى 10,000 دورة في الدقيقة (rpm) للسماح لرأس الكتابة والقراءة بالوصول إلى أي جزء منه، ويوجد اثنان من رؤوس الكتابة والقراءة لكل صفيحة، أحدها للقراءة من السطح العلوي، وآخر من السطح السفلي [4].

-الأقراص الصلبة ( (HDDوأقراص الحالة الثابتة (SSD):

رغم المميزات والكفاءة التي توفرها الأقراص الصلبة، فإنه يؤخذ عليها عدد من العيوب، منها زمن التأخير الذي يحتاجه رأس الكتابة والقراءة لكي يكون في الموضع الصحيح من القرص لقراءة المعلومات منه، إضافة للحرارة الناتجة عن حركة الرأس، وتأثر الصفيحة بالمغنطة، والتي يمكن أن تؤثر على البيانات المخزنة، كذلك وزن القرص، وكمية القدرة الكهربائية التي يستهلكها-واللذان يشكلان مشكلة خصوصًا في الأجهزة المحمولة-ولحل هذه المشاكل، يمكن أن تستخدم <<أقراص الحالة الثابتة <<Solid-State Drivers- والتي تتشابه مع الأقراص الصلبة في كونها غير معرضة لفقد محتواها من البيانات في حالة انقطاع القدرة الكهربائية عنها، ولكنها تستخدم <<ذاكرة الفلاش- <<Flash Memory لتخزين البيانات [5] عوضًا عن الصفيحة في القرص الصلب، والتي يمكن القراءة منها دون الحاجة لأجزاء متحركة، مما يعطي لقرص الحالة الثابتة سرعة قراءة أكبر، ووزنًا أخف، ولكنه يعتبر مكلفًا مقارنة بالقرص الصلب [6].

-المصادر:

[1] Wikipedia

[2] Brynmawr College

[3] Explain That Stuff

[4] Explain That Stuff

[5] TTR Data Recovery

[6] Computer Hope