Processing Unit وحدة المعالجة المركزية

أن أهم المكونات الرئيسية لأي حاسب هي وحدة المعالجة المركزية CPU والوظيفة الرئيسية لها تكمن في تنفيذ مجموعة التعليمات المخزنة في ذاكرة الحاسب.



أساسيات وحدة المعالجة المركزية CPU BASICS





تتألف وحدة المعالجة المركزية من ثلاث مكونات رئيسية هي

1. مجموعة المسجلات


2. وحدة الحساب والمنطق ALU


3. وحدة التحكم CU

1- تختلف مجموعة المسجلات من حاسب حاسب لاخر وذلك حسب بنيته. حيث تضم مجموعة مسجلات الأغراض العامة ومجموعة مسجلات الأغراض الخاصة.وتستخدم مجموعة مسجلات الأغراض العامة لأي غرض ما بينما مجموعة مسجلات الأغراض الخاصة يكون لها وظيفة محددة.على سبيل المثال عداد البرنامج PC هو مسجل أغراض خاصة يستخدم من أجل الأحتفاظ بعنوان التعليمة التي سيتم تنفيذها لاحقا بينما المسجل IR يحتفظ بالتعليمة الحالية التي يتم تنفيذها حالياً.



2- وحدة الحساب والمنطق ALU تزود الدارات اللازمة من أجل تنفيذ العمليات الحسابية والمنطقية وعمليات الإزاحة الموجودة في مجموعة التعليمات



3- وحدة التحكم CU مسؤولة عن جلب التعليمة من الذاكرة الرئيسية وفك شيفرتها وتنفيذها.


الشكل 5.1 يبين المكونات الرئيسية لوحدة المعالجة المركزية CPU والعلاقة بين نظام الذاكرة وأجهزة الدخل والخرج I/O.



تقوم وحدة المعالجة المركزية بجلب التعليمات من الذاكرة وقراءة التعليمات من الذاكرة وكتابتها فيها ونقل البيانات من وإلى أجهزة الدخل والخرج. يمكن تنفيذ دورة التعليمة بشكل مبسط ومثالي كما يلي

1. جلب التعليمة التي سيتم تنفيذها من الذاكرة والتي عنوانها مخزن في المسجل PC وتخزينها في المسجل IR.


2. فك شيفرة التعليمة.


3. جلب المتحولات من الذاكرة وتخزينها في مسجلات ال CPU.


4. تنفيذ التعليمة.


5. نقل النتائج من مسجلات ال CPU إلى الذاكرة.

تتكرر دورة تنفيذ التعليمة طالما توجد تعليمات يجب تنفيذها وإن عملية أختبار المقاطعة تكون عادة ضمن دورة تنفيذ التعليمة، ومثال على ذلك طلبات أجهزة الدخل والخرج والطفحان الرياضي وخطأ الصفحة.


عندما يتم مصادفة طلب المقاطعة فإنه يتم الانتقال إلى روتين خدمة المقاطعة وهو عبارة عن برنامج يستدعى لجمع الحالات حول البرنامج الجاري تنفيذه

تصحيح الحالة التي أدت إلى المقاطعة وإعادة تخزين الحالة في البرنامج

إن الأعمال التي تقوم بها وحدة المعالجة المركزية عند تنفيذها لدورة الامر تعرف باسم العمليات الميكروية وهذه العمليات مصدرها لوحة التحكم CU.


هذه العمليات الميكروية توزع إشارات التحكم على خطوط تحكم محددة. على سبيل المثال دعنا نفترض أننا نريد تنفيذ الامر الذي يقوم بنقل محتويات السجل X إلى السجل Y ولنفرض أيضاً ان كلا المسحلين متصلين مع data path(ممر البيانات) عندها سترسل وحدة التحكم إشارات تحكم(control signals) لأخبار المسجل X بوضع محتوياته على ممر البيانات(Data path) وبعد فترة تأخير معينة فإن إشارة تحكم أخرى سوف ترسل لأخبار السجل Y بالقراءة من ممر البيانات data path.


تفعيل إشارات التحكم يحدد إما باستخدام البرمجة الميكروية microprogramming أو باستخدام hardwired control.وهذه الأفكار سوف نتطرق لشرحها لاحقاً إن شاء الله ،وسنشرح أيضاً مجموعة المسجلات ووظائفها المختلفة وما المقصود من ممر المعطيات وممر التحكم ودورة تنفيذ الامر من خلال وحدة المعالجة المركزية CPU وأخيراً سوف نشرح

وحدة التحكم CU

مجموعة المسجلات REGISTER SET

المسجلات عبارة عن مواقع ذاكرية سريعة جداً ضمن وحدة المعالجة المركزية تستعمل لتوليد وتخزين نتائج عمليات وحدة المعالجة المركزية والحسابات الأخرى.


تختلف الحواسيب عن بعضها بالمسجلات من حيث عدد المسجلات وأنواعها وطول كل مسجل وتختلف أيضاً في استعمال كل مسجل.



-مسجلات الأغراض العامة تستخدم لأغراض خاصة متعددة ويتم تخصيصها لوظائف مختلفة من قبل المبرمج.




- مسجلات الأغراض الخاصة وهذه المسجلات مخصصة لوظائف محددة، في بعض الحالات بعض المسجلات تستخدم فقط من أجل حفظ المعلومات، وكلما كان طول المسجل أكبر كلما كان ذلك أفضل




- مسجلات العنونة يمكن استخدامها لنمط عنونة معين أو يمنك استخدامها لعنونة عامة الأغراض.





والجدير بالذكر عدد المسجلات في بنية ما يؤثر على تصميم مجموعة التعليمات فعندما يكون عدد المسجلات قليل سيؤدي ذلك إلى زيادة الإشارات المرسلة إلى الذاكرة، حيث تستخدم بعض المسجلات لحفظ بتات حالة المعالجة أو الأعلام، هذه البتات ترسل من ال CPU كنتيجة لتنفيذ تعليمة ما. بتات الحالة يمكن اختبارها في فترة أطول بالمقارنة مع عمليات أخرى.

M ory Access Registers مسجلات الولوج إلى الذاكرة

هناك مسجلين أساسيين من أحل عمليات القراءة من الذاكرة والكتابة فيها هما MDR (m ory data register) و MAR (m ory address register).المسجلات MDR، MAR تستعمل بشكل خاص من قبل وحدة المعالجة المركزية ولا يمكن الوصول إليهما من قبل المبرمج.




اولا من أجل تمثيل عملية كتابة في موقع محدد في الذاكرة سوف تستخدم المسجلين MDR و MAR كما يلي


ثانيا تخزين الكلمة في المسحل MDR ويتم ذلك بواسطة ال CPU


ثالثا تخزين الموقع الذي سبخزن فيه الكلمة في المسحل MAR ويتم ذلك بواسطة ال CPU أيضاً.

رابعا يتم طلب إشارة كتابة من ال CPU.

وبشكل مشابه من اجل تمثيل عملية القراءة من الذاكرة فإن استخدام المسجلين MDR و MAR يكون كالتالي



خامسا تخزين الموقع الذاكري الذي سنقرأ منه المعطيات في المسجل MAR


سادسا طلب إشارة قراءة من الذاكرة


سابعا تخزين الكلمة المطلوبة من الذاكرة في المسجل MDR حيث تصبح جاهزة للاستخدام من قبل وحدة المعالجة المركزية CPU.

مسجلات احضار الامر Instruction Fetching Registers

يوجد لدينا مسجلين أساسيين هما مسجل عداد البرنامج PC ومسجل الامر IR

• المسجل PC يحتوي على عنوان الامر الذي عليه الدور في التنفيذ .


• بعد احضار الامر يتم تخزينه في المسجل IR وينظر حتي يتم تنفيذه.

بعد احضار الامر بنجاج يتم تحديث محتويات المسجل PC ليشير إلى الامر التالي الذي سيتم تنفيذها.

المسجلات الشرطية condition registers

المسجلات الشرطية أو الأعلام تستخدم لتحديد حالة المعلومات، بعض البنى تحتوي على مسجلات خاصة لحالة كلمة البرنامج PSW (program status word register) حيث يحتوي ال PSW على بتات يتم وضعها من قبلالة المعالج

مسجلات عنونة الأغراض الخاصة special –purpose address registers

مسجلات فهرسة index register

في العنونة المفهرسة العنوان لمتحول ما يتم الحصول عليه بإضافة ثابت ما لمحتويات مسجل المفهرسة، حيث يحتفظ مسجل الفهرسة بعنوان الإزاحة.


العنونة المفهرسة يشار إليها في التعليمة من خلال وضع مسجل الفهرسة ما بين اقواس هلالية واستخدام الرمز x للإشارة إلى الثابت الذي ستم اضافته.

مؤشر المقطع segment pointers

عندما يتم طلب عنوان من المعالج ينبغي أن يتألف من رقم المقطع (القاعدة (ومن الإزاحة. مسجل المقطع يحتفظ بعنوان القاعدة (الأساس (لهذا المقطع

مؤشر المكدس stack pointer

المكدس هومنطقة تخزين للمعطيات بحيث أن المعطيات التي توضع أخيراً فيها يتم إخراجها أولا، وهناك عمليتين يمكن تمثيلهما في المكدس PUSH، POP ويوجد مسجل خاص يسمى SP يستخدم لتحديد موقع المكدس الذي يمكن عنونته.


في عملية PUSH قيمة SP تستخدم للإشارة إلى الموقع (قمة المكدس) حيث أنه بعد دفع قيمة إلى المكدس فإن قيمة SP سوف تزداد. وتتناقص قيمة SP أثناء نمو المكدس

ممر المعطيات DATAPATH

يمكن تقسيم وحدة المعالجة المركزية إلى قسمين قسم المعطيات وقسم التحكم

• قسم المعطيات يسمى أيضاً ممر المعطيات datapath ويتألف من المسجلات و ALU ويستخدم لتمثيل بعض العمليات على المعطيات


• قسم التحكم وهو بشكل أساسي وحدة التحكم CU والذي يرسل الإشارات إلى ممر المعطيات الداخلي حيث يتم نقل البيانات من مسجل لآخر وبين ال ALU والمسجلات داخل وحدة المعالجة المركزية CPU.

نقل البيانات الداخلي يتم تمثيله بالممر المحلي والذي يحمل المعلومات والتعليمات والعناوين.


خارجياً يتم نقل المعطيات من المسجلات إلى الذاكرة وأجهزة الدخل والخرج I/O بواسطة ممر النظام


نقل البيانات الداخلي بين المسجلات وبين ال ALU والمسجلات يمكن أن يستخدم عدة بنى مختلفة تتضمن


بنية بممر واحد – ممرين - ثلاث ممرات


و إن تخصيص ممر المعطيات يستخدم أيضاً بين المكونات التي يتم نقل البيانات من خلالها فعلى سبيل المثال يتم نقل محتويات المسجل PC إلى المسجل MAR من اجل جلب تعليمة جديدة في بداية كل دورة تعليمة.لذلك يكون تخصيص ممر المعطيات من المسجل PC إلى المسجل MAR مفيدا في سرعة تنفيذ هذه التعليمة.

بنية بممر واحد One-Bus Organization

عند استخدام ممر واحد فإن مسجلات وحدة المعالجة المركزية CPU ووحدة الحساب والمنطق ALU سوف تستخدم ممر وحيد لنقل البيانات الداخلة والناتجة. في هذه الحالة الممر يقوم بعملية واحدة لنقل البيانات في دورة ساعة واحدة ونتيجة لذلك العمليات بمتحولين سوف تحتاج إلى دورتي ساعة لجلب المتحولات إلى ال ALU كما أن المسجلات تكون بحاجة إلى BUFFER من اجل وحدة الحساب والمنطق ALU.


بنية ها الممر تكون أبسط واقل تكلفة لكنها محدودة في كمية البيانات المنقولة في نفس دورة الساعة وبالتالي فهي تبطئ من سرعة الأداء.



الشكل 5.3 يبين ممر معطيات واحد يتألف من مجموعة مسجلات الأغراض العامة ومن المسجل MDR والمسجل MAR والمسجل IR والمسجل PC ومن وحدة الحساب والمنطق ALU

بنية بممرين Two-Bus Organization

إن استخدام بنية بممرين هو حل أسرع من استخدام بنية بممر واحد وفي هذه الحالة تكون من مسجلات الأغراض العامة متصلة مع كلا الممرين والبيانات يمكن أن تنتقل في نفس الوقت بين مسجلين مختلفين إلى دخل وحدة الحساب


والمنطق لذلك يمكن جلب متحولي العملية في نفس نبضة الساعة..بالإضافة إلى ذلك فإن المسجلات تحتاج إلى


BUFFER لحفظ خرج ال ALU عندما تكون وحدة المعالجة المركزية مشغولة في تحميل المتحولين


الشكل 5.4a يبين بنية بممرين.



في بعض الحالات يكون أحد الممرات مخصص لنقل البيانات إلى المسجلات (ممر دخل)، بينما الممر الآخر مخصص من اجل نقل البيانات الناتجة من المسجلات (ممر خرج).في هذه الحالة نحن نحتاج أيضاً على BUFFER للمسجل لكل مداخل وحدة الحساب والمنطق من اجل حفظ أحد المتحولات.


خرج ال ALU يمكن أن يتصل بشكل مباشر إلى ممر الدخل والذي سوف ينقل النتائج إلى أحد المسجلات والشكل 5.4b يبين بنية بممرين (ممر دخل وممر خرج)

بنية بثلاث ممرات Three-Bus Organization

في البنية ذات الثلاث ممرات فإن يتم استخدام ممرين كمصدر بينما الممر الثالث يستخدم كمستقر، ممرات المصدر تنقل البيانات من خرج المسجلات (ممر خرج)، وممر المستقر ينقل البيانات إلى دخل المسجلات (ممر دخل)، كل من ممري الخرج متصل مع وحدة الحساب والمنطق بينما خرج وحدة الحساب والمنطق متصل مباشرة مع ممر الدخل


كما هو متوقع فإن زيادة عدد الممرات سيؤدي إلى زيادة كمية البيانات التي ستم نقلها في نفس دورة الساعة الواحدة


على كل حال عند زيادة عدد الممرات سيؤدي أيضاً إلى زيادة تعقيد البنية.


الشكل 5.5 يبين مثال على نظام بثلاث ممرات للمعطيات.

دورة التعليمة في وحدة المعالجة المركزية CPU INSTRUCTION CYCLE

إن سلسلة التعليمات المنجزة بواسطة وحدة المعالجة المركزية خلال تنفيذها لتعليمة ما مبينة في الشكل 5.6 وطبعاً يتم جلب التعليمات من الذاكرة الرئيسية طالما توجد هناك تعليمات يجب تنفيذها.


و إن تنفيذ التعليمة يعتمد على متغيرات محددة في حقل شيفرة التعليمة وبعد إتمام تنفيذ التعليمة يتم إجراء اختبار لمعرفة حدوث طلب للمقاطعة أم لا، لأن روتين خدمة المقاطعة يتطلب استدعاءه في حالة المقاطعة.



العملية الأساسية خلال جلب التعليمة – تنفيذ التعليمة - خدمة المقاطعة معرفة كسلسلة من العمليات الميكروية ولا بد من تفعيل مجموعة من إشارات التحكم لبدء تنفيذ العمليات الميكروية


سنتعرف فيما بعد على عمليات ميكروية لتنفيذ جلب التعليمة - تنفيذ تعليمة حسابية بسيطة – خدمة المقاطعة.

جلب التعليمة Fetch Instructions

يمكن تلخيص سلسلة الأحداث في عملية جلب التعليمة في الخطوات التالية

1. تحميل محتويات المسجل PC في المسجل MAR.


2. زيادة محتويات المسجل PC (و هذه العملية تتم على التوازي مع الوصول إلى الذاكرة).


3. نتيجة لعملية قراءة ال ذاكرة (توضيح) ذاكرة يتم تحميل التعليمة في المسجل MDR.


4. تحميل محتويات المسجل MDR في المسجل IR.

عند استخدامنا لنظام بممر معطيات واحد كما هو مبين في الشكل 5.3 فإن عملية جلب التعليمة يمكن انجازها بثلاث خطوات كما هو مبين في الجدول التالي علماً أن t0 < t1 < t2








أما عند استخدامنا لثلاث ممرات معطيات المبين في الشكل 5.5 فإن خطوات انجاز جلب التعليمة يمكن انجازها كما في الجدول التالي

تنفيذ عملية حسابية بسيطة Execute Simple Arithmetic Operation Add R1,R2,R0

هذه العملية تقوم بجمع محتويات مسجلي المصدر R1، R2 وتخزن النتيجة في مسجل المستقر، يمكن تنفيذ عملية الجمع هذه كما يلي

1. المسجلات R0 ،R1 ،R2 تستخرج من المسجل IR.


2. تمرير محتويات المسجلين R1 ،R2 إلى ALU لإجراء عملية الجمع.


3. خرج ال ALU ينقل إلى المسجل R0.

-عند استخدام ممر معطيات واحد كما هو مبين في الشكل 5.3 فإن عملية الجمع هذه سوف تحتاج


إلى ثلاث خطوات كما هو مبين في الجدول التالي حيث t0 < t1 < t2







-عند استخدام ممرين للمعطيات كما هو مبين في الشكل 5.4a فإن هذه العملية تحتاج إلى خطوتين كما هو مبين في الجدول التالي حيث t0 < t1





-عند استخدام ممرين للمعطيات كما هو مبين في الشكل 5.4b فإن هذه العملية تحتاج إلى خطوتين كما هو مبين في الجدول التالي حيث t0 < t1




-عند استخدام ثلاث ممرات معطيات كما هو مبين في الشكل 5.5 فإن عملية الجمع سوف تحتاج إلى خطوة واحدة كما يلي









ADD X,R0





هذه العملية تجمع محتويات موقع الذاكرة X مع محتويات المسجل R0 وتخزن النتيجة في المسجل R0 يمكن تنفيذ هذه العملية وفق الخطوات التالية

1. استخراج موقع الذاكرة X من المسجل IR وتحميلها في المسجل MAR.


2. نتيجة عملية قراءة الذاكرة فإن محتويات الموقع X يتم تحميلها في المسجل MDR.


3. يتم جمع محتويات المسجل MDR مع محتويات المسجل R0.

-عنداستخدام ممر معطيات كماهو مبين في الشكل 5.3 فإن عملية الجمع سوف تحتاج


إلى خمس خطوات كما هو مبين في الجدول التالي حيث t0< t1< t2 < t3 < t4

-عند استخدام ممرين للمعطيات كما هو مبين في الشكل 5.4 a فإن عملية الجمع تتم في أربع خطوات كما هو مبين في الجدول التالي حيث t0< t1< t2 < t3

-عند استخدام ممرين للمعطيات كما هو مبين في الشكل 5.4b فإن عملية الجمع تتم في أربع خطوات كما هو مبين في الجدول التالي حيث t0< t1< t2 < t3

-عند استخدام ثلاث ممرات للمعطيات كما هو مبين في الشكل 5.5 فإن عملية الجمع تحتاج إلى ثلاث خطوات كما هو مبين في الجدول التالي حيث t0< t1< t2

خدمة المقاطعة Interrupt Handling

بعد تنفيذ التعليمة فإنه يتم إجراء اختبار لطلب المقاطعة، فإذا وجد طلب للمقاطعة فإنه يتم إجراء الخطوات التالية


1- تخزين محتويات المسجل PC في المسجل MDR (من أجل حفظها).


2- تحميل المسجل MAR بالعنوان الموجود في محتويات المسجل PC.(يتم حفظها).


3- تحميل المسجل PC بعنوان أول تعليمة من روتين خدمة المقاطعة.


4-تخزين محتويات المسجل MDR (قيم المسجل PC القديمة) في الذاكرة.


يبين الجدول التالي تسلسل العمليات السابقة. حيث t1< t2 < t3

وحدة التحكم CONTROL UNIT

تعتبر وحدة التحكم المكون الذي ينظم عمليات النظام من خلال إرسال إشارات التحكم إلى ممر المعطيات ،هذه الإشارات تتحكم بتدفق البيانات خلال ال CPU وبين ال CPU والوحدات الخارجية مثل I/O.


ممرات التحكم بشكل عام تنقل الإشارات بين وحدة التحكم ومكونات الحاسب الأخرى في فترات ساعة منظمة.إن نظام الساعة يولد سلسلة مستمرة من النبضات خلال زمن محدد وتردد معين.


تستعمل سلسلة الخطوات t0,t1,t2,…. لتنفيذ تعليمة محددة حيث أن ……… t0