وحدة المعالجة المركزية (بالإنجليزية: Central Processing Unit اختصاراً CPU)‏ أوالمعالج (بالإنجليزية: Processor)‏، هي أحد مكونات الحاسوب التي تقوم بتفسير التعليمات ومعالجة البيانات التي تتضمنها البرمجيات. يعتبر المعالج بالإضافة للذاكرة الرئيسية ووحدات الإدخال والإخراج من أبرز مكونات الحواسيب الدقيقة (microcomputers) الحديثة. تعهد المعالجات التي تم تصنيعها بواسطة الدائرات المتكاملة (integrated circuits) بالمعالجات الدقيقة والتي بدأ تصنيعها منذ منتصف سبعينات القرن العشرين على شكل رقاقات مدمجة حلّت محلّ معظم أنواع المعالجات الأخرى.

يدلّ مصطلح وحدة معالجة مركزية على فئة من الآلات المنطقية التي تقوم بتطبيق برامج حاسوبية معقدة والتي تضم أيضاً الكثير من الحواسب القديمة التي كانت موجودة قبل ظهور هذا المصطلح في بداية الستينات من القرن العشرين.

صُممت المعالجات بداية كمعالجات خاصة بتطبيقات معينة وكأحد مكونات الحواسيب الكبيرة والمجالية لكن ازدياد تكاليف هذا الأسلوب من التصميم أدى إلى إفساح المجال أمام ظهور معالجات رخيصة وقياسية متعددة الأغراض.

هذه النزعة نحوالتوحيد القياسي بدأت بالظهور في عصر الحواسيب المركزية (mainframe) ذات الترانزستورات المنفصلة (discrete transistors) والحواسب الصغيرة وتسارع مع انتشار الدارات المتكاملة حيث سمحت هذه الدارات بزيادة تعقيد المعالجات وتصغير حجمها. أدى التوحيد القياسي والتصغير المستمر للمعالجات إلى انتشارها الواسع وتجاوزها للتطبيقات التي انحصرت بالحواسب المتخصصة حيث دخلت المعالجات الميكروية في شتى مجالات الحياة المعاصرة من السيارات إلى أجهزة الهواتف الحديثة وألعاب الأطفال

وحدات التحكم

وحدة التحكم تعبير عن جزء من وحدة المعالجة المركزية CPU أوأي جهاز آخر، وهي تقوم بتوجيه عمليات هذا الجهاز حيث هي أبرز جزء في المعالج

في البداية كانت وحدات التحكم تعتمد على منطق ad-hoc (المنطق غير المحدد). وكان من الصعب تطبيقها. أما الآن فإنها أصبحت تحقق اهداف البرامج حيث يخزن البرنامج في مخزن التحكم. حدثات البرنامج المصغر يتم اختيارها من قبل موجه ميكروي وبتات هذه الحدثات تتحكم بالأجزاء المتنوعة للجهاز والتي تتضمن : المسجلات ووحدة التفاهة الهندسية ومسجلات التعليمات والممرات ورقاقات الدخل/الخرج. وسوف نلاحظ هذه الأجزاء في شكل توضيحي يبينها مع وحدة التحكم. في أنظمة الحاسب الحديثة من الممكنقد يكون جميع نظام جزئي له وحدة التحكم الخاصة به بالإضافة إلى وحدة التحكم الأساسية كمراقب عام. تتمثل وحدة التحكم بتلك الأسلاك التي تتحكم بتدفق المعلومات عبر المعالج وتنظم عمل الوحدات الأخرى الموجودة داخله. وبطريقة أخرى هي دماغ داخل دماغ. إن وظيفة وحدة التحكم تتغير بتغير البني الداخلية للمعالج حيث حتى وحدة التحكم هي التي تحقق البني الداخلي للمعالج بشكل عملي. في المعالجات التي تنفذ تعليمات ×86 فإن وحدة التحكم تنجز المهام التالية : جلب التعليمة وفك شيفرتها وإدارة تطبيقها وتخزين النتيجة. في المعالجات ذات النوع RISC فإن وحدة التحكم تقوم بمهام كثيرة حتى تنفذ هذه التعليمات. فهي تقوم بإدارة تحويل تعليمات ×86 إلى تعليمات RISC وجدولة التعليمات الصغرية بين وحدات التطبيق المتنوعة وقذف الخرج من هذه الوحدات للتأكد من أنها انتهت في المكان الذي يفترض بها حتى تمضى إليه. في أحد هذه المعالجات قد تقسم وحدة التحكم إلى وحدات أخرى (مثل وحدة الجدولة لمعالجة الجدولة ووحدات التقاعد للتعامل مع النتائج القادمة من خطوط المعالجة) وذلك حسب تعقيد العمل الذي يفترض أن تقوم به. سوف نقوم الآن بتصميم وحدة تحكم بسيطة ونبين بعض الأجزاء الأخرى التي تشرف عليها وحدة التحكم هذه.

1. (Memory Address Register) (MAR): وهوالجزء الذي يقوم بمسك المولدة من قبل العداد PC ونقله إلى ممر المعطيات لإرساله إلى الذاكرة
2. (Program Counter)(PC): وهويقوم بتوليد عنوان الحجرة الذاكرية التي تحتوي على التعليمة التالية التي يفترض أن يتم تطبيقها
3. (Memory Buffer Register) (MBR): وهوتعبير عن مسجل يقوم بتخزين شيفرة التعليمة التي تم إحضارها من الذاكرة
4. (Instruction Register) (IR): وهومسجل يحتوي على التعليمة الحالية التي يفترض أن تنفذ في وحدة الحسابيات والمنطق وحدة حساب ومنطق
5. Timer وهودارة تقوم بتوليد الفترات الزمنية لتطبيق التعليمات

فترة جلب التعليمة : هذه الفترة تكون مقسمة إلى فترات زمنية (t0,t1,t2~tn)كما يلي : • الفترة t0 : وفيها يتم تفعيل جميع من الطرفين c1 وc5 حيث حتى c1 تعني قراءة العنوان الذاكري إلى ممر المعطيات وc5 تعني كتابة محتوى ممر المعطيات إلى MAR وبذلكقد يكون قد أصبح عنوان التعليمة موجود على ممر العناوين للذاكرة • الفترة t1 : وفيها يتم تفعيل جميع من c3 وc7 حيث حتى c7 تجعل الذاكرة تضع محتويات الحجرة الذاكرية المحددة على ممر المعطيات لتصل إلى MBR الذي أيضاً يتم تفعيله بواسطة c3 ليضع محتوياته في IR. • الفترة t2 : يتم في هذه الفترة إرسال نبضة إلى عداد البرنامج من الطرف cin للـ cu لزيادة محتوى العداد ليشير إلى الحجرة الذاكرية التالية كما يتم تفعيل الطرف wr للـIR وبذلك تكون شيفرة التعليمة قد أصبحت على مدخل وحدة التحكم في هذه الفترة يأتي دور وحدة التحكم في فك تشفير التعليمة وإرسال الإشارات اللازمة لتطبيق هذه التعليمة فترة تطبيق التعليمة : في الشكل الذي لدينا يفترض أن نقوم بتتبع تطبيق التعليمة and acc,r3 حيث حتى شيفرة هذه التعليمة في وحدة الحساب والمنطق التي لدينا تعطى بالشكل

Rsrc Rsrc X X 0 0 0 0

Op code don't care register code وعندما تدخل هذه الشيفرة إلى cu تفك شيفرتها وتصدر الإشارات التالية وذلك حسب الفترات الزمنية • الفترة T3: في هذه الفترة يتم نقل محتويات R3 إلى المسجل temp (جميع العمليات في هذا المعالج تتم بين Acc وtemp) وذلك بتفعيل قطب القراءة (RD) للمسجل R3 الذي يقابل الطرف c15 في cu وتفعيل قطب الكتابة WR للمسجل temp الذي يمثل الطرف c20 للـ cu.

• الفترة t4 : يتم وضع شيفرة العملية opcode على المداخل s0، s1، s2 لوحدة الحساب والمنطق ALU.

• الفترة t5 : يتم وضع محتويات جميع من Acc وذلك بتفعيل الطرف c18 للـ cu والـ temp وذلك بتفعيل الطرف c19 للـ cu على ولج وحدة الحساب والمنطق لإجراء العملية المطلوبة كما يتم تفعيل طرف القراءة لمسجل الأعلام عن طريق تفعيل الطرف c22 للـ cu.

• الفترة t6 : في هذه الفترة يتم تصفير مولد الأزمنة time generator للبدء بعملية جلب تعليمة جديدة.

ملاحظة : إذا هذه العملية احتاجت أكثر من نبضة ساعة حتى انتهى تطبيقها (4 نبضات ساعة) وبعض التعليمات بحاجة لزمن أطول ملاحظة : يتم تصميم الدارة الهجريبية لوحدة التحكم عن طريق تشكيل جدول الحقيقة الذي يتم فيه مراعاة شيفرة التعليمات وفهم اطراف وحدة التحكم المطلوب تفعيلها من أجل جميع تعليمة بدءاً من جلب التعليمة وحتى انتهاء تطبيقها.

• • أشهر المعالجات المتوفرة بالأسواق

من أشهر المعالجات توفرا في السوق هي معالجات Intel ومعالجات AMD كما توجد في الأسواق أنواع أخرى لكنها أقل جودة، وتحظى باهتمام قليل من قبل مقتني أجهزة الحاسب، ومن هذه الأنواع Cyrix وVIA

• • تقاس سرعات المعالج بالميجا Megahertz أوالقيقا هيرتز Gigahertz وتخط اختصارا MHz أوGHz

انظر أيضاً

• وحدة تسريع المعالجة
• CISC
• ناقل
• هندسة الحاسوب
• مقبس وحدة المعالجة المركزية
• معالج إشارة رقمية
• وحدة معالجة الرسوميات
• تقنية خيوط المعالجة الفائقة
• معالج دقيق
• معالج متعدد اللب
• RISC
• تحليل متدفق

المراجع

وصلات خارجية

الشركات المصممة للمعالجات الحاسوبية

• Advanced Micro Devices المعروفة ب AMD.
• ARM Ltd.
• Freescale Semiconductor.
• IBM Microelectronics : قسم من شركة آي بي إم.
• Intel Corp - إنتل.
• MIPS Technologies - تقنيات MIPS.
• Sun Microsystems - سن ميكروسيستمز.
• Texas Instruments - تكساس إنسترومينتز Texas Instruments.
• Transmeta - ترانسميتا Transmeta.

قراءات أخرى

• مدخل في تصميم المعالجات - مدخل تفصيلي في تصميم المعالجات الدقيقة غير تام وقديم نوعا ما لكنه لا زال يستحق المطالعة.
• كيف تعمل وحدة المعالجة المركزية
• Pipelining: An Overview - مقدمة جيدة واستعراض لموضوع المعالجة التدفقية.
• SIMD Architectures - مقدمة وشرح ل SIMD، خاصة في موضوع ارتباطه بالحواسيب المخطية.