المعالجات(صيانة)

الفهرس

قسم المعالجات

مقدمة

أهم التعارف ومصطلحات

العلامات المضيئة في التاريخ

شروط التركيب واختيار المعالج

مضاعفة الساعة

تاريخ المعالجات وتطور الصناعات

مفاهيم أساسية في بنية المعالج الداخلية

بنا النقل بين المسجلات

ما هي المعالجات متعددة النواة

ما هي المقاطعة

أجيال معالجات إنتل

أسعار المعالجات

بعض الأخبار والمتفرقات

العلامات المضيئة في التاريخ



سنستعرض معا العلامات المضيئة في تاريخ معالجات الحاسبات الإلكترونية والتي

شكلت معالم عصر المعلومات الذي نعيش فيه الآن:



1961 :

قدمت شركة Burroughs عائلة من الحاسبات الإلكترونية أطلق عليها اسم B5000 وقدمت أول حاسب إلكتروني في العالم يستخدم معالجين في نفس الحاسب وكان ذلك إنجازا هائلا في ذلك الوقت.

1971:

صنع شركة إنتل أول معالج علما انه لم يستخدم في الحاسب



1989 :

قدمت شركة إنتل المعالج الشهير 486 الذي احدث ثورة في مجال الحاسبات الشخصية واعتمدت عليه معظم الشركات العالمية المنتجة للحاسبات في تصنيع حاسباتها. الشيء الجميل في هذا المعالج أنه ضم داخله م

عالج مساعد للعمليات الحسابية Math co-processor وكان قبل ذلك يتم تثبيت المعالج المساعد علي اللوحة الرئيسية للحاسب في مكان منفصل عن المعالج الرئيسي.



1995 :

قدمت شركة إنتل المعالج الجديد بنتيوم برو وهو الإصدار الأول من عائلة بنتيوم التي يعتمد عليها العالم حتى الآن في تصنيع الحاسبات الشخصية والخادمة. هذا هو الحاسب الأول في العالم الذي يتم تصميمه لكي

يتيح للحاسبات بمختلف أنواعها استخدام أكثر من معالج في نفس الوقت وأطلق علي هذه التقنية Multi-processor environment



2002 :

أطلق شركة إنتل تقنية جديدة تسمي Hyper Threading وهي التقنية التي تتيح تنفيذ أمرين علي المعالج في نفس اللحظة. تفيد هذه التقنية البرامج والتطبيقات المصممة للعمل علي الحاسبات التي

تستخدم معالجات إنتل التي تتيح تنفيذ أمرين في نفس الوقت باستخدام معالج واحد.



2004 :

لأول مرة تتفوق شركة AMD علي شركة إنتل وتسبقها في عرض أول معالج له قلبين Dual core وهي التقنية التي أوقفت حرب التنافس علي زيادة سرعة المعالج بين الشركتين المتنافستين.



2005 :

طرحت شركة AMD معالجات تستخدم تقنية القلب المزدوج للعمل علي الحاسبات الخادمة وتحقق تفوقا جديدا علي شركة إنتل.

.

ومازال التنافس والتطور مستمرا وبسرعة عالية

بعد ذلك P4 الذي كانت سرعته 1400 والآن فوق 4G

وله ناقل عناوين32 وناقل بيانات 64 وذاكرة داخلية 512 \1\4 M وأكثر حيث أن هذه الصناعة تتطور بسرعة فائقة وله معالج داخلي مساعد..............

مفاهيم أساسية في بنية المعالج الداخلية: ماذا يوجد داخل المعالج؟؟؟؟؟ إذا قمنا بكسر المعالج فماذا نرى بداخله؟؟؟؟ كيف يعالج المعالج البيانات؟؟؟؟ لفهم البنية الداخلية يجب فهم بعض المصطلحات: الديو:مكون من مادتين من أنصاف النواقل إحداهما خماسية التكافؤ وأخرى ثلاثية (P-N) مهمته:تمرير التيار فيكون في حالة انحياز أمامي أو عم تمريره فيكون في حالة انحياز عكسي الترانزستور:مكون من ثلاث مواد من أنصاف النواقل اثنان من نوع واحد والأخيرة من نوع أخر(PNP) أو(NPN) وله نفس المهمة لغة الآلة:وهي لغة يفهمها المعالج تأتي إليه على شكل أصفار و واحدات فإذا وصل الجهد أي واحد وأن لم يصل فهو صفر الترميز الثنائي: وهي لغة الآلة يستخدم بها 1 و0 0-1-10-11-100-101-.............. القلابات:تفيد نقل وتنظيم وإرسال البيانات الثنائية إلى المعالج كتيب الترميز:وهو خاص بالتعامل مع البيانات المرسلة اليه مثال: أرسل إلى المعالج الترميز 10111010 يفسر ب ضع هذا الرقم في السجل DX ويوجد في المعالج ملايين الديودات والترانزستورات فصناعة المعالجات صناعة مجهريه ميكرونية دقيقة ولندرس البنية الداخلية للمعالج يجب دراسة مكوناته الأساسية: مجموعة المسجلات وحدة الحساب والمنطق ALU وحدة التحكم CU تختلف مجموعة المسجلات من حاسب حاسب لأخر وذلك حسب بنيته .حيث تضم مجموعة مسجلات الأغراض العامة ومجموعة مسجلات لأغراض الخاصة .وتستخدم مجموعة مسجلات الأغراض العامة لأي غرض ما بينما مجوعة مسجلات الأغراض الخاصة يكون لها وظيفة محددة . على سبيل المثال عداد البرنامج PC هو مسجل أغراض خاصة يستخدم من أجل الاحتفاظ بعنوان التعليمة التي يتم تنفيذها لاحقا بينما المسجل IR يحتفظ بالتعليمة الحالية التي يتم تنفيذها حالياً .

بنا النقل بين المسجلات:

المسجلات:

هي مجموعة من وحدات التخزين الثنائية و المكونة من قلابات منظمة بطريقة منطقية.

على فرض أن المسجل يمثل بالصندوق التالي:

هذه البنية تحوي مداخل بطول n بت [in] ومخارج بطول n بت [out] ومدخل لنبضات الساعة [CLK] ومدخل لتمكين الكتابة على المسجل [Load].



تستعمل نبضات الساعة من أجل كل عملية قراءة أو كتابة على المسجل حيث تقوم بتنظيم عمل المسجل. بنى النقل بين المسجلات [Register Transfer Structures]:>== النقل المعتمد على الناخب: وفيه تكون مداخل المسجلات متصلة إلى عدة مصادر بواسطة الناخب النقل المعتمد على ممر:هنا تكون مداخل المسجلات متصلة إلى ممر وحيد مقاد بواسطة ناخب. النقل المعتمد على الممر ثلاثي الحالة:تكون مداخل ومخارج المسجلات متصلة إلى ممر وحيد بواسطة مشغل ثلاثي الحالة. بنى نقل أخرى>يتم استخدام عدة نواخب وعدة ممرات وخليط من كل ماسبق. النقل المعتمد على الناخب: تكون النواخب متصلة إلى مداخل المسجل لتوليد بنية نقل سهلة.(ملاحظة: تم تجاهل الساعة من أجل التوضيح). عمليات النقل الممكنة:



K1: R1 ==> R0



K1' + K2: R2 ==> R0



عندما نريد الكتابة من R1 إلى R0 فعند جعل K1 = 1 فسيتم اختيار المسجل R1 من على دخل الناخب وسيتم تفعيل الطرف Load للمسجل R0 المتصل إلى خرج بوابة OR وهنا لن يؤثر K2.

وعندما نريد الكتابة من R2 إلى R0 فعند جعل K1 = 0, K2 = 1 فسيتم اختيار المسجل R2 من على دخل الناخب وسيتم تفعيل الطرف Load للمسجل R0 المتصل إلى خرج بوابة OR وهنا يجب أن تكون K2 = 1.

n هنا تمثل ممر لأكثر من خط على حسب مداخل ومخارج المسجلات. النواخب في الشكل التالي متصلة إلى مداخل كل مسجل لتحقق بنية سهلة والخطوط L0, L1, L2 تمكن المسجلات من كتابة البيانات من على دخلها أما الخطوط S0, S1, S2 تختار أحد مدخلي الناخب لتمريره إلى خرج الناخب والمتصل مع دخل المسجل.

هنا النقل يكون من وإلى كافة المسجلات ويمكن أن تحدث عمليتين على التفرع في نفس الوقت كالكتابة إلى المسجلين R0, R1 من المسجل R2 وذلك بجعل الخطوط كالتالي:

S0 = 1, S1 = 1, S2 = X, L0 = 1, L1 = 1, L2 = 0

يمكن إجراء أكثر من عملية قراءة وكتابة في نفس الوقت بهذه البنية إلا أن لها تكلفة مرتفعة لكنها تمتاز بأنها بسيطة. فعلى سبيل المثال إذا كان هناك مسجل رابع وليكن R3 فبالإمكان الكتابة من المسجل الأول إلى الرابع والقراءة من المسجل الثاني في الثالث إلا أن مداخل النواخب ستصبح ثلاثة مداخل وهي بحاجة إلى خط تحكم إضافي.



النقل المعتمد على ممر:

تكون النواخب متصلة إلى مداخل المسجل لتوليد بنية نقل سهلة.(ملاحظة: تم تجاهل الساعة من أجل التوضيح).

في هذا النوع يوجد ممر دخل واحد مقاد بواسطة ناخب لكنه يقلل من عمليات النقل الممكنة والشكل التالي يوضح هذه البنية:

الناخب له مدخلي تحكم لأنه يختار مدخل من بين ثلاثة مداخل ونلاحظ بأن هناك ممر بين كل مسجل وبين دخل كل ناخب لكن هناك ممر وحيد على دخل كل المسجلات، وعندما نريد نقل معطيات من مسجل إلى آخر نقوم بالقراءة من المسجل المصدر وتفعيل خرج الناخب المتصل بهذا المسجل ومن ثم تفعيل إشارة الكتابة على المسجل الهدف.

فعلى سبيل المثال عند الكتابة على المسجل R1 من المسجل R2 نقوم بما يلي:

نقرأ المعلومات من خرج R2 ونعطي إشارة التحكم التالية للناخب S1 = 1, S0 = 0 وبذلك يتم تمرير خرج المسجل R2 إلى الممر المتصل بدخل المسجل R1 وبقي أن نفعل الكتابة على المسجل R1 بجعل L1 = 1.

هنا عملية الكتابة على عدة مسجلات من مسجل واحد فقط من الممكن أن تحدث.

النقل المعتمد على الممر ثلاثي الحالة:

في هذه الطريقة يتم استبدال المداخل الثلاثة للناخب في الحالة السابقة بثلاثة عوازل ثلاثية الحالة [3-state buffers] لكن هنا أيضاً عمليات النقل لا زالت محدودة.

يجب تفعيل أحد العوازل ثلاثية الحالة فقط حتى تكون بيانات مسجل وحيد متوفرة على الممر ويتم تفعيل العازل ثلاثي الحالة بإعطاء قطب التحكم الخاص به 1 منطقي، فعندما تكون E0 = 1 تكون بيانات المسجل الأول على الممر ويمكن لأي مسجل كتابة هذه البيانات بتفعيل القطب الخاص بالكتابة عليه وهنا عملية الكتابة على عدة مسجلات من مسجل واحد فقط من الممكن أن تحدث.

بُنى نقل أخرى:

إن الأنظمة السريعة تتطلب حدوث العمليات على التوازي في نفس نبضة الساعة الواحدة لكن العمليات على التوازي تتطلب مصادر أكثر لنقل البيانات. لذلك: تم استخدام عدة ممرات تم استعمال نواخب لاختيار دخل المصدر. تم استعمال عازلان ثلاثيا الحالة عند خرج كل مسجل لتحديد الممر الذي سيخرج المسجل بياناته عليه [E0a, E0b].

هذه الطريقة تتطلب عتاد صلب أكثر أي أنها بحاجة إلى تكلفة عالية إلا أنها تمتاز بأداء مرتفع إلا أنها تتميز عن الطريقة الأولى بأنها اختصرت من عدد الممرات حيث في الطريقة الأولى عدد الممرات هو نفس عدد المسجلات بينما في هذه الطريقة عدد الممرات يساوي عدد العمليات وهنا عمليتين.[الكتابة من مسجلين إلى مسجلين في حال وجود أربع مسجلات]، كما تمتاز هذه الطريقة عن الطريقتين السابقتين بأنها تتغلب على محدودية العمليات في نبضة الساعة الواحدة.

وحدة الحساب و المنطق :

ALU تزود الدارات اللازمة من أجل تنفيذ العمليات الحسابية والمنطقية و عمليات الإزاحة الموجودة في مجموعة التعليمات

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

يبين المكونات الرئيسية لوحدة المعالجة المركزية CPU والعلاقة بين نظام الذاكرة و أجهزة الدخل والخرج I/O .

تقوم وحدة المعالجة المركزية بجلب التعليمات من الذاكرة و قراءة التعليمات من الذاكرة و كتابتها فيها و نقل البيانات من وإلى أجهزة الدخل والخرج .

يمكن تنفيذ دورة التعليمة بشكل مبسط ومثالي كما يلي :



جلب التعليمة التي سيتم تنفيذها من الذاكرة و التي عنوانها مخزن في المسجل PC و تخزينها في المسجل IR .

فك شيفرة التعليمة .

جلب المتحولات من الذاكرة و تخزينها في مسجلات ال CPU .

تنفيذ التعليمة .

نقل النتائج من مسجلات ال CPU إلى الذاكرة .

تتكرر دورة تنفيذ التعليمة طالما توجد تعليمات يجب تنفيذها وإن عملية أاختبار 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 خلا تنفيذها لدورة التعليمة 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 تعليمة تقوم بنقل محتويات المسجل X إلى المسجل Y ولنفرض أيضاً ان كلا المسجلين متصلين مع ممر المعطيات D عندها ستطلب وحدة التحكم إشارات تحكم لاخبار المسجل X بوضع محتوياته على ممر المعطيات D و بعد فترة تأخير معينة فإن إشارة تحكم أخرى سوف ترسل لاخبار المسجل Y بالقراءة من ممر المعطيات D . تفعيل اشارات 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 التعليمة لوحدة المعالجة المركزية CPU



لخلاصة: تعتبر وحدة المعالجة المركزية CPU جزء الحاسب الرئيسي الذي يقوم بتفسير و تنفيذ التعليمات الموجودة في البرامج التي نكتبها . المكونات الرئيسية ل CPU هي حقل المسجلات -ALU ووحدة التحكم . يتضمن حقل المسجلات –مسجلات أغراض عامة –خاصة . مسجلات الأغراض العامة تستخدم لحفظ المتحولات والنتائج المرحلية اما مسجلات الأغراض الخاصة قد تستخدم للوصول إلى الذاكر – التنسيق - حالة المعلومات أو لحفظ التعليمة المجلوبة خلال فك التشفير والتنفيذ . العمليات الحسابية والمنطقية يمكن تمثيلها في وحدة الحساب والمنطق ALU . دخل ل CPU يمكن أن تنتقل البيانات من أحد المسجلات إلى مسجلات أخرى او بين المسجلات و ال ALU ، كما يمكن للبيانات أن تنتقل بين ال CPU و المكونات الخارجية مثل الذاكرة و وحدات الدخل والخرج I/O . وحدة التحكم هي المكون الذي ينحكم بحالة دورة التعليمة . حيث أنه يتم جلب التعليمات من الذاكرة طالما توجد تعليمات تطلب التنفيذ ، ويتم تنفيذ التعليمة بالاعتماد على عملية محددة في حقل شيفرة التعليمة . تولد وحدة التحكم إشارات للتحكم بتدفق المعلومات خلال ال CPU وبين ال CPU والوحدات الخارجية مثل الذاكرة و وحدات الدخل والخرج I/O . ويمكن تمثيل وحدة التحكم باستخدام تقنيات البنية الصلبة أو البرمجة الميكروية

مستويات و أفضليات المقاطعة :

‏يختلف نظام مقاطعة عن آخر بعدد المستويات ومحدد الأفضليات التي يوفرها ، ويتعلق المستوى بعدد مصادر المقاطعة المختلفة التي يستطيع المعالج تمييزها باستخدام الدارات أما الأفضلية فتعرف درجة الأهمية النسبية التي يستجيب بها المعالج لمقاطعة ما.



ففي نظام متعدد الأفضليات تهمل طلبات المقاطعة ذات الأفضليات الدنيا حتى ينتهي المعالج من معالجة كل المقاطعات ذات الأفضلية الأعلى. يسمح إذا لجهاز بدرجة أفضلية أعلى بمقاطعة برنامج خدمة المقاطعة الواردة من الجهاز ذي الأفضلية الأدنى, بينما لا يسمح بالعكس.



لأنظمة وحيدة المستوى وحيدة الأفضلية :

تعتمد الطريقة الأبسط على استخدام " قلاب مقاطعة " تضبط قيمته عندما ترد المقاطعة من أي مصدر (انظر الشكل 2). يتابع المعالج عمله الطبيعي طالما ( أن هذا القلاب غير مضبوط، ويختبر حالة هذا القلاب عند نهاية كل تعليمة ويتنقل إلى تنفيذ التعليمة التالية إذا كان القلاب يحوي القيمة صفر، أما إذا كان القلاب مضبوطا (أي يحوي القيمة 1) فيتم تعليق العمل الطبيعي للمعالج ويتم التمهيد لخدمة المقاطعة ، في هذه الحالة يجب أن (يستجوب )المعالج كل الأجهزة (أي يفحص حالتها) ليحدد أيا منها أرسل المقاطعة ، وهي عملية سهلة التحقيق لكنها تستهلك زمنا هاماَ. وفيما يلي الأنشطة التي تحدث بعد طلب المقاطعة:

1- ‏ إلغاء تأهيل المقاطعات (إجراء إلكتروني داراتي hardware)

2- حفظ محتويات المسجل CIAC (إجراء داراتي).

3- حفظ محتويات المسجلات التي ستستخدم لمعالجة المقاطعة (إجراء برمجي soft ware).

4- خدمة المقاطعة ، أي نقل التحكم إلى إجرائية معالجة المقاطعة (إجراء برمجي).

‏(آ) استجواب الأجهزة.

‏(ب) تنشيط الإجرائية المناسبة حسب نمط المقاطعة.

5- استرجاع القيم السابقة للمعالجات (إجراء برمجي).

6- تأهيل المقاطعات (إجراء داراتي).

7- إعادة التحكم إلى برنامج المستخدم ، أي استرجاع القيمة السابقة للمسجل CIAC.

الأنظمة وحيدة المستوى متعددة الأفضليات :

‏يبين مخطط الشكل (3) توسيعاَ لمفهوم النظام وحيد المستوى وحيد الأفضلية, حيث تتصل الأجهزة مع بعضها على التسلسل ويكون الجهاز ذي الأفضلية الأعلى أقرب إلى المعالج. وتتصل هذه الأجهزة بخط مقاطعة مشترك يحمل الإشارة (1) عندما يطلب أي جهاز مقاطعة المعالج. يستجيب المعالج لإشارة المقاطعة بإرسال إشارة "التعرف " (Knowledge) التي تنتشر عبر كل الأجهزة، وعندما يتلقى أحد الأجهزة في السلسلة إشارة التعرف يقوم بما يلي:



1. ‏ إذا كان علم المقاطعة في الجهاز يحوي القيمة صفر, يعيد إرسال إشارة التعرف إلى الأجهزة ذات الأفضليات الأدنى.



2. إذا كان علم المقاطعة في الجهاز مضبوطاَ أي يحوي القيمة (1) :



‏( آ ) يمنع إشارة التعرف من الوصول إلى الأجهزة ذات الأفضليات الأدنى.

(ب) يرسل إلى الحاسب رمز التعريف الخاص به .

(ج) يلغي إشارة طلب المقاطعة الخاصة به .

‏لنفترض أن عدة أجهزة أرسلت إشارة طلب المقاطعة بنفس الوقت ،بفضل هذا المخطط تستطيع المقاطعة ذات الأفضلية الأعلى الوصول إلى المعالج وتحجب الإشارات الواردة من الأجهزة ذات الأفضليات الأدنى ، وإذا وردت أثناء خدمة هذه المقاطعة إشارة مقاطعة أخرى من جهاز ذي أفضلية أعلى فإنها تصل إل المعالج دون أي عائق فيعلق برنامج خدمة المقاطعة ويحتفظ بمعلومات الحالة لينتقل إلى برنامج خدمة المقاطعة ذات الأفضلية الأعلــى.



‏كما رأينا يجب إيجاد مسار يستطيع من خلاله الجهاز المقاطع إرسال رمز التعريف الخاص به إلى المعالج بعد تلقي إشارة التعرف من المعالج ، وبهدف تخفيض التعقيد يمكن استخدام ممر مشترك من قبل كل الأجهزة.

الأنظمة متعددة المستويات وحيدة الأفضلية :

‏يتضمن النظام متعدد المستويات إمكانيات داراتية (hardware) تسمح له بالتعرف على عدة مصادر للمقاطعات التي يمكنها أن تنشط معا على التوازي، ويتم الحكم على الأفضليات النسبية لهذه المصادر بواسطة البرمجيات (software).



يمكن تحقيق هذا المخطط باستخدام مسجل المقاطعات‏ (Interruption register) بدلا من قلاب المقاطعة ، وترتبط كل بت من بتات هذا المسجل بنمط مختلف من أنماط المقاطعات، وتدعى محتويات هذا المسجل " شعاع المقاطعة "



تطبيقات المقاطعات:

استخدمت تقنيات المقاطعة في الحاسبات الأولى بشكل أساسي للتعامل مع بعض الحالات الخاصة التي يمكن أن تظهر أثناء عمل الآلة, إلا أن المرونة الكبيرة التي وفرتها هذه التقنية تحولت إلى أداة أساسية لتحقيق أهداف عديدة أخرى. تستخدم المقاطعات اليوم للاستجابة إلى الحالات الداخلية المتغيرة في الآلة وكذلك للاستجابة إلى الإشارات الخارجية.

‏وسنعرض فيما يلي بعض التطبيقات:

‏أعطال الأجهزة: تستخدم المقاطعات للإشارة إلى حدوث أخطاء محددة أو أعطال في مختلف أجزاء الحاسب و الطرفيات، والذاكرة ووحدات التغذية الكهربائية وغيرها.

‏الأخطاء الداخلية: توفر المقاطعات أداة مناسبة لجذب الانتباه إلى بعض الأخطاء الداخلية التي يمكن أن تحدث أثناء تنفيذ برنامج من برامج المستخدم مثل:

1. أخطاء المعطيات : كالقسمة على الصفر، أو استخدام معامل سالب مع تابع حساب الجذر الربيعي.

2. أخطاء النتائج: كالفيض الذي يمكن أن ينتج عن جمع عددين ممثلين بالفاصلة الثابتة, والفيض في الأس الذي قد ينتج بعد جمع عددين ممثلين بالفاصلة العائمة.

3. أخطاء الآلة: التي يمكن أن تنتج عن أعطال في الدارات والمكونات المادية مثل خطأ الزوجية الذي تولده الذاكرة.

4. شروط التعليمات التي يمكن أن تتضمن تعليمات لا يمكن إنجازها أو يجب عدم إنجازها.

5. أخطاء حماية الذاكرة التي تنتج عند محاولة برنامج ما العودة إلى مناطق محمية في الذاكرة.

6. تتطلب أنظمة المشاركة الزمنية والتطبيقات متعددة البرامج إلى استخدام مؤقت للتبديل بين التطبيقات بفواصل زمنية ثابتة. تستخدم في مثل هذه الحالات ساعات الزمن الحقيقي لتوليد المقاطعات اللازمة لنقل التحكم من برنامج إلى برنامج آخر, وبشكل عام تعتبر المقاطعات مفيدة لتنبيه المعالج إلى انقضاء فترة زمنية محددة.

عدم جاهزية جهاز الدخل/الخرج: تعتبر المقاطعات ذات فائدة خاصة في الأنظمة التي تسمح لعدد من الأجهزة الطرفية بتنفيذ عمليات إدخال وإخراج بنفس الوقت. قبل بدء فعالية الدخل والخرج يجب أن يستقبل الجهاز المعني تعليمة الدخل و الخرج, إلا أنه قد لا يستطيع أحيانا قبول هذه التعليمة لعدة أسباب منها:

• ‏ عدم وصل الجهاز إلى مصدر الطاقة.

• ‏ عدم مقدرة الجهاز على تحقيق الاتصال بسبب عطل في دارة من داراته.

• قد يكون الجهاز ما يزال مشغولا بتنفيذ العملية السابقة.

• يمكن أن يكون الجهاز ما يزال في مرحلة التمهيد (مثل تحديد توضع الشريط أو رؤوس الأقراص، تحريك الصفحة في طابعة، ...الخ).

‏في كل من هذه الحالات سيرفض الجهاز قبول التعليمة مما يسبب توليد إشارة مقاطعة لإعلام المعالج بذلك.

الجيل الأول لمعالجات Intel The First Generation of CPU's تمثل المعالجات 8088 و 80186 والمعالج الحسابي 8087 الجيل الأول لمعالجات Intel وكان المعالج 8088 هو أول معالج استخدم في أجهزة الكمبيوتر ال IBM-PC، ولهذا المعالج ناقل عنوان Address Bus عرضه 20-bit مما يسمح له بعنونة مواقع ذاكرة بحد أقصى واحد ميجا بايت 1 MB وهذا يمثل 16 ضعف من حجم ذاكرة المعالج القديم 8080 الذي ناقله عنوانه عرضها 16-bit والحجم الأقصى لذاكرته 64 كيلو بايت 64 KB المعالج 8086 يشبه كثيرا المعالج 8088 إلا أن له ناقل بيانات 16-bit في مقابل 8-bit للمعالج 8088 مما يمكنه من معالجة بيانات بأطوال 16-bit في لحظة واحدة وكان هذا المعالج يمثل تقدماً كبيراً في عالم المعالجات عندما ظهر في عام 1979 أما المعالجان 80188 و 80186 فقد كانا أفضل حالاً من الناحية الاقتصادية عن المعالجين 8088 و 8086 بسبب أنهما اشتملا على بعض ال Chips المساعدة (Support Chips) التي كانت تبنى قبل ذلك على اللوحة الأم فأصبحت مبنية داخل المعالج ذاته مما حقق اقتصادية أعلى بينما المعالج الحسابي 8087 كانت مهمته القيام بتنفيذ العمليات الحسابية على الأعداد ذات النقطة العائمة (ذات العلامة العشرية) Floating-Point Numbers ويؤدي هذا المعالج الحسابي 8087 Math Processor هذه العمليات بسرعة قد تصل إلى مائة ضعف السرعة التي يؤدي بها المعالج الأساسي نفس العمليات ويفيد جداً هذا المعالج خاصة في البرامج الحسابية التي تجري عمليات حسابية على أعداد ذات علامة عشرية أو البرامج التي تستخدم الدوال المثلثية مثل برامج ال CAD ولرقاقة المعالج الحسابي Math Processor Chip قاعدته Socket الخاصة الموجودة بجوار المعالج الأساسي على اللوحة الأم وكانت مسألة وضعه في ال Socket عند شراء الكمبيوتر مسألة إختيارية حسب طلب المستخدم

لجيل الثاني لمعالجات Intel

Second Generation of Intel CPU's

في عام 1984 قدمت شركة IBM جهاز الكمبيوتر IBM/PC AT الذي يستخدم المعالج 80286 الذي قد تم تصنيعه بتغليف PGA (Pin-Grid Array) وبسبب سرعته الأعلى 6 MHz أو 8 MHz بدلاً من 4.77 MHz وناقلة بيانات 16-bit (ضعف حجم ناقلة البيانات في النظام IBM PC) فإنه يعتبر أقوى من معالج IBM PC المعالج (8088) من 3 إلى 4 أضعاف

علاوة على أن ناقلة العناوين لهذا المعالج عرضها 24-bit مما يتيح حجم ذاكرة 16 ميجا بايت

وقد كان الفكر الذي استخدم لتصميم هذا المعالج يمثل حجر الزاوية لتصميم المعالج الذي تلاه، المعالج 80386

تشتمل أوامر المعالج 80386 على أوامر إضافية بحيث تسمح بتشغيل نظام التشغيل متعدد الأعمال (Multitasking OS) مثل نظام التشغيل Windows/286 الذي كان محدوداً بأوامر البيانات ذات الطول 16-bit

تستخدم الرقاقة 80287 مع المعالج 80286 في النظام IBM PC / AT كمعالج حسابي.



الجيل الثالث لمعالجات Intel

The Third Generation of Intel CPU's



عندما ظهر المعالج 80386 اعتبره المهتمون بعالم المعالجات أنه ثورة تنطلق شرارتها لتعلن عن تكنولوجيا جديدة في عالم المعالجات، كان ذلك في عام 1986. يمتلك هذا المعالج ناقل بيانات Data Bus عرضه 32 MHz. يمتلك هذا المعالج ناقل عنونان Address Bus عرضه 32-bit مما يمكنه من عنونة مواقع ذاكرة حجمها 4096 ميجا بايت أي 256 ضعف حجم الذاكرة للمعالج 80286. هذا بالإضافة إلى إمكانية تشغيل نوع جديد من الـ Software الذي يستخدم أوامر بيانات ذات أطوال 32-bit التي هي أساس لكل المعالجات التي تلت هذا المعالج وحتى المعالج Pentium 4 الذي ظهر عام 2000.

نتيجة لوجود اختلاف بسيط بين معالجات ال 386 وهو أن بعضها يتعامل مع الأوامر ذات ال 16-bit والبعض الآخر يمكنه التعامل مع أوامر ال 32-bit فإن شركة Intel قامت بوضع علامة مميزة على قمة رقاقة المعالج لتميز بين نوعي معالجات ال 386. فالبنسبة لمعالج أوامر 16-bit ميز عن طرق العلامة "16 – bit SW only" أما بالنسبة للمعالج الذي لا يجد مشاكل عند التعامل مع أوامر ال 32-bit فقد تم تمييزه بالعلامة "??" . وللتأكيد على عدم حدوث خلط بين نوعي معالجات ال 386 فقد أخذ المعالج الذي تحدث معه مشاكل مع أوامر ال 32-bit الإسم 386 DX

يعتبر المعالج 386 SX مرحلة وسطى بين المعالج 386 والمعالج 386 DX حيث له نفس القدرات الداخلية التي يمتلكها المعالج 386 DX أما خارجياً فكانت ناقلة بياناته Data Bus عرضها 16-bit وناقلة العناوين 24-bit أي أن الناقلات الخارجية لهذا المعالج بنفس حجم الناقلات الخارجية للمعالج 80286 ورغم ذلك لا يمكنه استخدام نفس ال Socket وبالتالي لا يمكن استخدامه لتطوير Upgrade النظام القديم دون استبدال اللوحة الأم بالكامل.

كانت الرقاقة (Chip) 80387 تمثل المعالج الحسابي للمعالج 80386 بينما الرقاقة 80387 DX فهي المعالج الحسابي للمعالج 80386 DX أما الرقاقة 80387 SX فهي المعالج الحسابي للمعالج 80386 SX.

في حالة المعالجات ال 386 ذات السرعات العالية 33 MHz أو 40 MHz لم تستطع هذه المعالجات أن تعمل إلا بنصف سرعتها بسبب بطء ذاكرة ال RAM الرئيسية (DRAM) ولذلك اضطرت الشركة الصانعة إضافة نوع سريع من ال RAM على اللوحة الأم (Static RAM) أي إضافة 64 كيلو بايت Static RAM على اللوحة مما أدى إلى تمكن المعالج من أن يعمل بسرعته الكاملة 90 % من الوقت وقد رفعت هذه الإضافة من سعر النظام نظرا لإرتفاع سعر ال SRAM

يمكن لمعالجات 386 تشغيل جميع ال Software الخاص بالمعالجات 486 وال Pentium ولكن بأداء ضعيف جداً.

الجيل الرابع لمعالجات Intel

The Fourth Generation of Intel CPU's



من السمات التي يتميز بها المعالج 80486 هو أنه يحتوي داخلياً على ذاكرة Cache بسعة قدرها 8 KB. ويحتوي أيضاً على وحدة نقطة عائمة FPU (معالج حسابي) داخل الرقاقة.



مع هذه التحسينات وصلت سرعة المعالج 80486 DX مرة ونصف سرعة المجموعة 386 و 387 عند نفس ال Clock Speed. يستخدم هذا المعالج Socket جديدة يطلق عليها Socket 1 وهي من النوع PGA (Pin-Grid Array) وتحتوي على 168 – Pins

كانت للمعالج 486 عدة إصدارات اولها هو المعالج 486 SX الذي كان مماثلاً للمعالج 486 DX ولكن كانت الوحدة FPU في حالة عدم تمكين (Disabled).

آخر إصدار من إصدارات المعالج 486 أنتجته شركة Intel وأطلقت عليه الإسم 486DX4 – 100 وهو يعمل عند Core Speed مقدارها 100 MHz وكان هذا المعالج هو أول معالج يعمل عند سرعة 100 MHz ويملك Level-1 Cache مضاعفة أي بحجم 16 KB.

تحتاج رقاقة المعالج 386DX4 إلى Socket خاص (Special Socket adapter) ليوفر تغذية منخفضة الجهد أي 3.3 فولت بدلا من 5 فولت لتفادي ارتفاع حرارة المعالج نتيجة السرعة العالية. لذلك قامت شركة Intel بتعديل هذا المعالج وأطلقت على الإصدار المعدل الإسم DX4 Over Drive، حيث تحتوي الرقاقة نفسها على منظم جهد خاص لتحويل الجهد من 5 فولت إلى 3.3 فولت بالإضافة إلى تزويد الرقاقة بمصرف حراري خاص Special Heat Sink للتخلص من الحرارة الزائدة.



أخيرا كان هناك المعالج Pentium Over Drive الذي كان معروف بالإسم الكودي P24T وبشكل غير رسمي أشير إليه بأنه Pentium Jr ولم تعرف هذه الرقاقة قبل عام 1995

وقد استخدمت هذه الرقاقة لتطوير النظام 486 وصممت لتعمل على جهد 5 V وتستخدم Socket 2 ذات ال 238 – Pin ومع ذلك كانت تتسبب هذه الرقاقة في توليد حرارة عالية لبعض النظم. ولذلك تم تعديل تصميم هذه الرقاقة بعد ذلك لتعمل عند جهد 3.3 V وتستخدم Socket أخرى جديدة هي Socket 3 ذات ال 237 – Pin

الجيل الخامس لمعالجات Intel The Fifth Generation of Intel CPU's يمثل المعالج Pentium والمعروف بالرمز P5 وأيضا المعالج Pentium MMX الجيل الخامس لمعالجات Intel. كان عمر أول مودلين (Models) لمعالجات ال Pentium قصير جداً، وكان الموديل الأول تغليفه PGA ويستخدم Socket 4 ذات ال 273 – Pin بينما الموديل الثاني تغليفه SPGA ويحتوي على 296 – Pin. تعمل هذه المعالجات بسرعة 60 MHz أو 66 MHz عند جهد 5 V وتستهلك قدرة عالية وتنشأ عنها حرارة عالية. ويعمل معالج ال Pentium مثل معالج ال 486 عند نفس Core Clock داخليا معظم التغييرات الجوهرية التي طرأت على هذا المعالج عن معالج الجيل السابق هي أن ال Level – 1 Cache قد انقسمت إلى قسمين القسم الأول 8 KB للأوامر والقسم الثاني 8 KB للبيانات مما يمنح المعالج أداء أسرع هذا بالإضافة إلى وحدة ALU (وحدة الحساب والمنطق) تشتمل على مسارين لتنفيذ العمليات يطلق عليهما Double – Execution Pipeline يمكن لهذه الوحدة تنفيذ أمرين مختلفين في آن واحد أيضا من أهم التطورات التي لحقت بهذا المعالج أن عرض ناقلة البيانات الخارجية المتصلة باللوحة الأم زاد من 32-bit إلى 64-bit وهذا لتأكيد كفاءة أداء Level – 1 Cache وأيضا وحدة ال ALU . كانت معالجات ال Pentium التي تعمل عند 66 MHz و 60 MHz وهي نفس سرعة اللوحة الأم وبسبب أنها تعمل عند جهد 5 V فإنها تستهلك قدرة كبيرة وبالتالي ينشأ عنها حرارة عالية من هنا كان لا بد من تحديث شكل معالج Pentium بحيث يستخدم جهد منخفض ويستهلك قدرة أقل بالإضافة إلى استخدامه لمبرد حرارة Cooler أدى هذا إلى إمكانية زيادة سرعة القلب Core Speed إلى الضعف أو 3 أمثال سرعة اللوحة الأم وتزود اللوحة الأم بمفاتيح لتحديد قيمة مضاعف السرعة (حيث سرعة المعالج هي هذا المضاعف مضروباً في سرعة اللوحة الأم( وفي بعض اللوحات الأم تستخدم Jumpers لتحديد هذا المضاعف Clock Multiplier واستخدم هذا المعالج Socket 5 ذات 320 – Pin وبالرغم من أن Socket 5 تحتوي على 320 Pins ألا أن CPU نفسه لا يستخدم إلا 296 Pins فقط من هذه ال Pins وال 296 Pins مرتبة بالمعالج في شكل يطلق عليه SPGA (Staggered – Pin Grid Array) برغم أن معظم معالجات ال Pentium السريعة تستخدم الجهد 3.3 V تقريباً لقلب المعالج CPU Core إلا أن جهد القلب Core Voltage في بعض الحالات مطلوب أن يتغير عن ذلك قليلاً للحصول على أقصى اعتمادية Maximum Reliability عند السرعات العالية يطلق على متطلبات التغيير الطفيف في جهد القلب المصطلح VR (Voltage Reduced Range) للسماح بتغيير الجهد في المدى من 3.3 V إلى 3.465 V بينما المصطلح VRE (Voltage Reduced Range Extended) للسماح بتغيير الجهد في المدى من 3.45 V إلى 3.6 V والمصطلح STD (Standard) للسماح بتغيير الجهد في المدى من 3.15 V إلى 3.45 V يتطلب هذا Socket جديدة تسمى Socket 7 (Socket 6 موجودة فقط على لوحة الرسم Drawing Board) بها Pin إضافية من أجل ضبط الجهد آلياً مما أدى إلى زيادة سرعة جميع البرامج بنسبة تتراوح من 5 % إلى 15 %. أيضاً زاد معدل نبضات الساعة Clock Rate. تتطلب معالجات Pentium MMX بأن يكون جهد القلب للمعالج صغير جداً وهو 2.8 V، مما أدى إلى مشاكل كثيرة عند تطوير نظام ال Pentium. ولكن توائم ال MMX مع المعالجات الأقدم فإن اللوحات الأم ذات ال Socket 7 يمكنها توصيف جهد القلب بأي قيمة ما بين 2 V و 3.5 V. ولأن المدى كبير عن المدى الأقدم سواء ال VR أو VRE، فإن الجهد الخطأ يعرض بعض المعالجات للتلف.

الجزء الأول من الجيل السادس لمعالجات Intel

The Sixth Generation of Intel CPU's – Part 1



المعالج التالي من معالجات Intel كان المعالج Pentium Pro ولذلك يعتبر فعلياً هو بداية الجيل السادس. عند بداية إنتاج هذا المعالج كان غالي الثمن ولذلك لم يكن مفضلاً في بدايته ولكن في تطبيقات تعدد الأعمال Multitasking وأجهزة الكمبيوتر الخادمة Servers التي تخدم في شبكات الكمبيوتر وجد أن لهذا المعالج دور كبير فأصبح الضوء مسلط عليه.

إنتهى عهد Pentium Pro بتحسينات جديدة طرأت على تكنولوجيا ال Pentium أطلق عليها الإسم MMX الذي يرمز إلى Multimedia Extension

في هذا المعالج تمت زيادة أوامر ال Level – 1 Cache وأيضاً زيادة حجم هذه ال Cache من 8 KB إلى 16 KB لكل من Cache الأوامر وCache البيانات.

وبالتالي فكما ذكرت أن معالج الـ Pentium Pro كان قد أطلق قبل المعالج Pentium MMX وبالتالي لم يتمتع بالتحسينات التي تزود بها المعالج MMX. لكنه لم يكن في حاجة إلى هذه التحسينات لأن سوق الـ MMX كان يتركز في الوسائط المتعددة (Multimedia) بينما سوق الـ Pentium Pro كان يتركز في أجهزة الكمبيوتر الخادمة (Servers) وبالتالي فكل له هدف مختلف عن الآخر.

تركز تصميم معالج ال Pentium Pro وجميع معالجات الأجيال التي تلته نحو المثالية لأوامر 32-bit ويعني هذا أن ال Pentium عندما يقوم بتشغيل 16-bit Software فإنه يكون خارج أداء ال Pentium Pro أو Pentium 2. ومع ذلك فإن معالجات الجيل الجديد تكون متفوقة جداً مع أوامر ال 32-bit التي تستخدم في برامج نظام التشغيل مثل Windows NT و OS/2 و UNIX.

السمة الثانية لمعالج Pentium Pro هي قدراته في المعالجة المتعددة Multiprocessing في النظم المتعددة المعالجات. أما السمة الأخيرة هي إنتقال Level-2 Cache من اللوحة الأم وجعلها مبنية داخل رقاقة المعالج وبالتالي فهي تعمل بنفس سرعة قلب المعالج Core Speed.

كان معالج Pentium Pro متاح بأربعة سرعات 150 MHz و 166 MHz و 180 MHz و 200 MHz بأحجام Cache هي 256 KB و 512 KB و 1 MB عند نفس سرعة قلب المعالج

بسبب زيادة حجم Level-2 Cache وارتفاع سرعتها أدى ذلك إلى وضع المعالج أمام بعض المشاكل. لذلك أتى المعالج Pentium 2 والذي ظهر في عام 1997 بـ Level-2 Cache تعمل عند سرعة نصف سرعة القلب Core Speed.

كان Pentium 2 يشتمل على نفس أوامر الـ MMX التي ظهرت أول مرة في المعالج Pentium MMX، معظم الـ 16-bit Software تعمل بسرعة أبطأ مع المعالج Pentium 2 الأحدث لأنه صمم ليكون مثالياً مع أوامر ال 32-bit فقط.



ونتيجة كبر حجم المعالج Pentium 2 لم يستخدم Socket وإنما استخدم Slot 1 وجاء كبر حجم المعالج بسبب احتوائه على Level-2 Cache.



بعد ذلك جاء المعالج المميز والمعروف بالإسم Celeron ليخدم الزبائن متوسطي الدخل رخص ثمنه فهو يعتبر Pentium 2 ولكن بدون Level-2 Cache مما أدى إلى تخفيض مستوى الأداء لذلك مع معالجات Celeron 266 و Celeron 300 تم تزويد كل منهما بذاكرة Level-2 Cache بحجم صغير 128 KB تم بناؤها داخل رقاقة المعالج Chip بدءاً من Celeron 330a. وكانت 128 KB Cache تعمل عند نفس سرعة قلب المعالج Core Speed.

كانت أيضاً رقاقة ال Celeron هي أول رقاقة معالج تستخدم ال Socket المعروفة بـ Socket 370 (تعرف أيضا بالإسم PPGA 370) اختصار Plastic Pin Grid Array, 370 Pins.

بعد ذلك جاء المعالج Pentium 2 Xeon الذي تخصص في مجالات ال Server ومحطات العمل Workstation ويحتوي على Level – 2 Cache ذات سرعة قلب كاملة. وبه Heat Sink كبير جداً نظراً للحرارة العالية.





الجزء الثاني من الجيل السادس لمعالجات Intel

The Sixth Generation of Intel CPU's – Part 2

أطلقت شركة Intel المعالج Pentium 3 عام 1999. الإصدار الأول من المعالج Pentium 3 الذي كان يتمتع بسمة جديدة عن Pentium 2 وهي SEEs اختصار Streaming SIMD Extensions أو المصطلح MMX2 أما معالجات Pentium 3 التي جاءت بعد ذلك تمتعت بتكنولوجيا ال Copper Mine (وهي تقليص حجم الدوائر الإلكترونية داخل المعالج بنسبة 30 %).

.قدمت تكنولوجيا ال Copper Mine كثير من المميزات التي تمكن كل معالج من معالجات Intel من أن يقفز قفزة للأمام سواء على صعيد سرعة القلب Core Speed أو سرعة ال Cache وهذا ليس فقط لـ Pentium 3 إنما أيضاً لمعالجات ال Celeron و Xeon

بالنسبة لمعالجات ال Celeron فإذا كان حرف a مضافاً لإسم المعالج (Celeron 533a) هذا يشير إلى أنه يتمتع بتكنولوجيا ال Copper Mine

نتيجة لتقليص الحجم وزيادة السرعة بفضل تكنولوجيا ال Copper Mine أدى هذا إلى حرارة أكثر وللتخلص من هذه الحرارة فقد تم تجميع جميع رقاقات ال Copper Mine في شكل يسمى Flip – Pin Grid Array Chip ويرمز له بالرمز FCPGA ويعني هذا أن الجانب السفلي لقالب السليكون الفعلي يتعرض للجو الخارجي بدلاً من إن حصاره داخل غلاف من السيراميك أو غلاف معدني. فالبنسبة لمعالجات ال Pentium 3 التي تستخدم Slot 1 ومعالجات ال Pentium 3 Xeon التي تستخدم Slot 2 لابد من تثبيت مصرف حراري بها قبل تركيبها في الكمبيوتر الشخصي PC.