مقدمة :
المعالج هو بمثابة القلب للإنسان , فكلما كان المعالج أحدث كلما كان الحاسب قادراً على تشغيل تطبيقات أكثر بسرعة أكبر , ولكن هناك عدة أمور تتحكم بمدى قوة هذا المعالج , وتختلف هذه الأمور بين المعالجات الحديثة والمعالجات القديمة , وسنرى أن بعض هذه الأمور كانت أصلاً غير موجودة في المعالجات القديمة , وسنرى أيضاً أن بعض هذه الأمور كانت لا تذكر في السابق نظراً لعدم أهمية دورها في السابق.
المدخل إلى فهم المعالجات
المعالج هو عبارة عن دارة مدمجة تحوي ملايين العناصر الالكترونية , ومهمة هذه العناصر جميعها هي إجراء عمليات حسابية معقدة يكون ناتجها معالجة كم من المعلومات , هذه ببساطة فكرة عمل المعالج ,
جميع المعالجات تقوم بمعالجة أوامر تعطيها قيمة معينة ليظهر لنا ما نطلب , أي أن المعالج بحد ذاته لا يعرف ماهية هذه الأوامر بمعنى هو لا يميز بين أوامر تطبيقات معالجة النصوص أو تطبيقات معالجة الصور أو استعراض مقاطع الفيديو , هو الذي يعرفه معالجة أوامر ويقدمها إلى الطرف المقابل وعليها يقوم التطبيق بفهمها وتقديم الخدمة المحددة له , مثلاً ما الذي يحدث عندما نضغط على أيقونة أي برنامج موجود على سطح المكتب ؟؟؟ الذي يحدث كالتالي :
-هذا التطبيق موجود على القرص الصلب , ويحول إلى الذاكرة
-الذاكرة تحول هذا التطبيق إلى أوامر وتقوم بتمرير هذه الأوامر إلى المعالج عن طريق متحكم الذاكرة
-يقوم المعالج بمعالجة هذه الأوامر
-نتيجة هذه الأوامر تختلف حسب التطبيق المستخدم فإما أن يكون برنامج تحرير نصوص أو لعبة او استعراض فيديو أو .... الخ

يكون العمل داخل المعالج حسب منظومة معينة تشترك فيها جميع المعالجات بلا استثناء وهي تتلخص في أربع مراحل الأولى مرحلة جلب المعلومات والتي تسمى Fetch هنا يتم جلب المعلومات من الذاكرة أو من الكاش ثم يقوم المعالج بإعادة ترميزها ليستطيع التعامل معها وهذه المرحلة تسمى Decode وبعدها يقوم المعالج بمعالجة هذه الأوامر ضمن مرحلة تنفيذية تسمى Execute وبعدها تنتقل إلى مرحلة WriteBack وهي مرحلة إعادة هذه المعلومات التي تم معالجتها إلى الطرف الآخر .
فيما مضى كان المعالج يتولى عملية نقل المعلومات من القرص الصلب إلى الذاكرة نظراً إلى أن القرص الصلب يعمل بناقلية بطيئة مقارنة مع الذاكرة لذلك كان المعالج هو الذي يتولى عملية نقل المعلومات بينهما وكانت تسمى هذه الطريقة PIO اختصاراً لـ Processor I/O , فكانت هذه العملية تستهلك شيئاً من قدرات المعالج ,
حالياً أصبح نقل المعلومات بين القرص الصلب والذاكرة بشكل مباشر دون أن يقوم المعالج بذلك نظراً لتقدم سرعات ناقلية القرص الصلب , الأمر الذي أعطى سرعة أعلى في الأداء , هذه الطريقة تسمى DMA اختصاراً لـ Direct Memory Access.

أولاً : النبضة Clock
النبضة هي إشارة كهربائية يستخدمها الحاسب لمعايرة عمل القطع بداخله وتسمى Clock أو Tick , انظر الصورة أعلاه , هذه الصورة تمثيل لإشارة النبضة بشكل كامل , في الصورة تنتقل الإشارة من القيمة 0 إلى القيمة 1 ضمن مجال ثابت , وكما نرى فالصورة تعرض ثلاث نبضات كل نبضة تمر بمرحلتين مرحلة تكون القيمة فيها 0 ومرحلة تكون القيمة فيها 1 هتين المرحلتين أي انتقال النبضة من قيمة إلى أخرى تسمى Cycle بمعنى "" حلقة إن صح التعبير "" , وبداية كل حلقة عندما تتحول النبضة من القيمة 0 إلى القيمة 1 والمرسومة على شكل سهم في هذه الصورة , و عدد الحلقات يقاس بوحدة عالمية تسمى " هرتز " ويعبر عنها بـ Hz , وكل 1 هرتز يعني حلقة واحدة , فعندما نقول مثلاً أن المعالج يعمل بسرعة 100 ميغا هرتز هذا يعني أن المعالج يعمل بسرعة 100 مليون حلقة في الثانية الواحدة , والحقيقة أن ازدياد الرقم معناه أن الوقت بين الحلقة والثانية هو أقصر , ولكن ماذا نستفيد عندما تزداد السرعة ؟؟ .
النبضة والتردد ... و الأداء الفعلي للمعالج
كل أمر يأتي إلى المعالج من الذاكرة يأتي على شكل بيتات تحتاج إلى معالجة ولمعالجة هذه البيتات يلزم وقت معين هذا الوقت يقصر ويطول حسب كم الحلقات التي يعمل بها المعالج وهو ما نسميه بالتردد ويقاس بالهرتز , أي أن التردد هو كم الحلقات التي يعمل بها المعالج كأقصى حد في الثانية الواحدة , هذا يعني أنه كلما زاد التردد كلما كان المعالج أسرع في معالجة المعلومات ,
و لكن هل نستطيع أن نقول أن التردد الأعلى يعني بالضرورة أن المعالج أقوى ؟؟؟ , بمعنى إذا أحضرنا معالجين لا على التعيين هل هذا يعني أن المعالج الذي يعمل بالتردد الأعلى هو الأفضل ؟؟ الجواب أنه ليس بالضرورة أن يكون المعالج ذو التردد الأعلى هو الأفضل , لأن الأداء الفعلي للمعالج مرتبط بعدة أمور وليس فقط بالتردد وهذه الأمور سنستعرضها إن شاء الله بعد قليل , لكن هناك مفهوم سائد أن التردد الأعلى يعني بالضرورة أداء أقوى وهذه فكرة خاطئة ,
لكن نستطيع القول أننا إذا أحضرنا معالجين ينتميان إلى نفس الشركة المصنعة ونفس السلسلة وكان أحدهما يعمل بتردد أعلى من الثاني في هذه الحال نستطيع القول أن المعالج ذو التردد الأعلى هو الأفضل , ولنفرض على سبيل المثال أنه أحضرنا معالجين Pentium 4 يشتركان بنفس المواصفات الفنية إلا أن أحدهما يعمل بتردد 2GHz والثاني يعمل بتردد 3GHz هنا طبعاً وبلا شك المعالج الثاني 3GHz هو الأفضل لأنه يعمل بتردد أعلى ,
لكن لا نستطيع إجراء هذه المقارنة النظرية بين معالجين مختلفين , مثلاً لا نستطيع إجراء هذه المقارنة بين معالج Intel Pentium4 3GHz ومعالج AMD Athlon X2 2.5GHz ولا نستطيع أن نقول نظرياً أن المعالج الأول أسرع من المعالج الثاني لأنه يعمل بتردد أعلى , ذلك لأن المعالجين لا يشتركان بالمواصفات الفنية على الإطلاق فالحَكَم في مثل هذه الحال هي التجارب العملية .

ثانياً : تردد العمل مع باقي مكونات الحاسب External Clock
إن تردد عمل المعالج هو أعلى من تردد عمل باقي مكونات الحاسب بشكل أكيد , والمشكلة التي ظهرت مع تزايد ترددات العمل في المعالج هي إمكانية عمل العناصر الالكترونية الموجودة على اللوحة الأم مع هذه الترددات العالية , على سبيل المثال إن الأسلاك التي تربط دارات اللوحة الأم مع بعضها هذه لا تستطيع العمل مع تردد عمل المعالج العالي , لذلك قامت شركات تصنيع المعالجات بابتكار طريقة لحل هذه المشكلة , الفكرة هي أن يعمل المعالج بداخله بتردد عالي ويتخاطب مع باقي مكونات الحاسب بتردد منخفض , وأصبحت شركات تصنيع المعالجات تحدد التردد المنخفض بما يتناسب مع اللوحات الأم وتزيد من التردد الأعلى , التردد المنخفض يعرف لدى إنتل في المعالجات ما قبل Corei7 بالناقل FSB " Front Side Bus " أما في معالجات Corei7 فيعرف بـ QPI " Quick Path Interconnect" , و لدى AMD في المعالجات ما قبل المقبس 754 كان أيضاً يسمى الناقل FSB أما في المعالجات التي تعمل على المقبس 754 وما بعدها فيعرف بـ HT " Hyper Transport " , و تم مضاعفة تحميل المعلومات في الحلقة الواحدة في الناقل FSB وذلك للحصول على أعلى أداء ممكن لهذا الناقل , فأصبح لدى AMD يضاعف مرتين DDR أي إذا فرضنا أنه يعمل بتردد 200MHz أصبح يؤدي عمل 400MHz , أما لدى إنتل تمت مضاعفته إلى أربع أضعاف QDR أي أنه بفرض 200MHz أصبح يؤدي عمل 800MHz ,

أيضاً هناك فكرة سائدة أن التردد الحقيقي للمعالج هو التردد المنخفض أيضاً هذه من الأفكار الخاطئة حول المعالجات.
في المعالجات الجديدة من إنتل تم إلغاء QPI لمزيد من المعلومات يمكنك مراجعة الدراسة التفصيلية بالنقر هنا


ثالثاً : التخاطب مع الذاكرة RAM
إن سرعة تخاطب المعالج مع الذاكرة يؤثر بشكل كبير على أداء الحاسب , وباعتبار أن الذاكرة تعمل بتردد منخفض لذلك فإن المعالج يتخاطب مع الذاكرة عن طريق الناقل FSB عبر متحكم مدمج مع الرقاقة يسمى Memory Controller , وتعمل الذاكرة بعرض ناقل 64bit , فعندما تكون لدينا الذاكرة تعمل بتردد 800MHz وأردنا أن نحسب سرعة التخاطب مع المعالج نقوم بالعملية الحسابية التالية 64bit x 800 / 8 وطبعاً الناتج سيكون بالميغا بايت في الثانية الواحدة وفي مثالنا هنا الناتج هو 6400 ميغا بايت في الثانية , لكن الفكرة التي يجب ان ننوه إليها أن سرعة النقل تعتمد على التردد الأقل من FSB والذاكرة , أي أنه بفرض أن الذاكرة لدينا تعمل بتردد 800MHz والمعالج يعمل بتردد FSB 533MHz هذا يعني أن الناقلية في هذه الحال ستكون حسب تردد الـ FSB لأنه هو الأقل .
لذلك فإن التوافقية بين تردد FSB وتردد الذاكرة أمر مطلوب جداً لتحقيق أعلى أداء ممكن للحاسب ولضمان استقرار النظام دون حدوث أخطاء .
كما قلنا فإن متحكم الذاكرة مدمج مع الرقاقة أي أن التخاطب بين المعالج والذاكرة يمر عبر الرقاقة , حالياً جميع معالجات AMD التي تعمل على المقبس 754 فما فوق أصبح متحكم الذاكرة ضمن المعالج , أيضاً معالجات إنتل Corei7 فما فوق أصبح متحكم الذاكرة ضمن المعالج .
وظهر أيضاً تقنية ساهمت كثيراً في رفع سرعة التخاطب مع الذاكرة , التقنية تسمى Dual Channel وهي تعتمد على أن يكون في اللوحة قناتين لتركيب الذواكر كل قناة يخاطبها المعالج على حدا وبهذا يتضاعف الأداء نظرياً ليصبح عرض الناقل 128bit , ولكن يشترط لتنفيذ هذه التقنية تركيب زوج أو أكثر من الذواكر , ثم ظهر مؤخراً تطوير لهذه التقنية يسمى Triple Channel و هي تعتمد على أن يكون في اللوحة ثلاث قنوات بدل القناتين ويشترط تركيب ثلاث ذواكر أو أكثر من مضاعفات الرقم 3 لأنها تعتمد على أن يكون ثلاث ذواكر أو أكثر مركبة على اللوحة .

رابعاً : الذاكرة المخبئية Cache
الكاش هي ذاكرة موجودة ضمن المعالج بنيتها Static Memory تختلف عن بنية الذواكر العاديةDynamic Memory وهي أسرع من الذاكرة الرام بكثير ويمكنها العمل بنفس تردد عمل المعالج ولكن تستهلك طاقة بشكل أكبر من الرام وهي غالية الثمن .
نظراً للتردد العالي الذي يعمل به المعالج مقارنة مع باقي مكونات الحاسب كان لا بد من وجود ذاكرة ضمن المعالج ليكون الوصول إليها أسرع من الذاكرة الرئيسية RAM هذه هي الفكرة الرئيسية لإنشاء الذاكرة المخبئية ضمن المعالج , وعندما يطلب المعالج أي معلومة يبحث عنها بداية داخل الكاش فإن لم يجدها يطلبها من الرام .
لو فرضنا أن المعالج طلب من الذاكرة RAM العنوان رقم 1000 حينها ستنتسخ المعلومات التي ترتبط مع هذا العنوان إلى المعالج وسيقوم المعالج بمعالجتها , هنا يقوم الكاش بنسخ المعلومات الموجودة في الرام بعد العنوان الذي طلبه المعالج إلى حد معين حسب حجم الكاش , بمعنى من المؤكد أن المعالج لن يقتصر عمله على المعلومات الموجودة داخل العنوان الذي طلبه من الرام باعتبار أن حجمها صغير هنا يقوم الكاش بنسخ المعلومات الموجودة داخل الرام بعد العنوان الذي طلبه المعالج من الرام مباشرة , وعندما يطلب المعالج هذه المعلومات فهو سيبحث عنها داخل الكاش فإن لم يجدها فسيطلبها من الرام , وطبعا الوصول إلى الذاكرة الكاش أسرع بكثير من الذاكرة رام لأنها تعمل بتردد يساوي تردد عمل المعالج بينما الذاكرة رام تعمل بتردد يساوي التردد المنخفض للمعالج FSB إن لم يكن أقل .
أيضاً الكاش له وظيفة ثانية هي أن المعلومات بعد انتهاءها من المعالجة تبقى محفوظة في الكاش لفترة حسب حجم الكاش وذلك ريثما يتم نسخها إلى الرام وليستخدمها المعالج في حال احتاج إليها مرة ثانية .
والكاش ينقسم إلى ثلاث مستويات أولها وأسرعها وأقلها حجماً هو Level1 و ينقسم إلى قسمين Instruction Cache ومهمته جلب المعلومات من الرام وحفظها بداخله قبل معالجتها والقسم الثاني Data Cache ومهمته حفظ المعلومات بعد معالجتها قبل أن تنتقل إلى المستوى الثاني من الكاش , المستوى الثاني من الكاش هو Level2 ومهمته تخزينية وحجمه أكبر من المستوى الأول لكنه أبطئ بقليل وقد يكون تشاركياً في بعض المعالجات التي تعمل بعدة نوى , المستوى الثالث من الكاش Level3 ومهمته أيضاً تخزينية وحجمه أكبر أو يساوي المستوى الثاني أيضاً قد يكون تشاركياً في حال كان المعالج يعمل بعدة نوى .
إذاً إن ازدياد حجم الذاكرة كاش في المعالج هو أيضاً أمر ضروري لتحقيق أداء عالي .
وللاطلاع على تفاصيل أوفى يمكنك مراجعة دراسة تفصيلية حول هذا الموضوع بالنقر هنا .

خامساً : تقنية التصنيع

من النقاط الهامة التي يجب أن نبحث عنها في المعالج هي تقنية التصنيع , والمقصود بتقنية التصنيع هي مسافة بُعد العناصر الالكترونية عن بعضها داخل المعالج وتقدر بوحدة قياس تسمى نانو متر ويرمز لها بـ nm والنانو هو واحد من المليون من الميليمتر , والتقنية المستخدمة حالياً والأكثر انتشاراً هي 90nm , 65nm and 45nm , ولهذه النقطة أهمية بالغة في الوقت الراهن , لأنه كلما صغر الرقم كلما كان المعالج ينتمي إلى جيل أحدث , وكلما صغرت المسافة بين العناصر داخل المعالج كلما استطعنا تحصيل ترددات أعلى وكلما كان المعالج يعمل باستهلاك طاقة أقل وكلما كانت الحرارة الناتجة عن المعالج أقل ,
إذا كلما كان الرقم المرادف لتقنية التصنيع أقل كلما كان المعالج ينتمي إلى جيل أحدث وبالتالي ميزات أكثر .

سادساً : عدد النوى التنفيذية
كما قلنا فإن المعالج يقوم فقط بمعالجة أوامر بغض النظر عن ماهية هذه الأوامر , ومر معنا سابقاً المراحل التي يعمل بها المعالج وان من ضمن هذه المراحل ما يسمى بالمرحلة التنفيذية ويقوم بهذه المرحلة "التي هي صلب عمل المعالج" يقوم بها نواة مختصة بالتنفيذ هذه النواة تسمى النواة التنفيذية أو Core , في المعالجات الحديثة يمكن أن تتعدد هذه النوى فوصلت في أيامنا إلى معالجات بستة نوى ومن المتوقع ان تصل في عام 2012 إلى معالجات تحوي ستة عشر نواة , وكلما كثر عدد النوى كلما كان قدرة المعالج على معالجة الأوامر أسرع ,
الذي يحدث أن الأوامر كانت تعالج بنواة واحدة وكانت النواة الواحدة تقوم بتنفيذ أمر واحد في الوقت الواحد مما يعني أن الأوامر جميعها ستنتظر فترة زمنية معينة ريثما ينتهي المعالج من معالجة الأمر الحالي الأمر الذي كان يسبب ضعفاًً في أداء المعالج , الآن مع وجود عدة نوى تنفيذية يمكن أن يوزع العمل على عدد النوى فإذا فرضنا أن المعالج يحوي أربع نوى هذا يعني أن العمل سيوزع على هذه النوى الأربع وبالتالي سنحصل نظرياً على معالج يعمل بأداء أعلى أربع مرات من المعالج الذي يعمل بنواة واحدة , وتختلف في الحقيقة طريقة الاستفادة من هذه النوى فبعض المعالجات تكون النوى جميعها تعمل ويوزع العمل عليها , وبعض المعالجات حسب نوع العمل فإن كان كم العمل يتطلب نواة واحدة يبقى المعالج يعمل بنواة واحدة وتدخل باقي النوى في مرحلة الخمول للحفاظ على الطاقة وعند ازدياد الضغط على هذه النواة يقوم المعالج بالاستفادة من النوى الباقية .
إذاً كلما كان عدد النوى أكثر كلما كان الأداء أعلى بشكل ملحوظ جداً

سابعاً : سلاسل المعالجات
من النقاط الهامة التي يجب معرفتها أيضاً أن العائلة او السلسلة التي ينتمي المعالج إليها فهي تدل على معظم الأمور التي ذكرناها سابقاً , و السلسلة الأحدث تعمل بالتأكيد بنواة أحدث و بطريقة معالجة أحدث وميزات أكثر , مثلاً لا نستطيع القول أن معالجات Pentium Dual Core تعمل مثل معالجات Core2Duo مع العلم أن كليهما يعملان بنواتين تنفيذيتين لأن النواة المستخدمة في المعالجات الأولى تختلف عن النواة التي في المعالجات الثانية وبالتأكيد النواة الأحدث هي أسرع وتقدم ميزات أكثر
إذاً كلما كان المعالج ينتمي إلى سلسلة أحدث كلما كان يقدم طريقة معالجة أسرع وميزات أكثر

ثامناً : المقبس Socket
أيضاً من الأمور الهامة التي يجب ان تذكر هو نوع المقبس الذي يعمل عليه المعالج , نوع المقبس هو الشكل العام للمقبس والذي يحدد بالضرورة شكل المعالج , فكلما كان المقبس احدث كلما كانت سلسلة المعالجات التي تعمل عليه أحدث , بمعنى هو قابل للتطوير أي أنك في حال أحببت أن تغير المعالج الذي لديك مع المستقبل ستجد معالج يمكن تركيبه على اللوحة عندك بنفس المقبس وإلا ستضطر لتغيير اللوحة لتستطيع تركيب المعالج الحديث ,
في معالجات AMD من بعد المقبس 754 جميع المعالجات يمكن تركيبها على مختلف المقابس بمعنى يمكن تركيب معالج يعمل بالمقبس AM2 القديم على لوحة AM3 الحديث وبالعكس في حال كانت اللوحة تدعم هذا المعالج ,
أما في معالجات INTEL فهي تغير من شكل المقابس بشكل مستمر فمعالجات 775 على سبيل المثال لا يمكن تركيبها على مقبس 1366 وبالعكس .
دائماً المقبس الأحدث يعني قابلية للتطوير اكثر .

تاسعاً : مراحل رفع السوية Over Clocking
من الأمور التي انتشر الحديث عنها مؤخراً هي مراحل رفع السوية , مراحل رفع السوية أو ما تعرف باسم Over Clocking هي تقنية تعتمد على رفع التردد والجهود لكل من المعالج و رقاقة اللوحة وأحياناً الذاكرة وبطاقة الإظهار , لكن في المعالجات الحديثة تم زيادة الاهتمام بهذه النقطة باعتبار أنها مهمة لكل من المصممين و أصحاب الأعمال الاحترافية وعشاق الألعاب , فيوجد الآن معالجات من AMD تسمى Black Edition هذه المعالجات تسمح بمراحل رفع سوية متقدمة جداً تصل أحياناً إلى ضعف التردد الأصلي للمعالج , كما يوجد من إنتل تقنية خاصة بهذا الموضوع تسمى Turbo Boost متوفرة في المعالجات الحديثة وهي تقنية تسمح بضبط هذه المراحل بشكل دقيق وآمن نسبياً .
ملاحظة : إن مراحل رفع السوية من الأمور الخطرة نوعاً ما فالتفعيل الغير دقيق لهذه التقنية قد يؤدي إلى نتائج غير محمودة , لذا يجب مراجعة الخبراء في هذا المجال أو مراجعة موقع المنتج على الانترنت .

الخلاصة


  • ليس بالضرورة أن يكون المعالج ذو التردد الأعلى هو الأفضل
  • التردد المنخفض للمعالج ليس هو التردد الحقيقي للمعالج وإنما هو تردد التخاطب مع باقي مكونات الحاسب
  • إن التوافقية بين تردد FSB وتردد الذاكرة أمر مطلوب جداً لتحقيق أعلى أداء ممكن للحاسب ولضمان استقرار النظام دون حدوث أخطاء .
  • إن ازدياد حجم الذاكرة كاش في المعالج هو أيضاً أمر ضروري لتحقيق أداء عالي
  • كلما كان الرقم المرادف لتقنية التصنيع أقل كلما كان المعالج ينتمي إلى جيل أحدث وبالتالي ميزات أكثر
  • كلما كان عدد النوى أكثر كلما كان الأداء أعلى بشكل ملحوظ
  • كلما كان المعالج ينتمي إلى سلسلة أحدث كلما كان يعمل بطريقة معالجة أسرع وميزات أكثر
  • دائماً المقبس الأحدث يعني قابلية للتطوير أكثر .
  • إن كنت من أصحاب الأعمال الاحترافية أو من عشاق الألعاب ابحث عن معالج يؤمن لك مراحل رفع سوية متقدمة لمزيد من الأداء