2.2: جولة في جهاز رقمي

Last updated
Save as PDF

Page ID: 168359

Ly-Huong T. Pham, Tejal Desai-Naik, Laurie Hammond, & Wael Abdeljabbar
ASCCC Open Educational Resources Initiative (OERI)

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

سنبدأ بأجهزة الكمبيوتر الشخصية التي تتكون من نفس المكونات الأساسية:

اللوحة الأم (لوحة الدوائر)
وحدة المعالجة المركزية (CPU)
ذاكرة الوصول العشوائي (RAM)
بطاقة فيديو
الإمداد بالطاقة
القرص الصلب (HDD)
محرك الأقراص ذو الحالة الصلبة (SSD)
محرك الأقراص الضوئية (محرك أقراص DVD/CD)
قارئ البطاقات (SD/SDHC، CF، إلخ.)

اتضح أيضًا أن كل جهاز رقمي تقريبًا يستخدم نفس مجموعة المكونات، لذا فإن فحص الكمبيوتر الشخصي سيعطينا نظرة ثاقبة على بنية الأجهزة الرقمية المختلفة. لذلك دعونا نقوم «بجولة» في جهاز كمبيوتر شخصي ونرى ما الذي يجعله يعمل.

معالجة البيانات: وحدة المعالجة المركزية

كما هو مذكور في القسم السابق، فإن معظم أجهزة الكمبيوتر لها بنية مماثلة. جوهر هذه البنية هو وحدة المعالجة المركزية للجليد أو وحدة المعالجة المركزية. يمكن اعتبار وحدة المعالجة المركزية بمثابة «دماغ» الجهاز أو المعالج الرئيسي. في الماضي، كانت وحدة المعالجة المركزية تتكون من مئات الأسلاك التي تحمل المعلومات.

مثال لجهاز كمبيوتر شخصي على مكتب. موافق — الشكل\(\PageIndex{1}\): تم ترخيص الكمبيوتر الشخصي من قبل Green Chameleon على Unsplash بموجب CC BY-SA 2.0

نفذت هذه الأسلاك الأوامر المرسلة إليها من قبل البرنامج وأعادت النتائج ليتم العمل عليها. كانت وحدات المعالجة المركزية الأولى عبارة عن لوحات دوائر كبيرة ذات وظائف محدودة. اليوم، توجد وحدة المعالجة المركزية بشكل عام على شريحة واحدة ويمكنها أداء مجموعة كبيرة ومتنوعة من الوظائف. هناك نوعان من الشركات المصنعة الرئيسية لوحدات المعالجة المركزية لأجهزة الكمبيوتر الشخصية: Intel والأجهزة الدقيقة المتقدمة (AMD).

تقوم سرعة («وقت الساعة») لوحدة المعالجة المركزية بتنظيم معدل التعليمات وتنفيذ ومزامنة مكونات الكمبيوتر المختلفة. كلما زادت سرعة الساعة، زادت سرعة وحدة المعالجة المركزية في تنفيذ التعليمات في الثانية. يتم قياس الساعة بالهرتز. يتم تعريف الهيرتز على أنه دورة واحدة في الثانية. باستخدام البادئات الثنائية المذكورة أعلاه، يمكننا أن نرى أن الكيلوهرتز (المختصر kHz) هو ألف دورة في الثانية، والميجاهيرتز (MHz) هو مليون دورة في الثانية، وجيجاهيرتز (GHz) هو مليار دورة في الثانية. تزداد قوة معالجة وحدة المعالجة المركزية بمعدل مذهل (انظر الشريط الجانبي حول قانون مور). إلى جانب وقت الساعة الأسرع، تحتوي العديد من شرائح وحدة المعالجة المركزية الآن على معالجات متعددة لكل شريحة.

المعالج متعدد النواة هو دائرة متكاملة واحدة تحتوي على شرائح متعددة. تُعرف هذه الرقائق عمومًا باسم النوى. تعمل النواة المتعددة وتقرأ التعليمات على النوى في نفس الوقت، مما يزيد من السرعة. يُعرف الكمبيوتر المزود بمعالجين باسم ثنائي النواة أو رباعي النواة (أربعة معالجات)، مما يزيد من قوة المعالجة للكمبيوتر من خلال توفير إمكانات وحدات معالجة مركزية متعددة.

عندما تعمل أجهزة الكمبيوتر بنوى متعددة، يتم توليد حرارة إضافية؛ ولهذا السبب تقوم الشركات بتجميع المراوح فوق وحدة المعالجة المركزية. تحتوي أجهزة Mac على نظام أمان مدمج من الفشل بحيث يقوم الكمبيوتر بإغلاق نفسه لتجنب التلف عندما ترتفع درجة الحرارة بسرعة كبيرة. تستفيد الهواتف الذكية من درجات الحرارة المرتفعة. عندما تصبح أجهزتنا أصغر، لدينا العديد من الأجزاء الموضوعة في منطقة صغيرة، وبالتالي، ستولد الأجهزة المزيد من الحرارة. يعد تشغيل العديد من التطبيقات على هاتفك في وقت واحد طريقة أخرى لزيادة حرارة الهاتف؛ ولهذا السبب من المهم إغلاق التطبيقات بعد الاستخدام.

الشكل\(\PageIndex{2}\): (أ) منظر سفلي لوحدة المعالجة المركزية Intel Core i7 Skylake من النوع Core i7، طراز 6700K. مقبس LGA 1151، عملية 14 نانومتر، تردد أساسي 4.00 جيجا هرتز. صُنعت في فيتنام. الصورة من إريك غابا مرخصة بموجب CC BY-SA. (ب) منظر علوي لوحدة المعالجة المركزية Intel Core i7 Skylake من النوع Core i7 Skylake، طراز 6700K. مقبس LGA 1151، عملية 14 نانومتر، تردد أساسي 4.00 جيجا هرتز. صُنعت في فيتنام. الصورة من إريك غابا مرخصة بموجب CC BY-SA

وحدة معالجة الرسومات (GPU) عبارة عن دائرة إلكترونية مصممة لمعالجة الذاكرة وتغييرها بسرعة لتسريع إنشاء الصور في مخزن الإطارات للإخراج. الأجهزة التي تستخدم وحدات معالجة الرسومات هي أجهزة الكمبيوتر الشخصية والهواتف الذكية ووحدات تحكم الألعاب. Nvidia هي واحدة من الشركات القوية التي تصنع بطاقات الرسومات عالية الدقة. تعد Nvidia رائدة في رقائق GPU، وواحدة من أكثر الرقائق شيوعًا هي Nvidia GeForce، والتي تتكامل مع أجهزة الكمبيوتر المحمولة وأجهزة الكمبيوتر الشخصية ومعالجات الواقع الافتراضي. عملت Nvidia أيضًا مع العديد من الشركات لتوسيع سوق شرائح GPU. بعض الشركات البارزة التي تعمل معها Nvidia هي Tesla و Quadro و GRID.