How a CPU is made كيف يصنع معالج الكمبيوتر

بحث اجيال الحاسب ال 5

اجيال الحاسوب و تاريخ الحواسيب

ان جهاز الكمبيوتر الذي بين ايدينا الآن –على اختلاف انواعه- ليس وليد البارحة اذ انه مر بعدة مراحل تاريخيةساهمت في تطويره الى هذا الشكل الحالي .. حيث ظهرت اول فكرة للحاسوب على يد الصينين منذ 2000 سنة قبل الميلاد تمثلت في جهاز الكريات الصغيرة (boulier chinois) الذي كانوا يستعملونه في حساباتهم اليومية .

وفي عام 1643 تمكن عالم الرياضيات الفرنسي blaise pascal من اختراع آلة ميكانيكية تقوم بالجمع والطرح فقط ، وبعدها ظهرت عدة محاولات من طرف علماء وتقنيين لإختراع اجهزة تقوم بالحسابات والتخزين واخراج المعلومات والبيانات .. الى ان ظهر أول كمبيوتر بعد الحرب العالمية الثانية بإمكانه اجراء عمليات حسابية رقمية ثم اخذ في التطور على مدى 5 مراحل اساسية تسمى "أجيال الحاسوب" او "تاريخ تطور الحاسوب" حيث انه في كل جيل كانت تحدث تغيرات واضافات اساسية في المكونات والاجهزة والتقنيات التي يعتمد عليها الحاسوب ... وفيما يلي سوف نستعرض وبشكل مختصر ان شاء الله هذه الاجيال في شكل لمحة تاريخية مع تبين اهم الاضافات والتطويرات التي شهدها الحاسوب في كل جيل من هذه الاجيال:

الجيل الأول (من عام 1951 إلى 1959):

شهد هذا الجيل ميلاد اشهر وأول حاسوب في العالم تقريباً وهو حاسوب  UNIVAC الذي تم تصميمه وانجازه من طرف الدّكتور بريسبير إكيرت والدّكتور جون موتشلي .. بالاضافة الى حواسيب الشركة العملاقة IBM ، حيث تميزت حواسيب هذا الجيل بمايلي:

ü     استخدمت في صناعة حواسيب هذا الجيل "الصمامات الإلكترونية الثنائية المفرغة" وهي عبار ة عن أنابيب زجاجية مفرغة من الهواء يمكن تمرير التيار الكهربائي من خلالها دون الحاجة إلى محول ميكانيكي .. لكن لهذه الصمامات الإلكترونية عيوب كبيرة منها :
- حجمها كبير جدا .
- تستهلك مقداراً كبيراً من الطاقة الكهربائية .
- سرعتها بطيئة جدا .
- سهلة الكسر .

الجيل الثاني (من 1959 الى 1965): 

خلال هذا الجيل ظهرت تكنولوجيا جديدة وهي الترنستور "Transistor"

فما هو الترانزستور ؟

الترنزستور هو وحدة صغيرة جدا تسمح بمرور التيار الكهربائي من خلالها بمقدرا يختلف باختلاف التيار الداخل لها أي أنها تسمح بالتحكم بشدة تيار كهربائي حسب شدة تيار كهربائي آخر .

 وله مميزات منها :
- الترانزستور أصغر حجما من الصمامات المفرغة بحيث يمكن تركيب 200 ترانزستور في المساحة نفسها المخصصة لصمام واحد فارغ .
- يستهلك الترانزستور كمية حرارة أقل بكثير من الصمامات المفرغة .
- الترانزستور أسرع كثيرا من الصمامات المفرغة .
- ينبعث من الترانزستور كمية حرارة أقل بكثير من الصمامات المفرغة .

وعموماً تميزت حواسيب هذا الجيل ب:

ü     استبدال الصمامات المفرغة بالترانزستورات .

ü     كان حجم هذه الحواسيب اصغر من حواسيب الجيل الأول .

ü     اصبحت اكثر سرعة في تنفيذ العمليات (مئات آلاف عملية في الثانية الواحدة) .

ü     استخدام الاشرطة الممغنطة كذاكرة مساندة .. كما استخدمت الاقراص المغناطيسية الصلبة .

ü     استخدمت بعض اللغات الراقية مثل cobol , fortran

الجيل الثالث (من 1965 الى 1970): 

 شهد هذا الجيل ميلاد تكنولوجيا "الدوائر المتكاملة" والمصنوعة من رقائق السيليكون حيث اعتمدت عليها حواسيب هذا الجيل التي تميزت ب:

ü      اعتماد الدوائر المتكاملة " IC " و استخدامها بدلا من الترانزستور فقط , وهي عبارة عن مواد شبه موصلة للتيار الكهربائي يتم إضافة شوائب إليها بطريقة معينة ودقيقة للغاية بحيث ينتج عن ذلك دارة كهربائية تحتوي على مكثفات و ترانزستورات و مقاومات و بقية عناصر الدوائر المتكاملة .

مميزات الدوائر المتكاملة IC :
- وزنها خفيف .
- قلة ثمنها .
- ذات مساحة وحجم صغيرين كما توضح الصورة التالية:

عيوب الدوائر المتكاملة :
- لايمكن فصل مكوناتها عن بعضها بعد تصنيعها .
- لا يمكن إصلاحها إذا تعطلت .

ü      اصبحت الحواسيب اصغر حجما بكثير وانخفضت تكلفة انتاج الكمبيوترات .

ü      تم انتاج سلسلة كمبيوترات ibm 360 .

ü      اصبحت سرعة الكمبيوترات تقاس بالنانو ثانية .

ü      تم انتاج الشاشات الملونة واجهزة القراءة الضوئية .

ü      تم انتاج اجهزة ادخال واخراج سريعة .

ü      ظهرت الكمبيوترات المتوسطة والتي تشترك بمجموعة طرفيات بجهاز كمبيوتر مركزي .

الجيل الرابع (من 1970 الى 1985):

خلال هذا الجيل حصلت ثورة كبيرة على معدات الكمبيوتر وعلى البرمجيات في نفس الوقت .. حيث تميزت حواسيب هذا الجيل بما يلي:

ü      استخدام الدوائر المتكاملة الكبيرة "LSI" .

ü      احجام صغيرة وتكلفة قليلة وزيادة كبيرة جدا في السرعة والدقة وسعة التخزين .

ü      ظهور تقنية الذاكرة العشوائية RAM والذاكرة الميتة ROM .

ü      اصبحت اجهزة الادخال والاخراج اكثر تطوراً واسهل استخداماً .

ü      ظهور "انظمة التشغيل" مما ادى الى ظهور الحواسيب الشخصية .

ü      ظهور اللغات ذات المستوى الراقي والراقي جداً .

ü      ظهرت الاقراص الصلبة المصغرة والأقراص المرنة والراسمات .

الجيل الخامس (ما بعد 1985):

• ü      تسهيل تعامل الانسان (المستخدم) مع هذه الحواسيب من خلال قدرتها على فهم مختلف المدخلات المحكية .. المكتوبة .. المرئية .. والمرسومة .
• ü      زيادة هائلة في السرعات وسعات التخزين .
• ü      ظهور الذكاء الاصطناعي ولغات برمجة متطورة جدا (مثل لغة C ولغة JAVA ولغة pythonوغيرها ) .
• ü      تطور الكمبيوترات العملاقة والتي اصبحت ذات قدرات كبيرة جدا وتمتاز بدرجات دقة عالية جدا (مثل حواسيب وكالة الفضاء الامريكية نازا ) .

خلاصة:

من خلال استعراضنا لهذه اللمحة التاريخية يتبين لنا أن الحواسيب تطورت بفضل تطور التقنيات المستخدمة في تصميمها وانواع التكنولوجيات التي تعتمد عليها .. كما يمكن أن ندرك –من خلال مراجعتنا لهذه اللمحة التاريخية- أن هناك عدة اصناف وانواع لأجهزة الحاسوب تختلف قدراتها وكفاءاتها حسب مجالات استخدامها 

المصدر: www.chababwap.com/2016/05/computer-generations.html

واجب (تقويم عمارة الحاسب)

س1_لماذا يكون اداء الممعالج ذي بنية (64) بت افضل من المعالج ذي بنية (32) بت؟

لان المعالج ذي البنية (64) بتة يسمح بمرور بيانات بشكل اكبر وتدفق اعلى من (32)بتة, كما ان المعالج ذي البنية (32) بتة لن يستطيع التعامل مع حجم ذاكرة اكبر من 4 جيجا بايت..بل لن يستطيع قراءة ال 4 جيجا بايت كاملة.

س2_ما اهمية أن يكون للمعالج القدرة على عنونة سعة اكبر من الذاكرة؟

عنونه سعة أكبر من الذاكرة معناه الاستخدام الأمثل لها وسرعة عمليات المعالجة للبيانات التي يقوم بها المعالج وسرعة عمليات الحفظ والاسترجاع للمعلومات.


س3_ما أهم التطورات التي شهدتها عمارة الميكروبرسسر في ااسنوات الخمس الاخيرة ؟

في عام 2010 تم تصنيع معالجات core i3
تم تصنيع معالجات هذا الجيل بأنوية clarkdale وتحديدا في يناير 2010
بنفس دقة التصنيع 32 نانومتر وكانت ثانية النواة ولكن مع اربعة خيوط للمعالجة 
اي ان خاصية ال threading-hyper كانت متاحة تعمل على المقبس lga1156 تم تخصيص  mb4 كذاكرة من المستوى الثالث L3 cache السرعات كانت تتراوح ما بين GHz2.93 الى GHz3.33 
ثم ظهرت معالجات core i5.

س4_ ما العوامل التي ساعدت على حدوث التطور الكبير في عمارة الميكروبرسسر؟

١. اختراع الدائرة المتكاملة (Circuit IC(.Integrated)) في منتصف القرن الماضي. وفي هذه الدائرة أمكن تصنيع دائرة إلكترونية مكونة من عدة قطع على شريحة واحدة من السليكون.

٢. تطوير الدوائر الإلكترونية بحيث يمكنها العمل باستخدام فرق جهد أقل. فقبل أربعين سنة كانت الميكروبرسسرات تحتاج إلى مصدر للطاقة ذي فرق جهد قدره 5) فولت. أما الأجيال الحديثة من المعالجات فتعمل تحت فرق جهد يتراوح ما بين 0.8) إلى (1.4) فولت. وهذا يعني تحقيق خفض كبير في استهلاك الطاقة في عمل الدائرة الإلكترونية الواحدة، وبالتالي يمكن زيادة عدد هذه الدوائر في شريحة المعالج دون تجاوز الحدود القصوى للحرارة المتولدة منها.

س5_لو كان لدينا معالجان نفس المواصفات من حيث قوة الأداء أحدهما منتج من شركة إنتل والآخر منتج من شركة AMD ما العوامل التي تجعلنا نختار المعالج من الشركة الأولى أو من الثانية؟

الكفاءة والقوة المطلوبة, نوع الأعمال المطلوب تنفيذها بواسطة المعالج, التكلفة المادية المرصودة لشراء المعالج المطلوب.

س6_هل يمكن نزع معالج من إنتاج شركة من اللوحة الحاضنة ووضع معالج من إنتاج شركة إنتل مكانه؟

في الغالب يمكننا عمل هذا لكن هناك بعض العوامل التي يجب علينا مراعاتها مثل مدى توافق المعالج المستخدم مع اللوحة الحاضنة والكروت الموجودة فيها من حيث طريقة العمل وأن يتوافق شكل المعالج الخارجي مع مكانه في اللوحة الحاضنة.

س7_ لماذا توضع الدائرة المتكاملة المجمعة (تشيب ست) المعروفة باسم(southbridge9) ؟

حتى يمكن لمسار البيانات الداخلي الذي يوصل بين المعالج وهذه القطعة وبين قطع الذاكرة أن ينقل البيانات بسرعة عالية جدا.

س8_ ما وظيفة  الدائرة المتكاملة المجمعة تشيب ست) المعروفة باسم(southbridge9) ؟

تتضمن هذه القطعة الدوائر الإلكترونية اللازمة للتوصيل بين المعالج وبين منافذ الإدخال والإخراج (I/O ports)، وكذلك بين المعالج وبين الدوائر التي تتحكم في أجهزة الحفظ (Optical Drive)، (Floppy) (HD).

س9_ما اهمية وضع معايير قياسية لمقاسات اللوحة الحاضنة؟

يبلغ عدد الشركات التي تقوم بتصنيع الحاسب أو مكوناته المختلفة الآلاف من الشركات في مختلف دول العالم فهناك شركات مختصة بتصنيع الجرم الصندوق الخارجي للحاسب وغيرها.

س10_ ما ابرز خاصية لوحدات الذاكرة من نوع (DDR3) بالمقارنة مع الانواع الاقدم ؟

أسرع نوع من الذاكرة, فسرعة نقل البيانات تصل إلى (2133) مليون نقلة/ ث.

للقطعة مشط توصيل من (240) دبوس (pin). ويمكن أن يتضمن قناتين لنقل البيانات أو ثلاثة قنوات أو أربعة.

س11_هل يمكن نزع وحدة ذاكرة من نوع(DDr2) من اللوحة الحاضنة ووضع ذاكرة من نوع (DDR3) مكانها؟

لا يمكن عمل ذلك حيث أن خرم التوصيل في DDR2 يقع في المنتصف بينما خرم التوصيل في DDR3 يقع في اليسار.

س12_ لماذا ينتشر استخدام القرص الصلب في الحاسبات المكتبية؟

لأنه الأكثر سعة في وسائط التخزين الأخرى والأقل تكلفة أيضا والأكثر تحمل.

س 13_ كم هو العمر الافتراضي العملي للقرص الضوئي؟

20 سنة

س 14_ما اهم مزايا القرص الضوئي بالمقارنة مع القرص الصلب؟

امكانية الحفاظ على البيانات المسجلة على القرص لفترة طويلة.

س15_ما اهم واجهات الاتصال المستخدمة في توصيل مرك القرص الصلب باللوحة الحاضنة؟

واجهه التوصيل لنظم الحاسب الصغيرة scsi
واجهة ide
قناة الالياف الضوئيةfc
وواجهه نقل البيانات على التوالي sata
واجهه نقل البيانات على التوالي sas

س16_ ما خصائص الحاسب المحمول بالمقارنة مع الحاسب الكفي؟


س17_ما أهم الاختلافات في خصائص المعالجات للحاسبات المحمولة بالمقارنة بالمعالجات في الحاسبات المكتبية؟

 قدرة أداء المعالج والدوائر الأخرى تكون في الحاسبات المحمولة أقل من قدرتها في الحاسب المكتبي 
قدرة معالجات الحاسب المكتبي على تحمل الحرارة العالية بعكي معالجات الحاسبات المحمولة 
إمكانية ترقية المعالجة في الحاسبات المحمولة أصعب منها في الحاسبات المكتبية.

س18_ما الطرق التي لجأت اليها الشركات المصنعة للمعالجات لتخفيض استهلاك الطاقة الكهربائية في المعالجات المستخدمة في الحاسبات المحمولة 

_وضع عدد اقل من الوحدات العامله (core),فنجد ان المعالج للحاسب المحمول يتضمن بدلا (daul,core)من(quad,core) ,او(core-6).

_تقليص حجم الذاكرة الكاش في المعالج,فنجد مثلا ان المعالج يتضمن في بنيته الداخلية عدد(4) ميجابايت من ذاكرة الكاش بدلا من (8)ميجابايت او اكثر.

_تشغيل المعالج والدوائر الاخرى على السرعة الدنيا لمولد النبضات(clock).

_امكانية اغلاق تشغيل بعض الواحدات الداخلية في المعالج في حالة عدم استخدامها.