تمرين رقم (30) _اسم التمرين المعالج الدقيق

تمرين رقم (30)
اسم التمرين: المعالج الدقيق
مكان التنفيذ : ورشة صيانة الحاسبات الزمن المخصص : 9 حصص


الأهداف التعليمية :

أن يكون الطالب قادرا على معرفة وظيفة المعالج الدقيق .

المعلومات النظرية :


المعالج الدقيق :

وهو قلب الكومبيوتر تتخذ فيه القرارات وهو الذي يصدر الأوامر إلى الأجزاء الباقية جميعها
ويتكون من :

وحدة الحساب والمنطق
وحدة السيطرة
3. مجموعة من السجلات .

شكل رقم (1) مخطط بسيط للمعالج الدقيق




أنواع المعالج الدقيق :
1. معالج دقيق 8 bit Data Bus ( A 8080 ، Z80 ، A 8085 )
2. معالج دقيق 16 bit Data Bus ( 8086 A ، Z 8000 )
3 . معالج دقيق 32 bit Data Bus ( 32032 ، 8020 )


وظائف المعالج الدقيق ومميزاته :
1. صغير الحجم .
2. يستخدم بعده وحدة معالجة مركزية للحاسبات ذات الأغراض العامة .
3. الاستغناء عن المكونات المادية Hardware والاستعاضة عنه بالبرمجياتSoftware .
4. رخيص الثمن .
5. سهولة الصيانة .
6. سرعة فائقة في تنفيذ العمليات .
7. قلة استهلاكه للطاقة .

والشكل رقم ( 2 ) يوضح لوحة الأم الرئيسة Mother Board داخل الحاسبة ونلاحظ فيها المعالج الدقيق فضلا عن المكونات الأخرى .



شكل رقم (2 ) لوحة الأم الرئيسة Mother Board




المخطط الكتلي لدائرة المعالج الدقيق :

ليس بالإمكان رسم دائرة متكاملة (IC ) حتى لو رغبنا في ذلك لأن هذه التكنولوجيا تسمح بطرائق مختصرة ، إلا أنه يمكن رسم مخطط كتلي للتنظيم الوظيفي للدائرة المتكاملة للمعالج الدقيق ، وهي عبارة عن وسيلة توضيحية تفسر كيفية عمل المعالج الدقيق وكما موضح في الشكل رقم (3 ) .


شكل رقم (3) المخطط الكتلي للمعالج الدقيق




يوضح الشكل رقم (3 ) المخطط الكتلي الأجزاء الوظيفية المنطقية داخل المعالج الدقيق التي تقوم بمعالجة البيانات ويوضح كذلك الكيفية التي تربط بوساطتها أجزاء المعالج الدقيق . وان الاستعانة بالمخطط الكتلي تساعد كثيرا في فهم عمل المعالج الدقيق .
ونلاحظ أن السجلات ( Registers ) المستعملة داخل المخطط بطول 8 – Bit ومن الجدير ملاحظته أن توزيع الأجزاء الداخلية لدائرة المعالج الدقيق لا تخضع لتصميم واحد مشترك ، لذلك يجب الاستعانة بالمخطط الكتلي الخاص بذلك المعالج الدقيق عند العمل عليه مع ضرورة توافر البيانات المزودة من الشركة المصنعة له .
كما تقوم الشركة المصنعة للمعالج الدقيق بتزويد إنموذج برمجة ( Programming Model )
للمعالج الدقيق .


ويتكون المعالج الدقيق من :

وحـدة السيطرة المنطقية : وتتكون من :

أ- سجل الأمر (Instruction Register ) :
يقوم باستلام الأوامر من الذاكرة ويخزنها بشكل مؤقت لكي تتم معالجتها لاحقا .
ب- محلل شفرة الأمر ( Instruction Decoder ) :
يقوم بتحليل شفرة الأمر المستلم من سجل الأمر وبعد ذلك ترسل الايعازات إلى وحدة تنفيذ
الأمر لغرض تنفيذ الأمر .
ج- وحدة تنفيذ الأمر :
تقوم هذه الوحدة بتهيئة مجموعة من النبضات لغرض السيطرة على أجزاء وحدة (CPU ) ولغرض تنفيذ الأمر فمثلا لو كان الأمر المستلم ( LD A 53 ) فأن وحدة تنفيذ الأمر تقوم بإرسال أمر إلى الذاكرة لغرض جلب العدد ( 53 ) وإرساله إلى السجل الجامع (A ) وهكذا مع سائر أوامر الحاسبة .
تعـد دائرة تنفيذ الأمر من أهم أجزاء المعالج الدقيق ويتم تصميم هذه الدائرة استناداً لنوع الحاسبة المطلوبة من ناحية عدد الأوامر- نوع العنونة المطلوبة - نوع المقاطعة المطلوبة
وكذلك طريقة الاتصال مع أجهزة الإدخال والإخراج .


LD : حـمل
ADD : اجـمع
SUB : اطـرح
MUL : ضرب
DIV : قسـمة
STA : اخـزن



( 2 وحـدة الحسـاب والمنطق ALU :

تقوم هذه الوحدة بإجراء العمليات الحسابية والمنطقية جميعها بعد أن تستلم أمراً من وحدة تنفيذ الأمر لغرض تنفيذه كما أن هذه الوحدة تهيئ المعلومات الخارجة وترسلها إلى الناقل الداخلي لغرض إرسالها إلى السجل المطلوب أو إلى الذاكرة فمثلاً الأمر ADD AB معناه أن وحدة الحساب والمنطق ( ALU ) تقوم بإجراء عملية الجمع بين السجل A والسجل B ثم إرسال النتائج إلى السجل ( A ) عن طريق الناقل الداخلي .


3 ) سـجلات العمل ( Working Register ) :

وهي مجموعة من السجلات تقوم بخزن المعلومات داخل المعالج الدقيق بشكل مؤقت كما إنها تقوم بالمساعدة في تنفيذ الأوامر. وتعـتمد هذه السـجلات على تصـميم المعالج الدقيق فالمعالج ( Z 80 ) مثلاً يوجد هناك ( 17 ) سجلاً .


السـجل الجامع ( A )أو المركم :
إذ أن العمليات الحسابية والمنطقية جميعها تخزن نتائجها في هذا السجل .
وهناك مجموعة من السجلات لا تذكر في التركيب الداخلي للمعالج الدقيق إذ إنها تستخدم للخزن المؤقت فقط ومن أمثلة هذه السجلات هي :
BCDE. T. C. B للمعالج الدقيق 8080 وفي معالج 8085 يوجد السـجل Z-W .

4 ) سـجل بيانات الذاكرة ( Memory Data Register ) :

عند تسـلم الذاكـرة العنوان المطلوب تنفيذه فإنها تقوم بعد ذلك بإخراج القيمة المخزونة تحت هذا العنوان وإرسالها إلى المعالج الدقيق لذلك فان بالمعالج الدقيق حاجة إلى سجل يعمل لخزن هذه المعلومات مؤقتاً لغرض إرسالها كي تنفذ ويسمى هذا السجل سجل بيانات الذاكرة .
ويقوم هذا السجل بالوظائف الآتية :
1. تسـلم الأوامر من الذاكرة وإرسالها إلى سجل الأمر .
2. تسـلم البيانات من الذاكرة وإرسالها إلى سجلات البيانات المؤقتة .
3. إرسال البيانات من المعالج الدقيق إلى الذاكرة لغرض خزنها في العنوان المطلوب .

5 ) عداد البرنامج ( PC ) ( Program Counter ) :
وهو عـداد يعمل بصفته مؤشراً يشير إلى عنوان أول خطوة من خطوات البرنامج المراد تنفيذه وذلـك عند بداية تشغيل المعالج الدقيق . ويقوم هذا العداد بإرسال عنوان الأمر المراد تنفيذه إلى الذاكرة ويعـد أول جزء يقوم بتشغيل المعالج الدقيق .

6 ) سجل عنوان الذاكرة ( MAR ) ( Memory Address Register ):
وهو سجل ذو 16 بت ممكن ان يحتوي على 216 موقع ذاكرة ، ويحفظ هذا السجل عنوان الأمر المراد معالجته واستدعائه من الذاكرة ويكون طول هذا السجل بعدد كلمات الذاكرة التي يمكن عنونتها مباشرة .
فمثلاً سجل ذو ( 16 بت ) يسع بعنونة 216 = 65536 كلمة .
فان سجل عنوان الذاكرة ( MAR ) يتسـلم عنوان الأمر المخزون في الذاكرة من العدد الثنائي المحفوظ في سجل عداد البرنامج ( PC ) .


مـبدأ عمل وحـدة تنفيذ الأمر :




في شرحنا السابق لاحظنا أن الحاسبة الدقيقة لها دورات تشغيل تتحكم فيها مجموعة من المعادلات والأوامر وكل أمر من أوامر الحاسبة ينفذ مجموعة من الدورات يعتمد عددها على نوع هذا الأمر. والشكل رقم ( 4 ) يوضح رسما تخطيطيا لأجزاء الحاسبة .

شكل رقم (4 ) رسم تخطيطي لأجزاء الحاسبة

سنتناول الآن كيفية قيام وحدة تنفيذ الأمر لتنفيذ هذه الأوامر وسيكون الشرح عاماً لأنواع المعالجات الدقيقة نـوع 8 Bit جميعها .
وينقسـم عمل وحدة تنفيذ الأمر إلى مجموعة من الحالات وفي كل حالة من هذه الحالات تستهدف حالة معينة من مراحل تشغيل الحاسبة :

حـالة القراءة Read :

يرتبط المعالج الدقيق دائماً مع الذاكـرة أو جهاز الإدخال والإخراج ولما كانت هناك أوامر لغرض تحميل أحد السجلات من الذاكرة مثل الأمر LD A , 30 تفهم أن هذا الأمر يعني ان هناك حالة قراءة لقيم مخزونة في الذاكرة ثم تحميلها إلى وحدة ( CPU ) . كما أن الأمر INPUT A , 03 يفهم أن وحدة تنفيذ الأمر في حالة قراءة قيم من جهاز الإدخال ثم خزنها في وحدة ( CPU ) نستنتج من هذا أن الذاكرة وأجهزة الإدخال يتم السيطرة عليها من وحدة تنفيذ الأمر عن طريق وجود حالة القراءة

حالة الكتابة Write :

كما ذكرنا في الحالة أعلاه أن وحدة تنفيذ الأمر ينبغي أن تكون لها حالة كتابة في حال إرسال قيم من ( CPU ) إلى الذاكـرة أو أجهزة الإخـراج مثلاً إيعاز D 000 LD A , أو Output
03, A . ان هذين الأمرين يتطلبان من وحـدة تنفيذ الأمر وجود حالة تسـمى حالة الكتابة Write لغرض السيطرة على إخراج المعلومات .

حالة القراءة : هي إحدى الحالات التي تمر بها وحدة تنفيذ الأمر ، وهي حالة القراءة بين المعالج الدقيق والذاكرة مثل الإيعاز LD A 30 وبين المعالج الدقيق وأجهزة الإدخال مثل الإيعاز INPUT A 30 .
حالة الكتابة : هي إحدى الحالات التي تمر بها وحدة تنفيذ الأمر وهي حالة كتابة قيم بين المعالج الدقيق والذاكرة مثل D 000 LD A ,. وبين المعالج الدقيق وأجـهزة الإخـراج مثل الإيعاز OUT P‎UT 03,A .

حالة الانتظار Wait :
في أثناء عملية القراءة أو كتابة المعلومات بين الذاكرة ووحدة ( CPU ) يحدث عدم توازن بين سرعة ( CPU ) والذاكرة لكي تخزن المعلومات أو تقرأ منها المعلومات وهي تحتاج إلى زمن يسمى زمن الالتماس ولإختلاف هذا الزمن فإن وحدة ( CPU ) يجب أن تنتظر Wait حتى تستطيع أن تستخدم القيم المخزونة أو التي يجب خزنها لذلك فقد وضعت وحدة تنفيذ الأمر حالة الانتظارWait كي يتم حل هذه المشكلة.

حالة إعادة الترتيب Reset :
يجب أن تمتاز وحدة تنفيذ الأمر في لحظة تجهيزها بالقدرة وأن تشتغل في تنفيذها للأوامر وذلك أن عداد البرنامج والذي يتحكم في بداية البرنامج والذي يجب أن يعمل بقيمة بعد تشغيل المعالج الدقيق لذلك يجب أن تتميز وحدة تنفيذ الأمر بحالة معينة تجعل عداد البرنامج من البداية في الموقع 0000 في حالة إعادة التشغيل للجهاز مرة أخرى تسمى حالة اعادة الترتيب Reset .
حالة المسـك HOLD :
يرتبـط المعالج الدقيق دائماً مع الذاكـرة أو أكثر من ذاكـرة وبأنـواع مخــتلفة مثلاً يرتبط
بـ ( RAM-ROM ) ذاكرات ثانوية ولما كانت البرمجيات جميعها ذات الخزن الكبير تخزن في الذاكرات الثانوية وهذه البرمجيات لا يمكن تنفيذها فيجب نقلها إلى الـRAM لذلك فأن المعالج الدقيق يجب أن يستخدم الأمر IN لقراءة ( 1
بايت ) من الذاكرات الثانوية والأمر OUT واحد بايت لغرض خزنها في الذاكرات الرئيسـة ، نلاحظ أن هذه العملية تحتاج إلى زمن طويل ولهذا السبب ينتج تأخير في تنفيذ البرامج لذلك تم ابتكار طريقة الوصول المباشر إلى الذاكـرة (DMA ) Direct Memory Access لغرض حل هذه المشـكلة عن طريق
الـ ( CPU ) ثم نقل البايت بشكل مباشر من ذاكرة إلى أخرى .
نستنتج من ذلك أن وحدة تنفيذ الأمر يجب أن تكون لها حالة لغرض تحقيق هذه العملية تسمى هذه الحالة المسك HOLD.
6. حالة المقاطعة Interrupt :
يتم في الحاسبات جميعها تشغيل برنامج آخر مع البرنامج الرئيس في الحالات الضرورية مثل ارتفاع درجات الحرارة بشكل مفاجئ أو هبوط مصدر الفولتية عن حد معين……. وغيرها .

التسهيلات التعليمية :
بدلة العمل
معالج دقيق
هذا البرنامج يسمى ( المقاطع ) أي يقوم بتوقيف البرنامج الرئيس ثم معالجة الحالة الإضطراريه ثم بعد المعالجة يرجع مرة أخرى إلى البرنامج الرئيس لـذلك فأن وحدة تنفيذ الأمر يجب أن يكون لها حالة المقاطعة Interrupt