هندسة الحاسوب

يهتم علم هندسة الحاسوب بتحقيق التوازن بين أداء وكفاءة وتكلفة وموثوقية نظام الحاسوب. ويمكن استخدام هندسة مجموعة التعليمات كمثال لتوضيح هذا التوازن بين هذه العوامل المتنافسة. فمجموعات التعليمات الأكثر تعقيدًا تُمكّن المبرمجين من كتابة برامج أكثر كفاءة في استخدام المساحة، حيث يمكن لتعليمة واحدة أن تُشفّر مستوىً أعلى من التجريد (مثل تعليمة الحلقة في معالج x86 ). ^{[ 15 ]} مع ذلك، تستغرق التعليمات الأطول والأكثر تعقيدًا وقتًا أطول لفك تشفيرها من قِبل المعالج ، وقد تكون أكثر تكلفة في التنفيذ الفعال. كما أن زيادة التعقيد الناتج عن مجموعة تعليمات كبيرة يُزيد من احتمالية عدم الموثوقية عند تفاعل التعليمات بطرق غير متوقعة.

يشمل التنفيذ تصميم الدوائر المتكاملة والتغليف والطاقة والتبريد . ويتطلب تحسين التصميم الإلمام بمواضيع تتراوح من المترجمات وأنظمة التشغيل إلى تصميم المنطق والتغليف. ^{[ 16 ]}

تُعدّ بنية مجموعة التعليمات (ISA) واجهةً بين برمجيات الحاسوب ومكوناته المادية، ويمكن اعتبارها أيضًا بمثابة رؤية المبرمج للجهاز. لا تفهم الحواسيب لغات البرمجة عالية المستوى مثل جافا وسي++ ، أو معظم لغات البرمجة المستخدمة. يفهم المعالج فقط التعليمات المشفرة بطريقة رقمية، عادةً كأرقام ثنائية . تقوم أدوات البرمجيات، مثل المترجمات ، بترجمة هذه اللغات عالية المستوى إلى تعليمات يفهمها المعالج. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

إلى جانب التعليمات، تحدد بنية مجموعة التعليمات (ISA) العناصر الموجودة في الحاسوب والمتاحة للبرنامج ، مثل أنواع البيانات ، والسجلات ، وأنماط العنونة ، والذاكرة . وتحدد التعليمات مواقع هذه العناصر المتاحة باستخدام مؤشرات السجلات (أو أسمائها) وأنماط عنونة الذاكرة. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

عادةً ما تُوصف بنية مجموعة تعليمات الحاسوب (ISA) في دليل تعليمات صغير، يشرح كيفية ترميز التعليمات. وقد يُعرّف أيضًا أسماءً مختصرة (غير دقيقة) للتعليمات. يمكن التعرف على هذه الأسماء بواسطة أداة تطوير برمجيات تُسمى المُجمِّع . المُجمِّع هو برنامج حاسوبي يُترجم بنية مجموعة التعليمات من صيغة قابلة للقراءة البشرية إلى صيغة قابلة للقراءة بواسطة الحاسوب. كما تتوفر برامج تفكيك التعليمات على نطاق واسع، عادةً في أدوات تصحيح الأخطاء وبرامج الحاسوب لعزل وتصحيح الأعطال في برامج الحاسوب الثنائية. ^{[ 21 ]}

تختلف هياكل مجموعة التعليمات (ISAs) في الجودة والشمولية. يوازن هيكل مجموعة التعليمات الجيد بين سهولة فهم الكود (مدى سهولة فهمه)، وحجم الكود (كمية الكود اللازمة لتنفيذ إجراء معين)، وتكلفة معالجة الحاسوب للتعليمات (كلما زاد التعقيد، زادت الحاجة إلى مكونات مادية لفك تشفير التعليمات وتنفيذها)، وسرعة الحاسوب (كلما زادت تعقيد مكونات فك التشفير، زاد وقت فك التشفير). يحدد تنظيم الذاكرة كيفية تفاعل التعليمات مع الذاكرة، وكيفية تفاعل الذاكرة مع نفسها.

أثناء محاكاة التصميم ، يمكن للمحاكيات تشغيل البرامج المكتوبة بمجموعة تعليمات مقترحة. وتستطيع المحاكيات الحديثة قياس الحجم والتكلفة والسرعة لتحديد ما إذا كانت مجموعة تعليمات معينة تحقق أهدافها.

يُسهم تنظيم الحاسوب في تحسين أداء المنتجات. فعلى سبيل المثال، يحتاج مهندسو البرمجيات إلى معرفة قدرة المعالجات . وقد يحتاجون إلى تحسين البرمجيات لتحقيق أعلى أداء بأقل تكلفة. وهذا يتطلب تحليلًا دقيقًا لتنظيم الحاسوب. فعلى سبيل المثال، في بطاقة الذاكرة SD ، قد يحتاج المصممون إلى ترتيب البطاقة بحيث تتم معالجة أكبر قدر من البيانات بأسرع طريقة ممكنة.

يُساعد تنظيم الحاسوب أيضًا في تخطيط اختيار المعالج لمشروع مُحدد. قد تتطلب مشاريع الوسائط المتعددة وصولًا سريعًا جدًا للبيانات، بينما قد تحتاج الآلات الافتراضية إلى مقاطعات سريعة. في بعض الأحيان، تتطلب بعض المهام مكونات إضافية. على سبيل المثال، يحتاج الحاسوب القادر على تشغيل آلة افتراضية إلى ذاكرة افتراضية لفصل ذاكرة الحواسيب الافتراضية المختلفة. كما يؤثر تنظيم الحاسوب وميزاته على استهلاك الطاقة وتكلفة المعالج.

بعد تصميم مجموعة التعليمات والبنية الدقيقة ، يجب تطوير جهاز عملي. تُسمى عملية التصميم هذه بالتنفيذ . لا يُعتبر التنفيذ عادةً تصميمًا معماريًا، بل هندسة تصميم الأجهزة . يمكن تقسيم التنفيذ إلى عدة خطوات:

• يقوم قسم تنفيذ المنطق بتصميم الدوائر المطلوبة على مستوى البوابات المنطقية .
• يقوم تنفيذ الدوائر بتصميمات على مستوى الترانزستور للعناصر الأساسية (مثل البوابات، والمضاعفات ، والمثبتات ) بالإضافة إلى بعض الكتل الأكبر ( وحدات الحساب والمنطق ، وذاكرات التخزين المؤقت، وما إلى ذلك) التي يمكن تنفيذها على مستوى البوابة المنطقية، أو حتى على المستوى المادي إذا تطلب التصميم ذلك.
• يرسم التنفيذ المادي الدوائر المادية. يتم وضع مكونات الدائرة المختلفة في مخطط رقاقة أو على لوحة ويتم إنشاء الأسلاك التي تربطها.
• تختبر عملية التحقق من التصميم الحاسوب ككل للتأكد من عمله في جميع الظروف والأوقات. بمجرد بدء هذه العملية، يتم اختبار التصميم على مستوى المنطق باستخدام برامج محاكاة المنطق. إلا أن هذه العملية عادةً ما تكون بطيئة جدًا لإجراء اختبار واقعي. لذا، بعد إجراء التعديلات بناءً على الاختبار الأول، يتم بناء نماذج أولية باستخدام مصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة الميدانية ( FPGAs ). تتوقف معظم المشاريع الهواة عند هذه المرحلة. أما الخطوة الأخيرة فهي اختبار الدوائر المتكاملة النموذجية، والتي قد تتطلب إعادة تصميمها عدة مرات.

بالنسبة لوحدات المعالجة المركزية ، يتم تنظيم عملية التنفيذ بأكملها بشكل مختلف وغالبًا ما يشار إليها باسم تصميم وحدة المعالجة المركزية .

يُقاس أداء الحواسيب الحديثة عادةً بعدد التعليمات لكل دورة (IPC)، وهو مقياس لكفاءة بنية المعالج عند أي تردد ساعة؛ فكلما زاد عدد التعليمات لكل دورة، زادت قدرة الحاسوب على إنجاز المزيد من العمل في وحدة الزمن. كانت الحواسيب القديمة تُنتج عددًا منخفضًا من التعليمات لكل دورة يصل إلى 0.1، بينما تصل المعالجات الحديثة بسهولة إلى ما يقارب 1. وقد تصل المعالجات فائقة التوازي إلى ما بين 3 و5 تعليمات لكل دورة من خلال تنفيذ عدة تعليمات في كل دورة ساعة.

قد يكون حساب تعليمات لغة الآلة مضللاً، لأنها قد تؤدي كميات متفاوتة من العمل في مختلف مجموعات تعليمات المعالج (ISA). فكلمة "تعليمات" في القياسات القياسية لا تعني عدد تعليمات لغة الآلة في مجموعة تعليمات المعالج، بل هي وحدة قياس، تعتمد عادةً على سرعة بنية حاسوب VAX .

اعتاد الكثيرون قياس سرعة الحاسوب بتردد الساعة (عادةً بالميغاهرتز أو الغيغاهرتز). ويشير هذا إلى عدد دورات الساعة الرئيسية لوحدة المعالجة المركزية في الثانية . إلا أن هذا المقياس مُضلل إلى حد ما، إذ لا يعني بالضرورة أن الجهاز ذو تردد الساعة الأعلى يتمتع بأداء أفضل. ونتيجةً لذلك، تخلّى المصنّعون عن استخدام تردد الساعة كمقياس للأداء.

تؤثر عوامل أخرى على السرعة، مثل مزيج الوحدات الوظيفية ، وسرعات ناقل البيانات ، والذاكرة المتاحة، ونوع وترتيب التعليمات في البرامج.

هناك نوعان رئيسيان للسرعة: زمن الاستجابة والإنتاجية . زمن الاستجابة هو الوقت بين بدء عملية ما واكتمالها. أما الإنتاجية فهي كمية العمل المنجز في وحدة زمنية. زمن استجابة المقاطعة هو أقصى زمن استجابة مضمون للنظام لحدث إلكتروني (مثل انتهاء محرك الأقراص من نقل بعض البيانات).

يتأثر الأداء بمجموعة واسعة من خيارات التصميم؛ فعلى سبيل المثال، يؤدي استخدام تقنية خطوط الأنابيب في المعالج عادةً إلى زيادة زمن الاستجابة، ولكنه يحسن الإنتاجية. تحتاج الحواسيب التي تتحكم في الآلات عادةً إلى زمن استجابة منخفض للمقاطعات. تعمل هذه الحواسيب في بيئة الوقت الحقيقي ، وتتعطل إذا لم تُستكمل عملية ما خلال فترة زمنية محددة. على سبيل المثال، يجب أن تبدأ مكابح منع الانغلاق التي يتحكم بها الحاسوب بالعمل خلال فترة زمنية محددة ومتوقعة بعد استشعار دواسة الفرامل، وإلا ستتعطل المكابح.

يأخذ اختبار الأداء جميع هذه العوامل في الحسبان من خلال قياس الوقت الذي يستغرقه الحاسوب لتنفيذ سلسلة من برامج الاختبار. ورغم أن اختبار الأداء يُظهر نقاط القوة، إلا أنه لا ينبغي أن يكون المعيار الوحيد لاختيار الحاسوب. فغالبًا ما تتباين الأجهزة المقاسة في معاييرها. على سبيل المثال، قد يُعالج نظامٌ ما التطبيقات العلمية بسرعة، بينما قد يُشغّل نظامٌ آخر ألعاب الفيديو بسلاسة أكبر. علاوة على ذلك، قد يُضيف المصممون ميزات خاصة إلى منتجاتهم، سواءً من خلال المكونات المادية أو البرامج، تُتيح تنفيذ اختبار أداء مُحدد بسرعة، ولكنها لا تُوفر مزايا مماثلة للمهام العامة.

تُعدّ كفاءة استهلاك الطاقة مقياسًا مهمًا آخر في الحواسيب الحديثة. غالبًا ما تُضحّى الكفاءة العالية في استهلاك الطاقة بانخفاض السرعة أو ارتفاع التكلفة. تاريخيًا، كان المقياس الشائع لاستهلاك الطاقة في بنية الحاسوب هو MIPS/W (ملايين التعليمات في الثانية لكل واط)، مع أن التصاميم الحديثة تستخدم مقاييس أكثر تطورًا، مثل معايير الأداء لكل واط والطاقة لكل تعليمة.

تستهلك الدوائر المتكاملة الحديثة طاقة إجمالية أكبر على الرغم من التحسينات التي طرأت على كفاءة الطاقة لكل ترانزستور بفضل تصغير حجم التصنيع. ^{[ 22 ]} ويعود هذا الارتفاع إلى النمو السريع في عدد الترانزستورات لكل شريحة ، مما يستلزم شبكات توصيل طاقة أكثر تعقيدًا. ^{[ 23 ]} بالإضافة إلى ذلك، ترتفع كثافة الطاقة (واط لكل وحدة مساحة) مع تصغير أحجام المكونات (مثل حجم الترانزستور)، مما يجعل إدارة الحرارة أكثر صعوبة. ^{[ 24 ]} وتزيد درجات حرارة التشغيل المرتفعة من تعقيد هذه التحديات الحرارية من خلال زيادة مقاومة التوصيلات البينية ، مما يخلق حلقة تغذية راجعة إيجابية بين استهلاك الطاقة وتوليد الحرارة.

مع تباطؤ تصغير حجم الترانزستورات وتزايد قيود الطاقة، أصبحت كفاءة الطاقة لا تقل أهمية، بل ربما تفوق أهمية حشر المزيد من الترانزستورات في شريحة واحدة. وقد تجلى هذا التركيز في تصميمات المعالجات الحديثة، حيث أولت اهتمامًا أكبر لكفاءة الطاقة بدلًا من حشر أكبر عدد ممكن من الترانزستورات في شريحة واحدة. ^{[ 25 ]} في عالم الحواسيب المدمجة ، لطالما شكلت كفاءة الطاقة هدفًا هامًا إلى جانب الإنتاجية وزمن الاستجابة.

شهدت زيادة تردد الساعة تباطؤًا ملحوظًا خلال السنوات القليلة الماضية، مقارنةً بتحسينات خفض استهلاك الطاقة. ويعود ذلك إلى انتهاء قانون مور ، والطلب المتزايد على بطاريات تدوم لفترة أطول ، وتصغير حجم الأجهزة المحمولة . ويتجلى هذا التحول في التركيز من سرعات الساعة العالية إلى استهلاك الطاقة والتصغير في الانخفاضات الكبيرة في استهلاك الطاقة، والتي وصلت إلى 50%، والتي أعلنت عنها شركة إنتل عند إطلاقها معمارية هاسويل الدقيقة ؛ حيث خفضت معيار استهلاك الطاقة من 30-40 واط إلى 10-20 واط. ^{[ 26 ]} وبمقارنة ذلك بزيادة سرعة المعالجة من 3 جيجاهرتز إلى 4 جيجاهرتز (من 2002 إلى 2006)، يتضح أن التركيز في البحث والتطوير يتحول من تردد الساعة إلى استهلاك طاقة أقل وشغل مساحة أصغر. ^{[ 27 ]}