ورقة عمل: مكونات وحدة المعالجة المركزية (CPU) والتعليمات

ورقة عمل: مكونات وحدة المعالجة المركزية (CPU) والتعليمات (مع الحلول)

مراجعة سريعة:

• وحدة المعالجة المركزية (CPU): هي "عقل الكمبيوتر" المسؤول عن تنفيذ التعليمات ومعالجة البيانات.
• وحدة الحساب والمنطق (ALU): تقوم بالعمليات الحسابية والمنطقية.
• وحدة التحكم (CU): تنظم سير العمليات داخل وحدة المعالجة المركزية.
• المسجلات (Registers): ذاكرة صغيرة وسريعة لتخزين البيانات المؤقتة.
• التعليمة (Instruction): أمر برمجي يُعطى للمعالج للقيام بعملية محددة.
• دورة تنفيذ التعليمة: الخطوات التي يقوم بها المعالج لتنفيذ تعليمة واحدة (جلب، فك ترميز، جلب البيانات، تنفيذ، كتابة، تحديث).

التمارين:

أولاً: أسئلة الاختيار من متعدد (اختر الإجابة الصحيحة):

1. أي من المكونات التالية مسؤول عن أداء العمليات الحسابية والمنطقية في وحدة المعالجة المركزية؟
   • أ) وحدة التحكم (CU)
   • ب) المسجلات (Registers)
   • ج) وحدة الحساب والمنطق (ALU)
   • د) وحدة إدارة الذاكرة (MMU)
2. ما هي الوظيفة الرئيسية للمسجلات في وحدة المعالجة المركزية؟
   • أ) تخزين نظام التشغيل
   • ب) تخزين البيانات والبرامج بشكل دائم
   • ج) تخزين البيانات المؤقتة والأوامر التي يتم تنفيذها حاليًا
   • د) إدارة الذاكرة الرئيسية
3. ما هي الخطوة الأولى في دورة تنفيذ التعليمة؟
   • أ) فك ترميز التعليمة
   • ب) تنفيذ التعليمة
   • ج) جلب التعليمة
   • د) كتابة النتائج

ثانياً: أسئلة صح أم خطأ (ضع علامة صح أو خطأ أمام العبارات التالية):

1. ( ) تقوم وحدة التحكم (CU) بتنفيذ العمليات الحسابية والمنطقية.
2. ( ) المسجلات هي ذاكرة بطيئة نسبيًا تستخدم لتخزين البيانات بشكل دائم.
3. ( ) تتكون التعليمة عادةً من رمز تشغيلي (Opcode) وعنوان واحد أو أكثر.
4. ( ) يتم جلب البيانات من الذاكرة وتنفيذها مباشرةً دون الحاجة إلى وحدة المعالجة المركزية.

ثالثًا: مسائل حسابية:

1. إذا كانت وحدة المعالجة المركزية تنفذ 2 مليار تعليمة في الثانية، فما هو عدد التعليمات التي يمكن أن تنفذها في دقيقة واحدة؟
2. إذا كان لديك مسجل (Register) بسعة 64 بت، فما هو أكبر عدد صحيح موجب يمكن تمثيله في هذا المسجل؟

رابعًا: أسئلة مفتوحة:

1. اشرح باختصار دور كل من وحدة الحساب والمنطق (ALU) ووحدة التحكم (CU) في وحدة المعالجة المركزية.
2. صف دورة تنفيذ التعليمة، موضحًا أهمية كل خطوة.

الحلول

أولاً: أسئلة الاختيار من متعدد:

1. ج) وحدة الحساب والمنطق (ALU)
2. ج) تخزين البيانات المؤقتة والأوامر التي يتم تنفيذها حاليًا
3. ج) جلب التعليمة

ثانياً: أسئلة صح أم خطأ:

1. (خطأ)
2. (خطأ)
3. (صح)
4. (خطأ)

ثالثًا: مسائل حسابية:

1. 2 مليار تعليمة/ثانية × 60 ثانية/دقيقة = 120 مليار تعليمة في الدقيقة.
2. أكبر عدد صحيح موجب يمكن تمثيله في مسجل 64 بت هو 2⁶⁴ - 1 = 18,446,744,073,709,551,615.

رابعًا: أسئلة مفتوحة:

1. وحدة الحساب والمنطق (ALU): تقوم بالعمليات الحسابية والمنطقية مثل الجمع، الطرح، الضرب، القسمة، AND، OR، NOT. وحدة التحكم (CU): تنظم عمل وحدة المعالجة المركزية، حيث تقوم بجلب التعليمات من الذاكرة، فك ترميزها، وتوجيه الإشارات إلى المكونات الأخرى لتنفيذها.
2. دورة تنفيذ التعليمة تتكون من:
   • جلب (Fetch): جلب التعليمة من الذاكرة.
   • فك ترميز (Decode): تحديد نوع العملية التي يجب تنفيذها.
   • جلب البيانات (Fetch Operands): جلب البيانات اللازمة لتنفيذ التعليمة.
   • تنفيذ (Execute): تنفيذ العملية المحددة.
   • كتابة النتائج (Write Back): تخزين النتائج في المسجلات أو الذاكرة.
   • تحديث (Update): تحديث مؤشر التعليمة (Program Counter) للإشارة إلى التعليمة التالية.

ملاحظات للمدرس:

• يمكن تعديل هذه الورقة لتناسب مستوى الطلاب واحتياجات المنهج.
• يمكن إضافة أو تعديل التمارين حسب الرغبة.
• يُفضل توفير وقت كافٍ للطلاب لمناقشة الأجوبة والحلول.