بنى الترابط

بسم الله الرحمن الرحيم.

وصلنا إلى نهاية السلسلة، وهذا هو المقال الأخير. أسأل الله سبحانه وتعالى أن يكتب لي ولكم الأجر والثواب، وأن ينفعنا بما علمنا ويعلمنا ما ينفعنا؛ إنه ولي ذلك والقادر عليه.

بعد أن تحدثنا عن المكونات الرئيسية الثلاثة — كيف يتم ربط هذه المكونات مع بعضها البعض لتتبادل البيانات؟ عبر مصطلح يسمى بنى الترابط.

بنى الترابط (Interconnection Structures)

في أنظمة الحاسوب تعتمد بنى الترابط على طرق مختلفة لربط الوحدات الحاسوبية — مثل المعالج والذاكرة وأجهزة الإدخال/الإخراج — مع بعضها.

وسنتحدث عن أشهر بنيتي ترابط:

ترابط الناقل (Bus Interconnection)

الـ Bus وسيلة لنقل البيانات بين مكونات الحاسب عبر خطوط ناقلة مشتركة:

ترابط الناقل شكل (1): المكونات موصولة عبر ناقل مشترك

يشمل الناقل عادةً خطوط بيانات (Data Bus)، وخطوط عناوين (Address Bus)، وخطوط تحكم (Control Bus).

كيف تتم عملية النقل؟ يضع المعالج عنوان الذاكرة المطلوبة على خطوط العناوين؛ ثم تُستخدم خطوط التحكم لتحديد عملية القراءة أو الكتابة؛ وأخيراً تُنقل البيانات عبر خطوط البيانات. وتكون سعة هذه الخطوط 32 بتاً أو 64 بتاً.

تتميز وسيلة الناقل بالبساطة والتكلفة المنخفضة، لأن جميع الوحدات تتصل عبر مسار مشترك واحد. ومع ذلك فلها عيوب ملحوظة:

لا يمكن لأكثر من جهاز إرسال البيانات في آنٍ واحد، مما يستلزم آلية تحكم Arbitration — وهذا يرفع زمن الانتظار كلما ازداد عدد الأجهزة.
أي خلل في الناقل نفسه أو في أحد الأجهزة المعطِّلة له قد يؤدي إلى فشل النظام بأكمله.

ولذلك ظهرت الحاجة إلى بدائل مثل شبكات التبادل النقطي.

الترابط النقطي (Point-to-Point Interconnect)

في شبكات الترابط النقطية ترتبط كل وحدتان عبر وصلة خاصة بهما دون وجود وسيط مشترك يتشارك فيه الجميع:

الترابط النقطي شكل (2): كل زوج من الوحدات موصول بوصلة مستقلة

يتميز هذا النموذج بأنه يوفر اتصالاً ثنائي الاتجاه بكامل الازدواجية (Full-Duplex) وبأقصى عرض نطاق (Bandwidth) لكل وصلة. والأهم أن الواجهات لا تحتاج إلى آلية تحكم معقدة كما في الناقل؛ لأن كل وصلة تملك بروتوكولها الخاص للتحكم بالتدفق، ولذلك لا يوجد هنا زمن انتظار.

وتأخذ الاتصالات النقطية أشكالاً متنوعة في الواقع: منها ما يربط بين عدة معالجات في الأنظمة متعددة النوى مثل Intel QPI، ومنها ما يربط المعالج بالجسر Bridge أو بالمبدلات Switches مثل PCIe.

ما هو الـ PCIe؟

PCI Express هو معيار حديث لتوسيع أجهزة الحاسب بسرعة عالية، يشبه وصلة نقطية داخلية. هدفه استبدال النواقل القديمة مثل PCI بوصلة نقطية منفصلة لكل جهاز. في PCIe تتألف كل وصلة من خطوط Lanes، وكل خط ينقل بتات تسلسلياً في الاتجاهين معاً (Full-Duplex). فوصلة ×16 مثلاً — التي يمكن لكرت الشاشة استخدامها — تعطي معدل نقل ضخماً يصل إلى عشرات الجيجابايتات في الثانية، متفوقة بكثير على ناقل PCI القديم ذي الـ 32 بتاً.

مقارنة بين PCIe وPCI

مقارنة بين PCI وPCI Express شكل (3): الفرق في بنية الإرسال والاستقبال

انظر إلى الصورة المقارنة: الـ PCI هو الشكل على اليسار — بوحدة واحدة تتولى الإرسال والاستقبال معاً على المسار المشترك، بينما الشكل على اليمين هو PCI Express — بوحدتين منفصلتين: وحدة للإرسال Send ووحدة للاستقبال Receive.

لا أعلم إن كان هذا المحتوى قدم الإفادة المطلوبة منه فعلاً، ولكنني آمل أن يكون الله قد وفقني في هذه السلسلة. وإن شاء الله في الأيام القادمة سأكمل ورشة لغة C وأعمل على سلسلة أنظمة التشغيل Operating System، نسأل الله السداد والتوفيق. تحياتي.

اذكروني بدعوة في ظهر الغيب.