بُنية جهاز الحاسب | الوحدة الأولى | الدرس الثاني

بُنية جهاز الحاسب هو عنوان الدرس الثاني من الوحدة الأولى التي تحمل اسم “أساسيات علم أجهزة الحاسب” في الفصل الدراسي الأول من مقرر “تقنية رقمية 1 – 1”.

ستتعرف في هذا الموضوع على بُنية جهاز الحاسب وخاصةً آلية استرداد البيانات، ومعالجتها وأرشفتها.

لذا قم بقراءة نواتج التعلُّم جيدًا، ثم أعد قراءتها وتأكَّد من تحصيل كافة محتوياتها بعد انتهائك من دراسة الموضوع.

نواتج التعلُّم

• معرفة البُنية الأساسية لأنظمة أجهزة الحاسب.
• وصف كيفية تنفيذ التعليمات ومعالجة البيانات داخل جهاز الحاسب.
• التمييز بين أقسام الذاكرة الرئيسة.
• التمييز بين أجهزة التخزين الثانوية.
• فهم طريقة عمل القرص الصلب.

هيا لنبدأ!

مقدمة – بُنية جهاز الحاسب

تؤدي أجهزة الحاسب 3 مهام أساسية، وهي: معالجة البيانات، وحفظ البيانات، واسترجاع البيانات.

يزوَّد جهاز الحاسب بالتعليمات لينفِّذها ويحفظها ويسترجعها، ويجب أن تكون التعليمات بالنظام الثنائي وذلك لاعتماد جهاز الحاسب عليها.

وهناك سمة رئيسة في أجهزة الحاسب وهي أن الوحدات التي تعالج المعلومات منفصلة عن الوحدات التي تحفظها.

وضع فون نيومان (Von Neumann) معمارية جهاز الحاسب الرئيسة التي أصبحت أساسًا تتبعه أجهزة الحاسب الحديثة، ويعتمد تصميم نيومان على أساس هيكلة أجهزة الحاسب في شكل وحدات منفردة لكل منها مهمتها الخاصة بها.

وستتعرَّف عليها تفصيلًا في هذا الموضوع.

لمحة تاريخية

وصف جون فون نيومان بُنية جهاز الحاسب التي تحمل الاسم نفسه مع مهندسين آخرين خلال عمله في تطوير (ENIAC) عام 1945. كان نيومان عالم رياضيات مَجَرِيًّا لامعًا وله العديد من المساهمات في مجالات مختلفة مثل الرياضيات والفيزياء وعلم الحاسب.

لمعرفة المزيد من المعلومات عن بُنية جهاز الحاسب، قم بالاطّلاع على الرابط التالي:

حاسوب – ويكيبيديا

دورة الجلب والتنفيذ

بعد أن أصبحت الآن على علم بمعمارية جهاز الحاسب، لتتعرَّف الآن كيف تُنفِّذ التعليمات وتتم معالجة البيانات.

تسمّى هذه الدورة بدون الجلب والتنفيذ (Fetch-execute cycle)، تذكَّر دائمًا أن كلًّا من البيانات والمعلومات تحفظان في ذاكرات جهاز الحاسب.

بإمكانك مراجعة محتوى موضوع “بُنية جهاز الحاسب” من بدايته وحتى نهاية هذا القسم، من خلال الرابط التالي:

الذاكرة الرئيسة

تتعامل الذاكرة الرئيسة (Main Memory) مع البيانات والتعليمات وتتكوَّن من قسمين:

1. ذاكرة الوصول العشوائي (Random Access Memory – RAM).
   
2. ذاكرة القراءة فقط (Read Only Memory – ROM).
   

الفرق بين القسمين أنه لا يمكن محو أو إعادة كتابة البيانات داخل ذاكرة القراءة فقط حيث تُستخدَم هذه الذاكرة في تخزين التعليمات التي يحتاجها جهاز الحاسب لبدء التشغيل والتي تسمح بالبرامج الثابتة (firmware).

بينما ذاكرة الوصول العشوائي فتُعرف بأنها ذاكرة القراءة والكتابة وهي ذاكرة مؤقتة تُفقد بياناتها بمجرد انقطاع التيار عنها.

لمعرفة المزيد من المعلومات عن ذاكرة الحاسب، قم بالاطّلاع على الرابط التالي:

ذاكرة حاسوب – ويكيبيديا

وحدات التخزين

تعدُّ الذاكرة الرئيسة محدودة الحجم، لذلك نحتاج إلى نوع آخر من أجهزة التخزين يمكِنه الاحتفاظ بالبيانات والتعليمات بأمان عندما لا تتم معالجتها أو عند إيقاف تشغيل جهاز الحاسب.

تسمى هذه الأنواع الأخرى من الأجهزة بأجهزة التخزين الثانوية، وأكثرها شهرة الأقراص الصلبة (Hard disk drive – HDD) والأقراص المدمجة (CD) وأقراص الفيديو الرقمية (DVD).

ونظرًا لإمكانية قراءة البيانات منها والكتابة عليها، فإن أجهزة التخزين الثانوية تعدُّ أجهزة إدخال وإخراج حسب نموذج بُنية فون نيومان.

الأقراص الصلبة

الأقراص الصلبة الموجودة في أجهزة الحاسب تحتوي عددًا من الصفائح المركبة واحدة فوق الأخرى وكل منها له رأس قراءة وكتابة متصل بعمود دوران، تصطف في هذه الصفائح مجموعة من المسارات بعضها داخل بعض لتشكل أسطوانة، وتقسم كل صفيحة إلى عدد من القطاعات.

من أجل الوصول إلى بيانات محددة على القرص الصلب، يجب على تعليمة القرص أن تحدد رقم الصفيحة ورقم المسار ورقم المقطع.

يتحرك رأس القراءة والكتابة للقرص الصلب على ذراع ينتقل من مسار إلى آخر.

يحتاج القرص الصلب إلى معلومات لتحديد المسار والقطاع.

حتى يصل رأس القراءة والكتابة إلى المقطع الصحيح فإنه ينتظر حتى يستقر المقطع أسفله فيدور القرص حتى يتم الوصول إلى مجموعة البيانات المطلوبة.

هذه العملية لقراءة وكتابة البيانات في القرص الصلب تعتمد على 4 عوامل تتباين حسب كفاءة القرص الصلب: وقت البحث، ووقت الانتظار، ووقت الوصول، ومعدل نقل المعلومات.

1. وقت البحث (Seek Time): هو الزمن الذي يستغرقه رأس القراءة والكتابة للوصول إلى المسار المناسب.
2. وقت الانتظار (Latency Time): هو الزمن الذي يستغرقه المقطع المحدد ليستقر أسفل رأس القراءة والكتابة.
3. وقت الوصول (Access Time): هو الزمن المُستغرَق لقراءة مجموعة البيانات، وهو حاصل مجموع وقت البحث ووقت الانتظار.
4. معدل النقل (Transfer Rate): هو معدل نقل البيانات بين القرص والذاكرة الرئيسة.

لاحظ أن

التطبيقات المختلفة لها احتياجات مختلفة من حيث سرعة الوصول للبيانات ومعدل نقلها، فعلى سبيل المثال يحتاج نظام قاعدة البيانات إلى أوقات وصول سريعة لكونه يقوم بقراءة وكتابة آلاف السجلات الموجودة في جميع أنحاء القرص باستمرار. من ناحية أخرى، إن تشغيل فيديو عالي الدقة من محرك الأقراص الصلبة يحتاج إلى توفير معدل نقل مرتفع نظرًا لوجود الكثير من البيانات في كل ثانية من الفيديو.

الأقراص المدمجة والرقمية

الأقراص المدمجة وأقراص الفيديو الرقمية وأقراص بلو راي (Blu Ray) تختلف عن الأقراص الصلبة بأنها تقرأ وتكتب البيانات بصريًا من قرص مصنوع من الألمنيوم والبلاستيك باستخدام شعاع الليزر.

في وضع الكتابة يقوم شعاع الليزر بحفر سلسلة من التجاويف والنتوءات على طبقة الألمنيوم ليتم تمثيل البيانات الثنائية.

عند القراءة فإن شعاع الليزر يرتد من النتوءات على سطح طبقة الألمنيوم وليس من التجاويف وهكذا يُمكِن قراءة سلاسل البيانات الثنائية.

إن هذه التجاويف صغيرة جدًا، فمثلًا يحتوي سطح قرص بلو راي على 200 مليار تجويف ونتوء.

لاحظ أن

كن حذرًا إذا قررت فتح غطاء محرك أقراص صلبة لرؤية الأقراص ورؤوس التشغيل، فالمكوِّنات الداخلية للقرص الصلب قد تم تجميعها بعناية وعزلها عن البيئة الخارجية، مما يعني أن دخول جزء صغير من الغبار أو تعرُّض الرؤوس للدفع قد يجعل محرك القرص الصلب غير قابل للاستخدام، وبالطبع فإن محرك القرص الصلب إذا كان تالفًا أو عديم الفائدة فيمكِنك أن تستمر في استكشافه بِحريِّة.

بإمكانك مراجعة محتوى موضوع “بُنية جهاز الحاسب” بدايةً من عنوان “الذاكرة الرئيسة” وحتى نهاية الموضوع، من خلال الرابط التالي:

اختبر تحصيلك لمحتوى الموضوع من خلال الرابط التالي:

الواجب الإلكتروني

إلى هنا يكون قد انتهى موضوع “بُنية جهاز الحاسب“، لا تنسوا مراجعة نواتج التعلُّم أعلى المقال، وانتظرونا في الموضوع القادم!

روابط هامة

مقررات الفصل الدراسي الأول