تمثيل البيانات | الوحدة الأولى | الدرس الأول
تمثيل البيانات هو عنوان الدرس الأول 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 كيفية تمثيل البيانات في مجموعة متنوعة من الأنظمة الرقمية وتصورها.
لذا قم بقراءة نواتج التعلُّم بعناية، ثم أعد قراءتها وتأكَّد من تحصيل كافة محتوياتها بعد انتهائك من دراسة الموضوع.
نواتج التعلُّم
- تحويل رقم من نظام عدٍّ إلى آخر.
- استخدام حاسبة نظام ويندوز لتحويل رقم من نظام عدٍّ إلى آخر.
- حساب المكافئ الثنائي والستة عشري لكل حرف من مجموعة ترميز أسكي (ASCII).
- حساب عدد البيانات المستخدمة لتخزين معلومات اللون في كل بكسل لصورة (*.bmp)، وكذلك الحجم الإجمالي للصورة.
- تحديد مخرجات الدوائر الإلكترونية باستخدام جداول الحقيقة (Truth Tables) للبوابات المنطقية.
- ماهية الترانزستورات وعلاقتها بالبوابة المنطقية.
- معرفة ماهية الدارات المتكاملة ومميزاتها.
هيا لنبدأ!
مقدمة – تمثيل البيانات
تنتشر أجهزة الحاسب الحديثة في كل مكان، حيث توجد أجهزة حاسب مكتبية في البيوت والمدارس وأماكن العمل، وأجهزة حاسب محمولة سهلة النقل من مكان إلى آخر، وكذلك الهواتف الذكية ذات القدرات العالية التي تماثل قدرات جهاز الحاسب، ولكن كيف تتعامل هذه الأجهزة مع البيانات المختلفة كالأرقام والحروف والصور؟
ستتعرف في هذا الموضوع على أنظمة تمثيل البيانات.
النظام الثنائي
تعمل أجهزة الحاسب بالطاقة الكهربائية، ولهذا فإن مكوناتها الداخلية يمكنها تمييز حالتين فقط، وهما حالة وجود جهد منخفض (low-voltage state) أو حالة وجود جهد مرتفع (high-voltage state).
يمكِنك أن تُطلق على أجهزة الحاسب اسم الآلات، حيث إن “اللغة” التي تستخدمها هذه أجهزة حاسب داخلها لتعمل بصورة صحيحة مبنية على نظام العد الثنائي (Binary System) الذي يَستخدِم رقمين فقط في كتابة الأعداد: (0) ويشير إلى حالة الجهد المنخفض، (1) ويشير إلى حالة الجهد المرتفع.
لمزيد من المعلومات عن النظام الثنائي، قم بالاطّلاع على الرابط التالي:
النظام العشري
يمكِنك إنشاء جميع الأعداد باستخدام سلسلة أعداد مكوَّنة من 0 و1.
كما تعلم في النظام العشري (Decimal Numeral System – DEC) فإن كل منزلة في الرقم تأخذ قيمة تتراوح بين الرقمين 0 و9، وعند تجميعها معًا لتشكيل رقم، فإن كل منزلة تزداد على سابقتها بالزيادة في الأس والأساس ثابت عشرة.
يجري استخدام المبدأ نفسه في النظام الثنائي، ولكن وجه الاختلاف هنا أن كل رقم يمكِن أن يحتمل إحدى القيمتين 0 ، 1بالزيادة في الأس والأساس ثابت 2 (1، 2، 4، 8… إلخ).
لاحظ أن قيمة المنزلة للرقم الموجود في أقصى اليمين في أي من النظامين هي 1 وأن أي رقم (باستثناء الصفر) لقوة صفر يساوي واحدًا، ولذلك تكون 1 = 20 = 100.
هكذا يمكِنك قراءة وفهم أي رقم بالنظام الثنائي.
لاحظ أن
إن أصغر خانة لتمثيل البيانات في أجهزة الحاسب تُسمى بت (Bit) وهي تأخذ أحد الاحتمالين: صفر أو واحد. كلمة Bitهي اختصار لكلمتي خانة ثنائية (binary digit).
لمزيد من المعلومات عن النظام العشري، قم بالاطّلاع على الرابط التالي:
النظام الستة عشري
تقدمت صناعة أجهزة الحاسب لتُصبح أقوى وأكثر قدرة على التعامل مع البيانات، وقد كان هذا التطوّر سببًا لظهور نظام العد الستة عشري (Hexadecimal Numerical System – HEX).
وقد وُظِّف هذا النظام من أجل تصغير سلاسل الأعداد الثُنائية المُستخدَمة.
أساس نظام العد الستة عشري هو الرقم 16، وهذا يعني أن كل خانة تأخذ 16 احتمالًا لقيم مختلفة.
في هذه الحالة تحتاج إلى استخدام الرموز بدلًا من الأعداد 10، 11، 12، 13، 14، 15.
لذلك يُستخدَم الحرف A لتمثيل العدد 10، والحرف B لتمثيل العدد 11، وC لتمثيل العدد 12 … إلخ).
في النظام الستة عشري، (بالزيادة في الأس والأساس ثابت 16 مثل (1، 16، 256، 4096، إلخ).
بإمكانك مراجعة محتوى موضوع “تمثيل البيانات” من بدايته وحتى نهاية هذا القسم، من خلال الرابط التالي:
التحويل بين الأنظمة
من السَّهل التحويل من نظام عد إلى نظام آخر باستخدام حاسبة ويندوز (Windows Calculator).
لتحويل عدد عشري إلى عدد ستة عشري:
افتح تطبيق الحاسبة (Calculator).
- اضغط على الخيارات.
- اختر وضع مبرمج (Programmer).
- اضغط على نظام الأعداد مثلًا عشري (DEC).
- اكتب الرقم وفقًا لنظام الأعداد المحدد.
- اختر نظام أعداد آخر ترغب بتحويل الرقم إليه.
لاحظ أن
نظرًا لأن نظام العد الستة عشري يحتوي على بعض الأحرف فإن مبرمجي أجهزة الحاسب يستمتعون بإنشاء بعض “الأرقام السرية” لتهجئة الكلمات واستخدامها في برامجهم للدلالة على أشياء معيَّنة، فمثلًا يكون استخدام الرقم الستة عشري “DEADBEEF” للإشارة إلى تعطُّل البرنامج، ويكون استخدام “BADFOOD” بوساطة أبل (Apple) في نظام تشغيل آي أو إس (iOS) عند تعطُّل أحد التطبيقات.
تمثيل البيانات
لتمثيل النص في جهاز الحاسب نستخدم ما يسمى نظام الترميز (character set) الذي يتضمن قائمة من الأحرف يجري تحويلها إلى النظام الثنائي.
أحد أشهر أنظمة الترميز هو نظام أسكي (ASCII) المُوضح بالأسفل.
كلمة ASCII هي اختصار لنظام ترميز وتبادل المعلومات الأمريكي النموذجي (American Standard Code for Information Interchange).
البيانات في أنظمة الترميز المختلفة
تمثيل الصور
يتعامل جهاز الحاسب مع الصور من خلال نظام الألوان حيث يكون تمثيل لون كل بِكسل داخل الصورة بطرق عديدة، ويعدُّ استخدام نظام (أحمر، أخضر، أزرق) (RGB) الطريقة الأكثر شيوعًا.
في هذا النظام يتم التعبير عن كل لون بمزيج من هذه الألوان الأساسية الثلاثة، وهكذا يجري تخزين 3 قيم لكل بكسل في الصورة، واحدة لكل لون.
تتراوح قيمة كل منها بين 0 و255 وتدل على تدرُّج كل لون.
يعدُّ الفيديو الرقمي من أكثر البيانات تعقيدًا ليتم تمثيله، ولكن بشكلٍ عام فإنه يمكِن النظر للفيديو بوصفه سلسلة من الصور المحفوظة على شكل بياناتٍ ثنائية يجري تشغيلها صورة تِلوَ الأخرى.
يكون استخدام تقنية ضغط الصور لتقليل المساحة المطلوبة لحفظها وزيادة سرعة معالجتها.
بإمكانك مراجعة محتوى موضوع “تمثيل البيانات” بدايةً من عنوان “التحويل بين الأنظمة” وحتى نهاية هذا القسم، من خلال الرابط التالي:
البوابات المَنطقية
تُحفظ البيانات في جهاز الحاسب على شكل بيانات ثنائية (0, 1)، ويجري جهاز الحاسب العمليات على الأرقام الثنائية (0, 1) من خلال ما يسمى بالبوابات المنطقية (Boolean Gates).
ما البوابات المنطقية؟
هي دائرة إلكترونية تستقبل قيمة مدخلة واحدة أو أكثر وتنتج قيمة واحدة، وترتبط كل بوابة منطقية بجدول يسمى جدول الحقيقة (Truth Table) يُظهِر جميع الاحتمالات للقيم الداخلة وما يقابلها من قيم خارجة لكل بوابة منطقية.
بوابة النفي المنطقي NOT
بوابة النفي المنطقي NOT تستقبل قيمة واحدة كمُدخَل وتُنتج قيمة واحدة كمُخرَج، وتقوم بعكس المُدخَل، فإذا كان المُدَخل 0 فالمُخرَج 1، أما إذا كان المُدخَل 1 فالمُخرَج 0.
بوابة الضرب المنطقي AND
بوابة الضرب المنطقي AND تستقبل قيمتين كمُدخَل، وبناءً عليهما يُحدد المُخرَج، فإذا كان كلاهما 1 فسيكون المُخرَج 1، أما إذا كان غير ذلك فإن المُخرَج 0.
بوابة الجمع المنطقي OR
بوابة الجمع المنطقي OR وهي مثل بوابة الضرب المنطقي تستقبل قيمتين كمُدخَل. إذا كان كلاهما 0، فإن المُخرَج 0. ما عدا ذلك فإن المُخرَج يكون 1.
بوابة الاختيار المقصور XOR
إن بوابة الاختيار المقصور XOR (تسمى أيضًا بوابة OR الحصرية) مخرَجها هو 0 إذا كان كلا المُدخَلين متماثلين، و1إذا كانا مختلفين.
لمزيد من المعلومات عن البوابات المنطقية، قم بالاطّلاع على الرابط التالي:
الترانزستورات
تُصنع البوابة المنطقية من ترانزستور (Transistor) واحد أو أكثر. الترانزستور هو عنصر إلكتروني يعمل بناءً على مستوى إشارة الجُهد الداخل إليه فيعمل إما موصلًا للتيار الكهربائي أو كمقاومة تمنع مرور التيار الكهربائي.
يتم استخدام البوابات في جميع مكوِّنات جهاز الحاسب بدءًا من ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) إلى ذاكرة الفلاش الخارجية المَحمولة.
هذه الذاكرة تَستخدِم مزيجًا خاصًا من البوابات تسمح بالمحافظة على حالتها من أجل حفظ البيانات بشكل دائم دون الحاجة لوجود الطاقة الكهربائية لتبقيها محفوظة بعد إزالتها من جهاز الحاسب.
معلومة
هل تعلم أنه يمكِنك استخدام المعاملات المنطقية لتحسين عمليات البحث على الشبكة العنكبوتية؟
يمكِنك استبعاد النتائج التي تحتوي على كلمة معيَّنة وذلك باستخدام معامل النفي NOT.
على سبيل المثال، إن البحث عن (سرعة الجاكوار -سيارة) سيظهر في النتيجة سرعة حيوان الجاكوار، ويستبعد نتائج البحث عن السيارات من نوع جاكوار، مع الأخذ بالحسبان أن المسافة بين الكلمات يتم التعامل معها كمعامل AND، وبناءً على ذلك ستظهر نتائج البحث بجميع الكلمات التي وضعتها.
لمعرفة المزيد من المعلومات عن الترانزستورات، قم بالاطّلاع على الرابط التالي:
الدارات المُتكاملة
بدمج عدة بوابات معًا وبإضافة بعض العناصر الإلكترونية مثل المُقاومات والمُكثِّفات يمكِنك إنشاء دارات إلكترونية تسمح بتوصيل العديد من المداخل والمخارج.
تذكَّر أن
يمثل الرقمان 0 و1 الإشارات الكهربائية، حيث يمثل 0 الجهد المنخفض ويمثل 1 الجهد المرتفع.
ما هي الدارة المُتكاملة؟
الدارة المُتكاملة (Integrated Circuit) (تُسمى أيضًا رُقاقة أو شريحة) هي مجموعة من العناصر الإلكترونية المُتكاملة المُركبة معًا. لقد أحدثت الدارات المُتكاملة أو الرقائق الصغيرة ثورة في عالم التقنية والإلكترونيات بسبب صغر حجمها، والطاقة القليلة التي تستهلكها، وقُدرتها العالية على تنفيذ مهام معقدة بسرعة هائلة جدًا.
أمثلة على الدارات المُتكاملة:
- وحدة المعالجة المركزية (Central Processing Unit) تشغِّل وظائف المعالجة الرئيسة لجهاز الحاسب، وتدير مهمة واحدة في كل مرة.
- وحدة معالجة الرسومات (Graphics Processing Unit) يتم استخدامها أساسًا لمعالجة الصور، وتدير العديد من المهام المختلفة في وقت واحد (تعدد المهام).
بإمكانك مراجعة محتوى موضوع “تمثيل البيانات” بدايةً من عنوان “البوابات المَنطقية” وحتى نهاية الموضوع، من خلال الرابط التالي:
اختبر تحصيلك لمحتوى الموضوع من خلال الرابط التالي:
الواجب الإلكتروني
إلى هنا يكون قد انتهى موضوع “تمثيل البيانات“، لا تنسوا مراجعة نواتج التعلُّم أعلى المقال، وانتظرونا في الموضوع القادم!