ماهي معمارية الحاسوب

0
1945

ماهي معمارية الحاسوب، تعني ھندسة معماریة للحواسیب أي عبارة عن بناء الحاسب فمثلا المهندس المعماري يختص برسم بناء للمنزل الذي نريده ويصمم المداخل والمخارج، كذلك الأمر في الھندسة المعماریة للحاسوب، يوضح البناء الداخلي والخارجي للحاسوب وكیف تدخل و تخرج منه البیانات وكيفية معالجتها. ومعمارية الحاسوب مادة تدرس في كليات الهندسة قسم الحاسبات أو أي كلية لها علاقة بالحاسوب. تختص المادة ببناء آلیة الحاسوب ورسمھا على ورق لرؤیة كیفیة انتقال البیانات وكیف نراھا، فالوظائف تعني حركة البیانات والتحكم فیھا بالأسھم على حسب الأوامر “instructions “المعطاة .

الحاسب  Computer

الحاسب ھو آلة لمعالجة البیانات تعمل تلقائیا ً تحت سیطرة قائمة من التعلیمات ( تسمى برنامج ) مخزنة في ذاكرتھا الرئیسیة.

يتكون الحاسب من :-

  • Input device
  • Output device
  • Secondary memory

مبادئ هيكلة فون نيومان Architecture Von Numan

فون نیومان هو عالم ریاضي قام بتحدید القواعد الأساسیة التي نستعملھا في تصمیم الحواسیب في أربعة نقاط هي :

1- تخزن البیانات والتعلیمات في الذاكرة الرئیسیة ( تخزین مفھوم البرنامج ).
2- محتوى الذاكرة عبارة عن عنونة (addressable) تتم بواسطة الموقع بدون النظر لما ھو مخزن بھذا الموقع .
3- یتم تنفیذ التعلیمات بشكل تسلسلي (sequentially)، من التعلیمة الأولى للتالیة بشكل منظم على حسب ترتیب موقعھا ما لم یتم تعدیل ھذا النظام .
4 -ھیكلیة الحاسوب ھي :

  • CPU” وحدة المعالجة المركزیة” ویحتوي على CU” وحدة التحكم” والتي تنسق عملیة تنفیذ التعلیمات و ALU “وحدة الحساب والمنطق” والتي تجري العملیات الحسابیة و المنطقیة .
  • Main Memory

لقد تغیرت التقنیات المستخدمة في الحواسیب حیث بات بإمكانھا حل مشاكل مختلفة عدیدة تبعا ً للبرنامج الذي ینفذھا على
عكس ما كان في بادئ الأمر عندما كان الحاسوب عبارة عن ذاكرة تحفظ المعطیات وغیر قادرة على حل العملیات الحسابیة.

ھیكلیة فون نیومان متعددة الأغراض (Architecture Numan Von Purpose General)

إن الحواسیب الالكترونیة المستخدمة حالیا ً ھي حواسیب فون نیومان متعددة الأغراض والتي تؤدي برامج مختلفة على حسب البرنامج المنفذ لھا.

1- تتمثل المھمة الرئیسیة للـ CPU في تنفیذ التعلیمات الآتیة إلیه من الذاكرة الرئیسیة.
2- یتم إخبار الـ CPU عن وجوب أداء واحدة من العملیات الأساسیة ( قد تكون حسابیة أو منطقیة ) وذلك لنقل البیانات من وإلى الذاكرة الرئیسیة.
3- وحدة التحكم (CU) ھي التي تقوم بتفسیر/ترجمة التعلیمة الآتیة إلیھا من الذاكرة الرئیسیة وھي أیضا تقوم بإخبار العناصر الأخرى المختلفة عما یجب القیام به.
4- وحدة الـ CPU تتضمن مجموعة من السجلات “Records “التي تعتبر عادة كأجھزة تخزین مؤقت للبیانات التي تتم معالجتھا داخل الـ CPU.

تمثيل البيانات (Representation of data)

یتم تمثیل جمیع البیانات والمعلومات التحكمیة ” التعلیمات ” بداخل الحاسوب بالنظام الثنائي “system binary “والذي یستخدم فقط رمزین إما 0 أو 1 ؛ الرمزین 1،0 یتم تمثیلھما في الحاسوب بواسطة الإشارات الكھربائیة حیث 0 تعني عدم وجود الإشارة ، 1 تعني وجودھا.
الأعداد الثنائیة الـ binary تجمع وتطرح وتضرب وتقسم باستخدام ALU مباشرة دون الحاجة لتحویلھا إلى النظام العشري الأولي “system decimal”.

من خلال تسلسل الثنائیات في الحاسوب یمكن تمثیل تعلیمة معینة ، حیث كل تسلسل یقسم إلى ثلاثة أجزاء من خلال ھذه الأجزاء یمكن معرفة ما ھو المطلوب من ھذه التعلیمة .

  • الجزء الأول یعني نوع العملیة وھو ما یسمى بـ opcode.
  • والجزء الثاني القیمة التي نحتاج أن نجلبھا من الذاكرة لتدخل في
    التعلیمة memory operand.
  • والجزء الأخیر وھو المكان الذي سوف یوضع فیھ الناتج .

مثال:- العملية ( Mov R1 Y )

أي ضع القیمة y في السجل R1 وھذا یعني أن نوع العملیة ھو نقل MOV وأن العنصر الذي سنجلبه من الذاكرة ھو y وأن الوجھة سوف تكون R1 .

أنواع تعليمات الآله (Types Of Machine Instructions)

  1.  نقل البیانات من الذاكرة وسجلات الـ CPU.
  2.  العملیات الحسابیة والمنطقیة.
  3.  التحكم بالبرنامج.
  4.  النقل أثناء عملیات الإدخال والإخراج.

لتنفیذ عملیة حسابیة مثل 3*(Z=(X+Y ھذه العملیة الحسابیة سوف تقسم إلى أربع تعلیمات، حیث التعلمیة الأولى ھي
وضع المتغیر Y في أحد سجلات الـ CPU ولنفرض أنه R3 أي نقل القیمة Y إلى السجل R3 بھذا الشكل

MOV Y R3

بعد ذلك وفي التعلیمة الثانیة نضیف المتغیر X إلى القیمة الموجودة في R1 وبالتالي التعلیمة ھي

ADD X+R3 R3

في التعلیمة الثالثة نضرب القیمة 3 في السجل R1

MUL 3#R3 R3

التعلیمة الأخیرة ھي نقل الناتج من R1 ووضعھ في القیمة Z

MOV R3 Z

وحدة التحكم (The Control Unit)

إن تحلیل التعلیمة كعملیة الجمع بین R2,R1 یحتاج إلى وحدة تحكم وبشكل عام فإن الذي یتحكم في العملیات التزامنیة أي
الوقتیة ھو CPU ولكن بشكل خاص فإن الذي یتحكم في ھذا التزامن ھو Control Unit.

التقنیات التي تنفذھا وحدة التحكم :

  • Hardwired Control
  • Micro programmed Control

نظام الحاسوب (The Computer System)

یشكل الـ CPU & Memory Main معا ً نواة الـ Computer System، كما وأن الذاكرة الثانویة و أجھزة الإدخال والإخراج تسمى ملحقات peripherals.
یتم التواصل بین المكونات المختلفة في أي نظام عادة باستخدام ” Bus ” ناقل واحد أو أكثر.

الذاكرة (Memories)

خصائص الذاكرة:-

  • تستخدم الذاكرة الرئیسیة في تخزین البرامج والبیانات التي تتم معالجتھا من قبل CPU .
  • الذاكرة الثانویة توفر تخزین على المدى الطویل لكمیات كبیرة من البیانات والبرامج .
  • یمكن للـ CPU أن یدیر البیانات والبرامج في الذاكرة الثانویة قبل تحمیلھا على الذاكرة الرئیسیة .
  • أھم خصائص الذاكرة ھي السرعة والحجم والتكلفة، وكذلك التكنولوجیا التي تستخدمھا مفیدة جدا ً عند التنفیذ.
  • عادة ما تكون الذاكرة الرئیسیة سریعة في التنفیذ ولكنھا محدودة الحجم، بینما الذاكرة الثانویة بطیئة نسبیا ولكنھا ذات حجم كبیر جدا .

الذاكرة الرئيسية (The Main Memory)

یمكن النظر إلى الذاكرة الرئیسیة على أنھا مجموعة من خلایا التخزین، كل خلیة منھا تستخدم لتخزین كلمة “word” .
كل خلیة تقوم بتعیین عنوان فرید من نوعه على شكل أرقام متسلسلة .
بالإضافة إلى خلایا التخزین یوجد مخزن عنوان الذاكرة ” Memory address buffer ” یعمل على تخزین العنوان الخاص بالكلمة المراد قراءتھا أو كتابتھا

وكذلك یوجد مخزن بیانات ” data buffer ” لتخزین البیانات المراد كتباتھا أو
قراءتھا .

كذلك یوجد ما یسمى بـ ” address decoder ” مفسر العناوین ” و ” Memory Contrl unit ” وحدة التحكم بالذاكرة .
غالبا  وعلى نطاق واسع ما یتم استخدام تقنیة لتنفیذ الذواكر الرئیسیة وھي ذواكر أشباه الموصلات .

نوع ذاكرة أشباه الموصلات الشائعة ھي ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) كما وأن المعلومات المخزنة في “RAM” ذاكرة أشباه الموصلات ستضیع عندما ینقطع التیار الكھربائي .

الذاكرة الثانوية (The Secondary Memory)

1- القرص الصلب ( disk Hard ):-

یتم تسجیل البیانات على سطح القرص الصلب المصنوعة من المعدن المطلي بمادة مغناطیسیة.
( disks ” الأقراص ” & drive ” المحرك ” ) عادة ما یتم بناؤھما مع بعضھما البعض وتتم تغطیتھم في إناء وثیق لحمایة الأقراص من الملوثات كجسیمات الدخان والغبار. كذلك عادة ما تكون كل الأقراص مكدسة على عمود متحرك تشترك فیھ كل الأقراص أیا  كانت وظیفتھا القراءة أو الكتابة.

المزایا الرئیسیة :

  • الوصول المباشر ” access direct “.
  • سرعة في الوصول ” fast success ” حیث وقت البحث time seek تقریبا ً 10ms ومعدل نقل البیانات ” transfer rate ” تقریبا 5MB/s .
  • سعة التخزین كبیرة ” Large storage capacity ” من MB 8 إلى عدة GB .

القرص المرن ” Diskette “

یتم تسجیل البیانات على سطح الـ Floppy Disk المصنوع من مادة البولیستر والمغطى بمادة مغناطیسیة.
محرك قرصه المرن یجب أن یستخدم لإیصال البیانات المخزنة في الـ Floppy Disk وھي تعمل مثل سجل القرص الدوار الموجود في الجراموفون .

المزایا الرئیسیة :

  • الوصول المباشر ” Direct Access “
  • رخیص ” cheap .”
  • محمول ” portable ” وسھل الاستخدام .

الشریط الممغنط ” tape Magnetic “

یتكون الشریط المغناطیسي من طبقة بلاستیكیة مطلاة بأكسید الحدید ، حیث یمكن لأكسید الحدید أن یمغنط في اتجاھات مختلفة للتمكن من تمثیل البیانات بشكل أفضل .
یتم تشغیل الشریط المغناطیسي عن طریق مبدأ مماثل كما في حالة شریط المسجل .

المزایا الرئیسیة :

  • وصول تسلسلي ” Sequential access ” حیث زمن الوصول یقدر بـ 1-5 ثانیة.
  • قيمة تخزين عالية ” 50MB/table ” High value of storage .
  • معقول الثمن ” inexpensive ” .

یستخدم الشریط الممغنط غالبا ً في عملیة النسخ الاحتیاطي أو في أعمال الأرشیف.

الذاكرة البصریة ” Memory Optical “

المزایا الرئیسیة :

  • سعة تخزين عالية ” 775MB/disk ” huge capacity .
  • معقولة الثمن ” huge Capacity ” .
  • قابلة للنقل ” removable ” .
  • للقراءة فقط ” Read only ” .
  • زمن وصول طویل ” Long access time ” .

أجهزة الإدخال والإخراج

أجهزة الإدخال:-

  • لوحة المفاتيح Keyboard
  • القلم المضئ Light pen
  • الماوس Mouse
  • عصا التحكم Joystick
  • لوحة الرسم Graphics Tablet
  • الماسح الضوئي Scanner
  • مدخل الصوت Voice Input

أجهزة الإخراج:-

  • شاشة عرض display screen
  • خط الطابعة Line printer
  • طابعة مصفوفة نقطية Dot matrix printer
  • طابعة نافثة للحبر Inkjet printer
  • طابعة ليزرية Laser printer
  • مخطط Plotter
  • إخراج الصوت Voice Output

اترك رد

اترك تعليق
ادخل اسمك هنا