بنية الحاسب ومعالجة المعلومات

الفصل الأول
بنية الحاسب ومعالجة المعلومات

مقدمة :
1-1 تعريف الحاسب:
الكمبيوتر أو الحاسب أو الحاسوب ترجمة حرفية للكلمة الإنجليزية COMPUTER ، وقد شاع استخدام الكلمة الإنجليزية التي اشتُقت من الفعل COMPUTE أي حَسَبَ...
فالحاسب : هو جهاز لتخزين البيانات أو المعلومات و معالجتها و نقلها وتداولها
تطلق كلمة الحاسب أو الكمبيوتر على كافة الأحجام والأنواع من الحاسبات الآلية سواء أكان استعمالها للغرض الشخصي أو المنزلي أو أن يكون للاستخدام في مؤسسة أو شركة، أو أن يستخدم لأغراض بعينها في الصناعات الهندسية والطبية .والفضائية وغيرها

1-2 تاريخ الحاسبات الشخصية:
ظهر أول حاسب آلي في بداية الأربعينات من القرن العشرين ، وكان يتسم بضخامة الحجم والبطيء الشديد وكان يحتاج إلى مساحات واسعة وتجهيزات خاصة وكانت إجراءات التعامل معه معقدة تحتاج إلى متخصصين .
لكن على مدار الخمسين عاما التي تلت ظهور أول كمبيوتر حدثت تطورات وطفرات ، تمثل أولها في مرحلة الصمامات الزجاجية ، ثم مرحلة الترانزيستور الذي تم اختراعه بواسطة معامل شركة بل ؛ مما أدى إلى تخفيض حجم الكمبيوتر وسعره وتكاليف صيانته وتبريده
وكانت مرحلة المعالجات الدقيقة Processor ( أي وحدة المعالجة المركزية التي على قطعة واحدة ) التي أسستها شركة إنتل Intel خطوة محورية في تاريخ الكمبيوتر حيث دخلت بعد ذلك شركات كبيرة حلبة السباق ، مثل زيلوج Zilog وموتورولا Motorola وآبل Apple وأتاري Atari .
وفي سنة 1981 أنتجت شركة آي بي إم I.B.M أول جهاز شخصي أطلقت عليه جهاز الكمبيوتر الشخصي من أي بي إم
I.B.M Personal Computer وشاع استخدام هذه التسمية حتى أطلقت على كل جهاز كمبيوتر صغير ( P C )
و في العام 1989 أعلنت أنتل عن ظهور معالجات 80486 ، والذي يحتوي على مليون ترانزستور قادر على تنفيذ 15 مليون عملية في الثانية .
ثم شهد عام 1993 ميلاد معالجات طراز بنتيوم " Pentium " ، أو 80586 بطرازات وسرعات مختلفة تقترب من 300 مليون ذبذبة في الثانية ، وقادرة على إجراء عمليات لـ 64 رقم ثنائي

1-3 الكمبيوتر يحاكي الإنسان :
جون فون نيومان JOHN VON NEWMAN أول من قام بدراسة التركيب الوظيفي للإنسان عن طريق ملاحظة كيفية حله للمشكلات ، ووجد أن الإنسان لكي يحل مشكلة معينة فإنه يقوم بتوظيف حواسه في جمع عناصر المشكلة ومعلوماتها ، ثم يلي ذلك تخزين هذه المعلومات في الذاكرة ، ثم يقوم العقل بتحليل المشكلة ومن ثم إيجاد الحل المناسب من واقع خبرته التي تعلمها وينتهي الأمر باتخاذ قرار معين حيث تصدر الأوامر إلى العضلات المختلفة في عضو من أعضاء للتنفيذ وتقوم الأعصاب بدور الناقل في جميع مراحل هذه العملية.
ومن دراسة نيومان نجد أن الإنسان ينقسم وظيفيا إلى الوحدات الأساسية التالية :
وحدات لإدخال واستقبال المعلومات والبيانات وتتمثل في الحواس الخمس : السمع والبصر والتذوق والشم واللمس ؛ ووحدة لتخزين البيانات تتمثل في الذاكرة ، ووحدة لمعالجة البيانات وهي العقل، ووحدة إخراج وتنفيذ البيانات وتتمثل في العضلات، والناقلات بين الوحدات وهي الأعصاب .
و لما كانت ذاكرة الإنسان عاجزة عن استيعاب المعلومات والبيانات إلى ما لا نهاية فقد استعان الإنسان بوسائط مساعدة يقوم بتخزين المعلومات عليها ثم استدعائها في أي وقت ، وذلك عن طريق أيٍ من وحدات الإدخال الخاصة به ؛ لذلك فقد اختُرع الكتابُ المقروء والصوتُ المسجَّل والفيديو المرئي وغيرها من وسائل حفظ البيانات والمعلومات .
ولبيان كيفية تمثيل ما سبق شرحه نضرب مثالا بعملية بسيطة : كأن يقوم إنسان بتوجيه سؤال إلى إنسان آخر ولتكن عملية ضرب رقم في رقم ، فيقوم الأول بتوجيه السؤال صوتيا ، وتقوم وحدة الإدخال في الثاني وهي الأذن باستقبال السؤال الذي تنقله الأعصاب إلى وحدة المعالجة المركزية وهي العقل الذي يستدعي ما يخزنه في الذاكرة عن كيفية إجراء العمليات الحسابية قسم جدول الضرب ويتولى حساب النتيجة ويبث الناتج عبر الأعصاب إلى عضلات الفم واللسان الذي يترجمه إلى جواب صوتي يسمعه السائل .

1-4مبدأ عمل الحاسب:
إن ما لاحظه جون فون نيومان هو ما تم تطبيقه عمليا عند تصميم جهاز الكمبيوتر؛ فوحدات إدخال تؤدي للكمبيوتر ما تؤديه الحواس الخمس، فنجد أن هناك عدة أنواع من أجهزة أو وحدات الإدخال ، مثل لوحة المفاتيح KEYBOARD والفأرة (MOUSE) والماسح الضوئي (SCANNER) ، وقلم القراءة الضوئي .
تماما مثل الإنسان ، يحتاج الكمبيوتر إلى ذاكرة أساسية داخلية MAIN MEMORY ولا يمكن للجهاز أن يعمل بدونها وهي دائمة الاتصال بوحدة المعالجة المركزية ، والتقسيم المنطقي للذاكرة مكون من مجموعة من الحجرات تتسع كل منها لثمانية بتّات والبت هو أساس العمل في الكمبيوتر وكل ثمانية بتات تمثل BYTE بايت واحد الذي يمثل بدوره حرف هجائي أو رقمي واحد .و الذاكرة الأساسية المرتبط بوحدة المعالجة المركزية محدودة في قدرتها التخزينية ؛ لذلك تم استحداث عدد من وسائل التخزين المساعدة تماما مثل الوضع في حالة الإنسان ، مثل الأقراص اللينة والأقراص الصلبة والشرائط الممغنطة .

 التمثيل الإلكتروني للبيانات
1-5مفهوم التمثيل الإلكتروني :
كان اختراع الصفر " ZERO " بمثابة البداية التي تم على أساسها بناء وتطوير الحاسبات التي تقوم أساسا على استخدام النبضات الكهربائية بقيمة 1 أو صفر ، فيمثل الرقم 1 مرور التيار ، أما الرقم صفر فيمثل انقطاعه ، وعن طريق هذين الرقمين يتم تمثيل كل الحروف والأرقام التي يتم التعامل معها ومعالجتها داخل الحاسب الآلي .
و بما أن لغة الحاسب الآلي تعمد فقط على الرقمين فقد تم تسمية ذلك بالنظام الثنائي لتمثيل البيانات ويصلح النظام الثنائي لمعالجة جميع العمليات الرياضية التي يقوم بها الحاسب الآلي مثل الجمع والطرح والقسمة والضرب
العنصر الأساسي للتمثيل البياني للمعلومات هو الرقم الثنائي أو البت ( Binary Digit ) BIT
البت BIT : وهو أصغر القيم على الإطلاق وهو يمثل اللغة الثنائية للحاسبات ويتمثل في حالتين فقط 1 أو صفر معبراً عن حالة الدائرة الكهربية في وضع مرور أو في وضع إغلاق.

1-6: تنظيم الذاكرة المركزية :
تتكون الذاكرة المركزية من خلايا كل منها مؤلف من رقم ثنائي واحد ( بت) ولكن التعامل مع الذاكرة المركزية من حيث تخزين المعلومات و استرجاعها يعتمد على التعامل دفعة واحدة مع حزم من الأرقام الثنائية ( ثمانيات أو مضاعفاتها ) , لذلك ينظم الوصول إلى الذاكرة المركزية على أساس حزم من خلايا الذاكرة مؤلفة من ثمانيات (BYTE ) لذلك يمكن النظر إلى الذاكرة على أنها مؤلفة من صف من الثمانيات المتتالية كل منها يتميز بعنوان خاص به هو ترتيبه في هذا الصف ويمكن تخزين معلومة بكتابتها في إحدى الثمانيات ( أو في مجموعة متتالية منها ) عند عنوان محدد كما يمكن استرجاع المعلومة عن طريق قراءتها من نفس العنوان . ويمكن تشبيه الذاكرة بمجموعة حجرات أو صناديق لكل منها عنوان (ADDRESS ) يشير إليها وتحتوي كل حجرة معلومة بسعة 1 BYTE تتسع لتخزين حرف واحد .
تقاس سعة الذاكرة بعدد الثمانيات التي تحتويها (BYTE)

1-7: البايت و مضاعفاته :
البايت BYTE : ويتكون من ثمانية بت1 BYTE= 8bit
الكيلو بايت: ويتكون من 1024 بايت1 KB = 1024 BYTE
الميجابايت : وتتكون من 1024 كيلو بايت 1 M B = 1024 KB = 1048576 BYTE
الجيجابايت : وتتكون من 1024 ميجابايت 1 GB = 1024 MB
التيرابايت : وتتكون من 1024 جيجابايت

 بنية الحاسب التقنية ووحداته المحيطية :
1-8:أنواع الحاسبات من حيث الاستخدام:
• الحاسبات التطبيقية ANALOG CMPUTERS :
و يطلق عليها أيضا الحاسبات القياسية وهذا النوع من الحاسبات يقتصر استخدامه على وظيفة معينة كأن يستخدم في الأجهزة الطبية مثلا لقياس ضغط الدم
• الحاسبات الرقمية DIGITAL COMPUTERS :
وهذا النوع من الحاسبات هو ما نعرفه ، وهو ما يُستخدم في حياتنا العامة والعملية ، ويتسم بعمومية وتنوع أغراض استخدامه وقدرته على أداء وظائف ونشاطات كثيرة في المجالات العلمية والتجارية وغيرها من المجالات .ويتوفر من هذا النوع النماذج التالية :
1- الحواسيب المركزية المتعددة المستخدمين : وهي مخصصة للحسابات العلمية البالغة التعقيد واصطلح على تسميتها بالحواسيب الفائقة Super computers وانتشارها محدود جدا ومنها الحواسيب المركزية المخصصة للمؤسسات الكبيرة
2- الحواسيب الشخصية ( Personal Computers) PC الوحيدة المستخدم:
وتسمى أيضا الحواسيب المصغرة micro computers
3- شبكات الحواسيب : وهي نظم مؤلفة من مجموعة من الحواسيب المتماثلة أو المتباينة والتي ترتبط فيما بينها
بشبكة تبادل المعلومات

منقول