معمارية الحاسوب (Computer Architecture)

معمارية الحاسوب (Computer Architecture)

ماهي معمارية الحاسوب، تعني هندسة معمارية للحواسيب أي عبارة عن بناء الحاسب فمثلا المهندس المعماري يختص برسم بناء للمنزل الذي نريده ويصمم المداخل والمخارج، كذلك الأمر في الهندسة المعمارية للحاسوب، يوضح البناء الداخلي والخارجي للحاسوب وكيف تدخل وتخرج منه البيانات وكيفية معالجتها. ومعمارية الحاسوب مادة تدرس في كليات الهندسة قسم الحاسبات أو أي كلية لها علاقة بالحاسوب. تختص المادة ببناء آلية الحاسوب ورسمها على ورق لرؤية كيفية انتقال البيانات وكيف نراها، فالوظائف تعني حركة البيانات والتحكم فيھا بالأسهم على حسب الأوامر “instructions “المعطاة.
الحاسب Computer
الحاسب ھو آلة لمعالجة البيانات تعمل تلقائها ً تحت سيطرة قائمة من التعليمات (تسمى برنامج) مخزنة في ذاكرتها الرئيسة.
يتكون الحاسب من: -
• Input device
• Output device
• Secondary memory
مبادئ هيكلة فون نيومان (Architecture Von Numan)
فون نيومان هو عالم رياضي قام بتحديد القواعد الأساسية التي نستعملها في تصمم الحواسيب في أربعة نقاط هي:
1. تخزن البيانات والتعليمات في الذاكرة الرئيسة (تخزين مفهوم البرنامج).
2. محتوى الذاكرة عبارة عن عنونة (addressable) تتم بواسطة الموقع بدون النظر لما ھو مخزن بهذا الموقع.
3. تم تنفذ التعليمات بشكل تسلسلي (sequentially)، من التعليمة الأولى للتالية بشكل منظم على حسب ترتيب موقعها ما لم يتم تعديل ھذا النظام
4. ھيكلية الحاسوب ھي
• CPU” وحدة المعالجة المركزية” ويحتوي على CU” وحدة التحكم” والتي تنسق عملية تنفيذ التعليمات و ALU “وحدة الحساب والمنطق” والتي تجري العمليات الحسابية و المنطقية
• Main Memory
لقد تغيرت التقنيات المستخدمة في الحواسيب حيث بات بإمكانها حل مشاكل مختلفة عديدة تبعا ً للبرنامج الذي ينفذھا على
عكس ما كان في بادئ الأمر عندما كان الحاسوب عبارة عن ذاكرة تحفظ المعطيات وغير قادرة على حل العمليات الحسابية.





ھيكلية فون نيومان متعددة الأغراض (Architecture Numan Von Purpose General)
إن الحواسيب الإلكترونية المستخدمة حاليا ً ھي حواسيب فون نيومان متعددة الأغراض والتي تؤدي برامج مختلفة على حسب البرنامج المنفذ لھا.
1- تتمثل المھمة الرئيسة للـ CPU في تنفيذ التعليمات الآتية إليه من الذاكرة الرئيسة
2- يتم إخبار الـ CPU عن وجوب أداء واحدة من العمليات الأساسية (قد تكون حسابية أو منطقية) وذلك لنقل البيانات من وإلى الذاكرة الرئيسة.
3- وحدة التحكم (CU) ھي التي تقوم بتفسير/ترجمة التعليمة الآتية إليھا من الذاكرة الرئيسة وھي أيضا تقوم بإخبار العناصر الأخرى المختلفة عما يجب القيام به.
4- وحدة الـ CPU تتضمن مجموعة من السجلات “Records “التي تعتبر عادة كأجهزة تخزين مؤقت للبيانات التي تتم معالجتها داخل الـ CPU



تمثيل البيانات (Representation of data)
يتم تمثيل جميع البيانات والمعلومات التحكمية ” التعليمات ” بداخل الحاسوب بالنظام الثنائي “system binary “والذي يستخدم فقط رمزين إما 0 أو 1 ؛ الرمزين 1،0 يتم تمثيلهما في الحاسوب بواسطة الإشارات الكهربائية حيث 0 تعني عدم وجود الإشارة ، 1 تعني وجودها.
الأعداد الثنائية الـ binary تجمع وتطرح وتضرب وتقسم باستخدام ALU مباشرة دون الحاجة لتحويلھا إلى النظام العشري الأولي “system decimal”.من خلال تسلسل الثنائيات في الحاسوب يمكن تمثيل تعليمة معينة ، حيث كل تسلسل بقسم إلى ثلاثة أجزاء من خلال ھذه الأجزاء يمكن معرفة ما ھو المطلوب من ھذه التعليمة .
• الجزء الأول يعني نوع العملية وھو ما يسمى بـ opcode.
• والجزء الثاني القيمة التي نحتاج أن نجلبها من الذاكرة لتدخل في
التعليمة memory operand.
• والجزء الأخير وھو المكان الذي سوف يوضع فيھا الناتج.
أنواع تعليمات الآلة (Types Of Machine Instructions)
1. نقل البيانات من الذاكرة وسجلات الـ CPU.
2. العمليات الحسابية والمنطقية.
3. التحكم بالبرنامج.
4. النقل أثناء عمليات الإدخال والإخراج.
وحدة التحكم (The Control Unit)
إن تحليل التعليمة كعملية الجمع بين R2,R1 يحتاج إلى وحدة تحكم وبشكل عام فإن الذي يتحكم في العمليات التزامنية أي الوقتية ھو CPU ولكن بشكل خاص فإن الذي يتحكم في ھذا التزامن ھو Control Unit
التقنيات التي تنفذها وحدة التحكم :
• Hardwired Control
• Micro programmed Control

نظام الحاسوب (The Computer System)
يشكل الـ CPU & Memory Main معا ً نواة الـ Computer System، كما وأن الذاكرة الثانوية و أجهزة الإدخال والإخراج تسمى ملحقات peripherals.
يتم التواصل بين المكونات المختلفة في أي نظام عادة باستخدام ” Bus ” ناقل واحد أو أكثر.


الذاكرة (Memories)
خصائص الذاكرة: -
• تستخدم الذاكرة الرئيسة في تخزين البرامج والبيانات التي تتم معالجتها من قبل CPU
• الذاكرة الثانوية توفر تخزين على المدى الطويل لكميات كبيرة من البيانات والبرامج.
• يمكن للـ CPU أن يدير البيانات والبرامج في الذاكرة الثانوية قبل تحميلھا على الذاكرة الرئيسية.
• أھم خصائص الذاكرة ھي السرعة والحجم والتكلفة، وكذلك التكنولوجيا التي تستخدمها مفيدة جدا ً عند التنفيذ.
• عادة ما تكون الذاكرة الرئيسية سريعة في التنفيذ ولكنھا محدودة الحجم، بينما الذاكرة الثانوية بطيئة نسبيا ولكنھا ذات حجم كبير جدا.

الذاكرة الرئيسية (The Main Memory)
يمكن النظر إلى الذاكرة الرئيسية على أنھا مجموعة من خلايا التخزين، كل خلية منھا تستخدم لتخزين كلمة “word” .
كل خلية تقوم بتعيين عنوان فريد من نوعه على شكل أرقام متسلسلة .
بالإضافة إلى خلايا التخزين يوجد مخزن عنوان الذاكرة ” Memory address buffer ” يعمل على تخزين العنوان الخاص بالكلمة المراد قراءتها أو كتابتها وكذلك يوجد مخزن بيانات ” data buffer ” لتخزين البيانات المراد كتباتھا أو قراءتها .كذلك يوجد ما يسمى بـ ” address decoder ” مفسر العناوين ” و ” Memory Control unit ” وحدة التحكم بالذاكرة .
غالبا وعلى نطاق واسع ما يتم استخدام تقنية لتنفيذ الذواكر الرئيسية وھي ذواكر أشباه الموصلات .
نوع ذاكرة أشباه الموصلات الشائعة ھي ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) كما وأن المعلومات المخزنة في “RAM” ذاكرة أشباه الموصلات ستضيع عندما ينقطع التيار الكهربائي.


الذاكرة الثانوية (The Secondary Memory)
1- القرص الصلب (disk Hard):-
يتم تسجيل البيانات على سطح القرص الصلب المصنوعة من المعدن المطلي بمادة مغناطيسية disks” الأقراص” & drive” المحرك” عادة ما يتم بناؤهما مع بعضهما البعض وتتم تغطيتهم في إناء وثيق لحماية الأقراص من الملوثات كجسيمات الدخان والغبار. كذلك عادة ما تكون كل الأقراص مكدسة على عمود متحرك تشترك فيھا كل الأقراص أيا كانت وظيفتھا القراءة أو الكتابة.

المزايا الرئيسية:
• الوصول المباشر” access direct “.
• سرعة في الوصول” fast success” حيث وقت البحث time seek تقريبا ً 10MS ومعدل نقل البيانات” transfer rate” تقريبا 5MB/s
• سعة التخزين كبيرة” Large storage capacity” من MB 8 إلى عدة GB
القرص المرن” Diskette “
يتم تسجيل البيانات على سطح الـ Floppy Disk المصنوع من مادة البوليستر والمغطى بمادة مغناطيسية. محرك قرصه المرن يجب أن يستخدم لإيصال البيانات المخزنة في الـ Floppy Disk.

المزايا الرئيسية:
• الوصول المباشر” Direct Access “
• رخيص” cheap.”
• محمول” portable” وسھل الاستخدام.
الشريط الممغنط” tape Magnetic “
يتكون الشريط المغناطيسي من طبقة بلاستيكية مطلاه بأكسيد الحديد ، حيث يمكن لأكسيد الحديد أن يمغنط في اتجاهات مختلفة للتمكن من تمثيل البيانات بشكل أفضل .
يتم تشغيل الشريط المغناطيسي عن طريق مبدأ مماثل كما في حالة شريط المسجل .
المزايا الرئيسية:
• وصول تسلسلي” Sequential access” حيث زمن الوصول بقدر بـ 1-5 ثانية.
• قيمة تخزين عالية” 50MB/table” High value of storage.
• معقول الثمن” inexpensive”.
يستخدم الشريط الممغنط غالبا ً في عملية النسخ الاحتياطي أو في أعمال الأرشيف.


الذاكرة البصرية” Memory Optical “
المزايا الرئيسية:
• سعة تخزين عالية 775MB /disk huge capacity
• معقولة الثمن huge Capacity
• قابلة للنقل removable
• للقراءة فقط Read only
• زمن وصول طويل Long access time