بنية الحاسب - التقنية الرقمية 1 - أول ثانوي

24 الدرس الثاني رابط الدرس الرقمي بنية جهاز الحاسب www.ien.edu.sa تؤدي أجهزة الحاسب ثلاث مهام أساسية وهي: معالجة البيانات وحفظ البيانات، واسترجاع البيانات. يُزوّد جهاز الحاسب بالتعليمات لينفّذها 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 نیومان (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. وستتعرف عليها تفصيلًا في هذا الدرس. وحدة الذاكرة الرئيسة التي تتعامل مع البيانات والتعليمات. وحدات الإدخال التى تنقل البيانات إلى داخل جهاز الحاسب، مثل لوحة المفاتيح والفأرة. وحدات الإخراج الذاكرة الرئيسة Main Memory Output Devices النواقل Bus وحدة المعالجة المركزية CPU وحدات الإدخال Input Devices وحدات الإخراج التي تنقل البيانات من جهاز الحاسب إلى أجهزة الإخراج، مثل شاشة جهاز الحاسب والطابعة. جميع مكونات جهاز الحاسب تتصل وحدة المعالجة المركزية (CPU) التي تحتوي معا عبر شبكة من الموصلات تسمى على مكونين فرعيين يُشكلان قلب جهاز الحاسب نواقل والتي تنتقل عبرها البيانات داخل جهاز الحاسب. وحدة الحساب والمنطق (ALU) وهي المسؤولة عن جميع العمليات الحسابية والمنطقية للبيانات. وحدة التحكم (CU) التي تتأكد من عمل جميع مكونات جهاز الحاسب معًا لتنفيذ التعليمات. لمحة تاريخية وصف جون فون نيومان بنية 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 فى مجالات مختلفة مثل الرياضيات والفيزياء وعلم الحاسب. وزارة التعليم Ministry of Education 2024-1446

تقوم أجهزة الحاسب بثلاث مهام أساسية

دورة الجلب والتنفيذ بعد أن أصبحت الآن على علم بمعمارية جهاز الحاسب لتتعرّف الآن كيف تُنفّذ التعليمات وتتم معالجة البيانات. تُسمّى هذه الدورة بدورة الجلب والتنفيذ Fetch execute cycle) تذکر دائمًا أن كلا من البيانات والمعلومات تحفظان في ذاكرات جهاز الحاسب. حفظ النتائج تحفظ نتائج تنفيذ التعليمات في الذاكرة الرئيسة. احصل على المزيد من البيانات بناءً على التعليمات، قد يلزم تحميل المزيد من البيانات الإضافية من الذاكرة الرئيسة إلى المُسجلات للمعالجة. على سبيل المثال : إذا كانت هناك تعليمة لجمع عدد محفوظ في الذاكرة داخل المسجل فإن وحدة التحكم يجب أن تحصل على هذا العدد من الذاكرة الرئيسة. جلب التعليمة التالية يجلب المعالج المركزي التعليمة التالية من الذاكرة الرئيسة ثم تُحفَظ في ذاكرة خاصة داخل المعالج تسمى المسجل (Register). حفظ النتائج Store results الذاكرة الرئيسة Main memory الحصول على مزيد من البيانات دورة التنفيذ Execution Cycle تنفيذ التعليمة 1 إحضار التعليمات Fetch Instructions دورة الجلب Fetch Cycle فك ترميز التعليمة Decode instruction Execute the instruction ALU وحدة التحكم (CU) تنفيذ التعليمة عندما يتم فك ترميز التعليمة وجلب جميع البيانات المطلوبة، فإن وحدة الحساب والمنطق (ALU) تقوم بتنفيذ التعليمة متضمنة عادةً العمليات داخل المسجلات المختلفة، ثم تبدأ الدورة مرةً أخرى. فك ترميز التعليمة تترجم وحدة التحكم التعليمة الموجودة في مُسجل التعليمة وتحولها إلى إشارة تحكم يُمكن فهمها من قبل وحدة الحساب والمنطق. 25 وزارة التعليم Ministry of Education 2024-1446

دورة الجلب والتنفيذ

الذاكرة الرئيسة تتعامل الذاكرة الرئيسة (Main memory مع البيانات والتعليمات وتتكون من قسمين: ذاكرة الوصول العشوائي Random Access Memory-RAM وذاكرة القراءة فقط (Read Only Memory-ROM ، والفرق بين القسمين أنه لا يمكن محو أو إعادة كتابة البيانات داخل ذاكرة القراءة فقط حيث تُستخدم هذه الذاكرة في تخزين التعليمات التي يحتاجها جهاز الحاسب لبدء التشغيل والتي تسمى بالبرامج الثابتة (firmware). بينما ذاكرة الوصول العشوائي فتُعرف بأنها ذاكرة القراءة والكتابة وهي ذاكرة مؤقتة تُفقد بياناتها بمجرد انقطاع التيار عنها. وحدات التخزين تُعد الذاكرة الرئيسة محدودة الحجم ، لذلك نحتاج إلى نوع آخر من أجهزة التخزين يمكنه 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 تُعد أجهزة إدخال وإخراج حسب نموذج بنية فون نيومان. الأقراص الصلبة الذاكرة الرئيسة 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. وقت البحث (See Time هو الزمن الذي يستغرقه رأس القراءة والكتابة للوصول إلى المسار المناسب. وقت الانتظار (Latency Time) هو الزمن الذي يستغرقه المقطع المحدد ليستقر أسفل رأس القراءة والكتابة. > وقت الوصول (Access Time هو الزمن المستغرق لقراءة مجموعة البيانات وهو حاصل مجموع وقت البحث ووقت الانتظار. > معدل ال Transfer Rate) هو معدل نقل البيانات بين القرص والذاكرة الرئيسة 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. وقت الوصول معدل النقل وقت الوصول معدل النقل وزارة التعليم Ministry of Education 2024-1446 26

الذاكرة الرئيسة

وحدات التخزين

الأقراص الصلبة

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 يُمكن قراءة سلاسل البيانات الثنائية. إن هذه التجاويف صغيرةٌ جدًا، فمثلًا يحتوي سطح قرص بلو راي على 200 مليار تجويف ونتوء. قرص فيديو رقمي قرص مدمج في هاتين الصورتين يمكنك مقارنة التجاويف الموجودة على سطح الأقراص المدمجة (CD) مع أقراص الفيديو الرقمية (DVD) ، كلاهما تم تكبيرهما 20000 مرة. لنطبق معًا تدريب 1 طابق الأجهزة مع فئاتها في بنية فون نيومان. لاحظ أنه يمكنك مطابقة الجهاز مع أكثر من فئة واحدة. كن حذرًا إذا قررت فتح غطاء محرك أقراص صلبة لرؤية الأقراص ورؤوس التشغيل، فالمكونات الداخلية للقرص الصلب قد تم تجميعها بعناية وعزلها عن البيئة الخارجية، مما يعني أن دخول جزء صغير من الغبار أو تعرض الرؤوس للدفع قد يجعل محرك القرص الصلب غير قابل للاستخدام، وبالطبع فإن محرك القرص الصلب إذا كان تالفا أو عديم الفائدة فيمكنك أن تستمر في استكشافه بحرية. الفئة الجهاز لوحة المفاتيح وحدة المعالجة المركزية الذاكرة الرئيسة جهاز إدخال جهاز إخراج الفأرة شريحة المعالج وحدة ذاكرة الوصول العشوائي الماسح الضوئي الشاشة 27 وزارة التعليم Ministry of Education 2024-1446

الأقراص المدمجة والرقمية

طابق الأجهزة مع فئاتها في بنية فون نيومان لاحظ أنه يمكنك مطابقة الجهاز مع أكثر من فئة واحدة

تدريب 2 لتُجِبْ عن بعض التساؤلات ... هل تساءلت يوما عن المكونات داخل جهاز الحاسب وكيف يرتبط بعضها ببعض ؟ لاحظ الشكل التالي الذي يوضح بنية أنظمة جهاز الحاسب الأساسية وفقًا لهيكلية العالم فون نيومان. بنية أنظمة الحاسب أجهزة الإخراج الذاكرة الرئيسة المركزية CPU وحدة المعالجة ناقل BUS أجهزة الإدخال صل العبارات في العمود الأول بما يناسبها في العمود الثاني .1 تخزن كلًا من البيانات والتعليمات. .2 تُنقل البيانات والتعليمات إلى هذه الأجهزة. .3 تُنقل البيانات بواسطته. .4 تُنقل البيانات والتعليمات من هذه الأجهزة. .5 مسؤولة عن تنفيذ التعليمات والتحكم والتنسيق بين الأنظمة. وحدة المعالجة المركزية الذاكرة الرئيسة أجهزة الإدخال أجهزة الإخراج الناقل Bus 28 وزارة التعليم Ministry of Education 2024-1446

صل العبارات في العمود الأول بما يناسبها في العمود الثاني تخزن كلا من البيانات والتعليمات

تدريب 3 لنستكشف كيف يتم تنفيذ التعليمات، وكيف تتم عملية معالجة البيانات في جهاز الحاسب؟ > الشكل المجاور يمثل دورات الجلب والتنفيذ" Execute cycle دورة التنفيذ Fetch cycle الذاكرة الرئيسة Main memory المسجلات دورة الجلب وحدة المعالجة التي تتم من خلالها تنظيم المركزية تدفق التعليمات والبيانات. وحدة الحساب CPU والمنطق وحدة التحكم ALU أجهزة الإدخال أجهزة الإدخال والإخراج أجهزة الإخراج صل العبارات في العمود الأول بما يناسبها في العمود الثاني .1 تجري وحدة الحساب والمنطق العمليات الحسابية والمنطقية على جميع البيانات المطلوبة وكذلك تنفذ التعليمات على المسجلات المختلفة. تنفيذ التعليمات 2. نقل نتائج تنفيذ التعليمات إلى الذاكرة الرئيسة. فك تشفير التعليمات .3 نقل التعليمات من الذاكرة الرئيسة وتخزينها مؤقتًا في المسجلات وهي وحدات ذاكرة صغيرة داخل وحدة المعالجة المركزية. 4. عملية ترجمة وحدة التحكم للتعليمات المخزنة في مسجل التعليمات وتحويلها إلى إشارات موائمة لوحدة الحساب والمنطق. حفظ النتائج جلب التعليمات 29 وزارة التعليم Ministry of Education 2024-1446

صل العبارات في العمود الأول بما يناسبها في العمود الثاني تقوم وحدة الحساب والمنطق بإجراء العمليات الحسابية والمنطقية على جميع البيانات المطلوبة

30 تدريب 4 تأمل الخريطة المفاهيمية التالية واملأ الفراغات بكتابة الكلمة أو العبارة المناسبة من الجدول التالي: 1. ذاكرة الوصول العشوائي 2. وحدة التحكم 3 وحدة الحساب والمنطق 4. المسجلات .5 وحدة المعالجة المركزية دورة الجلب والتنفيذ ترسل التعليمة التالية تطلب التعليمة التالية من ALU تحصل على المزيد من البيانات عند الحاجة تحفظ النتائج تنفذ التعليمة تحفظ التعليمة في تحولها إلى إشارة تحكم وتفك تشفيرها في وزارة التعليم Ministry of Education 2024-1446

تأمل الخريطة المفاهيمية التالية واملأ الفراغات بالكلمة أو العبارة المناسبة من الجدول التالي دورة الجلب والتنفيذ

تدريب 5 اختر الإجابة الصحيحة وقت البحث .1 يسمى الزمن المستغرق القراءة مجموعة البيانات، وهو حاصل مجموع وقت البحث وقت الانتظار ووقت الانتظار ب : وقت الوصول وقت البحث 2 يسمى الزمن الذي يستغرقه رأس القراءة والكتابة للوصول وقت الانتظار إلى المسار المناسب بـ : وقت الوصول وقت البحث .3 يسمى الزمن الذي يستغرقه المقطع المحدد ليستقر أسفل وقت الانتظار رأس القراءة والكتابة بـ : وقت الوصول معدل القطاع 4. يسمى معدل نقل البيانات بين معدل النقل القرص والذاكرة الرئيسة بـ : معدل المسار 31 وزارة التعليم Ministry of Education 2024-1446

اختر الإجابة الصحيحة يسمى الزمن المستغرق لقراءة مجموعة البيانات وهو حاصل مجموع وقت البحث ووقت الانتظار بـ

32 تدريب 6 • صنف الأجهزة التالية حسب معمارية فون نيومان. القرص الصلب لوحة المفاتيح CD الشاشة ALU الطابعة وحدة المعالجة المركزية أجهزة التخزين الثانوية وحدة إدخال وحدة إخراج DVD CU الفأرة وزارة التعليم Ministry of Education 2024-1446

صنف الأجهزة التالية حسب معمارية فون نيومان