الدرس الثاني: بنية جهاز الحاسب

يقوم جهاز الحاسب على معالجة البيانات وحفظها واسترجاعها باستخدام النظام الثنائي، وذلك وفق معمارية فون نيومان التي تقسم الهيكلية إلى وحدات منفصلة: وحدات الإدخال لنقل البيانات إلى الداخل، والذاكرة الرئيسة للتعامل مع البيانات والتعليمات، ووحدة المعالجة المركزية التي تضم وحدة الحساب والمنطق ووحدة التحكم لمعالجة البيانات وتنفيذ التعليمات، ووحدات الإخراج لنقل النتائج إلى الخارج، وترتبط هذه المكونات عبر شبكة موصلات تسمى النواقل. كما توجد وحدات التخزين الثانوية كالقرص الصلب والأقراص المدمجة لحفظ البيانات بأمان عند إيقاف تشغيل الجهاز. على سبيل المثال، عندما تستخدم لوحة المفاتيح لإدخال عددين، فإن وحدة الإدخال تنقلهما عبر النواقل إلى الذاكرة الرئيسة، ثم تقوم وحدة المعالجة المركزية بجمع العددين عبر وحدة الحساب والمنطق وتنفيذ التعليمات، لتظهر النتيجة عبر وحدة الإخراج كالشاشة.

الفكرة الأساسية

يقوم جهاز الحاسب بمهام أساسية تشمل معالجة البيانات وحفظها واسترجاعها باستخدام النظام الثنائي، وفق معمارية فون نيومان التي تعتمد على تقسيم هيكلية الحاسب إلى وحدات منفصلة تعالج المعلومات تتصل ببعضها عبر النواقل.

الشرح

تتكون بنية جهاز الحاسب من وحدات أساسية عدة. وحدات الإدخال تنقل البيانات إلى داخل جهاز الحاسب، مثل لوحة المفاتيح والفأرة. الذاكرة الرئيسة تتعامل مع البيانات والتعليمات، وتنقسم إلى ذاكرة القراءة فقط التي تخزن برمجيات بدء التشغيل الثابتة، وذاكرة الوصول العشوائي التي تفقد بياناتها بمجرد انقطاع التيار عنها. وحدة المعالجة المركزية تحتوي على مكونين فرعيين هما وحدة الحساب والمنطق المسؤولة عن جميع العمليات الحسابية والمنطقية للبيانات، ووحدة التحكم التي تتأكد من عمل جميع مكونات الحاسب معا لتنفيذ التعليمات. وحدات الإخراج تنقل البيانات من جهاز الحاسب إلى أجهزة الإخراج مثل شاشة العرض والطابعة. تتصل جميع هذه المكونات معا عبر شبكة من الموصلات تسمى النواقل. لتنفيذ العمليات، يمر الحاسب بدورة الجلب والتنفيذ، حيث تجلب وحدة التحكم التعليمات من الذاكرة الرئيسة وتحفظها في المسجلات، ثم تفك تبريرها وتحولها إلى إشارات تفهمها وحدة الحساب والمنطق التي تنفذ العملية، ثم تحفظ النتائج في الذاكرة الرئيسة.

مثال محلول خطوة بخطوة

إذا أردت إجراء عملية جمع عددين مخزنين في الذاكرة، فاتبع الآتي: أولا، تجلب وحدة التحكم التعليمة التالية من الذاكرة الرئيسة وتضعها في المسجل داخل وحدة المعالجة المركزية. ثانيا، تفك وحدة التحكم تشفير التعليمة المتاحة في المسجل وتترجمها إلى إشارة تحكم. ثالثا، تنفذ وحدة الحساب والمنطق التعليمة عبر إجراء العملية الحسابية على البيانات المطلوبة في المسجلات. رابعا، تحفظ نتائج تنفيذ التعليمات في الذاكرة الرئيسة.

أخطاء شائعة

الاعتقاد بأن ذاكرة الوصول العشوائي تحتفظ بالبيانات بعد إيقاف تشغيل الجهاز، والصحيح أنها ذاكرة مؤقتة تفقد بياناتها بمجرد انقطاع التيار عنها. الظن بأن فتح غطاء محرك القرص الصلب أمر آمن للاستكشاف، والصحيح أن دخول جزء صغير من الغبار يعرض رؤوس الدفع للتلف ويجعل القرص الصلب غير قابل للاستخدام.

سؤالان للتدريب مع الإجابة

السؤال الأول: ما الوحدة المسؤولة عن جميع العمليات الحسابية والمنطقية للبيانات داخل وحدة المعالجة المركزية؟ الإجابة: وحدة الحساب والمنطق. السؤال الثاني: ماذا يسمى الزمن المستغرق لقراءة مجموعة البيانات والذي هو حاصل مجموع وقت البحث ووقت الانتظار؟ الإجابة: وقت الوصول.