مكونات الحاسب المادية

مكونات الحاسب الآلي المادية (HARDWARE)
1. تعريف بالحاسب الآلي ومكوناته
إن الإنسان بطبيعته يتصرف بالأمور على النحو التالي:
1- يقوم الإنسان بتلقى البيانات (Data) ،
2- ثم يعالج المعطيات او البيانات (Process Data) ،
3- ويحصل على النتائج (Results) التي تساعده على اتخاذ القرارات التي يراها مناسبة.
فعلى سبيل المثال، عندما يرى الإنسان بعض الأشياء، فانه وبسرعة يحلل ما يرى، ثم يقوم بأخذها أو تركها. فرؤيته للنقود هذه تمثل تلقيه للبيانات، وتحليله السريع لما رأى هو معالجة هذه البيانات، ثم قراره في أخذ النقود أو تركها يمثل النتيجة أو القرار المناسب الذي اتخذه نتيجة لعملية التحليل. وهذه الصورة الطبيعية يمكن تمثيلها بالرسم التالي:
D P R

حيث يمثل كل من D و P و R ما يلي:
• D تمثل المعطيات الاولية (البيانات) المدخلة التي تحتاج إلى المعالجة،
• P تمثل طريقة المعالجة،
• R تمثل نتيجة المعالجة (التي يمكن أن تكون صحيحة أو خاطئة وهذا يعتمد على صحة البيانات المدخلة وصحة التحليل).
ومن المعلوم أن قدرة الإنسان على تذكر المعلومات و تحليل المسائل محدودة جدا. فمثلا يصعب على المدرس في الجامعة أن يتذكر جميع أسماء الطلاب والطالبات الذين يدرسهم. ويصعب على المحاسب في إحدى الشركات، مع خبرته بالعمليات الحسابية وكيفية تطبيقها، أن يحدد بنفسه وفي وقت محدود ومعقول قيمة العملية الحسابية التالية : (5*(22)2 + (13536)6 - 18/ (( 5)5+ 900)). لذا فان الإنسان يبحث عن عنصر فيزيائي آلي يستعين به على التخزين والتحليل وإصدار النتائج بسرعة، على أن تكون طبيعة هذا العنصر مشابهة لطبيعة الإنسان من حيث طريقة تلقي البيانات ومعالجتها بالصورة الملائمة واصدار النتائج. ويمكن أن نمثل هذا العنصر الفيزيائي بالرسم التالي:
D' P' R'

وتمثل D' البيانات المدخلة التي يفهمها العنصر الفيزيائي (المادي)، ويمثل كل من P' و R' طريقة التحليل والنتيجة. فالإنسان يتعامل بالطريقة (D,P,R)، ولا يستطيع أن يتعامل بالطريقة (D',P',R') لأنها طريقة خاصة بالعنصر الفيزيائي. وهذا الأخير لا يستطيع أن يتعامل بالطريقة (D,P,R) لأنها طريقة الإنسان. بمعنى آخر أن للإنسان لغة يتعامل بها وطريقة يحلل بها، وللعنصر الفيزيائي لغة أخرى يستخدمها لإدخال البيانات وتحليلها اتباعا للطريقة P'. لذلك كان لا بد من إيجاد طريقة تمكن الإنسان والعنصر الفيزيائي من التفاهم والتعامل مع بعضهم البعض. وهذه الطريقة هي بالطبع التي تحول D إلى D' (يقوم الإنسان بتجهيز وتحضير البيانات بشكل يلائم العنصر الفيزيائي) و R' إلى R (يقوم العنصر الفيزيائي بتحويل وترجمة النتيجة التي حصل عليها من ‘P الى شكل يلائم الإنسان). ونشير هنا إلى أنه يوجد لغات متعددة لبرمجة الحاسب الالي سوف نتعرض لها لاحقا.
فنمثل طريقة التحويل من D إلى D' بالدالة F وطريقة التحويل من R' إلى R بالدالة S. فيكون الشكل النهائي الذي يمثل التعامل بين الإنسان والآلة على النحو التالي:
D P R



D' P' R'
تعريف1 : الحاسب الآلي
الحاسب الآلي عبارة عن مجموعة من المكونات الفيزيائية (Hardware) والمكونات البرمجية (Software). وتُمثل المكونات الفيزيائية بالدوال التالية: F, D’, P’, R’, S. والعنصر الفيزيائي هو ما نسميه بالحاسب الآلي الذي يتلقى البيانات التي نسميها (Data) (والتي تكون على شكل إشارات كهربية مرتفعة ومنخفضة تمثل بالرقم 1 والرقم 0. ويطلق على هذه الاشارات عادة اسم الإشارات الرقمية (Digital Signals). ويعالج الحاسوب هذه الاشارات بسرعة هائلة بتطبيق برنامج (Program) الذي هو من صنع الإنسان المبرمج (Programmer). والبرنامج عبارة عن مجموعة من الأوامر أو التعليمات الواضحة التي تستطيع الآلة تنفيذها بدقة، ويعطي النتائج (Results) التي يخزنها في ذاكرته الدائمة مثل القرص الصلب (Hard Disk) بغرض استرجاعها فيما بعد ان دعت الحاجة الى ذلك.

تعريف 2 : الحاسب الآلي
الحاسب الآلي هو آلة حاسبة إلكترونية تتميز بسرعتها العالية في أداء العمليات الحسابية والمنطقية المعقدة. كما تتميز بقدرتها الفائقة على تخزين (كتابة) و استرجاع (قراءة) البيانات(Data) بدقة متناهية. وتتم العمليات الحسابية والمنطقية المعقدة وتداول البيانات من خلال مجموعة من التعليمات أو الأوامر يطلق عليها اسم برامج (Programs).



2. المكونات الأساسية الفيزيائية او المادية (Hardware) للحاسب الآلي
إن المكونات الفيزيائية الأساسية للحاسب الآلي تتكون من العناصر الفيزيائية التالية (انظر الشكل 1):
1. وحدة مركزية (Central Unit)
2. وحدات الإدخال والإخراج (Input/Output Devices)
3. وهذه العناصر الفيزيائية متصلة مع بعضها البعض بواسطة خطوط نسميها خطوط النقل Buses، وهي على ثلاثة أنواع: خطوط نقل البيانات ( (Data Buses,خطوط نقل العناوين (Address Buses) وخطوط التحكم (Control Buses)

الشكل 1: أجزاء الحاسوب
تعريف الوحدة المركزية (Central Unit)
تضم الوحدة المركزية (Central Unit) كل من العناصر التالية:
1. الذاكرة الرئيسة (RAM)
2. وحدة المعالجة المركزية (CPU)
3. خطوط النقل ((Buses
الذاكرة وأنواعها
الذاكرة هي عنصر فيزيائي يمكن الحاسوب من القيام بعمليات التخزين المؤقتة (التي تعتمد على الطاقة الكهربية أو أي مصدر آخر من مصادر الطاقة لحفظ المعلومات) والدائمة (التي لا تعتمد على الطاقة الكهربية لحفظ المعلومات). وهناك شكلان من الذاكرة.
ا- الذاكره الرئيسة
إن الذاكرة من هذا الشكل تتكون من مجموعة من الخلايا (Cells) المتجاورة والمعنونة حيث أن لكل خلية عنوان يميزها عن غيرها ويمكننا من الوصول إليها إما للتخزين بها (عملية كتابة Write) أو معرفة محتواها (عملية قراءة Read). كما أنها تمتاز بخاصية مهمة جدا وهي ثبوت وقت الوصول إلى الخلايا. بمعنى أن الوقت الذي يحتاجه عنصر المعالجة المركزي (المعالج (Processor للوصول إلى الخلية الأولى هو نفس الوقت الذي يحتاجه للوصول إلى الخلية الأخيرة. وتستعمل الذاكرة لتخزين البيانات (Data) أو البرامج (Programs) أو النتائج (Results). وهناك أصناف متعددة من الذاكرة، نذكر منها: RAM، ROM، PROM، EPROM، CACHE، .REGISTERوتقاس سعة الذاكرة (أو سعة التخزين) بالبايت Byte وسرعتها (أو سرعة تبادل المعلومات مع وحدة المعالجة المركزية CPU) بـ Nano Second (1 NS = 10-9 Second). أنظر الشكل 2.

ألشكل 2: بعض انواع الذاكرة وعلاقتها ببعضها البعض
الذاكرة RAM (أو الذاكرة العشوائية الاستدلال)
هي ذاكرة القراءة والكتابة أي أننا نستطيع أن نخزن بها ونسترجع منها المعلومات. وكلمة RAM هي اختصار لـRandom Access Memory. وهذه الذاكرة المعنونة والمنظمة ويشار إليها عادة بالذاكرة الرئيسية (Main Memory) التي يخزن بها الحاسوب البيانات والبرامج وكذلك النتائج. ويسمي هذا التخزين بالتخزين المبدئي أو الأولي أو المؤقت، ذلك لأن هذه الذاكرة تعتمد على الكهرباء لحفظ ما بها من معلومات فإذا انقطع التيار الكهربائي فقدت محتوياتها. وهذه الذاكرة هي التي يتعامل معها عنصر المعالجة المركزي (Processor). ويجب تخزين اي برنامج او امر يراد تنفيذه مبدئيا في ال RAMثم ينتقل إلى المعالج Processor. فكلما كانت هذه الأخيرة كبيرة كلما زادت قدرات الحاسوب على العمل بشكل أفضل.
ا لذاكرة ROM
هي ذاكرة للقراءة فقط. ويقوم الحاسوب بقراءة محتوياتها عادة عند بدء التشغيل ولا يستطيع أن يغير هذا المحتوى أو ان يضيف إليه أية معلومات. وكلمة ROM هي اختصار لـ (Read Only Memory) ونشير كذلك إلى أن المعلومات المخزنة في هذه الذاكرة لا تمحى بانقطاع التيار الكهربائي. وهذه المعلومات، والتي تكون عادة مجموعة من الأوامر تستخدم لتهيئة الحاسب (مثل التأكد من وجود الذاكرة الرئيسية RAM وسلامتها، وكذلك التحقق من سلامة الأجهزة المتصلة بالوحدة الرئيسة مثل الشاشة والمفاتيح وغيرها، كما تقوم بالبحث عن نظام التشغيل الذي يتولى قيادة الحاسب وتلقي الأوامر من المستخدم ونقلها إلى عنصر المعالجة)، والمعروف أن الشركة المصنعة للجهاز مثل شركة IBM أو غيرها هي التي تقوم ببرمجتها ووضع التعليمات فيها.
الذاكرة PROM
هي الذاكرة القابلة للبرمجة مرة واحدة فقط. فإذا بُرمجت ووضعت فيها التعليمات أو البرامج، تحولت إلى (ROM). والحرف P يعني (Programmable) أي قابلة للبرمجة. وتستخدم هذه الذاكرة عادة لتخزين بعض البرامج بهدف تسريع تنفيذها في الحاسوب.
الذاكرة EPROM
هي الذاكرة القابلة للبرمجة عدة مرات. أذ يمكن للتعيمات والاوامر أن تخزن فيها ثم تعدل وتستبدل لاحقا، كأن يضاف إليها أو يحذف منها بعض المعلومات. والحرف E يعني (Erasable) أي قابلة للحذف.
الذاكرة الفورية Cache
الذاكرة كاش (Cache) هي الذاكرة المساعدة السريعة. وتقدر سرعة استرجاع البيانات منها بحوالي 10 أضعاف سرعة استرجاعها من الذاكرة (RAM). وهذا النوع من الذاكرة غالي السعر ومرتفع التكاليف مقارنة بالذاكرة RAM ويقدر السعر بحوالي 100 مرة أغلى من الذاكرة الرئيسة ( RAM). ونتيجة لذلك هي محدودة الحجم.

الذاكرة REGISTER
هي الذاكرة الداخلية لعنصر المعالجة المركزي (Processor) التي يستعملها للقيام بعمله (أي يستعين بها لاتمام تنفيذ الأوامر). وهي أسرع من كل أنواع الذاكرة السابقة الذكر (بحوالي 10 مرات أسرع من الذاكرة الفورية Cache) إلا أنها محدودة الحجم جدا (ونشير كذلك إلى أن بعض مكونات الحاسب الداخلية عندها هذا النوع من الذاكرة).

ب- الشكل الثاني (وسائط التخزين الدائمة أو الذاكرة المساعدة
( Auxiliary Storage Devices)
الذاكرة من هذا الشكل عادة ما تكون دائرية مثل القرص الصلب والقرص المرن والقرص الضوئي التي تعتمد على الدوران السريع ورؤوس قراءة وكتابة (Read/Write Heads) للوصول إلى أماكن المعلومات (ونشير إلى عدم ثبوت وقت الحصول على المعلومات في مثل هذه الأوساط). ومنها طولية مثل الشريط المغناطيسي. وهذه الذاكره هي التي يشار إليها بوسائط التخزين الثانوية أو المساعدة، حيث أن المعلومات المخزنة مبدئيا في الذاكرة الرئيسة RAM (التخزين الأولي) تعتمد على الكهرباء في بقائها. فدوامها متعلق باستمرار التيار الكهربي، لذا فهي تنتقل إلى عنصر من عناصر التخزين الدائم الذي لا يعتمد على الكهرباء لحفظها بشكل دائم ومستمر. وهناك عدة أنواع من هذه العناصر، نذكر منها:



1. القرص الإلكتروني الصلب (Hard Disk )
هذا العنصر الإلكتروني هو من أهم وسائط التخزين الدائمة والمساعدة لحفظ واسترجاع المعلومات (انظر الشكل 3). وهو مؤلف من مجموعة من الدوائر أو المسارات المرقمة (0، 1، 2،… ). وعادة ما يطلق على المسارات المتوازية والتي تحمل نفس الرقم اسم اسطوانه (Cylinder). وفوق كل دائرة أو (Cylinder) يوجد رأس قراءة وكتابة (Read/Write Head) للوصول إلى الأماكن (لقراءة أو كتابة المعلومات). كما أن كل اسطوانه مقسمة إلى دوائر وقطاعات (Sectors, Tracks) مرقمة، وبالتالي يتمكن الحاسوب من معرفة مكان أو عنوان البيانات التي يراد قراءتها او تخزينها في القرص يكفي معرفة رقم الـ Cylinder والـ Sector والـ Track. والقرص الصلب يكون عادة مثبت داخل الوحدة المركزية (ويسمى بالقرص الصلب الداخلي). وهناك أنواع منه تكون خارج الوحدة المركزية (وتسمى بالأقراص الصلبة الخارجية). ويمتاز القرص الصلب بقدرته التخزينية الضخمة التي تتراوح حاليا بين 80 GigaBytes و 4 GigaByte.



الشكل3: رسم يوضح القرص الصلب من الداخل


2. القرص المغنطيسي المرن (Magnetic Disk or Diskette)
هو عبارة عن صورة مصغرة من القرص الصلب Hard Disk، مؤلف من دائرة واحدة فقط (One Cylinder) وهو مغناطيسي الصنع محدود السعة، خفيف الوزن وسهل الحمل. تتراوح سعته عادة بين 1.2 ميجابايت و 720 كيلو بايت بالنسبة للأقراص بحجم (5"1/4) بوصة، وبين 1.44 ميجابايت و 1.2 ميجابايت بالنسبة للأقراص بحجم (3"1/2) بوصة. وله قارئ خاص عادة ما يكون داخل الوحدة المركزية. ولمعرفة أي عنوان يكفي معرفة رقم ال Sector ورقم ال Track.



الشكل 4: رسم يوضح القرص المغناطيسي 3.5” و “5 1/4
3. القرص الضوئي (Compact Disk)
يعتمد القرص الضوئي على تكنولوجيا الليزر لتسجيل واسترجاع المعلومات. وهو الأكثر استعمالا في عصرنا الحالي، حيث أن ثمنه نسبيا زهيدا جدا وقدرته التخزينية كبيرة. فهي تتراوح بين 750 ميجابايت بالنسبة للأقراص من نوع CD-ROM، إلى 17 Gigabytes بالنسبة للأقراص من نوع DVD-ROM وهي قدرة هائلة جدا. ويمكن أن نخزن فيهم أصوات وصور ونصوص. إلا أن هذا النوع من الوسائط هو للقراءة فقط. فلا نستطيع أن نحذف ولا أن نضيف. وللتسجيل على هذه الأقراص هناك جهاز خاص لذلك يحفر المعلومات على القرص باستعمال شعاع الليزر. ولقراءة هذه الأقراص هناك أجهزة خاصة لذلك تسمى CD-ROM Drive بالنسبة لـ CD-ROMو DVD-ROM Drive بالنسبة لـ DVD-ROM.




ألشكل 5: القرص الضوئي وطريقة القراءة والكتابة باستخدام الليزر
4. الشريط المغنطيسي (Magnetic Tape)
هو من وسائط التخزين الدائمة التي تحفظ المعلومات بطريقة تتابعيه الواحدة تلو الأخرى بمعنى أنه إذا أردنا الحصول على المعلومة العاشرة، على سبيل المثال، فانه ينبغي علينا أن نقرأ المعلومة الأولى ثم الثانية ثم الثالثة وهكذا حتى نصل إلى المعلومة العاشرة! ويمتاز الشريط بقلة ثمنه وقدرته على حفظ كم هائل من المعلومات التي تصل إلى أكثر من 2 Gigabytes للشريط الواحد. ويستعمل الشريط لحفظ الأرشيف (Backup) التي تحتوي على كميات كبيرة من المعلومات. ويمكن أن نخزن عليه المعلومات عدة مرات، وهو قابل للقراءة والكتابة. كما أن له قارئ خاص يسمى Tape Drive. ألشكل 6 يعرض صورة الشريط المغناطيسي.

الشكل 6: رسم يوضح الشريط المغناطيسي ورأس القراءة والكتابة
وحدات القياس سعة الذاكرة
أنه من المعلوم أن لكل شيء وحدة قياس معينة تميزه عن غيره. فوحدة قياس السوائل هي اللتر, والأقمشة تقاس بالمتر, والمسافات تقاس بالكيلومتر واللاوزان تقاس عادة بالكيلو غرام وهكذا. وفيما يلي نبين وحدات القياس الخاصة بالمعلومات.
ا- قياس المعلومات
إن المعلومات تقاس بالبايت (Byte)، ومشتقاتها مثل الكيلو بايت (KiloByte)، والميجابايت (MegaByte)، والجيجابايت (GigaByte).
ب- تعريف البت (Bit)
إن المعلومات (Data - Programs) المخزنة في الحاسب هي معلومات أو إشارات رقمية(Numerical or Digital Signals ) مؤلفة من رمزين هما الصفر والواحد اللذين يعبران عن حالتين هما (الحالة on والحالة off أو وجود أو عدم وجود لشحنة كهربائية أو إشارة كهربائية مرتفعة وإشارة كهربائية منخفضة). فالمكان القادر على تخزين إما الرقم صفر أو الرقم واحد نقول عنه أنه قادر على تخزين خانة ثنائية واحدة (1 bit) أو (1 Binary Digit).


ج- تعريف البايت (Byte)
البايت هو مجموعة مؤلفة من ثمانية خانات ثنائية (8 bits) أي إننا نستطيع أن نخزن فيها مجموعة من الاصفار والاحاد عددها ثمانية. فمثلا المجموعة 01100001 تحتاج إلى 1 Byte لكي تخزن والمجموعة 01110011 تحتاج أيضا بايت واحد فقط أما المجموعة 01110111 01110001 تحتاج إلى 2 Bytes. كما أنه في كل بايت نستطيع أن نخزن (28 = 256) رقما مختلفا (مجموعة واحدة في وقت واحد). ونشير كذلك أنه في البايت الواحد نستطيع أن نخزن حرف واحد مثل (a, b, c, …z, A, B, C, …) أو إشارة واحدة مثل (<, > , +, @, &, %, …) أو رقم عشري واحد مثل .(0, 1, 2, 3, …9) إذ أن كل حرف أو إشارة أو رقم عشري يمثل في مجموعة من 8 bits. فمثلا الحرف A يحتاج الى بايت واحد لتخزينه. ويمثل بالرقم 01000001 الحرف A.
ح- تعريف الكيلو بايت (KiloByte)
الكيلو بايت يساوي 1024 بايت. مما يعني أننا في واحد كيلو بايت نستطيع أن نخزن 1024 حرف أو إشارة أو رقم. ونستخلص مما سبق المعادلة التالية:
1 KiloByte (KB) = 1024 Bytes (B) = 1024*8 bits

خ- تعريف وميجابايت (MegaByte)
الميجابايت تساوي 1024 كيلو بايت. فلدينا إذن المعادلة التالية:
1 MegaByte (MB) = 1024 KB = 1024 * 1024 B = 1024 * 1024 * 8 bits
هـ- تعريف الجيجابايت (GigaByte)
الجيجابايت تساوي 1024 ميجابايت. وبتالي:
1 GigaByte (GB) = 1024 MB = 10242 KB = 10243 B = 10243 * 8 bits



والجداول التالية تلخص كل المعادلات السابقة.
Bits Bytes KB: Kilobytes MB: Megabytes GB: Gigabytes
Bit = 1 // // // //
1 Byte = 8 1 // // //
1KB: KiloByte = 8 *210 210 1 // //
1MB: MegaByte = 8 *220 220 210 1 //
1GB: Gigabyte = 8 * 230 230 220 210 1
تقاس سعة الذاكرة بالبايت (BYTE) و مضاعفاته
جيجا GB ميجا MB كيلو بايت KB بايت BYTE بت BIT
جيجا بايت GB = 1 1024 = 210 1024*1024 =
220 1024*1024*1024 =
230 8*1024*1024*1024 = 8*230
ميجا بايت MB = 1 1024 = 210 1024*1024 =
220 8*1024*1024 = 8*220
كيلو بايت KB = 1 1024 = 210 8*1024 = 8*210
بايت = BYTE 1 8
او
GB =1024 MB MB=1024KB KB=1024 BYTES
GB ~ 109 Bytes MB ~ 106 Bytes KB ~ 103 Bytes
BYTE= 8Bits