هيكلة فون نيومان

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة

جون فون نيومان

الميلاد	1903 بودابست, هنغاريا
الوفاة	1957 واشنطن دي سي, الولايات المتحدة الأمريكية

حاسوب

مقدمة:لقد كانت المعلوماتية في وقت مضى حكرا على مجموعة من العلماء و الأساتذة النابغين، و كان الحاسوب ملكا للدولة بسبب كبر حجمه و ارتفاع تكلفته أما اليوم فهو في متناول الجميع إذ يمكن وضعه فوق المكتب على مقربة من مستعمله نظرا لصغر حجمه و انخفاض تكلفته .. و الإعلام الآلي اليوم لم يعد ذلك الممنوع (Tabou)، لم يعد استخدام الحاسوب حكرا على ذوي المهارات و الشهادات، فبوسع كل من يمتلك شيئا من الذكاء و المعرفة أن يمتلك مفاتيحه و يغوص في أغواره بكل مهارة إذ أن الحاسوب غير معقد كما يتصوره البعض فهو سهل الاستعمال و لا يتطلب معرفة خاصة للغات البرمجة، كما أن مستعمله لن يخشى ارتكاب أخطاء كبيرة كمحو حجم معتبر من المعلومات من الذاكرة ما دام يتبع تعليمات الحاسوب خطوة بخطوة . يجب على كل مجتمع مهما كانت نوعية نشاطاته أن يختزن كمية هامة من المعلومات على وثائق نموذجية قياسية (Standard) و كلما كثرت الوثائق المحررة وجب تدخل الحاسوب ليقوم بتشكيل السجلات الخاصة بتخزينها و بإيجاد المعلومات الصحيحة التي يحتاجها المستعمل وقت الحاجة وتتم معالجة المسائل المدونة على الوثائق عند استخدام الحاسوب بسهولة تامة . و لهذا الغرض ما فتئ مستعملو الحاسبات يتساءلون عن كيفية استغلالها بشكل فعال في المؤسسات، و الحقيقة أن الأمر يعود قبل كل شيء إلى مردودية المستعمل في حد ذاته و تتعلق هذه المردودية بثلاثة عوامل هي: -1 مراعاة المدة اللازمة للتحكم في الحاسوب كآلة. -2 المدة اللازمة لإتقان استعمال البرامج التطبيقية (logiciels d’application). -3 حجم الأعمال و تعقيدها. و ختاما أقدم هذا التقرير الذي يتناول عموميات حول المعلوماتية الصغيرة بتقديم مكونات الحاسوب الشخصي و مـلحقاته ، راجية من الله تعالى أن أكون قد قدمت به معلومات مفيدة و قيمة، و الله الـمستـــعان. تتعدد الحاسبات بشكل واسع في الوقت الحاضر حسب أثمانها و مهامها ، فهي تشمل الحاسبات العائلية(PC Familiaux) غير المعقدة و المكلفة إلى أن تصل إلى الحاسبات الصغيرة ذات الإدارة الكلية. إن هذا الفصل يبين خواص الحاسبات الشخصية و يبرز المهام التي تجعلها ذات منفعة خاصة و منه يساعد المستعمل على إيجاد الخواص الضرورية لتنفيذ أمثل لتطبيقاته.

ونحن نتساءل، ما هو الحاسوب ؟

يعتبر م. بيري (M. perret) و هو أستاذ في السوربون أول من أدخل كلمة حاسوب (ordinateur/ computer) بطلب من شركة (I.B.M) الأمريكية عام (1956 م) بغرض ترجمة (Electronic data processor) -المعالج الإلكتروني للمعطيات- المعبر عنها بـــ (E.D.P) و قد وضحنا فيما تقدم أن الحاسوب آلة إلكترونية مبرمجة بغرض معالجة المعلومات الرقمية فيقوم بحساب و ترتيب و إحداث بعض التغييرات على ما يقدم له من معطيات تتعلق بها كيفية و صحة النتائج المتحصل عليها . إن الحاسوب لا ينشئ المعلومات و إنما ينظمها و لا يقوم بعمليات حسابية فحسب و إنما يتعداها إلى استعمال الرموز الأبجدية (Alphanumérique).و بشكل عام يستعمل كل مجموعة منظمة من المعلومات و لمعالجتها يجب أن تكون مشفرة في نظام الترقيم الثنائي (Code binaire) بحيث يعبر عن كل المعلومات بمجموعات منسقة من الرقمين (0) و(1) . و بمجموعة منها يمكن للحاسوب أن يستقبل و يعالج و ينقل نتائج المعالجة بشكل يفهمه (مثل : 1011110101101001) و يسمى كل من الرقمين (0)و(1) اصطلاحا.. و يرجع منشأ الحاسوب إلى مجهودات الرياضي الأمريكي ذي الأصل المجري ج. فون نيومان (John van Newman) و الذي عاش في الفترة الممتدة ما بين( 1903م و1957)، و قد كانت الآلات المستعملة وقتها مجهزة بذاكرة (mémoire) تحفظ المعطيات (données) و لم تكن قادرة الا على حل عمليات حسابية.

هيكلة حاسوب (جون فان نيومان):

لقد قام العالم الرياضي ( جون فان نيومان) و معاونيه عام 1954م بتحديد القواعد الأساسية التي نستعملها حتى الآن في تصميم الحاسبات و نجملها في ثماني (08) نقاط، هي: 1- هيكلة الحاسبات على أساس وحدات منفردة لكل منها مهمتها الخاصة بها. 2- تقسيم الذاكرة الداخلية إلى وحدات أولية تدعى بالخلايا (cellules). و ترفق كل خلية برقم خاص يدعى بالعنوان (adresse). 3- تخزن الخلية وحدة أولية واحدة من المعلومات. 4- يستعمل نظام الترقيم الثنائي لتشفير كل الأوامر و التعليمات و المعطيات. 5- تخزن الأوامر و المعطيات في نفس الذاكرة الداخلية (المركزية). 6- تتابع ترقيم عناوين خلايا الذاكرة التي تحفظ الأوامر المتتالية التنفيذ. 7- تنفذ الأوامر (commandes) بشكل تتابعي - (يبدأ الثاني بعد انتهاء الأول ). 8- يمكن توقيف ترتيب تنفيذ التعليمات بواسطة تدخلات شرطية ( conditionnelles ) أو لا شرطية Inconditionnelles ).) حيث في عام 1946م تمكَّن العالِم فون نيومان (Von Neuman) من جعل الكومبيوتر قادراً على تخزين وتنفيذ برامج عديدة . وقد سُميت فكـرته " بمبدأ تخزين البرامج " ، وطُبقت في بريطانيا في عام 1949م عند ابتكار جهاز " إيدساك " (EDSAC) والذي يعني Electronic Delay Storage Automatic Calculator . ألف جون فون نيومان كتاباً بعنوان "المسودة الأولى من تقرير حول ال EDVAC" والذي أجمل فيه هندسة برامج الحاسوب المخزنة بينما تغيرت التقنيات المستخدمة في الحاسبات بصورة مثيرة منذ ظهور أوائل الحاسبات الإليكترونية متعددة الاغراض من أربعينات القرن العشرين ، ما زال معظمها يستخدم بنية البرنامج المخزن (يطلق عليها في بعض الاحيان بنية von Neumann). استطاع التصميم جعل الحاسب العالمي حقيقيا جزئيا.

تصف البنية حاسبا ذا أربع اقسام رئيسية: وحدة الحساب و المنطق (ALU) و دائرة التحكم و الذاكرة و أجهزة الإدخال و الإخراج (يعبر عنها بمصطلح I/O). هذه الاجزاء تتصل ببعضها عن طريق حزم من الاسلاك (تسمى "النواقل" عندما تكون نفس الحزمة تدعم أكثر من مسار بيانات) و تكون في العادة مساقة بمؤقت أو ساعة (مع أن الاحداث الاخرى تستطيع أن تقود دائرة التحكم).

فكريا، من الممكن رؤية ذاكرة الحاسب كأنها قائمة من الخلايا. كل خلية لها عنوان مرقم و تستطيع الخلية تخزين كمية قليلة و ثابتة من المعلومات. هذه المعلومات من الممكن أن تكون إما تعليمة (أمر) و التي تخبر الحاسب بما يجب أن يفعله و إما أن تكون بيانات و هي المعلومات التي يقوم الحاسب بمعالجتها باستخدام الأوامر التي تم وضعها على الذاكرة. عموما، يمكن استخدام اي خلية لتخزين إما أوامر أو بيانات.

إن وحدة الحساب و المنطق بالعديد من المعانى هي قلب الحاسب. إنها قادرة على تنفيذ نوعين من العمليات الأساسية. الأولى هي العمليات الحسابية، جمع أو طرح رقمين سويا. إن مجموعة العمليات الحسابية قد تكون محدودة جدا، في الواقع، بعض التصميمات لا تدعم عمليتي الضرب و القسمة بطريقة مباشرة (عوضا عن الدعم المباشر، يستطيع المستخدمون دعم عمليتي الضرب و القسمة و ذلك من خلال برامج تقوم بمعالجات متعددة للجمع و الطرح و الارقام الاخرى). القسم الثاني من عمليات وحدة الحساب و المنطق هي عمليات المقارنة: بإدخال رقمين، تقوم هذه الوحدة بالتحقق من تساوي او عدم تساوي الرقمين و تحديد أي الرقمين هو الأكبر.

إن أنظمة الإدخال و الاخراج هي الوسائل التي تجعل الحاسب يستقبل المعلومات من العالم الخارجي و يقرر النتائج ثانية إلى العالم. في الحاسب الشخصي العادي تتضمن أجهزة الإدخال مكونات مثل لوحة المفاتيح و الفأرة و تتضمن أجهزة الإخراج الشاشات و الطابعات و ما يشابهها، و لكن من الممكن توصيل مجموعة ضخمة و متنوعة من الأجهزة إلى الحاسب و تعمل كأجهزة إدخال و إخراج.

إن نظام التحكم يجمع كل ذلك. إن وظيفته هي قراءة الاوامر و البيانات من الذاكرة أو من أجهزة الإدخال و الإخراج، و كذلك فك شفرة الأوامر، تغذي وحدة الحساب و المنطق بالمدخلات الصحيحة طبقا للأوامر، تخبر وحدة الحساب و المنطق بالعملية الواجب تنفيذها على تلك المدخلات و تعيد إرسال النتائج إلى الذاكرة أو إلى أجهزة الإدخال و الإخراج. يعتبر العداد من المكونات الرئيسية في نظام التحكم و الذي يقوم بمتابعة عنوان الأمر الحالي، في العادة يزداد قيمة العنوان في كل مرة يتم فيها تنفيذ الأمر إلا إذا أشار الأمر نفسه إلى أن الأمر التالي يجب أن يكون في عنوان آخر (ذلك يسمح للحاسب بتنفيذ نفس الأوامر بطريقة متكررة).

بدءا من ثمانينات القرن العشرين، صار كل من وحدة الحساب و المنطق و وحدة التحكم (يسميان مجتمعان بوحدة المعالجة المركزية CPU) في المعتاد موجودين في دائرة متكاملة واحدة تسمى المعالج الدقيق (المايكروبروسيسور).

إن آلية عمل أي حاسب في الأساس تكون واضحة تماما. في المعتاد، في كل دورة زمنية يقوم الحاسب بجلب الأوامر و البيانات من الذاكرة الخاصة به. يتم تنفيذ الأوامر، يتم تخزين النتائج، ثم يتم جلب الأمر التالي. هذا الإجراء يتكرر حتى تتم مقابلة أمر التوقف.

إن الأوامر التي تقوم وحدة التحكم بتفسيرها و تقوم وحدة الحساب و المنطق بتنفيذها يكون عددها محدود، و محددة بدقة و تكون عمليات بسيطة جدا. بصفة عامة، فإنها تندرج ضمن واحد أو أكثر من أربعة اقسام:

نقل بيانات من مكان لاخر (مثال على ذلك أمر "يخبر" وحدة المعالجة المركزية أن "تنسخ محتويات الخلية 5 من الذاكرة و وضع النسخة في الخلية 10") تنفيذ العمليات الحسابية و المنطقية على بيانات (على سبيل المثال "قم باضافة محتويات الخلية 7 إلى محتويات الخلية 13 و ضع الناتج في الخلية 20") اختبار حالة البيانات ("لو أن محتويات الخلية 999 هي 0 فإن الامر التالي يكون موجود في الخلية 30") تغيير تسلسل العمليات (يغير المثال السابق تسلسل العمليات و لكن الاوامر مثل "الامر التالي يوجد في الخلية 100" تكون ايضا قياسية). إن الأوامر تكون ممثلة مثل البيانات في صورة شفرة ثنائية (نظام للعد قاعدته الرقم 2). على سبيل المثال، الشفرة لنوع من انواع عملية "نسخ" في المعالجات الدقيقة من نوع Intel x86 هي 10110000. إن الأمر الجزئي يكون معد بحيث أن حاسب معين يدعم ما يعرف بلغة آلة الحاسب. إن استخدام لغة الالة سابقة التبسيط جعلها أكثر سهولة لتشغيل برامج موجودة على آلة جديدة: و هكذا في الأسواق حيثما تكون إتاحة البرامج التجارية أمرا ضروريا فإن المزودين يتفقون على واحد أو عدد صغير جدا من لغات الآلة البارزة.

إن الحاسبات الأكبر مثل (minicomputers و mainframe computers و servers) تختلف عن الأنواع السابقة في أمر هام هو أن بدلا من وجود وحدة معالجة مركزية واحدة فإنه في الغالب يوجد أكثر من وحدة. غالبا ما تمتلك الحاسبات السوبر بنيات غير عادية بدرجة كبيرة و هذه البنيات مختلفة بشكل ملحوظ عن بنية البرنامج المخزن الاساسية و في بعض الاحيان تحتوي على الآلاف من وحدة المعالجة المركزية، و لكن مثل هذه التصميمات تصبح ذات فائدة فقط لأغراض متخصصة

الدوائر الرقمية: إن التصميم الفكري أعلاه من الممكن أن يطبق باستخدام تشكيلة من التقنيات المختلفة، إن حاسب البرنامج المخزن يمكن تصميمه كليا من مكونات ميكانيكية مثل الحاسب الذي صممه Babbage. على الرغم من ذلك، تسمح الدوائر الرقمية بتطبيق منطق Boolean و الحساب باستخدام الأرقام الثنائية باستخدام الحاكمات (relays) بصورة أساسية و مفاتيح يتم التحكم فيها كهربيا. لقد بين لنا فرض Shannon الشهير كيف يمكن ترتيب الحاكمات (relays) لتشكيل و حدات تسمى بالبوابات المنطقية (logic gates) و تنفيذ العمليات البولينية البسيطة. و بعد ذلك، قرر الآخرون أن الانابيب الصمامية (أجهزة إليكترونية) من الممكن أن تستخدم عوضا عن الحاكمات. تستخدم الأنابيب الصمامية أساسا كمكبر إشارة في الراديو و التطبيقات الاخرى، و لكنها استخدمت في الإليكترونيات الرقمية كمفتاح سريع جدا: فعندما يتم توصيل الكهرباء لطرف من أطرافه يستطيع التيار المرور بين الطرفين الاخرين.

يمكن إنشاء دوائر رقمية لعمل مهام أكثر تعقيدا و ذلك باستخدام ترتيبات معينة للبوابات المنطقية، على سبيل المثال الجامع، و الذي يطبق في الإليكترونيات نفس الطريقة الفنية المستخدمة في الحاسبات

[تحرير] مكونات الحاسب

مكونات الحاسوب:

يقصد بمكونات الحاسوب المكونات الصلبة أو العتاد Hardware فقط. من الممكن القول أن أي نظام حاسوبي يحتوي على الأجزاء التالية بأشكاله المختلفة:

وحدة المعالجة المركزية -و يطلق عليه اختصارًا "المعالج"- و هو المسئول عن معالجة العمليات الحسابية و تنفيذها
اللوحة الام Motherboard
ذاكرة الوصول العشوائي RAM
وحدات إدخال وإخراج البيانات مثل لوحة المفاتيح والفأرة والشاشة.

و هناك مكونات أخرى تعتبرPenis مكملة لعمل الحاسوب مثل:

الطابعة
الماسح الضوئي
الاجهزة الصوتية و المرئية أو الوسائط المتعددة

بالإضافة إلى المكونات الصلبة فإن الحاسوب يحتاج إلى:

نظام تشغيل ليس من مكونات الحاسوب و يعتبر من المكملات
البرامج ليست من مكونات الحاسوب و تعتبر من المكملات، و يشبه البعض العلاقة بين البرامج و الحاسوب بالعلاقة بين الروح و الجسد.