تطور نظم الحاسب: مقدمة وأجيال

الفصل الأول: تقنية نظم الحاسب من المكونات إلى التطبيقات

مقدمة عن تطور الحاسبات الآلية

• شهدت الحاسبات الآلية تطورات كبيرة نتيجة للابتكارات العلمية.
• بداية الحاسب الآلي كانت بظهور أول آلة حاسبة ميكانيكية عام 1642م بواسطة العالم الفرنسي باسكال.
• في عام 1835م، اخترع باباج أول آلة حاسبة، سماها الآلة التحليلية، وتعتبر أول كمبيوتر، لكنها لم تُبنَ بدقة ولم تعمل.
• في عام 1944م بدأ عصر الكمبيوتر الحديث، حيث اخترع المهندس آيكن أول كمبيوتر حديث أطلق عليه اسم "مارك".
• كانت المعلومات تدخل إلى الكمبيوتر عبر البطاقات المثقوبة، وكان يقوم بمعالجة الحسابات وتخزين البيانات وطباعتها.
• ظهر الكمبيوتر الإلكتروني عام 1948م، وشهد أول عملية عليه في 21 يونيو 1948.

أجيال الحاسبات وأنواعها

• منذ بداية الخمسينات من القرن العشرين، شهد مجال الحاسبات تطورات كبيرة في السرعة والذاكرة والقدرة على إجراء العمليات.
• تصنيف الكمبيوترات يتم حسب الأجيال، حيث يبدأ كل جيل بتطور مهم في المعدات أو البرامج.

الجيل الأول (الخمسينات)

• استخدمت كمبيوترات الجيل الأول الصمامات المفرغة، التي كانت تستهلك طاقة كهربائية عالية وتحتاج إلى حرارة عالية.
• تميزت بحجم كبير جدًا ووزن ثقيل، وسرعة بطيئة في تنفيذ العمليات، حيث بلغت 20 ألف عملية.
• اعتمدت الكمبيوترات على لغة الآلة واستخدمت الأسطوانة المغناطيسية لإدخال البيانات.

الجيل الثاني (1959-1965)

• تم استبدال الصمامات المفرغة بالترانزستور، مما جعل الحجم أصغر واستهلاك الطاقة أقل والعمر أطول.
• كانت الحاسبات أصغر حجماً وأعلى سرعة، حيث بلغت سرعتها مئات الآلاف من العمليات في الثانية.
• استخدمت الأشرطة والأقراص الممغنطة كذاكرة واستخدمت لغات مثل FORTRAN و Cobol.

الجيل الثالث (1965-1970)

• تميز بإنتاج الدوائر المتكاملة المصنوعة من رقائق السيليكون، مما أدى إلى حجم أصغر وتكلفة أقل.
• تم إنتاج سلسلة الحاسبات IBM 360، وأصبحت سرعة الحاسبات تقاس بالنانو ثانية.
• بدأ إنتاج الشاشات الملونة وأجهزة القراءة الضوئية، بالإضافة إلى أجهزة إدخال وإخراج سريعة وظهور الكمبيوترات المتوسطة.

الجيل الرابع

• شهد ثورة كبيرة في معدات الكمبيوتر والبرمجيات.
• استخدمت الدوائر المتكاملة الكبيرة LSI، وتميز بصغر الحجم وزيادة السرعة والدقة وسعة الذاكرة وقلة التكلفة.
• أصبحت السرعة تقاس بملايين العمليات في الثانية الواحدة.
• ظهرت الذاكرة العشوائية RAM والذاكرة الدائمة ROM وأجهزة إدخال وإخراج متطورة، بالإضافة إلى تطوير نظم التشغيل.

الجيل الخامس

• تميز بالإنتاجية العالية حيث يتعامل معها الإنسان مباشرة مع فهم المدخلات المحكية والمكتوبة والمرسومة.
• تمتع بزيادة هائلة في السرعات وسعات التخزين، وواكب ظهور الذكاء الاصطناعي ولغات متطورة جدا.
• امتازت حاسبات هذا الجيل بقدرات فائقة ودرجة عالية من الدقة.

تطور نظم الحاسب وتصنيف المعالجات

المعالج 8086 - 8088

• ظهر عام 1978 ويحتوي على ناقل بيانات 8 خط و ناقل عنوان 20 خط ومذبذب 4.77MHZ - 10MHZ.
• يمكن أن يستخدم مجال أوسع في الذاكرة (1018576 موقع)، وعملية معالجة البيانات أصبحت أسرع.

المعالج IAPX 286 - 80286

• يحتوي على ناقل بيانات 16 خط و ناقل عنوان 24 خط ومذبذب 6MHZ - 20MHZ.
• يتميز هذا النوع باتصاله بالذاكرة، استخدام ذاكرة وهمية يتيح للحاسب استعمال 16777216 موقع بالذاكرة.

المعالج 80386

• يحتوي على ناقل عنوان 32 خطا وقادر على استعمال 4294967296 موقع.

المعالج 80486

• يحتوي على ناقل بيانات 32 خطا و ناقل عنوان 24 خطا ومذبذب 20 MHZ - 33 MHZ-50MHZ.

المعالج PENTIUM

• أول معالج بنتيوم 1 ويبلغ السرعة القصوى700 MHz.
• ثاني معالج هو بنتيوم 2 ويبيع السرعة القصوى 300.
• المعالج الثالث هو بينتيوم 3 ويبلغ السرعة القصوى 1300 MHz.
• المعالج الرابع بنتييوم 4 وتتدرج سرعات هذا المعالج من 1.4 جيجاهرتز إلى ما يصل اليوم 3.06 جيجاهرتز.

المعالج بنتيوم 4 (Willamate)

• يُطلق عليه أيضًا نسبة إلى عدد الأبر فيه (423) ويُعتبر النسخة الأولى من البنتيوم 4، وسرعته القصوى 2 جيجاهرتز.

المعالج بنتيوم 4 (Northwood)

• يطلق أيضًا نسبة إلى عدد الأبر فيه (479) وهو النسخة المعدلة التي ما زالت تعتمدها إنتل لزيادة السرعة حتى وصلت إلى 3 جيجاهرتز.

core 2 duo

• يبلغ سرعته القصوى 1700 MHz.

core 2 quad

• يبلغ سرعته القصوى 2600X2 MHz ويعتبر معالجين في واحد.

core 2 quad

• هذا المعالج الضخم الذي يعتبر للأجهزة التي تستخدم للألعاب ويعتبر 4 معالجات في واحد ويبلغ سرعته القصوى MHz 4× 2600.

Xeon

• يأتي إلى أضخم معالج ويعتبر 8 معالجات في واحد وتبلغ سرعته القصوى 2600x8 Mhz وهذا المعالج يستخدم للسيرفرات والخوادم الضخمة جدا جدا.

المراحل الأساسية لتطوير النظام

• تتمثل في دراسات الجدوى والتصميم والبرمجة والتطبيق.
• دراسات الجدوى تتضمن حساب تكاليف إنشاء النظام وتحديد النتائج والمكاسب.
• التصميم يتضمن وضع الخطة المتعلقة بكيفية تنفيذ النظام.
• البرمجة تتضمن تحويل الخطوط العريضة إلى برامج الحاسب.
• التطبيق اختبار البرنامج للتأكد من مطابقته لمتطلبات المستخدمين.

أجزاء الحاسب: وحدة النظام SYSTEM UNIT

• هو الصندوق المعدني الذي يحوي تقريبا جميع مكونات الحاسب الأساسية وتأخذ أشكالا مختلفة منها الطولي (البرجي) TOWER والعرضي DESKTOP.
• وحدة الطاقة POWER SUPPLY هي وحدة التغذية الكهربائية الموجودة في صندوق الحاسوب (Chassis) وتؤكب به بالشركة المصنعة تعد من أهم المكونات المادية للجهاز.
• ليست وحدة منطقية أي أن المعالج لا يتعامل معها بشكل مباشر و لا تدخل في عملياته المنطقية و الحسابية بشكل مباشر.
• وحدة الطاقة عبارة عن محول كهربائي متعدد الجهود يعمل على تحويل الجهد الكهربائي من 220 أو 110 فولت متردد( AC) إلى جهد مستمر (DC) موزع على عدة قيم مختلفة وغيرها من الجهود المختلفة لتتناسب مع احتياجات كل مكون من مكونات الحاسب الداخلية.
• ألوان الأسلاك بوحدة تغذية الطاقة هي ألوان متفق عليه.
• قيمة كل لون تمثل الجهد الكهربائي مع مكان مُحدد على اللوحة الأم أو مشغلات الأقراص.
• مقبس ATX يوصل الطاقة إلى اللوحة الأم، ومقبس ATX 12V للمعالجات P4، ومقبس AUX.
• تمثل الألوان جهودًا مختلفة: +3.3 فولت (برتقالي)، +12 فولت (أصفر)، -12 فولت (أزرق)، +5 (أحمر)، و -5 فولت (أبيض).
• السلك الأسود يمثل الأرضي ولا يحمل جهد، والأخضر هو مفتاح التشغيل.

تقنية المشغلات والذاكرات

القرص الصلب

• هو القلب الديناميكي الوحيد في جهاز الحاسب و يحتوي على قطع متحركة.
• تخزين البيانات على القرص الصلب على هيئة ملفات Files، تتكون من bytes.
• مجموعة bytes قد تكون ASCII Code لمجموعة حروف أو تعليمات لبرنامج أو pixels لتعبر عن صورة.
• القرص يقرأ مجموعة ال Bytes المخزنة على المادة المغناطيسية ثم يجمعها ويرسلها للحاسب.
• مكونات القرص الصلب الداخلية تتضمن أجزاء ميكانيكية (مجموعة أقراص، محور مشترك، رأس للقراءة والكتابة) وأجزاء إلكترونية (لوح إلكتروني لتحويل الإشارات الكهربائية).

تقسيم القرص الصلب (HDD Partitioning)

• يجب تقسيم القرص الصلب لكي نستخدمه وهناك ثلاث أنواع من التقسيمات: أساسي (Primary)، ممتد (Extended)، ومنطقي (Logical).
• الأقسام الأساسية والممتدة هي أساسية، ويحتوي القرص الصلب الواحد على ثلاث أو أربع أقسام أساسية وقسم ممتد واحد فقط.
• لا يمكن للأقسام المنطقية أن توجد إلا داخل القسم الممتد، ويمكن للأقسام المنطقية أن تحتوي على ملفات عادية و بيانات.
• يمكن تسمية أقسام القرص الصلب بحروف الأبجدية الإنجليزية بدءًا من C.
• يشترط أن يكون القسم الأساسي أن يأخذ أي مساحة ثم يأخذ القسم الممتد المساحة المتبقية وكذلك الأقسام المنطقية.

الحاجة لتقسيم القرص الصلب:

• استخدام أكثر من نظام تشغيل.
• استخدام المساحة التخزينية على القرص بأفضل شكل.
• تأمين الملفات بشكل أكبر.

عنونة القطاعات :

• القرص يستخدم القطاعات كوحدة قياسية ، وطريقة العنونة تتضمن رقم الاسطوانة (Cylinder)، ورقم الرأس (Head)، ورقم القطاع (Sector) في المسار.

المشغلات

القرص الضوئي (Compact Disk)

• هو قرص مدمج مصنوع من الراتنج ومغطى بطبقة رقيقة من الألومنيوم العاكس.
• يعتمد على تكنولوجيا الليزر للتسجيل والاسترجاع.
• سعة التخزين كبيرة تتراوح بين 750 ميجابايت إلى 17 جيجابايت.
• وسيط للقراءة فقط ليس للكتابة أو الإضافة..
• يتكون مشغل الـ CD-ROM من دايود لإنتاج أشعة الليزر، منشورات ضوئية لتغيير المسار، محرك سيرفو للتحريك، مجموعة عدسات، كاشف ضوئى، ومرآة ..

أنواع الأقراص المدمجة (المتداولة)

• CD-R: قرص مدمج قابل للتسجيل فقط، وهو الأكثر استخداما.
• CD-RW: قرص مدمج قابل لإعادة التسجيل، أغلى من CD-R ويمكن حذفه وإعادة استخدامه أكثر من مرة.
• Audio CD-R: قرص مدمج قابل لتسجيل المواد الصوتية فقط.
• Audio CD-RW: قرص مدمج قابل لإعادة التسجيل مخصص للمواد الصوتية فقط.
• DVD: قرص فيديو رقمي بسعة كبيرة تصل إلى 4.7 جيجابايت ويستطيع تخزين 133 دقيقة من الأفلام عالية الدقة.

ذاكرات النظام

• ذاكرة النظام تتكون من مجموعة خلايا متجاورة ومعنونة.
• الخاصية المهمه لها هي ثبوت وقت الوصول إلى الخلايا.
• تستخدم الذاكرة لتخزين البيانات أو البرامج.
• تتضمن الذاكرة ذاكرة الوصول العشوائي (RAM)، الذاكرة المقروءة فقط (ROM)، الذاكرة المسرعة ( Cَache memory)، والذاكرة REGISTER -.

ذاكرة الوصول العشوائي (RAM)

• ذاكرة تعمل عشوائيا والوصول للبيانات بداخلها بشكل عشوائي وبدون ترتيب وبشكل سريع.
• كل قطعة ذاكرة عبارة عن دائرة متكاملة مركبة من ملايين الخلايا.
• وحدة كل خلية من هذه الخلايا تعادل 1 بت.
• تنقسم الرام الى نوعين : RAM الاستاتيكية (SRAM) RAM و الديناميكية (DRAM).
• SRAM سريعة وتحتفظ بالبيانات طالما أن بها تيار كهربي.
• DRAM لابد أن تتعرض لعملية إنعاش كل فترة معينة من الوقت وإلا فقدت البيانات.
• الذاكرة المقروءة فقط (ROM) ذاكرة غير متطايرة، يتم إعدادها بواسطة الشركة المصنعة ويُخزن بها المعلومات والتعليمات المطلوبة لبداية عمل الحاسب.
• الذاكرة المسرعة/ المخبئة/ الفورية (Cache memory) ذاكرة صغيرة سريعة جداً توضع بين المعالج والذاكرة العشوائية لتخزين المعلومات الأكثر طلباً.
• الذاكرة REGISTER ذاكرة داخلية لعنصر المعالجة المركزي (Processor) التي يستعملها للقيام بعمله وأسرع من كل أنواع الذاكرة السابقة.

الملحقات وبوبات الاتصال

منافذ متوالية (Serial Ports)

• يستخدم هذا المنفذ من طرف الحاسب لإرسال معلومات بالطريقة المتتالية و يحتوى هذا المنفذ على تسعة أرجل....

منافذ متوازية (parallel Ports )

• هذه التقنية تختلف عن تقنية المنافذ المتوالية (Serial) حيث أنها تنقل بسعة (8Bit) كل مرة وقد استخدمت هذه الطريقة في قطاع عريض من الأجهزة مثل الطابعات وبعض الماسحات الضوئية
• والمنفذ المتوازي يحتوي على 25 رجل وينقسم إلى ثلاثة منافذ هي سجل البيانات و سجل التحكم و سجل الحالة.

منافذ (USB)

أيضا منافذ متوالية وتسمى وهي المنفذ المتوالي العالمي

• يتراوح معدل نقل البيانات بواسطة هذا الناقل ما بين 100 و 400 ميجابايت/ث.

فتحات التوسعة Extension Slots (بوابات الاتصال)

• فتحات تستخدم لتركيب الكروت الخاصة ببعض ملحقات الحاسب لكي يمكن توصيلها باللوحة الأم وأشهرها : فتحة ISA وناقل MSA وناقل PCI.

اللوحة الأم

• تعتبر الجزء الأكثر أهمية في الحاسب وهي القطعة التي توصل عليها جميع القطع الأخرى في الحاسب لكي تنجز العمل المطلوب..

جودة اللوحة الأم وأهميتها تكمن في :

• السماح لجميع الأجزاء بالعمل و تبادل البيانات المطلوبة، التنسيق بين الأجزاء وعمليات الإخراج والإدخال الإساسية وتحديد نوع وسرعة المعالج وتحديد قابيلة الجهاز لزيادة السرعه وقدرته في المستقبل وتحديد نوعية الأجهزة الملحقة التي تستطيع تركيبها
• اللوحة الأم عليها طقم الرقاقات الذي يحدد الكثير من مميزات الحاسب وايضا جودة اللوحة الأم تؤثر في سرعة جهازك.

أهم أجزاء اللوحة الأم :

أنواع موصلات الطاقة

• المقبس الخاص بتوصيل محرك الأقراص المرنة 3.5 FDD
• المقبس الخاص بتوصيل الأنواع الجديدة من الأقراص الصلبة SATA

أداء الحاسب

• هو كفاءة وسرعة تنفيذ المهام المطلوبة ويتأثر بنوع المعالج وسرعته وقابليته للعمل لفترات طويلة.
• الحواسب تختلف في كفاءتها التشغيلية، لذا يجب أن يكون العاملون فيها على دراية بطبيعة الأجهزة المكونة للحاسب وخصائصها الفنية
• اللوحة الأم: جامعة للعديد من أجهزة ومكونات الحاسب الشخصي وتوجد في الأسواق أنواع مختلفة ويتوافق مع المنشأ التصنيعي لها.

عند شراء اللوحة الأم يجب الأخذ بالاعتبار الآتي :

• الشركة المصنعة وطقم الرقاقات وعدد المداخل ونوع الناقل ونوع البايوس وإذا كانت تتوفر على أحدث المنافذ ونوع الذاكرات والناقل وحجم اللوحة وتوافقها.
• وهي سرعة تبادل البيانات داخل المعالج وعدد النبضات.

المعالج مهم للتميز بين الأنواع المختلفة للمعالجات واختيار المناسب منها

• المعالج يقوم بجلب الأوامر المراد تنفيذها والمخزنة في الذاكرة العشوائية.
• يقوم بتحديد البيانات اللازمة لتنفيذ هذه الأوامر.
• يقوم بتنفيذ الأوامر ومن ثم إرسال نتائجها الى الذاكرة العشوائية.

يتم قياس كفاءة الحاسب وسرعة المعالج بـ :

• السرعة الداخلية وهي سرعة تبادل البيانات داخل المعالج .
• السرعة الخارجية وهي سرعة تبادل البيانات بين المعالج وبين الشريحة
• كون المعالج يحوي أكثر من خط لتنفيذ العمليات.

تحسين أداء الحاسب:

• من خلال بعض البرامج التي يمكن الاستعانة بها لتحسين أداء الحاسب مثل إلغاء خدمات الفهرسة وتحسين إعدادات العرض.

• لتحسين أداء جهاز الحاسب وتنفيذ المهام التي يريدها, يمكن شراء البرامج من أماكن بيع المستلزمات الحاسب أو من خلال تنزيلها من النت.

• للقياس ومراقبة أداء جهاز الحاسب , يتم من خلال ( زر ابدأ - تشغيل – كتابة الأمر perfmon.msc).