01-02- بنية الحاسب [24-32].pdf
Document Details
Uploaded by DedicatedSilver
الحكم بن هشام بالمهد - مسارات
Tags
Related
- Introduction to IT and COMPUTING Module 1-5 PDF
- (The Morgan Kaufmann Series in Computer Architecture and Design) David A. Patterson, John L. Hennessy - Computer Organization and Design RISC-V Edition_ The Hardware Software Interface-Morgan Kaufmann-24-101-54-65.pdf
- HMI 2102 Medical Imaging Computer Science PDF
- Computer Organization and Design PDF
- CMPE 101 Module 3: Evolution of Computing Systems and Processors PDF
- Computer Architecture Lecture 1 PDF
Full Transcript
ن الثا�: الدرس ي ُ بنية الحاسب واس�جاع البياناتُ .ي َّ ت زود الحاسب بالتعليمات ويه :معالجة البيانات ،وحفظ البيانات، تؤدي أجهزة الحاسب تثالث مهام أساسية ي ِّ ف ئ الثنا� وذلك العتماد الحاسب عليها .وهناك سمة رئيسة ي� لينفذها ويحفظها ويس�جعها ،ويجب أن تكون ا...
ن الثا�: الدرس ي ُ بنية الحاسب واس�جاع البياناتُ .ي َّ ت زود الحاسب بالتعليمات ويه :معالجة البيانات ،وحفظ البيانات، تؤدي أجهزة الحاسب تثالث مهام أساسية ي ِّ ف ئ الثنا� وذلك العتماد الحاسب عليها .وهناك سمة رئيسة ي� لينفذها ويحفظها ويس�جعها ،ويجب أن تكون التعليمات بالنظام ي ت ت ال� تحفظها. ال� تعالج المعلومات منفصلة عن الوحدات ي ويه أن الوحدات ي أجهزة الحاسب ي ً ت ال� أصبحت أساسا تتبعه أجهزة الحاسب الحديثة ،ويعتمد وضع فون نيومان ( )Von Neumannمعما فرية الحاسب الرئيسة ي ً ف تصميم نيومان عىل أساس هيكلة الحاسبات ي� شكل وحدات منفردة لكل منها مهمتها الخاصة بها .وستتعرف عليها تفصياًل ي� هذا الدرس. ت ال� تتعامل وحدة الذاكرة الرئيسة ي مع البيانات والتعليمات. وحدات اإلخراج Output Devices ت ال� تنقل البيانات إىل داخل وحدات اإلدخال ي الحاسب ،مثل لوحة المفاتيح والفأرة. الذاكرة الرئيسة Main Memory وحدة المعالجة المركزية CPU وحدات اإلدخال Input Devices النواقل Bus ت ال� تنقل وحدات اإلخراج ي البيانات من الحاسب إىل أجهزة اإلخراج ،مثل شاشة الحاسب والطابعة. جميع مكونات الحاسب تتصل ً معا ع� شبكة من الموصالت تسىم نواقل ب ت ع�ها البيانات داخل وال� تنتقل ب ي الحاسب. لمحة تاريخية 24 ت ال� تحتوي وحدة المعالجة المر ُكزية ( )CPUي ين ين فرعي� يشكالن قلب الحاسب: مكون� عىل ويه وحدة الحساب والمنطق ( )ALUي المسؤولة عن جميع العمليات الحسابية ت ال� والمنطقية للبيانات .وحدة التحكم ( )CUي تتأكد من عمل جميع مكونات الحاسب ً معا لتنفيذ التعليمات. ُ ت ين مهندس� آخرين ال� تحمل االسم نفسه مع وصف جون فون نيومان بنية الحاسب ي ف ًّ َ َ ً .1945 عام ()ENIAC تطوير � عمله خالل كان نيومان عالم رياضيات مج ِريا المعا وله ي ف ز والف�ياء وعلم الحاسب. العديد من المساهمات ي� مجاالت مختلفة مثل الرياضيات ي دورة الجلب والتنفيذ ()Fetch-execute cycle ُ َّ نفذ التعليمات وتتم معالجة البياناتُ .ت ّ ّ سىّم هذه الدورة لتتعرف اآلن كيف ت بعد أن أصبحت اآلن عىل علم بمعمارية الحاسب، ًّ ف ً بدورة الجلب والتنفيذ ( ،)Fetch-execute cycleتذكر دائما أن كاًّل من البيانات والمعلومات تحفظان ي� ذاكرات الحاسب. احصل عىل المزيد من البيانات ً بناء عىل التعليمات ،قد يلزم تحميل المزيد من البيانات ُ اإلضافية من الذاكرة الرئيسة إىل المسجالت للمعالجة. عىل سبيل المثال :إذا كانت هناك تعليمة لجمع عدد ف محفوظ ي� الذاكرة داخل المسجل فإن وحدة التحكم يجب أن تحصل عىل هذا العدد من الذاكرة الرئيسة. حفظ النتائج ُ تحفظ نتائج تنفيذ التعليمات ف ي� الذاكرة الرئيسة. جلب التعليمة التالية يجلب المعالج المركزي التعليمة ُ َ التالية من الذاكرة الرئيسة ثم تحفظ ف� ذاكرة خاصة داخل ُ المعالج تسىم ي ُ المسجل (.)Register الذاكرة الرئيسة Main memory الحصول عىل مزيد من البيانات 4حفظ النتائج Store results 1إحضار التعليمات Fetch Instructions دورة التنفيذ Execution Cycle دورة الجلب Fetch Cycle 3تنفيذ التعليمة Execute the instruction 2فك ي ز ترم� التعليمة Decode instruction ALU وحدة التحكم ()CU تنفيذ التعليمة عندما يتم فك ي ز ترم� التعليمة وجلب جميع البيانات المطلوبة ،فإن وحدة الحساب والمنطق ()ALU ً تقوم بتنفيذ التعليمة ،متضمنة عادة العمليات داخل ً المسجالت المختلفة ،ثم تبدأ الدورة مرة أخرى. فك ي ز ترم� التعليمة ف تت�جم وحدة التحكم التعليمة الموجودة ي� ُمسجل التعليمة وتحولها إىل إشارة تحكم ُيمكن فهمها من ِقبل وحدة الحساب والمنطق. 25 الذاكرة الرئيسة ()Main memory ين تتعامل الذاكرة الرئيسة مع البيانات والتعليمات وتتكون من قسم� :ذاكرة ئ العشوا� ( )Random Access Memory-RAMوذاكرة القراءة فقط الوصول ي ن ن القسم� أنه ال يمكن محو أو إعادة كتابة ( ،)Read Only Memory-ROMوالفرق يب� ي ُ ف ت ال� البيانات داخل ذاكرة القراءة فقط حيث تستخدم هذه الذاكرة ي� تخزين التعليمات ي ت بال�امج الثابتة ( .)firmwareبينما ذاكرة يحتاجها وال� تسىم ب الحاسب ُلبدء التشغيل ي ُ ئ ويه ذاكرة مؤقتة تفقد بياناتها بمجرد الوصول ي العشوا� فتعرف بأنها ذاكرة القراءة والكتابة ي انقطاع التيار عنها. الذاكرة الرئيسة وحدات التخزين ُ ُّ تعد الذاكرة الرئيسة محدودة الحجم ،لذلك نحتاج إىل نوع آخر من أجهزة التخزين يمكنه االحتفاظ بالبيانات والتعليمات بأمان عندما ال تتم معالجتها أو عند إيقاف تشغيل الحاسب .تسىم هذه األنواع األخرى من األجهزة بأجهزة التخزين الثانوية ،ث وأك�ها شهرة األقراص الصلبة ( )Hard disk drive-HDDواألقراص المدمجة ( )CDوأقراص الفيديو ً الرقمية (.)DVD ونظرا إلمكانية قراءة البيانات منها والكتابة عليها ،فإن أجهزة التخزين ُ ُّ عد أجهزة إدخال وإخراج حسب نموذج بنية فون نيومان. الثانوية ت األقراص الصلبة األقراص الصلبة ً ف األقراص الصلبة الموجودة ي� الحاسبات تحتوي عددا من الصفائح المركبة واحدة فوق األخرى وكل منها له رأس قراءة وكتابة متصل بعمود دوران ،تصطف ف ي� هذه الصفائح مجموعة من المسارات بعضها داخل بعض لتشكل أسطوانة ،وتقسم كل صفيحة إىل عدد من القطاعات. من أجل الوصول إىل بيانات ُمحددة عىل القرص الصلب ،يجب عىل تعليمة القرص أن تحدد رقم الصفيحة ورقم المسار ورقم المقطع. يتحرك رأس القراءة والكتابة للقرص الصلب عىل ذراع ينتقل من مسار إىل آخر .يحتاج القرص الصلب إىل معلومات لتحديد المسار ح� يستقر المقطع أسفله فيدور القرص ت ح� يصل رأس القراءة والكتابة إىل المقطع الصحيح فإنه ينتظر ت والقطاع .ت ح� يتم الوصول ف إىل مجموعة البيانات المطلوبة .هذه العملية لقراءة وكتابة البيانات ي� القرص الصلب تعتمد عىل 4عوامل تتباين حسب كفاءة القرص الصلب :وقت البحث ،ووقت االنتظار ،ووقت الوصول ،ومعدل نقل المعلومات. >وقت البحث ( :)Seek Timeهو الزمن الذي يستغرقه رأس القراءة والكتابة للوصول إىل المسار المناسب. >وقت االنتظار ( :)Latency Timeهو الزمن الذي يستغرقه المقطع المحدد ليستقر أسفل رأس القراءة والكتابة. >وقت الوصول ( :)Access Timeهو الزمن المستغرق لقراءة مجموعة البيانات ،وهو حاصل مجموع وقت البحث ووقت االنتظار. > معدل النقل ( :)Transfer Rateهو معدل نقل البيانات ي ن ب� القرص والذاكرة الرئيسة. 26 التطبيقات المختلفة لها احتياجات مختلفة من حيث رسعة الوصول للبيانات ومعدل نقلها ،فعىل سبيل المثال يحتاج نظام قاعدة البيانات إىل أوقات وصول رسيعة لكونه يقوم بقراءة ف وكتابة آالف السجالت الموجودة ي� جميع أنحاء القرص عايل الدقة من باستمرار .من ناحية أخرى ،إن تشغيل فيديو ي توف� معدل نقل مرتفع نظراً محرك األقراص الصلبة يحتاج إىل ي الكث� من البيانات ف ي� كل ثانية من الفيديو. لوجود ي وقت الوصول معدل النقل وقت الوصول معدل النقل األقراص المدمجة والرقمية األقراص المدمجة وأقراص الفيديو الرقمية وأقراص بلو راي ( )Blu Rayتختلف عن األقراص الصلبة بأنها تقرأ وتكتب البيانات ً برصيا من قرص مصنوع من األلمنيوم والبالستيك باستخدام ف الل�ر � .وضع الكتابة يقوم شعاع ي ز شعاع ي ز الل�ر بحفر سلسلة من ي التجاويف والنتوءات عىل طبقة األلمنيوم ليتم تمثيل البيانات الثنائية .عند القراءة فإن شعاع ي ز الل�ر يرتد من النتوءات عىل سطح طبقة األلمنيوم وليس من التجاويف وهكذا ُيمكن قراءة سالسل البيانات الثنائية. ً ٌ ً صغ�ة جدا ،فمثاًل يحتوي سطح قرص بلو راي إن هذه التجاويف ي عىل 200مليار تجويف ونتوء. رقيم قرص فيديو ي قرص مدمج هات� الصور ي ن ف� ي ن ت� يمكنك مقارنة التجاويف الموجودة ي عىل سطح األقراص المدمجة ( )CDمع أقراص الفيديو تكب�هما 20000مرة. الرقمية ( ،)DVDكالهما تم ي كن ً حذرا إذا قررت فتح غطاء محرك أقراص صلبة لرؤية األقراص ورؤوس التشغيل ،فالمكونات الداخلية للقرص الصلب قد تم تجميعها بعناية وعزلها عن البيئة الخارجية، صغ� من الغبار أو ُّ ن تعرض يع� أن دخول جزء ي مما ي غ� قابل الرؤوس للدفع قد يجعل محرك القرص الصلب ي ً لالستخدام ،وبالطبع فإن محرك القرص الصلب إذا كان تالفا ف ِّ حرية. أو عديم الفائدة فيمكنك أن تستمر ي� استكشافه ِب لنطبق ً معا تدريب 1 ف طابق األجهزة مع فئاتها ي� بنية فون نيومان .الحظ أنه يمكنك مطابقة الجهاز مع ث أك� من فئة واحدة. الفئة وحدة المعالجة المركزية الجهاز لوحة المفاتيح الفأرة الذاكرة الرئيسة ش�يحة المعالج جهاز إدخال ئ العشوا� وحدة ذاكرة الوصول ي ئ الضو� الماسح ي جهاز إخراج الشاشة 27 تدريب 2 ُلتج ْ ب عن بعض التساؤالت ... ِ هل تساءلت ً يوما عن المكونات داخل الحاسب وكيف يرتبط بعضها ببعض؟ ً التايل الذي يوضح بنية أنظمة الحاسب األساسية وفقا لهيكلية العالم فون نيومان. الحظ الشكل ي أجهزة اإلخراج الذاكرة الرئيسة وحدة المعالجة المركزية CPU أجهزة اإلدخال ف ف ن الثا� صل العبارات ي� العمود األول بما يناسبها ي� العمود ي 28 ً .1تخزن كاًل من البيانات والتعليمات. وحدة المعالجة المركزية ُ .2تنقل البيانات والتعليمات إىل هذه األجهزة. الذاكرة الرئيسة ُ .3تنقل البيانات بواسطته. أجهزة اإلدخال ُ .4تنقل البيانات والتعليمات من هذه األجهزة. أجهزة اإلخراج .5مسؤولة عن تنفيذ التعليمات والتحكم والتنسيق ين ب� األنظمة. الناقل Bus تدريب 3 Execute cycle لنستكشف دورة التنفيذ كيف يتم تنفيذ التعليمات، وكيف تتم عملية معالجة ف البيانات ي� الحاسب؟ > الشكل المجاور يمثل "دورات الجلب والتنفيذ" ت ال� تتم من خاللها تنظيم ي تدفق التعليمات والبيانات. الذاكرة الرئيسة Main memory Fetch cycle دورة الجلب املسجالت وحدة المعالجة المركزية CPU وحدة الحساب واملنطق وحدة التحكم ALU أجهزة اإلدخال أجهزة اإلدخال واإلخراج أجهزة اإلخراج ف ف ن الثا� صل العبارات ي� العمود األول بما يناسبها ي� العمود ي .1تجري وحدة الحساب والمنطق العمليات الحسابية والمنطقية عىل جميع البيانات المطلوبة وكذلك تنفذ التعليمات عىل المسجالت المختلفة. تنفيذ التعليمات .2نقل نتائج تنفيذ التعليمات إىل الذاكرة الرئيسة. تشف� التعليمات فك ي ً ف .3نقل التعليمات من الذاكرة الرئيسة وتخزينها مؤقتا ي� صغ�ة داخل وحدة ويه وحدات ذاكرة ي المسجالت ،ي المعالجة المركزية. حفظ النتائج ف .4عملية ترجمة وحدة التحكم للتعليمات المخزنة ي� مسجل التعليمات ،وتحويلها إىل إشا رات موائمة لوحدة الحساب والمنطق. جلب التعليمات 29 تدريب 4 تأمل الخريطة المفاهيمية التالية وامأل الفراغات بكتابة الكلمة أو العبارة المناسبة من التايل: الجدول ي ئ العشوا� .1ذاكرة الوصول ي .2وحدة التحكم .3وحدة الحساب والمنطق .4المسجالت .5وحدة المعالجة المركزية دورة الجلب والتنفيذ ................ ترسل التعليمة التالية تحصل عىل المزيد من البيانات عند الحاجة تحفظ النتائج ................ تنفذ التعليمة ف تحفظ التعليمة ي� ................ تحولها إىل إشارة تحكم 30 تطلب التعليمة التالية من ALU ................ ................ ف تشف�ها ي� و تفك ي تدريب 5 ت اخ� اإلجابة الصحيحة .1يسىم الزمن المستغرق لقراءة مجموعة البيانات ،وهو حاصل مجموع وقت البحث ووقت االنتظار بـ : وقت البحث وقت االنتظار وقت الوصول وقت البحث .2يسىم الزمن الذي يستغرقه رأس القراءة والكتابة للوصول إىل المسار المناسب بـ : وقت االنتظار وقت الوصول وقت البحث .3يسىم الزمن الذي يستغرقه المقطع المحدد ليستقر أسفل رأس القراءة والكتابة بـ : وقت االنتظار وقت الوصول معدل القطاع .4يسىم معدل نقل البيانات ي ن ب� القرص والذاكرة الرئيسة بـ : معدل النقل معدل المسار 31 تدريب 6 صنف األجهزة التالية حسب معمارية فون نيومان. ُ القرص الصلب لوحة المفاتيح CD DVD الشاشة ALU الطابعة CU وحدة المعالجة المركزية أجهزة التخزين الثانوية وحدة إدخال وحدة إخراج 32 الفأرة