محمد الشيخ 8 د الثلاثاء نوفمبر 03, 2009 3:48 amالحاسوب هو آلة تتعامل مع البيانات وفقا لمجموعة من التعليمات -البرامج-.
تتعدد أنواع الحواسيب من حيث طريقة عملها وحجمها بالإضافة إلى سرعتها. أوائل الحواسيب الإلكترونية كانت في حجم غرفة كبيرة وتستهلك طاقة مماثلة لما يستهلكه بضعة مئات من الحواسيب الشخصيّة اليوم. [1] من الممكن اليوم صنع حواسيب داخل ساعة يد تأخذ طاقتها من بطارية الساعة. ينظر المجتمع إلى الحاسوب الشخصي -ونظيره المتنقل؛ الحاسوب المحمول- على أنهما رمزي عصر المعلومات؛ فهما ما يفكر به معظم الناس عند الحديث عن الحاسوب. على الرغم من هذا فأكثر أشكال الحاسوب استخداما اليوم هي الحواسيب المضمّنة. الحواسيب المضمنة هي أجهزة صغيرة وبسيطة تستخدم عادة للتحكم في أجهزة أخرى، فعلى سبيل المثال يمكنك أن تجدها في آلات تتراوح من الطائرات المقاتلة، و الآليين، وآلات التصوير الرقمية ولعب الأطفال.
توجد أمثلة على أجهزة الحساب البدائية و التي تمثل الأسلاف الأوائل للحاسوب، منها abacus أو المعداد (أداة تستخدم الآن في تعليم الأطفال العد) و Antikythera mechanism وهو جهاز يوناني قديم كان يستخدم لحساب حركات الكواكب و التأريخ من سنة 87 ق.م. تقريباً. شهدت نهاية العصور الوسطى نشاطًا أوروبيًا في علمي الرياضيات والهندسة وكان ويلهلم شيكارد الأول من عدد من العلماء الأوروبيين الذي أنشىء آلة حاسبة ميكانيكية. تم تدوين abacus (المعداد) على أنه حاسوب بدائي وذلك لأنه كان يشبه الآلة الحاسبة في الماضي. في عام 1801 قام جوزيف ماري جاكار بعمل تحسين للأشكال النولية الموجودة والتي تستخدم مجموعة متتالية من البطاقات الورقية المثقوبة و كأنها برنامج لنسج أشكال معقدة. والنتيجة كانت أن نول Jacquard لم يتم اعتباره حاسوبًا حقيقيًا ولكنه كان خطوة هامة في تطوير الحواسيب الرقمية الحديثة. كان تشارلز باباج أول من فكر و صمم حاسوبًا مبرمجًا بالكامل و ذلك في بداية عام 1820 ولكن بسبب مجموعة من الحدود التقنية في ذلك الوقت والمحدودية المالية، و كذلك عدم القدرة على حل مشكلة الإصلاح غير الجيد في تصميمه فإن الجهاز لم يتم بناءه فعلياً في حياته. ظهرت عدد من التقنيات التي أثبتت فائدتها لاحقًا في الحوسبة، مثل البطاقة المثقوبة و أنبوب الصمام بنهاية القرن التاسع عشر، و معالجة البيانات أوتوماتيكيًا ذات التدرج الكبير باستخدام البطاقات المثقوبة صُنٍعت باستخدام آلات جدولة و التي صممها هيرمان هولليريث
إن نجاح الحواسيب القوية و المريحة بدأ في الثلاثينيات و الأربعينات من القرن العشرين، وأضيفت -بالتدريج- المميزات الرئيسية في الحواسيب الحديثة مثل استخدام الإليكترونيات الرقمية (اخترع معظمها كلود شانون عام 1937) والقدرة على البرمجة بطريقة أكثر سلاسة. إن تحديد نقطة واحدة خلال هذا المشوار على أنها "أول حاسوب اليكتروني رقمي" أمر صعب جدا.
من الإنجازات الأساسية، حاسوب Atanasoff-Berry 1937، و هي آلة ذات غرض مخصص و التي كانت تستخدم الحوسبة المقادة بالصمامات (أنبوب الصمام) و الأرقام الثنائية و الذاكرة المجددة. حاسب Colossus البريطاني السري (1944) و الذي كان يملك قدرة محدودة على البرمجة و لكنه قدم جهازًا يستخدم الآلاف من الصمامات من الممكن أن يكون موثوقا و إعادة برمجته إلكترونيا. Harvard Mark I 1944 حاسوب إلكتروميكانيكي ذو تدرج كبير ولديه قدرة محدودة على البرمجة .
الحاسوب الأمريكي المبني على نظام العد العشري (1946-ENIAC ) وكان أول حاسوب إلكتروني ذو أغراض عامة ولكن في الأساس فإن بنيته غير سلسة مما يعني أن إعادة برمجته أساسيًا تتطلب إعادة توصيله. و آلات Z الخاصة بـ Konrad Zuse، مع الاليكتروميكانيكي Z3)1941) يكون أول آلة عاملة تقدم ميزة الحساب الاوتوماتيكي للأرقام الثنائية و القدرة على البرمجة بطريقة عملية و ملائمة.
إن فريق العمل الذي قام بتطوير ENIAC أدرك عيوب جهازه و جاء بتصميم أكثر مرونة و روعة و الذي صار يعرف ببنية Von Neumann (أو "بنية البرنامج المخزن"). أصبحت بنية البرنامج المخزن افتراضيا القاعدة لكل الحواسيب الحديثة. بدأ عدد من المشاريع لتطوير حاسوب يعتمد على بنية البرنامج المخزن في منتصف إلى آخر الأربعينات من القرن العشرين. إن أول حاسوب من هولاء تم الانتهاء منه في بريطانيا. أول هولاء الذي يعتبر أفضل و عامل كان ما يعرف بآلة التدرج الصغير التجريبية (Small-Scale Experimental Machine) و لكن EDSAC ربما كان أول نسخة عملية تم تطويرها.
إن تصميمات الحاسوب المقاد بأنبوب الصمام أصبحت قيد الاستخدام خلال الخمسينات من القرن العشرين، و لكن مع الوقت تم استبدالها بالحواسيب الترانزستورية حيث أنها أصغر و أسرع و أرخص و أكثر موثوقية، كل ذلك أتاح لها أن يتم إنتاجها على المستوي التجاري و ذلك في الستينات من القرن العشرين. في سبعينات القرن العشرين، ساعد اختيار تكنولوجيا الدائرة المتكاملة في إنتاج الحواسيب بتكلفة قليلة كافية لأن تسمح للافراد بامتلاك حاسوب شخصي من الأنواع المعروفة حاليا
[عدل] كيف تعمل الحواسيب؟
بينما تغيرت التقنيات المستخدمة في الحواسيب بصورة مثيرة منذ ظهور أوائل الحواسيب الإليكترونية متعددة الأغراض من أربعينات القرن العشرين ، ما زال معظمها يستخدم بنية البرنامج المخزن (يطلق عليها في بعض الأحيان بنية von Neumann). استطاع التصميم جعل الحاسوب العالمي حقيقة جزئيا.
و تصف هذه البنية الحاسوب في أربع أقسام رئيسية:
وحدة الحساب والمنطق Algorathim and Logic Unit ALU
وحدة التحكم (بالإنجليزية: Control Unit)
الذاكرة
أجهزة الإدخال والإخراج (بالإنجليزية: Input /output I/O ).
وهذه الأجزاء تتصل ببعضها عن طريق حزم من الاسلاك (تسمى "النواقل" BUS عندما تكون نفس الحزمة تدعم أكثر من مسار بيانات) و تكون في العادة مقاسة بمؤقت أو ساعة (مع أن الأحداث الأخرى تستطيع أن تقود دائرة التحكم).
فكريا، من الممكن رؤية ذاكرة الحاسوب 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 أي خلية لتخزين إما أوامر أو بيانات.
وحدة الحساب والمنطق هي تعتبر قلب الحاسوب. وهي 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 الأرقام الأخرى).
القسم الثاني من عمليات وحدة الحساب و المنطق هي عمليات المقارنة بإدخال رقمين، تقوم هذه الوحدة بالتحقق من تساوي أو عدم تساوي الرقمين و تحديد أي الرقمين هو الأكبر. وهي تسمى العملية المنطقية وهي مهمة في البرمجة .
ويقوم نظام التشغيل يجمع مكونات الحاسوب مع بعضها. حيث يقوم بقراءة الأوامر و البيانات من الذاكرة أو من أجهزة الإدخال و الإخراج، ليتم تنفيدها من قبل المعالج. و كذلك فك شفرة الأوامر، بتغذية وحدة الحساب و المنطق بالمدخلات الصحيحة طبقا للأوامر، حيث يخبر وحدة الحساب و المنطق بالعملية الواجب تنفيذها على تلك المدخلات و تعيد إرسال النتائج إلى الذاكرة أو إلى أجهزة الإدخال و الإخراج.
يعتبر العداد Counter من المكونات الرئيسية في نظام التحكم و الذي يقوم بمتابعة عنوان الأمر الحالي، في العادة تزداد 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 للحاسوب 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)المعتاد وجودهما في دائرة متكاملة واحدة تسمى المعالج الدقيق (المايكروبروسيسور).
تتعدد أنواع الحواسيب من حيث طريقة عملها وحجمها بالإضافة إلى سرعتها. أوائل الحواسيب الإلكترونية كانت في حجم غرفة كبيرة وتستهلك طاقة مماثلة لما يستهلكه بضعة مئات من الحواسيب الشخصيّة اليوم. [1] من الممكن اليوم صنع حواسيب داخل ساعة يد تأخذ طاقتها من بطارية الساعة. ينظر المجتمع إلى الحاسوب الشخصي -ونظيره المتنقل؛ الحاسوب المحمول- على أنهما رمزي عصر المعلومات؛ فهما ما يفكر به معظم الناس عند الحديث عن الحاسوب. على الرغم من هذا فأكثر أشكال الحاسوب استخداما اليوم هي الحواسيب المضمّنة. الحواسيب المضمنة هي أجهزة صغيرة وبسيطة تستخدم عادة للتحكم في أجهزة أخرى، فعلى سبيل المثال يمكنك أن تجدها في آلات تتراوح من الطائرات المقاتلة، و الآليين، وآلات التصوير الرقمية ولعب الأطفال.
توجد أمثلة على أجهزة الحساب البدائية و التي تمثل الأسلاف الأوائل للحاسوب، منها abacus أو المعداد (أداة تستخدم الآن في تعليم الأطفال العد) و Antikythera mechanism وهو جهاز يوناني قديم كان يستخدم لحساب حركات الكواكب و التأريخ من سنة 87 ق.م. تقريباً. شهدت نهاية العصور الوسطى نشاطًا أوروبيًا في علمي الرياضيات والهندسة وكان ويلهلم شيكارد الأول من عدد من العلماء الأوروبيين الذي أنشىء آلة حاسبة ميكانيكية. تم تدوين abacus (المعداد) على أنه حاسوب بدائي وذلك لأنه كان يشبه الآلة الحاسبة في الماضي. في عام 1801 قام جوزيف ماري جاكار بعمل تحسين للأشكال النولية الموجودة والتي تستخدم مجموعة متتالية من البطاقات الورقية المثقوبة و كأنها برنامج لنسج أشكال معقدة. والنتيجة كانت أن نول Jacquard لم يتم اعتباره حاسوبًا حقيقيًا ولكنه كان خطوة هامة في تطوير الحواسيب الرقمية الحديثة. كان تشارلز باباج أول من فكر و صمم حاسوبًا مبرمجًا بالكامل و ذلك في بداية عام 1820 ولكن بسبب مجموعة من الحدود التقنية في ذلك الوقت والمحدودية المالية، و كذلك عدم القدرة على حل مشكلة الإصلاح غير الجيد في تصميمه فإن الجهاز لم يتم بناءه فعلياً في حياته. ظهرت عدد من التقنيات التي أثبتت فائدتها لاحقًا في الحوسبة، مثل البطاقة المثقوبة و أنبوب الصمام بنهاية القرن التاسع عشر، و معالجة البيانات أوتوماتيكيًا ذات التدرج الكبير باستخدام البطاقات المثقوبة صُنٍعت باستخدام آلات جدولة و التي صممها هيرمان هولليريث
إن نجاح الحواسيب القوية و المريحة بدأ في الثلاثينيات و الأربعينات من القرن العشرين، وأضيفت -بالتدريج- المميزات الرئيسية في الحواسيب الحديثة مثل استخدام الإليكترونيات الرقمية (اخترع معظمها كلود شانون عام 1937) والقدرة على البرمجة بطريقة أكثر سلاسة. إن تحديد نقطة واحدة خلال هذا المشوار على أنها "أول حاسوب اليكتروني رقمي" أمر صعب جدا.
من الإنجازات الأساسية، حاسوب Atanasoff-Berry 1937، و هي آلة ذات غرض مخصص و التي كانت تستخدم الحوسبة المقادة بالصمامات (أنبوب الصمام) و الأرقام الثنائية و الذاكرة المجددة. حاسب Colossus البريطاني السري (1944) و الذي كان يملك قدرة محدودة على البرمجة و لكنه قدم جهازًا يستخدم الآلاف من الصمامات من الممكن أن يكون موثوقا و إعادة برمجته إلكترونيا. Harvard Mark I 1944 حاسوب إلكتروميكانيكي ذو تدرج كبير ولديه قدرة محدودة على البرمجة .
الحاسوب الأمريكي المبني على نظام العد العشري (1946-ENIAC ) وكان أول حاسوب إلكتروني ذو أغراض عامة ولكن في الأساس فإن بنيته غير سلسة مما يعني أن إعادة برمجته أساسيًا تتطلب إعادة توصيله. و آلات Z الخاصة بـ Konrad Zuse، مع الاليكتروميكانيكي Z3)1941) يكون أول آلة عاملة تقدم ميزة الحساب الاوتوماتيكي للأرقام الثنائية و القدرة على البرمجة بطريقة عملية و ملائمة.
إن فريق العمل الذي قام بتطوير ENIAC أدرك عيوب جهازه و جاء بتصميم أكثر مرونة و روعة و الذي صار يعرف ببنية Von Neumann (أو "بنية البرنامج المخزن"). أصبحت بنية البرنامج المخزن افتراضيا القاعدة لكل الحواسيب الحديثة. بدأ عدد من المشاريع لتطوير حاسوب يعتمد على بنية البرنامج المخزن في منتصف إلى آخر الأربعينات من القرن العشرين. إن أول حاسوب من هولاء تم الانتهاء منه في بريطانيا. أول هولاء الذي يعتبر أفضل و عامل كان ما يعرف بآلة التدرج الصغير التجريبية (Small-Scale Experimental Machine) و لكن EDSAC ربما كان أول نسخة عملية تم تطويرها.
إن تصميمات الحاسوب المقاد بأنبوب الصمام أصبحت قيد الاستخدام خلال الخمسينات من القرن العشرين، و لكن مع الوقت تم استبدالها بالحواسيب الترانزستورية حيث أنها أصغر و أسرع و أرخص و أكثر موثوقية، كل ذلك أتاح لها أن يتم إنتاجها على المستوي التجاري و ذلك في الستينات من القرن العشرين. في سبعينات القرن العشرين، ساعد اختيار تكنولوجيا الدائرة المتكاملة في إنتاج الحواسيب بتكلفة قليلة كافية لأن تسمح للافراد بامتلاك حاسوب شخصي من الأنواع المعروفة حاليا
[عدل] كيف تعمل الحواسيب؟
بينما تغيرت التقنيات المستخدمة في الحواسيب بصورة مثيرة منذ ظهور أوائل الحواسيب الإليكترونية متعددة الأغراض من أربعينات القرن العشرين ، ما زال معظمها يستخدم بنية البرنامج المخزن (يطلق عليها في بعض الأحيان بنية von Neumann). استطاع التصميم جعل الحاسوب العالمي حقيقة جزئيا.
و تصف هذه البنية الحاسوب في أربع أقسام رئيسية:
وحدة الحساب والمنطق Algorathim and Logic Unit ALU
وحدة التحكم (بالإنجليزية: Control Unit)
الذاكرة
أجهزة الإدخال والإخراج (بالإنجليزية: Input /output I/O ).
وهذه الأجزاء تتصل ببعضها عن طريق حزم من الاسلاك (تسمى "النواقل" BUS عندما تكون نفس الحزمة تدعم أكثر من مسار بيانات) و تكون في العادة مقاسة بمؤقت أو ساعة (مع أن الأحداث الأخرى تستطيع أن تقود دائرة التحكم).
فكريا، من الممكن رؤية ذاكرة الحاسوب 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 أي خلية لتخزين إما أوامر أو بيانات.
وحدة الحساب والمنطق هي تعتبر قلب الحاسوب. وهي 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 الأرقام الأخرى).
القسم الثاني من عمليات وحدة الحساب و المنطق هي عمليات المقارنة بإدخال رقمين، تقوم هذه الوحدة بالتحقق من تساوي أو عدم تساوي الرقمين و تحديد أي الرقمين هو الأكبر. وهي تسمى العملية المنطقية وهي مهمة في البرمجة .
ويقوم نظام التشغيل يجمع مكونات الحاسوب مع بعضها. حيث يقوم بقراءة الأوامر و البيانات من الذاكرة أو من أجهزة الإدخال و الإخراج، ليتم تنفيدها من قبل المعالج. و كذلك فك شفرة الأوامر، بتغذية وحدة الحساب و المنطق بالمدخلات الصحيحة طبقا للأوامر، حيث يخبر وحدة الحساب و المنطق بالعملية الواجب تنفيذها على تلك المدخلات و تعيد إرسال النتائج إلى الذاكرة أو إلى أجهزة الإدخال و الإخراج.
يعتبر العداد Counter من المكونات الرئيسية في نظام التحكم و الذي يقوم بمتابعة عنوان الأمر الحالي، في العادة تزداد 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 للحاسوب 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)المعتاد وجودهما في دائرة متكاملة واحدة تسمى المعالج الدقيق (المايكروبروسيسور).
