الحاسب والمعلوماتية

الجزء الأول
مكونات الحاسب الآلي المادية (HARDWARE)
1. تعريف بالحاسب الآلي ومكوناته
إن الإنسان بطبيعته يتصرف بالأمور على النحو التالي:
1- يقوم الانسان 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)
الذاكره 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)
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)
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).