بنية الحاسب الآلي

هذا الدرس يستعرض باختصار معمارية "بنية" الحاسب الآلي

بينة الحاسب الآلي يمكن النظر اليها من منظورين مختلفين وهما كالآتي :-
1-من وجهة نظر العتاد "هاردوير" والمكونات الداخليه بما فيها من دوائر كهربيه والكترونية ...الخ.
2-من وجهة نظر التطبيقات "السوفتوير" وذلك يشمل كل من سجلات الحاسب وكذلك التعليمات الخاصه بالمعالج والذاكرة...الخ.
وفي هذه المقالة سوف نتحدث بإذن الله عن المنظور الثاني وهو الخاص ب السوفتوير .

محتويات الدرس:-
1-عرض التعليمات و السجلات و وظائفها و خصائصها .
2-اطوار العنونة في الحاسب و سجلات الحاسب.
3-نظرات مختصرة في العمليات المنطقية والحسابية في الحاسب.
- - - - - - -


الفصل الاول:-
مقدمة في المعالجات الدقيقة وفي الحاسب الآلي.

في هذا الفصل سوف اتحدث عن عرض بسيط ومختصر عن المعالجات الدقيقة من عائلة إنتل , وكذلك رؤية تاريخية عن الحاسبات و وظيفة المعالج الدقيق من بداية ظهوره ...الخ.

شركة إنتل و أول معالج دقيف في العالم !
كان اول معالج دقيق في العالم هو معالج إنتل 4004 , وهو معالج 4 بـــت , متحكم قابل للبرمجة على شريحة الكترونية , ويحتوي على 45 تعليمه فقط "Instructions " وكان الغرض من هذا المعالج البسيط هو معالجة معدل بسيط وبطيء من البيانات " تقريبا ً 50كيلو بايت لكل ثانية.
كما هو ملحوظ مشكلة اول معالج من إنتل كانت البطء وقلة الكفاءه نسبيا ً,وكذلك انخفاض حجم الذاكرة و حجم قالب البيانات الذي يتسطيع التعامل معه, لذلك انتجت إنتل المعالج 4040 فكان اسرع من السابق واكبر في حجم الذاكرة و كذلك في حجم قالب البيانات.
وبحلول عام 1971 م ,انتجت شركة إنتل معالجها 8008 وهو معالج 8 بـــت , واصبح حجم الذكرة فيه 16 كيلو بايت, واضيفت المزيد من التعليمات اليه لتصل الى 48 تعليمه, مما سهل اداء المهام والعمليات بشكل افضل من السابق.
بعد تلك الفترة انتجت انتل معالجها التالي وهو 8080 , وكان هذا المعالج اسرع من 8008 بعشر مرات تقريبا ً , واكبر منه في حجم الذاكرة, واصبح هنا اكثر سهولة في التعامل واقل تكلفة عن سابقه, وكذلك اصبحت الذاكرة بحجم 64 كيلوبايت.
بعد ذلك وفي عام 1977م اطلقت شركة انتل معالج 8085 , وهو معالج 8 بت و ذو اغراض متعدده, وايضا ً هذا المعالج كما هو بديهي اسرع من سابقيه و تميز ايضا ً بترددات عمله العاليه و اصبح به Internal Clock Generator و كذلك متحكم داخلي .

في عام 1987 كان وقت انطلاق معالجات انتل ذات ال 16 بت , وكان معالج انتل 8086 و 8088 معالجات 16 بت , وتميزت هذه المعالجات بسرعتها العاليه جدا ً مقارنة ً ب المعالجات ذات ال8بت , وكذلك بزيادة حجم الذاكرة هنا الى 16 مرة اكثر من معالج انتل 8085,

واخيرا ً بحلول عام 1986م اطلق معالج انتل 80386 وهو معالج 32 بت ! ,وهو اول معالج من انتل ذو 32 بت,وبالتالي امكن عنونة 4جيجا من الذاكرة " العدد اثنان مرفوع للأس 32 ", وكان هذا المعالج مناسب وملائم للعديد من التطبيقات الهامه في ذاك الوقت مثل لغات البرمجة وغيرها .

إنــــتل بنتيوم:- عام 1993 وكان شبيه بالمعالج80386 الى حد كبير,وكان من المقرر تسمية هذا المعالج باسم انتل P5 او باسم 80586 ولكن قررت انتل ان تبدأ بانهاء عملية استعمال الارقام في تسمية معالجاتها واستعملت الاسماء بدل من ذلك.
كان معالج انتل بنتيوم الاول يعمل بتردد 60 و 66 ميجاهرتز ,بسرعه 100 ميجابايت لكل ثانيه, و وصلت نسخ مطورة منه الى سرعه 133 ميجاهرتز, و زادت الشركة الكاش في معالج انتل بنتيوم الاول الى 16 كيلو بايت " 8كيلو بايت كاش للداتا , و 8كيلو بايت كاش للتعليمات", وكذلك ذاكرة النظام كانت 4جيجا كحد اقصى, وعرض لمسار البيانات بحجم 64 بت, وكانت سرعه مسار النقل 66 او 60 ميجاهرتز حسب اصدارة المعالج بنتيوم الاول.
معالج انتل بنتيوم برو :-

هذا المعالج كان يحوي 21 مليون ترانزيسستور, و ثلاث وحدات Integer "وحدة حساب" وايضا ً Floating Points , سرعة المعالج كانت 150 ميجاهرتز و 166 ميجاهرتز, هذا المعالج كان به مستوى ثاني للكاش حجمه 256 كيلو , اضافه الى المستوى الاول من الكاش بحجم 16 كيلو بايت.و كان هذا المعالج يستعمل ثلاث وحدات تنفيذ مستقله اي انه بالامكان تنفيذ ثلاث تعليمات بنفس الوقت, بخلاف البنتيوم الاول كان ينفذ فقط 2 في الوقت ذاته.

معالج انتل بنتيوم 2 :- اصدر عام 1997 و زاد فيه حجم الكاش في المتسوى الثاني الى 512 كيلوبايت, وايضا ً اضَيفت مجموعه تعليمات جديده اليه وهي مجموعه MMX .

انتل بنتيوم 3 :- تميز بسرعه اعلى من بينتوم2 و توفر منه سرعات تصل الى 1 جيجاهرتز , واصبحت سرعه الناقل الامامي"الوصلة ما بين المعالج و متحكم الذاكرة الى متحكم ال AGP " 100 ميجاهرتز او 133 ميجاهرتز.

انتل بنتيوم 4 :-ظهر في آواخر عام 2000 م ,تميز عن سابقه بسرعته و ازدياد حجم الكاش به و لم يلحظ اي فرق او نجاح في البنتيوم فور في اوائل ظهوره حيث كان يعاني من مشاكل بدرجات الحراره التي تؤثر على الاداء و ظهرت طبعا ً عدة تحسينات عليه وخصوصا ً في تقنيه التصنيع حسنت منه الا انه كان يعاني ايضا ً من مشكلة الحراره المرتفعه.
الصورة التاليه تعرض ملخص الكلام السابق.




الآن لنذكر ببعض المصطلحات الاساسية لكي نفهما بشكل جيد,
الناقل او" Bus " و هو اسم يطلق على مجموعة من التوصيلات المشتركة التي تحمل نفس النوع من المعلومات او الاشارات.
المعالج :- هو احد اجزاء الحاسب الاساسيه والتي تقوم باحد الوظائف التاليه :-
1-نقل البيانات من المعالج الى الذاكرة او الى وحدات الادخال والاخراج.
2-عمليات الحساب والمنطق.
3-بناء القرارت.

النواقل في الحاسب تنقسم بشكل رئيسي الى ثلاثة انواع:-
1-ناقل العناوين.
2-ناقل البيانات.
3-ناقل اوامر التحكم.

- - - - - -
الفصل الثاني :- انماط العنونة في الحاسب و نموذج البرمجة في معمارية الحاسب الآلي.
مما يجدر الحديث عنه الآن هو ذكر طرق العنونة في الحاسب وهي ثلاثة :-
1- طور العنونة الحقيقي , وهذا الطور اول طور ظهر في العنونة و يستطيع هذا الطور ان يعنون اي مكان في اول 1 ميجا من ذاكرة النظام فقط , وهذا الطور هو تحديدا ً وضع الDOS المعروف.
2- طور العنونة ال Protected "المحمي", وفي هذا الطور نرى القدرة على عنونة اي مكان من ذاكرة النظام باكملها " وهذا الطور هو ما نراه في انظمة التشغيل الحديثه".
3- طور العنونة الوهمي او ال"Virtual " وهذا طور يعني تشغيل بيئة الDos تحت بيئه ال Protected كما هو موجود في ويندوز مثلا ً فانه بماكانك تشغيل برنامج يعمل تحت بيئه دوس من الويندوز بشكل طبيعي.

المعالج من بداية ظهورة الى يومنا الحاضر يستعمل اساليب و طرق وادوات ذات مبدأ واساس واحد في التعامل مع البيانات و معالجتها و نقلها , وهذا يتمثل في تخصيص اماكن ومناطق لتخزين البيانات و مناطق اخرى لكل غرض اخر, وايضا ً تخصيص سجلات للإشارة الى الاماكن و للإشارة الى الى بداية المناطق , وكذلك استعمال السجلات لتخزين القيم و نقلها من مكان الى اخر, وسوف اعرض لكم صوره تظهر جميع السجلات و المناطق في معالج بنتيوم 4 الان .




و سوف اعرض باختصار توضيحات لما تم ذكره في الرسمه في الاعلى,

1-ال Accumulator وهو سجل يستعمله المعالج لتخزين القيم والنتائج وهو يستعمل بشكل افتراضي في عدة عمليات وهو له عده سعات ,تبدأ من 8 بت و تنتهي الى 32 بت , نسيمه AH or AL حينما يكون 8 بت , و نسميه AX حينما يكون 16 بت , ونسميه EAX حينما يكون 32 بت "حيث حرف E يعني Extended " وقد تتسآئل عزيزي القاريء عن هذه السعات, ولذلك سأخبرك من اين وجدت؟!
ظهرت سعة 8 بت مواكبة لغرض المعالجات البدائيه الاولى من انتل التي تناولنها في حديثنا سابقا ً , ثم بعد ذلك ظهرت انواع من المعالجات تتعامل مع سجلات ذات 16 بت , وبعد ذلك ظهرت معالجات تتعامل مع ال 32 بت , وبعد ذلك ظهرت اخرى تتعامل مع ال 64 بت " يمكن استعمال سجلين من سعات ال32 بت لاداء الغرض هنا", الجدير بالذكر ان كل معالج جديد له القدره على تشغيل جميع السجلات القديمه,
2- ال Code Segment وهي منطقة البيانات اي المنطقة المخصصه لتخزين الداتا , و هي بسعه 64 كيلو بايت, ويستعمل سجل خاص للإشاره الى بداية المنطقة وهذا السجل يسمى
IP = Instruction Pointer

ولكل منطقة مؤشر خاص بها يستعمل للإشارة الى بداية كل منطقة.

والآن استعرض معكم تلك السجلات بشيء من التفصيل :-

1-سجلات عامة الغرض"متعددة الاستعمال":-
-سجل EAX وكما اشرت سابقا ً هذا السجل يستخدم لتعليمات مثل عملة الضرب والقسمة والازاحة.
-سجل EBX يستعمل كحامل لعنوان مكان معين في الذاكره "مثل المؤشر ".
-سجل ECX وهو يستعمل لحمل عدد مرات التكرار, وايضا ً في عمليات الازاحه وحمل عنوان معين في الذاكرة .
-سجل EDX و يستعمل في حمل نتائج عمليات الضرب, ويستعمل في عنونه مكان بالذاكرة.
-سجل EBP ويستعمل للإشارة الى مكان في الذاكرة.
-سجل EDI و يستعمل في عنونة الاماكن من نوع ال String .
-سجل ESI ويستعمل في عنونة المصادر من نوع ال String .

2-سجلات ذات وظيفة مخصصه:-
-سجل EIP وظيفته تحديد التعليمة القادمة اي انه يعمل كعداد يؤشر على شيء ثم اخر بالتتالي في منطقة الاكواد Code Segment .
-سجل ESP و يقوم بعنونة مكان في الذاكرة يسمى بال Stack .
-EFLAGS يحدد حالة المعالج و ويتحكم بعملياته.

الآن احب ان اوضح كيفية العنونة في طوري العنونة الحقيقي والمحمي على التوالي .

أولا ً :- الطور الحقيقي:-
وهو من ابسط الانواع من حيث العنونة وذلك يرجع لسبب انه فقط يتعامل مع نطاق و سعه بسيطة نسبيا ً من الذاكرة كما ذكرت سابقا ً , وهذا الطور لكي يشير الى عنوان معين يلزمه اولا ً تعيين وتحديد المنطقة التي يوجد بها العنوان مع ذكر مقدار الازاحه التي يجب على المؤشر ان يقطعها كي يصل الى المكان المطلوب.

ثانيا ً :- طور العنونة المحمي .
هنا الوضع متشابه مع السابق فقط في ما يخص تحديد مقدار الازاحه التي يجب على المؤشر ان يقطعها , والاختلاف في وجود شيء بديل عن ذكر المنطقه مباشرة ً بل هنا يتم استعمال سجل يحمل Slector الذي يقوم بعملية اختيار Descriptor من جدول ال Descriptor , وجدير بالذكر ان نذكر ماهي وظيفة ال Descriptor , وهي تقوم بعملية تحديد منطقة معينة في الذاكرة, وتحديد طولها , و اوليات الوصول اليها.

-- - - - - - - - - -

الفصل الثالث :- اطوار العنونة.

هناك عدة انواع من العنونة وهي كالاتي:-
1-طور عنونة السجلات . و فيه يتم عملية معينه ما بين سجلين بنفس الحجم , مثلا ً كعملية نقل محتوى سجل معين الى اخر .
2-طور العنونة المباشر, وفيه يتم التعامل مع بيانات مباشره او جاهزه و سجل , مثلا ً كعملية نقل رقم معين الى سجل ما.
3-طور عنونة البيانات بشكل جاهز او مباشر, وفيه يتم نقل محتوى عنوان في الذاكرة مباشر بالاشارة اليه في سجل معين الى سجل اخر .
4-طور العنونة الغير المباشر, وفيه يتم ذكر عنوان في سجل ما يشير الى مكان في الذاكرة حيث ان هذا المكان ايضأً يحمل عنوان البيانات المطلوبه, الى سجل اخر.
5-طور العنونة الذي يحوي البداية + مقدار الازاحه, وكما هو واضح من الاسم يستعمل هذا العنوان اسلوب ذكر عنوات البداية ويضاف اليها ايضا ً مقدار الازاحه الذي سوف يتحركه المؤشر لكي يصل الى البيانات المطلوبه.
6-طور العنونة المنسوب الى سجل معين, وفي هذا النوع يذكر لنا عنوان سجل معين الذي نجمعه معه الرقم الذي ذكر بجانبه وهو رقم الازاحه لكي نصل الى المكان المطلوب و هنا تم استغلال السجل كمرجع يشار اليه للوصول الى المكان.
7-طور العنونة المنسوب الى سجل معين و البداية معا ً, وهذا مزيج من نوعين ذكرتهم اعلاه.
- - - - - - - - - -

بعض الاوامر الهامه التي تستعمل في عمليات الحساب والمنطق.

1-عمليات النقل .
2-عمليات الجمع و يتم حفظ النتائج بشكل تلقائي في السجل الاول , اي انه يتم جمع سجل اول + سجل ثاني = ويخزن في السجل الاول.
3-عمليات الطرح .
4-عمليات الازاحة.
5-عمليات التبديل.
6-عمليات تغيير الاشاره.
7-عمليات التصفير "جعل مكان معين بقيمه صفر ".
8-عمليات وضع قيمة 1 الى مكان معين.
9-عمليات المقارنه .
10-عمليات الاكمال او التمديد اي تحويل سجل معين الى سجل ذو حجم اكبر .
11-عمليات النقل المقرونة بشرط معين.
12-عمليات التكرار.
13-عمليات تحديد العنوان الفعال .
14-عملية دفع او وضع قيمة معينه في منطقة الStack .
15-عملية استرجاع قيمة مخزنه من منطقة ال Stack .
16-عمليات استقبال بيانات من مصادر I/O .
17-عمليات اخراج بيانات الى مصادر ال I/O .
18-عمليات الضرب والقسمة.

تقبلوا تحياتي وأي سؤال أو استفسار أن مستعد للتوضيح أكثر