ما هي معمارية الحاسوب

قبل الخوض في معمارية الحاسوب لا بدَّ من التذكير بأن أول حاسوبٍ قابل للبرمجة (Colossus) بُني خلال الحرب العالمية الثانية بغاية فك الشفرات (أي أنه كان محدد الهدف)، إلا أن برمجة هذا الحاسوب اعتمدت على الكبلات التي يخزن بها البرنامج على عكس البيانات التي كانت تخزن في الذاكرة (بمعنى آخر، إن أردت إعادة برمجة هذا الحاسوب سيتوجب عليك إعادة توصيل الكبلات بشكلٍ مختلفٍ).

ظهر بعدها العديد من الحواسيب القابلة للبرمجة متعددة الأهداف، وكان الفرق بينها وبين Colossus استخدام نموذج Von Neumann لبناء الحاسوب، حيث تم تخزين كلا البيانات والبرامج في الذاكرة مما سهل عملية إعادة البرمجة.

معمارية الحاسوب هي دراسة كيفية تفاعل مجموعة من المعدات البرمجية والمادية مع بعضها لتشكيل نظام الحاسوب؛ أي كيفية تصميم نظام الحاسوب وما هي التقنيات المتوافقة معه..

وتنقسم معمارية الحاسوب إلى ثلاثة أقسام:

قام الرياضيُّ John Von Neumann عام 1945 بوضع نموذجٍ في معمارية الحاسوب ما زال يتم العمل به حتى وقتنا هذا، ويتضمن:

تتحكم بعمل وحدة الحساب والمنطق، الذاكرة، وأجهزة الإدخال والإخراج، حيث تخبرها كيف تستجيب لتعليمات البرنامج الذي قامت بقراءته وفهمه من وحدة الذاكرة.

تؤمن وحدة التحكم أيضًا إشارات التحكم والتوقيت المطلوبة من قبل مكونات الحاسوب الأخرى؛ أي أنها تتحكم بكافة إشارات المعالج، توجه تدفق الإدخال والإخراج، وتأخذ التعليمات حول كيفية تحرك البيانات داخل النظام.

مسؤولة عن كافة العمليات الحسابية (جمع، طرح، وغيرها) والعمليات المنطقية (And, Or, Not وغيرها) التي تقوم بها وحدة المعالجة المركزية في معمارية الحاسوب.

هي مناطق تخزينٍ عالية السرعة تتوضع بها البيانات قبل معالجتها، وتشمل:

تشمل هذه الوحدة من معمارية الحاسوب ذاكرة RAM (ذاكرة الوصول العشوائي) وهي ذاكرة الحاسوب الأساسية (على عكس القرص الصلب الذي يعتبر ذاكرةً ثانويةً). تكون هذه الذاكرة سريعةً، سهلةَ الوصول من قبل CPU، ومجزأةً إلى أقسامٍ كل منها مكون من عنوانٍ ومحتوى.

المعلومات على هذه الذاكرة غير دائمةٍ تختفي بانقطاع الطاقة عن الحاسوب، ولكن نقل البيانات من الذاكرة الدائمة (القرص الصلب) إلى هذه الذاكرة المؤقتة يسمح لوحدة المعالجة المركزية بالعمل بسرعةٍ أكبر.

وهي الطريقة التي تنتقل خلالها البيانات بين أجزاء الحاسوب حيث تصل جميع المكونات الكبرى الداخلية للحاسوب مع وحدة المعالجة المركزية والذاكرة.

يتكون ناقل وحدة المعالجة المركزية القياسيّ من:

تتم قراءة البرنامج أو البيانات وتوضعها في الذاكرة الأساسية من خلال أجهزة الإدخال أو التخزين الثانوية تحت إشراف وتحكم تعليمة الإدخال في وحدة المعالجة المركزية.

بعد معالجة البيانات وتخزينها، يتم عرضها وتقديمها للمستخدم من خلال أجهزة الإخراج.

كانت المشكلة في نموذج Von Neumann أنه يوظف نفس الناقل لأخذ التعليمات من الذاكرة ونقل البيانات من مكانٍ لآخر مما يعيق أداء وحدة المعالجة المركزية، وبذلك ظهر نموذج Harvard الذي يفصل التخزين وطرق الإشارة لبيانات البرنامج والتعليمات.

كلا النموذجين متماثلين ما عدا طريقة الوصول إلى الذاكرة، حيث تقوم فكرة نموذج Harvard على قسم الذاكرة إلى جزأين؛ أحدهما للبيانات والآخر للبرامج مما يتيح للنظام نقل البيانات وإحضار التعليمات في ذات الوقت، وهذا يجعل عملية تنفيذ التعليمة أسرع. ولكن في هذا النموذج تكون وحدة التحكم مسؤولةً عن ناقلين منفصلين مما يجعلها أكثر تعقيدًا وذات تكلفةٍ أكبر..

الطريقة الأمثل لوصف معمارية الحواسيب الحالية هو نموذج Harvard المعدل حيث تحتوي على ناقلين منفصلين للإشارة والتخزين في حين أن الذاكرة بحد ذاتها هي قطعةٌ واحدةٌ مشتركة..