أساسيات تكنولوجيا الحاسبات الشخصية–PC Technology Basics–الجزء الثاني

منفذ الـ USB :

لمنفذ الـ USB شكلين USB1.1و USB2.0 يطلق على الثاني في بعض الأحيان USB ذو السرعة العالية "high-speed USB" يستطيع USB1.1 نقل البيانات بسرعة قد تزيد عن 12 ميجابت/ ثانية (12 Mbits/sec) وهذا معدل يعتبر أسرع من منافذ التوازي أو التوالي بينما USB 2.0 فهو الأسرع ويمكنه نقل البيانات بسرعة قد تصل إلى 480 ميجابت/ ثانية (480 Mbits/esc) من هنا نلاحظ فرق السرعة الرهيب، أضف لهذا أن USB2.0 متوافق مع USB1.1 بمعني أنه يمكن توصيل جهاز USB1.1 بمنفذ USB2.0 ويعمل جيداً.

تأخذ منافذ الـ USB شكل مستطيل وهي "Female" بينما كابل الـ USB فإنه يحتوى على وصلة الذكر "Male" أحد طرفي الكابل يحتوى على وصلة تسمى "Type A Connector" وهي التي توصل بمنفذ الكمبيوتر أو "hub" الشبكة بينما الطرف الأخر من الكابل فإنه يحتوى على وصلة تسمى "Type B Connector" وهي التي توصل بجهاز من النوع USB الوصلة A مستطيلة الشكل بينما الوصلة B مربعة الشكل. أنظر شكل (أ) وشكل (ب).

كثير من الأجهزة الحالية مثل لوحات المفاتيح "Key Boards' الماوسات وعصا التوجيه "joysticks" الميكروفونات، الماسحات الضوية "Scanners" الطابعات، الموديمات "Modems" والكاميرات الرقمية الخ...يتم اتصالها بالكمبيوتر عن طريق الـ USB بعض الأجهزة تعمل كوصلة مشترك Hub يكون بها عدة وصلات USB لتوصيل عدة أجهزة ببعض من النوع USB مثال لذلك لوحة المفاتيح الموضحة بالشكل التالي:

جميع أنواع النوافذ “Windows” التي بعد Windows 95 OS R2 تدعم منافذ الـ USB ما عدا ويندوز NT ونسخة ويندوز 95  الأولى تتمتع جميع أجهزة الـ USB بميزة الـ Hot-Swap بمعنى أنه يمكنك توصيل أو فصل هذه الأجهزة في أي وقت دون أن تحتاج إلى إطفاء جهاز الكمبيوتر.

تمكنك تكنولوجيا الـ USB من توصيل 127 جهاز معا في متوالية يطلق عليها Daisy Chain مع استخدام عنوان IRQ واحد (Interrupt Request Address)

وصلة المعيار IEEE 1394:

اشتركت شركة "Apple Computers" مع كل من شركة "Texas Instruments" ومنظمة الـ IEEE ليقدموا معياراً عظيماً هو المعيار IEEE-1394 لم يتبنى هذا المعيار مصانع الكمبيوتر ومصانع الوحدات الطرفية فقط إنما امتدت المسألة إلى مصانع الأجهزة الالكترونية المنزلية وأجهزة تسجيل الفيديو الرقمية.

سوقت المصانع المختلفة تكنولوجيا الـ IEEE-1394 تحت أسماء تجارية مختلفة منها على سبيل المثال Fire Wire اسم قدمته شركة Apple الاسم i. link اسم قدمته شركة Sony الاسم lynx اسم قدمته شركة "texas Instruments ومع ذلك فكل هذه الأسماء تشير لشيء واحد.

يتميز الجيل الأول من هذه التكنولوجيا (1394a) بسرعة نقل بيانات تصل إلى 400 ميجابت/ ثانية (400 Mbits/s) بينما الجيل الحالي (1394b) تصل سرعته إلى 800 ميجابت/ ثانية (800 Mbits/sec) تناسب هذه التكنولوجيا نظم الفيديو ومشغلات الأقراص الصلبة الخارجية وأجهزة التخزين الاحتياطي والعناصر الأخرى من الـ Hardware التي تحتاج إلى "Real-Time Data Access" أيضاً تتمتع هذه التكنولوجيا مثل الـ USB بميزة الـ Hot-Swap وتدعم أيضا جمع الأجهزة الـ Fire Wire يصل إلى 63 جهاز معاً مع استخدام مجموعة واحدة من عناوين الـ  I/O  وعنوان IRQ واحد وقناة وصول مباشر واحدة Direct Memory Access (DMA) انظر الشكل التالي.

تكنولوجيا الإسكازى SCSI:

في كثير من أجهزة الكمبيوتر العالية المستوى تجد فيها وصلات إسكازي SCSI Connectors وحاكمات إسكازي SCSI Controllers يوجد عدة روابط Interfaces مختلفة لأجهزة الإسكازي منها على سبيل المثال SCSI-1 و SCSI-2 و Uitra SCS1 و Wide Ultra SCSI ولكن أكثرهم شيوعاً هو منفذ الاسكازي 50-pin Female SCS-1 port الموضح في الشكل التالي.

SCSI-2 Port

من المككن أن ترى منافذ اسكازي ذات 68-pin أو ذات 25-pin في بعض الأجهزة أو بعض أجهزة الكمبيوتر الشخصية.

كانت منافذ الاسكازي القديمة تنقل البيانات بسرعة 5 ميجا بايت في الثانية (5 Mbytes/sec) ثم أصبحت تنقل البيانات بسرعات تترواح ما بين 40 إلى 820 ميجا بايت في الثانية، أما الآن فإن منافذ الاسكازي الحالية تنقل البيانات بسرعة تصل إلى 320 ميجا بايت في الثانية.

كود ألوان الوصلات:

في عام 1999 أوصى كتاب دليل نظم الكمبيوتر الذي يطلق عليه الاسم (PC 99 Systems Desigm Guide) والذي عرف باسم PC 99 كود ألوان لتسهيل مسألة التمييز بين أنواع الوصلات. فيما يلي جدول لهذا الكود.

وصلة الـ Dual-Row Header الداخلية:

بالإضافة إلى جميع الأجهزة الخارجية والتوصيلات التي ذكرناها حتى الآن، أيضاً يوجد أجهزة عديدة ذات روابط داخلية Internal Interfaces يتم توصيلها بالـ Dual-Row Headers عن طريق كابل يسمي الكابل الشريطي Ribbon Cable كما هو موضح بشكل (5-1) لهذا النوع من الوصلات Connectors مشكلتان رئيسيتان، المشكلة الأولي هي أنه يمكن تركيب الـ plug أو الـ Socket بالمقلوب (الوضع الخطأ) وهذا ما لا يمكن حدوثه في وصلات الـ D-Shell بالطبع هذه المسألة تعرض Pins الوصلة للثني أو الكسر. توجد حلول عديدة سهله لهذه المشكلة، ومع ذلك فبعض الشركات المصنعة لا تبذل أي جهد لتنفيذ أي من هذه الحلول. من أشهر حلول هذه المشكلة هو أن المصنع يضع دليلاً "Key" في الوصلة بحيث لا يمكن تركيب الوصلة إلا في الاتجاه الصحيح فقط. ويتم ذلك بإزالة أحد الـ Pins من Socket لوحة الدائرة Circuit Board وملأ التجويف المناظر. لهذا ال Pin في ال socket الخاصة بـ Plug الكابل كما هو مبين بشكل رقم (5-1).

في حالة أن لا يكون بالوصلات Key إذن لابد من تحديد ال pin رقم 1 في الكابل ثم مقابلته مع أل pin رقم 1 في Socket لوحة الدائرة بهذه الكيفية سيكون ال Plugging سليماً. المشكلة الثانية، وهي عند فقدان الكتالوج الذي يبين موقع ال Pin رقم 1 لكل وصلة وقد تم حل هذه المشكلة عن طريق استخدام ال header المحمي Protected أو ال Header ذو الصندوق Boxed Header ولكن لا يستخدم هذا الحل بشكل دائم لأنه يحتاج إلى تكلفة عالية. يبين شكل (6-1) هذا النوع من الوصلات العالي الجودة الذي لا يساعد فقط في تفادي تعرض ال Pin للثني إنما أيضاً له سمات مختلفة عن النوع العادي كما هو واضح في شكل (6-1) تجد مثلا عدم وجود عمود ال Pins مما يجعل الصندوق يجبر ال Plug أن يتمركز في المنتصف عند الدخول في Socket أيضاً نجد الكابل يحتوى على Strain Relief (مختلف الجهد أو الالتواء) الذي يعمل على حماية الأسلاك من التلف أثناء خلع الوصلة أو عند جذب الكابل.

أجهزة I/O الداخلية (Internal  I/O  Devices:

جميع أجهزة ال  I/O  الداخلية باستثناء عدد قليل توصل بالنظام عن طريق وصلات ال Dual-Row Header المختلفة الإحجام أول وصلة Dual-Row Header كانت قد استخدمت لمشتغلات الأقراص المرنة Floppy Drives ومشغلات الأقراص الصلبة Hard Drives، ثم أتي بعد ذلك ال SCS1 وأخيراً جاءت الأجهزة المتكاملة Integrated الأحدث التي تشتمل على منافذ التوالي ومنافذ التوازي ومنافذ الألعاب Game Ports فيما يلي عرض لأهم وصلات أجهزة ال  I/O  الداخلية.

وصلة ال (2x5) 10-Pin:

بسبب أن منفذ التوالي المعياري الحالي Rs232 به 9-Pin لذلك يتم استخدام وصلة ال 10-pin (pin واحدة بدون استخدام) لربط أي منفذ توالي مبني على اللوحة الحاكمة Controller بوصلة ال DB-9M الخارجية السابق شرحها. ملاحظة هامة يجب أخذها في الاعتبار هي أن كابلات الأسلاك التسعة تأتي مع اللوحة الأم، لأنه يوجد نوعان مختلفان من هذه الكابلات لا يمكن التبديل في أي نوع منهما، أحد النوعين يوصل ال Pins للوصلة DB-9M بحيث الـ Pins من رقم 1 حتى رقم 5 بالصف السفلي بال Dual-Row Header بينما ال Pins من رقم 6 حتى رقم 9 توصل بوصلة بالصف الآخر من ال Dual-Row Header بينما رقم 2، 4، 6، 8 توصل بالصف الثاني بوصلة ال Dual-Row Header بعض من هذه الوصلات تم تعديلها حديثاً وأصبحت وصلة 4×2 بدلاً من 5×2 يبين شكل (1/7) جزء من اللوحة الأم يظهر فيه وصلات 4×2 و5×2 ومكتوب على كل وصله اسمها .

الوصلة pin 16- (2x8) :

معظم هذه الوصلات connectors الداخلية تربط بالوصلة DB -15F الخارجية التى تستخدم لجهاز عصا التحكم JOYSTICK وتعرف هذه الوصلة أيضا باسم أخر وهو منفذ الألعاب GAME PORT بعض اللوحات الأم من النوع BABY-AT التي مبني عليها موائم الفيديو تستخدم هذا الـ Header Connector لتوصيل موائم الفيديو، ولكن ليس شائعاً

الوصلة (2x10) 20-Pin:

أصلا كانت تستخدم هذه الوصلة مع مشغلات الأقراص الصلبة التي توقف انتاجها وبطل استخدامها وهي الأنواع ST-506 و ESD1-506 حيث كانت موجودة على كارتات ال ESD1 وال ST-506 المنفصلة التي يكون بها وصلتان لكابلات البيانات كل منها 20-Pin مع كابل تحكم Control Cable به 34-Pin لتوصيل مشغلين أقراص صلبه من النوع ESDI أو ST-506

الوصلة (2x13) 26-Pin:

استخدمت هذه الوصلة أصلاً في النظم القديمة لتوصيل منفذ طابعة التوازي وأحياناً لتوصيل أحد منافذ التوالي ذات الـ 25-Pin.

الوصلة (2x17) 34-Pin:

تستخدم هذه الوصلة لحاكمات الأقراص المرنة Floppy Controller ومع مشغلات الأقراص المدمجة الأولي (ليست الحالية).

الوصلة (2x20) 40-Pin:

استخدمت هذه الوصلة مع الرابط (IDE Interface) IDE وكانت هذه الوصلة أصلاً قد صممت للأقراص الصلبة (IDE) التي حلت محل النوع ST-506 وبعد ذلك أمتد استخدامها ليشتمل مشغلات ال CD-ROM وأجهزة نقالة أخرى.

الوصلة (2x22) 44-Pin:

تستخدم هذه الوصلة فقط لروابط ال IDE وتشتمل على وصلة التغذية وكانت تستخدم في أجهزة كمبيوتر الـ PS/2

الوصلة (2x25)50-Pin

استخدمت هذه الوصلة مع أجهزة الـ SCS1 الضيق (Narrow-SCS1) الذي ناقلة بياناته 8-bit أيضاً بعض حاكمات ال (PCMCIA Controller) PCMCIA تستخدم وصلتين من هذا النوع لتوصيل قارئ الكروت من النوع PCMCIA (PCMCIA Card Reader) في بعض الأحيان تظهر على اللوحة الأم وصلات أخرى من النوع Dual-Row Header (ذات صفين) أو من النوع Single- Row Header (ذات صف واحد)، من الممكن يكون بعضها لأغراض خاصة (مثل الوصلة ذات الصف الواحد 18-Pin الخاصة بتوصيل ماوس PS/2 ومنفذ IR (Infrared تحت الحمراء) ومنفذين USB مبنية جميعها على مجرى كارته واحدة Card Slot كما هو مبين في شكل (1-8) أو أنها تستخدم لتوصيل جنابر خاصة بمجموعة من معلومات التوصيف Sonfiguration Information لمعرفة الغرض من هذه الوصلة راجع كتالوج الأم Manuals Motherboard

مجاري ناقل I/O النظام System  I/O  Bus Slots:

تشتمل مجرى ناقل  I/O  النظام على مجموعة الأسلاك التي تنقل البيانات فيما بين ال CPU وكارتة موائم جهاز ال  I/O  التي تركب Plug في مجرى ناقل ال  I/O  كما هو مبين في شكل (9-1) يبين هذا الشكل لوحة أم نموذجية ويظهر عليها مثالين لمجاري الناقل Bus Slots الشائعة هما نوع يسمى ISA ونوع أخر يسمى PCl (Peripheral Component Intercommect) استخدم الناقل ISA في الماضي بأجهزة الكمبيوتر IBM/AT عام 1983 والآن تستخدم في أجهزة الكمبيوتر الحديثة فقد لتوافقها مع نوعيات كثيرة من كارتات الموائمة التي صممت قديماً منذ عام 1983 أو ما يقرب من ذلك، ربما كان هذا الناقل مرضى (كاف) في ذلك الوقت، ولكن ارتفاع أداء ال CPU وذاكرة ال RAM لم يعد ناقل ISA القديم له الأهمية الكبيرة في تواجده على اللوحة الأم. مع ذلك فإن معظم النظم الحالية تشتمل على كلا المعيارين، الناقل ISA من أجل كارتات الموائمة القديمة البطيئة والناقل PCl من أجل كارتات الموائمة الحديثة العالية السرعة كما هو مبين في شكل (1-9):

منذ عام 1989، أي عند بدء ظهور نظام المعالج 80486 k ذادت سرعة رابط ذاكرة ال RAM بالـ CPU مما دعا إلى ضرورة فصل هذا الرابط عن ناقل ال  I/O  لتفادي حدوث التداخل الكهربي Electrical Interference الذي قد يحدث من كارتات الموائمة وحتى تزاد الاعتمادية Reliability (عدم حدوث الأعطال من حين لآخر) تستخدم هذه الناقلة المستقلة التي سميت ناقلة الذاكرة Memory لتوصيل CPU بذاكرة ال RAM ثم تغير الاسم بعد ذلك إلى اسم أخر هو الناقل المحلي Local Bus لأن ال RAM وال CPU يكون دائماً قريبين من بعضهما بقدر الإمكان لتقليل زمن التأخير عند نقل الإشارات من ال CPU إلى ال RAM أو العكس، كذلك لجعل الأسلاك بين ال CPU وال RAM أقصر ما يمكن لتقليل التداخل الذي كثيراً ما يحدث في حالة الأسلاك الطويلة التي تلتقط الإشارات الزائقة عن طريق الحث. يبين شكل (1/10) جزء من اللوحة الأم الذي يظهر أسلاك الناقل المحلي Local Bus:

أساسيات نظرية عمل ال CPU:

لكي تفهم الأسس الذي يعمل على أساسها الـ CPU فإنك تحتاج إلى فهم بعض أساسيات علم الالكترونيات وأساسيات النظم التي تعمل بالشفرة الثنائية Binary Systems (شفرة الأصفار والأحاد).

أساسيات تغذية الـ PC بالإشارات:

جميع الإشارات الالكترونية في ال PC (الحاسب الشخصي) أما أن تكون تناظرية Analog أو تكون رقمية Digital يوجد بوحدة ال PC مجالين فقط لاستخدام الإشارات التناظرية هما إشارات الصوت Audio signals وإشارات الفيديو Video Signals بينما تستخدم وظائف التحكم والاتصالات الإشارات الرقمية الثنائية Binary Digital Signals في القسم التالي من هذا الفصل سوف نستعرض الفرق بين الإشارات الرقمية والإشارات التناظرية.

البيانات التناظرية المقابلة للبيانات الرقمية الثنائية

Analog VS. Binary Digital Data:

لكي ترسل عدداً مستخدماً إشارة تناظرية Analog signal فإنه يجب عليك أولاً تحديد مدى جهود الإشارات المناظرة لمدى الإعداد التي قد ترسلها. فملاً لتمثيل الأرقام العشرية من 0 إلى 9 بإشارات جهد كهربي، يمكن ببساطة تمثيلها بالجهود من Volts إلى Volts 9 فمثلاً إذا أردت إرسال الرقم 6 إذن فأن دائرة الإرسال يجب أن ترسل جهد قيمته 6 Volts وبالتالي تحتاج دائرة طرف الاستقبال إلى كاشف لهذا الجهد. ولأن الإشارات دائماً لا تكون بالدقة التامة لذا على دائرة الكشف Detection circuit توقع ذلك. في مثالنا الحالي، أفرض أنه مسموح بتفاوت قدرة نصف فولت (0.5 Volts في هذه الحالة فإن دائرة الكشف سوف تترجم الجهد ما بين القيمة 5.5 Volts إلى 6.5 Volts إلى القيمة 6 للأسف بعض التداخلات الكهربية وظروف أخرى محيطة يمكن أن تتسبب في أن يكون التغير في قيمة الجهد المرسل بمقدار أكبر من 0.5 Volts ولأن المطلوب أن تكون الإشارات دقيقة مئة في المائة لذلك فإن الأمر يحتاج إلى إضافة مرشحات غالية الثمن Expensive Filters لكل خط من خطوط البيانات في هذا المثال البسيط. فما بالك بالنسبة لكمبيوتر PC الذي يحتوى على ألاف من دوائر التحكم فمن المتوقع أن تكون التكلفة عالية بدرجة غير مقبولة لذلك لا تجد في PC إشارات تناظرية سوى إشارات الصوت وإشارات الفيديو فقط. استخدام خطوط الإشارات الرقيمة يقضي على مشكلة التغيرات الكهربية (الضوضاء الكهربية Electrical Noise) الناتجة عن التدخل الكهربي. وسر ميزة الإشارات الرقمية يكمن في كونها إشارات تخضع لشفرة تسمى الشفرة الثنائية Binary code وهي شفرة تستخدم لتمثيل أي عدد بتركيبة من الأصفار والآحاد بحيث الصفر يمثل بجهد منخفض والواحد يمثل بجهد عالي. وفي أجهزة ال PC يستخدم الجهد +5 Volts لتمثيل الواحد بينما الجهد 0 Volts لتمثيل الصفر. يحتاج طرف الاستقبال الذي يستقبل هذا النوع من الإشارات إلى دوائر بسيطة جداً لتكتشف أن كان على كل خط يوجد جهد أم لا يوجد جهد. وتعتبر هذه الدوائر الجهود التي تزيد عن 2.4 volts (واحد) أي جهد عالي أما الجهود التي تكون أقل من 0.8 volts فتعتبرها (صفر) أي جهد منخفض. بسبب اتساع التفاوت في تغييرات جهود الإشارات، تتميز هذه الطريقة بالاعتمادية العالية Higher Reliability.

أيضاً بسبب بساطة الدوائر المستخدمة في هذه الطريقة، لذا فهي تتميز أيضاً بصغر الحجم والسرعة العالية ورخص الثمن. العيب الوحيد في إشارات الشفرة الثنائية، هو استخدام عنصرين فقط للتمثيل، الصفر والواحد. لإرسال عدد كبير فإنه يلزم لتمثيلة أرقام ثنائية كثيرة (عدد الأصفار والآحاد الممثلة للعدد) وبالتالي يلزم أسلاك كثيرة لإرسال العدد، لأن كل سلكه واحدة لا يمكنها إرسال سوى رقم ثنائي واحد (صفر أو واحد)، يطلق على الرقم الثنائي Bit فمثلاً عن طريق سلكان يمكن إرسال أربعة أعداد مختلفة (0 أو 1 أو2أو3) يرسل الصفر عبر السلكان بشفرة ثنائية هي 00، أما الرقم واحد فهو يرسل عبر السلكان بشفرة ثنائية هي 01 والرقم 2 يرسل عبر السلكان بشفرة ثنائية هي 10 أما الرقم 3 فيرسل عبر السلكان بشفرة هي 11. أما إذا أردنا إرسال الأرقام العشرية من 0 إلى 9 فإنه يلزم ثلاث أسلاك وتمثل هذه الأعداد على الأسلاك الثلاثة بالنظام الثنائي كما هو موضح بشكل (11-1) وهكذا نرى أنه يلزم عدد من الأسلاك أكثر كلما أردنا إرسال عدد عشري كبير.

نظام التشفير الثنائي ونظم التشفير الأخرى:

استخدام 4-bit لتشفير كل رقم عشري يطلق عليه شفرة ال BCD (Binary-Coded-Decimal) واستخدمت هذه الشفرة في أول كمبيوتر رقمي للأغراض العامة سنة 1946 والآن الأربع أرقام ثنائية تعطي (24) 16 تركيبة مختلفة من الأصفار والآحاد، كل تركيبة من التراكيب الستة عشر لها كود يسمى Hexadacimal (سداسي عشر) وأحياناً للاختصار hex يطلق على هذه الشفرة الشفرة السداسية عشر Hexdecimal code الجدول الآتي يبين التراكيب الثنائية الستة عشر والأكواد السداسية عشر المناظرة.

في الشفرة السداسية عشر إذا أردت تمثيل ثمانية أرقام ثنائية بشفرة ال Hexadecimal فإنك ستمثل هذه الأرقام الثنائية الثمانية برقميين سداسيين عشر فقط. من هنا ستجد أن الشفرة السداسية عشر أبسط وأكثر اختصارا وهي تستخدم في تفسير رسائل الأخطاء خصوصاً تضاربات الذاكرة Memory Conflicts (سوف نناقشها في نهاية هذا الفصل في القسم الخاص بموارد النظام وتضاربها (System Resources and Comflicts")

البيانات النصية المقابلة للبيانات الثنائية:

Text Data vs. Binary Data

لكي يمكنك تخزين البيانات فأنت تحتاج إلى استخدام Bits كافية في كل موقع لتتمكن من تخزين جميع القيم المحتمل أنك ستحتاج إلى تخزينها. فلتخزين البيانات العددية أو أوامر البرامج Program Instructions يمكن أن يكون عدد ال bits التي ستحتاجها يتغير من 1-bit إلى أي عدد، هذا يعتمد على طول الأوامر أو قيم الأعداد بالبيانات العددية. بالنسبة للبيانات النصية فأن لكل حرف "Character" ولكل رمز "Symbol" مستخدم لتخليق المستند "Document" رقم كودي. عدد أكواد الحروف والرموز للغة الإنجليزية هي حوالي 100 كود. هذه الأكواد هي تراكيب ثنائية، كل تركيبة مكونة من 7.bits في عام 1968 قامت لجنة المعهد الأمريكي للمعايير الدولية المعروفة بالاسم "ANSI" بوضع أكواد لجميع الحروف والرموز للغة الانجليزية بأطوال 7 bits وعرفت هذه الشفرة بالاسم (American Standard Code For Information Interchange) ASCII الحالية موضحة بالجدول التالي فيها بعض التغير عن الخريطة التي قدمتها لجنة ANSI في عام 1968 وهذه هي خريطة أسكي (ASCII) التي تستخدمها جميع أجهزة حاسبات ال PC اليوم.

عند تخزين بيانات في أي مواقع تخزين Storing Locations فإن الأفضل والأسرع لل CPU أن يستخدم أطوال 8 bits بدلا من 7 bits، لهذا السبب فإن وحدات التخزين الأساسية تكون بأطوال 8 bits يعرف طول ال 8 bits بوحدة تسمى byte (بايت) من هنا فإنه عند تخزين بيانات كود أسكي فإنها ستحتل موقع طوله 8 bits مثل أي نوع أخر من البيانات فيما عدا أنه في كود آسكى سيكون ال bit الثامن off (غير فعال) بعض مصانع المكونات المادية لل PC استغلت ال bit الثامن باعتبار أنه عند تفعليه (on) فإنه يعطي 128 تركيبة ثنائية ممكنه أخرى في إدراج الرموز العالية المتداولة وحروف خطوط الرسم والحروف الغير انجليزية والحروف الأخرى القابلة للطبع، أطلق على كود أسكي بعد توسعته كود أسكي الموسع "Extended ASCII" معظم الإضافات قد تمت بمعرفة شركة IBM أو EPSON أيضاً استخدمت شركات ال "Software" ال bit الثامن للتهيئة الخاصة Special Formstion في المستندات النصية وبالتالي لم تعد المستندات يطلق عليها الاسم "Plain Text" و "ASCII text" لأنها تعتمد الآن على 8 bits وليس 7 bits للتفرقة بين النوعين عند إرسال بيانات عبر رابط اتصالات توالي "serial Communication" فإن بيانات ال 7-bit يطلق عليها "ASCII Data" بينما أي بيانات أخرى تحتاج إلى 8-bit يطلق عليها "binary data" ومع ذلك فالنوعين يستخدمان النظام الثنائي.

الـ Bits والـ Bytes والناقلات (Buses):

إذا تصورنا أن ال bits وال Bytes التي ناقشناها منذ قليل أنها الصواميل والمسامير بالنسبة لتشغيل ال CPU، فإن الخطوة التالية يجب أن تكون كيف يتم استخدام هذه المسامير وتلك الصواميل لبناء النظام ذو الأجزاء المعشقة. أول العناصر التي تبنى بهذه المسامير والصواميل هي الناقل Bus والناقل هو مجموعة أسلاك تستخدم لنقل المعلومات (في صورة إشارات كهربية). هناك أنواع مختلفة من الناقلات يتم التمييز بينها على حسب الغرض والطريقة التي يستخدم بها الناقل. سنناقش هنا المفاهيم الأساسية للناقل بدءاً من ناقل البيانات Data Bus ثم ناقل العنوان Address Bus ثم استخدام هذه المعلومات لشرح وصلات الناقل التي يمكن أن تراها داخل النظام أيضاً عند مقارنة الإحجام المختلفة لهذه الناقلات، سنرى كيف استخدمت معالجات شركة انتل (Intel) هذه الإحجام المختلفة بتطور معالجتها.

ناقل البيانات Data Bus:

يعتبر ناقل المعلومات من أهم عناصر توصيلات ال CPU، لأن كل أمر من أوامر البرنامج أو كل بايت Byte من البيانات لكي يتم نقله من أي نقطة إلى CPU أو العكس لابد أن يتم ذلك عن طريق هذا الناقل. يقاس حجم ناقل البيانات بالـ bits حيث يحتاج كل bit لنقله إلى سكله واحده One Wire من الأسلاك التي يتكون منه الناقل. فمثلاً كان المعالج 8088 (CPU) بكمبيوتر ال IBM/PC له ناقل بيانات حجمه 8 bits وبالتالي فإنه يستطيع نقل واحد Byte في كل دورة ناقل Bus Cycle بتطور المعالج زاد حجم ناقل البيانات. الجدول التالي يبين العائلات المتتالية لمعالجات إنتل Intel Processors ويظهر في هذا الجدول أنه مع تقدم المعالجات يزداد حجم ناقل البيانات. كذلك بمناظرة ناقل البيانات في المعالج IBM/PC بناقل طريق بثماني حارات فمن الطبيعي أن يكون الثاني حركة البيانات عليه أسرع بكثير.

ناقل العنوان Address Bus:

يستخدم ال CPU ناقل العنوان لتحديد الموقع الذي مطلوب إرسال البيانات إليه أو استقبال البيانات منه بينما تنقل هذه البيانات عن طريق ناقل البيانات. يحدد حجم ناقل العنوان (عدد ال bits) عدد المواقع الممكن الاختيار منها سواء لإرسال البيانات إليها أو استقبال منها. فمثلاً ناقل العنوان الذي حجمه 8 bits يمكن ال CPU من اختيار موقع من ضمن 256 موقع (28) بالطبع نحتاج أن تكون الذاكرة بعدد من المواقع أكثر من ذلك بكثير لتخزين بايتات البيانات وبالتالي فلابد أن يكون حجم ناقل العنوان أكبر من ذلك فعلي سبيل المثال كان المعالج 8088 المستخدم في نظم ال IBM/PC له ناقل عنوان 20 bits بينما معالجات ال Pentium III تستخدم ناقل عنوان حجمه 36 bits يمكنك حساب إجمالي عدد المواقع (الحد الأقصى من مواقع الذاكرة) وذلك برفع 2 إلى الأس الذي هو عدد bits العنوان أي أن:

الحد الأقصى من الذاكرة= (2)^{عدد bits العنوان}

فيما يلي خريطة توضح عدد bits العنوان والحد الأقصى للذاكرة المقابل:

من الخريطة السابقة نفهم مسألة حجم الذاكرة مرهونة بعدد bits العنوان أي عدد خطوط العنوان أي عدد pins في المعالج التي خصصت للعنوان ولذلك مع تطور المعالجات CPU فإن عدد pins المعالج التي تحمل إشارات العنوان تزداد. ومع ذلك فإنه عند تصميم المعالجات فلا يمكن زيادة عدد هذه ال pins دون قيود فالمسألة مرتبطة أيضاً بعدد الأسلاك الممتدة من ال CPU إلى كل شيء آخر على اللوحة الأم. فمجموعة ال Chips (الرقاقات وهي عناصر الكترونية متكاملة في قطعة واحدة) التي تقوم بهذا التوصيل يطلق عليها Chipset كانت هذه المجموعة من ال chips يصل عددها إلى مئات من ال Chips على اللوحات الأم القديمة مثل نظم ال IBM/PC ونظم ال IBM/AT ثم بدأت بعض مصانع ال Chips في تكثيف رقاقات الربط هذه Interface Chips في عدد قليل من الـ Chips (أي تجميع وظائف مجموعة Chips في Chip واحدة) إلى أن انخفض عدد ال Chips من مئات إلى أربعة Chips فقط إلى أن أصبحت لوحات الأم Motherboard الحالية لا تحتوى إلا على اثنين Chips فقط. أي أن وظائف اللوحة الأم تركزت الآن في اثنين Chips فقط. تنتج حالياً شركة Intel هذه ال Chips وتطلق عليها PCIset، ومع ذلك فهناك شركات أخرى قليلة تنتج هذه ال Chips معظم ال Chipsets بما فيهم Intel PCIset لا تستخدم جميع أسلاك العنوان ولذلك فهي محدودة عن ال CPU بفرض أن ال CPU يستخدم جميع أسلاك العنوان فإن الخريطة التالية تبين عدد أسلاك العنوان لمعالجات إنتل المختلفة والحجم الأقصى للذاكرة المناظر.

سرعات الناقل Bus Speeds:

كان لنظام كمبيوتر ال IMP/PC ناقل نظام واحد System Bus لذلك كان كلا من ال CPU وال RAM وناقل مجارى كارتات ال (1.0 Bus Card Slots) 1.0 يعمل عند نفس السرعة. عندما أتت نظم معالجات ال 80386 وال 80486 ذادت سرعة الناقل إلى MHz 33 (33 مليون ذبذبة/ ثانية) وانقسم ناقل النظام إلى جزأين، جزء هو الناقل المحلي Local Bus وهو الجزء الأسرع ويعمل كرابط بين المعالج والذاكرة (Memory Interface) أما الجزء الثاني هو ناقل ال  I/O  وهو الجزء الإبطاء ويستخدم لكارتات ال 1.0 بعض تصميمات نظم معالج ال 80486 تشتمل على وصلة ناقل محلي Local – Bus Connector توضع ببعض مجاري الناقل من أجل كارتات الموائمة الخاصة التي تعمل على الناقل المحلي، ولكن ينشأ عن ذلك أعطال التشغيل من حيز لآخر. وكي لا تعاني نظم معالجات ال Pentium من هذه المشكلة قامت شركة إنتل بتصميم ناقل  I/O  يتميز بالسرعة العالية وسمى بناقل الت PC1 سنتعرض لشرحة فيما بعد. ولأن ناقل ال PC1 هذا المعياري قدم كل مزايا  I/O  ذات السرعة العالية دون المشاكل التي كانت تحدث مع التصميمات ذات الناقل المحلي، بل أيضاً أعطت فرصة للناقل المحلي المستقل أن يعمل هو أيضاً بسرعة أعلى. من هنا لاقي هذا التصميم القبول حيث ظل الناقل المحلي منفصلاً عن ناقل 1.0 النظام إلى هذه اللحظة.

ناقل I/O النظام (The System 1.0 Bus):

بالرغم من أن 99% من أجهزة الكمبيوتر اليوم تستخدم ناقل النظام (PC1 System Bus) PC1 ومعه قليل من مجاري ناقل ال ISA البطيء (لأسباب التوافق Compatibility)، إلا أن هناك تصميمات أخرى قد ظهرت بعضها بطل استخدامه وبعضها لا نراه إلا في النظم القديمة التي لا تزال تعمل. فيما يلي الأنواع المختلفة من ناقلات ال 1.0

ناقل الـ (The ISA Bus) ISA:

قدمت هيئة ال IEEE المعيار ISA بحيث يسمح بتركيب كارتات ذات ناقل بيانات أما 8.bits أو 16-bits عند سرعات تصل إلى 8.33 MHz وبرغم أن أجهزة كمبيوتر اليوم يمكنها استخدام أجهزة 1.0 أسرع من ذلك، إلا أنها لابد وأن تشتمل أيضاً على وصلات ناقل ال ISA لتوافق مع كارتات ال ISA البطيئة التي في بعض الأحيان يكون هناك ضرورة لاستخدامها. وعموماً فهناك كارتات قديمة مثل كارته الموديم وكارتة الصوت. وهذه الكارتات القديمة باعتبار أنها بطيئة إذن فهي لا يمكن ان تستفيد من ناقل السرعة العالية. في بداية عام 1998 تم إزالة وصلة ناقل ال ISA كلية من أجهزة الكمبيوتر الحديثة. شكل (12-1) يبين صورة لكارته ISA وبجوارها مجرى ناقل (ISA bos slot) ISA.

ناقل الـ (Micro channel Architecture) MCA:

استخدم هذا الناقل في كثير من أجهزة الـ IBM-pc/2 وكان هذا التصميم يعد جيداً لأن له ناقل بيانات 32-bit ولكن بطل استخدام هذا الناقل عند ظهور نظم معالج ال Pentium في عام 1993 من النادر أن تجد اليوم نظم كمبيوتر مزودة بهذا الناقل. كانت كارتات ال MCA تختلف مواصفاتها تماماً عن مواصفات ناقل ال ISA ولذلك لا يوجد توافق بين الاثنين (أي لا يمكن تركيب كارتة MCA في مجرى ISA أو العكس). يبين شكل (1-13) كارتة ISA وبجوارها كارته MCA ويلاحظ الفرق .

ناقل الـ (Extended Industry Standard Architecture) EISA:

قامت بعض الشركات بتقديم تصميم هذا الناقل ليكون هو المقابل لناقل ال MCA بغرض التغلب على مبدأ الاحتكار الذي وضعته شركة ال IBM لناقل ال MCA كانت الشركات التي قدمت معيار ال EISA هي مجموعة تزعمتها شركة "Compaq" لإخراج هذا التصميم من أجل كسر احتكار شركة IBM ولم يقف الأمر عند هذا الحد إنما أيضاً عملت مجموعة "Compaq" على أن يكون التصميم متوافقاً مع المعيار ISA ليتلاءم مع كارتات ISA القديمة، وليس هذا فقط أنما أيضاً أعطت ترخيص مجاني لتشجيع باقي الشركات على تبني هذا المعيار. يمكن لكارته ISA أن تركب Plug في مجرى EISA وتصنع توصيلاً مع الصف العلوي لتوصيلات ال ISA، ولكن إذا تم تركيب كارتة EISA في نفس المجرى (بدلاً من كارتة ال ISA) فإن توصيلات كارتة EISA الأعمق يمكنها عمل تلامس فقط مع الصف السفلي من نقاط التلامس وهو الخاص بتوصيلات ال EISA فقط. يبين شكل (1-14) صورة لكل من كارتة ال EISA ومجرى ال EISA

لسوء الحظ أن تصنيع هذه الوصلات كان يرفع من سعر المنتج وذلك لارتفاع قيمة التكلفة لأن الأمر يحتاج إلى تكنولوجيا تصنيع أعلى علاوة على ضرورة إضافة بعض ال Chips على اللوحة الأم. وعلى العموم فقد بطل استخدام كل من EISA وال MCA بعد ظهور ناقل الـ PC1

ناقل ال VESA المحلي (VESA Local Bus (VL-Bus) :

في عام 1992 قدمت هيئة معايير الكترونيات الفيديو المعروفة بالاسم VESA (Video Electromics Standards Association) هذا المعيار (VL-Bus) لتخفيض التكلفة التي كانت تعاني منها النظم المزودة بالمعيارين EISAو MCA مع توفير نفس مميزاتها يبين شكل (15-1) صورة لكارتة VL-Bus ومجرى VL-Bus اليوم يمكنك أن ترى نظم VL-Bus ولكن مع أجهزة الحاسبات الشخصية ذات معالجات ال 80486

وصلة الـ (Peripheral Component Interconnect) PC

تم تصميم هذا الناقل عن طريق مجموعة كبيرة من الشركات على رأسها شركة Intel، وظهر ناقل ال  I/O  هذا في نفس توقيت ظهور معالج الـ Pentium ومع ذلك فقد كان هذا التصميم بحيث يتواءم مع أي معالج. بسرعة لاقي هذا التصميم القبول لدى جميع الشركات برغم أنه غير متوافق مع المعيار ISA بعد هذا القبول أصبحت معظم الكمبيوتر تستخدم ناقلين، ناقل ال ISA وناقل ال PCl وبسرعة أصحبت كارتات أجهزة الـ  I/O  العالية السرعة من النوع PCl متوفرة جداً وتحولت تصميمات كارتات الفيديو وكارتات ربط مشغلات الأقراص إلى استخدام هذا الناقل للانطلاق إلى عالم السرعة بعد أن كانت حبيسة السرعة البطيئة التي يمنحها ناقل ال ISA حتى الأجهزة العادية البطيئة التي كانت تستخدم كارتات الـ ISA أخيراً هي الأخرى هاجرت وشدت الرحال إلي أما كارتات ال PCl أو أصحبت مبنية على اللوحة الأم. في أغلب النظم الشائعة المزودة بالنوعين ال PCl ومعه ال ISA يكون بها في العادة مجرى واحدة مشتركة يطلق عليها "Shared Slot" وهذه المجرى المشتركة بها وصلات كل من ال ISA وال PCl جنباً إلى جنب ويمكن أن يركب بها أما كارته PCl أو كارتة ISA (وليس معاً في وقت واحد) يبين شكل (16-1) كارتة ISA وكارتة PCl مركبتان على اللوحة الأم كل في مجرته الخاصة به.

منفذ ال (Accelerated Graphics Port) AGP:

وأخيراً قد وصلنا لل AGP، وهو أخر وصلة ناقل Bus Connector موجودة بمعظم نظم الكمبيوتر الحديث. ليست ال AGP ناقل بقدر كونها قناة اتصالات متخصصة لنقل البيانات من الناقل المحلي لل CPU إلى كارتة الفيديو، حيث لا يسمح إلا بكارته فيديو واحدة. الميزة الأساسية في ال AGP هي أنها وصلة مباشرة من ال RAM فإن السرعة في حالة ال AGP-4x تعطي سرعة حوالي أربعة أمثال السرعة في حالة ال PCl أما الي AGP-4x فهي تعطي سرعة حوالي ثمانية أمثال السرعة في حالة ال PCl مع ملاحظة أن أي كارتة فيديو لن تشعر بميزة التحسن في السرعة إلا بعد تحسن ال RAM أيضاً. يبين شكل (17-1) كارتة AGP وبجوارها وصلة ال AGP على اللوحة الأم

الناقل المحلي The Local Bus:

كما سبق وأن ذكرنا في مناقشتنا عن أنواع نظم ناقل ال  I/O  فإن ال PC الأول هو النظام الوحيد الذي له نظام ناقل موحد أي أن كل من ال CPU وال RAM وجميع أجهزة ال  I/O  تصل ناقل النظام بنفس السرعة وبنفس الطريقة. ولكن بدءاً من نظم المعالجات ال 80386، أصبح ناقل ال  I/O  لا يعمل بنفس سرعة ال CPU وال RAM ولذلك تم فصلهم (فصل كل من ال CPU وال RAM) على ناقل محلي منفصل Local Bus ليتحقق مبدأ السرعة العالية على هذا الناقل الذي يربط ال CPU بال RAM ويمكن أن نرى ذلك في مثال بسيط، نفرض أن لدينا نظام 80386 الذي يسمح بإضافة RAM عن طريق كروت تركب على مجاري فإن هذه الـ RAM ستعمل ببطء شديد بالقياس لل RAM الموجودة على اللوحة الأم أصلاً والتي تستخدم الناقل المحلي. كانت ال RAM المستخدمة في الماضي تسمي RAM الديناميكية Dynamic RAM وكانت رخيصة نسبياً. كان ناقل ال  I/O  محدد بسرعة تبلغ 8.33 MHZ بينما الـ DRAM كانت تعمل بسرعة أعلى ولكن ليس بفارق كبير، علماً بأن ال CPU في حاجة إلى الانتظار عند التعامل مع أي شيء سرعته في حدود ال 16 MHz لذلك عند قيام ال CPU بدورة قراءة Read Cycle من الـ DRMA فإنه يحتاج على الأقل دورة انتظار واحدة Wait Cycle عندما زادت سرعة المعالجات الـ 80386 من 16 MHz إلى 33 MHz أو 40 MHz احتاج الأمر أن المعالج يدخل ثلاث دورات انتظار (دورة الانتظار يطلق عليها حالة انتظار (Wait State) أي يكون المعالج في حالة من الانتظار لمدة ثلاث دبذبات من إشارة الساعة وذلك نتيجة لبطئ ال RAM بالنسبة للمعالج مما يخفض سرعة الأداء ككل إلى النصف أو أقل. هناك نوع آخر من ال RAM يسمى RAM الاستاتيكية (SRMA) Static RAM سرعة هذا النوع تصل إلى خمسة أضعاف إلى عشرة أضعاف سرعة ال DRAM بالرجوع إلى سنه 1986 عندما كان هذا النوع مستخدماً، كانت تكلفة 1 MB (واحد ميجا بايت) من ال DRAM حوالي 150 دولار بينما إذا تم تجهيز جهاز كمبيوتر بذاكرة SRAM فقد وبسعة 8 MB فإن ذلك يكلف على الأقل عشرة آلاف دولار في ذلك الوقت وبالطبع هذا شيء غير عملي على الإطلاق من هنا جاءت فكرة استخدام الـ SRAM على أساس أنها RAM مخبئة ويطلق عليها SRAM-Cache وهي في العادة تكون بسعة صغيرة (في حدود 64 KB)، وتوضع على التوازي مع الـ DRAM على الناقل المحلي الذي ينسخ كل بيانات جديدة في ال SRAM قبل تخزينها في الـ DRAM قبل اللجوء إلى DRAM مما يحقق كسباً في السرعة يطلق على هذه العملية Cache-Hit أما في حالة أن المعالج لا يجد هذه البيانات في ال SRAM وإضراره القراءة من الـ DRAM فإن هذا يسمى Cache-Miss وفي هذه العملية فإن الـ CPU يدخل حالات الانتظار حتى تستجيب الـ DRAM في حالة نظام ذو SRAM بسعة 64 KB ومعالج سرعة 33 MHz فإن الـ Cache-Hit تصل إلى نسبة 90% مع العلم تكلفة الـ SRAM التي أضيفت للنظام 100 دولار وتعتبر النسبة 90% هذه هي معدل Cache-Hit مناسب وإذا رغبنا في زيادة الـ SRAM فستكون التكلفة أعلى مع زيادة السرعة بقدر قليل يبين شكل (1-18) لوحة أم Motherboard عليها SRAM- Cache من النوع رقاقات تغليف ال DIP (ذات صفين من الأطراف) ولوحة أم أخرى عليها SRAM-Cache من النوع Chips مبنية وملحومة على اللوحة الأم (Two Surface – Mount Chips)

في تصميم المعالج 80486 اشتمل المعالج نفسه على قدر من ذاكرة ل Cache داخله. في بعض النظم اكتفي تصميمها بال Cache الموجودة بداخل المعالج التي أطلق عليها Cache الداخلية (Internal Cache) وخلت اللوحة الأم من أي Cache التي يطلق عليها Cache الخارجية (External Cache) مع الوقت، ومع أواخر عصر معالجات ال 80486 زادت سرعات الناقل إلى 33 MHz و 40 MHz و 50 MHz ولكن أيضاً زادت سرعات المعالجات وبدأت تعمل داخلياً بسرعات 66 MHz و 75 MHz و 100 MHz وقيل أن السرعة الداخلية للمعالج هي مضاعفات سرعة النظام (Multiplied The System Clock) ويعني هذا أنه أثناء عملية Hit أل Cache ال Cache-Miss الداخلية يلجأ المعالج إلى الـ RAM مما يخفض السرعة إلى 33 MHz أو MHz 50 سرعة الناقل المحلي للوحة الأم ارتفاع معدل الـ Miss هذا بالطبع يقلل من فعالية Cache الداخلية، مما يجعل إضافة Cache على اللوحة الأم أمر ضروري وللتمييز بين النوعين من ال Cache أطلق على ال Cache التي بداخل المعالج LI Cache أي Level 1 Cache بينما ال Cache الموجودة على اللوحة الأم أطلق عليها L2 Cache أي Lecel 2 Cache أيضاً استخدم معالج البنتيوم Pentium نفس سمة إشارة الساعة المضاعفة Clock Multiplying حيث تضاعفت السرعة إلى أربعة أو خمسة أمثال سرعة ناقل اللوحة الأم وربما أكثر. عملت التصميمات الحديثة على زيادة سعة ال Cache الداخلية (التي بداخل المعالج) وزيادة أيضاً ال Cache التي على اللوحة الأم ليصل معدل ال Hit في ال Cache إلى 90% في معالجات Pentium- pro وال Pentium 2 وال Pentium 3 احتوت رقاقة Chip المعالج على كل من ال L1 Cache والL2 Cache ومن هنا لم تعد هناك حاجة لوجود Cache على اللوحة الأم.