الحَاسِب، يُعَدُّ فَرعًا من مَجال هَندسة الحَاسِب، يُرَكِّز على تَطوِير وآليَّة تَنفيذ العَمَليات الوَظيفية ضمن أنظمة الحاسُوب كما يَعمل على دِراسة بُنية مكونات الحَاسِب وآلية تفاعلها مَع بَعضها البَعض يُعنى بتَفاصيل وَحدة المُعالجة المَركزية وكَيفية تَنفيذ الأوامِر والمَهام الدَاخلية في النِظام إلى جَانب تَحليل آليَّات التَعامُل مع عَنَاويِن الذّاكرة ودَراسة المَعرفة العِلمية المَرتبِطة بأَنْظِمة التَّشغيل والبَرمَجيات والبُنية التَحتية لِلحَاسِب.
دراسة حول بنية الحاسوب
يتمحور هذا البحث حول استكشاف البنية الهندسية للحواسيب بأنواعها المختلفة من خلال تحليل التصميمات الهيكلية لمكوناتها الداخلية بهدف تطوير تطبيقات وبرامج متوافقة مع متطلبات الأنظمة المتنوعة مع الاهتمام بتحديد كيفية تشغيل الحاسوب والعوامل التي تؤثر على تكلفته وأداء وظائفه.
ما المقصود بمفهوم بنية الحاسوب
- يدل هذا المصطلح على كافة الجوانب المتعلقة بتفاعل العناصر المادية والبرمجية داخل نظام الحاسوب بما في ذلك نظم التشغيل والمكونات التقنية المختلفة التي تساهم في تنفيذ مهامه بكفاءة.
تفسير العالم أمدال لمفهوم بنية الحاسوب
تَناول العالِم جِين أمدال مفهوم عِمارة الحاسوب مُوضّحًا أنّها تَتمثّل في مجموعة من المَزايا والخصائص التي تُميّز الحاسب الآلي والتي يُمكن تَمييزها من خلال بَرمجةٍ مُحددة باستخدام لغة التَجمّع كما أنّها تتجلّى بوضوح في تصميم النَماذج والمفاهيم الوَظيفية البَرمجية.
تصور الحاسوب خلال حقبة الثمانينات
تصور الحاسوب في عقد الثمانينات في تلك الفترة كانت الجهود موجهة نحو تطوير الشبكات المحلية داخل أنظمة الحاسوب والتركيز على بناء بيئات تعليمية متخصصة تتماشى مع المفاهيم السائدة آنذاك لكن مع تطور التقنيات وتغير الاحتياجات تحول التركيز إلى تحسين الأداء وتعزيز كفاءة المعالجة عبر مجموعة من التحديثات الجوهرية كان أبرزها:
- الاعتماد على ترتيب هرمي لتنظيم عمليات إدارة الذاكرة.
- تصميم نظام إدخال وإخراج يعتمد على بنية هرمية أكثر تطورًا.
- تطوير تقنيات المعالجة المتوازية لرفع مستوى تشغيل البيانات وكفاءة الحوسبة.
- الاستمرار في تحسين العديد من الجوانب المتعلقة بالبنية التقنية للحواسيب.
تصنيفات التعليم في مجال بنية الحاسوب
- تصميم المجموعات يُعد الوسيط الذي يربط بين برامج الحاسوب والمكونات المادية إذ يُحدد الطريقة التي يتعامل بها مبرمجو الأجهزة مع مختلف العمليات.
- الحواسيب لا تستطيع تشغيل الأكواد البرمجية المكتوبة بلغات عالية المستوى إلا من خلال محولات خاصة تعمل على ترجمة بعض العناصر إلى تعليمات مباشرة يمكن للمعالج فهمها وتنفيذها.
- المعالج المركزي يعتمد على استقبال التعليمات المشفرة بأنماط رقمية وغالبًا ما تكون بتنسيق ثنائي مع استخدام أدوات برمجية متخصصة لتنفيذ العمليات المطلوبة.
- التعليمات التي يعمل بها نظام الحاسوب متاحة للبرمجيات المختلفة وتشمل أنواع السجلات وأحجام البيانات إلى جانب أساليب التعامل مع الذاكرة وآليات معالجة السيناريوهات المتعددة.
الهيكلة التنظيمية للحاسوب
يهدف إلى تحسين كفاءة تشغيل المنتجات بناءً على قدراتها الفعلية لذلك يجب أن يكون لدى مهندسي البرمجيات إدراك معمّق لإمكانات المعالجة حيث يُطلب منهم تعديل الأكواد البرمجية لضمان تحقيق أعلى مستوى من الأداء مع الحفاظ على أقل استهلاك للموارد والتكاليف يستلزم ذلك إجراء دراسات تحليلية دقيقة للهيكلة الحاسوبية ومن أمثلة ذلك:
- معالجة الوسائط المتعددة تستدعي وجود مهندسين مختصين يعيدون تنظيم البيانات بالشكل الأمثل لضمان انتقالها عبر مسارات معالجة سريعة دون تأخير.
- التصميم الداخلي للهيكلة يُسهّل على المطورين اختيار المعالج الأكثر توافقًا مع متطلبات المشروع خاصة في بيئات عمل الوسائط المتعددة التي تحتاج إلى سرعة وصول فائقة للبيانات.
- بعض أنظمة التشغيل تحتاج إلى معالجة المقاطعات بصورة آنية لبعض العمليات وتتطلب تفعيل بعض المكونات الإضافية لكي تعمل بأقصى فعالية.
- على سبيل المثال العديد من أجهزة الحاسوب تمتلك إمكانية دعم التمثيل الافتراضي الذي يعتمد بشكل أساسي على نوعية العتاد والذاكرة الظاهرية المستخدمة.
- ذاكرة الجهاز وهيكلة الحاسب الداخلية تؤثر بشكل مباشر على استهلاك الطاقة مما يجعل اختيار المعالج المناسب عاملًا رئيسيًا في ضبط التكاليف التشغيلية.
مراحل تصميم وتنفيذ النظم الحاسوبية
يدور الحديث هنا حول طبيعة التعليم والهندسة المعمارية للحواسيب والكيفية التي يتم بها تنفيذها وتشغيلها فعليًا حيث تُعد هذه العملية من أبرز المراحل الأساسية في تصميم وتنفيذ النظم الحاسوبية ويمكن تقسيمها إلى عدة محاور رئيسية على النحو التالي:
- العمل على تصميم وتنفيذ الجزء المحدد الذي يمثل الهيكل المصغر لنظام الحاسب والذي يُعتبر الركيزة الأساسية لهذا النظام، إذ يجب أن يكون مبنيًا وفق أسس منطقية دقيقة.
- إحدى الجوانب المهمة في التصميم هي تطبيق النماذج على مستوى الترانزستور الذي يُعد العنصر الأساسي ويشمل مكونات رئيسية مثل أجهزة الإرسال والبوابات المنطقية.
- في هذه المرحلة يتم التعامل مع وحدات وظيفية مترابطة لتنفيذ التصاميم سواء تم تحقيق ذلك على نفس المستوى أو ضمن مادة محددة، وذلك بهدف تحسين الأداء والارتقاء بمستوى الكفاءة التشغيلية.
- إدارة وتنظيم عملية التنفيذ المادي الفعلي للدوائر الإلكترونية حيث يتم رسم المخططات التنظيمية للمكونات المختلفة وتحديد مواضعها داخل اللوحات الإلكترونية، بالإضافة إلى إنشاء المسارات التي تربط بين الأجزاء المختلفة لضمان التكامل التشغيلي.
- يتم بعد ذلك تصميم اختبارات دقيقة للتأكد من قدرة النظام الحاسوبي على العمل بكفاءة تحت مختلف الظروف التشغيلية، ويتم اللجوء إلى عمليات المحاكاة الأولية لاختبار مدى جاهزية النظام حيث تكون هذه المحاكاة عادةً ذات سرعة محدودة عند تشغيل التطبيقات الحقيقية.
- من خلال التعديلات المستمرة والتحسينات المتكررة، يتم تطوير نماذج تكاملية للنظام بحيث تُحاكي بيئة التشغيل الفعلية مما يساهم في التحقق من استقرارية النظام وقدرته على الاستجابة للمتطلبات العملية.
- في بعض الحالات قد تواجه بعض المشاريع تحديات قد تؤدي إلى توقفها خلال هذه المرحلة نتيجة عوامل متعددة مثل ارتفاع التكلفة أو تعقيد إجراءات التنفيذ.
- المرحلة الختامية تتضمن اختبار نموذج الدوائر المتكاملة، وذلك لضمان الكشف عن أي مشكلات تقنية والعمل على معالجتها بدقة متناهية قبل الانتقال إلى مرحلة الإنتاج الفعلي.
عند الحديث عن مجال عمارة الحاسوب، فإنه يُعد أحد الفروع المتخصصة في الهندسة التي تُعنى ببناء الهيكلية الداخلية للحاسب، فكما يهتم المهندس المعماري بتصميم وتطوير المباني والمداخل والمخارج الخاصة بها
فإن المهندس المختص بالحاسوب يتولى مسؤولية تصميم النظام بالكامل بدءًا من التخطيط الداخلي والخارجي وحتى البرمجة حيث يجب أن يكون لديه إدراك متكامل لكيفية تدفق البيانات ومعالجتها داخل الجهاز.
هذا التخصص يُدرّس ضمن مجالات الهندسة وبالتحديد في أقسام علوم الحاسب كونه يُركز على آليات بناء وهيكلة وتنظيم تشغيل أجهزة الحاسوب بما يضمن تحقيق أعلى مستويات الأداء والكفاءة.
