اللوحة الرئيسية:
تختلف كثيراً المسميات الخاصة بهذه اللوحة منها اللوحة الرئيسية (mainboard) واللوحة الأم (motherboard). ولكنها مهما اختلفت تبقى وظيفة هذه اللوحة واحدة وهي أنها كالأم تحتضن أبنائها وأبناء هذه اللوحة هم الأجزاء الأساسية إما الملتحمة بها أو التي تُركب عليها أو توصل بها.
وسنبدأ بالأجزاء الأساسية المحتواة ضمن هذه اللوحة:
1 ـ الرقائق الصُغرية أو (Microchip): وهي عبارة عن رقائق مبرمجة متوضعة على اللوحة الرئيسية وهي تؤدي مهام أساسية جداً في عمل الحاسب أهم هذه المهام:
· إنشاء ما يسمى بالـ IDE وهو واجهة إلكترونية معيارية تستعمل بين ناقل اللوحة الأم وأجهزة التخزين في نفس الحاسب. واجهة الـ IDE تعتمد على معيار ناقل ذو 16 بت من تصنيع هيكلية المعايير الصناعية ISA ولكنها أيضا تستعمل في أجهزة الحاسب التي تستخدم معايير أخرى للناقل.
· التحكم بانسياب البيانات من وإلى المعالج.
· إرسال البيانات إلى كرت الشاشة بعد تحليلها.
من هنا يتضح لنا مدى أهمية هذه الرقائق والتي هي من الأجزاء الهامة جداً داخل اللوحة الرئيسية.
2 ـ البايوس (Bios) وهو اختصار لـ Basic Input Output System أي هو النظام الأساسي المسؤول عن أدوات الإدخال والإخراج في الجهاز.
ولنناقش معاً هذا الجزء المهم من اللوحة الرئيسية:
إنّ الـ BIOS هو برنامج سبق تثبيته على الحاسب الشخصي المعد للتشغيل. تَدْخل وحدة المعالجة المركزية للـ BIOSَ حتى قبل تحميل نظامِ التشغيل. ثمّ يفحص الـ BIOS كلّ اتصالات أجهزتك ويحدّد مكان كلّ أدواتك. إذا كُلّ شيء حسناً، يُحمّلُ الـ BIOS نظامَ التشغيل إلى ذاكرةِ الحاسب ويَنهي عملية التشغيل.
أي أن مهمته تحقيق الملاءمة بين الحاسب الآلي وأجهزته المحيطية (peripherals) للتحكم بجميع عمليات الدخل والخرج من وإلى الأجهزة مثل الفأرة ، ولوحة المفاتيح والذاكرة وما شابه ذلك . هذه البرامج مخزنة في ذاكرة القراءة فقط ROM وتنقل عند إقلاع الحاسب إلى عناوين ثابتة في الذاكرة RAM مما يُمكن جميع البرامج والتطبيقات إمكانية الوصول إليها واستخدامها بسهولة ويسر. فعلى سبيل المثال: عندما نضغط مفتاحاً ما في لوحة المفاتيح فإن إجرائية أو أكثر من إجرائيات الـ BIOS تستخدم لنقل المعلومات من لوحة المفاتيح إلى الحاسب . لقد صنعت شركة IBM رقاقة BIOS خاصة بها ووزعتها مع أجهزتها وبقيت حقوقها محفوظة لها ، أما الحواسب المتوافقة مع IBM فإن شركات عدة قامت بتصنيع رقاقة BIOS ومن أشهرها على الإطلاق شركة Phoenix & Award & American Megatrends وهذه الشركات صنعت إجرائيات كما في الإجرائيات التي قدمتها شركة IBM ولكنها مكتوبة بتعليمات مختلفة. عندما يستخدم الحاسب نظام BIOS مختلفاً عن النظام الذي قدمته شركة IBM فإن رسالة سوف تظهر عند إقلاع الحاسب تخبر بذلك.
3 ـ الـ IDE : بحسب نوع اللوحة الأم فإنها ستكون شقين إلى أربعة. هذه الشقوق تسمى IDE وتعنى Integrated Drive Electronics. مسمى IDE يرمز لنوع الشق وليس للتقنية المستخدمة لنقل المعلومة. التقنيات المستخدمة لنقل المعلومة تسمى ATA وهنا سأستخدم تفسير شركة IBM لهذا الرمز والذي يعنى Advanced Technology Attachment. التقنيات الحالية المستخدمة لنقل المعلومة باستخدام شقوق IDE هي 3 تقنيات. تسمى ATA33 و ATA66 و ATA100 وهناك تقنية جديدة تسمى ATA133.
الفرق بين هذه التقنيات هو بحجم المعلومة التي يمكن نقلها بنفس الوقت. سرعة نقل المعلومة تقاس بالميغابايت في الثانية ومن هنا نستطيع قياس قدرة كل تقنية بواسطة الرقم الموجود بجانب حروفها. ATA33 تعنى 33 ميغابايت بالثانية و ATA66 تعنى 66 ميغابايت بالثانية وهكذا....
نرجع إلى الشقوق الموجودة على اللوحة الأم لنجدها مقسمة إلي شقين. الشق الأساسي ويسمى Primary IDE والشق الثانوي ويسمى Secondary IDE. الأقراص المربوطة بالشق الأساسي هي أول أقراص يتم التعرف عليها من قبل الحاسب. ولذا فإن القرص الصلب الرئيسي للجهاز يجب أن يوصل على هذا الشق. يمكن توصيل جهازين بكل شق. كما يمكن أن يكونوا كلاهما أقراص صلبة أو كلاهما قارئ أقراص ضوئية أو دمج بين الاثنين. أحد هذه الأقراص يجب أن يكون سيد (Master) والأخر يجب أن يكون ثانوي (Slave) مجموع الأجهزة التي يمكن تركيبها على شقين IDE هو 4 أجهزة، ولكن هذا لا يمنع من تركيب جهاز واحد فقط على الشق الأساسي. اللون الدارج لهذه الشقوق هو اللون الأسود للتي تعمل بتقنية ATA33 واللون الأزرق للتي تعمل بتقنيتي ATA66 و ATA100. ولكن هذه الألوان غير متفق عليها بين جميع الشركات المصنعة للوحات الأم فلذا يمكن أن تجد شق ATA100 باللون الأسود أو الأبيض.
4 ـ مراكز الذواكر أو شقوق الذاكرة : تتميز بلونها الأسود ووجود قفلين باللون الأبيض على جوانبها. هذه الشقوق تختلف بحسب نوع الذاكرة المستخدمة. الدارج الآن هو 3 أنواع من الذواكر وهى SDRAM و DDR-SDRAM و RDRAM. طبعاً أنواع الذاكرة غير متوافقة مع بعضها ولذا لا يمكن تركيب اكثر من نوع ولا يمكن تركيب نوع بشق مصمم لنوع أخر.
كل نوع من الذاكرة تعمل وفق ترددات مختلفة. ذاكرة SDRAM تعمل بترددات من 66 إلى 133 ميغاهرتز وذاكرة DDR-SDRAM تعمل بترددي 200 و 266 ميغاهرتز بينما ذاكرة RDRAM تعمل بترددات مختلفة أعلاها 800 ميغاهرتز. وسنتحدث عنها بالتفصيل في الجزء القادم.
5 ـ قاعدة المعالج ـ Socket شق المعالج: شق المعالج هو الموقع الذي يركب به المعالج على اللوحة الأم, شق المعالج يختلف بحسب نوع المعالج المصممة له اللوحة. لربما أشهر نوع الآن هو Socket وهو عبارة عن مربع من البلاستك يحتوى على فتحات صغيرة تدخل بها الإبر الخاصة بالمعالج. النوع المخصص لمعالجات إنتل من نوع بنتيوم3وسيليرون تستخدم Socket 370 أما معالجات AMD مثل اثلون وديورون فإنها تستخدم Socket 426 وتسمى كذلك Socket A. الأرقام الموجودة بجانب كلمة سوكت تعود لعدد الإبر الموجودة بالمعالج. الأنواع الأقدم من المعالجات تستخدم شق Slot وهو يختلف بشكله عن الـ Socket.
6 ـ مدخل الطاقة يُوصل مع وحدة التغذية: وهو كما يدل عليه اسمه موقع الضفيرة الرئيسية للكهرباء. حيث أن جميع اللوحات الأم الحديثة تستخدم مقبس متوافق مع مواصفات ATX. هذه المواصفات جعلت توصيل اللوحة الأم بالكهرباء سهل جدا ولا يمكن الخطأ به حيث أن المقبس لن يركب إلا بطريقة واحدة فقط وهى الصحيحة. ويتألف هذا المقبس من 20 إبرة.
7 ـ المنافذ Ports: المنافذ الموجودة على لوحة الوصلات الخارجية هي، منافذ لوحة المفاتيح والفارة، منافذ USB، منفذ Parallel للطابعة، منافذ COM وإذا كانت اللوحة الأم تحتوى على ميزة الصوت فسيكون هناك منفذ ليد التحكم بالألعاب
(Joystick) ومنافذ السماعات والميكروفون، مواصفات ATX حددت كذلك موقع منافذ الوصلات الخارجية على اللوحة الأم. بينما مواصفات PC99 حددت لون مميز لكل وصلة.
8 ـ Slots شقوق لتركيب البطاقات: من الأجزاء الرئيسية في الحاسب هي البطاقات والتي تعيش داخل الصندوق وهي مجموعة من البطاقات المُغطاة بالرقائق يـتم وصلها باللوحة الأم وهي مبدئياً تفعل كل شيء لا تفعله اللوحة الأم.
وهي من عدة أنواع مختلفة، وتزوّدنا بمجموعة متنوعة من الخدمات. قد يتضمن الحاسب بطاقات لتشغيل الشاشة أو لتمكينك من مشاهدة التلفزيون على الشاشة. قد تكون لديك بطاقة لتزويد دعم للشبكة أو الأصوات الرقمية، أو حتى مودم إذا كانت اللوحة الأم لا تشتمل على تلك الإلكترونيات. قد تجـد في بعض الحالات أن عدد المنافذ التي تزوّدها اللوحة الأم غير كاف أو أنها غير سريعة كفاية، ويمكنك تثبيت بطاقة لتعطيك كمية أكبر أو أسرع من أي شيء تقريباً يستطيع الحاسب أن يفعله. وفيما يلي التصنيفات الخاصة بها:
شقوق ISA: وهى تعنى Industry Standard Architecture. هي أقدم أنواع الشقوق المستخدمة وبطريقها للانقراض. تأتى بنوعين مختلفين بالشكل. الأقدم منهما يعمل بقدرة بت ويستطيع نقل 0.625 ميغابايت بالثانية والأحدث يعمل بقدرة 16 بت ويستطيع نقل 2 ميغابايت بالثانية، الكروت التي تركب على هذه الشقوق يجب تعريفها للجهاز من خلال إعدادات البيوس. كما ذكرنا سابقا فان هذه الكروت في طريقها للاختفاء.
شقوقPCI رمز PCI هو اختصار لجملة Peripheral Component Interconnectتتميز بلونها الأبيض وهى المخصصة لتركيب غالب كروت الحاسب مثل كرت الصوت وكرت الشبكة وغيرها.
هذه الشقوق تعمل بقدرة 32 بت وتستطيع نقل 132 ميغابايت بالثانية. الكروت التي تركب على هذه الشقوق تتميز بكونها من نوع Plug & Play والتي تعنى أن الجهاز سيتعرف بشكل ألي على هذه الكروت بدون الحاجة إلى تعريفها من البيوس. يوجد أكثر من تقنية لشقوق PCI. أخرها وأحدثها هي rev. 2.2.
شق كرت الشاشة AGP: تقريبا جميع كروت الشاشة الحالية تستخدم تقنية AGP وهى اختصار لجملة Accelerated Graphics Port. وهى تتميز عن باقي الشقوق بلونها البني. يوجد نوعان من شقوق AGP. النوع الأساسي ويسمى AGP فقط وهناك النوع المخصص لكروت المحترفين ويسمى AGP-Pro. يختلف النوع المخصص لكروت المحترفين بكونه اكبر حجما. الزيادة في الحجم سببها احتياج هذه الكروت لحجم اكبر من الطاقة وبالتالي يخصص لها موقع خاص للكهرباء. يمكن تركيب كروت AGP على شقوق AGP-Pro ولكن لا يمكن تركيب كروت AGP-Pro على شقوق AGP. شقوق AGP تعمل وفق تقنيات مختلفة. السرعة الأساسية لشق AGP هي 33 ميغاهرتز وتستطيع نقل 132 ميغابايت في الثانية. هذه التقنية تسمى AGP X1. التقنية الثانية تسمى AGP X2 وهى تعمل بضعف سرعة النوع الأول أي بسرعة 66 ميغاهرتز وتستطيع نقل 512 ميغابايت بالثانية. النوع الأخير هو AGP X4 ويعمل بسرعة 133 ميغاهرتز وينقل 1024 ميغابايت في الثانية.
شقوق CNR: وهى اختصار لجملة Communication Network Riser. وتتميز بلونها البني وحجمها الصغير. هي مصممة لبعض أنواع الكروت مثل كرت المودم وكرت الشبكة والتي تستمد كامل احتياجاتها التشغيلية من المعالج.
شقوق AMR: وهى تعنى Audio Modem Riser وهى مطابقة لشقوق CNR ولكنها مصممة لكروت الصوت.
شقوق ACR: ـ Advanced Communication Riser وهى احدث الشقوق. فكرتها نفس AMR و CNR ولكنها تعمل مع جميع كروت الاتصال. هذا يتضمن المودم وكرت الشبكة، الشكل مقارب لشقوق PCI ولكنها بعكس الاتجاه. طبعا الكروت المتوافقة مع هذه الشقوق غير متوفرة للمستخدم العادي.
وحدة المعالجة المركزية (المعالج ـ CPU)
تتصرّف مثل "دماغ" الحاسب بأداء كلّ العمليات المنطقيّة والحسابية.
العديد منْ المستعملون يشيرون خطأ إلى كامل الحاسب كوحدة المعالجة المركزية.
إن وحدة المعالجة المركزية في الحقيقة هي فقط حوالي 1.5 بوصة مربع.
وهو يقْرأ البيانات منْ الذاكرة الرئيسية، ويعالجها طبقاً للأوامر وبعد ذلك يكْتب النتيجة في ذاكرته.
فوحدة المعالجة المركزية ليست مجرد دماغ الحاسب، إنها قلبه أيضاً. فهناك نبضة كهربائية دورية تولّدهـا وحدة المعالجة المركزية ـ تسمى نبضة الساعة (clock pulse)، أو فقط الساعة ـ تحدّد السرعة التي تجري بها معظم عمليات معالجة البيانات داخل الحاسب.
الوقت الذي يمرّ من بداية نبضة الساعة إلى بداية النبضة التالية يسمى دورة الساعة (clock cycle). حتى العام 2000، كانت دورات الساعة تُقاس بالميغاهرتز (MHz)، وهي ملايين الدورات كل ثانية. لذا فإن المعالج إنتل بنتيوم ІІІ سرعة 800 ميغاهرتز يُنتج 800 مليون نبضة ساعة كل ثانية. في العام 2000، قدّمت إنتل أول معالج صُغري بالغيغاهرتز (GHz – مليارات الدورات كل ثانية)، وهو أيضاً طراز للبنتيوم ІІІ. كانت الساعة هي القياس التقليدي لسرعة وحدة المعالجة المركزية لأن وحدة المعالجة المركزية لم تكن تستطيع تنفيذ العمليات الحسابية بأسرع من تكّة واحدة من ساعتها. في الواقع، الحاسب الأول نفّذ عملية حسابية أساسية واحدة في 15 دورة ساعة. لكن تم رمي التقاليد من النافذة عـندما تم تطوير أسلوب يسمى الأنبوبية (pipelining).
والأنبوبية تتيح لوحدة المعالجة المركزية تنفيذ مهمتين أو أكثر دفعة واحدة. بالمعدل الوسطي، فيمكن تنفيذ عدة عمليات خلال كل دورة للساعة.
والآن، أصـبح عالم المقارنات الخاص بوحدة المعالجة المركزية فوضوياً. كل صانع له طريقته الخاصة في تحقيق الأنبوبية، وكل واحد يدّعي أنه الأفضل. بالإضافة إلى ذلك، بعض المهام تستعمل الأنبوبية المتوفرة بشكل أفضل من المهام الأخرى. لذا فإن سرعة ساعة وحدة المعالجة المركزية والسرعة التي تنفّذ بها المهام فعلياً لا تتطابق عادة.
مثلاً، معالج سرعته 2 غيغاهرتز لإحدى الشركات قد يكون أفضل بشكل كبير في تنفيذ بعض المهام، من الطراز 2 غيغاهرتز لشركة منافستها. وقد أظهرت بعض الاختبارات أن أنبوباً مستعملاً بشكل جيد يمكّن وحدة المعالجة المركزية من إكمال مهام الحياة الحقيقية أسرع من وحدة معالجة مركزية منافسة لها ذات سرعة ساعة أكبر. لذا، لم يعد بإمكانك الاتكال على سرعة المعالج كقياس واضح لتقرير أي وحدة معالجة مركزية هي الأسرع. يجب أن تنتبه إلى مجموعة متنوعة من اختبارات الحياة الحقيقية إذا كنت تُجري تصميماً ثلاثي الأبعاد أو هندسة معقّدة، ويجب أن تكون متأكداً من حصولك على أفضل النتائج للمال الذي ستدفعه.
وحدة المعالجة المركزية هي أقرب شيء يملكه الحاسب لتشبيهه بالدماغ؛ لحسن الحظ، ليس من الصعب فهم طريقة عمل وحدة المعالجة المركزية. المعالجات الصُغرية العصرية معقَّدة أكثر بكثير مما ستقرأه هنا، لكن الأساسيات لا تزال تنطبق. وحدة المعالجة المركزية هي مبدئياً مجموعة من الترانزستورات، الكثير من الترانزستورات. يحتوي المعالج الصُغري إنتل بنتيوم 4 على ما يزيد عن 55 مليون ترانزيستور، وهذا العدد الهائل من الترانزستورات يُسرع عمليات المعالجة إلا أنه يؤدي إلى تولد حرارة عالية جداً نتيجة الشحن والتفريغ، لذا لابد من وجود تبريد مناسب وذلك من خلال وجود مبردة معدنية مناسبة ملتصقة بالمعالج مباشرة مع مروحة خاصة مُثبتة على تلك المبردة. ويمكنك تخيل كل واحد منها كمفتاح تبديل بالغ الصغر يكون إما نشطاً (أي أن الكهرباء تنساب من خلال الترانزيستور) أو معطلاً (لا تنساب الكهرباء).
إن حالات التنشيط والتعطيل هذه تتناسب مع القيم 1 و 0، التي تؤلف نظام الأرقام الثنائية واللغة الثنائية الـتي يفهمها الحاسب. ـ وهذا ما تحدثنا عنه سابقاً ـ وبتجميع كميات من تلك الترانزستورات سوية، يمكن استعمالها لتمثيل أرقام أكبر ومفيدة أكثر. تستطيع وحدة معالجتك المركزية نقل تلك الأرقام، وتنفيذ عمليات رياضية عليها، والإجابة على أسئلة نعم ـ لا عنها. مثلاً، "هل الرقم الموجود في مجموعة الترانزستورات A أكبر من الرقم الموجود في مجموعة الترانزستورات B؟". عند المستوى الأدنى، هذا النقل للأرقام والإجابة على الأسئلة المنطقية يؤلف كل قطعة برنامج استعملتها في يوم من الأيام.
رغم أن البرامج تُكتب عادة بلغات برمجة سهل علينا نحن البشر التلاعب بها، إلا أن الحاسب يفهم فقط لغة الآلة (machine language)، وهي مجموعة أساسية من التعليمات تبلّغ وحدة المعالجة المركزية بأن تتلاعب بـ وتخزّن القيم وتجيب على أسئلة منطقية عنها. عندما يُكتب برنامج، سيتم اختزاله من الشيفرة المقروءة بشرياً التي استعملها منشئه إلى شيفرة لغة الآلة التي يفهمها الحاسب. عندما تشغّل برنامجاً، تُنسَخ شيفرته من وحدة التخزين الطويل الأجل (قرصك الصلب، مثلاً) إلى ذاكرة الحاسب الرئيسية، ويقوم جزء في وحدة المعالجة المركزية يسمى مؤشر (pointer) بإبلاغ وحدة المعالجة المركزية أين ستجد أول تعليمه من تعليمات لغة الآلة.
عادة، ستُنسَخ تلك التعليمات وبضع التعليمات التي تليها من الذاكرة الرئيسية إلى جزء من وحدة المعالجة المركزية والذي يسمى مخبأ (cache) : وهو كمية صغيرة من الذاكرة السريعة يمكنها نقل التعليمات إلى بقية وحدة المعالجة المركزية بشكل أسرع بكثير مما تستطيع نقلها ذاكرة الحاسب الرئيسية. عن استعمال المخبأ لتجهيز التعليمات مسبقاً يمكنه أن يخفّض بشكل كبير الوقت غير الإنتاجي في وحدة المعالجة المركزية ويمنعها من مجرد انتظار قدوم التعليمات أو القيم من الذاكرة الرئيسية. معظم وحدات المعالجة المركزية العصرية تتضمن مخبأ ثانياً، يسمى مخبأ المستوى 2، يزيد من مجموع حجم المخبأ، وبالتالي يحسّن أداء وحدة المعالجة المركزية.
آلية عمل وحدة المعالجة المركزية:
حالما تصبح التعليمات في المخبأ، يقوم جزء آخر من وحدة المعالجة المركزية يسمى وحدة فك التشفير (decoder unit) بتقطيع التعليمه الأولى إلى أجزاء مبسطة. ثم تبدأ وحدة الحساب والمنطق (arithmetic logic unit أو ALU) بالعمل لتنفيذ التعليمه، باستعمال مجموعات خاصة من الترانزستورات تسمى مسجِّلات (registers) لتخزّن مؤقتاً القيم التي تحتاج إليها لتنفيذ العمليات الحسابية، وكذلك النتيجة النهائية. عندما تنتهي كل تعليمه، تقوم ALU بإبلاغ وحدة التحكم (control unit، تخيّلها كالمخرج لهذا الفيلم الصغير) في وحدة المعالجة المركزية بأنها انتهت، وستطلب وحدة التحكم من المؤشر أن يزوّدها مكان التعليمه التالية. بتنفيذها المليارات من هذه التعليمات كل ثانية، ستتمكن وحدة المعالجة المركزية من تشغيل البرامج.
تـحتوي كل وحدات المعالجة المركزية أيضاً على جزء أخر هو وحدة النقطة العائمة (FPU floating-point unit) حيث تستطيع النقطة العائمة أن تنفّذ عمليات حسابية سريعة بشكل مدهش على الأرقام الكسريّة، فوحدة ALU غير مصممة لتقوم بها بنفس الجودة.
