EN عربي1 · اقرأ: العبارة الإنجليزية من المقرر، ثم ترجمتها العربية تحتها.
2 · افهم: اضغط أي أيقونة عليها مصباح ليظهر شرحها. وأيقونة العنوان تشرح القسم كاملاً.
وضّح لي أكثرما زالت غامضة؟ اضغط «وضّح لي أكثر» لترى مثالاً من الواقع.
ROMمصطلح جديد؟ الكلمات المنقّطة تشرح نفسها.
3 · جاهز؟ اختبر نفسك في نهاية كل قسم، وتأكد أنك فهمت.
يمكنك فتح هذه التعليمات مرة أخرى من زر ? أعلى الصفحة
نظم التشغيلالفصل الأول · Introduction
ملخص نظم التشغيل
Chapter 1: Introduction
قبل أن تبدأ · ماذا ستتعلم في هذا الفصل؟
أهداف الفصل
Objectives
هذه الأهداف تلخّص ما ستتعلمه في الفصل الأول: كيف تتكون أجهزة الحاسب وكيف تتصل أجزاؤها، وما هي أهم مكونات نظام التشغيل، وما هي البيئات التي تعمل فيها الحواسيب (مثل الحواسيب الشخصية والخوادم والأجهزة المحمولة)، ثم أمثلة على أنظمة تشغيل مفتوحة المصدر يمكن الاطلاع على شيفرتها.
وصف التنظيم الأساسي لأنظمة الحاسب.
To describe the basic organization of computer systems.
أي نتعلم كيف يتكوّن الحاسب من الداخل: المعالج والذاكرة وأجهزة الإدخال والإخراج، وكيف تتصل ببعضها وتتعاون.
وضّح لي أكثر
مثال: كيف ينتقل ما تكتبه بلوحة المفاتيح إلى الذاكرة ثم يظهر على الشاشة.
تقديم جولة شاملة على المكونات الرئيسية لأنظمة التشغيل.
To provide a grand tour of the major components of operating systems.
نتعرّف على الأجزاء الرئيسية لنظام التشغيل ووظيفة كل جزء، مثل إدارة العمليات وإدارة الذاكرة وإدارة التخزين والحماية.
وضّح لي أكثر
مثال: الجزء الذي يقرر أي برنامج يستخدم المعالج الآن، والجزء الذي يحفظ ملفاتك.
تقديم نظرة عامة على أنواع بيئات الحوسبة المختلفة.
To give an overview of the many types of computing environments.
بيئة الحوسبة هي المكان أو الطريقة التي يُستخدم فيها الحاسب، ولكل بيئة احتياجات مختلفة من نظام التشغيل.
وضّح لي أكثر
مثال: الحاسب الشخصي، الجوال، الخوادم في الشركات، والأنظمة المدمجة في الأجهزة.
استكشاف عدد من أنظمة التشغيل مفتوحة المصدر.
To explore several open-source operating systems.
من أهداف الفصل التعرّف على أنظمة تشغيل مفتوحة المصدر، أي أن شيفرتها البرمجية متاحة للجميع للاطلاع عليها.
وضّح لي أكثر
نظام التشغيل مفتوح المصدر هو نظام تكون شيفرته البرمجية متاحة للجميع، يمكن قراءتها وتعديلها ونشرها.
مثال:Linux نظام مفتوح المصدر، بينما Windows شيفرته مغلقة لا يمكن الاطلاع عليها.
ما هو نظام التشغيل؟
برنامج يعمل وسيطاً بين مستخدم الحاسب وعتاد الحاسب.
What is an Operating System?
A program that acts as an intermediary between a user of a computer and the computer hardware.
الهدف 1: يشغّل برامجك ويساعدك على إنجاز عملك. الهدف 2: يجعل استخدام الحاسب مريحاً، فلا تحتاج لمعرفة تفاصيل العتاد. الهدف 3: يستغل العتاد بكفاءة، فلا يبقى المعالج أو الذاكرة بدون عمل دون داعٍ.
وضّح لي أكثر
تخيّل أن العتاد (المعالج والذاكرة والأقراص) لا يفهم إلا أوامر معقدة جداً، وأن المستخدم يريد فقط فتح ملف أو تشغيل برنامج. نظام التشغيل هو الوسيط الذي يأخذ طلبك البسيط ويحوّله إلى أوامر يفهمها العتاد.
أهداف نظام التشغيل
Operating system goals
تنفيذ برامج المستخدم وجعل حل مشاكله أسهل.
Execute user programs and make solving user problems easier.
الهدف الأساسي لنظام التشغيل أن يشغّل برامجك ويوفر لها ما تحتاجه، حتى تنجز عملك بسهولة دون التعامل مع تفاصيل العتاد.
وضّح لي أكثر
مثال: عندما تفتح برنامج Word، نظام التشغيل هو من يحمّله إلى الذاكرة ويعطيه المعالج ليعمل.
جعل نظام الحاسب مريحاً وسهلاً في الاستخدام.
Make the computer system convenient to use.
نظام التشغيل يخفي عنك تعقيد الجهاز ويقدّم لك طريقة مريحة للتعامل معه، مثل الأيقونات والنوافذ والمجلدات.
وضّح لي أكثر
مثال: تحفظ ملفاً بضغطة زر، دون أن تعرف في أي مكان من القرص خُزّن فعلياً.
استخدام عتاد الحاسب بكفاءة.
Use the computer hardware in an efficient manner.
الكفاءة تعني استغلال العتاد بأفضل شكل وعدم إهدار موارده، فلا يبقى المعالج أو الذاكرة بدون عمل دون داعٍ.
وضّح لي أكثر
مثال: عندما ينتظر برنامج تحميل ملف، يعطي نظام التشغيل المعالج لبرنامج آخر في هذه الأثناء.
اختبر نفسك
1An operating system is a program that acts as an intermediary between:
a) CPU and memory · b) A user of a computer and the computer hardware · c) Compiler and kernel · d) Memory and disk
الإجابة
b) A user of a computer and the computer hardware: بين مستخدم الحاسب وعتاد الحاسب.
2Which of the following is NOT an operating system goal?
a) Execute user programs · b) Make the computer system convenient to use · c) Use the hardware in an efficient manner · d) Increase the size of the hard disk
الإجابة
d) Increase the size of the hard disk: زيادة حجم القرص ليست من أهداف نظام التشغيل.
3Making the computer system convenient to use is an OS goal. (True / False)
الإجابة
True: وهو الهدف الثاني.
4The operating system is a hardware component. (True / False)
الإجابة
False: نظام التشغيل برنامج (program) وليس عتاداً.
1
نظم التشغيلالفصل الأول · Introduction
هيكل نظام الحاسب
يمكن تقسيم نظام الحاسب إلى أربعة مكونات:
Computer System Structure
Computer system can be divided into four components:
نظام الحاسب طبقات فوق بعضها: العتاد في الأسفل، فوقه نظام التشغيل، فوقه البرامج، وفي الأعلى المستخدمون.
المستخدم لا يتعامل مع العتاد مباشرة؛ يستخدم برنامجاً (مثل المتصفح)، والبرنامج يطلب من نظام التشغيل، ونظام التشغيل يتعامل مع العتاد. لاحظ أن المستخدم قد يكون machine أو other computer وليس إنساناً فقط، مثل حاسب آخر يرسل طلباً عبر الشبكة.
العتاد: يوفّر موارد الحوسبة الأساسية: المعالج، الذاكرة، أجهزة الإدخال والإخراج.
العتاد هو الأجزاء المادية للحاسب، والمقرر يذكر ثلاثة أنواع: المعالج والذاكرة وأجهزة الإدخال والإخراج.
وأجهزة الإدخال والإخراج تشمل الأجهزة الخارجية أيضاً، كما في رسم «تنظيم نظام الحاسب»: الأقراص، الفأرة، لوحة المفاتيح، الطابعة، الشاشة.
وضّح لي أكثر
مثال: كل ما يمكنك لمسه في الحاسب، من داخل الصندوق أو خارجه، هو عتاد.
نظام التشغيل: يتحكم وينسّق استخدام العتاد بين التطبيقات والمستخدمين.
Operating system – controls and coordinates use of hardware among various applications and users.
نظام التشغيل هو المدير الذي ينظّم استخدام العتاد، فيقرر أي برنامج وأي مستخدم يستخدم المعالج أو الذاكرة أو الطابعة ومتى.
وضّح لي أكثر
مثال: إذا أرسل برنامجان أمر طباعة في نفس الوقت، نظام التشغيل يرتّبهما حتى لا تختلط الأوراق.
البرامج التطبيقية: تحدد طرق استخدام موارد النظام لحل مشاكل المستخدمين. مثل: معالجات النصوص، المترجمات، المتصفحات، قواعد البيانات، الألعاب.
Application programs – define the ways in which the system resources are used to solve the computing problems of the users. Word processors, compilers, web browsers, database systems, video games.
البرامج التطبيقية هي التي تحل مشكلة المستخدم مباشرة، وتستخدم موارد النظام لتحقيق ذلك.
وضّح لي أكثر
مثال: تكتب تقريراً في Word، تتصفح في Chrome، أو تلعب لعبة.
المستخدمون: أشخاص، أجهزة، حواسيب أخرى.
Users – people, machines, other computers.
المستخدم هو من يطلب الخدمة من الحاسب، وليس بالضرورة أن يكون إنساناً.
وضّح لي أكثر
مثال: أنت عند استخدام جهازك، أو جهاز صرّاف آلي، أو حاسب آخر يرسل طلباً عبر الشبكة.
مكونات نظام الحاسب الأربعة · Four Components of a Computer System
a) Operating system · b) Hardware · c) Application programs · d) Users
الإجابة
b) Hardware: العتاد.
2Web browsers and video games are examples of:
a) Hardware · b) Operating system · c) Application programs · d) Users
الإجابة
c) Application programs: البرامج التطبيقية.
3Which component controls and coordinates use of hardware among various applications and users?
a) Users · b) Application programs · c) Operating system · d) Memory
الإجابة
c) Operating system: نظام التشغيل.
4Users can be people, machines, or other computers. (True / False)
الإجابة
True: المستخدم ليس إنساناً فقط.
5A computer system can be divided into three components. (True / False)
الإجابة
False: أربعة مكونات: Hardware, OS, Application programs, Users.
2
نظم التشغيلالفصل الأول · Introduction
ماذا تفعل أنظمة التشغيل؟
يعتمد على وجهة النظر.
What Operating Systems Do
Depends on the point of view.
دور نظام التشغيل يختلف حسب من يستخدمه وعلى أي جهاز:
المستخدم العادي يهمه أن يكون الجهاز سهلاً وسريعاً، ولا يهمه كيف تُوزَّع الموارد. أما الحاسب المشترك(Mainframe) فيستخدمه كثيرون في نفس الوقت، فيجب أن يوزّع الموارد بعدل بينهم. محطة العمل لها مواردها لكنها تعتمد أيضاً على الخوادم. الجوال موارده محدودة فيركّز على سهولة الاستخدام وتوفير البطارية. والحاسب المدمج (مثل حاسب السيارة أو الغسالة) يعمل غالباً بدون شاشة أو تفاعل من المستخدم.
المستخدمون يريدون الراحة وسهولة الاستخدام والأداء الجيد، ولا يهتمون بـ استغلال الموارد.
Users want convenience, ease of use and good performance. Don't care about resource utilization.
المستخدم العادي يريد جهازاً سهلاً وسريعاً فقط. لا يهمه كيف يوزّع نظام التشغيل المعالج والذاكرة بين البرامج، أي لا يهتم بـ استغلال الموارد(Resource utilization).
وضّح لي أكثر
مثال: عندما تفتح لابتوبك الشخصي، كل ما يهمك أن يفتح البرنامج بسرعة. لا يهمك أن المعالج يعمل بنسبة 10% فقط ويبقى معظمه بدون استخدام.
لكن الحاسب المشترك مثل الحاسب المركزي أو الحاسب الصغير يجب أن يُرضي جميع المستخدمين.
But shared computer such as mainframe or minicomputer must keep all users happy.
الحاسب المشترك جهاز كبير يستخدمه عدد كبير من الأشخاص في نفس الوقت عبر طرفيات متصلة به. هنا يجب على نظام التشغيل أن يوزّع الموارد بعدل حتى لا يأخذ مستخدم واحد كل المعالج ويترك الباقين ينتظرون.
وضّح لي أكثر
مثال: نظام بنك يستخدمه مئات الموظفين في نفس اللحظة؛ يجب أن يحصل كل موظف على استجابة سريعة.
مستخدمو الأنظمة المخصّصة مثل محطات العمل لديهم موارد خاصة، لكنهم يستخدمون غالباً موارد مشتركة من الخوادم.
Users of dedicated systems such as workstations have dedicated resources but frequently use shared resources from servers.
محطة العمل جهاز قوي لشخص واحد، فله موارده الخاصة (معالج وذاكرة). لكنه متصل بشبكة ويستخدم موارد مشتركة من الخوادم، مثل الملفات والطابعات. لذلك يوازن نظام التشغيل بين سرعة الجهاز للمستخدم ومشاركة الموارد عبر الشبكة.
وضّح لي أكثر
مثال: مهندس يعمل على جهاز قوي في مكتبه، لكنه يحفظ ملفاته على خادم الشركة.
الحواسيب المحمولة باليد مواردها قليلة، ومصممة لسهولة الاستخدام وعمر البطارية.
Handheld computers are resource poor, optimized for usability and battery life.
الأجهزة المحمولة باليد مواردها قليلة: بطارية محدودة ومعالج وذاكرة أصغر. لذلك يصمَّم نظام التشغيل فيها ليكون سهل الاستخدام باللمس، ويوفّر البطارية قدر الإمكان، مثل إيقاف البرامج غير المستخدمة.
وضّح لي أكثر
مثال: الجوال يغلق التطبيقات في الخلفية ويخفّض سطوع الشاشة للحفاظ على البطارية.
بعض الحواسيب لها واجهة قليلة أو معدومة، مثل الحواسيب المدمجة في الأجهزة والسيارات.
Some computers have little or no user interface, such as embedded computers in devices and automobiles.
بعض الحواسيب تكون مدمجة داخل جهاز آخر لتؤدي وظيفة محددة، ولا يتعامل معها المستخدم مباشرة. لذلك واجهتها قليلة جداً أو معدومة، ونظام التشغيل فيها يعمل بصمت.
وضّح لي أكثر
مثال: الحاسب في السيارة الذي يتحكم في المحرك والفرامل، أو الحاسب داخل الغسالة. لا توجد شاشة ولا لوحة مفاتيح، لكن يوجد نظام تشغيل يعمل.
اختبر نفسك
1From the user's point of view, users don't care about:
a) Ease of use · b) Good performance · c) Resource utilization · d) Convenience
الإجابة
c) Resource utilization: استغلال الموارد.
2Which computers must keep all users happy?
a) Handheld computers · b) Embedded computers · c) Shared computers such as mainframe or minicomputer · d) Workstations only
الإجابة
c) Shared computers such as mainframe or minicomputer: الحواسيب المشتركة.
3Handheld computers are optimized for usability and battery life. (True / False)
الإجابة
True: لأن مواردها قليلة.
4Embedded computers in devices and automobiles always have a rich user interface. (True / False)
الإجابة
False: واجهتها قليلة أو معدومة.
3
نظم التشغيلالفصل الأول · Introduction
دورا نظام التشغيل
Operating System Definition
هنا ننظر لنظام التشغيل من زاوية عمله، وله دوران:
مُوزِّع الموارد: إذا طلب برنامجان المعالج أو الذاكرة في نفس الوقت، نظام التشغيل هو من يقرر من يأخذ ماذا، بحيث يكون التوزيع عادلاً وفعالاً.
برنامج تحكّم: يراقب البرامج أثناء تشغيلها، ويمنع أي برنامج من ارتكاب خطأ يضر بالنظام أو من استخدام الحاسب بطريقة غير صحيحة.
مُوزِّع الموارد
OS is a resource allocator
Manages all resources. Decides between conflicting requests for efficient and fair resource use.
يدير جميع الموارد، ويفصل بين الطلبات المتعارضة لاستخدام فعّال وعادل للموارد.
الموارد مثل المعالج والذاكرة والطابعة محدودة، وأكثر من برنامج قد يطلبها في نفس الوقت. نظام التشغيل يقرر من يأخذ ماذا ومتى بعدل.
وضّح لي أكثر
مثال: برنامجان يطلبان الطابعة معاً، فيعطيها للأول ويضع الثاني في الانتظار.
برنامج تحكّم
OS is a control program
Controls execution of programs to prevent errors and improper use of the computer.
يتحكم في تنفيذ البرامج لمنع الأخطاء والاستخدام غير الصحيح للحاسب.
نظام التشغيل يراقب البرامج أثناء عملها، فإذا حاول برنامج فعل شيء خاطئ أو ممنوع يوقفه حتى لا يضر النظام أو البرامج الأخرى.
وضّح لي أكثر
مثال: برنامج يحاول الكتابة في ذاكرة برنامج آخر، فيمنعه نظام التشغيل ويغلقه.
اختبر نفسك
1Which OS role decides between conflicting requests for efficient and fair resource use?
a) Control program · b) Resource allocator · c) Kernel · d) Firmware
الإجابة
b) Resource allocator: مُوزِّع الموارد.
2As a control program, the OS controls execution of programs to:
a) Increase disk size · b) Prevent errors and improper use of the computer · c) Load the bootstrap · d) Create users
الإجابة
b) Prevent errors and improper use of the computer: لمنع الأخطاء والاستخدام غير الصحيح.
3As a resource allocator, the OS manages all resources. (True / False)
الإجابة
True: يدير جميع الموارد.
4A control program decides between conflicting requests for resources. (True / False)
الإجابة
False: هذا دور Resource allocator.
تعريف نظام التشغيل (تابع)
Operating System Definition (Cont.)
تعريف نظام التشغيل هو: برنامج يعمل وسيطاً بين المستخدم والعتاد. لكن المختصين يختلفون في تحديد البرامج التي تُعتبر جزءاً منه، مثل: هل الآلة الحاسبة والمتصفح اللذان يأتيان مع Windows جزء من نظام التشغيل؟
لذلك تُقسَّم البرامج في الحاسب إلى ثلاثة أنواع: Kernel وهو قلب نظام التشغيل، وSystem program يأتي مع نظام التشغيل، وApplication program وهو أي برنامج آخر.
لا يوجد تعريف واحد متفق عليه
No universally accepted definition
أقرب وصف: «كل ما تحصل عليه من الشركة عند شراء نظام التشغيل»، لكنه يختلف كثيراً من شركة لأخرى.
"Everything a vendor ships when you order an operating system" is a good approximation, but varies wildly.
أنواع البرامج في الحاسب
Kernel · System program · Application program
النواة البرنامج الوحيد الذي يعمل طوال الوقت على الحاسب.
Kernel The one program running at all times on the computer.
النواة هي قلب نظام التشغيل، وهي برنامج وليست قطعة عتاد.
وضّح لي أكثر
أين توجد؟ تُحفظ في القرص (التخزين الثانوي) مع ملفات نظام التشغيل. عند الإقلاع يحمّلها برنامج الإقلاع إلى الذاكرة الرئيسية RAM، وتبقى فيها تعمل طوال الوقت حتى إطفاء الجهاز، وتدير المعالج والذاكرة والأجهزة.
مثال: عندما تفتح أو تغلق برنامجاً، النواة هي التي تعطيه الذاكرة أو تستردها منه.
برنامج النظام يأتي مع نظام التشغيل.
System program Ships with the operating system.
برنامج النظام يأتي جاهزاً مع نظام التشغيل عند تثبيته، لكنه ليس النواة، ويساعد في إدارة الجهاز واستخدامه.
وضّح لي أكثر
أين يوجد؟ يُحفظ في القرص ضمن ملفات نظام التشغيل، ولا يُحمَّل إلى الذاكرة RAM إلا عند تشغيله، ثم يُغلق.
مثال: مدير الملفات، ومدير المهام في Windows.
البرنامج التطبيقي كل ما عدا ذلك.
Application program Everything else.
البرنامج التطبيقي هو أي برنامج آخر، وغالباً يثبّته المستخدم بنفسه لإنجاز عمل معيّن.
وضّح لي أكثر
أين يوجد؟ يُثبَّت على القرص، وعند فتحه يُحمَّل إلى الذاكرة RAM ليعمل، ويُزال منها عند إغلاقه.
مثال: برامج Office، المتصفحات، الألعاب، برامج التصميم.
اختبر نفسك
1The one program running at all times on the computer is the:
a) Kernel · b) System program · c) Application program · d) Bootstrap program
الإجابة
a) Kernel: النواة.
2A program that ships with the operating system but is not the kernel is a:
a) Application program · b) System program · c) Firmware · d) Device driver
الإجابة
b) System program: برنامج النظام.
3There is a universally accepted definition of an operating system. (True / False)
الإجابة
False: لا يوجد تعريف متفق عليه عالمياً.
4Everything other than the kernel is either a system program or an application program. (True / False)
الإجابة
True: وهذا تقسيم البرامج.
4
نظم التشغيلالفصل الأول · Introduction
تشغيل الحاسب
برنامج الإقلاع يُحمَّل عند تشغيل الجهاز أو إعادة تشغيله.
Computer Startup
Bootstrap program is loaded at power-up or reboot.
يعمل هذا البرنامج أولاً، فيفحص ويهيّئ أجزاء الجهاز (المعالج، الذاكرة، الأجهزة)، ثم يبحث عن نواة نظام التشغيل في القرص، ويحمّلها إلى الذاكرة ويبدأ تشغيلها. ومن هنا يبدأ نظام التشغيل عمله.
وضّح لي أكثر
عند الضغط على زر التشغيل تكون الذاكرة الرئيسية (RAM) فارغة، لأنها تُمسح عند الإطفاء. لذلك يجب أن يكون هناك برنامج صغير محفوظ في شريحة لا تُمسح (ROM / EPROM)، وهو برنامج الإقلاع(Bootstrap).
يُخزَّن عادة في أو ، ويُعرف باسم .
Typically stored in or , generally known as .
برنامج الإقلاع يُخزَّن عادةً في شريحة ROM أو EPROM، ويُطلق عليه اسم Firmware.
وضّح لي أكثر
برنامج الإقلاع يُحفظ في شريحة لا تُمسح عند إطفاء الجهاز، لأنه يجب أن يكون موجوداً قبل تحميل أي شيء آخر. الذاكرة الرئيسية RAM تكون فارغة عند التشغيل.
مثال: شريحة BIOS على اللوحة الأم.
يهيّئ جميع أجزاء النظام.
Initializes all aspects of system.
قبل تحميل نظام التشغيل، يقوم برنامج الإقلاع بتجهيز وفحص أجزاء الجهاز والتأكد أنها تعمل: المعالج والذاكرة والأجهزة المتصلة.
وضّح لي أكثر
مثال: الشاشة السوداء في أول ثوانٍ من تشغيل الجهاز، وقد تسمع صوت صافرة قصيرة تعني أن الفحص نجح.
يحمّل نواة نظام التشغيل ويبدأ تنفيذها.
Loads operating system kernel and starts execution.
بعد التجهيز، يبحث برنامج الإقلاع عن النواة في القرص، وينقلها إلى الذاكرة الرئيسية، ثم يسلّمها التحكم فيبدأ نظام التشغيل العمل.
وضّح لي أكثر
مثال: ظهور شعار Windows أثناء التحميل يعني أن النواة بدأت العمل.
اختبر نفسك
1The bootstrap program is generally known as:
a) Kernel · b) Firmware · c) Device driver · d) System call
الإجابة
b) Firmware: البرنامج الثابت.
2Where is the bootstrap program typically stored?
a) RAM · b) Cache · c) ROM or EPROM · d) Hard disk only
الإجابة
c) ROM or EPROM: في ROM أو EPROM.
3The bootstrap program loads the operating system kernel and starts execution. (True / False)
الإجابة
True: هذا آخر عمل له.
4The bootstrap program is loaded only when the user opens an application. (True / False)
الإجابة
False: يُحمَّل عند التشغيل أو إعادة التشغيل.
5
نظم التشغيلالفصل الأول · Introduction
تنظيم نظام الحاسب
Computer System Organization
داخل الحاسب، المعالج ووحدات التحكم بالأجهزة كلها متصلة بـ طريق مشترك اسمه الناقل، ومن خلاله تصل جميعها إلى الذاكرة الرئيسية.
ولأنها تعمل في نفس الوقت، فهي تتنافس على استخدام الذاكرة، تماماً مثل سيارات كثيرة على طريق واحد.
معالج أو أكثر ووحدات تحكم الأجهزة تتصل عبر مشترك يتيح الوصول إلى الذاكرة المشتركة.
One or more CPUs, device controllers connect through common providing access to shared memory.
جميع مكونات الحاسب الرئيسية متصلة بـ نفس الطريق (الناقل)، ومن خلاله تقرأ وتكتب في نفس الذاكرة.
وضّح لي أكثر
مثال: المعالج ووحدة تحكم القرص ووحدة تحكم USB كلها تصل إلى نفس الرام عبر الناقل.
المعالجات والأجهزة تعمل في نفس الوقت وتتنافس على دورات الذاكرة.
Concurrent execution of CPUs and devices competing for memory cycles.
لأن الجميع يعمل في نفس اللحظة ويستخدم ذاكرة واحدة، يحدث تنافس على الوصول إليها، فيجب تنظيم من يصل أولاً.
وضّح لي أكثر
مثال: المعالج يقرأ من الذاكرة بينما القرص يكتب فيها بيانات ملف في نفس الوقت.
تنظيم نظام الحاسب · Computer System Organization
اختبر نفسك
1CPUs and device controllers connect through a common ______ providing access to shared memory.
a) Cache · b) Bus · c) Register · d) Kernel
الإجابة
b) Bus: الناقل المشترك.
2CPUs and devices execute concurrently, competing for:
a) Interrupts · b) Memory cycles · c) Disk tracks · d) Users
الإجابة
b) Memory cycles: دورات الذاكرة.
3CPUs and devices execute concurrently. (True / False)
الإجابة
True: يعملون في نفس الوقت.
4Each device has its own separate memory that the CPU cannot access. (True / False)
الإجابة
False: الجميع يتشارك ذاكرة واحدة عبر الناقل.
تشغيل نظام الحاسب
Computer-System Operation
كل جهاز (قرص، طابعة، USB...) له وحدة تحكم خاصة تديره، وفيها ذاكرة صغيرة مؤقتة. الجهاز ينقل بياناته إلى هذه الذاكرة المؤقتة، والمعالج ينقلها بين الذاكرة المؤقتة والذاكرة الرئيسية.
عندما تنتهي وحدة التحكم من عملها، لا ينتظر المعالج ويسأل باستمرار؛ بل هي التي تُبلغه بمقاطعة.
أجهزة الإدخال والإخراج والمعالج يمكن أن تعمل في نفس الوقت.
I/O devices and the CPU can execute concurrently.
المعالج لا يتوقف أثناء عمل الجهاز؛ كلاهما يعمل بالتوازي.
وضّح لي أكثر
مثال: أثناء طباعة ملف، يمكنك الاستمرار في الكتابة على الجهاز.
كل مسؤولة عن نوع معيّن من الأجهزة.
Each is in charge of a particular device type.
لكل نوع من الأجهزة وحدة تحكم خاصة تفهم طريقة عمله.
وضّح لي أكثر
مثال: وحدة تحكم القرص للأقراص، ووحدة تحكم USB للفأرة ولوحة المفاتيح.
كل وحدة تحكم لديها .
Each device controller has a .
ذاكرة صغيرة داخل وحدة التحكم، تُجمع فيها البيانات قبل نقلها.
وضّح لي أكثر
مثال: الطابعة تستقبل الصفحة في ذاكرتها المؤقتة ثم تطبعها.
المعالج ينقل البيانات من/إلى الذاكرة الرئيسية إلى/من الذاكرات المؤقتة المحلية.
CPU moves data from/to main memory to/from local buffers.
المعالج هو الذي ينقل البيانات بين الرام والذاكرة المؤقتة لوحدة التحكم، في الاتجاهين.
الإدخال والإخراج يكون من الجهاز إلى الذاكرة المؤقتة لوحدة التحكم.
I/O is from the device to local buffer of controller.
الجهاز نفسه يتعامل فقط مع ذاكرة وحدة التحكم الخاصة به، وليس مع الرام مباشرة.
وحدة التحكم تُبلغ المعالج أنها أنهت عملها عن طريق .
Device controller informs CPU that it has finished its operation by causing an .
بدل أن يسأل المعالج باستمرار «هل انتهيت؟»، وحدة التحكم هي التي ترسل له إشارة عند الانتهاء.
وضّح لي أكثر
مثال: عند انتهاء نسخ ملف من فلاشة، ترسل وحدة التحكم مقاطعة للمعالج.
اختبر نفسك
1How does a device controller inform the CPU that it has finished its operation?
a) By a system call · b) By causing an interrupt · c) By DMA · d) By a trap
الإجابة
b) By causing an interrupt: عن طريق مقاطعة.
2Each device controller is in charge of:
a) All devices · b) A particular device type · c) The kernel · d) Main memory
الإجابة
b) A particular device type: نوع معيّن من الأجهزة.
3Each device controller has a local buffer. (True / False)
الإجابة
True: ذاكرة مؤقتة محلية.
4I/O devices and the CPU cannot execute concurrently. (True / False)
الإجابة
False: يمكنهما العمل في نفس الوقت.
الوظائف الشائعة للمقاطعات
Common Functions of Interrupts
المعالج يفعل نفس الشيء: يحفظ مكانه، يذهب لبرنامج خدمة المقاطعة المناسب (يجد عنوانه في Interrupt vector)، ثم يعود. ونظام التشغيل كله مبني على هذا الأسلوب، لذلك يُقال إنه Interrupt driven.
وضّح لي أكثر
المقاطعة مثل جرس الباب: أنت تعمل، فيرن الجرس، فتترك عملك مؤقتاً لتفتح الباب، ثم تعود لما كنت تفعله بالضبط.
المقاطعة تنقل التحكم إلى برنامج خدمة المقاطعة، عادةً عن طريق متجه المقاطعات الذي يحتوي عناوين جميع برامج الخدمة.
Interrupt transfers control to the interrupt service routine generally, through the interrupt vector, which contains the addresses of all the service routines.
عند حدوث مقاطعة، ينتقل التحكم إلى برنامج خدمة المقاطعة المناسب لها. والمعالج يعرف مكانه من Interrupt vector، وهو جدول فيه عناوين جميع برامج الخدمة.
وضّح لي أكثر
Interrupt vector مثل دليل الهاتف: لكل نوع مقاطعة رقم، وبجانبه عنوان البرنامج الذي يعالجها، فيذهب المعالج إليه مباشرة.
مثال: مقاطعة لوحة المفاتيح لها عنوان برنامج خاص يقرأ الحرف الذي ضغطته.
يجب أن تحفظ معمارية المقاطعة عنوان التعليمة التي تمت مقاطعتها.
Interrupt architecture must save the address of the interrupted instruction.
حتى يعرف المعالج من أين يكمل بعد معالجة المقاطعة.
وضّح لي أكثر
مثال: مثل وضع علامة في الكتاب قبل أن تقوم لفتح الباب.
Trap أو Exception هي مقاطعة يولّدها البرنامج، سببها خطأ أو طلب من المستخدم.
A trap or exception is a software-generated interrupt caused either by an error or a user request.
المقاطعة العادية تأتي من العتاد، أما Trap فتأتي من البرنامج نفسه.
وضّح لي أكثر
مثال: برنامج يقسم رقماً على صفر (خطأ)، أو برنامج يطلب من نظام التشغيل فتح ملف (طلب).
نظام التشغيل يعمل بالمقاطعات.
An operating system is interrupt driven.
نظام التشغيل لا يعمل إلا عندما يحدث شيء يستدعيه: مقاطعة من جهاز، أو Trap من برنامج.
اختبر نفسك
1The interrupt vector contains:
a) The data of all devices · b) The addresses of all the service routines · c) The program counter only · d) The kernel code
الإجابة
b) The addresses of all the service routines: عناوين جميع برامج خدمة المقاطعة.
2A software-generated interrupt caused by an error or a user request is called:
a) DMA · b) Trap or exception · c) Bus · d) Cache
الإجابة
b) Trap or exception: Trap أو Exception.
3The interrupt architecture must save the address of the interrupted instruction. (True / False)
الإجابة
True: ليعود المعالج لنفس النقطة.
4A trap is a hardware-generated interrupt. (True / False)
الإجابة
False: Trap يولّدها البرنامج.
معالجة المقاطعة
Interrupt Handling
قبل أن يذهب المعالج لمعالجة المقاطعة، يجب أن يحفظ حالته كاملة: محتوى المسجّلات وعدّاد البرنامج، حتى يستطيع العودة لنفس النقطة تماماً بعد الانتهاء.
ولكل نوع من المقاطعات كود مختلف يعالجه، فمقاطعة لوحة المفاتيح تُعالَج بطريقة تختلف عن مقاطعة القرص.
نظام التشغيل يحفظ حالة المعالج عن طريق تخزين و.
The operating system preserves the state of the CPU by storing and the .
قبل الانتقال لمعالجة المقاطعة، يحفظ النظام كل ما في المعالج من قيم، ليعيدها كما هي بعد الانتهاء.
وضّح لي أكثر
مثال: مثل حفظ اللعبة قبل الخروج، ثم المتابعة من نفس النقطة.
أجزاء منفصلة من الكود تحدد الإجراء المناسب لكل نوع من المقاطعات.
Separate segments of code determine what action should be taken for each type of interrupt.
لكل نوع مقاطعة برنامج معالجة خاص به.
وضّح لي أكثر
مثال: مقاطعة الفأرة تحرّك المؤشر، ومقاطعة القرص تُبلغ بانتهاء القراءة.
اختبر نفسك
1To preserve the state of the CPU, the operating system stores:
a) Registers and the program counter · b) The interrupt vector · c) The cache · d) The device-status table
الإجابة
a) Registers and the program counter: المسجّلات وعدّاد البرنامج.
2What determines the action to be taken for each type of interrupt?
a) The user · b) Separate segments of code · c) The bus · d) The cache
الإجابة
b) Separate segments of code: أجزاء منفصلة من الكود.
3The OS preserves the CPU state before handling an interrupt. (True / False)
الإجابة
True: يحفظ المسجّلات وعدّاد البرنامج.
4All types of interrupts are handled by the same segment of code. (True / False)
الإجابة
False: لكل نوع كود منفصل.
الخط الزمني للمقاطعة
Interrupt Timeline
الرسم يوضح ما يحدث عبر الزمن: المعالج ينفّذ برنامج المستخدم، ثم يطلب عملية إدخال/إخراج. الجهاز يبدأ النقل، وفي هذه الأثناء يستمر المعالج في عمله.
عندما ينتهي النقل يرسل الجهاز مقاطعة، فينتقل المعالج لحظة قصيرة لمعالجتها، ثم يعود لبرنامج المستخدم.
الخط الزمني للمقاطعة · Interrupt Timeline
اختبر نفسك
1In the interrupt timeline, when does the CPU go to I/O interrupt processing?
a) At the I/O request · b) When the transfer is done · c) When the device is idle · d) Never
الإجابة
b) When the transfer is done: عند انتهاء النقل.
2While the I/O device is transferring, the CPU is:
a) Idle · b) Executing the user process · c) Turned off · d) Transferring too
الإجابة
b) Executing the user process: ينفّذ برنامج المستخدم.
3After processing the interrupt, the CPU returns to the user process. (True / False)
الإجابة
True: يعود لبرنامج المستخدم.
4The I/O device stays in the transferring state all the time. (True / False)
الإجابة
False: يعود إلى idle بعد انتهاء النقل.
هيكل الإدخال والإخراج
I/O Structure
هناك طريقتان للتعامل مع عمليات الإدخال والإخراج:
الأولى (متزامنة): البرنامج يتوقف وينتظر حتى تنتهي العملية، ولا يمكن تنفيذ أكثر من عملية واحدة في نفس الوقت.
الثانية (غير متزامنة): البرنامج يكمل عمله مباشرة دون انتظار، ونظام التشغيل يتابع حالة الأجهزة من خلال جدول اسمه Device-status table.
ينتظر الاكتمال
Wait for completion
After I/O starts, control returns to user program only upon I/O completion. Wait instruction idles the CPU until the next interrupt. Wait loop (contention for memory access). At most one I/O request is outstanding at a time, no simultaneous I/O processing.
بعد بدء الإدخال/الإخراج، يعود التحكم لبرنامج المستخدم فقط بعد اكتماله. تعليمة الانتظار توقف المعالج حتى المقاطعة التالية، أو حلقة انتظار (تنافس على الذاكرة). طلب واحد فقط في كل مرة.
البرنامج يقف وينتظر. هذه الطريقة بسيطة لكنها تضيّع وقت المعالج.
وضّح لي أكثر
مثال: تطلب طباعة ملف فيتجمّد البرنامج حتى تنتهي الطباعة.
لا ينتظر الاكتمال
Without waiting
After I/O starts, control returns to user program without waiting for I/O completion. System call – request to the OS to allow user to wait for I/O completion. Device-status table contains entry for each I/O device indicating its type, address, and state.
بعد بدء الإدخال/الإخراج، يعود التحكم للبرنامج بدون انتظار. System call: طلب من النظام للانتظار إن احتاج. Device-status table: فيه سجل لكل جهاز يوضح نوعه وعنوانه وحالته.
البرنامج يكمل عمله، ونظام التشغيل يتابع الأجهزة من خلال الجدول ويحدّثه عند وصول المقاطعة.
وضّح لي أكثر
مثال: تطلب طباعة ملف وتكمل الكتابة في نفس الوقت.
اختبر نفسك
1The device-status table contains an entry for each I/O device indicating its:
a) Speed, cost and size · b) Type, address, and state · c) Owner and password · d) Buffer and cache
الإجابة
b) Type, address, and state: نوعه وعنوانه وحالته.
2A request to the OS to allow the user to wait for I/O completion is a:
a) Trap · b) System call · c) DMA · d) Bus
الإجابة
b) System call: System call.
3When control returns only upon I/O completion, at most one I/O request is outstanding at a time. (True / False)
الإجابة
True: طلب واحد فقط.
4The wait instruction keeps the CPU busy executing other programs. (True / False)
الإجابة
False: يوقف المعالج حتى المقاطعة التالية.
تعريفات التخزين
Storage Definitions and Notation Review
كل ما في الحاسب من أرقام وصور وفيديو مخزّن على شكل 0 و 1. كل خانة واحدة اسمها bit، وكل 8 منها تكوّن byte.
الوحدات الأكبر تُضرب كل مرة في 1,024. لكن الشركات المصنعة تقرّبها إلى 1,000 للتسهيل، لذلك تجد قرصاً مكتوباً عليه 500 GB لكن الجهاز يظهره أقل.
الوحدة الأساسية للتخزين هي bit، وتحتوي إحدى قيمتين: 0 أو 1.
The basic unit of computer storage is the bit. A bit can contain one of two values, 0 and 1.
الـ bit هو أصغر وحدة تخزين في الحاسب، وقيمته إما 0 أو 1. وكل التخزين في الحاسب مبني على مجموعات من الـ bits.
وضّح لي أكثر
الـ bit مثل مفتاح إضاءة: إما مطفأ (0) أو مضاء (1). وكل شيء في الحاسب من نصوص وصور وفيديو وبرامج مكوّن من ملايين هذه المفاتيح.
كلما زاد عدد الـ bits زادت القيم التي يمكن تمثيلها:
• بت واحد يمثّل قيمتين فقط: 0 · 1
• بتّان يمثّلان 4 قيم: 00 · 01 · 10 · 11
• ثمانية بتّات تمثّل 256 قيمة.
مثال: الرقم 5 يُخزَّن هكذا: 00000101.
byte يساوي 8 bits، وهو أصغر وحدة تخزين مناسبة في أغلب الحواسيب.
A byte is 8 bits, and on most computers it is the smallest convenient chunk of storage.
البايت الواحد يساوي 8 بت (1 byte = 8 bits). أغلب الحواسيب لا تملك تعليمة لنقل bit واحد، لكنها تملك تعليمة لنقل byte كامل، لذلك يُعتبر البايت أصغر وحدة عملية للتخزين.
وضّح لي أكثر
مثال: الحرف A يُخزَّن في byte واحد: 01000001. وكلمة «Hello» تحتاج 5 bytes.
word هي وحدة البيانات الأصلية لمعمارية الحاسب، وتتكون من byte أو أكثر.
A word is a given computer architecture's native unit of data. A word is made up of one or more bytes.
الـ word هي كمية البيانات التي يعالجها المعالج في خطوة واحدة، وحجمها يختلف حسب المعالج. ونحسبها بقسمة عدد الـ bits على 8.
• الجهاز الـ 64-bit يعالج 8 بايت في كل خطوة:
64 ÷ 8 = 8 bytes
وضّح لي أكثر
• الجهاز الـ 32-bit يعالج 4 بايت في كل خطوة:
32 ÷ 8 = 4 bytes
مثال: لجمع رقمين حجم كل منهما 8 بايت: الجهاز الـ 64-bit يجمعهما في خطوة واحدة، أما الجهاز الـ 32-bit فيحتاج خطوتين، 4 بايت في كل خطوة. لذلك الجهاز الـ 64-bit أسرع في هذه العمليات.
قياسات الشبكات تكون بالـ bits لأن الشبكات تنقل البيانات bit في كل مرة.
Networking measurements are given in bits (because networks move data a bit at a time).
الشبكات تنقل البيانات bit واحداً في كل مرة، لذلك تُقاس سرعتها وقياساتها بالـ bits وليس بالـ bytes.
وضّح لي أكثر
انتبه لحجم الحرف: الحرف الصغير b يعني bit، والحرف الكبير B يعني Byte. سرعة الإنترنت تُكتب Mbps أي ميغابت في الثانية، وليس ميغابايت.
وبما أن البايت الواحد يساوي 8 بت، فلتحويل السرعة من ميغابت إلى ميغابايت نقسم على 8:
مثال: إنترنت سرعته 100 Mbps، نقسم 100 على 8 فيكون الناتج 12.5 MB في الثانية. فملف حجمه 125 MB يحتاج تقريباً 10 ثوانٍ للتحميل.
وحدات قياس التخزين
Storage units
كيلوبايت (KB) = 1,024 بايت.
A kilobyte, or KB, is 1,024 bytes.
الكيلوبايت الواحد يساوي 1,024 بايت:
1 KB = 1,024 bytes
وضّح لي أكثر
لماذا 1,024 وليس 1,000؟ لأن الحاسب يعمل بالنظام الثنائي (أساسه الرقم 2)، وأقرب رقم من قوى العدد 2 إلى الألف هو 1,024:
2¹⁰ = 1,024
مثال: ملف نصي صغير من صفحة واحدة حجمه تقريباً 2 KB.
ميغابايت (MB) = 1,024² بايت.
A megabyte, or MB, is 1,024² bytes.
الميغابايت الواحد يساوي 1,024 كيلوبايت، أي أكثر من مليون بايت:
1 MB = 1,024 KB = 1,048,576 bytes
وضّح لي أكثر
مثال: صورة من الجوال حجمها تقريباً 3 MB، وأغنية MP3 تقريباً 5 MB.
غيغابايت (GB) = 1,024³ بايت.
A gigabyte, or GB, is 1,024³ bytes.
الغيغابايت الواحد يساوي 1,024 ميغابايت:
1 GB = 1,024 MB
وضّح لي أكثر
مثال: فيلم بجودة عالية تقريباً 2 GB، والرام في أغلب الأجهزة 8 أو 16 GB.
تيرابايت (TB) = 1,024⁴ بايت.
A terabyte, or TB, is 1,024⁴ bytes.
التيرابايت الواحد يساوي 1,024 غيغابايت:
1 TB = 1,024 GB
وضّح لي أكثر
مثال: قرص صلب خارجي سعته 1 TB أو 2 TB.
بيتابايت (PB) = 1,024⁵ بايت.
A petabyte, or PB, is 1,024⁵ bytes.
البيتابايت الواحد يساوي 1,024 تيرابايت، وهو حجم ضخم جداً لا يُستخدم إلا في مراكز البيانات:
1 PB = 1,024 TB
وضّح لي أكثر
مثال: مراكز بيانات الشركات الكبرى مثل Google تخزّن آلاف الـ PB.
مصنّعو الحاسب يقرّبون هذه الأرقام فيقولون إن الميغابايت = مليون بايت والغيغابايت = مليار بايت.
Computer manufacturers often round off these numbers and say that a megabyte is 1 million bytes and a gigabyte is 1 billion bytes.
المصنّع يحسب الغيغابايت مليار بايت، بينما نظام التشغيل يحسبه 1,024³ بايت، وهو أكبر قليلاً:
وضّح لي أكثر
• المصنّع: 1 GB = 1,000,000,000 bytes
• نظام التشغيل: 1 GB = 1,073,741,824 bytes
مثال: لذلك قرص مكتوب عليه 500 GB يظهر في الجهاز تقريباً 465 GB.
اختبر نفسك
1A byte is:
a) 2 bits · b) 4 bits · c) 8 bits · d) 16 bits
الإجابة
c) 8 bits: البايت = 8 بت.
2A kilobyte (KB) is:
a) 1,000 bytes · b) 1,024 bytes · c) 1,024 bits · d) 8 bytes
الإجابة
b) 1,024 bytes: 1,024 بايت.
3A computer with 64-bit registers typically has words of:
a) 2 bytes · b) 4 bytes · c) 8 bytes · d) 64 bytes
الإجابة
c) 8 bytes: 64 ÷ 8 = 8 bytes.
4A bit can contain one of two values, 0 and 1. (True / False)
الإجابة
True: 0 أو 1.
5Networking measurements are generally given in bytes. (True / False)
الإجابة
False: الشبكات تُقاس بالـ bits.
هيكل التخزين
Storage Structure
الذاكرة الرئيسية (RAM) سريعة ويصل إليها المعالج مباشرة، لكنها تُمسح عند الإطفاء. لذلك نحتاج التخزين الثانوي (القرص) لحفظ البيانات بشكل دائم وبسعة كبيرة.
وضّح لي أكثر
القرص الصلب يعمل بأقراص مغناطيسية تدور، أما أقراص الحالة الصلبة SSD فليس فيها أجزاء متحركة، لذلك هي أسرع.
الذاكرة الرئيسية: وسيط التخزين الكبير الوحيد الذي يصل إليه المعالج مباشرة. ، وعادةً .
Main memory – only large storage media that the CPU can access directly. . Typically .
هي الرام. المعالج يقرأ منها ويكتب فيها مباشرة، لكن محتواها يُمسح عند الإطفاء.
التخزين الثانوي: امتداد للذاكرة الرئيسية يوفّر سعة تخزين كبيرة .
Secondary storage – extension of main memory that provides large storage capacity.
هنا تُحفظ ملفاتك وبرامجك ونظام التشغيل نفسه بشكل دائم.
وضّح لي أكثر
مثال: القرص الصلب HDD أو SSD في جهازك.
الأقراص الصلبة: أقراص معدنية أو زجاجية مغطاة بمادة تسجيل مغناطيسية. سطح القرص مقسّم إلى مسارات (Tracks) وكل مسار مقسّم إلى قطاعات (Sectors). ووحدة تحكم القرص تنظّم التفاعل بين القرص والحاسب.
Hard disks – rigid metal or glass platters covered with magnetic recording material. Disk surface is logically divided into tracks, which are subdivided into sectors. The disk controller determines the logical interaction between the device and the computer.
القرص الصلب أقراص معدنية أو زجاجية عليها مادة مغناطيسية. سطحه مقسّم إلى مسارات (Tracks)، وكل مسار مقسّم إلى قطاعات (Sectors). ووحدة تحكم القرص هي التي تنظّم التعامل بين القرص والحاسب.
وضّح لي أكثر
تخيّل القرص مثل ملعب جري: كل حلقة دائرية هي Track، وكل حلقة مقطّعة إلى أجزاء صغيرة هي Sectors، والبيانات تُكتب فيها.
أقراص الحالة الصلبة: أسرع من الأقراص الصلبة، وغير متطايرة، ولها تقنيات متعددة، وتزداد انتشاراً.
Solid-state disks – faster than hard disks, nonvolatile. Various technologies. Becoming more popular.
أقراص الحالة الصلبة أسرع من الأقراص الصلبة، وغير متطايرة أي لا تفقد بياناتها عند الإطفاء، ولها تقنيات متعددة، وأصبحت أكثر انتشاراً.
وضّح لي أكثر
لا تحتوي أجزاء تدور، لذلك أسرع وأقل عرضة للتلف.
مثال: أغلب أجهزة اللابتوب الحديثة تأتي بـ SSD.
اختبر نفسك
1The only large storage media that the CPU can access directly is:
a) Hard disk · b) Main memory · c) Magnetic tape · d) Solid-state disk
الإجابة
b) Main memory: الذاكرة الرئيسية.
2Secondary storage provides large ______ storage capacity.
a) Volatile · b) Nonvolatile · c) Temporary · d) Cache
الإجابة
b) Nonvolatile: غير متطايرة.
3Solid-state disks are faster than hard disks. (True / False)
الإجابة
True: أسرع وغير متطايرة.
4A disk surface is divided into sectors, which are subdivided into tracks. (True / False)
الإجابة
False: Tracks تُقسَّم إلى Sectors.
هرمية التخزين
Storage Hierarchy
أجهزة التخزين مرتبة مثل الهرم: كلما صعدت للأعلى صار التخزين أسرع وأغلى وأصغر، وكلما نزلت صار أبطأ وأرخص وأكبر.
وضّح لي أكثر
والأجزاء العليا (المسجّلات، الكاش، الذاكرة الرئيسية) متطايرة، أما السفلى (الأقراص والأشرطة) فتحتفظ بالبيانات.
ترتيب أنظمة التخزين حسب
Storage systems organized in hierarchy
السرعة
Speed
التكلفة
Cost
التطاير
Volatility
التخزين المؤقت: نسخ المعلومات إلى نظام تخزين أسرع، ويمكن اعتبار الذاكرة الرئيسية كاش للتخزين الثانوي.
Caching – copying information into faster storage system; main memory can be viewed as a cache for secondary storage.
البرنامج المخزّن في القرص يُنسخ إلى الرام عند تشغيله، فتكون الرام مثل كاش للقرص.
مشغّل الجهاز لكل وحدة تحكم لإدارة الإدخال والإخراج، ويوفّر واجهة موحّدة بين وحدة التحكم والنواة.
Device Driver for each device controller to manage I/O. Provides uniform interface between controller and kernel.
Driver برنامج صغير يشرح للنواة كيف تتعامل مع جهاز معيّن، فلا تحتاج النواة لمعرفة تفاصيل كل جهاز.
وضّح لي أكثر
مثال: عند تركيب طابعة جديدة تثبّت الـ Driver الخاص بها.
هرمية أجهزة التخزين · Storage-Device Hierarchy
اختبر نفسك
1Storage systems are organized in hierarchy according to:
a) Speed, cost, volatility · b) Color, size, weight · c) Users, programs, files · d) Bus, cache, kernel
الإجابة
a) Speed, cost, volatility: السرعة والتكلفة والتطاير.
2Which storage is at the top of the storage-device hierarchy?
a) Cache · b) Main memory · c) Registers · d) Solid-state disk
الإجابة
c) Registers: المسجّلات.
3Main memory can be viewed as a cache for secondary storage. (True / False)
الإجابة
True: الرام ككاش للقرص.
4A device driver provides a uniform interface between the controller and the user. (True / False)
الإجابة
False: بين وحدة التحكم والنواة (kernel).
التخزين المؤقت
Caching
عندما يحتاج النظام معلومة، يبحث في الكاش أولاً. إن وجدها استخدمها بسرعة، وإن لم يجدها جلبها من التخزين الأبطأ ووضع نسخة منها في الكاش. ولأن الكاش صغير، يجب تحديد ماذا نُبقي فيه وماذا نحذف.
وضّح لي أكثر
الكاش مثل الدرج الذي بجانب مكتبك: تضع فيه الأوراق التي تستخدمها كثيراً بدل الذهاب للأرشيف كل مرة.
مبدأ مهم يُطبَّق في مستويات كثيرة في الحاسب: العتاد، نظام التشغيل، البرمجيات.
Important principle, performed at many levels in a computer (in hardware, operating system, software).
التخزين المؤقت مبدأ مهم، يُستخدم في العتاد وفي نظام التشغيل وفي البرمجيات.
وضّح لي أكثر
مثال: الكاش داخل المعالج (عتاد)، والمتصفح يحفظ نسخة من الصفحات (برمجيات).
المعلومات المستخدمة تُنسخ مؤقتاً من تخزين أبطأ إلى تخزين أسرع.
Information in use copied from slower to faster storage temporarily.
الهدف أن تكون المعلومة قريبة وسريعة الوصول في المرة القادمة.
يُفحص التخزين الأسرع (الكاش) أولاً: إن وُجدت المعلومة تُستخدم منه مباشرة (سريع)، وإن لم توجد تُنسخ إليه ثم تُستخدم.
Faster storage (cache) checked first to determine if information is there. If it is, information used directly from the cache (fast). If not, data copied to cache and used there.
عند طلب معلومة يُبحث في الكاش أولاً: إن وُجدت فيه تُستخدم مباشرة وبسرعة، وإن لم توجد تُنسخ إلى الكاش ثم تُستخدم.
وضّح لي أكثر
مثال: تبحث عن ورقة في درج مكتبك أولاً؛ إن لم تجدها تجلبها من الأرشيف وتضعها في الدرج.
الكاش أصغر من التخزين الأصلي، لذلك إدارته مشكلة تصميم مهمة: حجم الكاش وسياسة الاستبدال.
Cache smaller than storage being cached. Cache management important design problem. Cache size and replacement policy.
عندما يمتلئ الكاش، يجب أن نقرر أي معلومة نحذفها لنضع مكانها الجديدة؛ هذه هي Replacement policy.
اختبر نفسك
1When information is not found in the cache:
a) The system stops · b) Data is copied to the cache and used there · c) The CPU raises a trap · d) The cache is cleared
الإجابة
b) Data is copied to the cache and used there: تُنسخ للكاش ثم تُستخدم.
2Caching copies information in use from:
a) Faster to slower storage · b) Slower to faster storage · c) Cache to tape · d) Registers to disk
الإجابة
b) Slower to faster storage: من الأبطأ إلى الأسرع.
3Caching is performed at many levels: hardware, operating system, software. (True / False)
الإجابة
True: في عدة مستويات.
4The cache is larger than the storage being cached. (True / False)
الإجابة
False: الكاش أصغر.
الوصول المباشر للذاكرة
Direct Memory Access Structure
بدون DMA، المعالج ينقل البيانات بنفسه بايت بايت، وكل بايت يسبب مقاطعة، فيضيع وقته.
مع DMA، وحدة تحكم الجهاز تنقل كتلة كاملة من البيانات إلى الذاكرة مباشرة، والمعالج يكمل عمله، ثم تأتي مقاطعة واحدة فقط عند انتهاء الكتلة.
يُستخدم لأجهزة الإدخال والإخراج عالية السرعة التي تنقل البيانات بسرعة قريبة من سرعة الذاكرة.
Used for high-speed I/O devices able to transmit information at close to memory speeds.
DMA مخصّص للأجهزة السريعة التي تنقل البيانات بسرعة قريبة من سرعة الذاكرة.
وضّح لي أكثر
مثال: الأقراص السريعة وبطاقات الشبكة.
وحدة التحكم تنقل كتل البيانات من ذاكرتها المؤقتة إلى الذاكرة الرئيسية مباشرة بدون تدخل المعالج.
Device controller transfers blocks of data from buffer storage directly to main memory without CPU intervention.
المعالج يعطي الأمر فقط ثم يتفرغ لعمل آخر، ووحدة التحكم تتولى النقل كاملاً.
مقاطعة واحدة فقط لكل كتلة، بدلاً من مقاطعة لكل بايت.
Only one interrupt is generated per block, rather than the one interrupt per byte.
في DMA تُرسل مقاطعة واحدة بعد نقل كتلة كاملة من البيانات، بدلاً من مقاطعة بعد كل بايت.
وضّح لي أكثر
إذا كانت الكتلة 4,000 بايت، فبدل 4,000 مقاطعة تكون مقاطعة واحدة فقط، وهذا يوفّر وقت المعالج كثيراً.
اختبر نفسك
1With DMA, how many interrupts are generated?
a) One per byte · b) One per block · c) One per bit · d) None
الإجابة
b) One per block: مقاطعة لكل كتلة.
2DMA is used for:
a) Slow keyboards only · b) High-speed I/O devices · c) The bootstrap program · d) Users
الإجابة
b) High-speed I/O devices: الأجهزة عالية السرعة.
3In DMA, the device controller transfers blocks of data directly to main memory. (True / False)
الإجابة
True: بدون تدخل المعالج.
4In DMA, the CPU transfers each byte between the device and memory. (True / False)
الإجابة
False: بدون تدخل المعالج.
كيف يعمل الحاسب الحديث
How a Modern Computer Works
هذا الرسم يجمع ما سبق: المعالج (وقد يكون أكثر من واحد) يجلب التعليمات والبيانات من الذاكرة. يرسل طلبات إدخال/إخراج للأجهزة، والأجهزة ترد عليه بمقاطعة.
والأجهزة السريعة تنقل بياناتها إلى الذاكرة مباشرة عبر DMA دون المرور بالمعالج. وهذا التصميم يُسمى von Neumann architecture.
معمارية فون نيومان · A von Neumann architecture
اختبر نفسك
1The figure "How a Modern Computer Works" shows a:
a) Harvard architecture · b) von Neumann architecture · c) Clustered architecture · d) Layered architecture
الإجابة
b) von Neumann architecture: معمارية فون نيومان.
2In the figure, the device sends to the CPU:
a) DMA · b) An interrupt · c) The cache · d) The kernel
الإجابة
b) An interrupt: مقاطعة.
3Devices can move data to memory directly using DMA. (True / False)
الإجابة
True: عبر DMA.
4In this architecture, instructions and data are stored inside the device. (True / False)
الإجابة
False: تُخزَّن في الذاكرة.
معمارية نظام الحاسب
Computer-System Architecture
أغلب الأجهزة فيها معالج رئيسي واحد. لكن الأنظمة متعددة المعالجات تنتشر، لأنها تنجز عملاً أكثر، وتوفّر التكلفة لأنها تتشارك نفس الذاكرة والأجهزة، وإذا تعطّل معالج يستمر الباقي.
والفرق بين النوعين: في Asymmetric كل معالج له مهمة خاصة، وفي Symmetric جميع المعالجات متساوية وكلها تنفّذ أي مهمة.
معظم الأنظمة تستخدم معالجاً واحداً للأغراض العامة.
Most systems use a single general-purpose processor.
أغلب الأنظمة فيها معالج واحد للأغراض العامة.
وضّح لي أكثر
مثال: أغلب أجهزة الحاسب المنزلية القديمة كان فيها معالج رئيسي واحد.
أنظمة تعدد المعالجات يزداد استخدامها وأهميتها، وتُعرف أيضاً بـ الأنظمة المتوازية والأنظمة المترابطة بإحكام.
Multiprocessors systems growing in use and importance. Also known as parallel systems, tightly-coupled systems.
جهاز فيه أكثر من معالج يعملون معاً في نفس الوقت ويتشاركون الذاكرة والأجهزة.
وضّح لي أكثر
مثال: الخوادم الكبيرة في الشركات.
مزايا تعدد المعالجات
Advantages
زيادة
Increased
أكثر من معالج يعني إنجاز عمل أكثر في نفس الوقت.
توفير التكلفة
Economy of scale
أرخص من شراء عدة أجهزة منفصلة، لأن المعالجات تتشارك نفس الذاكرة والأقراص ومزوّد الطاقة.
زيادة الاعتمادية: التدهور التدريجي أو تحمّل الأعطال
Increased reliability – graceful degradation or fault tolerance
إذا تعطّل معالج، يستمر النظام في العمل بالمعالجات الباقية، ربما أبطأ قليلاً لكنه لا يتوقف.
نوعا تعدد المعالجات
Two types
غير المتماثل
Asymmetric Multiprocessing
Each processor is assigned a specific task.
كل معالج يُسند إليه مهمة محددة.
في المعالجة غير المتماثلة، كل معالج يُسند إليه مهمة محددة يقوم بها فقط.
وضّح لي أكثر
يوجد غالباً معالج رئيسي يوزّع المهام، وكل معالج آخر يقوم بمهمة خاصة به فقط.
المتماثل
Symmetric Multiprocessing
Each processor performs all tasks.
كل معالج ينفّذ جميع المهام.
في المعالجة المتماثلة، كل معالج يستطيع تنفيذ جميع المهام.
وضّح لي أكثر
جميع المعالجات متساوية، وأي معالج يستطيع تنفيذ أي مهمة. وهذا هو الأكثر انتشاراً.
اختبر نفسك
1Multiprocessor systems are also known as:
a) Batch systems · b) Parallel systems · c) Embedded systems · d) Clustered systems
الإجابة
b) Parallel systems: الأنظمة المتوازية.
2In which type does each processor perform all tasks?
a) Asymmetric multiprocessing · b) Symmetric multiprocessing · c) Asymmetric clustering · d) Multiprogramming
الإجابة
b) Symmetric multiprocessing: المتماثل.
3Which is NOT an advantage of multiprocessor systems?
a) Increased throughput · b) Economy of scale · c) Increased reliability · d) Decreased number of processors
الإجابة
d) Decreased number of processors: المزايا الثلاث هي الإنتاجية والتكلفة والاعتمادية.
4In asymmetric multiprocessing, each processor is assigned a specific task. (True / False)
الإجابة
True: مهمة محددة.
5Most systems use multiple general-purpose processors. (True / False)
الإجابة
False: معظم الأنظمة تستخدم معالجاً واحداً.
معمارية المعالجة المتماثلة
Symmetric Multiprocessing Architecture
في المعالجة المتماثلة، كل معالج له مسجّلات وكاش خاصة به، لكن جميع المعالجات تتشارك ذاكرة رئيسية واحدة.
معمارية المعالجة المتماثلة · SMP Architecture
اختبر نفسك
1In SMP architecture, each CPU has its own:
a) Memory · b) Registers and cache · c) Hard disk · d) Operating system
الإجابة
b) Registers and cache: مسجّلات وكاش.
2In SMP architecture, all CPUs share the same:
a) Registers · b) Cache · c) Memory · d) Program counter
الإجابة
c) Memory: الذاكرة.
3In SMP, each processor performs all tasks. (True / False)
الإجابة
True: المعالجة المتماثلة.
4In SMP, each CPU has a separate main memory. (True / False)
الإجابة
False: الذاكرة مشتركة.
تصميم ثنائي النواة
A Dual-Core Design
بدل وضع عدة معالجات منفصلة، يمكن وضع أكثر من نواة على شريحة واحدة (Multicore). كل نواة تعمل كمعالج مستقل، ولها مسجّلات وكاش خاصة، وتتشارك الذاكرة.
وضّح لي أكثر
وهذا أسرع ويستهلك طاقة أقل من استخدام شرائح منفصلة.
عدة شرائح، أو عدة أنوية على شريحة واحدة.
Multi-chip and multicore.
Multicore تعني أن الشريحة الواحدة بداخلها أكثر من نواة، وكل نواة تعمل كمعالج.
وضّح لي أكثر
مثال: معالج Dual-core فيه نواتان، و Quad-core فيه أربع.
أنظمة تحتوي على كل الشرائح، وهيكل يحتوي عدة أنظمة منفصلة.
Systems containing all chips. Chassis containing multiple separate systems.
قد يكون الجهاز صندوقاً واحداً بداخله عدة أنظمة كاملة منفصلة.
تصميم ثنائي النواة · A Dual-Core Design
اختبر نفسك
1A dual-core design has:
a) Two CPU cores on one chip · b) Two memories · c) Two operating systems · d) Two hard disks
الإجابة
a) Two CPU cores on one chip: نواتان على شريحة واحدة.
2In a dual-core design, each core has its own:
a) Memory · b) Registers and cache · c) Bus · d) Disk
الإجابة
b) Registers and cache: مسجّلات وكاش.
3In a dual-core design, the cores share the same memory. (True / False)
الإجابة
True: الذاكرة مشتركة.
4Multicore means multiple separate computers connected by a network. (True / False)
الإجابة
False: عدة أنوية على شريحة واحدة.
الأنظمة العنقودية
مثل أنظمة تعدد المعالجات، لكن عدة أنظمة (حواسيب) تعمل معاً.
Clustered Systems
Like multiprocessor systems, but multiple systems working together.
النظام العنقودي هو عدة حواسيب كاملة مرتبطة ببعضها وتعمل كنظام واحد، وتتشارك التخزين عبر شبكة تخزين.
الهدف الأساسي استمرار الخدمة حتى لو تعطّل جهاز، لأن جهازاً آخر يأخذ مكانه.
تتشارك التخزين عادةً عبر .
Usually sharing storage via a .
جميع الأجهزة تصل إلى نفس الأقراص عبر شبكة خاصة، فإذا تعطّل جهاز تبقى البيانات متاحة للباقي.
توفّر خدمة عالية التوفر تستمر رغم الأعطال.
Provides a high-availability service which survives failures.
الأنظمة العنقودية توفّر خدمة عالية التوفر، أي أنها تستمر في العمل حتى لو تعطّل أحد الأجهزة.
وضّح لي أكثر
مثال: موقع بنك يبقى يعمل حتى لو تعطّل أحد الخوادم.
العنقدة غير المتماثلة
Asymmetric clustering
Has one machine in hot-standby mode.
جهاز واحد في وضع الاستعداد.
جهاز احتياطي لا يعمل، فقط يراقب. إذا تعطّل الجهاز الرئيسي يأخذ مكانه فوراً.
العنقدة المتماثلة
Symmetric clustering
Has multiple nodes running applications, monitoring each other.
عدة أجهزة تشغّل التطبيقات وتراقب بعضها.
كل الأجهزة تعمل، وكل منها يراقب الآخر. أكثر كفاءة لأنه لا يوجد جهاز بدون عمل.
بعضها للـ حوسبة عالية الأداء (HPC)، ويجب كتابة التطبيقات بأسلوب التوازي.
Some clusters are for high-performance computing (HPC). Applications must be written to use parallelization.
البرنامج يُقسَّم إلى أجزاء تعمل على عدة أجهزة في نفس الوقت.
وضّح لي أكثر
مثال: حسابات الطقس والأبحاث العلمية.
بعضها فيه مدير أقفال موزّع (DLM) لمنع العمليات المتعارضة.
Some have distributed lock manager (DLM) to avoid conflicting operations.
يمنع جهازين من تعديل نفس البيانات في نفس اللحظة.
الأنظمة العنقودية · Clustered Systems
اختبر نفسك
1In asymmetric clustering:
a) All nodes run applications · b) One machine is in hot-standby mode · c) There is no shared storage · d) Each CPU performs all tasks
الإجابة
b) One machine is in hot-standby mode: جهاز في وضع الاستعداد.
2Clustered systems usually share storage via:
a) DMA · b) SAN · c) Cache · d) Bus
الإجابة
b) SAN: SAN.
3Which is used in some clusters to avoid conflicting operations?
a) DMA · b) DLM · c) SAN · d) HPC
الإجابة
b) DLM: Distributed lock manager.
4Clustered systems provide a high-availability service which survives failures. (True / False)
الإجابة
True: خدمة عالية التوفر.
5In symmetric clustering, one machine stays in hot-standby mode. (True / False)
الإجابة
False: هذا في Asymmetric.
هيكل نظام التشغيل
Operating System Structure
Multiprogramming: يضع عدة مهام في الذاكرة. عندما تنتظر مهمة (مثلاً قراءة من القرص)، يعطي المعالج لمهمة أخرى، فلا يبقى المعالج فارغاً.
Timesharing: تطوير لنفس الفكرة؛ المعالج يتنقل بين المهام بسرعة كبيرة جداً، فيشعر كل مستخدم أن الجهاز يعمل له وحده ويستجيب له فوراً.
البرمجة المتعددة
Multiprogramming (Batch system)
ضرورية للكفاءة، لأن مستخدماً واحداً لا يستطيع إبقاء المعالج والأجهزة مشغولة طوال الوقت.
Needed for efficiency. Single user cannot keep CPU and I/O devices busy at all times.
برنامج واحد يتوقف كثيراً لينتظر القرص أو الطابعة، وفي هذا الوقت يبقى المعالج بدون عمل.
تنظّم (الكود والبيانات) بحيث يكون للمعالج دائماً مهمة ينفّذها، ويُحفظ جزء من المهام في الذاكرة.
Multiprogramming organizes (code and data) so CPU always has one to execute. A subset of total jobs in system is kept in memory.
عدة مهام موجودة في الذاكرة معاً، جاهزة للتنفيذ.
تُختار مهمة وتُنفَّذ عن طريق جدولة المهام، وعندما تنتظر (مثلاً I/O) ينتقل النظام لمهمة أخرى.
One job selected and run via job scheduling. When it has to wait (for I/O for example), OS switches to another job.
يختار النظام مهمة ويشغّلها عن طريق Job scheduling. وعندما تحتاج المهمة أن تنتظر (مثلاً عملية I/O)، ينتقل النظام إلى مهمة أخرى حتى لا يبقى المعالج بدون عمل.
وضّح لي أكثر
مثال: مثل طبّاخ يضع الأرز على النار، وبدل أن ينتظره يبدأ بتقطيع السلطة.
المشاركة الزمنية
Timesharing (multitasking)
امتداد منطقي يتنقل فيه المعالج بين المهام بسرعة كبيرة، فيتفاعل المستخدمون مع كل مهمة أثناء تشغيلها، فتنشأ الحوسبة التفاعلية.
Logical extension in which CPU switches jobs so frequently that users can interact with each job while it is running, creating interactive computing.
Timesharing امتداد لفكرة Multiprogramming: المعالج ينتقل بين المهام بسرعة كبيرة جداً، فيستطيع المستخدمون التفاعل مع كل مهمة أثناء تشغيلها، وهذا يُسمّى الحوسبة التفاعلية.
وضّح لي أكثر
مثال: تكتب في Word وتسمع موسيقى ويُحمَّل ملف، وكل شيء يبدو كأنه يعمل في نفس الوقت.
زمن الاستجابة يجب أن يكون أقل من ثانية.
Response time should be < 1 second.
عندما تضغط زراً يجب أن ترى النتيجة فوراً تقريباً.
كل مستخدم لديه برنامج واحد على الأقل يعمل في الذاكرة، ويُسمّى عملية (Process).
Each user has at least one program executing in memory ⇒ process.
البرنامج المخزّن في القرص اسمه Program، وعندما يعمل في الذاكرة يصبح Process.
إذا كانت عدة مهام جاهزة في نفس الوقت، يحتاج النظام إلى جدولة المعالج.
If several jobs ready to run at the same time ⇒ CPU scheduling.
نظام التشغيل يقرر أي عملية تأخذ المعالج الآن، وأيها تنتظر.
إذا لم تتسع الذاكرة للعمليات، التبديل (Swapping) يُخرجها ويُدخلها لتعمل.
If processes don't fit in memory, swapping moves them in and out to run.
عملية غير مستخدمة الآن تُنقل مؤقتاً إلى القرص، لتفسح مكاناً لعملية أخرى في الرام.
الذاكرة الافتراضية تسمح بتنفيذ عمليات ليست موجودة كاملة في الذاكرة.
Virtual memory allows execution of processes not completely in memory.
الذاكرة الافتراضية تسمح بتشغيل العملية حتى لو لم تكن موجودة كاملة في الذاكرة الرئيسية.
وضّح لي أكثر
مثال: لعبة حجمها 50 GB تعمل على جهاز رامه 8 GB، لأن الجزء المستخدم فقط يكون في الرام.
اختبر نفسك
1In timesharing, response time should be:
a) More than 10 seconds · b) Less than 1 second · c) Exactly 5 seconds · d) Not important
الإجابة
b) Less than 1 second: أقل من ثانية.
2Which allows execution of processes not completely in memory?
a) Swapping · b) Caching · c) Virtual memory · d) Job scheduling
الإجابة
c) Virtual memory: الذاكرة الافتراضية.
3If several jobs are ready to run at the same time, the OS uses:
a) CPU scheduling · b) DMA · c) Bootstrap · d) Caching
الإجابة
a) CPU scheduling: جدولة المعالج.
4Multiprogramming is also called a batch system. (True / False)
الإجابة
True: Multiprogramming (Batch system).
5Timesharing is also called multiprogramming. (True / False)
الإجابة
False: Timesharing يُسمّى Multitasking.
تخطيط الذاكرة في نظام البرمجة المتعددة
Memory Layout for Multiprogrammed System
في البرمجة المتعددة، تُقسَّم الذاكرة: نظام التشغيل في بدايتها، ثم عدة مهام محمّلة معاً، حتى يجد المعالج دائماً مهمة جاهزة للتنفيذ.
نظام التشغيل في بداية الذاكرة، ثم عدة مهام
اختبر نفسك
1In the memory layout for a multiprogrammed system, what is at address 0?
a) Job 1 · b) Operating system · c) Job 4 · d) Cache
الإجابة
b) Operating system: نظام التشغيل في بداية الذاكرة.
2How many jobs are shown in memory in the figure?
a) One · b) Two · c) Four · d) Eight
الإجابة
c) Four: أربع مهام.
3Several jobs are kept in memory at the same time. (True / False)
الإجابة
True: عدة مهام في الذاكرة.
4In a multiprogrammed system, only one job can be in memory. (True / False)