Introduction to Computer Systems

الفصل الأول: مقدمة في معمارية وتنظيم الحاسب

الهدف: فهم الفرق بين التنظيم والمعمارية، تاريخ الحاسب، ومعمارية فون نيومان.
1

Architecture vs. Organization

Computer Architecture (المعمارية)

تركز على الجوانب المنطقية التي يراها المبرمج (Logical Aspects).

  • ●Instruction Sets (مجموعة التعليمات).
  • ●Data Types & Formats.
  • ●Addressing Modes.
السؤال الجوهري: ?How do I design a computer

Computer Organization (التنظيم)

تركز على المكونات الفيزيائية وكيفية عملها (Physical Aspects).

  • ●Circuit Design (تصميم الدوائر).
  • ●Control Signals (إشارات التحكم).
  • ●Memory Types & Peripherals.
السؤال الجوهري: ?How does a computer work

⭐ Principle of Equivalence of Hardware and Software

"أي مهمة يمكن تنفيذها بواسطة البرمجيات (Software) يمكن تنفيذها بواسطة العتاد (Hardware)، والعكس صحيح."

* بشرط أن لا تكون السرعة (Speed) هي المعيار الأساسي.

2

System Measures (وحدات القياس)

Capacity & Speed (السعة والسرعة)

UnitPower of 10Power of 2
Kilo (K)$10^3$$2^{10}$
Mega (M)$10^6$$2^{20}$
Giga (G)$10^9$$2^{30}$
Tera (T)$10^{12}$$2^{40}$

Peta (15), Exa (18), Zetta (21), Yotta (24)

Time Units (وحدات الزمن)

  • Milli (m) $10^{-3}$ (Thousandth)
  • Micro ($\mu$) $10^{-6}$ (Millionth)
  • Nano (n) $10^{-9}$ (Billionth)
  • Pico (p) $10^{-12}$ (Trillionth)
3

History & Generations

Gen 0

Mechanical Computers (1642-1945)

باسكال (Pascaline)، تشارلز باباج (Difference Engine)، وهوليريث (Punched Cards).

Gen 1

Vacuum Tubes (1945-1953)

أنابيب التفريغ. أشهر الأجهزة: ENIAC (أول حاسوب عام الأغراض). جون فون نيومان كان في هذه الحقبة.

Gen 2

Transistors (1954-1965)

استخدام الترانزستور بدلاً من الأنابيب. الأجهزة أصبحت أصغر وأسرع.

Gen 3

Integrated Circuits (1965-1980)

الدوائر المتكاملة. سيطرة IBM (جهاز IBM 360).

Gen 4

VLSI (1980-Present)

الدوائر المتكاملة ذات النطاق الواسع جداً. ظهور المعالجات الدقيقة (Microprocessors) والحاسب الشخصي.

Moore's Law (1965)

"كثافة الترانزستورات في الشريحة تتضاعف كل سنة (أو 18 شهراً)."

يعني أن الأجهزة تصبح أسرع وأرخص وأصغر مع الوقت.

Rock's Law

"تكلفة المعدات اللازمة لتصنيع أشباه الموصلات تتضاعف كل 4 سنوات."

للاستمرار في قانون مور، تكلفة التصنيع تزيد بشكل جنوني (Rock's Law must fall for Moore's to hold).

5

Hierarchy & Cloud Computing

The 7 Levels of Hierarchy

Level 6: User (Executable Programs)
Level 5: High-Level Language (C++, Java)
Level 4: Assembly Language
Level 3: System Software (OS)
Level 2: Machine (ISA)
Level 1: Control
Level 0: Digital Logic (Circuits)

Cloud Computing Models

  • SaaS (Software as a Service): شراء التطبيق جاهزاً (Gmail, Netflix).
  • PaaS (Platform as a Service): توفير السيرفر ونظام التشغيل وأدوات التطوير (Google App Engine).
  • IaaS (Infrastructure as a Service): توفير العتاد فقط (Servers) وأنت تدير السوفتوير (Amazon EC2).

The Von Neumann Architecture

Three Main Components

  1. CPU: المعالج (يحتوي على Control Unit و ALU و Registers).
  2. Main Memory: ذاكرة لتخزين البيانات والبرامج معاً.
  3. I/O System: لنقل البيانات من وإلى العالم الخارجي.

⚠️ The Von Neumann Bottleneck

يوجد مسار واحد فقط (Single Data Path) بين المعالج (CPU) والذاكرة الرئيسية. هذا المسار الموحد يسبب "عنق زجاجة" يحد من سرعة النظام.

Execution Cycle (دورة التنفيذ)

Fetch (جلب)
→
Decode (فك تشفير)
→
Execute (تنفيذ)
EXAM VAULT (خزنة الاختبار)
TRAP / فخ

Architecture vs Organization

في الاختبار، إذا سألك عن "Interfaces" أو "Instruction Set"، فهذه Architecture.
إذا سألك عن "Hardware components" أو "Circuit design"، فهذه Organization.
لا تخلط بينهما!

CALCULATION / حساب

Cycle Time Calculation

القاعدة: الزمن هو مقلوب التردد.

Frequency = 133 MHz
Cycle Time = 1 / (133 × 10^6)
= 7.52 ns
UNIT CONFUSION

Powers of 10 vs Powers of 2

انتبه! عند الحديث عن السرعة (Clock Speed/Hertz) نستخدم قوى 10 ($1 MHz = 10^6$).
عند الحديث عن التخزين (Storage/Bytes) نستخدم قوى 2 ($1 KB = 2^{10} = 1024$).

الرئيسية الفصل التالي (Ch 2) ←