الذاكرة المركزية: الأنواع، المكونات، وآلية العمل

1. تعريف الذاكرة المركزية (الرئيسية):

الذاكرة المركزية هي مكون أساسي في أي جهاز حاسوب، فهي بمثابة مساحة العمل المؤقتة للنظام، حيث تُخزن فيها البيانات والبرامج التي يستخدمها المعالج (CPU) بشكل فعال وسريع.

(الذاكرة المركزية تعمل كوسيط بين المعالج وباقي المكونات الأخرى)

مقارنة بالذاكرة الثانوية:

• الذاكرة المركزية: أسرع، أغلى، سعة تخزين أقل، ومتطايرة (تفقد البيانات عند انقطاع التيار الكهربائي).
• الذاكرة الثانوية: أبطأ، أرخص، سعة تخزين أكبر، وغير متطايرة (تحافظ على البيانات عند انقطاع التيار الكهربائي).

2. أنواع الذاكرة المركزية

أ - الذاكرة القابلة للقراءة فقط (ROM) Read only Memory:

هي ذاكرة للقراءة فقط تسمح بالتخزين الدائم لبرامج الانطلاق والتحكم في جهاز الحاسوب (BIOS) وهي غير قابلة للتغيير. مصمم ال ROM هو الذي يخزن عليها BIOS.

• تستخدم لتخزين البرامج الثابتة (Firmware) التي تحتاجها الأجهزة للعمل، مثل BIOS في الحاسوب.

أنواعها:

• PROM: Programmable Read-Only Memory يمكن برمجتها مرة واحدة فقط.
• EPROM: Erasable Programmable Read-Only Memory يمكن مسحها وبرمجتها عدة مرات باستخدام الأشعة فوق البنفسجية.
• EEPROM: Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory يمكن مسحها وبرمجتها كهربائيًا.

ب - الذاكرة العشوائية (RAM): Random Access Memory

• هي النوع الأكثر شيوعًا من الذاكرة المركزية.
• تستخدم لتخزين البيانات والبرامج التي يعمل عليها الحاسوب حاليًا.

أنواعها:

• DRAM: Dynamic Random Access Memory هي الأكثر شيوعًا، وتحتاج إلى تحديث دوري للبيانات.
• SRAM: Static Random Access Memory أسرع وأكثر استقرارًا من DRAM، ولكنها أغلى ثمناً.

مقارنة بين DRAM و SRAM:

DRAM	SRAM
تخزن البيانات في مكثفات صغيرة. هذه المكثفات تحتاج إلى تحديث دوري للشحنة الكهربائية للحفاظ على البيانات المخزنة فيها.	تستخدم دوائر منطقية بسيطة لتخزين البيانات، مما يجعلها أكثر استقرارًا من DRAM.
مميزاتها: السعر: أرخص بكثير من SRAM. السعة: يمكن تصنيعها بمساحات تخزينية كبيرة. عيوبها: السرعة: أبطأ من SRAM. التحديث الدوري: تتطلب تحديثًا مستمرًا للبيانات للحفاظ عليها، وهذا يستهلك بعض الطاقة.	مميزاتها: السرعة: أسرع بكثير من DRAM. الاستقرار: لا تحتاج إلى تحديث دوري للبيانات. عيوبها: السعر: أغلى بكثير من DRAM. السعة: يصعب تصنيعها بمساحات تخزينية كبيرة.
أين تستخدم؟ تستخدم بشكل أساسي كذاكرة رئيسية في أجهزة الكمبيوتر، حيث يتم تخزين البيانات والبرامج التي يستخدمها المستخدم حاليًا. تشمل أنواعًا متطورة مثل DDR1, DDR2, DDR3, DDR4, DDR5.	أين تستخدم؟ تستخدم في الأماكن التي تتطلب سرعة عالية ووصولاً سريعًا للبيانات، مثل: ذاكرة التخزين المؤقت (Cache): وهي منطقة صغيرة وسريعة جدًا تستخدم لتخزين البيانات التي يتم الوصول إليها بشكل متكرر. السجلات الداخلية للمعالج: وهي تستخدم لتخزين البيانات التي يحتاج إليها المعالج بشكل مباشر أثناء تنفيذ الأوامر.

3. مكونات الذاكرة المركزية

أ - متحكم الذاكرة (Memory Controller)

متحكم الذاكرة شريحة الكترونية تكون بين المعالج والذاكرة المركزية (الجسر الشمالي)، وهو المسؤول عن إدارة وتنسيق عمليات القراءة والكتابة من وإلى ذاكرة النظام. يعمل كوسيط بين وحدة المعالجة المركزية (CPU) والذاكرة الرئيسية.

وظائف متحكم الذاكرة:

1. تحديد موقع البيانات في الذاكرة (العنونة).
2. تنسيق إشارات القراءة والكتابة.
3. إدارة تواقيت الوصول للبيانات (Timings).
4. التحكم في نقل البيانات بين المكونات.

ب - سجل العنوان وسجل البيانات

1. سجل العنوان (Address Register):

• هو سجل يخزن العنوان الذي يُراد الوصول إليه في الذاكرة.
• يُستخدم لتحديد موقع معين من الذاكرة لقراءة أو كتابة البيانات.

2. سجل البيانات (Data Register):

• هو سجل يُستخدم لتخزين البيانات التي يتم قراءتها من الذاكرة أو كتابتها إليها.
• يعمل كواجهة بين الذاكرة ووحدة المعالجة المركزية لنقل البيانات.

النواقل (Buses)

النواقل هي مسارات إلكترونية داخل الحاسوب تنقل البيانات والأوامر بين مكوناته المختلفة مثل المعالج والذاكرة وأجهزة الإدخال والإخراج.

أنواع النواقل:

1. ناقل العناوين (Address Bus):
   • ينقل عناوين مواقع الذاكرة التي يتم من خلالها تحديد مكان البيانات المطلوبة.
   • يعمل في اتجاه واحد (من المعالج إلى الذاكرة).
2. ناقل البيانات (Data Bus):
   • ينقل البيانات بين المعالج والذاكرة أو بين المعالج والأجهزة الأخرى.
   • يعمل في كلا الاتجاهين (قراءة أو كتابة).
3. ناقل التحكم (Control Bus):
   • ينقل إشارات التحكم والأوامر بين المعالج والمكونات الأخرى.
   • يُستخدم لإرسال أوامر مثل القراءة (Read) أو الكتابة (Write).
   • ينقل أيضًا إشارات الحالة (مثل تأكيد انتهاء العملية).

4. آلية عمل الذاكرة المركزية

آلية عمل الذاكرة المركزية تعتمد على استخدام مجموعة من النواقل والإشارات التي تربطها بوحدة المعالجة المركزية (CPU). يتم تنفيذ عمليتي القراءة والكتابة بالتنسيق بين المكونات المختلفة.

1. عملية القراءة من الذاكرة

القراءة تعني استرجاع البيانات المخزنة في موقع معين بالذاكرة لاستخدامها في العمليات.

خطوات عملية القراءة:

1. تحديد العنوان:
   • يقوم المعالج بتحديد موقع البيانات المطلوب عبر إدخال العنوان في ناقل العناوين (Address Bus).
2. إرسال أمر القراءة:
   • يرسل المعالج أمرًا إلى ناقل التحكم (Control Bus) لطلب قراءة البيانات من الموقع المحدد.
3. الوصول إلى البيانات:
   • تتحقق وحدة التحكم في الذاكرة من العنوان وتستخرج البيانات المطلوبة.
4. نقل البيانات:
   • تُنقل البيانات من موقعها في الذاكرة إلى وحدة المعالجة المركزية عبر ناقل البيانات (Data Bus).
5. استخدام البيانات:
   • يستلم المعالج البيانات ويستخدمها في العمليات الحسابية أو التنفيذية.

2. عملية الكتابة إلى الذاكرة

الكتابة تعني تخزين بيانات جديدة في موقع محدد في الذاكرة المركزية.

خطوات عملية الكتابة:

1. تحديد العنوان:
   • يُرسل المعالج العنوان المراد تخزين البيانات فيه عبر ناقل العناوين (Address Bus).
2. إرسال البيانات:
   • تُرسل البيانات المراد تخزينها من وحدة المعالجة المركزية عبر ناقل البيانات (Data Bus).
3. إرسال أمر الكتابة:
   • يرسل المعالج إشارة عبر ناقل التحكم (Control Bus) لبدء عملية الكتابة في العنوان المحدد.
4. تخزين البيانات:
   • تُخزن البيانات في الموقع المحدد داخل الذاكرة، ويتم تحديث محتوياتها.
5. تأكيد العملية:
   • ترسل وحدة التحكم إشعارًا إلى المعالج عبر ناقل التحكم لتأكيد نجاح العملية.

أهمية النواقل في آلية عمل الذاكرة المركزية:

• ناقل العناوين (Address Bus): يُحدد الموقع المطلوب.
• ناقل البيانات (Data Bus): ينقل البيانات بين المكونات المختلفة.
• ناقل التحكم (Control Bus): يُرسل أوامر مثل القراءة والكتابة، وينقل إشارات الحالة والتأكيد.

تطبيق: شرح عملية القراءة والكتابة خطوة بخطوة

أ - عملية القراءة:

هي العملية التي تسمح بالولوج إلى مجموعة معينة من خلايا الذاكرة وذلك من أجل التحصل على المعلومة المخزنة فيها، وتنفذ طبقا للخطوات التالية:

1. تقوم وحدة المعالجة بإرسال عنوان المعلومة عبر ناقل العناوين B.A وتعبئته في مسجل عنوان الذاكرة RAM.
2. ترسل وحدة المعالجة أمر القراءة إلى الذاكرة بواسطة ناقل الأوامر B.C.
3. يقوم Décodeur بفك شفرة العنوان.
4. بعد وقت وجيز يسمى زمن الولوج Temps d’accès تعبئ المعلومة في سجل معلومة الذاكرة RIM حيث يمكن لوحدة المعالجة الحصول عليها بواسطة ناقل البيانات B.D.

ب - عملية الكتابة:

هي العملية التي تمكن من تخزين المعلومة في المكان المخصص لها في الذاكرة وتنجز حسب الخطوات التالية:

1. تقوم وحدة المعالجة بإرسال العنوان الذي ستخزن فيه المعلومة بواسطة ناقل العنونة B.A و تعبئته في RAM مسجل عنوان الذاكرة.
2. ترسل المعلومة المراد كتابتها إلى مسجل معلومة الذاكرة بواسطة ناقل البيانات B.D. (المرحلتين أ و ب منفصلتين لذا يمكن إجراءها في آن واحد).
3. ترسل وحدة المعالجة أمر الكتابة بواسطة ناقل الأوامر B.C، وتنتج عنه:
4. تحويل المعلومة من مسجل معلومة الذاكرة RIM إلى المكان المناسب لها في الذاكرة (العنوان الذي فك شفرته Décodeur).

البنية الفيزيائية للذاكرة المركزية

1. تعريف البت والبايت ووحدات القياس الأكبر:

• البت (Bit): أصغر وحدة لقياس البيانات، تمثل قيمة ثنائية (0 أو 1).
• البايت (Byte): يتكون من 8 بتات. وهو الوحدة الأساسية لقياس حجم البيانات.
• العلاقة بين الوحدات: (هنا يجب ذكر العلاقة بين البايت والكيلوبايت والميجابايت والجيجابايت وهكذا).

2. مبدأ عنونة البيانات في الذاكرة:

• الذاكرة المركزية تخزن البيانات في أماكن محددة تعرف بـ "الكلمات" (Words/Mots).
• كل كلمة ذاكرة لها عنوان فريد يُحدد بواسطة مسجل عنوان الذاكرة.

3. كيفية حساب سعة الذاكرة:

(هنا يجب شرح كيفية حساب سعة الذاكرة بناءً على عدد الكلمات وحجم الكلمة).

4. كيفية عنونة البيانات:

(هنا يجب شرح كيفية استخدام العناوين للوصول إلى البيانات المخزنة في الذاكرة).

5. العلاقة بين مسجل البيانات ومسجل العنوان:

• مسجل البيانات (MDR):
  • يحتفظ بالكلمة الحالية التي تُعالج أو تُرسل/تُستقبل من الذاكرة.
  • سعته تساوي سعة الكلمة (عدد البتات في الكلمة).
• مسجل العنوان (MAR):
  • يحدد مكان الكلمة في الذاكرة.
  • سعته تحددها عدد الكلمات (أو المواقع) التي يمكن عنونتها.

أمثلة توضيحية:

تطبيقات

التمرين 1: حساب سعة مسجل العنوان وسعة الذاكرة

لديك ذاكرة مكونة من 1024 كلمة، وكل كلمة تتكون من 16 بت.

• احسب سعة مسجل العنوان (بالبتات).
• احسب سعة الذاكرة الكلية (بالبتات).

مساعدة: جدول الحساب

العنصر	القيمة المعطاة	الصيغة المستخدمة	النتيجة
عدد الكلمات	1024	2n = عدد الكلمات	n = 10 بت
سعة الكلمة	16 بت	عدد الكلمات × سعة الكلمة	1024 × 16 = 16384 بت

التمرين 2: حساب عدد الكلمات في الذاكرة

• لديك ذاكرة مركزية سعتها 32768 بت، وكل كلمة تتكون من 32 بت.
• احسب عدد الكلمات في هذه الذاكرة.
• احسب سعة مسجل العنوان بالبتات.

مساعدة: جدول الحساب

(هنا يجب إضافة جدول للحساب كما في التمرين 1)

التمرين 3:

لديك ذاكرة مركزية تحتوي على 4096 كلمة، وسعة الذاكرة الكلية هي 32768 بت.

• احسب حجم كل كلمة بالبتات.
• احسب سعة مسجل العنوان.

مساعدة: جدول الحساب

(هنا يجب إضافة جدول للحساب كما في التمرين 1)

التمرين 4: مقارنة بين الذواكر

ذاكرتان لديهما المواصفات التالية:

• الذاكرة الأولى: تحتوي على 2048 كلمة، وكل كلمة 16 بت.
• الذاكرة الثانية: تحتوي على 1024 كلمة، وكل كلمة 32 بت.

• احسب سعة كل ذاكرة.
• قارن بين سعتي الذاكرتين.

مساعدة: جدول الحساب

(هنا يجب إضافة جدول للحساب كما في التمرين 1)

التمرين 5: ذاكرة بثلاث مواصفات

ذاكرة تحتوي على:

• 8192 كلمة.
• سعة مسجل العنوان = 13 بت.

• احسب سعة الكلمة.