تلخيص تصميم منطق الحاسوب الوحدة الأولى

ملخص تصميم منطق الحاسوب الوحدة الأولى

جامعة القدس المفتوحة

رقم المقرر 1290

مدرس المقرر : أ. محمد حسن أبو حمادة

الوحدة الأولى

هيكلية الحاسوب

وصف المقرر

عزيزي الطالب، سيزودك مقرر تصميم منطق الحاسوب بالمفاهيم الأساسية المستخدمة في تصميم الأنظمة الرقمية وتحليلها، ويعرفك بمبادئ تنظيم الحاسوب الرقمي وتصميمه. ويوفر هذا المقرر طرقا مختلفة وأساليب ملائمة للعديد من تطبيقات تصميم النظام الرقمي. حيث يتألف المقرر من أربع وحدات دراسية جاءت متسلسلة ومرتبة بطريقة تسهل عليك فهم منطق الحاسوب وتكسبك الإمكانيات اللازمة لاستخدام قواعد تصميم المنطق في بناء الدوائر المكونة للحاسوب. وستخصص وحدة لدراسة مفاهيم المنطق التوافقي وتطبيقاته ووحدة أخرى لدراسة مفاهيم المنطق التتابعي وتطبيقاته. وملحق خاص بالجانب العملي حيث ان هذا المقرر يعتبر احد المقررات ذات الاتصال المباشر بالناحية العملية التطبيقية للأنظمة الرقمية بشكل عام، ولأجهزة الحواسيب بشكل خاص.

أهداف المقرر تصميم منطق الحاسوب 

 من المتوقع منك عزيزي الطالب، بعد دراستك لهذا المقرر والقيام بالتدريبات والأنشطة الواردة فيه، أن تصبح قادراً على أن:

 1- تعرف الأنظمة العددية المختلفة والتحويلات بين هذه الأنظمة والعمليات الحسابية الأساسية، وأنظمة الترميز والمنطق الثنائي والمسجلات.

 2- تطبق الجبر البولي وفرضياته ونظرياته في تصميم المنطق.

 3- تعرف البوابات المنطقية الأساسية،وتبين كيفية استخدامها في تصميم الدوائر المنطقية.

 4- تشرح الدوال المنطقية وطرق تحليلها وتبسيطها وتمثيلها بدوائر منطقية.

 5- تشرح الدوائر المنطقية التوافقية، وطرق تحليلها وبنائها بشكل تام.

 6- تذكر الدوائر المنطقية التوافقية المستخدمة في تركيب الحاسوب وخصائصها ومبدأ عملها.

 7- تناقش الدوائر المنطقية التتابعية، وطرق تحليلها وبنائها بشكل تام.

 8- تناقش الدوائر المنطقية التتابعية المستخدمة في تركيب الحاسوب وخصائصها ومبدأ عملها.

 9- توضح اتجاهات التطور في تصميم المنطق.

الوحدات المطلوبة للامتحانات

 الوحدات قبل النصفي

 ويتضمن هذا المقرر أربع وحدات رئيسة منها( الوحدات الأولى والثانية والثالثة) تعطى قبل النصفي على النحو الآتي:

 الوحدة الأولى: الأنظمة العددية وأنظمة الترميز والمنطق الثانئي. 

الوحدة الثانية: الجبر البولي.

الوحدة الثالثة: المنطق التوافقي و تطبيقاته (المطلوب في الامتحان النصفي من بداية الوحدة وحتى صفحة 192 بند 5 تطبيقات الدوائر المنطقية في الحاسوب).

 الوحدات بعد النصفي

 الوحدة الثالثة: المنطق التوافقي و تطبيقاته (المطلوب في الامتحان ما بعد النصفي من صفحة 193 بند 5 تطبيقات الدوائر المنطقية في الحاسوب حتى نهاية الوحدة). 

الوحدة الرابعة: المنطق التتابعي وتطبيقاته.

توزيع علامات المقرر

 تعين أول 5 %

 تعين ثاني 5 %

 امتحان نصفي 30%

 امتحان نهائي 30%

 امتحان عملي  30% ( تجربة وتقرير + برنامج عملي )

 المجموع : 100 %

ملاحظات الجانب العملي:

 يتكون الجانب العملي للمقرر من جزئين :

 الجزء الأول : ويخصص له 40% من علامة الامتحان العملي

 استخدام إحدى برامج محاكاة Simulation الدوائر الالكترونية المنطقية (Circuits maker, Electronics Work Bench, Tina )

 بحيث يقوم الطالب باستخدام البرنامج في مرحلتين :

 1- مرحلة الإدخال : إدخال الدائرة الالكترونية المنطقية التي قام بتصميمها من خلال وضع القطع الالكترونية على اللوحة وتوصيلها وتزويد الدائرة بمصدر جهد.

 2- مرحلة التنفيذ : تنفيذها من خلال البرنامج وذلك بالتحكم في مدخلات الدائرة من خلال المفاتيح المناسبة ومشاهدة النتائج .

 الجزء الثاني : ويخصص له 60% من علامة الامتحان العملي

 تجارب عملية يدوية ((hand on Experiments باستخدام ال (Breadboard) لوحة التجميع الخاصة في بناء الدائرة الالكترونية المنطقية.

 بحيث يقوم الطالب بإجراء التجربة في مرحلتين:

 بناء الدائرة على اللوحة من خلال وضع القطع الالكترونية وتوصيلها بواسطة أسلاك توصيل.

 مرحلة التنفيذ: من خلال تغذية اللوحة بمصدر جهد او جهاز تغذية مستمرة تنفيذها بالتحكم في مدخلات الدائرة من خلال المفاتيح المناسبة ومشاهدة النتائج من خلال اللمبات (LEDS).

 كتابة التقرير بالتجربة ومناقشتة في المحاضرة.

الوحدة الاولى

الأنظمة العددية 

وأنظمة الترميز والمنطق الثنائي

أهداف الوحدة

بعد فراغك من دراسة هذه الوحدة يتوقع منك، أن تكون قادراً على أن:

تميز بين الأنظمة العددية.

تحول الأعداد من نظام عد إلى آخر.

 تجري العمليات الحسابية على الأعداد في الأنظمة العددية.

 تفرق بين أنظمة الترميز وتستخدمها في تمثيل الأعداد والحروف والرموز داخل الحاسوب.

 تشرح استخدام الإشارات الثنائية والنظام الثنائي في الحاسوب.

 شرح المنطق الثنائي وتوضح كيفية التخزين في المسجلات.

اقسام الوحدة

 تتألف هذه الوحدة من ستة أقسام رئيسة، وترتبط الأقسام المكونة لها بقائمة الأهداف التعليمية السابقة.

 القسم الأول:   الأنظمة العددية، ويحقق الهدف الأول.

 القسم الثاني:   تحويل الأعداد من نظام عددي إلى آخر ويحقق الهدف الثاني.

 القسم الثالث:   العمليات الحسابية في الأنظمة العددية ويحقق الهدف الثالث.

 القسم الرابع:   أنظمة الترميز الحاسوبية ويحقق الهدف الرابع.

 القسم الخامس: الأنظمة الرقمية واستخدام الإشارات الثنائية، ويحقق الهدف الخامس.

 القسم السادس: المنطق الثنائي والمسجلات، ويحقق الهدف السادس.

الانظمة العددية

 عزيزي الدارس، قد يدور في ذهنك، السؤال التالي: ما هي علاقة موضوع الأنظمة العددية بمقرر تصميم منطق الحاسوب؟ ونظام الحاسوب بشكل عام؟

 أعتقد أنك ستكتشف بنفسك الإجابة عن هذا السؤال بعد انتهائك من دراسة مفاهيم الأنظمة العددية، إلا أننا نوضح لك ذلك بشكل مبسط .

  إن أجهزة الحاسوب التي تستخدمها سواء في المراكز الدراسية أو في عملك أو في منزلك، هي عبارة عن أجهزة حاسوب رقمية Digital Computers 

 وفي تعاملها مع البيانات والمعلومات التي تعالجها بعد عملية إدخالها وصولا إلى النتائج والمخرجات، فإن هذه الأجهزة تعتمد على الأرقام والأعداد باستخدام الأنظمة العددية وأنظمة الترميز المختلفة المبنية على الأرقام. 

 وسنتعرض إلى كل من الأنظمة العددية وأنظمة الترميز المختلفة التي تساعد في تمثيل البيانات داخل أجهزة الحاسوب.

 إن أساس أنظمة العد هو الأرقام، وهي تختلف من نظام إلى آخر، 

 والأرقام بمفردها لا تعني شيئا، لكنك إن قمت بربطها مع بعضها البعض بمجموعة من القوانين والعلاقات المنطقية، تتكون لديك الأعداد ذات المعاني الواضحة والاستخدامات المتعددة سواء الرياضية أو غيرها.

 وتبعا للأرقام المختلفة المستخدمة، ينتج لديك أنظمة مختلفة، تختلف أسماؤها باختلاف عدد الأرقام المسموح باستخدامها، 

 ولفهم آلية الدارات الرقمية المكونة لأجهزة الحواسيب وتوضيحها، لا بد من فهم وتوضيح العلاقات والعمليات العددية الخاصة بالأنظمة العددية، وعلاقتها مع النظام العددي الثنائي الذي يستخدم من قبل هذه الدارات، 

 وتتم عملية معالجة الكميات العددية بواسطة الإشارات الكهربائية، حيث تقسم الإشارة الكهربائية إلى مستويات جهدية منفصلة يعطى كل مستوى قيمة جهد معين (بالفولت)، 

 لذلك تم اعتماد النظام العددي الثنائي في أنظمة الحواسيب، لأنه يتعامل مع مستويين من الإشارات، مما يقلل من احتمالية حدوث الخطأ الناتج عن تعدد المستويات، 

 حيث يستخدم الرمز 1  للدلالة على قيمة المستوى العالي (غالباً  5 فولت)  والرمز 0 للدلالة على قيمة المستوى المتدني 0 فولت، 

 ويسمى الرقم الثنائي الواحد بالخانة (المنزلة) الثنائية الرقمية bit.

 ولفهم عمل الأنظمة الثنائية الرقمية التي تتعامل مع الكميات العددية، لا بد من دراسة خصائص النظام العددي الثنائي وعلاقات هذا النظام مع الأنظمة العددية المختلفة، 

 وخاصة النظام العشري والثماني والسداس عشري، 

 بالإضافة للعمليات الحسابية التي تجرى على الأرقام بالنظام الثنائي. 

 ولا تنسَ، عزيزي الدارس، أن جميع بيانات الحاسوب الرقمي المدخلة والمستخرجة ستكون أصلا على شكل أرقام أو رموز، وتمر هذه الأرقام أو الرموز بمرحلة متوسطة ما بين الإدخال والإخراج تسمى مرحلة معالجة البيانات. وخلال هذه العملية، فإن هذه البيانات تمثل بأرقام معينة حسب النظام المستخدم. بهذا التفسير البسيط قد بينا العلاقة المباشرة بين الأنظمة العددية ومعالجة البيانات بنظام الحاسوب.

       يوجد، مجموعة من الأنظمة العددية المعروفة منها نظام العد العشري، ونظام العد الثنائي، ونظام العد الثماني، ونظام العد السداس عشري.

 هناك أنظمة عد نستخدمها في بعض الحالات مثل أنظمة العد الرومانية، والتي تعتمد على الأحرف إلى حد ما.

فنظام العدالروماني يستخدم بعض الرموز أو الحروف للدلالة على الأشياء:

1.2ـ نظام العد العشري

 تعرف، فإن نظام العد العشري أكثر أنظمة العد استعمالاً في حياتنا اليومية. أضف إلى ذلك، أن معظم مدخلات الحاسوب ومخرجاته غالباً ما تكون أعداداً عشرية.

          يستخدم هذا النظام مجموعة من الأرقام وعددها عشرة وهي:

       0 ، 1 ، 2 ، 3 ، 4 ، 5 ، 6 ، 7 ، 8 ، 9 .

 لذلك يقال إن أساس Base هذا النظام هو (10)

 أي أن أساس النظام العشري هو(10) ، لأن عدد الأرقام المستخدمة في تمثيل أعداد هذا النظام وهي عشرة أرقام، أي أن أساس أي نظام هو عدد الأرقام المستخدمة في هذا النظام.

 وفي النظام العشري، فإن أي عدد قد تتكون أرقامه من أي من الأرقام 0 إلى 9 فقط. وتستطيع أن تعبر عن قيم الأعداد حسب مراتب أرقامها بالتسلسل، أي:

 لعلك لاحظت أن قيمة أي رقم تساوي الرقم نفسه مضروباً في وزنه (أساس النظام مرفوعاً للقوة المساوية لموضع الرقم)، فمثلاً الرقم 8  في العدد السابق يمثل على النحو الآتي:

ـ2.2ـ نظام العد الثنائي

 يعد نظام العد الثنائي نظام عد موقعي، يستخدم في تمثيل أعداده رقمان هما: 0  صفر، و 1 واحد. 

 واعتماداً على ما سبق، فإن أساس هذا النظام هو 2.  

 وأعتقد أنك تتفق معي بأن أي عدد ممثل في هذا النظام سيتكون من الرقم 0 أو 1 أو كليهما، أو من مجموعة من هذين الرقمين.

فمثلاً:        0          عدد ثنائي (من رقم واحد)

             1            عدد ثنائي (من رقم واحد)

             10           عدد ثنائي من رقمين

             11           عدد ثنائي من رقمين

             1010       عدد ثنائي من أربعة أرقام.

 إذن يوجد رقمان 1 و 0 ، وهذا يشابه إلى حد ما حالتي الدارات الإلكترونية التي تكون إما في حالة ON  أو حالة OFF.

 فقد تكون هذه الدارات مغلقة أي يمر فيها التيار الكهربائي ON وتمثل بـ 1، و تكون مفتوحة لا يمر فيها تيار كهربائي OFF وتمثل بـ 0.

     وقد تكون وسائط التخزين ممغنطة أي في حالة ON وتمثل بـ 1، أو تكون غير ممغنطة أي في حالة OFF وتمثل بـ  0

 في كلتا الحالتين يمكنك قول الآتي:

 1) يستخدم الرقم الثنائي 2(0) لتمثيل الحالة OFF.

 2) ويستخدم الرقم الثنائي 2(1) لتمثيل الحالة ON.

 الرقم الثنائيBinary digit يسمى بت Bit أو ثنائية

 إن النظام الثنائي ملائم للاستخدام في عملية تمثيل الأرقام الثنائية في الحاسوب، بحيث يمكنك تمثيل سلسلة الأرقام الثنائية إلى صورة مكافئة لسلسلة من النبضات الكهربائية Electrical Pulses.

 يقابل الرقم الثنائي2(1): نبضة كهربائية عالية المستوى ( جهد voltage في الأغلب يساوي 5 فولت)، وهي من2V إلى5V

 يقابل الرقم الثنائي2(0): نبضة كهربائية متدنية المستوى( جهد voltage يساوي0 فولت)، وهي من 0Vإلى0.8V

 أما  ما يقع بين0.8Vو2V، يعتبر مدى غير مستخدم ويسبب خطأ .اضغط على الزر لترى شكل الاشارة

ـ2.2ـ نظام العد الثنائي

ـ4.2ـ نظام العد السداس عشري

 مثال (8)أوجد القيمة العشرية المكافئة للعدد الثنائي 2(100100001001000010010) باستخدام الصيغة الممتدة .؟

 D = (1*220 + 1*217 + 1*212 + 1*29 + 1*24 + 1*21 ) 

    = (1184274) 10

 مثال(9) :   أوجد القيمة العشرية المكافئة للعدد السادس عشري 16(121212) ؟

  لو طبقت قانون التمثيل الموضعي، فإنك ستحصل على قيمة عددية في النظام العشري تساوي 10(1184274).

 جرب ذلك بنفسك. تلاحظ أن القيمة العشرية هنا مكافئة لعدد ثنائي متكون من (21) رقماً. بينما هي مكافئة لعدد سداس عشري متكون من (6) أرقام.

ـ4.2ـ نظام العد السداس عشري

 ماذاتستنتج من هذين المثالين؟

 بالتأكيد، تلاحظ أنه وباستخدام نظام العدالسداس عشري نحتاج إلى عدد أقل من الأرقام،

 وهذا بدوره يقلل من عدد خلايا التخزين لتمثيل هذه الأرقام. 

 ويستخدم النظام السداس عشري للدلالة على عناوين مواقع التخزين في الذاكرة، 

 وتلاحظ سهولة التعبير عن الأعداد الكبيرة باستخدام النظام السداس عشري الذي يتفوق على النظام الثنائي مثلاً لصعوبة التعبير عن العدد الكبير من الأرقام الثنائية (0، 1).

 تأمل الجدول التالي، الذي يبين بعض الأرقام والأعداد في النظام العشري ومكافئاتها في النظام السداس عشري:

ـ4.2ـ نظام العد السداس عشري

 مثال (10)

 ما القيمة المكافئة للعدد 16 ((2E1 في النظام العشري؟

ـ4.2ـ نظام العد السداس عشري

ـ3ـ التحويل بين الانظمة العددية