شرح مادة عال 220 (CSC 220) تنظيم الحاسب - جامعة الملك سعود

مادة عال 220 (CSC 220)، تنظيم الحاسب (Computer Organization)، من المواد اللي تاخذك من عالم البرمجة وتنزّلك لعالم العتاد. بدل ما تكتب كود وتشوف نتيجة على الشاشة، تبدا تفهم كيف الكمبيوتر ينفذ هالكود من الداخل. كيف تتحول الارقام لاشارات كهربائية، وكيف البوابات المنطقية تبني لك دوائر تجمع وتطرح وتخزن بيانات.

في قسم علوم الحاسب بجامعة الملك سعود، هذي المادة تجي بعد ما تاخذ الاساسيات في البرمجة، وتعتبر متطلب لمواد متقدمة مثل معمارية الحاسب ونظم التشغيل. لو فهمتها صح، كثير من المفاهيم اللي تجيك بعدين راح تكون واضحة. ولو تجاهلتها، راح تواجه صعوبات لاحقا.

المرجع المشهور عند طلاب جامعة الملك سعود لهذي المادة هو “ملزمة الزهراني”، وهي ملزمة مشروحة بطريقة مبسطة تغطي اغلب المنهج مع امثلة محلولة. لو حصلتها، خذها معك جنب الكتاب المعتمد.

ليش عال 220 مادة محورية في خطتك؟

كثير من الطلاب يتفاجأون بمادة عال 220 لانها مختلفة كليا عن مواد البرمجة. ما في كود تكتبه، ما في IDE تفتحه. بدال كذا عندك ورقة وقلم ودوائر منطقية. لكن اهميتها كبيرة:

• فهم كيف الحاسب يشتغل: كل معالج (CPU) مبني من ملايين البوابات المنطقية. عال 220 تعلمك الطوبة الاولى
• اساس لمواد متقدمة: معمارية الحاسب ونظم التشغيل وحتى الانظمة المدمجة كلها تبني على مفاهيم هذي المادة. لو تبي تفهم كيف نظام التشغيل يدير الذاكرة والعمليات، راجع دليل نظم التشغيل
• التفكير المنطقي الصارم: المادة تدرّبك على تحليل المشاكل بطريقة رياضية دقيقة
• فرص وظيفية: اللي يفهم العتاد والبرمجيات يقدر يشتغل في مجالات مثل برمجة FPGA والمتحكمات الدقيقة والانظمة المدمجة
• مكمّلة لمواد البرمجة: تفهم ليش بعض العمليات اسرع من غيرها على مستوى المعالج

نظرة عامة على محتوى عال 220

الاسابيع	الموضوع	المفاهيم الرئيسية
1-2	نظم العد (Number Systems)	ثنائي، ثماني، سداسي عشري، التحويل بينها
3	العمليات الحسابية الثنائية	الجمع، المتمم الاحادي والثنائي، الاعداد السالبة
4-5	جبر بول (Boolean Algebra)	القوانين، التبسيط الجبري، مبرهنة دي مورغان
6-7	البوابات المنطقية (Logic Gates)	AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR, XNOR
8-9	خرائط كارنوف (Karnaugh Maps)	تبسيط 2 و3 و4 متغيرات، SOP و POS
10-11	المنطق التوافقي (Combinational Logic)	الجامعات، المرحّلات، المشفرات، فاكّات التشفير
12-13	المنطق التسلسلي (Sequential Logic)	SR, D, JK, T Flip-Flops، جداول الحالة
14	السجلات والعدادات (Registers & Counters)	سجل الازاحة، عدادات متزامنة وغير متزامنة
15	تنظيم الذاكرة والمراجعة	RAM, ROM، حل نماذج اختبارات

1. نظم العد (Number Systems)

هذا اول موضوع في المادة وهو الاساس. الكمبيوتر ما يفهم الا 0 و 1. لكن نحن البشر نتعامل مع النظام العشري. لازم تتقن التحويل بين الانظمة المختلفة.

الانظمة الاربعة الرئيسية

النظام العشري (Decimal, Base 10): اللي نستخدمه يوميا. الارقام من 0 الى 9.

النظام الثنائي (Binary, Base 2): لغة الكمبيوتر. الارقام 0 و 1 فقط. كل خانة تساوي قوة من 2.

النظام الثماني (Octal, Base 8): ارقامه من 0 الى 7. اختصار مريح للثنائي (كل 3 بتات = رقم ثماني واحد).

النظام السداسي عشري (Hexadecimal, Base 16): ارقامه من 0 الى 9 والحروف A الى F. يختصر الثنائي بشكل كبير (كل 4 بتات = رقم hex واحد).

التحويل من عشري الى ثنائي

مثال: حوّل 45 من العشري الى الثنائي

اقسم على 2 وخذ بواقي القسمة من الاسفل للاعلى:

• 45 ÷ 2 = 22 باقي 1
• 22 ÷ 2 = 11 باقي 0
• 11 ÷ 2 = 5 باقي 1
• 5 ÷ 2 = 2 باقي 1
• 2 ÷ 2 = 1 باقي 0
• 1 ÷ 2 = 0 باقي 1

اقرا البواقي من الاسفل للاعلى: 101101. للتحقق: 32 + 0 + 8 + 4 + 0 + 1 = 45. صحيح.

التحويل من ثنائي الى عشري

مثال: حوّل 110101 من الثنائي الى العشري

اضرب كل خانة في قوة الاساس 2 حسب موضعها من اليمين:

• 1 × 2⁵ = 32
• 1 × 2⁴ = 16
• 0 × 2³ = 0
• 1 × 2² = 4
• 0 × 2¹ = 0
• 1 × 2⁰ = 1

المجموع: 32 + 16 + 0 + 4 + 0 + 1 = 53

التحويل بين الثنائي والسداسي عشري

هذا اسهل تحويل لانك بس تجمّع كل 4 بتات من اليمين:

مثال: حوّل 10110111 الى Hex

• 1011 = B
• 0111 = 7

النتيجة: B7

التحويل بين الثنائي والثماني

نفس الفكرة لكن كل 3 بتات:

مثال: حوّل 101110 الى Octal

• 101 = 5
• 110 = 6

النتيجة: 56 في النظام الثماني.

جدول التحويل السريع اللي لازم تحفظه:

عشري	ثنائي	ثماني	Hex
0	0000	0	0
1	0001	1	1
2	0010	2	2
3	0011	3	3
4	0100	4	4
5	0101	5	5
6	0110	6	6
7	0111	7	7
8	1000	10	8
9	1001	11	9
10	1010	12	A
11	1011	13	B
12	1100	14	C
13	1101	15	D
14	1110	16	E
15	1111	17	F

الجمع الثنائي والمتمم الثنائي

الجمع الثنائي يشبه الجمع العشري لكن بالاساس 2:

• 0 + 0 = 0
• 0 + 1 = 1
• 1 + 0 = 1
• 1 + 1 = 10 (يعني 0 مع حمل carry = 1)
• 1 + 1 + 1 = 11 (يعني 1 مع حمل carry = 1)

تمثيل الاعداد السالبة بالمتمم الثنائي (Two’s Complement):

لايجاد المتمم الثنائي: اعكس كل البتات ثم اضف 1.

مثال: مثّل -6 في 4 بتات:

• +6 بالثنائي = 0110
• اعكس الكل: 1001
• اضف 1: 1010

اذن -6 يُمثّل بـ 1010 في نظام المتمم الثنائي.

2. جبر بول (Boolean Algebra)

جبر بول هو الاساس الرياضي لكل شيء في التصميم المنطقي. يتعامل مع قيمتين فقط: 0 (خطا) و 1 (صح). من خلاله تقدر تبسّط الدوائر المنطقية وتقلل عدد البوابات المطلوبة.

العمليات الاساسية

AND (الضرب المنطقي): تكتب A.B او AB. النتيجة 1 فقط اذا كلا المدخلين 1.

A	B	A.B
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

OR (الجمع المنطقي): تكتب A+B. النتيجة 1 اذا اي مدخل او كلاهما 1.

A	B	A+B
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

NOT (النفي): تكتب A’ او A بار. تعكس القيمة: 0 تصير 1 و 1 تصير 0.

اهم قوانين جبر بول

قوانين الهوية:

• A + 0 = A
• A . 1 = A

قوانين الطاغية:

• A + 1 = 1
• A . 0 = 0

قوانين التكامل:

• A + A’ = 1
• A . A’ = 0

قانون التوزيع:

• A.(B+C) = A.B + A.C
• A + (B.C) = (A+B).(A+C)

قانون الامتصاص:

• A + A.B = A
• A.(A+B) = A

مبرهنة دي مورغان (De Morgan’s Theorem):

• (A.B)’ = A’ + B’
• (A+B)’ = A’ . B’

مثال على التبسيط الجبري

بسّط التعبير: F = A.B + A.B’ + A’.B

• A.B + A.B’ = A(B + B’) = A.1 = A (قانون التكامل ثم الهوية)
• اذن F = A + A’.B
• بالتوزيع: F = (A + A’).(A + B) = 1.(A + B) = A + B

النتيجة المبسطة: F = A + B

3. البوابات المنطقية (Logic Gates)

البوابات المنطقية هي اللبنات الاساسية لبناء اي دائرة رقمية. كل بوابة تاخذ مدخل او اكثر وتعطي مخرج واحد حسب عملية منطقية محددة.

البوابات السبع الاساسية

بوابة AND: المخرج 1 فقط اذا كل المدخلات 1. تشبه عملية “و” في اللغة العربية: الباب يفتح اذا عندك المفتاح و الرمز السري.

بوابة OR: المخرج 1 اذا اي مدخل 1. تشبه “او”: الباب يفتح اذا عندك المفتاح او الرمز السري.

بوابة NOT (العاكس): مدخل واحد ومخرج واحد. تعكس القيمة. لو الدخل 1 المخرج 0 والعكس.

بوابة NAND: هي NOT + AND. المخرج 0 فقط اذا كل المدخلات 1. عكس AND بالضبط.

بوابة NOR: هي NOT + OR. المخرج 1 فقط اذا كل المدخلات 0. عكس OR بالضبط.

بوابة XOR (الحصري): المخرج 1 اذا المدخلات مختلفة. اذا نفس الشيء المخرج 0.

A	B	XOR
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

بوابة XNOR: عكس XOR. المخرج 1 اذا المدخلات متساوية.

ليش NAND و NOR مهمين جدا؟

بوابة NAND وحدها تقدر تبني منها اي بوابة ثانية. نفس الشيء لـ NOR. لهذا يسمونها Universal Gates (بوابات عالمية). في الصناعة، الدوائر المتكاملة (ICs) غالبا تُبنى بالكامل من بوابات NAND لانها ارخص واسرع.

كيف تبني NOT من NAND؟ وصّل نفس المدخل على المدخلين: NAND(A, A) = (A.A)’ = A’

كيف تبني AND من NAND؟ اضف عاكس NAND على مخرج NAND: الاول يعطي (A.B)’ والثاني ينفيه فتحصل A.B

تذكّر ان كل بوابة لها شكل مميز في رسم الدوائر المنطقية. AND شكلها نص دائرة مسطح من جهة، OR شكلها مدبب من الطرفين، و NOT شكلها مثلث بدائرة صغيرة. في الاختبار غالبا يطلبون منك ترسم الدائرة المنطقية لتعبير بولي معين، فلازم تحفظ الاشكال كويس.

4. خرائط كارنوف (Karnaugh Maps)

خرائط كارنوف هي طريقة بصرية لتبسيط التعابير المنطقية. بدل ما تستخدم قوانين جبر بول وتحاول بالتجربة والخطا، ترسم جدول وتجمّع الاحاد في مجموعات وتطلع التعبير المبسط مباشرة.

كيف تشتغل خريطة كارنوف؟

1. ارسم جدول بحجم يعتمد على عدد المتغيرات (2 متغيرات = 4 خلايا، 3 متغيرات = 8 خلايا، 4 متغيرات = 16 خلية)
2. رتّب المتغيرات بنظام Gray Code (كل صف او عمود يختلف عن جاره في بت واحد فقط)
3. املا الخلايا بالقيم من جدول الحقيقة
4. جمّع الاحاد المتجاورة في مجموعات (1, 2, 4, 8 خلايا)
5. استخرج التعبير المبسط من المجموعات

مثال: خريطة كارنوف بمتغيرين

بسّط: F(A,B) = sum of minterms (0, 2, 3)

الخريطة:

	B=0	B=1
A=0	1 (m0)	0 (m1)
A=1	1 (m2)	1 (m3)

المجموعات:

• m2 و m3 متجاورين افقيا: A (لان A=1 في كلاهما)
• m0 و m2 متجاورين عموديا: B’ (لان B=0 في كلاهما)

النتيجة: F = A + B’

مثال: خريطة كارنوف بثلاث متغيرات

بسّط: F(A,B,C) = sum of minterms (0, 2, 4, 6)

لاحظ ان كل هذي المصطلحات فيها C=0. اذن التبسيط مباشر: F = C’

نصائح مهمة لخرائط كارنوف

• المجموعات لازم تكون بقوى 2 (1, 2, 4, 8, 16)
• المجموعة الاكبر تعطي تبسيط اكثر
• الخلايا في الاطراف تعتبر متجاورة (الخريطة ملفوفة)
• خانة واحدة ممكن تدخل في اكثر من مجموعة
• لا تنسَ حالات Don’t Care (اذا وُجدت) لانها تساعد في تكبير المجموعات

5. المنطق التوافقي (Combinational Logic)

في الدوائر التوافقية، المخرج يعتمد فقط على المدخلات الحالية. ما في ذاكرة ولا حالات سابقة. هذا يختلف عن الدوائر التسلسلية اللي راح نشرحها بعدين.

نصف الجامع (Half Adder)

ابسط دائرة جمع. تجمع بتّين وتعطي مجموع و carry:

A	B	Sum	Carry
0	0	0	0
0	1	1	0
1	0	1	0
1	1	0	1

من الجدول: Sum = A XOR B و Carry = A AND B

يعني نصف الجامع يتكون من بوابتين فقط: XOR و AND.

الجامع الكامل (Full Adder)

يضيف ثلاث بتات: A و B و Cin (الحمل من المرحلة السابقة). ينتج Sum و Cout.

A	B	Cin	Sum	Cout
0	0	0	0	0
0	0	1	1	0
0	1	0	1	0
0	1	1	0	1
1	0	0	1	0
1	0	1	0	1
1	1	0	0	1
1	1	1	1	1

Sum = A XOR B XOR Cin

Cout = A.B + Cin.(A XOR B)

لبناء جامع 4 بتات، تربط 4 جوامع كاملة بالتسلسل (Ripple Carry Adder): الـ Cout من كل مرحلة يروح كـ Cin للمرحلة اللي بعدها.

المرحّل (Multiplexer, MUX)

المرحّل يختار واحد من عدة مدخلات ويوصله للمخرج بناء على خطوط الاختيار (Select Lines).

MUX 2-to-1: مدخلين (I0, I1) + خط اختيار واحد (S) + مخرج واحد (Y)

• اذا S=0: المخرج Y = I0
• اذا S=1: المخرج Y = I1

التعبير البولي: Y = S’.I0 + S.I1

MUX 4-to-1: 4 مدخلات + خطين اختيار (S1, S0) + مخرج واحد.

المرحّلات مهمة جدا في تصميم المعالجات لانها تستخدم في توجيه البيانات بين وحدات المعالج المختلفة.

المشفر (Encoder) وفاك التشفير (Decoder)

فاك التشفير (Decoder): ياخذ n بت كمدخل وينشّط واحد فقط من 2ⁿ مخرج.

مثال: Decoder 2-to-4 ياخذ مدخلين (A, B) وعنده 4 مخارج. اذا الدخل 10 (يعني A=1, B=0)، المخرج رقم 2 فقط ينشّط.

المشفر (Encoder): عكس فاك التشفير. ياخذ 2ⁿ مدخل (واحد فقط نشط) ويعطي n بت كمخرج.

مثال: Priority Encoder ياخذ 4 مدخلات ويعطي 2 بت. لو اكثر من مدخل نشط، يعطي الاولوية للاعلى.

6. المنطق التسلسلي (Sequential Logic)

الفرق الجوهري بين المنطق التوافقي والتسلسلي: الدوائر التسلسلية عندها ذاكرة. المخرج ما يعتمد بس على المدخلات الحالية، يعتمد كمان على الحالة السابقة. القلب النابض للدوائر التسلسلية هو الـ Flip-Flop.

SR Flip-Flop

ابسط نوع. عنده مدخلين: S (Set) و R (Reset).

S	R	Q(next)	الحالة
0	0	Q (لا تغيير)	الحالة السابقة
0	1	0	Reset
1	0	1	Set
1	1	غير محددة	ممنوعة

الحالة S=1, R=1 ممنوعة لان النتيجة غير متوقعة. هذا اكبر عيب في SR Flip-Flop.

D Flip-Flop

يحل مشكلة الحالة الممنوعة في SR. عنده مدخل واحد D. عند نبضة الساعة (Clock)، المخرج Q ياخذ قيمة D.

D	Q(next)
0	0
1	1

بسيط ومباشر. D Flip-Flop هو الاكثر استخداما في السجلات وتخزين البتات.

JK Flip-Flop

يشبه SR لكن يحل مشكلة الحالة الممنوعة. لما J=1 و K=1 المخرج يتبدل (Toggle): لو كان 0 يصير 1 والعكس.

J	K	Q(next)	الحالة
0	0	Q	لا تغيير
0	1	0	Reset
1	0	1	Set
1	1	Q’	Toggle (تبديل)

T Flip-Flop

اللي يسوّيه بس Toggle. مدخل واحد T:

T	Q(next)
0	Q (لا تغيير)
1	Q’ (تبديل)

T Flip-Flop يُستخدم كثير في بناء العدادات لانه يقلب الحالة مع كل نبضة.

7. السجلات والعدادات (Registers & Counters)

السجلات والعدادات مبنية من مجموعة Flip-Flops متصلة ببعض. هذا القسم يربط كل اللي تعلمته في الدوائر التسلسلية.

السجلات (Registers)

السجل هو مجموعة D Flip-Flops لتخزين عدة بتات. سجل 8 بت = 8 D Flip-Flops يشتغلون بنفس نبضة الساعة.

سجل الازاحة (Shift Register): ينقل البتات من Flip-Flop للي بعده مع كل نبضة ساعة. انواعه:

• SISO: مدخل تسلسلي، مخرج تسلسلي
• SIPO: مدخل تسلسلي، مخرج متوازي
• PISO: مدخل متوازي، مخرج تسلسلي
• PIPO: مدخل متوازي، مخرج متوازي

سجلات الازاحة تُستخدم في نقل البيانات بين الاجهزة (مثلا الاتصال التسلسلي) وفي عمليات الضرب والقسمة على قوى 2.

العدادات (Counters)

العدادات تعدّ نبضات الساعة. نوعين رئيسيين:

العداد غير المتزامن (Asynchronous/Ripple Counter):

• كل Flip-Flop يشتغل بمخرج اللي قبله
• ابسط في التصميم لكن ابطأ لان التاخير يتراكم
• عداد 4 بت يعدّ من 0 الى 15

العداد المتزامن (Synchronous Counter):

• كل Flip-Flops تشتغل بنفس نبضة الساعة
• اسرع واوثق لان كل الخرائج تتغير بنفس اللحظة
• اعقد في التصميم لكن افضل في الاداء

8. تنظيم الذاكرة (Memory Organization)

اخر موضوع رئيسي في عال 220 هو كيف الذاكرة مبنية ومنظمة.

RAM (ذاكرة الوصول العشوائي)

تقدر تقرا منها وتكتب فيها. تفقد بياناتها لما ينقطع التيار. نوعين:

• SRAM (Static RAM): تستخدم Flip-Flops لتخزين البتات. اسرع لكن اغلى واكبر حجما. تُستخدم في الـ Cache
• DRAM (Dynamic RAM): تستخدم مكثفات (capacitors). اصغر وارخص لكن تحتاج تحديث مستمر (Refresh). هي ذاكرة الـ RAM الرئيسية في جهازك

ROM (ذاكرة القراءة فقط)

تقرا منها بس. تحتفظ ببياناتها حتى لو انقطع التيار:

• ROM: محتواها يُبرمج بالمصنع
• PROM: تبرمجها مرة وحدة بعد التصنيع
• EPROM: تقدر تمسحها بالاشعة فوق البنفسجية وتبرمجها مرة ثانية
• EEPROM: تمسحها كهربائيا. هذا النوع مستخدم في الـ BIOS

حساب سعة الذاكرة

ذاكرة بـ n خط عنوان و m خط بيانات:

• عدد المواقع = 2ⁿ
• حجم كل موقع = m بت
• السعة الكلية = 2ⁿ × m بت

مثال: ذاكرة بـ 10 خطوط عنوان و 8 خطوط بيانات:

• عدد المواقع = 2¹⁰ = 1024 موقع
• حجم كل موقع = 8 بت = 1 بايت
• السعة = 1024 × 1 بايت = 1 كيلوبايت (1 KB)

اخطاء شائعة في عال 220

1. نسيان ان خريطة كارنوف ملفوفة: الاطراف متجاورة. هذي الغلطة تسبب تبسيط خاطئ
2. الخلط بين SOP و POS: SOP تجمّع الاحاد، POS تجمّع الاصفار. تاكد من المطلوب في السؤال
3. الحالة الممنوعة في SR: تذكّر ان S=1, R=1 ممنوعة وتاكد ما تستخدمها في تصميمك
4. نسيان Gray Code في ترتيب خريطة كارنوف: الترتيب لازم يكون 00, 01, 11, 10 وليس 00, 01, 10, 11
5. الخلط بين العداد المتزامن وغير المتزامن: في غير المتزامن كل FF يشتغل بمخرج اللي قبله، في المتزامن كلهم بنفس الساعة
6. تجاهل حالات Don’t Care في كارنوف: حالات Don’t Care ممكن تساعدك تكبّر المجموعات وتبسط التعبير اكثر
7. عدم رسم الدوائر: المادة بصرية. لو ما ترسم، ما راح تفهم

ربط عال 220 بمسارك الاكاديمي

عال 220 مادة تأسيسية تفتح لك ابواب كثيرة في جامعة الملك سعود:

• معمارية الحاسب (Computer Architecture): تبني مباشرة على عال 220. تتعلم تصميم المعالج الكامل من ALU الى وحدة التحكم
• نظم التشغيل (عال 227): فهم الذاكرة والسجلات يساعدك تفهم كيف نظام التشغيل يدير الموارد. لو تبي تبدا من الان، راجع دليل نظم التشغيل
• الانظمة المدمجة: اللي يفهم البوابات والـ Flip-Flops يقدر يشتغل مع FPGA والمتحكمات الدقيقة
• شبكات الحاسب: فهم الترميز الثنائي ونقل البيانات يساعدك في مواد الشبكات

لو تبي تطوّر مهاراتك في البرمجة بالتوازي مع عال 220، راجع خدمة الدروس الخصوصية في البرمجة اللي نقدمها في زدني.

نصائح للاختبار النهائي

المادة اختبارها يعتمد بشكل كبير على التمرين العملي. ما ينفع تحفظ بدون ما تفهم. هنا بعض النصائح المجربة:

• خصص وقت للرسم: كثير من اسئلة الاختبار تطلب رسم دوائر. تمرّن على الرسم السريع والنظيف
• ركّز على خرائط كارنوف: تجي في كل اختبار بدون استثناء. اتقنها بـ 3 و 4 متغيرات
• احفظ جداول Flip-Flops: لازم تعرف كل نوع وسلوكه بالضبط
• تمرّن على التحويلات بين نظم العد: لازم تكون سريع فيها لان الاختبار وقته محدود
• حل اسئلة سنوات سابقة: هذي اقوى طريقة مذاكرة للمادة. الاسئلة تتكرر بانماط متشابهة

لو تبي نصائح اضافية عن طرق المذاكرة الفعالة بشكل عام، راجع دليل التحضير للاختبارات.

خلاصة

عال 220 مادة تختلف عن كل مواد البرمجة اللي اخذتها. تنقلك من عالم الكود لعالم الدوائر والبوابات والسجلات. ممكن تكون صعبة في البداية لان اسلوبها مختلف، لكن مع التمرين المستمر على الرسم وحل المسائل وفهم المنطق ورا كل دائرة، راح تلاقيها من اممتع المواد. ملزمة الزهراني والكتاب المعتمد واسئلة الاختبارات السابقة هي افضل اصدقائك في هذي المادة. ركّز على الفهم اول ثم التمرين ثم حل نماذج الاختبارات، وان شاء الله تعدّيها بتقدير ممتاز.