تعرف علي آلية تخزين البيانات في الحاسوب

تعرف علي آلية تخزين البيانات في الحاسوب

تعرف علي آلية تخزين البيانات في الحاسوب

ربما قد سمعت مسبقاً أن الحواسيب تعمل بواسطة الأصفار والآحاد، وربما سبق لك رؤية صور مظلمة مليئة بمتتابعات من تلك الأرقام كهذه التي أمامك ، في الواقع لا أحد اليوم يتعامل مع الأصفار والآحاد مطلقاً عند إستخدام الحواسيب ولكنها مع ذلك تلعب دوراً رئيسياً في كيفية عمل الحواسيب من الداخل، فالحواسيب من الداخل مكونة من أسلاك ودوائر كهربايئة وهي التي تحمل كافة المعلومات طوال الوقت، والسؤال هو: كيف يمكن للكهرباء أن تحمل كل هذه المعلومات من نصوص وأرقام وصور ومقاطع فيديو وصوتيات بتفاصيلها المعقدة، بل كيف للكهرباء أن تحمل حتى البيانات البسيطة ولو حرف واحد؟

حسناً، لو أنك تحمل سلك كهربي واحد فقط فهذا السلك إما أن يمر به تيار كهربي أو لا يمر، فهو في حاله من هاتين لا غير تيار أو إنعدام تيار، أيضاً يطلق عليه مفتوح أو مغلق، صحيح أو خطأ، واحد أو صفر، نعم هذا ما يعنيه الصفر والواحد في علم الحاسوب لا يقصد بهما سوى حالات التيار مروراً أو إنقطاعاً، وبعبارة أكثر دقة الصفر يمثل التيار ذو الجهد المنخفض والواحد يمثل التيار ذو فرق الجهد المرتفع فدوماً هناك تيار كهربي ينخفض فرق جهده أو يرتفع ولكنه لا ينقطع إلا أننا نبسط الفهم نظرياً لا أكثر حين نعتبر مجازاً أن فرق الجهد المترفع مروراً للتيار وإنخفاضه إنقطاعاً للتيار.

إذا فالسلك الواحد يمكنه حمل معلومة وهي صفر أو واحد، وهذه هي أصغر وحدة لتخزين البيانات في الحاسوب وتُعرف بالبت bit، وبإستخدام المزيد من الأسلاك نستطيع حفظ وتمثيل المزيد من الأصفار والآحاد فمزيد من الأسلاك يعني المزيد من الـ bits التي هي 0 أو 1.

تعرف علي آلية تخزين البيانات في الحاسوب

يوضح الشكل السابق مثلاً كيف أن الرقم 101011 يمكن للأسلاك الكهربية تشكيله بإستخدام سلك لكل رقم حيث السلك المار به تيار (المضئ) يمثل 1 والآخر يمثل 0.

جيد، إلى هذه النقطة نكون قد فهمنا كيف أن الأصفار والآحاد قد تصبح بمثابة لغة الكهرباء، وهنا يتساءل البعض أليس من المفترض أن تعجز الكهرباء عن تمثيل أي رقم آخر سوى صفر أو أواحد فتعجز عن تمثيل باقي الأرقام فضلاً عن مختلف أنواع البيانات الأخرى؟ نعم هذا صحيح، يعجز التيار الكهربي عن التواجد في حالة ثالثة غير الصفر والواحد ولكننا كبشر لا نعجز عن تنظيم هذه الحالة الثنائية وإعطاءها مفاهيم مختلفة بإستعمال نظام الترقيم الثنائي (binary numbering system) ولكن قبل الشروع في الحديث عن هذا النظام دعنا نتحدث قليلاً عن نظام الترقيم العشري الذي نستخدمه بالفعل في حياتنا اليومية.

يتكون نظام الترقيم العشري (decimal numbering system) من العشر أرقام 0-9 ومع ذلك فهذا لا يمنعنا من تمثيل المزيد من القيم عبر هذه الأرقام العشرة فعندما نكتب رقمي الصفر والخمسة كالتالي 50 يمثلان معاً رقم جديد ذو قيمة مختلفة عن الخمسة والصفر بشكل مستقل، وهذه القيمة تعتمد على الخانات المكونة للرقم فالخانات من اليمين لليسار تمثل الآحاد ثم العشرات، ثم المئات والآلاف وهكذا، 

تعرف علي آلية تخزين البيانات في الحاسوب

المثال السابق يوضح كيف أن الأرقام في العدد 5,319 تتحدد قيمتها حسب موقعها حيث أن قيمة الرقم تساوي الرقم نفسه مضروب في 10 (لأن النظام عشري) مرفوعة للأس الذي يمثل الخانة الواقع فيها.

وبالمثل يعمل نظام الترقيم الثنائي إلا أن الخانه الأولى فيه تساوي (2⁰) أي واحد (خانة الآحاد)، والخانة التي تليها تساوي (2¹) أي تساوي إثنان وتقابل خانة العشرات في النظام العشري، ثم الخانة التالية (2²) أي تساوي أربعة وتقابل خانة المئات وهكذا..

تعرف علي آلية تخزين البيانات في الحاسوب

إذا فنظام الترقيم الثنائي يمكنه تمثيل أي قيمة مثل 500 بالنظام العشري ولكن بصيغته الخاصة فالرقم 500₁₀ يكافئ بالترقيم الثنائي 111110100₂ .

على الهامش:

عند كتابة 111110100₂ فالرقم 2 هنا يوضح أن نظام الترقيم المستخدم هو الثنائي لكيلا تقرأ الرقم بإعتباره على أي نظام ترقيم آخر مثل النظام العشري فيصبح 111 مليون و110 ألف و100 مثلاً، أيضاً الرقم 10 هنا 500₁₀ يوضح أن النظام المستخدم هو العشري لكيلا تظنه النظام السداسي العشري مثلا وفيه الرقم 500 يكافئ 1280 بالنظام العشري، ولكن لشيوع النظام العشري في حياتنا اليومية لا نكتب الأساس 10 له أما في علم الحاسوب يتم كتابته للتفرقة بين أنظمة الترقيم الأخرى المستخدمة.

بالعودة إلى السياق ما يهمنا الآن أن الأصفار والآحاد يمكننا التعبير بها عن كافة القيم الرقمية الأخرى تماماً كالنظام العشري وذلك بإستخدام نظام الترقيم الثنائي، وقد سبق أن وضحنا كيف أن الكهرباء قادرة على تمثيل تلك الأصفار والآحاد، إذا الكهرباء يمكنها أن تحمل في النهاية كافة القيم الرقمية أيضاً عبر الbits فبإستخدام ثمانية أسلاك (8 bits) يمكننا تمثيل أي رقم من صفر إلى 255 وإن أردنا المزيد أضفنا المزيد من الأسلاك فبإستخدام 32 سلك يمكن تمثيل أكثر من 4 بلايين رقم، فأصبحت الأرقام لغة الحاسوب وسمي بالعالم الرقمي أيضاً.

ممتاز، ولكن لازلنا نرغب بتمثيل باقي أنواع البيانات لا الأرقام فقط فهل هذا ممكن؟ نعم، إتضح أنه من الممكن إستخدام الأرقام لحفظ أنواع البيانات الأخرى وسنوضح كيفية ذلك لكل منها على حدى.

النصوص

هل سمعت عن شفرة موريس المستخدمة في التواصل في القرن التاسع عشر حيث كانوا يرمزون للحروف الإنجليزية والمسافات بإستخدام الصافرات القصيرة beep والطويله dashes وفقاً للجدول متفق عليه مسبقاً ليتم إستخدامه في التليجراف.

تعرف علي آلية تخزين البيانات في الحاسوب

بأسلوب مشابه تم تطوير نظام ترميز يعتم على الأرقام ليناسب الحواسيب، ففي أواخر عام 1960 تم تطوير ASCII (وهي إختصار لـ الكود القياسي الأمريكي لنقل المعلومات) بناءاً على مبدأ عمل التليجراف ليتم إستخدامه في الحواسيب، فجدول ASCII يعطي لكل حرف ولكل رمز ولكل رقم كود رقمي يعبر عنه،

تعرف علي آلية تخزين البيانات في الحاسوب

وقد تبعه إستخدام الكود الموحد Unicode ليشمل أحرف اللغات الأخرى ومزيد من الرموز.

فعند الضغط على ذلك الزر في لوحة الإدخال المدون عليه حرف a فما يحدث حقاً هو إرسال إشارات كهربية على شكل الأصفار والآحاد التي تناسب الرقم المساوي لحرف a في نظام الترقيم الثنائي فتنتقل تلك الإشارات الكهربية إلى وحدات الحاسوب المختلفة، ويمكن لكل حاسوب أن يعمل وفقاً لجدول خاص يعطي أرقاماً مختلفه للمدخلات، ولكن في هذه الحالة سيتعذر نقل البيانات من حاسوب لآخر فإذا كان الحرف a في حاسوبي يتم تحويله للرقم 5 وفي حاسوبك الرقم 5 يمثل الحرف z فسيفشل الإتصال بين الحاسوبين ليس فقط بسبب وصول أحرف غير مفهومه للطرفين بل على مستوى بروتوكولات الشبكة كذلك لذلك وجب الإتفاق على ترميز عالمي مثل ASCII.

الصور

أما الصور فهي مكونة من عدد كبير من مربعات صغيرة تسمى pixels حيث يحمل كل pixel إحدى درجات الألوان فتتحد معاً لتظهر الصورة بالكامل،  وكلما زاد عدد وحدات البيكسيلز تزيد جودة الصورة لصعوبة ملاحظة تعرج الإنحناءات الناتجة عن حقيقية كون الصورة مكونة من مربعات فقط.

تعرف علي آلية تخزين البيانات في الحاسوب

ويُرمز لدرجة اللون التي يحملها كل pixel عن طريق الأرقام أيضاً بنفس مبدأ عمل ربط النصوص بالأرقام فيتسنى تخزينها ونقلها عبر الحواسيب، وعندما يصل الرقم الخاص بالبكسل إلى وحدة معالجة الرسومات يعرف أي درجة هي المطلوب عرضها على الشاشة.

الفيديو

تعرف علي آلية تخزين البيانات في الحاسوب

مقاطع الفيديو تتكون بالأساس من مجموعة من الصور التي يتم عرضها بشكل متتابع على الشاشة بمعدل 30 صورة في الثانية الواحدة مثلاً  إذا فالأمر لا يختلف كثيراً عن عملية حفظ الصور عبر الأرقام بل هو مجرد تكرار تطبيق لتلك العملية على كل الصور الموجودة في الفيديو.

الصوت

تعرف علي آلية تخزين البيانات في الحاسوب

يتكون الصوت عبر سلسلة من الإهتزازات في الأذن، يمكنك تصور تلك الإهتزازات على شكل موجات صوتية وكل نقطة على تلك الموجة ذات تردد وطول موجي وخصائص أخرى كلها عبارة عن أرقام فيعمل لاقط الصوت (المايك) على تحليل الموجات وتسجيل قيمها الرقمية، وكلما إلتقط نقاط أكبر من موجة الصوت إرتفعت جودته بشكل ملحوظ ، وفي النهاية يتم  حفظها على الحاسوب ولاحقاً عند التشغيل تُرسل إلى مكبر الصوت ليعكس العملية حيث يستطيع إعادة تشكيل ذبذبات الصوت في الهواء مره أخرى بنفس القيمة الرقمية التي إستقبلها على شكل نبضات كهربية بالطبع.

إلى هنا الختام، أرجوا أن أكون قد أحسنت الإجابة على السؤال الذي بدأنا منه، إن أعجبك الموضوع لا تنسى مشاركته لتعم الفائدة.