CPU وRAM والتخزين: تشبيه المطبخ

الشرح

الأجزاء الأربعة التي تحتاج إلى معرفتها

افتح أي حاسوب، من الحاسوب المحمول إلى الخادم، وستجد الأجزاء التالية تؤدي المهام التي عرفتها في الدرس الأول.

وهناك جزء خامس يربطها معًا: اللوحة الأم (motherboard)، وهي لوحة الدوائر الرئيسية التي تربط وحدة المعالجة المركزية وفتحات الذاكرة والتخزين والأجهزة الأخرى حتى تتواصل فيما بينها. نادرًا ما تحتاج إلى التفكير فيها، لكنها هي ما يجعل الأجزاء تعمل معًا كآلة واحدة.

يصف كتاب المقرر CC 110 في جامعة Kansas State وحدة المعالجة المركزية بأنها تقوم بـ "كل الحساب والعمليات الحسابية"، ويصف RAM بأنها الذاكرة التي يستخدمها الحاسوب للبرنامج الذي يشغّله وللبيانات التي يعمل عليها، ويصف القرص الصلب أو SSD بأنه تخزين طويل الأمد يبقى "حتى والحاسوب مطفأ". هذه الجمل الثلاث هي جوهر هذا الدرس.

تشبيه المطبخ

تخيّل مطبخًا مزدحمًا.

لا يستطيع الطاهي أن يعمل إلا على ما هو على سطح العمل. والمكوّنات الموجودة في المخزن لا فائدة منها حتى يجلبها أحد ويضعها على سطح العمل. وعندما تفتح برنامجًا أو ملفًا يفعل الحاسوب هذا بالضبط: ينسخ البرنامج وبياناته من التخزين إلى "سطح العمل" (RAM) لتتمكن وحدة المعالجة المركزية من العمل عليه بسرعة.

الطاهي: وحدة المعالجة المركزية

تقرأ وحدة المعالجة المركزية (ويسمّيها الناس غالبًا "المعالج" اختصارًا) تعليمة، وتنفّذها، ثم تقرأ التالية. والتعليمة خطوة صغيرة جدًا، مثل جمع عددين أو مقارنتهما. تستمد البرامج قوتها من تنفيذ أعداد هائلة من هذه الخطوات الصغيرة بسرعة كبيرة.

هناك مواصفتان سترى ذكرهما على الحاسوب:

• سرعة الساعة (clock speed)، وتُقاس بالجيجاهرتز (GHz). وحدة معالجة سرعتها 3 GHz تنبض نحو ثلاثة مليارات نبضة في الثانية. النبضة هي الإيقاع الذي تعمل عليه وحدة المعالجة، وليست عدًّا للأعمال التي أنهتها: فمقدار العمل الذي يُنجَز في كل نبضة يعتمد على تصميم وحدة المعالجة.
• أنوية المعالج (cores). نواة المعالج عامل واحد داخل وحدة المعالجة. ووحدة معالجة فيها أربع أنوية تشبه مطبخًا فيه أربعة طهاة: تستطيع العمل على عدة أشياء في الوقت نفسه. لكن كثرة الطهاة لا تفيد إلا عندما توجد أعمال منفصلة يمكن توزيعها عليهم.

سطح العمل: الذاكرة العشوائية

RAM هي المكان الذي يحتفظ فيه الحاسوب بكل ما يستخدمه الآن: التطبيقات المفتوحة، والمستند الذي تكتب فيه، وصفحة الويب التي تقرؤها. وهي سريعة جدًا، فلا تضطر وحدة المعالجة إلى الانتظار. (كلمة "العشوائية" في اسمها تقابل random access، وهي تصف طريقة الوصول إليها: يصل الحاسوب إلى أي موضع فيها مباشرةً، وفي الوقت نفسه تقريبًا أينما كان. وهذا بخلاف شريط الكاسيت، الذي لا تصل إلى أغنية في وسطه إلا بعد أن تلفّه على كل ما قبلها.)

لـ RAM خاصيتان أساسيتان:

• هي سريعة.
• وهي متطايرة (volatile)، أي أن محتوياتها "تتطاير" وتختفي عند انقطاع الكهرباء.

فكّر في سطح العمل: عندما يُغلق المطعم في آخر اليوم يُمسح السطح وينظَّف تمامًا. وكل ما كان على السطح فقط يزول.

وRAM كذلك محدودة. فسطح العمل له حجم ثابت. والحاسوب المحمول المعتاد فيه نحو 8 إلى 32 GB (جيجابايت، وهي وحدة لقياس حجم البيانات ستتعرف عليها لاحقًا)، مع أن المقدار يختلف كثيرًا من جهاز إلى آخر. وعندما يمتلئ سطح العمل يضطر الحاسوب إلى اختيارات صعبة، وهذا أحد أسباب بطء الجهاز الذي ليس فيه RAM كافية. وستشرح الوحدات القادمة كيف يتعامل نظام التشغيل (مثل Windows أو Android) مع ذلك.

المخزن والثلاجة: التخزين

يحفظ التخزين ملفاتك وصورك وتطبيقاتك ونظام التشغيل نفسه، حتى بعد إطفاء الجهاز وفصل الكهرباء.

التخزين غير متطاير (non-volatile): تبقى البيانات فيه عندما تنقطع الكهرباء. وهناك نوعان شائعان:

• SSD (solid-state drive) يخزّن البيانات في شرائح ذاكرة فلاش (flash)، وهي من النوع نفسه الموجود في وحدة التخزين المحمولة USB ("الفلاشة")، بلا أجزاء متحركة. وهو الخيار المعتاد اليوم في الحواسيب المحمولة والهواتف.
• القرص الصلب (hard disk drive، أو HDD) يخزّن البيانات على أقراص مغناطيسية تدور. وهو عادةً أرخص لكل جيجابايت، لكنه غالبًا أبطأ.

مقارنة بـ RAM، التخزين أبطأ وعادةً أكبر بكثير: من الشائع أن تكون سعته من مئات الجيجابايت إلى عدة تيرابايت، بينما تكون RAM من بضعة جيجابايت إلى عشرات الجيجابايت. التخزين هو المخزن: كبير ويحفظ لمدة طويلة، لكن إحضار شيء منه يستغرق وقتًا أطول من مدّ اليد إلى شيء على سطح العمل.

ووجود هذين النوعين، الذاكرة العشوائية والتخزين، مفاضلة مقصودة (trade-off)، أي أنك تكسب شيئًا وتتنازل عن شيء آخر، وليس خطأً في التصميم. فلو كانت RAM كبيرة ودائمة مثل التخزين لكانت أغلى بكثير، ولما كانت بالسرعة نفسها. يستخدم الحاسوب النوعين للسبب نفسه الذي يجعل في المطبخ سطح عمل ومخزنًا معًا.

ماذا يفعل "الحفظ" حقًا

يمكنك الآن أن تجيب عن السؤال الوارد في النظرة العامة.

عندما تكتب في مستند يكون النص موجودًا في RAM، لأن البرنامج يعمل عليه هناك. لم يُكتب شيء في التخزين بعد. وإذا انقطعت الكهرباء الآن تُمسح RAM ويضيع النص.

وعندما تضغط حفظ (Save) ينسخ البرنامج المستند من RAM إلى التخزين. تنجو النسخة الموجودة في التخزين من انقطاع الكهرباء، لأن التخزين غير متطاير. وكثير من التطبيقات تحفظ تلقائيًا كل دقيقة أو نحو ذلك، حتى تخسر أقل إذا حدثت مشكلة، لكن المبدأ واحد: احمِ البيانات بنسخها من RAM إلى التخزين.

وعندما تفتح ملفًا يحدث العكس: ينسخ الحاسوب الملف من التخزين إلى RAM، ثم يعمل البرنامج عليه هناك.

أين يتوقف التشبيه

لكل تشبيه حدود، ولا يطابق الحقيقة في كل شيء. تذكّر هذه الفروق بين الحاسوب والمطبخ الحقيقي:

• يستطيع الطاهي أن ينقل الأشياء ذهابًا وإيابًا بيده. أما في الحاسوب فالنسخ بين RAM والتخزين تقوم به مكوّنات الحاسوب نفسها، بسرعة تعتمد على العتاد.
• سطح العمل الحقيقي مرئي. أما RAM فتحمل أشياء كثيرة في وقت واحد من برامج كثيرة، ونظام التشغيل هو الذي يقرر من يحصل على أي جزء. ستتعرف على ذلك في الدرس 4.
• للحاسوب أماكن أصغر وأسرع أيضًا للبيانات التي تعمل عليها وحدة المعالجة في هذه اللحظة بالذات (تسمى cache وregisters). لكن هذه الأماكن لا تغيّر الصورة الأساسية: طاهٍ وسطح عمل ومخزن، ولذلك لن تحتاج إليها في هذه الدورة.