هندسة الكمبيوتر هي تصميم وتنظيم المكونات والأنظمة الأساسية للكمبيوتر. يتضمن ذلك المعالج والذاكرة وأجهزة الإدخال/الإخراج والبرنامج الذي يتحكم فيها. يمكن أن يساعدنا فهم بنية الكمبيوتر في تقدير كيفية عمل الكمبيوتر وأداء المهام المختلفة.
يمكن تقسيم نظام الكمبيوتر إلى ثلاثة مكونات رئيسية: وحدة المعالجة المركزية (CPU)، والذاكرة، وأجهزة الإدخال / الإخراج (I / O). تعمل وحدة المعالجة المركزية بمثابة عقل الكمبيوتر، حيث تقوم بتنفيذ التعليمات من البرامج. تقوم الذاكرة بتخزين هذه التعليمات والبيانات مؤقتًا للوصول إليها بسرعة، بينما تعمل أجهزة الإدخال/الإخراج على تسهيل التفاعل بين الكمبيوتر والعالم الخارجي، مثل لوحات المفاتيح، وأجهزة الماوس، وشاشات العرض، والطابعات.
وحدة المعالجة المركزية هي قلب بنية الكمبيوتر. وهو مسؤول عن تنفيذ التعليمات من التطبيقات البرمجية، وإجراء العمليات الحسابية، وإدارة تدفق البيانات داخل الكمبيوتر. يعتمد أداء وحدة المعالجة المركزية على سرعة الساعة، المُقاسة بالهرتز (هرتز)، وعدد النوى التي تحتوي عليها. تعني سرعة الساعة الأعلى والمزيد من النوى بشكل عام أداءً أسرع وأكثر كفاءة.
يتم تنظيم الذاكرة في الكمبيوتر في تسلسل هرمي لتحقيق الكفاءة. في الجزء العلوي توجد ذاكرة التخزين المؤقت، وهي نوع صغير ولكن سريع من الذاكرة يقوم بتخزين نسخ من البيانات التي يتم الوصول إليها بشكل متكرر من الذاكرة الرئيسية (RAM). تعد ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) أسرع في الوصول إليها من أجهزة التخزين مثل محركات الأقراص الثابتة (HDD) أو محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة (SSD) ولكنها متقلبة، مما يعني أنها لا تحتفظ بالبيانات عند انقطاع التيار الكهربائي. توفر محركات الأقراص الثابتة (HDD) ومحركات أقراص الحالة الثابتة (SSD) مساحة تخزين غير متطايرة، مما يحافظ على البيانات حتى عند إيقاف تشغيل الكمبيوتر، ولكن الوصول إليها أبطأ من ذاكرة الوصول العشوائي (RAM).
تسمح أجهزة الإدخال/الإخراج للكمبيوتر بالاتصال بالبيئة الخارجية. تتيح أجهزة الإدخال، مثل لوحات المفاتيح وأجهزة الماوس، للمستخدمين توفير المعلومات للكمبيوتر. تقوم أجهزة الإخراج، مثل الشاشات والطابعات، بتقديم المعلومات للمستخدمين. يمكن لبعض الأجهزة، مثل محركات أقراص USB المحمولة، أن تؤدي كلا الوظيفتين. تشتمل أجهزة الكمبيوتر الحديثة أيضًا على أجهزة الشبكات التي تتيح الاتصال بالإنترنت وأجهزة الكمبيوتر الأخرى.
تعتبر بنية فون نيومان مفهومًا أساسيًا في علوم الكمبيوتر. وهو يصف النظام الذي تعمل فيه وحدة المعالجة المركزية للكمبيوتر من خلال قراءة تعليماتها من الذاكرة. تشتمل هذه البنية على أربعة أنظمة فرعية رئيسية: وحدة المنطق الحسابي (ALU)، ووحدة التحكم، والذاكرة، وواجهات الإدخال/الإخراج. تقوم وحدة ALU بإجراء حسابات رياضية وعمليات منطقية، بينما تقوم وحدة التحكم بتفسير التعليمات من الذاكرة وتملي تشغيل وحدة ALU.
ISA هو جزء من بنية الكمبيوتر المرئي للمبرمج أو الكاتب المترجم. إنه بمثابة الحدود بين البرامج والأجهزة، حيث يحدد رمز الجهاز الذي يمكن للمعالج تنفيذه. يحدد ISA تعليمات وحدة المعالجة المركزية، والسجلات، وأنواع البيانات، وأوضاع العنونة، وهندسة الذاكرة. سواء كانت البنية RISC (حوسبة مجموعة التعليمات المخفضة) أو CISC (حوسبة مجموعة التعليمات المعقدة) تؤثر على خصائص التصميم والأداء.
تتضمن الحوسبة المتوازية تقسيم المشكلة إلى أجزاء يمكن حلها بشكل متزامن، وذلك باستخدام عناصر معالجة متعددة. يمكن لهذا الأسلوب تسريع مهام الحوسبة بشكل كبير مقارنة بالمعالجة التسلسلية. تم تصميم المعالجات متعددة النواة، التي تحتوي على مركزين مستقلين أو أكثر (أو وحدات المعالجة المركزية) في حزمة فعلية واحدة، لتحسين الأداء من خلال التوازي. يمكن لكل نواة في المعالج متعدد النواة تنفيذ التعليمات في وقت واحد، مما يسمح بتعدد المهام بكفاءة ومعالجة التطبيقات المعقدة.
في الأنظمة التي تحتوي على وحدات معالجة مركزية أو مراكز متعددة، يعد تماسك ذاكرة التخزين المؤقت أمرًا بالغ الأهمية لضمان انعكاس تغيير البيانات في ذاكرة تخزين مؤقت واحدة على الفور في ذاكرة التخزين المؤقت الأخرى. يعد هذا أمرًا مهمًا في البيئات متعددة المعالجة، حيث قد تحتاج العديد من المعالجات إلى الوصول إلى نفس مواقع الذاكرة. تُستخدم بروتوكولات تماسك ذاكرة التخزين المؤقت، مثل MESI (المعدلة والحصرية والمشتركة وغير الصالحة)، للحفاظ على الاتساق عبر ذاكرات التخزين المؤقت في الأنظمة متعددة النواة.
تعد هندسة الكمبيوتر مجالًا واسعًا يشمل تصميم مكونات وأنظمة الكمبيوتر ووظائفها وكفاءتها. إن فهم مفاهيمها الأساسية، مثل تشغيل وحدة المعالجة المركزية، والتسلسل الهرمي للذاكرة، وأجهزة الإدخال/الإخراج، وبنية Von Neumann، وISA، والمعالجة المتوازية، يمكن أن يوفر رؤى قيمة حول كيفية معالجة أجهزة الكمبيوتر للمعلومات وأداء المهام. مع تقدم التكنولوجيا، يتطور أيضًا تعقيد وقدرات بنيات الكمبيوتر، مما يؤدي إلى الابتكار في أداء الحوسبة وتطبيقاتها.
