درسنامه آموزشی کتاب مفاهیم پایه فناوری اطلاعات

هدف‌های رفتاری

پس از مطالعه این فصل از هنرجو انتظار می‌رود که:

- نحوه ذخیره‌سازی اطلاعات در حافظه را شرح دهد.
- با انواع رسانه‌های ذخیره‌سازی آشنا شود.
- تفاوت انواع حافظه و کاربرد آن‌ها را شرح دهد.
- با مفهوم پردازش اطلاعات آشنا شود.

مقدمه

در فصل اول گفتیم، الگوی ساخت تمام رایانه‌های امروزی معماری فون نویمان است و در این معماری طراحی سخت‌افزار رایانه شامل چهار واحد اصلی (پردازش مرکزی - ورودی - خروجی و حافظه) می‌باشد.

واحد ورودی به کمک دستگاه‌های ورودی داده‌ها را دریافت و به حافظه منتقل می‌کنند، سپس از واحد حافظه به واحد پردازش مرکزی (CPU) فرستاده می‌شوند تا مورد پردازش قرار بگیرند. در این فصل به تشریح وظایف واحد حافظه و واحد پردازش مرکزی می‌پردازیم:

واحد حافظه (Memory Unit)

تعریف حافظه: هر وسیله‌ای که توانایی حفظ و نگهداری داده‌ها را به گونه‌ای داشته باشد که اجزای رایانه بتوانند در هر زمان به داده‌های آن دسترسی داشته باشند، حافظه نام دارد. حافظه در رایانه محل نگهداری و ذخیره داده‌هاست. داده‌هایی که توسط دستگاه‌های ورودی دریافت می‌شود، ابتدا وارد حافظه اصلی شده، سپس برای پردازش به واحد پردازش مرکزی (CPU) فرستاده می‌شوند.

مقیاس اندازه‌گیری حافظه

حافظه‌های الکترونیکی از سلول‌هایی تشکیل شده است که محتوای آن‌ها معادل صفر یا یک است. به کوچک‌ترین واحد اندازه‌گیری حافظه که می‌تواند صفر یا یک باشد، بیت (bit) گفته می‌شود. برای ذخیره کردن حروف و اعداد از واحدی به نام بایت (byte) استفاده می‌شود که هر بایت از 8 بیت مجاور هم به‌دست می‌آید.

حافظه همانند هر کمیت دیگری دارای مقیاس‌هایی برای اندازه‌گیری است در جدول زیر مقیاس‌های بزرگ‌تر از بایت نمایش داده شده است.

واحد	نماد	معادل	نمایش بایت به توان	اندازه به بایت
کیلوبایت	$KB$	$1024B$	${20^{10}}B$	$1024$
مگابایت	$MB$	$1024KB$	${20^{20}}B$	$1024 \times 1024$
گیگابایت	$GB$	$1024MB$	${20^{30}}B$	$1024 \times 1024 \times 1024$
ترابایت	$TB$	$1024GB$	${20^{40}}B$	$1024 \times 1024 \times 1024 \times 1024$
اگزابایت	$EB$	$1024TB$	${20^{50}}B$	$1024 \times 1024 \times 1024 \times 1024 \times 1024$

برای تبدیل هر واحد به واحد بزرگ‌تر، آن عدد را بر $1024$ یا ${2^{10}}B$ تقسیم می‌کنیم و برای تبدیل هر واحد به واحد کوچک‌تر آن عدد را در $1024$ یا ${2^{10}}B$ ضرب می‌کنیم.

به عنوان مثال برای تبدیل 3 ترابایت به مگابایت این‌گونه عمل می‌کنیم:

در جدول بالا از ردیف مگابایت اندازه را بر حسب بایت استخراج نمایید و در عدد 3 ضرب نمایید.

$3\,TB = 3 \times 1024 \times 1024$

این کار را می‌توانید به‌صورت عبارت توان‌دار نیز بنویسید.

در جدول بالا از ردیف مگابایت، نمایش بایت به‌ توان را استخراج نمایید و در عدد 3 ضرب نمایید.

$3\,TB = 3 \times {2^{10}}$

معرفی رسانه‌های ذخیره‌سازی

رشد و گسترش رسانه‌های دیجیتالی و الکترونیکی و افزایش کاربرد آن‌ها در تمام ابعاد زندگی، ما را وارد عصر داده و اطلاعات نموده است. در عصر رایانه، اطلاعات و ذخیره‌سازی آن‌ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار می‌باشد. یکی از دلایل استفاده از رایانه، ذخیره و نگهداری اطلاعات در حجم بالا می‌باشد.

تعریف رسانهٔ ذخیره‌سازی: دستگاهی که داده‌ها را نگه می‌دارد، به‌عنوان رسانه ذخیره‌سازی شناخته می‌شود. حافظه‌های رایانه به دو گروه کلی، حافظه‌های اصلی و حافظه‌های جانبی و هر کدام از آن‌ها نیز به دسته‌های دیگری تقسیم می‌شوند که در شکل زیر نمایش داده شده است.

حافظه اصلی (اولیه / درونی)

حافظه اصلی رایانه، حافظه‌ای است که برنامه‌های رایانه برای اجرا به‌طور مستقیم از آن استفاده می‌کنند. حافظه‌های اصلی سرعت بالاتری نسبت به نوع دیگر داشته و از حجم کمتری برخوردارند. این حافظه به دو دسته RAM و ROM تقسیم می‌شود که به تشریح آن‌ها می‌پردازیم.

حافظه (ROM (Read Only Memory:

اطلاعات داخل این حافظه به‌‌محض روشن شدن رایانه اجرا می‌شوند. این حافظه به‌وسیله کارخانه سازنده برد اصلی (Mother Board) نوشته می‌شود و حاوی اطلاعاتی است که تنظیمات سخت‌افزار رایانه و هم‌چنین چگونگی راه‌اندازی قسمت‌های گوناگون در آن قرار دارد. به عبارت دیگر اطلاعات موجود در این حافظه موجب راه‌اندازی سیستم می‌شود.

حافظه‌های ROM از لحاظ فناوری استفاده شده دارای انواع زیر است:

حافظه برنامه‌پذیر (PROM (Programmable Read Only Memory: به حافظه ROM قابل برنامه‌ریزی PROM گفته می‌شود. این حافظه یک نسخه خالی از ROM است که می‌توان با کمک یک ابزار خاص، یک‌بار روی آن برنامه‌نویسی کرد.

حافظه برنامه‌پذیر پاک‌شدنی به کمک نور ماوراءبنفش (EPROM (Electrically Programmable ROM: فناوری ساخت این نوع حافظه به گونه‌ای است که بارها می‌توان اطلاعات روی آن را به کمک نور ماوراءبنفش پاک کرده و اطلاعات جدیدی روی آن نوشت. برای حذف داده‌های یک EPROM، آن را از محلی که نصب شده است جدا کرده و به مدت چند دقیقه زیر اشعه ماوراءبنفش دستگاه پاک‌کننده EPROM قرار می‌دهند.

حافظه برنامه‌پذیر پاک‌شدنی به کمک نور امواج‌الکتریکی (EEPROM (Erase Electrically Programmable ROM: این حافظه، یک حافظه فقط خواندنی برنامه‌پذیر پاک‌شدنی الکتریکی است که می‌توان در هر زمان بدون پاک کردن داده قبلی، در آن داده جدید نوشت. جالب است بدانید که برای بازنویسی اطلاعات روی آن، نیاز به جدا کردن تراشه از محل نصب شده نیست و از طرفی اعمال تغییرات در این نوع تراشه‌ها مستلزم به کارگیری دستگاه اختصاصی نمی‌باشد.

حافظه Random Access Memory) RAM)

در این نوع از حافظه، هر سلول حافظه از یک ترانزیستور و یک خازن ساخته شده است. برنامه‌ها برای اجرا و داده‌ها برای پردازش، ابتدا باید وارد حافظه اصلی شوند. این حافظه تا زمانی که رایانه روشن است حاوی اطلاعات بوده و به‌محض خاموش شدن رایانه اطلاعات آن از بین می‌رود؛ به‌ همین دلیل به آن حافظه موقت، نامانا یا فرار نیز می‌گویند.

به‌طور کلی حافظه RAM در دو نوع پرکاربرد SRAM و DRAM ساخته می‌شوند:

حافظه ایستا (SRAM): حافظه Cache موجود در CPU جزو این دسته از حافظه‌ها محسوب می‌شود. عملکرد SRAM بسیار سریع، ولی گران‌تر است.

حافظه پویا (DRAM): این حافظه به‌طور مستقیم به گذرگاه CPU متصل شده و اطلاعات را برای پردازش به آن منتقل می‌نماید. حافظهٔ پویا از میلیون‌ها سلول حافظه تشکیل شده است. حافظه DRAM انواع مختلفی دارد که در شکل زیر برخی از آن‌ها نمایش داده شده است.

حافظه جانبی

حافظه‌های جانبی، حافظه‌هایی هستند که از آن‌ها برای نگهداری دائمی اطلاعات و برنامه‌ها استفاده می‌شود. برخلاف حافظه‌های اصلی که با قطع برق داده‌های موجود در آن‌ها از بین می‌روند، اطلاعات موجود در این حافظه‌ها با قطع جریان برق باقی می‌مانند.

که در ادامه به معرفی برخی از آن‌ها اشاره می‌شود:

فلاپی دیسک‌ها (Flopy Disk)

دیسک‌نرم از اولین حافظه‌های قابل حمل بر روی رایانه بوده است. این دیسک یکی از حافظه‌های بسیار قدیمی و منسوخ شده در رایانه‌های قدیمی به شمار می‌رود. درگاه این نوع دیسک بر روی رایانه‌های جدید قرار ندارد.

Zip Disk

نسخهٔ جدیدی از فلاپی دیسک‌ها به‌عنوان زیپ دیسک‌ها به بازار عرضه شدند که شکل ظاهری آن‌ها مانند دیسک است. برخی از آن‌ها از فناوری مغناطیس و برخی دیگر از فناوری لیزر استفاده می‌کنند. این دیسک‌ها در دو ظرفیت 100 و 250 مگابایت ساخته می‌شوند.

دیسک نوری (Optical Disk)

در این حافظه‌ها از اشعه لیزر برای خواندن و نوشتن داده‌ها استفاده می‌شود، به‌همین دلیل به آن‌ها دیسک‌نوری گفته می‌شود CD, DVD, Blueray در دسته دیسک‌های نوری قرار دارند. در دیسک‌های نوری فرایند نوشتن (write) به‌صورت burn یا سوزاندن و خواندن اطلاعات به‌وسیله بازتاب نور صورت می‌گیرد به‌همین دلیل به آن‌ها دیسک‌های نوری گفته می‌شود.

دو نوع دیسک فشرده وجود دارد که از نظر فناوری ذخیره داده با یکدیگر متفاوت هستند.

1- لوح فشرده (CD (Compact Disk: برای ذخیره کردن داده‌های دیجیتالی به‌کار می‌رود.

2- دیسک ویدیویی DVD: برای عرضه فیلم‌ها با کیفیت بسیار بالا نسخه‌ای از دیسک‌های فشرده طراحی شد که به آن دیسک ویدیویی DVD می‌گویند. به‌دلیل هزینه پایین تولید این رسانه ذخیره‌سازی جدید نوری، امروزه بیشتر فیلم‌ها، با کیفیت و حجم بالا روی این رسانه به بازار عرضه می‌شوند. دیسک ویدیویی بسیار شبیه به دیسک فشرده است ولی گنجایش بسیار بالایی برای ذخیره داده‌ها دارد.

نوار مغناطیسی (Magnetic tape)

برای ذخیره‌سازی اطلاعات حجیم، نوارها می‌توانند جایگزین مناسبی به جای دیسک‌ها و دیگر ذخیره‌ کننده‌ها باشند. ذخیره‌سازی روی نوار همواره توسط سیستم‌های بزرگ رایانه‌ای به‌عنوان یک رسانه با ظرفیت بالا برای بایگانی و تهیهٔ نسخه‌های پشتیبان از داده‌های حجیم استفاده می‌شود.

نوار مغناطیسی در کارت‌های مغناطیسی

کارت مغناطیسی یکی از انواع کارت‌های اعتباری می‌باشد که از آن به‌عنوان اولین کارتی یاد می‌شود که در زمینه تجارت الکترونیک به‌عنوان کارت بانکی مورد استفاده قرار گرفته است. یکی از ویژگی مهم آن داشتن نوار مغناطیسی برای ذخیره اطلاعات در آن است.

کارت‌های مغناطیسی از جنس PVC می‌باشند و تا حدودی شکننده هستند و نباید مقابل نور و حرارت شدید قرار گیرند. هم‌چنین قرار دادن این نوع کارت‌ها در مجاورت اجسامی که خاصیت آهنربایی دارند یا ضبط صوت، تلویزیون، بلندگو و موبایل باعث از بین رفتن اطلاعات ذخیره شده در نوار آن‌ها می‌شود.

نوار مغناطیسی از ذره‌های ریزی مبتنی بر آهن که در لایه‌ای از پلاستیک پوشانده شده، ساخته شده است و با تغییر خاصیت مغناطیسی قادر به‌ذخیره اطلاعات می‌شوند. البته این نوارها به‌علت محدودیت‌های فیزیکی نمی‌توانند اطلاعات زیادی را خود نگهداری کنند.

دیسک سخت

دیسک سخت مهم‌ترین حافظه جانبی موجود در رایانه است. از این حافظه برای ذخیره‌سازی دائمی اطلاعات استفاده می‌شود. سیستم عامل ویندوز، برنامه‌ها، نرم‌افزارها، تصاویر، فیلم‌ها و سایر اطلاعات شخصی بر روی دیسک سخت ذخیره می‌شود. از نظر فناوری ساخت، هارد دیسک‌ها، به دو نوع HDD و SSD تقسیم‌بندی می‌شوند.

بخش داخلی دیسک سخت از اجزای مختلفی تشکیل شده است:

1- دیسک گردان (Platter): اطلاعات روی این بخش از دیسک ذخیره می‌شود. وظیفه این صفحات، حفظ داده‌ها (به‌صورت مغناطیسی صفر و یک) می‌باشد. معمولاً در هر دیسک سخت، بیش از یک صفحه Platter وجود دارد که جنس آن‌ها از شیشه یا سرامیک است و خودشان خاصیت مغناطیسی ندارند.

این قسمت‌های بسیار ریز، سکتور (Sector) نامیده می‌شوند و می‌توانند یک بیت را در خود نگه دارند.

2- موتور چرخان دیسک‌ها (Spindle): وظیفه این قسمت چرخاندن صفحات دیسک سخت است. دیسک‌های گردان به این موتور متصل‌اند و این موتور وظیفهٔ چرخاندن دیسک‌های گردان را برعهده دارد.

3- کنترل کننده (Actuator): این قسمت وظیفه دارد تا بازوی مکانیکی را کنترل کند. این قسمت به نوعی مغز دیسک سخت است که وظیفه کنترل کردن قسمت‌های مختلف دیسک سخت را بر عهده دارد. این قسمت وظیفه دارد تا با سایر قطعات رایانه در ارتباط باشد.

4- سر خواندن و نوشتن (Head): نوک خواندن و نوشتن، در هنگام ذخیره داده‌ها، مقادیر مغناطیسی صفر و یک را (با تغییر قطب مغناطیسی هر یک از مکان‌های ذخیره داده) درج می‌کند و هنگام خواندن داده‌ها، مقادیری را در هر یک از قسمت‌هایی که توسط Actuator مشخص می‌شود، طبق قطب مغناطیسی کرده و بر اساس آن صفر یا یک منطقی معادلش را انتقال می‌دهد.

5- بازوی سرخواندن و نوشتن (Head Arm): این قسمت وظیفه دارد تا سر خواندن و نوشتن را به نقطه موردنظر برساند. سرهد خواندن و نوشتن از مرکز دیسک تا لبه خارجی آن قابلیت جابه‌جایی دارد.

مفهوم پارتیشن، درایو، شیار، قطاع و خوشه

دیسک سخت به چند قسمت (یا Partition) در اندازه دلخواه تقسیم‌بندی می‌شود، که هر قسمت را یک درایو می‌گویند. پس از پارتیشن‌بندی، برای استفاده از درایوها باید آن‌ها را قالب‌بندی (Format) نمایید. وقتی دیسک فرمت می‌شود حلقه‌های متحدالمرکز از داخل به سمت بیرون Platter ایجاد می‌شوند که به آن‌ها شیار یا (Track) گفته می‌شود.

هر شیار روی دیسک به چندین قسمت تقسیم می‌شود که به هر قسمت قطاع (Sector) گفته می‌شود که در واقع از کوچک‌ترین تقسیمات سطح دیسک محسوب می‌شود. اطلاعات روی قطاع‌ها ذخیره می‌شوند. قطاع کوچک‌ترین بخش آدرس‌پذیر دیسک است که 512 بایت ظرفیت دارد. یک هارد یک ترابایتی بیش از دو میلیارد قطاع دارد. از آن‌جایی که در هر دیسک سخت، قطاع‌های فوق‌العاده زیادی برای پیگیری توسط سیستم عامل وجود دارد و این مسئله کار آدرس‌دهی حافظه را سخت می‌کند، از این‌رو، سیستم عامل به‌صورت منطقی (نه فیزیکی) قطاع‌ها را در دسته‌هایی با مضارب 2 طبقه‌بندی می‌کند که به هریک از این دسته‌ها یک خوشه (cluster) می‌گویند. تعداد قطاع‌های هر خوشه را اندازهٔ خوشه (Cluster Size) می‌نامند.

حافظه‌های فلش

این حافظه برای اولین بار در سال 1984 مورد بهره‌برداری قرار گرفت. استفاده از حافظه‌های فلش روشی سریع و آسان، برای افزایش فضای ذخیره‌سازی در اختیار کاربران قرار می‌دهند. حافظه فلش، از طریق درگاه USB به رایانه متصل می‌گردد. این نوع از حافظه‌ها دارای ظرفیت‌های متفاوتی بوده و می‌تواند تا چندین گیگابایت باشند.

نمونه‌های تجاری فلش مموری‌ها، در انواع قطعات USB Flash Memory، کارت حافظه و دیسک‌های جدید SSD مورد استفاده قرار می‌گیرند.

حافظه (SSD (Solid State Drive

حافظهٔ جامد (SSD) یک تخته مدار و تعدادی تراشه حافظه است که روی آن سوار شده‌اند. در کنار آن‌ها، یک رابط In/Out نیز وجود دارد که یا از نوع SATA یا PCLe می‌باشد و با دریافت نیروی لازم، اطلاعات را انتقال می‌دهد.

حافظه‌های SSD فاقد سر خواندن و نوشتن، بازوی سرخواندن و نوشتن و موتور چرخان دیسک می‌باشند و تقریباً همۀ حافظه‌های SSD به‌جای این قطعات، از تراشه‌های فلش مموری استفاده می‌کنند که از لحاظ فیزیکی ثابت بوده و می‌تواند چندین سال عمر کند.

این حافظه یک فضای ذخیره‌سازی برای اطلاعات است که از آن‌ها در دستگاه‌های کوچکی نظیر دوربین‌های دیجیتال، رایانه‌های دستی PDA یا همراه، در چند سال گذشته افزایش حجم ذخیره‌سازی و کاهش قیمت دیسک‌های سخت، باعث کاربرد فراوان و محبوبیت آن شده است. رسانه‌های ذخیره‌سازی SSD یکی از این محصولات جدید شکل هستند.

واحد پردازش مرکزی (Central Processing Unit)

واحد ورودی به کمک دستگاه‌های ورودی داده‌ها را دریافت و به حافظه منتقل می‌کنند، سپس از واحد حافظه به واحد پردازش مرکزی (CPU) فرستاده می‌شوند تا مورد پردازش قرار بگیرند. واحد پردازش مرکزی از بخش‌های مهمی تشکیل شده است که به تشریح آن‌ها می‌پردازیم.

واحد حساب و منطق (ALU)

این واحد وظیفهٔ تجزیه و تحلیل و اجرای دستورات را در CPU بر عهده دارد و عملیات ریاضی مانند جمع، تفریق و عملیات منطقی مانند اعمال مقایسه‌ای را انجام می‌دهد.

واحد کنترل (CU)

واحد کنترل بر هدایت و هماهنگی تمام واحدهای رایانه و کنترل جریان انتقال داده‌ها نظارت دارد.

ثبات (Register)

ثبات حافظه موقت و بسیار سریعی است که داده‌های در حال پردازش به‌طور موقت در آن قرار می‌گیرند.

پنهان (Cache)

حافظه پنهان، حافظه‌ای میانی است که بین حافظه RAM و CPU قرار داده شده است تا سرعت پردازش سیستم را بالا ببرد. قبلا گفتیم یک برنامه برای اجرا در حافظه RAM قرار می‌گیرد. اگر CPU برای دسترسی به برنامه‌ها مجبور باشد هربار به RAM مراجعه کند. از آن‌جایی که سرعت RAM از سرعت CPU پایین‌تر است، این کار باعث کاهش سرعت پردازش خواهد شد. برای حل این مشکل حافظه‌ای به نام Cache در CPU قرار داده شده است تا برنامه‌های در حال پردازش درون آن قرار بگیرند. این حافظه بسیار گران بوده و معمولاً ظرفیت پایینی حدود 1 گیگ دارد.