علوم الحاسوب من الألف إلى الياء

علوم الحاسوب من الألف إلى الياء

مقدمة:

يوفر كتاب (علوم الحاسوب من الألف إلى الياء) معلومات شاملة حول علوم الحاسوب، ويشرح المواضيع الأساسية لفهم آلية عمل عتاد الحاسوب ونظام تشغيله بأسلوب تصاعدي يبدأ من شرح التفاصيل ذات المستوى المنخفض، ثم ينتقل تدريجيًا إلى مفاهيم أكثر تقدمًا كي يساعدك على فهمها بسهولة أكبر.

هذا الكتاب هو ترجمة لكتاب Computer Science from the Bottom Up لكاتبه إيان ويناند Ian Wienand ويوضح كافة المفاهيم التي يحتاج القارئ لمعرفتها حول عتاد وبرمجيات الحاسوب ونظام تشغيله وطريقة عمله بالتفصيل من المستوى المبتدئ للمتقدم، وهذا الكتاب مرخص بموجب رخصة المشاع الإبداعي Creative Commons «نسب المُصنَّف - غير تجاري - الترخيص بالمثل 4.0». لا تحتاج إلى أن تكون مبرمجًا خبيرًا لفهم المواضيع الواردة في هذا الكتاب، لكنك تحتاج لامتلاك معرفة أساسية بأجهزة الحاسوب ومكوناته ومفهوم نظام التشغيل Operating System ومعرفة بأساسيات البرمجة.

ملخص الكتاب:

يبدأ الكتاب بشرح المفاهيم الأساسية التي تبنى عليها أجهزة الحاسوب مثل طريقة تمثيل البيانات باستخدام النظام الثنائي والست عشري ويشرح أهم العمليات البوليانية التي تنفذ عليها، ثم يتعمق في الفصول اللاجقة في موضوعات ومفاهيم متقدمة كشرح الذاكرة الوهمية virtual memory وآلية عملها وطريقة عمل أنظمة التشغيل وتنظيمها وطريقة إدارتها لعتاد الحاسوب وبرامجه.كما يشرح الكتاب العديد من المواضيع التي تهم المبرمجين ويوضح طريقة عمل سلسلة الأدوات Toolchain التي تتعامل مع البرامج الحاسوبية، وأهم الاختلافات بين اللغات المُصرَّفة compiled واللغات المُفسَّرة interpreted إلى جانب توضيح مجموعة واسعة من المفاهيم الأخرى المتعلقة بعلوم الحاسوب والمفيدة للمبتدئين والمحترفين على حد سواء.

يوفر الفصل الأول عن نظرة متقدمة على نظام التشغيل يونكس ولغة C ويشرح بالأمثلة العملية طريقة استخدام صدفة يونكس، ثم ينتقل الفصل الثاني لشرح طريقة تمثيل البيانات في الحاسوب من خلال نظام العد الثنائي ويوضح مفاهيم البتات والبايتات والتكافؤ وأنظمة البت المختلفة والعمليات البوليانية مثل NOT و AND و OR و XOR. كما يتناول النظام الست عشري ويشرح طريقة التحويل بين الأنظمة العددية واستخدامها في الشيفرات البرمجية، كما يناقش طريقة تمثيل الأعداد مثل الأعداد العشرية والسالبة بهذه الأنظمة.

أما الفصل الفصل الثالث فيتناول معمارية الحاسوب الداخلية، ويوضح وظيفة وحدة المعالجة المركزية CPU والعمليات الأساسية التي تقوم بها وأنواع معماريات وحدة المعالجة المركزية وآلية عمل ذاكرة الحاسوب وتسلسل الذواكر الهرمي والذاكرة المخبئية وطريقة عنونتها وغيرها من المفاهيم المنوعة المرتبطة بالأجهزة الطرفية وأنظمة المعالجات.

وينتقل الفصل الرابع لشرح آلية عمل نظام التشغيل ودوره في الحاسوب وتنظيمه الذي يشمل نواة نظام التشغيل ومجالات المستخدم والوحدات والافتراضية واستدعاءات النظام وطريقة إدارة الصلاحيات في نظام التشغيل باستخدام الأمثلة حيث يوضح على سبيل المثال كيف يستطيع نظام التشغيل منع برنامج ما من الوصول إلى بيانات برنامج آخر. ويتوسع الفصل الخامس في شرح مفهوم العمليات ودورها في تمكين نظام التشغيل من تشغيل عدة برامج في نفس الوقت ويوضح عناصر العملية وتسلسل العمليات الهرمي وكيفية ارتباط العمليات ببعضها البعض، ويناقش بعد ذلك استدعاءات النظام fork و exec المستخدمة لإنشاء عمليات جديدة وتنفيذ ملفات جديدة كما يوضح مفهوم الجدولة Scheduling التي تمكن نظام التشغيل من تحديد ما هي العملية التي ستنفذ في وقت معين.

يتناول الفصل السادس طريقة عمل الذاكرة الوهمية ويناقش بعض المفاهيم الأخرى المتعلقة بالذاكرة الوهمية مثل فضاءات العناوين والحماية والتبديل ومشاركة الذاكرة والذاكرة المخبيئة للقرص الصلب ودعم العتاد للذاكرة الوهمية. ويتطرق الفصل السابع لشرح مفهوم سلسلة الأدوات Toolchain، وهي مجموعة من البرامج التي تعمل معًا لتحويل شيفرة المصدر إلى برنامج قابل للتنفيذ ويعرفك على نوعين رئيسيين من البرامج في سلسلة الأدوات هما البرامج المُصَرَّفة compiled programs والبرامج المُفَسَّرة  interpreted programs ويشرح آلية تحويل شيفرة مصدرية بلغة C إلى برنامج تنفيذي.

يتوسع الفصل الثامن في شرح طريقة تمثيل الملفات القابلة للتنفيذ والصيغ المختلفة لهذه الملفات وأبرزها ملفات ELF ويعرفك على مفهوم واجهات ABI وأنواعها، كما يناقش مفهوم المكتبات وأنواعها ويوضح الفرق بين المكتبات الساكنة والمكتبات المشتركة، وأخيرًا يشرح الفصل التاسع مفهوم الربط الديناميكي ويوضح بعض المفاهيم المتقدمة المتعلقة بالربط الديناميكي مثل الانتقالات وجدول الإزاحة العام وجدول البحث عن الإجراءات ودورها في تسهيل مشاركة الشيفرة وكتابة برامج أكثر فعالية وكفاءة.

عند انتهائك من فصول هذا الكتاب ستكون قادرًا على فهم كيفية عمل الحاسوب من المستوى المبتدئ إلى المستوى المتقدم وتفهم بتفصيل أكبر كيفية عمل نظام التشغيل و إدارة الذاكرة وطريقة إنشاء البرامج، وكيفية بدء العمليات وستكون قادرًا على فهم معمارية الحاسوب والتعامل معه بكفاءة أكبر.