لماذا تستخدم الحواسيب نظام الثنائي وما علاقة الترانزستورات؟

في عالمنا الرقمي الحديث، غالباً ما يكون سؤالُ  كلماذا كل شيء في دماغ الكمبيوتر يلخص الآحاد والأصفار شائعاً.

فالبارغم من حقيقة أننا نلامس أجهزتنا بشكل يومي، الا أننا لم نفهم بعد بالطريقة المطلوبة نظام العد الثنائي Binary.

لذا أذا كنت تريد أن تعرف كيف يستخدم الكمبيوتر النظام الثنائي أو Binary فمقال اليوم يناسبك، لأنه في الواقع يشرح مفهوم بسيط جدًا لكيفية تناغم هذه السمفونية الرقمية وظهور محتوياتنا انطلاقاً منها.

ما هي أنظمة العد الأساسية

هو نظام قائم منذ وقت طويل قبل قيام أجهزة الكمبيوتر، وهو ليس أكثر من نظام عد. ولفهم كيفية عمله، سنلقي نظرة على النظامين الأساسيين للعد: نظام العلامات Tally Marks، ونظام العد الطبيعي Base Ten Positional.

1. Tally Marks: أبسط نظام عد يمكن تخيله على الرغم من وجود العديد من الأشياء التي تضعها في أسفل، وهي تلك العلامات الصغيرة السهلة. مثل أن كل تفاحة تضع علامة لها. 
2. Base Ten Positional: وهو نظام العد الطبيعي أو الموضعي الذي نستخدمه اليوم مع الأرقام من 0 إلى 9.

تعد طريقة العد بالعلامات غير فعالة جدًا، فهي في نفس الوقت ستعتمد على نظام العد الموضعي. ويمكننا من خلاله أن ندرك أن كل رمز يشير إلى كمية مختلفة من الأشياء (1 لواحدة، و9 رموز لتسعة).

لكننا إذا احتجنا تمثيل شيء أعلى من تسعة، سنضيف رقمًا إلى الجانب الأيسر من الرقم الأول ليعود الجانب الأيمن إلى الصفر والبدء من جديد.

هذا النظام فعال للغاية مقارنة بعلامات العد، لأن كل رقم نضيفه يزيد بشكل كبير من كمية الأشياء التي يمكننا تمثيلها، أي أننا في هذا النظام نضيف رقمًا جديدًا بعد كل عشرة أشياء نضيفها.

يمثل كل رقم قوة متزايدة من عشرة وهذا رقم متصاعد الى غاية المئات والآلاف وهكذا.

نظامي العد الأكثر شيوعاً

كيف يعمل نظام الـ Binary

عندما نتحدث عن النظام الثنائي، فهو يعتمد على نفس مبدأ نظام العد الطبيعي. حيث تنتقل الأرقام في النظام الموضعي من 0 الى 9  انطلاقاً من الآحاد ثم العشرات فالآلاف وهكذا دواليك. 

لكن  بدلاً من أن ينتقل كل رقم في النظام الثنائي من 0 إلى 9، فإنه ينتقل من 0 إلى 1 مع العد التصاعدي ويبدو أن هذا الرقم الثنائي هو 0 و1.

من ناحية أخرى، هو نظام رقم أساس 2. أي عندما تضيف واحدًا إلى واحد، فإنك تقوم بتحريك 1 نقطة واحدة إلى اليسار إلى الخانة الثنائية وتضع 0 في خانة الآحاد: 10. لذلك، في النظام العشري، الـ 10 يساوي عشرة. وفي نظام الالثناي، الـ 10 يساوي اثنين.

لكن، لا تقلق إذا كان النظام الثنائي يبدو محيرًا في الوقت الحالي. حيث من السهل جدًا فهمها بمجرد العمل معها لفترة من الوقت. وسيبدو الأمر محيرًا في البداية لأن جميع الأرقام تتكون من 0 و 1 فقط. 

طريقة الحساب في نظام الثنائي Binary

الـ Binary و التترانزيستورات الدقيقة

فلنتحدث عن أجهزة الكمبيوتر، لماذا قام مبتكرو الكمبيوتر الأوائل ذوي الحكمة والذكاء أن يضيعوا وقتهم مع مثل هذا النظام الغير فعال للعد، وكان من الجيد استخدام النظام العشري وغيرها. 

إن القيود المفروضة على كيفية عمل أجهزة الكمبيوتر، وكل ما يفعله يرجع إلى ما يُعرف باسم الترانزستورات الدقيقة. وهي عبارة عن أجهزة الكترونية صغيرة جدًا يمكن تشغيلها، والتحكم بها بشحنة كهربائية ضعيفة للغاية.

الهدف الأول من ذلك هو الحصول على أجهزة كمبيوتر قابلة للعد وجعلها تقوم بذلك باستخدام مفاتيح تمكننا من التوافق مع نظام عد محدد. مما يعني أن عدد المفاتيح الموجودة يساوي عدد الأشياء التي لدينا، وبالتالي العدد الثنائي هو النظام الفعال لما يتيح لكل مفتاح رقمًا ثنائيًا.

يمكن أن تمثل الترانزستورات التي تستخدم نظام العد الثنائي، رقمًا كبيرًا يصل إلى ثمانية عن طريق تشغيلها جميعًا باستخدام النمط الثنائي مما يمكننا تمثيل رقم يصل إلى 255.  وهذا يعني أن 1 للتشغيل و0 للإيقاف.

الـبت و الـ Binary وكيف يعمل مع الكمبيوتر

الترانزستور الفردي هو ما يُعرف بالبت والذي يرمز إلى الرقم الثنائي، أما البايت فهو ثمانية من هذه البتات على التوالي مما يعني رقم بين 0 و 255.

لذلك Binary هو مجرد نظام لحساب ما يعنيه الناس عندما يشرحون كيفية تهجئة الأشياء في شكل ثنائي جيد، أما ما يقصدونه حقًا هو كيفية تهجئة الأشياء باستخدام ASCII وهي اختصاراً لـ (American Standard Code for Information Interchange) أو ما يعرف بـ "الكود القياسي الأمريكي لتبادل المعلومات" .

وهو وسيلة لتحويل بيانات الكمبيوتر التي يمكن أن تكون فقط من الأرقام إلى أحرف ليحظى البشر بوقت أسهل وترجمة أفضل.

ببساطة يوجد حرفاً لكل قيمة ممثلة ببايت لأن البايت يحتوي على ثمانية أرقام بت. وثمانية أرقام من binary تعني أنه يمكن أن تصل إلى 255 قيمة من ASCII بما في ذلك 255 حرفًا للاختيار من بينها، وهي أكثر من كافية لعلامات الترقيم الأبجدية الكاملة والرموز الأخرى.

على سبيل المثال كلمة ASCII تبدأ بالحرف الكبير A وهو 65، وتبقى نفسها 65 في النظام العشري. أما في نظام Binary فهي تمثل: مليون و 1 (01000001)، لذلك عندما نكتب الحرف الكبير A في برنامج Word، أو برنامج ترميز أو أي برنامج نصي آخر.

يوجد صف صغير من ثمانية ترانزستورات مرتبة في نمط تلخصه الصورة التالية:

البت وما علاقته بالترانزيستور

هذا التسلسل الفريد في Binary، يتم تفسيره على أنه 65، والذي يتم تحويله بواسطة نظام ASCII إلى حرف A.

هل هذا النمط يمكنه احتواء هذا الكم الهائل من المدخلات اليوم؟

من المحتمل أن تبدأ في الشعور بالكم الهائل من الترانزستورات المطلوبة لكتابة شيء بسيط مثل حالة facebook ناهيك عن جميع الترميز المختلف الذي يجب على جهاز الكمبيوتر الخاص بك القيام به لجعل الشاشة تضيء.

تظهر ضخامة ما نريد تصويره لك أكثر في الألعاب، حيث تحسب القيم الهائلة وما إلى ذلك قبل وقت طويل من وصولنا إلى النقطة التي يمكن أن يلعب فيها هاتفك ثلاثي الأبعاد. 

حيث أصبح من الواضح أن الأرقام التي تصل إلى 255 لن تكفيها بغض النظر عن عدد البايتات التي كانت لدينا، بل إن إضافة أربعة بايتات نشطة بالكامل معًا يمكن أن تُحصل على رقم يصل إلى 1020 فقط، وهذا حقيقتاً لا يكفي.

من نظام 8 Bit الى نظام 16 Bit

لحل هذه المشكلة، تم تصميم أجهزة الكمبيوتر الجديدة لتتخذ بدلاً من الإشارة إلى سطر من ثمانية ترانزستورات ببايت واحد، يمكن أن تشير إلى سطرين بـ 16 ترانزيستور ببايت واحد. قدمت هذه الطريقة مساعدة كبيرة لأنها أضافت كمية من الأرقام القابلة للتمثيل أضعافاً مضاعفة من 255 حتى 65535.

عندما تسمع أشخاصًا يتحدثون عن الفرق بين 8 بت و 16 بت، فهذا أكثر أو أقل ولكن هذا لا يعني أن نظام 16 بت أقوى بكثير لأن برنامجك ليس دائمًا سيستخدم كل هذه الأرقام في كل بايت يمثله فقط، لذا لديه الخيار الذي يفتح الكثير من الأبواب بشكل جيد.

المصدر 

↚

↱1