در گذشته دستگاه‌های مختلف مکانیکی ساده‌ای مثل خط‌ کش محاسبه و چرتکه نیز رایانه خوانده می‌شدند. در برخی موارد از آن‌ها به‌عنوان رایانه آنالوگ نام برده می‌شود. البته لازم به ذکر است که کاربرد واژه رايانه آنالوگ در علوم مختلف بيش از اين است که به چرتکه و خط کش محاسبه محدود شود. به طور مثال در علوم الکترونيک، مخابرات و کنترل روشی برای محاسبه مشتق و انتگرال توابع رياضی و معادلات ديفرانسيل توسط تقويت کننده های عملياتی، مقاومت، سلف و خازن متداول است که به مجموعه سيستم مداری Analog Computer گفته می شود.

چرا که برخلاف رایانه‌های رقمی، اعداد را نه به ‌صورت اعداد در پایه دو بلکه به‌صورت کمیت‌های فیزیکی متناظر با آن اعداد نمایش می‌دهند. چیزی که امروزه از آن به‌عنوان «رایانه» یاد می‌شود در گذشته به عنوان «رایانه رقمی (دیجیتال) یاد می‌شد تا آن‌ها را از انواع «رایانه آنالوگ» جدا سازند.

به تصریح دانشنامه انگلیسی ویکی پدیا، بدیع‌الزمان ابوالعزبن اسماعیل بن رزاز جَزَری (درگذشتهٔ ۶۰۲ ق.) یکی از نخستین ماشین های اتوماتا را که جد رایانه های امروزین است ، ساخته بوده است. این مهندس مکانیک مسلمان از دیاربکر در شرق آناتولی بوده است. رایانه یکی از دو چیز برجسته‌ای است که بشر در سدهٔ بیستم اختراع کرد.

دستگاهی که بلز پاسکال در سال ۱۶۴۲ ساخت اولین تلاش در راه ساخت دستگاه‌های محاسب خودکار بود. پاسکال آن دستگاه را که پس از چرتکه دومین ابزار ساخت بشر بود، برای یاری رساندن به پدرش ساخت. پدر وی حسابدار دولتی بود و با کمک این دستگاه می‌توانست همه اعدادشش رقمی را با هم جمع و تفریق کند.

لایبنیتز ریاضی‌دان آلمانی نیز از نخستین کسانی بود که در راه ساختن یک دستگاه خودکار محاسبه کوشش کرد. او در سال ۱۶۷۱ دستگاهی برای محاسبه ساخت که کامل شدن آن تا ۱۹۶۴ به درازا کشید. همزمان در انگلستان ساموئل مورلند در سال ۱۶۷۳ دستگاهی ساخت که جمع و تفریق و ضرب می‌کرد.

در سده هجدهم میلادی هم تلاش‌های فراوانی برای ساخت دستگاه‌های محاسب خودکار انجام شد که بیشترشان نافرجام بود. سرانجام در سال ۱۸۷۵ میلادی استیفن بالدوین نخستین دستگاه محاسب را که هر چهار عمل اصلی را انجام می‌داد، به نام خود ثبت کرد.

از جمله تلاش‌های نافرجامی که در این سده صورت گرفت، مربوط به چارلز بابیچ ریاضی‌دان انگلیسی است. وی در آغاز این سده در سال ۱۸۱۰ در اندیشهٔ ساخت دستگاهی بود که بتواند بر روی اعداد بیست و شش رقمی محاسبه انجام دهد. او بیست سال از عمرش را در راه ساخت آن صرف کرد اما در پایان آن را نیمه‌کاره رها کرد تا ساخت دستگاهی دیگر که خود آن را دستگاه تحلیلی می‌نامید آغاز کند.

او می‌خواست دستگاهی برنامه‌پذیر بسازد که همه عملیاتی را که می‌خواستند دستگاه برروی عددها انجام دهد، قبلا برنامه‌شان به دستگاه داده شده باشد. قرار بود عددها و درخواست عملیات برروی آن‌ها به یاری کارت‌های سوراخ‌دار وارد شوند. بابیچ در سال ۱۸۷۱ مرد و ساخت این دستگاه هم به پایان نرسید.

کارهای بابیچ به فراموشی سپرده شد تا این که در سال ۱۹۴۳ و در بحبوحه جنگ جهانی دوم دولت آمریکا طرحی سری برای ساخت دستگاهی را آغاز کرد که بتواند مکالمات رمزنگاری‌شدهٔ آلمانی‌ها را رمزبرداری کند. این مسئولیت را شرکت IBM و دانشگاه هاروارد به عهده گرفتند که سرانجام به ساخت دستگاهی به نام ASCC در سال ۱۹۴۴ انجامید.

این دستگاه پنج تنی که ۱۵ متر درازا و ۲٫۵ متر بلندی داشت، می‌توانست تا ۷۲ عدد ۲۴ رقمی را در خود نگاه دارد و با آن‌ها کار کند. دستگاه با نوارهای سوراخدار برنامه‌ریزی می‌شد و همهٔ بخش‌های آن مکانیکی یا الکترومکانیکی بود.

تعریف داده و اطلاعات

داده به آن دسنه از ورودی‌هایی خام گفته می‌شود که برای پردازش به رایانه ارسال می‌شوند. اطلاعات به داده‌های پردازش شده می‌گویند.

رایانه‌ها چگونه کار می‌کنند؟

از زمان رایانه‌های اولیه که در سال ۱۹۴۱ ساخته شده بودند تا کنون فناوری‌های دیجیتالی رشد نموده‌است، معماری فون نوِیمن یک رایانه را به چهار بخش اصلی توصیف می‌کند: واحد محاسبه و منطق (Arithmetic and Logic Unit یا ALU)، واحد کنترل یا حافظه، و ابزارهای ورودی و خروجی ( که جمعا I/O نامیده می‌شود). این بخش‌ها توسط اتصالات داخلی سیمی به نام گذرگاه (bus) با یکدیگر در پیوند هستند.

حافظه

در این سامانه، حافظه بصورت متوالی شماره گذاری شده در خانه‌ها است، هرکدام محتوی بخش کوچکی از داده‌ها می‌باشند. داده‌ها ممکن است دستورالعمل‌هایی باشند که به رایانه می‌گویند که چه کاری را انجام دهد باشد. خانه ممکن است حاوی اطلاعات مورد نیاز یک دستورالعمل باشد. اندازه هر خانه، وتعداد خانه‌ها، در رایانهٔ مختلف متفاوت است.

همچنین فناوری‌های بکاررفته برای اجرای حافظه نیز از رایانه‌ای به رایانه دیگر در تغییر است(از بازپخش‌کننده‌های الکترومکانیکی تا تیوپ‌ها و فنرهای پر شده از جیوه و یا ماتریس‌های ثابت مغناطیسی و در آخر ترانزیستورهای واقعی و مدار مجتمع‌ها با میلیون‌ها فيوز نيمه هادی يا MOSFET هايي با عملکردی شبيه ظرفيت خازنی روی یک تراشه تنها.

پردازش

واحد محاسبه و منطق یا ALU دستگاهی است که عملیات پایه مانند چهار عمل اصلی حساب (جمع و تفریق و ضرب و تقسیم)، عملیات منطقی (و،یا،نقیض)، عملیات قیاسی (برای مثال مقایسه دو بایت برای شرط برابری) و دستورات انتصابی برای مقدار دادن به یک متغیر را انجام می‌دهد. این واحد جائیست که «کار واقعی» در آن صورت می‌پذیرد.

البته CPUها به دو دسته کلی RISC و CISC تقسیم بندی می‌شوند. نوع اول پردازش‌گرهای مبتنی بر اعمال ساده هستند و نوع دوم پردازشگرهای مبتنی بر اعمال پیچیده می‌باشند. پردازشگرهای مبتنی بر اعمال پیچیده در واحد محاسبه و منطق خود دارای اعمال و دستوراتی بسیار فراتر از چهار عمل اصلی یا منطقی می‌باشند.

تنوع دستورات این دسته از پردازنده‌ها تا حدی است که توضیحات آن‌ها خود می‌تواند یک کتاب با قطر متوسط ایجاد کند. پردازنده‌های مبتنی بر اعمال ساده اعمال بسیار کمی را پوشش می‌دهند و در حقیقت برای برنامه‌نویسی برای این پردازنده‌ها بار نسبتاً سنگینی بر دوش برنامه‌نویس است. این پردازنده‌ها تنها حاوی ۴ عمل اصلی و اعمال منطقی ریاضی و مقایسه‌ای به علاوه چند دستور بی‌اهمیت دیگر می‌باشند.

هرچند ذکر این نکته ضروری است که دستورات پیچیده نیز از ترکیب تعدادی دستور ساده تشکیل شده‌اند و برای پیاده‌سازی این دستورات در معماری‌های مختلف از پیاده‌سازی سخت‌افزاری(معماری CISC) و پیاده‌سازی نرم‌افزاری(معماری RISC) استفاده می‌شود. (قابل ذکر است پردازنده‌های اینتل از نوع پردازنده مبتنی بر اعمال پیچیده می‌باشند.)

واحد کنترل همچنین این مطلب را که کدامین بایت از حافظه حاوی دستورالعمل فعلی اجرا شونده‌است را تعقیب می‌کند، سپس به واحد محاسبه و منطق اعلام می‌کند که کدام عمل اجرا و از حافظه دریافت شود و نتایج به بخش اختصاص داده شده از حافظه ارسال گردد. بعد از یک بار عمل، واحد کنترل به دستورالعمل بعدی ارجاع می‌کند(که معمولاً در خانه حافظه بعدی قرار دارد، مگر اینکه دستورالعمل جهش دستورالعمل بعدی باشد که به رایانه اعلام می‌کند دستورالعمل بعدی در خانه دیگر قرار گرفته‌است).

ورودی/خروجی



بخش ورودی/خروجی (I/O) این امکان را به رایانه می‌دهد تا اطلاعات را از جهان بیرون تهیه و نتایج آن‌ها را به همان جا برگرداند. محدوده فوق العاده وسیعی از دستگاه‌های ورودی/خروجی وجود دارد، از خانواده آشنای صفحه‌کلیدها، نمایشگرها، نَرم‌دیسک گرفته تا دستگاه‌های کمی غریب مانند رایابین‌ها (webcams). (از سایر ورودی/خروجی‌ها می‌توان موشواره mouse، قلم نوری، چاپگرها (printer)، اسکنرها، انواع لوح‌های فشرده(CD, DVD) را نام برد ).

چیزی که تمامی دستگاه‌های عمومی در آن اشتراک دارند این است که آن‌ها رمزکننده اطلاعات از نوعی به نوع دیگر که بتواند مورد استفاده سیستم‌های رایانه دیجیتالی قرار گیرد، هستند. از سوی دیگر، دستگاه‌های خروجی آن اطلاعات به رمز شده را رمزگشایی می‌کنند تا کاربران آن‌ها را دریافت نمایند. از این رو یک سیستم رایانه دیجیتالی یک نمونه از یک سامانه داده‌پردازی می‌باشد.

دستورالعمل‌ها

هر رایانه تنها دارای یک مجموعه کم تعداد از دستورالعمل‌های ساده و تعریف شده می‌باشد. از انواع پرکاربردشان می‌توان به دستورالعمل «محتوای خانه ۱۲۳ را در خانه ۴۵۶ کپی کن!»، «محتوای خانه ۶۶۶ را با محتوای خانه ۰۴۲ جمع کن، نتایج را در خانه ۰۱۳ کن!»، «اگر محتوای خانه ۹۹۹ برابر با صفر است، به دستورالعمل واقع در خانه ۳۴۵ رجوع کن!».

دستورالعمل‌ها در داخل رایانه بصورت اعداد مشخص شده‌اند - مثلاً کد دستور العمل (copy instruction) برابر ۰۰۱ می‌تواند باشد. مجموعه معین دستورالعمل‌های تعریف شده که توسط یک رایانه ویژه پشتیبانی می‌شود را زبان ماشین می‌نامند.

در واقعیت، اشخاص معمولاً به [زبان ماشین]] دستورالعمل نمی‌نویسند بلکه بیشتر به نوعی از انواع سطح بالای زبان‌های برنامه‌نویسی، برنامه‌نویسی می‌کنند تا سپس توسط برنامه ویژه‌ای (تفسیرگرها (interpreters) یا همگردان‌ها (compilers) به دستورالعمل ویژه ماشین تبدیل گردد. برخی زبان‌های برنامه‌نویسی از نوع بسیار شبیه و نزدیک به زبان ماشین که اسمبلر (یک زبان سطح پایین) نامیده می‌شود، استفاده می‌کنند؛ همچنین زبان‌های سطح بالای دیگری نیز مانند پرولوگ نیز از یک زبان انتزاعی و چکیده که با زبان ماشین تفاوت دارد بجای دستورالعمل‌های ویژه ماشین استفاده می‌کنند.

معماری‌ها

در رایانه‌های معاصر واحد محاسبه و منطق را به همراه واحد کنترل در یک مدار مجتمع که واحد پردازشی مرکزی (CPU) نامیده می‌شود، جمع نموده‌اند. عموما، حافظه رایانه روی یک مدار مجتمع کوچک نزدیک CPU قرار گرفته. اکثریت قاطع بخش‌های رایانه تشکیل شده‌اند از سامانه‌های فرعی (به عنوان نمونه، منبع تغذیه) و یا دستگاه‌های ورودی/خروجی.

برخی رایانه‌های بزرگ‌تر چندین CPU و واحد کنترل دارند که بصورت هم‌زمان با یکدیگر درحال کارند. این‌گونه رایانه‌ها بیشتر برای کاربردهای پژوهشی و محاسبات علمی بکار می‌روند.

کارایی رایانه‌ها بنا به تئوری کاملاً درست است. رایانه داده‌ها و دستورالعمل‌ها را از حافظه‌اش واکشی (fetch) می‌کند. دستورالعمل‌ها اجرا می‌شوند، نتایج ذخیره می‌شوند، دستورالعمل بعدی واکشی می‌شود. این رویه تا زمانی که رایانه خاموش شود ادامه پیدا می‌کند.

واحد پردازنده مرکزی در رایانه‌های شخصی امروزی مانند پردازنده‌های شرکت ای- ام- دی و شرکت اینتل از معماری موسوم به Pipeline استفاده می‌شود و در زمانی که پردازنده در حال ذخیره نتیجه یک دستور است مرحله اجرای دستور قبلی و مرحله واکشی دستور قبل از آن را آغاز می‌کند. همچنین این رایانه‌ها از سطوح مختلف حافظه نهانگاهی استفاده می‌کنند که در زمان دسترسی به حافظه اصلی صرفه‌جویی کنند.

برنامه‌ها

برنامه رایانه‌ای فهرست‌های بزرگی از دستورالعمل‌ها (احتمالاً به همراه جدول‌هائی از داده) برای اجرا روی رایانه هستند. خیلی از رایانه‌ها حاوی میلیون‌ها دستورالعمل هستند، و بسیاری از این دستورات به تکرار اجرا می‌شوند. یک رایانه‌ شخصی نوین نوعی (درسال ۲۰۰۳) می‌تواند در ثانیه میان ۲ تا ۳ میلیارد دستورالعمل را پیاده نماید. رایانه‌ها این مقدار محاسبه را صرف انجام دستورالعمل‌های پیچیده نمی‌کنند.

بیشتر میلیون‌ها دستورالعمل ساده را که توسط اشخاص باهوشی «برنامه نویسان» در کنار یکدیگر چیده شده‌اند را اجرا می‌کنند. برنامه‌نویسان خوب مجموعه‌هایی از دستورالعمل‌ها را توسعه می‌دهند تا یکسری از وظایف عمومی را انجام دهند(برای نمونه، رسم یک نقطه روی صفحه) و سپس آن مجموعه دستورالعمل‌ها را برای دیگر برنامه‌نویسان در دسترس قرار می‌دهند. (اگر مایلید «یک برنامه‌نویس خوب» باشید به این مطلب مراجعه نمایید.)

رایانه‌های امروزه، قادرند چندین برنامه را در آن واحد اجرا نمایند. از این قابلیت به عنوان چندکارگی (multitasking) نام برده می‌شود. در واقع، CPU یک رشته دستورالعمل‌ها را از یک برنامه اجرا می‌کند، سپس پس از یک مقطع ویژه زمانی دستورالعمل‌هایی از یک برنامه دیگر را اجرا می‌کند. این فاصله زمانی اکثرا به‌عنوان یک برش زمانی (time slice) نام برده می‌شود.

این ویژگی که CPU زمان اجرا را بین برنامه‌ها تقسیم می‌کند، این توهم را بوجود می‌آورد که رایانه هم‌زمان مشغول اجرای چند برنامه‌است. این شبیه به چگونگی نمایش فریم‌های یک فیلم است، که فریم‌ها با سرعت بالا در حال حرکت هستند و به نظر می‌رسد که صفحه ثابتی تصاویر را نمایش می‌دهد. سیستم عامل همان برنامه‌ای است که این اشتراک زمانی را بین برنامه‌های دیگر تعیین می‌کند.

سیستم عامل

رایانه همیشه نیاز دارد تا برای بکار انداختنش حداقل یک برنامه روی آن در حال اجرا باشد. تحت عملکردهای عادی این برنامه همان سیستم عامل یا OS که مخفف واژه های Operating System است. سیستم یا سامانه عامل بر اساس پيشفرض ها تصمیم می‌گیرد که کدام برنامه برای انجام چه وظيفه ای اجرا شود، چه زمان، از کدام منابع (مثل حافظه، ورودی/خروجی و ...) استفاده شود.

همچنین سیستم عامل یک لایه انتزاعی بین سخت افزار و برنامه‌های دیگر که می‌خواهند از سخت افزار استفاده کنند، می‌باشد، که این امکان را به برنامه نویسان می‌دهد تا بدون اینکه جزئیات ریز هر قطعه الکترونیکی از سخت افزار را بدانند بتوانند برای آن قطعه برنامه‌نویسی نمایند.

در گذشته يک اصطلاح متداول بود که گفته می شد با تمام این وجود کامپیوتر ها نمی‌توانند برخی از مسائل را حل کنند که به این مسائل حل نشدنی گفته می‌شود مانند مسائلی که در مسیر حلشان در حلقه بی نهایت می افتند. به همين دليل نياز است که با کمک روشهای خاص بطور مثال به چند بخش تقسيم نمودن مساله يا روشهای متداول ديگر از رخ دادن اين خطا تا حد امکان جلوگيری نمود.

کاربردهای رایانه

نخستین رایانه‌های رقمی، با قیمت‌های زیاد و حجم بزرگشان، در اصل محاسبات علمی را انجام می‌دادند، انیاک یک رایانه قدیمی ایالات متحده اصولا طراحی شده تا محاسبات پرتابه‌ای توپخانه و محاسبات مربوط به جدول چگالی نوترونی را انجام دهد.

(این محاسبات بین دسامبر ۱۹۴۱ تا ژانویه ۱۹۴۶ روی حجمی بالغ بر یک میلیون کارت پانچ انجام پذیرفت! که این خود طراحی و سپس تصمیم نادرست بکارگرفته شده را نشان می‌دهد) بسیاری از ابررایانه‌های امروزی صرفاً برای کارهای ویژه محاسبات جنگ افزار هسته‌ای استفاده می‌گردد[نیازمند منبع].

CSIR Mk I نیز که نخستین رایانه استرالیایی بود برای ارزیابی میزان بارندگی در کوه‌های اسنوئی (Snowy)این کشور بکاررفت، این محاسبات در چارچوب یک پروژه عظیم تولید برقابی انجام گرفت.

برخی رایانه‌ها نیز برای انجام رمزگشایی بکارگرفته می‌شد، برای مثال Colossus که در جریان جنگ جهانی دوم ساخته شد، جزو اولین کامپیوترهای برنامه‌پذیر بود(البته ماشین تورینگ کامل نبود). هرچند رایانه‌های بعدی می‌توانستند برنامه‌ریزی شوند تا شطرنج بازی کنند یا تصویر نمایش دهند و سایر کاربردها را نشان دهد.

سیاست‌مداران و شرکت‌های بزرگ نیز رایانه‌های اولیه را برای خودکارسازی بسیاری از مجموعه‌های داده و پردازش کارهایی که قبلا توسط انسان‌ها انجام می‌گرفت، بکار بستند - برای مثال، نگهداری و بروزرسانی حساب‌ها و دارایی‌ها. در موسسات پژوهشی نیز دانشمندان رشته‌های مختلف شروع به استفاده از رایانه برای مقاصدشان نمودند.

کاهش پیوسته قیمت‌های رایانه باعث شد تا سازمان‌های کوچک‌تر نیز بتوانند آن‌ها را در اختیار بگیرند. بازرگانان، سازمان‌ها، و سیاست‌مداران اغلب تعداد زیادی از کامپیوترهای کوچک را برای تکمیل وظایفی که قبلا برای تکمیلشان نیاز به رایانه بزرگ (mainframe) گران قیمت و بزرگ بود، به کار بگیرند. مجموعه‌هایی از رایانه‌های کوچک‌تر در یک محل اغلب به‌عنوان خادم سرا (server farm) نام برده می‌شود.

با اختراع ریزپردازندهها در دهه ۱۹۷۰ این امکان که بتوان رایانه‌هایی بسیار ارزان قیمت را تولید نمود بوجود آمد. رایانه‌های شخصی برای انجام وظایف بسیاری محبوب گشتند، از جمله کتابداری، نوشتن و چاپ مستندات. محاسبات پیش بینی‌ها و کارهای تکراری ریاضی توسط صفحات گسترده (spreadsheet)، ارتباطات توسط پست الکترونیک، و اینترنت. حضور گسترده رایانه‌ها و سفارشی کردن آسانشان باعث شد تا در امورات بسیار دیگری بکارگرفته شوند.

در همان زمان، رایانه‌های کوچک، که معمولاً با یک برنامه ثابت ارائه می‌شدند، راهشان را بسوی کاربردهای دیگری باز می‌نمودند، کاربردهایی چون لوازم خانگی، خودروها، هواپیماها، و ابزار صنعتی. این پردازشگرهای جاسازی شده کنترل رفتارهای آن لوازم را ساده‌تر کردند.

همچنین امکان انجام رفتارهای پیچیده را نیز فراهم نمودند (برای نمونه، ترمزهای ضدقفل در خودروها). با شروع قرن بیست و یکم، اغلب دستگاه‌های الکتریکی، اغلب حالت‌های انتقال نیرو، اغلب خطوط تولید کارخانه‌ها توسط رایانه‌ها کنترل می‌شوند. اکثر مهندسان پیش بینی می‌کنند که این روند همچنان به پیش برود. یکی از کارهایی که می‌توان به‌وسیله رایانه انجام داد پروگرام گیرنده ماهواره‌است.

انواع رایانه

رایانه‌های توکار

رايانه هايی هم وجود دارند که تنها برای کاربردهای خاص طراحی می شوند. در ۲۰ سال گذشته ، هرچند برخی ابزارهای خانگی که از نمونه‌های قابل ذکر آن می‌توان جعبه‌های بازی‌های ویدئویی را که بعدها در دستگاه‌های دیگری از جمله تلفن همراه، دوربین‌های ضبط ویدئویی، و PDAها و ده‌ها هزار وسیله خانگی، صنعتی، خودروسازی و تمام ابزاری که در درون آنها مدارهایی که نیازهای ماشین تورینگ را مهیا ساخته‌اند، گسترش یافت، را نام برد(اغلب این لوازم برنامه‌هایی را در خود دارند که بصورت ثابت روی ROM تراشه‌هایی که برای تغییر نیاز به تعویض دارند،نگاشته شده‌اند).

این رایانه‌ها که در درون ابزارهای با کاربرد ویژه گنجانیده شده‌اند «ریزکنترل‌گرها» يا رایانه‌های توکار" (Embedded Computers) نامیده می‌شوند. بنابراین تعریف این رایانه‌ها به‌عنوان ابزاری که با هدف پردازش اطلاعات طراحی گردیده محدودیت‌هایی دارد. بیشتر می‌توان آنها را به ماشین‌هایی تشبیه کرد که در یک مجموعه بزرگ‌تر به‌عنوان یک بخش حضور دارند مانند دستگاه‌های تلفن، ماکروفرها و یا هواپیما که این رایانه‌ها بدون تغییر فیزیکی توسط کاربر می‌توانند برای مقاصد مختلفی بکارگرفته شوند.

رایانه‌های شخصی

اشخاصی که با انواع دیگری از رایانه‌ها ناآشنا هستند از عبارت رایانه برای رجوع به نوع خاصی که رایانه شخصی (PC) نامیده می‌شوند استفاده می‌کنند.

منبع: ويكي پديا



مقاله ۲ - تاريخچه رايانه

بشر اولیه شمارش را باانگشتان دست و اندازگیری کمیت ها رابا بعضی از اعضای بدن مانند دست و پا انجام میداد و بدین ترتیب واحدهای اندازه گیری مانند وجب و قدم بوجود آمد . سیستم دهدهی امروزه که برای بیان کمیتها بکار میرود از بکار بردن انگشتان دست برای انجام شمارش نتیجه شده است . قدیمی ترین دستگاهی که برای شمارش و انجام محاسبات عددی بکار میرفت چرتکه بود که در حدود 610 سال قبل از میلاد در خاور دور ساخته شد . پیشرفت مهم بعدی در زمینه محاسبات عددی در سال 1614 صورت گرفت که درآن موقع نپر (Nepeir) جدولهای لگاریتم را تهیه و چاپ کرد.

در سال 1642 پاسگال (Pascal) اولین نوع ماشین حساب را تهیه نمود که نوع اولیه آن فقط عملهای جمع و تفریق را انجام میداد و بعدها توسط دانشمندان دیگری تکمیل شد و عمل ضرب را نیزممکن ساخت . دراواخر قرن هفدهم لایبنیتز(Leibnitz) ماشین حساب ساخت که عمل نگهداشتن رقمها را از یک مرتبه به مرتبه دیگر انجام میداد و این یک قدم مهم بسوی تکمیل ماشینهای حساب بشمار میرفت .

در اوائل قرن نوزدهم بابج (Babbage) ماشین حساب طرح کرد که میتوانست محاسبات عددی را انجام دهد و جوابها را چاپ نماید . درطرح بابج پیش بینی شده بود که ماشین بطور خودکاراز دستورهای ذخیره شده معینی پیروی کند و محاسبات لازم را انجام دهد . ماشین بابج هرگز ساخته نشده زیرا ابزارهای فنی آن زمان لازم برای ساختن اجزائ چنین ماشینی را نداشتند و در واقع طرح بابج پیشرفته تر از تکنولوژی آن زمان بود .

نخستین کامپیوتر الکترونیکی در سال 1940 توسط آزمایشگهای تلفن بل Bell) (Telephone Laboratories ساخته شد که فقط می توانست در مورد محاسبات عددی بکار رود . در نیمه اول دهه 1940 دکترهاوردآیکن (Howard Aiken) از دانشگاه هاروارد کامپیوتری که بنام Mark I معروف است ساخت که بارله های الکنرومغناطیسی و کارتهای منگنه شده بکار می کرد .

شاید بزرگترین پیشرفت در کامپیوترهای خود کار زمانی صورت گرفت که درسال 1945 دکتر جان فن نویمن (John Von Neumann) نظریه ذخیره کردن برنامه رادر درون کامپیوتر بیان نمود . سیستم کنترل در کامپیوترهای پیشین بوسیله صفحه های سیم پیچی شده خاص یا دستورهائی که در برخی وسایل بیرونی مانند نوار کاغذی منگنه شده یا کارت منگنه شده ذخیره می گشتند انجام می گرفت .

اولین کامپیوتر با برنامه ذخیره شده (Stored Program Computre) بنام EDV AC معروف است که درسال 1964بوسیله دانشگاه پنسیلوانیا برای استفاده نیروی زمینی آمریکا ساخته شده . در این ماشین برنامه مستقیما درون حافظه قرار داده میشد بطریقی که یکایک دستورها بلافاصله پس از آنکه دستور پیشین انجام می گرفت آماده اجرا بود .

کامپیوتر ENIAC که در دانشگاه پنسیلوانیا برای قسمت اردنانس نیروی زمینی در ایالات متحد شاخته و در سال 1946 تکمیل شد ، یک قدم بزرگ در راه ترقی و در عین حال یک گام نزولی از نقطه نظر تکنولوژی نسبت به EDVAC می باشد. ENIAC نخستین کامپیوتری بود که همه کارهای دررونی را آن بصورت الکترونیکی انجام می گرفت اما دارای هیچگونه برنامه ذخیره شده نبود و در نتیجه ترتیب اتصال بیرونی بسیار یچیده ای در آن بکار می رفت .

این کامپیوترها بدنبال کامپیوترهای دیگری که پیشرفتهای بسیاری در زمینه های سرعت ، حافظه وقابلیت اعتماد بوجود آوردند تکمیل شدند . پس از پایان جنگ جهانی دوم ، پیشگامان صنعت ماشینهای کامپیوتر مانند IBM ، CDC،، NCR،، SRC،N ، کامپیوترهای الکنرونیکی همه منظوره بوجود آوردند .

کامپیوتر UNIVACI که در سال 1951 بوسیله SRC تهیه گشت نخستین کامپیوتر الکترونیکی بود که برای فروش در بازار ساخته می شد . در کامپیوترهای مدرن امروزه برای فشردگی و قابلیت اعتماد ، بیشتر از ترانزیستورها ز مدارهای یک پارچه و عناصر مغناطیسی مینیاتوری اسستفاده میشود .

این کامپیوترها محاسبات پیچیده را با چنان سرعت و دقتی انجام میدهند که توانائی انسان در مقایسه با آنها براستی بسیار ضعیف میباشد . مثلا کامپیوترهای بزرگ امروزه می توانند در حدود 10 میلیون عمل جمع یا تفریق را در ظرف یک ثانیه انجام دهند . در حال حاضر کامپیوترهای الکترونیکی نه تنها انسان را از انجام کارهای تکراری بسیار کننده آسوده ساخته اند ، بلکه برای درک بهتر محیط به او کمک شایانی کرده اند.



مقاله ۳ - تاريخچه كامپيوتر

ماشين حسابهاي مکانيکي

کوشش برای ساختن ماشين محاسبه و شمارش خودکار از قرن هفدهم آغاز شد و اين زماني بود که گسترش علوم ستاره شناسي ،دريانوردي ، بازرگاني و پ‍ژوهش هاي فني و علمي اهميت بي سابقه اي به محاسبات عددي بخشيده بود.همزمان با توسعه دانش رياضي ،احتياج بشر به محاسبات بيشتر گرديد،چنانکه سبب اختراع وسايل مختلفي در اين زمينه شد.

در سال 1642 پاسکال رياضيدان فرانسوي دستگاهي را به نام ماشين جمع زن (adding machine) اختراع کرد. اين ماشين مجموعه اي از چرخ دنده هاي کنار هم بود که چرخ اول نشان دهنده رقم يکان و چرخهاي بعدي نشان دهنده رقمهاي دهگان ، صدگان و ... بود.

نکته مهم در ماشين اختراعي پاسکال اين بود که مي توانست بطور اتوماتيک ده بر يک را حساب کند ليکن تنها قادر به انجام عمليات جمع و تفريق بود.اين ماشين کاملا مکانيکي بود و اعداد به کمک وسيله اینظير صفحه شماره گير تلفن وارد دستگاه مي شد و عمليات به وسيله يک سري چرخ دنده و اهرم انجام مي گرفت و نتيجه از دريچه مخصوصي قابل قرائت بود.

مدتي بعد لايب نيتز(Leibnitz ) رياضيدان آلماني موفق شد دستگاهي به نام ماشين محاسبه (calculating machine) بسازدکه مي توانست علاوه بر جمع و تفريق بر اساس روش پاسکال عمليات ضرب و تقسيم را نيز انجام دهد.

فکر ساختن ماشيني که بطور خودکار و با برنامه اي کار کند براي اولين بار در سال 1822توسط چارلز بابيج (Charles Babbage) مطرح شد. در اواخر قرن نوزدهم ، دفتر آمار ايالات متحده آمريکا براي استخراج نتايج سرشماري سال 1880 با مشکلات بزرگي مواجه شد، چرا که دريافت استخراج و نتيجه گيري از اين اطلاعات به زمان بسياري نياز داشت و بالاخره با سعي و کوشش و صرف وقت زياد نتايج اين سرشماري در سال 1887 به پايان رسيد.


اما همين که فهميده شد براي سرشماري بعدي به 10 سال وقت نياز هست فکر اختراع وسيله اي که بتواند اين کار را در زمان کوتاهتري انجام دهد تقويت گرديد. در اين موقع هرمان هالريث(Herman Hollerith) که با دفتر آمار آمريکا همکاري داشت، اصول جديدي را براي ضبط، طبقه بندي و جدول بندي اطلاعات به طريق مکانيکي عرضه داشت که 8 بار سريع تر از روش دستي بود و ماشين جدول بندي (tabulating machine) ناميده مي شد.

بر اساس اين روش براي نمايش هر يک از مطالب و اطلاعات مورد نظر لازم بود در نقطه بخصوصي از نوار کاغذي يک سوراخ منگنه شود و ماشين ديگري مي توانست به کمک مدارهاي الکتريکي سوراخهاي مذکور را حس کند و ضمن عبور از داخل دستگاه جدولي از مطالب ضبط شده تهيه نمايد.

بزودي نوار جاي خود را به کارت هاي مقوايي داد که اطلاعات هرخانواده روي آن منگنه مي شد.(به کار بردن کارت هاي مقوايي سوراخ شده اولين بار توسط ‍‍ژاکارد فرانسوي براي کنترل ماشين هاي بافندگي خودکار و دادن طرح پارچه به کار رفته بود) در اينجا اصطلاح تک کار(unit record) براي ماشين هايي که امور کارتي را انجام مي دهند، پذيرفته شد و معمول گرديد.

سال 1890 اولين سري ماشين هاي دسته بندي و تفکيک کارت هاي منگنه شده، توسط هالريث اختراع گرديد، به کمک همين ماشين ها نتيجه سرشماري سال 1890 ، در عرض 5/2 سال يعني حدود يک سوم زمان نتيجه گيري سرشماري قبل ، آماده گرديد.

در سال 1896 هالريث ، شرکت ماشين جدول بندي را تاسيس کرد و بعد ها با 10 شرکت ديگر ادغام شد و کمپاني IBM به وجود آمد.افزايش و گسترش فعاليتهاي اقتصادي و سرانجام يافتن انقلاب صنعتي و پيشرفت و توسعه همه جانبه تمدن بشري ايجاب مي کرد که وسيله اي سريعتر از دستگاههاي تک کار به وجود آيد.

ماشين هاي الکترو مکانيکي

کليه ماشين هاي ساخته شده تا اينجا مکانيکي بودند و در آنها از چرخ دنده ،اهرم ، محور و ساير وسايل مکانيکي استفاده مي شد و در نتيجه اين ماشين ها حجيم ، کند و غير قابل اعتماد بودند. همين مسئله در ماشين هاي بزرگ کار را مشکلتر مي کرد، بدين جهت به تدريج در بعضي قسمتها وسايل الکتريکي جانشين وسايل مکانيکي گرديد.

اولين ماشين الکترو مکانيکي به وسيله هاوارد ايکن(Howard Aiken) در دانشگاه هاروارد و با کمک مالي و فني شرکت IBM ساخته شد. ساختن اين ماشين 5 سال طول کشيد و در سال 1944 کامل گرديد. اين ماشين مي توانست عمليات جمع، ضرب، تقسيم، تفريق و محاسبه لگاريتم و توانهاي مختلف و همچنين محاسبه توابع مثلثاتي مانند سينوس و کسينوس را انجام دهد.

اين ماشين بطور مخفف آ،اس،سي،سي([ASCC]Automatic Sequence Controlled Calculator) يا مارک يک (Mark 1)ناميده ميشد.ماشين مزبور عمل ضرب را در مدت 3 ثانيه انجام مي داد و اين سرعت هنوز مطلوب نبود.



مقاله ۴ - نسل های کامپیوتری
کامپیوتر های نسل اول

بعد از جنگ جهانی دوم، جنبش و تحرک جدیدی برای ساختن ماشین های سریعتر و قویتر به وجود آمد و این به خاطر درگیری روزافزون بشر به کارهای اداری و تجاری با حجم زیاد و محاسبات پیچیده و وسیع علمی بود.

همان گونه که گفته شد ، اولین کامپیوتر در سال 1944 در دانشگاه هاروارد و نوع کاملتر آن در سال 1946 در دانشگاه پنسیلوانیا به نام انیاک (ENIAC) (Electronic Numerical Integrated And Calculator) ، برای حل مسایل مربوط به انفجار ، جهت اداره اردنانس ارتش آمریکا توسط دکتر ماکلی(Dr.John W.Mauchly) و اکرت (J.Presper Eckert) ساخته و تکمیل شد.

در این ماشین 19000 لامپ خلا استفاده شده بود و برای انرژی مصرفی لامپ ها و همچنین دستگاههای تهویه و خنک کننده ماشین حدود 130KW انرژی الکتریکی مصرف می شد. ماشین دارای حجم زیادی بود و سطحی را معادل9015 متر مربع اشغال می کرد،ولی سرعت زیادی داشت و 5000 جمع و 350 ضرب را در 1 ثانیه به انجام می رسانید.

در سال 1952 اولین کامپیوتری که قادر به ذخیره کردن برنامه بود به نام ادواک(EDVAC)، توسط دکتر نیومن(Dr.John Von Neumann) ، ساخته شد که اساس کامپیوترهای امروزی قرار گرفت.

در سال 1948 کامپیوتر دیگری توسط شرکت IBM ساخته شد که سرعت عمل زیادی داشت و در سال 1954 یک کامپیوتر کوچک به نام IBM 650 به بازار آمد که در ظرف 5 سال 2000 دستگاه از آن به فروش رفت و در همان سال ماشین دیگری به نام UNIVAC_4 به تعداد زیادی تولید گردید.

تا قبل از سال 1955 برای فعالیتهای تجاری یا کارهای علمی، کامپیوترهای ویژه ای ساخته می شد که مشخصات آنها منحصرا جوابگوی یکی از امور اداری-تجاری یا علمی بود. این سری از کامپیوترها به کامپیوترهای نسل اول (First Generation ) معروفند.

مشخصات کلی کامپیوتر های نسل اول:

1. سرعت عمل آنها حدود یک هزارم ثانیه بود.
2. حافظه آنها دارای ظرفیت 2000 تا 4000 کلمه بود.
3. دارای کاربردهای ویژه تک منظوره (Special Purpose) بودند.
4. کلیه برنامه ها به زبان ماشین ، نوشته می شد.
5. در آنها لامپ خلا و رله به عنوان حافظه استفاده می شد.

کامپیوتر های نسل دوم:

در اوایل دهه 1950 با ورود ترانزیستور به بازار و استفاده از آن در کامپیوتر و همچنین به کار بردن حلقه های کوچک مغناطیسی (Magnetic Core)به عنوان حافظه ، تغییرات عمده ای در کامپیوتر ها ایجاد گردید. اختراع ترانزیستور ، کامپیوتر های جدید را کوچکتر ، سبکتر و قابل اعتمادتر کرد و همچنین مصرف برق آنها را به مقدار زیاد کاهش داد.

کاربرد حلقه های کوچک مغناطیسی به عنوان حافظه نیز ، سرعت فراوانی به کامپیوترها بخشید. از این زمان به بعد، شرکتهای سازنده تلاش کردند کامپیوترهایی همه منظوره به بازار عرضه کنند که جوابگوی اغلب امور تجاری و علمی باشند.

اولین سری از کامپیوترهایی که ترانزیستور در آنها به کار رفته بود، در سال 1959 عرضه شد. این سری از کامپیوتر ها به کامپیوترهای نسل دوم (Second Generation) معروف شدند.از ماشین های معروف این نسل می توان IBM 1401 ،IBM 1620 و IBM 7000 را نام برد.

کامپیوترهای نسل دوم در واقع اولین کامپیوترهایی بودند که غیر از دانشگاهها و مؤسسات تحقیقاتی ، در مؤسسات دولتی و شرکتهای خصوصی برای انجام امور غیر علمی نیز به کار گرفته شدند. در واقع از آن زمان ، کامپیوتر به عنوان یک ابزار مدیریت و پردازش داده ها در سطح وسیع، در بسیاری از کشورهای جهان به کار گرفته شد.

اولین کامپیوتری که در ایران نصب گردید از نسل دوم و مدل IBM 1620 بود که در سال 1341 در کنسرسیوم نفت تهران به کار گرفته شد و همچنین سرشماری سال 1345 نیز با استفاده از کامپیوترهای نسل دوم(IBM 1401) انجام گردید.

مشخصات کلی کامپیوتر های نسل دوم:

1. از ترانزیستور در آنها استفاده شد.
2. سرعت عمل آنها حدود یک میلیونیم ثانیه بود.
1. ظرفیت حافظه آنها حدود 30000 کلمه بود و حافظه های کمکی نیز در این نسل به وجود آمدند.
2. دارای کاربردهای عمومی یا همه منظوره بودند.
3. زبانهای برنامه نویسی آنها ، فوق العاده آسان بود.
4. دارای حجم بسیار کمتری بودند.
5. از حلقه های کوچک مغناطیسی به عنوان حافظه در آنها ، استفاده می شد.

کامپیوتر های نسل سوم:

برای ساختن کامپیوترهای سریعتر و قویتر کوششها همچنان ادامه داشت تا در اوایل 1960 اولین کامپیوتر نسل سوم (Third Generation) به بازار عرضه شد. این کامپیوتر از سری IBM 360 بود که برای ساختن آن 5 میلیارد دلار سرمایه گذاری شد که بزرگترین پروژه مالی بخش خصوصی تا آن تاریخ به شمار می رفت. این کامپیوتر که مدل های گوناگونی از نظر ظرفیت و سرعت کار داشت، در هر دو امور تجاری و علمی قابل استفاده بود.

جدیدترین تحول در تکامل کامپیوترها، ساختن وسایل ضبط اطلاعات با قابلیت دسترسی مستقیم (Direct Access Device) در این نسل بود.به این ترتیب کاربران توانستند به هر یک از اجزا اطلاعات ذخیره شده در یک مجموعه عظیم اطلاعاتی ، در کسری از ثانیه دسترسی پیدا کنند.

علاوه بر آن در این نسل از کامپیوتر ها، سعی شده که قطعات مدارها را هرچه کوچکتر و با حجم کمتر بسازند و بدین ترتیب مدارهای مجتمع (Integrated Circuits(IC)) به وجود آمدند. در ایران ، از زمان ارایه کامپیوترهای نسل سوم کاربرد کامپیوتر به سرعت توسعه یافت و مؤسسات مختلف تعدادی از آنها را نصب کردند.

مشخصات کلی کامپیوتر های نسل سوم:

1. پیشرفت های سخت افزاری

الف) مینیاتوری کردن(تقلیل حجم دستگاهها و اجزای آنها)
ب) افزایش ظرفیت حافظه به چندین برابر قبل
ج) استفاده از دستگاه های واسطه(Media) ، با قابلیت دسترسی مستقیم
د) قدرت ارتباط با نقاط دور و متعدد

۲. پیشرفت های نرم افزاری

الف) هماهنگی بیشتر با سخت افزار
ب) هماهنگی بیشتر با سیستم عامل
ج) پیشرفت در زبانهای برنامه نویسی و به کارگیری زبان های سطح بالا

3.عملیات و بهره برداری

الف) استفاده از روش های پردازش مستقیم(on-line) و بازده فوری(real time)
ب) اجرای همزمان چند برنامه با یکدیگر

کامپیوتر های نسل چهارم:

تقسیم بندی و تفکیک نسل های کامپیوتری تا قبل ا ز نسل چهارم(Forth Generation)، به لحاظ تغییرات عمده در پیشرفت و تکامل کامپیوتر در هر نسل، به سهولت صورت گرفت . دراوایل سال 1970 تکنیکهای جدیدتری در ساخت و بهره گیری از کامپیوترها به کار برده شد که بسیاری از دست اندرکاران آن را نسل چهارم نامیدند. مهمترین تغییرات در سخت افزار کامپیوترهای نسل چهارم،به کارگرفتن مدارهای مجتمع با تراکم زیاد وتراکم خیلی زیاد است.

* در نسل سوم از تراکمSSI(Small Scale Integration) و (Scale IntegrationMedium)MSI یعنی تراکم کم و تراکم متوسط بهره گرفتند ولی درنسل چهارم از تراکم (Scale IntegrationLarge) LSI،( Scale IntegrationVery Large) VLSI و (Ultra Large Scale Integration)ULSI یعنی تراکم بالا ، خیلی بالا وفوق العاده بالا بهره می گیرند.

نسل چهارم همچنین از حافظه نیمه هادی (Semiconductor) ومیکرو پروسسور (Microprocessor) ، سیستم های محاوره ای (Interactive System) ، پردازش مستقیم و شبکه های کامپیوتری (Computer Network) بهره جسته است.

توسعه و پیشرفت سخت افزار کامپیوترهای فعلی، در مقایسه با نسلهای قبلی با بررسی چند عامل نظیر سرعت ، اندازه، هزینه و ظرفیت حافظه روشن می گردد.

در کامپیوتر های اولیه از لامپ خلا استفاده می شد و به همین جهت حجم و وزن زیادی داشتند (کامپیوتر انیاک 30 تن وزن داشت) به کار بردن ترانزیستور در نسل دوم به طور قابل ملاحظه ای ، اندازه کامپیوتر ها را کاهش داد.

در یک فوت مربع از کامپیوتر های نسل اول 6000 مؤلفه وجود داشت که با بکاربردن ترانزیستور100000 مدار درهمان حجم کار می کرد. در کامپیوتر های فعلی که در آنها میکروالکترونیک و مدارهای مجتمع با تراکم زیاد به کار می رود بیش از 10 میلیون مدار در یک فوت مربع کار می کند.

کامپیوتر های نسل پنجم:

نسل پنجم کامپیوترها که ایده آن اولین بار توسط ژاپنی ها در سال 1980 مطرح شد، ساختن کامپیوترهایی را پیشنهاد می کند که بتوانند بیاموزند ، استنباط کنند و تصمیم بگیرند و بطور کلی رفتاری داشته باشند که معمولا در حوزه منطق و استدلال خاص انسان قرار دارد و به عبارت ساده تر هوشمند باشند. در این نسل از مدارهای مجتمع با تراکم فوق العاده بالا استفاده می شود.

کامپیوتر های نسل ششم:

بعد از موفقیت کامل بشر در ساخت کامپیوتر های هوشمند، ایده بعدی انسان طراحی کامپیوتری خواهد بود که مدارهای داخلی آن کپی برداری عینی از مغز آدمی است.

با توجه به تحولات در تغییر نسل های کامپیوتری ،در نسل بعد باید منتظر تغییرات زیر باشیم:
- کاهش حجم مدارها تا حد مینیاتوری شدن و نیز کاهش توان مصرفی لازم
- افزایش پیچیدگی مدارها
- افزایش کارایی و بهبود کیفیت عملکرد مدارها
- افزایش سرعت عملکرد مدارها