رایانه یا کامپیوتر

مدتی در فارسی به کامپیوتر «مغز الکترونیکی»می گفتند. بعد از ورود این دستگاه به ایران در اوایل دهه ۱۳۴۰ نام کامپیوتر به کاررفت. واژه رایانه در دو دهه اخیر رایج شده و به تدریج جای کامپیوتر را می گیرد. واژهرایانه پارسی است و از فعل پارسی رایاندن به معنی سامان دادن و مرتب کردن آمده. معنیواژگانی رایانه می شود ابزار دسته بندی و ساماندهی.

در زبان انگلیسی طی سالیان متمادی واژه هایهم ارزش بسیاری برای این واژه بکار می رفته، و کلمات دیگری نیز وجود داشته اند که ازآنها به عنوان کامپیوتر یاد می شود اما معانی متفاوتی را در خود داشته اند. یف شاعرانهتری بکار می رود، tölva که واژه ایست مرکب و به معنای«زن پیشگوی شمارشگر!» می باشد. در چینی رایانه diaao یا «مغز برقی» خوانده می شود. در انگلیسی واژه ها وتعابیر گوناگونی استفاده می شود، به عنوان مثال دستگاه داده پرداز یا dataprocessing machine

● تعریف ها

با تعریف های بالا می توان به همهٔ ماشینهای مکانیکی محاسبه مانند خط کش محاسبه و یا چرتکه نیز به همان صورت که برای ماشینهای امروزی به کار می رود، رایانه گفت. البته عبارات و واژه های بهتری نیز می تواندتوصیف فعالیت های این ماشین ها باشند، واژه هایی مانند: داده پرداز، سامانه های پردازشاطلاعات و همچنین کنترل گر.

هنگامی که رایانه های امروزی را درنظر میگیریم، اغلب ویژگی درخور نگرشی می توانند تمامی ویژگی که در سایر دستگاهها پردازشیکه اختراع می شوند تقلید نمایند (به هر حال یقینا با سرعت پایین تر). گهگاه، این آستانهقابلیت یک محک سودمند برای شناسایی «رایانه های همه کاره» از ابزارهای با کارایی ویژهقدیمی می باشد. این تعریف «همه کاره» می تواند بصورت رسمی در این تعریف که یک ماشینمعین باید بتواند رفتارهای ماشین تورینگ (Turing machine) را تقلید نماید، بکار گرفته شود. ماشینهایی که این نیازمندی را تأمینکرده باشند به عنوان تورینگ کامل (Turing-complete) خطاب می شوند. تا هنگامی که بصورت فیزیکی تأمین فضای ذخیره نامتناهیو احتمال zero crashing وجود نداشته باشد لفظ تورینگ کاملبصورت آسان گیرانه ای به ماشین با ظرفیت ذخیره سازی بالا (نامتناهی) و با قابلیت اطمینانواقعی، گفته می شود. نخستین سری از این ماشینها در سال ۱۹۴۱ بوجود آمد: Z۳ ساخت کونراد زوسه (Konrad Zuse)که توسط برنامه کنترل می شد(اما ویژگی تورینگ کامل آن در سال ۱۹۹۸به آن داده شد.). ماشین های دیگری نیز بصورت آشفته و با عجله در سراسر دنیا توسعه یافتند.برای اطلاعات بیشتر به تاریخچه رایانه نگاه کنید.

● تاریخچه

لایبنیتز (leibniz) ریاضی دان آلمانی از نخستین کسانی است که در ساختن یک دستگاه خودکارمحاسبه کوشش کرد. او که به پدر حسابدارش در تنظیم حساب ها کمک می کرد، از زمانی کهبرای انجام محاسبات صرف می کرد گله مند بود.

چارلز بابیج (CharlesBabbage) یکی از اولین ماشینهای محاسبه مکانیکی را کهبه آن ماشین تحلیلی گفته می شد، طراحی نمود، اما بخاطر مشکلات فنی موجود در زمان حیاتشهمچون ماشینی ساخته نشد(در سال ۱۹۹۳ در موزه علوم لندن مدلی که بر اساس طرح بابیج کارمی کرد ساخته شد).

در گذشته دستگاههای مختلف مکانیکی ساده ایمثل خط کش محاسبه و چرتکه نیز کامپیوتر خوانده می شدند. در برخی موارد از آنها به عنوانرایانه های آنالوگ نام برده می شود. چراکه برخلاف رایانه های رقمی، اعداد را نه بهصورت اعداد در پایه دو بلکه به صورت کمیتهای فیزیکی متناظر با آن اعداد نمایش می دهند.چیزی که امروزه از آن به عنوان «رایانه» یاد می شود در گذشته به عنوان «رایانه هایرقمی (دیجیتال)» یاد می شد تا آنها را از انواع «رایانه های آنالوگ» جدا سازد(که هنوزدر برخی موارد استفاده می شود مثلاً نشانک پرداز آنالوگ یا analogsignal processing

● رایانه ها چگونه کار می کنند ؟

از زمان رایانه های اولیه که از سال ۱۹۴۱تا کنون فناوری های دیجیتالی بصورت شگرفی رشد نموده است، اغلب رایانه ها از معماریفون نویمن که در اواخر دهه ۱۹۴۰ از سوی جان فون نویمن ابداع گردید سود می جویند.

معماری فون نوِیمن یک رایانه را به چهار بخشاصلی توصیف می کند: واحد محاسبه و منطق (Arithmetic and LogicUnit یا ALU)، واحد کنترل یا حافظه، و ابزارهای ورودی و خروجی (که جمعا I/Oنامیده می شود). این بخش ها توسط اتصالات داخلی سیمی به نام گذرگاه(bus) بایکدیگر در پیوند هستند.

● حافظه

در این سامانه، حافظه یک توالی شماره گذاریشده از خانه ها است، هرکدام محتوی بخش کوچکی از داده ها می باشند. داده ها ممکن استدستورالعملهایی باشند که به رایانه می گویند چه کاری را انجام دهد باشد. خانه ممکناست حاوی اطلاعات مورد نیاز یک دستورالعمل باشد.

محتوای هر خانه حافظه ممکن است هر زمان تغییریابد و بیشتر شبیه دفتر چرک نویس می ماند تا یک لوح سنگی.

اندازه هر خانه، وتعداد خانه ها، در رایانهٔمختلف متفاوت است، همچنین فناوریهای بکاررفته برای اجرای حافظه نیز از رایانه ای بهرایانه دیگر در تغییر است(از بازپخش کننده های الکترومکانیکی تا تیوپها و فنرهای پرشده از جیوه و یا ماتریس های ثابت مغناطیسی و در آخر ترانزیستورهای واقعی و مدار مجتمعهابا میلیونها خازن روی یک تراشه تنها).

● پردازش

واحد محاسبه و منطق یا ALUدستگاهی است که عملیات پایه مانند چهار عمل اصلی حساب (جمع و تفریق وضرب و تقسیم)، عملیات منطقی (و،یا،نقیض)، عملیات قیاسی (برای مثال مقایسه دو بایت برایشرط برابری) و دستورات انتصابی برای مقدار دادن به یک متغیر را انجام می دهد.

این واحدجاییست که «کار واقعی» در آن صورت می پذیرد. البته CPUهابه دو دسته کلی RISC و CISCتقسیم بندی می شوند. نوع اول پردازش گرهای مبتنی بر اعمال ساده هستندو نوع دوم پردازشگرهای مبتنی بر اعمال پیچیده هستند. پردازشگرهای مبتنی بر اعمال پیچیدهدر واحد محاسبه و منطق خود دارای اعمال و دستوراتی بسیار فراتر از چهار عمل اصلی یامنطقی می باشند. تنوع دستورات این دسته از پردازنده ها تا حدی است که توضیحات آن هاخود می تواند یک کتاب با قطر متوسط ایجاد کند. پردازنده های مبتنی بر اعمال ساده اعمالبسیار کمی را پوشش می دهند و در حقیقت برای برنامه نویسی برای این پردازنده ها بارنسبتاً سنگینی بر دوش برنامه نویس است. این پردازنده ها تنها حاوی ۴ عمل اصلی و اعمالمنطقی ریاضی و مقایسه ای به علاوه چند دستور بی اهمیت دیگر هستند.

(قابل ذکر است پردازنده های اینتل از نوعپردازنده مبتنی بر اعمال پیچیده هستند.)

واحد کنترل همچنین این مطلب را که کدامینبایت از حافظه حاوی دستورالعمل فعلی اجرا شونده است را تعقیب می کند، سپس به واحد محاسبهو منطق اعلام می کند که کدام عمل اجرا و از حافظه دریافت شود و نتایج به بخش اختصاصداده شده از حافظه ارسال گردد. بعد از یک بار عمل، واحد کنترل به دستورالعمل بعدی ارجاعمی کند(که معمولاً در خانه حافظه بعدی قرار دارد، مگر اینکه دستورالعمل جهش دستورالعملبعدی باشد که به رایانه اعلام می کند دستورالعمل بعدی در خانه دیگر قرارگرفته است).

● ورودی/خروجی

بخش ورودی/خروجی (I/O) این امکان را به رایانه می دهد تا اطلاعات را از جهان بیرون تهیهو نتایج آنها را به همان جا برگرداند. محدوده فوق العاده وسیعی از دستگاههای ورودی/خروجیوجود دارد، از خانواده آشنای صفحه کلیدها، نمایشگرها، نَرم دیسک گرفته تا دستگاههایکمی غریب مانند رایابین ها (webcams).

چیزی که تمامی دستگاههای عمومی در آن اشتراکدارند این است که آنها رمز کننده اطلاعات از نوعی به نوع دیگر که بتواند مورد استفادهسیستم های رایانه دیجیتالی قرار گیرد، هستند. از سوی دیگر، دستگاههای خروجی آن اطلاعاتبه رمز شده را رمزگشایی می کنند تا کاربران آنها را دریافت نمایند. از این رو یک سیستمرایانه دیجیتالی یک نمونه از یک سامانه داده پردازی می باشد.