کامپیوتِر دستگاهی الکترونیک است که میتواند برنامهریزی شود تا دستورها و محاسبات ریاضیاتی و منطقی را بهصورت خودکار از طریق برنامهنویسی انجام دهد. رایانههای نوین میتوانند از مجموعهٔ بزرگی از دستورها (کد) به نام برنامه (نرمافزار) پیروی
کنند، این امر به آنها اجازه میدهد تا قابلیت انجام حجم بزرگی از وظایف را داشته باشند، و بر اساس برنامهای که به آنها داده میشود عمل میکنند. یک رایانه شامل سختافزار و نرمافزار است که با هم یک سامانهٔ رایانهای (Computer system) را تشکیل میدهند. همچنین رایانهها با اتصال به هم، میتوانند به نوع دیگری از رایانه بدل شوند. مانند شبکهٔ رایانهای و رایانش خوشهای.
رایانهها بهعنوان سامانهٔ کنترل برای حجم گستردهای از دستگاههای صنعتی و دستگاههای مصرفی استفاده میشوند. رایانهها بهعنوان دستگاههای خانگی مانند دستگاه مایکروویو و دور فرمانها، دستگاههای کارخانهای مانند ربات صنعتی و طراحی به کمک
رایانه (CAD) و دستگاههای عمومی مانند رایانههای شخصی (PC)، تلفنهای همراه و تلفنهای هوشمند استفاده میشوند. اینترنت بزرگترین شبکه در جهان است که از اتصال رایانههای زیادی بههم تشکیل شدهاست. رایانهها میتوانند به اینترنت متصل شوند و از منابع اطلاعاتی متعدد اینترنت بهره ببرند.
در گذشته رایانهها بهعنوان دستگاههای محاسبات ریاضی فرض میشدند. تاریخچهٔ رایانه نیز بر همین موضوع استوار است. اولین رایانه (دستگاه محاسبه) چرتکه نام داشت. چرتکه، رایانهای بود که انسانها در گذشته برای انجام محاسبات پایه از آن استفاده میکردند. در اوایل انقلاب صنعتی، برخی دستگاههای مکانیکی بهطور خودکار انجام محاسبات طولانی را انجام میدادند. برای مثال، الگوهای راهنما برای دستگاههای ریسندگی. بعدها رایانهها پیشرفتهتر شدند و در سده بیستم میلادی توانستند
دستگاههای الکترونیکی آنالوگ را بسازند. اولین رایانههای رقمی در طی جنگ جهانی دوم ساخته شدند. اولین ترانزیستور نیمرسانا در اواخر سال ۱۹۴۰ بر اساس ماسفت (MOSFET) و مدارهای مجتمع (IC) در اواخر ۱۹۵۰ و ریزپردازندهها در سال ۱۹۷۰ ساخته شدند. سرعت، قدرت و همهکاره بودن رایانهها سبب شد تا انقلاب دیجیتال رخ دهد و پیشرفت چشمگیری در زندگی انسان حاصل شود.
رایانههای امروزی از واحد پردازش مرکزی (CPU)، نوعی حافظه و دستگاههای جانبی تشکیل شدهاند. واحد پردازش، وظیفهٔ انجام عملیاتهای محاسباتی و منطقی را بر عهده دارد. دستگاههای جانبی شامل دستگاههای ورودی (مانند صفحهکلید و ماوس)، دستگاههای خروجی (مانند مانیتور و هدفون) و ورودی/خروجی (مانند صفحه لمسی) میتوانند برای نمایش و ارسال اطلاعات در رایانه مورد استفاده قرار گیرند. رایانهها از لحاظ کارکرد
بهصورت مکانیکی، الکترومکانیکی و الکترونیکی، از لحاظ محاسبات بهصورت قیاسی (Analog) و رقمی (Digital)؛ و از لحاظ اندازه به ریزرایانهها، رایانههای کوچک، بزرگرایانهها و ابررایانهها تقسیم میشوند. رایانههای شخصی رایجترین نوع رایانه در میان انواع رایانهها هستند.
رایانههای امروزی بسیاری ار مشکلات و کمبودهای دنیای واقعی را با ارائهٔ خدمات بینظیر در فضای مجازی برطرف نمودهاند.
واژهی “compute” در زبان انگلیسی به معنای «محاسبه به واسطهٔ ماشین» است. در زبان انگلیسی پسوند er- بعد از اسم، آن را به فاعل تبدیل میکند. کامپیوتر “computer” به دستگاه خودکاری گفته میشود که محاسبات ریاضی را انجام میدهد. بر
اساس «واژهنامه ریشهیابی Barnhart Concise Dictionary of Etymology» واژهٔ کامپیوتر در سال ۱۶۴۶ میلادی به فرهنگ انگلیسی آکسفورد وارد گردید که به معنی «شخصی که محاسبه میکند» بودهاست و سپس از سال ۱۸۹۷م به ماشینهای محاسبهٔ مکانیکی گفته میشد. در هنگام جنگ جهانی دوم، «کامپیوتر» به زنان نظامی بریتانیایی و آمریکایی که کارشان محاسبهٔ مسیرهای شلیک توپهای بزرگ جنگی بهوسیلهٔ ابزار مشابهی بود، اشاره میکرد. اصطلاحاً به افرادی که پیش از ظهور تجاری
رایانهها محاسبههای ریاضی را انجام میدادند، کامپیوتر انسانی گفته میشد. آنها معمولاً تحت هدایت یک فیزیکدان بودهاند. هزاران رایانه در تجارت، دولت و تشکیل یک تحقیق کار میکردند یا استخدام شده بودند. بیشتر این کاربران رایانه خانمها بودهاند که مدرک رشته حسابان داشتهاند. تعدای از آنها برای سالنامهها محاسبات نجومی را انجام میدادند. بعد از دههٔ ۱۹۲۰ ماشین محاسبات به ماشینی که کار یک رایانه انسانی را انجام میداد، گفته میشد.
البته در اوایل دههٔ ۵۰ میلادی هنوز اصطلاح ماشین رایانش (Computing machine) برای معرفی رایانهها بهکار میرفت، پس از آن عبارت کوتاهتر کامپیوتر (Computer) بهجای آن بهکار گرفته شد. واژهٔ «کامپیوتر» از سال ۱۳۴۱ وارد زبان فارسی شد. ورود رایانه
به ایران در اوایل دهه ۱۳۴۰ بود و واژهٔ رایانه که از مصدر “رایانیدن” فارسی میانه به معنای “مرتب کردن، سازمان دادن” گرفته شده، در زبان فارسی رایج شدهاست. واژهٔ کامپیوتر در سده بیست و یکم میلادی به دستگاهی الکترونیک گفته میشود که توانایی ذخیره، مدیریت و جست و جوی اطلاعات را دارد، محاسبات انجام میدهد و میتواند سایر دستگاهها را کنترل کند. این واژه یک مفهوم کلی است و انواع کامپیوتر را در بر میگیرد.
برابر این واژه در زبانهای دیگر حتماً همان واژهٔ زبان انگلیسی نیست. در زبان فرانسوی، واژهٔ Ordinateur، که به معنی «سازمانده» یا «ماشین مرتبساز» است، بهکار میرود. در زبان اسپانیایی، Ordenador با معنایی مشابه استفاده میشود. همچنین در
دیگر کشورهای اسپانیاییزبان، Computadora بهصورت انگلیسیمآبانهای ادا میشود. در زبان پرتغالی، واژهٔ computador بهکار میرود که از واژهٔ computar گرفته شده و به معنای «محاسبه کردن» میباشد. در زبان ایتالیایی، واژهٔ calcolatore که به معنای ماشین حساب است، بهکار میرود و بیشتر روی ویژگی حسابگری منطقی آن تأکید دارد. در زبان سوئدی، رایانه Dator خوانده میشود که از data (داده) برگرفته شدهاست. در زبان فنلاندی، tietokone خوانده میشود که به معنی «ماشین اطلاعات»
میباشد. اما در زبان ایسلندی، توصیف شاعرانهتری بهکار میرود: tölva؛ که واژهای مرکب است و به معنای «زن پیشگوی شمارشگر» میباشد. در زبان چینی، رایانه 电子计算机 یا «مغز برقی» خوانده میشود. در انگلیسی، واژهها و تعابیر گوناگونی استفاده میشود. بهعنوان مثال، دستگاه دادهپرداز (data processing machine
برای یافتن اولین رایانهها و مطالعه تاریخچه رایانه، به هر دستگاهی درطول تاریخ اشاره دارد که توانایی انجام محاسبات ریاضی را داشته باشد. شاید اولین ابزار انسان برای حساب، انگشتان دست بودهاست که با آن محاسبه انگشتی یا دَکتیلانِمی
(dactylonomy) انجام میداده است. در گذشته دستگاههای مختلف مکانیکی سادهای مثل چوب خط، ابزار استخوانی، چرتکه، آنتیکیترا و خطکش محاسبه نیز رایانه خوانده میشدند. معمولاً به ابزارهای قدیمی برای انجام ساده محاسبه، رایانه قیاسی یا آنالوگ گفته میشود. البته لازم است ذکر شود کاربرد واژهٔ رایانه آنالوگ در علوم مختلف بیش از این است که به چرتکه و خطکش محاسبه محدود شود. بهطور مثال در علوم الکترونیک، مخابرات و مدیریت، روشی برای محاسبه مشتق و انتگرال توابع
ریاضی و معادلات دیفرانسیل توسط تقویتکنندههای عملیاتی، مقاومت، القاگر و خازن متداول است که به مجموعهٔ سامانه مداری «رایانهٔ قیاسی» (آنالوگ) گفته میشود. چرا که برخلاف رایانههای رقمی، اعداد را نه بهصورت 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 قیاسی جدا سازند
در این سامانه، حافظه به صورت متوالی شمارهگذاری شده در خانهها است، هر کدام محتوی بخش کوچکی از دادهها میباشند. دادهها ممکن است دستورالعملهایی باشند که به رایانه میگویند که چه کاری را انجام دهد. خانه ممکن است حاوی اطلاعات
مورد نیاز یک دستورالعمل باشد. اندازه هر خانه، و تعداد خانهها، در رایانهٔ مختلف متفاوت است، همچنین فناوریهای بهکار رفته برای اجرای حافظه نیز از رایانهای به رایانه دیگر در تغییر است (از بازپخشکنندههای الکترومکانیکی تا تیوپها و فنرهای پر شده از جیوه یا ماتریسهای ثابت مغناطیسی و در آخر ترانزیستورهای واقعی و مدار مجتمعها با میلیونها فیوز نیمرسانا یا MOSFEهایی با عملکردی شبیه ظرفیت خازنی روی یک تراشه تنها).
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 دستورها انتصابی برای مقدار دادن به یک متغیر را انجام میدهد. این واحد جائیست که «کار واقعی» در آن صورت میپذیرد.
البته CPUها (یا همان واحد پردازش مرکزی) به دو دسته کلی RISC و CISC تقسیمبندی میشوند. نوع اول پردازش گرهای 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 دستورهایی بسیار فراتر از چهار عمل اصلی یا منطقی میباشند. تنوع دستورها 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 دستورها پیچیده نیز از ترکیب تعدادی دستور ساده تشکیل شدهاند و برای پیادهسازی این دستورها 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).
صنعت رایانه همواره صنعتی رو به رشد، چه در حوزهٔ سختافزاری و چه در حوزهٔ نرمافزاری بودهاست، این صنعت پیوسته مورد توجه سرمایهگذاران بوده و سرمایهها را به خود جذب کردهاست. آیندهٔ روشن این فناوری همواره سرمایه داران را ترغیب میکند تا روی این صنعت سرمایهگذاری کنند. دو کشور چین و هند قدرتهای نوظهور در این صنعت هستند.
تأثیر رایانه بر علوم و صنایع مختلف
نخستین رایانههای رقمی، با قیمتهای زیاد و حجم بزرگشان، در اصل محاسبات علمی را انجام میدادند، انیاک یک رایانهٔ قدیمی ایالات متحده اصولاً 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 ابر رایانههای امروزی فقط برای کارهای ویژه محاسبات جنگافزار هستهای استفاده میگردد.
CSIR Mk I نیز که نخستین رایانه استرالیایی بود برای ارزیابی میزان بارندگی در کوههای اسنوئی (Snowy) این کشور بهکار رفته، این محاسبات در چارچوب یک پروژه عظیم تولید برقابی انجام گرفت.
برخی رایانهها نیز برای انجام رمزگشایی بکار گرفته میشد، برای مثال Colossus که در جریان جنگ جهانی دوم ساخته شد، جزو اولین رایانههای 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 قبلاً توسط انسانها انجام میگرفت، بکار بستند – برای مثال، نگهداری و بهروز رسانی 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 رایانههای کوچک را برای تکمیل وظایفی که قبلاً برای تکمیلشان نیاز به رایانه بزرگ (mainframe) گرانقیمت 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 دههٔ ۱۹۷۰ این امکان که بتوان رایانههایی بسیار ارزان قیمت را تولید نمود، به وجود آمد. رایانههای شخصی برای انجام وظایف بسیاری محبوب گشتند، از جمله کتابداری، نوشتن و چاپ مستندات. محاسبات پیشبینیها 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 بکار گرفته شوند.
در همان زمان، رایانههای کوچک، که معمولاً با یک برنامه ثابت ارائه میشدند، راهشان را به سوی 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 سده بیست و یکم، اغلب دستگاههای الکتریکی، اغلب حالتهای انتقال نیرو، اغلب خطوط تولید کارخانهها توسط رایانهها کنترل میشوند. اکثر مهندسان پیشبینی میکنند که این روند همچنان به پیش برود… یکی از کارهایی که میتوان بهوسیله رایانه انجام داد برنامه گیرنده ماهوارهاست.
شیمی محاسباتی شاخه ای از دانش شیمی است که سعی در حل مسائل شیمی با کمک رایانهها دارد دراین رشته از رایانهها برای پیشبینی ساختار مولکولی خواص مولکولی و واکنشهای شیمیایی استفاده میشود دراین رشته از نتایج شیمی محض که در قالب برنامههای مؤثر رایانهای درآمدهاند برای محاسبه ساختار شیمیایی و خواص مولکولها و جامدات استفاده میشود درحالیکه نتایج آن معمولاً کامل کننده اطلاعات بهدست آمده از واکنشهای شیمیایی هستند اما در برخی موارد میتواند منجر به
پیشبینی پدیدههای مشاهده نشده شیمیایی شود بنابراین شیمی محاسباتی میتواند به شیمی آزمایشگاهی کمک کرده و در یافتن موضوعات جدید شیمیایی با شیمی تجربی رقابت نماید سیمای شیمی محاسباتی شامل مدلسازی مولکولی روشهای محاسباتی و طراحی مولکول به کمک رایانه و همچنین دادههای شیمیایی و طراحی سنتزهای الی میباشد همچنین از این رشته به گستردگی برای طراحی داروها، کاتالیستها و مواد نو استفاده میشود.
رایانه شیمیایی رایانههایی خلاف عرف هستند که بر پایهٔ یک ترکیب شیمیایی نیمهجامد به نام «سوپ» کار میکنند. در چنین رایانههایی دادهها بر اساس غلظت این محلول نمایش داده میشوند. محاسبات نیز به صورت واکنشهای شیمیایی اجرا میشوند. همان گونه که ملاحظه میشود، ورودیها در این رایانهها، برخلاف رایانههای دودویی، میتوانند به صورت آنالوگ باشند. تاکنون این رایانهها در مرحلهٔ آزمایشی هستند، ولی ممکن است در آینده کاربردهای فراوانی برای آنها پیدا شود.
برنامهسازی یا برنامهنویسی به نوشتن کدهایی از زبان برنامهنویسی خاصی گفته میشود. رایانه با کدها مانند فرمان عمل میکند و آنها را اجرا میکند. رایانه دستگاهی قابل برنامهنویسی است که کاربر با یادگیری زبانهای برنامهنویسی (مانند: پایتون، جاوا، سیپلاسپلاس و…) میتواند به رایانه فرمان دهد. میتواند نرمافزاری را بنویسد و توسط رایانه آن را اجرا کند.
دستورالعملها در داخل رایانه به صورت 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 به جای دستورالعملهای ویژه ماشین استفاده میکنند.
ممنون از ویکی
