تحقیق مقاله کامپیوتر

کامپیوتر

تعریف

طبق تعریف کنونی فرهنگ لغت انگلیسی آکسفورد کامپیوتر ابزاری برای انجام محاسبات یا عملیات های کنترلی قابل بیان به صورت جملات عددی یا منطقی می باشد. با وجود درستی، این تعریف و تعاریفی که در دیگر فرهنگ های لغت یافت می شود آنقدر عام هستند که هیچ تمایزی بین گونه های مختلف قدیمی، کنونی و بالقوه ی آینده قرار نمی دهند. سئوالات پر مفهوم تر می توانند این ها باشند: انواع مختلف کامپیوتر کدام می باشد؟ یا ویژگی ها و قابلیت های متمایز کننده ی کامپیوترهای عصر حاضر چیست؟

ریشه یابی

معنای کلمه کامپیوتر تغییر کرده اما همواره عقب تر از قابلیت های ماشین های امروزی بوده است. این کلمه در اصل، برای توصیف شخصی که محاسبات ریاضی را انجام می داده بکار می رفته و این مورد استفاده هنوز معتبراست. فرهنگ لغت انگلیسی آکسفورد سال 1897م را به عنوان اولین سالی که این کلمه به یک ماشین محاسبه گر مکانیکی اطلاق شد ثبت کرده است. تا سال 1946م از طرف فرهنگ لغت انگلیسی آکسفورد چندین مشخصه برای تمیز دادن گونه های مختلف ماشین ها ارائه شد. از جمله این مشخصه ها آنالوگ، دیجیتال و الکترونیکی بودن می باشد. به هر حال طبق متون بدست آمده این کلمه ها قبل از سال 1946 مورد استفاده قرار می گرفته اند.

سرعت نمایی توسعه کامپیوتر

پیچیدگی دسته بندی گونه های مختلف کامپیوتر با رشد نمایی ظرفیت محاسبه ترکیب شده است. به طور تقریبی ظرفیت محاسباتی ماشین های محاسبه (دستورالعمل های اجرا شده در هر ثانیه به ازای هر 1000 دلار هزینه) از سال 1900 هر 18 تا 24 ماه دو برابر شده است. اول بار Gordon E. Moore از اعضاء اینتل، این ویژگی توسعه کامپیوتر را در سال 1965م ارائه داد قانون مور. رشد نمایی ظرفیت توسط تکامل سریع تکنیک های مهندسی ساخت کامپیوتر تقویت می شده است. همزمان با این افزایش ظرفیت به ازاء هر واحد هزینه به طرز چشمگیری کوچک شده است. اولین کامپیوترهای الکترونیکی از جمله انیاک (که در سال 1945م معرفی شد)، دستگاه های غول پیکری بودند که چندین تن وزن داشتند فضای زیادی را اشغال می کردند و برای کار کردن به اپراتورهای بسیاری نیاز داشتند. این کامپیوترها آنقدر گران بودند که فقط دولت ها و موسسه های تحقیقاتی بزرگ از عهده ی خرید آن برمی آمدند و آنقدر عجیب و غریب به نظر می آمدند که تصور می شد تعداد کمی از آنها برای ارضای تمامی تقاضاهای جهان کافی باشد. در مقایسه کامپیوترهای جدید اوج شکوه و زیباییاند: پرقدرت تر، ارزان تر، کوچکتر، و در دسترس تر.

دسته بندی کامپیوترها

برای تعریف یک کامپیوتر لازم است روشی برای دسته بندی ماشین های محاسبه گر بیابیم. بخش های بعد چند معیار و مشخصه برای دسته بندی کامپیوترها ارائه می دهد. برای دادن تعریفی نامبهم از یک ماشین فرضی باید از ترکیب این مشخصه ها استفاده کرد.

دسته بندی براساس استفاده های مورد نیاز

ساده ترین معیار دسته بندی ماشین های محاسبه، موارد استفاده آنها است. این مشخصه توسط سازندگان کامپیوتر، برای توصیف محصول خود، و استفاده کنندگان کامپیوتر برای توصیف ماشینی که با آن تعامل دارند مورد استفاده قرارمی گیرد. برای مثال:

*رایانه های شخصی

*رایانه های بزرگ

*لپ تاپ

*ایستگاه کاری رایانه یا (Workstation)

*کامپیوتر کوچک (کامپیوترهای کوچک(

*ابر رایانه (ابر کامپیوتر(

*ابرکامپیوترهای کوچک

 Enterprise Server* یا سرور حرفه ای

PDA*

*کامپیوترهای پوشیدنی

ماهیت عامیانه این دسته بندی آنرا به ابهام می کشاند. این دسته فقط ماشین های کنونی و در دسترس را شامل می شود. سرعت زیاد توسعه کامپیوتر باعث پیدا شدن کاربردهای تازه و در نتیجه منسوخ شدن تعاریف کنونی می شود. بسیاری از کامپیوترهایی که دیگر مورد استفاده نیستند، از جمله تحلیل گر تفاضلی معمولاً در این لیست ها قرار نمی گیرند. برای تعریف واضح کلمه کامپیوتر به معیارهای دیگری نیازمندیم.

دسته بندی براساس تکنولوژی اجرای برنامه

یک مشخصه نامبهم تر برای دسته بندی ماشین های محاسبه فن آوری اجرای برنامه آنها است. کامپیوترهای اولیه کاملاً مکانیکی بودند. در دهه ی 1930م اولین کامپیوترهای تمام الکترونیک از سوپاپ های ترمیونی ساخته شد. در دهه 1950 و دهه 1960 سوپاپ ها جای خود را به ترانزیستورها داد و در اواخر دهه 1960 و اوایل دهه1970 مدار مجتمع های نیمه هادی )تراشه های سیلکونی) مورد استفاده قرار گرفته و از آن زمان محور اصلی فن آوری محاسبه شدند.

این توصیف فن آوری اجرا جامع نیست و تنها جریان اصلی توسعه را نقل می کند. از لحاظ تاریخی بسیار فن آوری ها کشف و منسوخ شده است. برای مثال، با استفاده از جریان آب از میان کانال های جمع شده مدل های اقتصادی ساخته شد. بین سالهای 1903 تا 1909 Percy E. Ludgate طرحی از یک ماشین بافندگی تحلیلی برنامه پذیر ارائه داد که در آن متغیرها از طریق ماکوها منتقل می شوند.

تلاش ها برای ساخت کامپیوترهای نوری که به جای جریان برق از نور استفاده می کند همچنان ادامه دارد و احتمال امکان استفاده از DNA برای محاسبه مورد مطالعه قرار گرفته است. یکی از عرصه های تحقیقاتی جدید که می تواند منجر به ساخت کامپیوترهایی با توانایی های جدید و چشمگیر شود، محاسبه کوانتومی است که هنوز مراحل آزمایشی اولیه را سپری می کند. برای دسته بندی کامپیوترهای به استثناء کامپیوترهای کوانتومی تکنولوژی اجرای برنامه به اندازه ویژگی های طرح کامپیوتر اهمیت ندارد.

دسته بندی بر اساس ویژگی های طرح

کامپیوترهای جدید بسیاری از ویژگی های طراحی که طی سال های طولانی توسط سازندگان مختلف به دست آمده را دارا هستند. این ویژگی ها اغلب از تکنولوژی اجرای برنامه مسقل هستند. کامپیوترهای جدید قدرت و قابلیت های خود را از تعامل این ویژگی ها بدست آورده اند. چند نمونه از مهمترین ویژگی های طرح کامپیوتر در زیر آمده است.

دیجیتال در برابر آنالوگ

اساسی ترین بخش طراحی کامپیوتر تعیین دیجیتالی یا آنالوگ بودن آن است. کامپیوترهای دیجیتالی مقادیر نمادی یا عددی گسسته و کامپیوترهای آنالوگ سیگنال های اطلاعاتی پیوسته را پردازش می کنند. کامپیوترهای دیجیتالی از دهه 1940 رایج شدند هرچند هنوز از کامپیوترهای آنالوگ برای اهداف خاصی مثل رباتیک و کنترل سیکلوترون استفاده می شود. دیگر دستاوردها، مثل کامپیوترهای پالسی و کامپیوترهای کوانتومی محتمل اند اما یا برای اهداف خاص مورد استفاده قرار می گیرند یا هنوز مراحل آزمایشی را می گذرانند.

سیستم دودویی در برابر ده دهی

یک از دستاوردهای مهم در کامپیوترهای دیجیتالی معرفی سیستم عددی دودویی به عنوان سیستم عددی درونی کامپیوتر بود. این طرح ضرورت استفاده از مکانیسم های پیچیده انتقال اعداد برای کامپیوترهای مبتنی بر دیگر سیستم های عددی از جمله ده دهی را از بین برد به کارگیری سیستم دودویی منجر به ارائه ی طرح های ساده ای برای انجام توابع ریاضی و عملیات های منطقی شد.

برنامه پذیری

امکان برنامه ریزی یک کامپیوتر - دادن دستوراتی به آن برای اجرا - بدون دستکاری فیزیکی آن یکی از ویژگی های اساسی طراحی بیشتر کامپیوترها است. این ویژگی، با ساخت ماشین هایی که می توانست به طور پویا جریان اجرای برنامه را کنترل کند به شدت توسعه یافت. ای ویژگی کامپیوترها را قادر ساخت تا ترتیب اجرای دستورات را بسته به اطلاعات بدست آمده از برنامه ی در حال اجرا، کنترل کند. این دستاورد بزرگ با معرفی ریاضیات دودویی که می شد برای نمایش عملیات های منطقی مختلف از آن استفاده کرد، به طرز چشمگیری ساده شد.

ذخیره سازی

در حین انجام محاسبات اغلب ضروری است مقادیر واسطه برای محاسبات بعدی ذخیره شوند. کارآیی اکثر کامپیوترها تا حد زیادی وابسته به سرعت خواندن و یا نوشتن مقادیر به حافظه و نیز ظرفیت کلی حافظه است. در اصل از حافظه فقط برای ذخیره مقادیر واسطه استفاده می شد اما در دهه 1940 فرضیه ذخیره خود برنامه در حافظه ارائه شد. این دستاورد منجر به ساخت اولین کامپیوترهای برنامه دار از نوع امروزی شد.

دسته بندی بر اساس قابلیت ها

شاید بهترین راه دسته بندی گونه های مختلف ماشین های محاسبه، بر اساس قابلیت های ذاتی آن باشد و نه موارد استفاده، تکنولوژی اجرا و ویژگی های طرح آن.

کامپیوترها بر اساس قابلیت و توانایی، به سه دسته تقسیم می شوند: دستگاه های تک منظوره که فقط یک کار را می توانند انجام دهند  مثل 87 BC Antikythera mechanism و پیشگویی کننده جزر و مد Tide Predictor)) Lord Kelvin ((1876، دستگاه های چند منظوره که تعداد محدودی کار را انجام می داد مثل موتور تفاضلی شماره یک ((Charles Babbage 1832)) وتحلیل گر تفاضلی((Vannevar Bush 1932)) و دستگاه های همه منظوره از نوع امروزی. از نظر تاریخی کلمه کامپیوتر به هر سه نوع این ماشین اطلاق می شده اما استفاده عامیانه معمولاً آنرا به ماشین های همه منظوره محدود می کند.

زبان برنامه نویسی

زبان برنامه نویسی یا زبان کامپیوتری یک تکنیک ارتباطی استاندارد برای بیان دستورالعمل ها به یک رایانه است. در زبان برنامه نویسی از مجموعه ای از قواعد نحوی و معنایی برای تعریف یک برنامه کامپیوتری استفاده می شود. یک زبان به برنامه نویس اجازه می دهد که دقیقا مشخص کند که رایانه روی چه داده ی عمل کند، این داده چگونه ذخیره یا منتقل شود، و دقیقا تحت شرایط مختلف کدام الگوریتم روی آن اعمال شود.

جنبه های یک زبان برنامه نویسی

هر زبان برنامه نویسی را می توان به عنوان یک مجموعه از مشخصات در باره ی نحو، کلمات و معانی دانست.

این مشخصات معمولا شامل موارد زیر می شوند:

*انواع داده و ساختمان های داده

*دستورالعمل ها و کنترل جریان

*مکانیزم های ارجاع و استفاده ی مجدد

*فلسفه ی طراحی

اغلب زبان هایی که کاربرد گسترده دارند و یا زبان هایی که برای یک دوره ی قابل توجه پر کاربرد بوده اند، دارای قالب های استانداردی برای تعریف، تعمیم و تکمیل برنامه ها می باشند.

انواع داده و ساختمان های داده

در یک رایانه رقمی مدرن، تمامی داده ها بصورت صفر و یک سیستم عددی باینری ذخیره می شوند. عموما داده بیانگر اطلاعاتی از دنیای واقعی همچون نام ها، حساب های بانکی و ... می باشد. بنابراین زبان های برنامه نویسی داده های سطح پایین باینری را به این مفاهیم سطح بالا سازماندهی می کنند.

سیستم ویژه ای که چگونگی سازماندهی داده ها در برنامه را مشخص می کند، نوع داده ی یک زبان برنامه نویسی نامیده می شود. طراحی و مطالعه ی سیستم های نوع را تئوری نوع می نامیم. زبان ها را می توان به دو دسته ی نوع دار ایستا و نوع دار پویا طبقه بندی کرد. در زبان های نوع دار ایستا برای تعریف هر متغیر یا زیر برنامه، نوع آن نیز مشخص می شود. بر خلاف آن در زبانهای نوع دار پویا نیازی به تعریف دقیق نوع متغیر ها یا زیر برنامه ها نیست و خود زبان نوع آن ها را استنتاج می کند. گاه به این گونه زبان ها نوع دار مخفی گفته می شود.

در زبان های نوع دار ایستا، انواع از پیش تعیین شده ای برای اجزای داده ها (همچون اعداد در یک بازه ی خاص، رشته ها یا حروف و ...) وجود دارد و متغیر ها (مقادیری که از دید برنامه نام دارند) می توانند فقط یک نوع ثابت را داشته باشند و عملیات خاصی را بپذیرند. مثلا اعداد نمی توانند به نام تبدیل شوند و برعکس. اغلب زبانهای اصلی نوع دار ایستا همچون C و C++ و Java به تعریف واضح تمامی انواع نیاز دارند. و بیان می شود که این کار فهم برنامه را سریع می کند.

زبان های شیءگرا به برنامه نویسان امکان تعریف انواع داده ای شیء که متغیرها و توابع ذاتی خود را دارند می دهند (که به ترتیب ویژگیها و روش ها نامیده می شوند).

یک برنامه ی شامل اشیاء به آنها اجازه ی عمل مستقل را می دهد اما زیر برنامه ها را تحت تأثیر قرار می دهد: این اثر متقابل می تواند در زبان کد کردن طراحی می شود تا اشیاء با اثر متقابل را شبیه سازی کند. این کار یک عمل مفید و شهودی است. زبان هایی مثل python و Ruby به عنوان زبان های شی گرا گسترش یافته اند. آنها نسبتاً برای یادگیری و استفاده آسان هستند و در محدوده های برنامه نویسی حرفه ای و غیر حرفه ای عمومیت پیدا کرده اند. تفکر عامه چنین است که شی گرایی، زبان ها را شهودی می کندو دسترسی عمومی و قدرت کاربردهای کامپوتری مشتری پسند را افزایش می دهد.

جدای از اینکه کی و چگونه تطابق بین انواع و عبارات تعیین شده است، یک سؤال اساسی وجود دارد که که زبان چه انواعی را تعریف می کند و چه انواعی را به عنوان مقادیر عبارات(ارزش های بیان شده) و به عنوان مقادیر نام دار (ارزش های دلالت شده) اجازه می دهد. زبان های سطح پایین مثل C به برنامه اجازه ی نام دهی به مکان های حافظه و ثابت های زمان کامپایل را می دهد در حالی که به عبارت امکان باز گرداندن مقادیر که در ثبات ماشین قرار گرفته اند را می دهد؛ ANSIC این قابلیت را با اجازه به عبارات به منظور باز گرداندن مقادیر struct ، توسعه داده است. (پیوند رکورد را ببینید). زبان های تابعی اغلب نام هارا به منظور دلالت مستقیم بر مقادیر محاسبه شده ی زمان اجرا، به جای مکان های حافظه ی نام دار که مقادیر در آن ذخیره می شوند، محدود می کنند و در بعضی از موارد به مقادیر دارای نام امکان تغییر نمی دهند. زبان هایی که از جمع آوری زباله استفاده می کننددر امکان دادن به ساختارهای داده ای مختلط دلخواه به عنوان مقادیر بیان شده آزادند. در پایان، در بعضی زبان ها، رویه ها تنها به عنوان مقادیر استدلال شده اجازه ی استفاده دارند (نمی توانند با عبارات باز گردانده شوندیا به نام های جدید محدود شوند)؛ در دیگر زبان ها رویه ها می توانند به عنوان پارامتر به رویتن ها منتقل شوند اما نمی توانند محدود به نام های جدید گردند؛ در بعضی دیگر آنها در استفاده مانند مقدار بیان شده محدودیتی ندارند اما در زمان اجرا نمونه های جدیدی نمی تواند ایجاد شود؛ و در انواع دیگری، رویه ها مقادیر کلاس اول هستند که می توانند در زمان اجرا ایجاد شوند.