کامپیوتر

نام

در زبان انگلیسی «کامپیوتر» به کسی میگفتند که محاسبات ریاضی را (بدون ابزارهای کمکی مکانیکی) انجام میداد. بر اساس «واژهنامه ریشهیابی Bahart Concise» واژه کامپیوتر در سال ۱۶۴۶ به زبان انگلیسی وارد گردید که به معنی «شخصی که محاسبه میکند» بودهاست و سپس از سال ۱۸۹۷ به ماشینهای محاسبه مکانیکی گفته میشد. در هنگام جنگ جهانی دوم «کامپیوتر» به زنان نظامی انگلیسی و آمریکایی که کارشان محاسبه مسیرهای شلیک توپهای بزرگ جنگی توسط ابزار مشابهی بود، اشاره میکرد.

در اوایل دهه ۵۰ میلادی هنوز اصطلاح ماشین حساب (computing machines) برای معرفی این ماشینها بهکار میرفت. پس از آن عبارت کوتاهتر کامپیوتر (computer) بهجای آن بهکار گرفته شد. ورود این ماشین به ایران در اوائل دهه ۱۳۴۰ بود و در فارسی از آن زمان به آن «کامپیوتر» میگفتند. واژه رایانه در دو دهه اخیر در فارسی رایج شده و بهتدریج جای «کامپیوتر» را گرفت.

تاریخچه

در گذشته دستگاههای مختلف مکانیکی سادهای مثل خطکش محاسبه و چرتکه نیز رایانه خوانده میشدند. در برخی موارد از آنها بهعنوان رایانه آنالوگ نام برده میشود. چراکه 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 آنالوگ» جدا سازند.

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 دومیت 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.[۱]

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.[۱]

در سده هژدهم 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.[۱]

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 میکرد .
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.

سال ساخت : 1945 (شصت سال پیش)
قیمت: تقریبا 500 هزار دلار
تکنولوژی: لامپ در بخش محاسباتی ، دستگاههای ورودی-خروجی الکترومکانیکی ، کارت خوان و کارت پانچ ، پرینتر ، بافرها با رله تلفن!
مشخصات فنی: 18000 لامپ ، 1500 رله ، 80 سطح ولتاژ مختلف از منفی 920 ولت تا 500 ولت ، تغذیه 240 ولت 60 هرتز ، توان مصرفی 150 کیلووات شامل 80 کیلووات برای لامپها - 45 کیلووات مابقی مدارات الکترونیک - 5 کیلووات دستگاههای ورودی خروجی - 20 کیلووات تهویه و فن ها
معماری: طول هر کلمه 10 رقم دهدهی با علامت ، اعداد منفی بشکل مکمل 10 ، نقطه اعشار ثابت قابل تعریف توسط سوییچ ، جمع و تفریق در آکومولاتور ، ضرب با استفاده از جدول ضرب و همراه با تقسیم و جذر در واحد مستقل
حافظه: 20 عدد در آکومولاتورها (رجیسترها) ، 100 عدد در حافظه فقط خواندنی ، 10 عدد ثابت
سرعت: کلاک 100 کیلوهرتز ، عمل جمع در 20 سیکل یا 200 میکروثانیه یعنی 5000 جمع در ثانیه ، ضرب در 280 سیکل یا 2800 میکروثانیه معادل 357 عمل ضرب در ثانیه ، تقسیم متغیر حداکثر 38 تقسیم در ثانیه!
برنامه ریزی: از طریق سیم بندی و سوییچ ، قابلیت کنترل برنامه و زیرروال ، تا حدی هم پردازش موازی
ورودی: کارت خوان با سرعت 2 عدد در ثانیه
خروجی: پرینتر ، لامپهای نئون برای هر آکومولاتور

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 خازن 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 بکارانداختنش حداقل یک برنامه روی آن در حال اجرا باشد. تحت عملکردهای عادی این برنامه همان سیستم عامل یا OS است. سیستم یا سامانه عامل تصمیم میگیرد که کدام برنامه 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. با تمام این وجود کامپیوتر ها نمی توانند برخی از مسائل را حل کنند که به این مسائل حل نشدنی گفته می شود مانند مسائلی که در مسیر حلشان در حلقه بی نهایت می افتند

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.

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[نیازمند منبع] (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[۲]). 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.

رایانههای توکار

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 «ریزکنترلگرهاً یا »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.

• نسل اول ۱۹۴۶ تا ۱۹۵۵

با آغاز جنگ جهانى دوم، دولت ها به دنبال كامپيوترهايى بودند كه بتوانند اطلاعات سرى خود را در آنها ذخيره كننده و محاسبات اطلاعاتى خود را هم به سرعت انجام دهند. به همين دليل دولت ها شروع به سرمايه گذارى در صنعت كامپيوتر كردند. در ميان كشورهاى اروپايى، آلمانى ها سرمايه گذارى كلان ترى انجام دادند. با اين حال تلاش آمريكايى ها براى ساخت كامپيوترهاى پيشرفته تر با موفقيت بيشترى همراه بود. «هاوارد آيكن» كه با شركت IBM كار مى كرد موفق شد يك ماشين حساب تمام الكترونيك به نام «Mark I» بسازد. هدف او از ساخت اين ماشين انجام محاسبات نيروى دريايى آمريكا بر روى نقشه هايشان بود. پهناى اين دستگاه نصف يك زمين فوتبال بود و حدود پانصد مايل سيم كشى نيز در اين دستگاه انجام شده بود.

كامپيوتر ديگرى كه در طول سال هاى جنگ جهانى دوم ساخته شد «ENIAC» نام داشت كه مخفف عبارت Electronic Numerical Integrater & Computer بود. اين دستگاه با مشاركت دولت آمريكا و دانشگاه پنسيلوانيا ساخته شد. پايه تكنولوژى اين دستگاه لامپ خلاء بود كه شامل هجده هزار لامپ خلاء، هفتاد هزار مقاومت الكتريكى و پنج ميليون اتصالات لحيم شده بود. «ايناك» ۳۰ تن وزن داشت و يك ساختمان بزرگ را به خود اختصاص داده بود. اين دستگاه به هنگام مصرف معادل يكصد و شصت كيلو وات برق مصرف مى كرد كه اين ميزان برق مى توانست شهرى مثل «فيلادلفيا» را تغذيه كند. به همين خاطر هنگام كار اين دستگاه در وضعيت برق شهر اختلال ايجاد مى شد. سرعت «ايناك» حدود هزار برابر سرعت MarkI بود. در سال ۱۹۴۵ جان فون نيومن دستگاهى به نام «EDVAC» طراحى كرد. اين دستگاه قدرت ذخيره داده ها را بهتر از ديتا داشت.

اين نوع حافظه بهتر از نوع قبلى خود يعنى كنترل كننده انتقالات بود و به دستگاه اجازه مى داد تا هر زمان كه كاربر بخواهد دست از كار كشيده و مجدداً شروع به كار كند. عنصر كليدى نيومن در اين طرح استفاده از پردازنده مركزى بود كه قسمت هاى مختلف دستگاه را بر اساس يك روش كلى هماهنگ مى كرد. عقايد و ابتكارات نيومن آنقدر نوآورانه بود كه تا چهل سال پس از آن هم مورد استفاده دانشگاه پنسيلوانيا قرار مى گرفت. در سال ۱۹۵۱ كامپيوتر «UNIVAC» ساخته شد كه از ارزشمندترين دستگاه هاى محاسبات بازرگانى و تجارى بود.

اين كامپيوتر توسط «آژانس سرشمارى آمريكا» و شركت «جنرال الكتريك» ساخته شد و از نكات جالب در مورد اين كامپيوتر مى توان به مورد تائيد قرار گرفتن «UNIVAC» توسط ژنرال آيزنهاور اشاره كرد. به طور كلى همان طور كه مشخص بود نسل اول كامپيوترهاى مدرن بر اساس سفارشات قبلى و براى كارهاى خاص ساخته مى شد. در آن زمان هر دستگاه براى خود يك رمز برنامه دورويى داشت كه به عنوان زبان كامپيوتر شناخته مى شد و نوع عمليات دستگاه را مشخص مى كرد. البته اين رمزها از نظر سرعت و تطبيق پذيرى ميان اجزا محدوديت هايى را به وجود مى آورد.

• نسل دوم ۱۹۶۳ _ ۱۹۵۶

در سال ۱۹۴۸ اختراع ترانزيستور تحول عظيمى در روند توسعه كامپيوترها ايجاد كرد. ترانزيستورها به جاى لامپ هاى خلاء در تلويزيون ها، راديوها و به ويژه در كامپيوترها مورد استفاده قرار گرفتند. مهمترين مزيت اختراع ترانزيستور اين بود كه باعث مى شد ابعاد كامپيوتر كوچك شده و فضاى بسيار كمى را به خود اختصاص دهد و در سرعت محاسبات و كاهش مصرف انرژى نيز سهم بسزايى داشت. نخستين كامپيوترهايى كه از اين تكنولوژى به صورت گسترده استفاده كردند ابركامپيوترهاى اوليه بودند كه طرح كامپيوتر «Stretch» توسط «IBM» و طرح كامپيوتر «LARC» توسط «اسپرى راند» بر اين اساس بود. هر دوى اين كامپيوترها در لابراتوار انرژى اتمى ساخته شده بودند و به اين خاطر دانشمندان مى توانستند حافظه بيشترى را به اين كامپيوترها اختصاص دهند.

اين دستگاه ها بسيار گران بودند و با اينكه براى كارهاى تجارى و بازرگانى مفيد بودند اما به خاطر قيمت بسيار بالا گيرايى زيادى نداشتند و تنها در برخى ارگان هاى دولتى و استراتژيك مورد استفاده قرار مى گرفتند. در كامپيوترهاى نسل دوم از زبان اسمبلى به جاى (صفر و يك) استفاده مى شد و از ميزان مشكلات و محدوديت هاى رمز دورويى كاسته بود. دهه ۶۰ ميلادى استقبال فوق العاده اى از اين نسل از كامپيوترها شد و در بسيارى مراكز مورد استفاده قرار گرفت. كامپيوترهاى نسل دوم از ماكت هاى اجرايى قبل از ساخت نيز بهره مى بردند. در اين نسل تجهيزاتى مانند پرينترها، انواع حافظه هاى جامد و فيزيكى قابل افزايش و سيستم عامل هاى اوليه و برنامه هاى داخلى مورد استفاده قرار گرفت. نخستين كامپيوتر در سال ۱۹۶۳ و در اين نسل ساخته شد.

• نسل سوم ۱۹۷۷ _ ۱۹۶۴

حرارت زياد ترانزيستورها باعث آسيب رساندن به بخش هاى داخلى كامپيوترها مى شد، به همين دليل دانشمندان به فكر جايگزينى براى آن افتادند و از «سنگ كوارتز» در كامپيوترهاى نسل سوم استفاده كردند. در سال ۱۹۵۸ «جك كيبلى» توانست يك مدار مجتمع (IC) را طراحى كند. اين مدار از سه بخش مجزاى الكترونيكى تشكيل شده بود و يك بخش آن ديسك سيليكونى كوچكى بود كه از كوارتز ساخته شده بود.

دانشمندان سعى كردند تا اجزاى بيشترى را درون چيپ هاى نيمه رسانا جاى دهند، در نتيجه نيمه رساناها بيشتر مورد استفاده قرار گرفت و كامپيوترها كوچك تر شد. از ديگر پيشرفت هاى نسل سوم استفاده از سيستم هاى عامل بود كه اجازه مى داد برنامه ها از يك هسته مركزى تبعيت كرده و با هم هماهنگ تر شوند. بد نيست بدانيد كه اولين ميكروپروسسور در زمان اين نسل و در سال ۱۹۷۱ ساخته شد كه Intel و Motorola نخستين سازندگان ميكروپروسسورها بودند. اولين ريزكامپيوتر هم در سال ۱۹۷۵ و باز هم در اين نسل ساخته شد.

• نسل چهارم ۱۹۷۸ _ تاكنون

در دهه هشتاد ميلادى تكنولوژى هايى مانند «LSI»، «VLSI» و «ULSI» پا به عرصه گذاشتند و توانايى اين را داشتند كه ميليونها قطعه الكترونيكى را در درون خود جاى دهند. با استفاده از اين تكنولوژى ها كاميپوترها در نسل چهارم كوچكتر شده و قيمت آنها نيز كاهش يافت و نيز قدرت، بازده و اطمينان به نتيجه محاسبات در كامپيوترهاى اين نسل بيشتر شده بود. نخستين اقدام مهم در كامپيوترهاى اين نسل چيپ «۴۰۰۴» اينتل بود كه مى توانست بسيارى از كارهاى كامپيوتر مانند اجراى سريع تر نرم افزارها، كنترل حافظه و ورودى ها و خروجى ها را تحت كنترل داشته باشد. «۴۰۰۴» اولين ريزپردازنده اى بود كه براى استفاده عموم كارايى داشت. پس از آن «CPU»ها در اشكال مختلف حتى در اتومبيل ها نيز مورد استفاده قرار مى گرفتند.

كوچكتر و ارزان تر و قابل دسترس شدن كامپيوترها اين امكان را فراهم مى كرد تا عموم مردم بتوانند از قابليت كامپيوترها استفاده كنند. به تدريج توسعه و توليد كامپيوترها از انحصار دولت ها و شركت هاى بازرگانى خارج شده و در اواسط دهه هفتاد شكل عمومى ترى به خود گرفت. با كوچكتر شدن كامپيوترها برنامه هاى نرم افزارى كامل تر و ساده ترى به بازار آمد كه استفاده از آنها به تخصص خاصى نياز نداشت و از طريق اين برنامه ها امكانات بيشترى براى كاربران كامپيوتر فراهم شد. در اوايل دهه هشتاد شركت هايى با هدف ساخت بازى هاى كامپيوترى ايجاد شده و موجب شدند محبوبيت بيشترى بر استفاده از كامپيوترها در خانه ها ايجاد شود. نخستين محصول آنها نيز «۲۶۰۰ Atari» بود كه در زمان خود بسيارى از كاربران را به سوى خود جذب مى كرد.

IBM در سال ۱۹۸۱ اولين نسل كاميپوترهاى شخصى (PC) را ساخت و در دفاتر ادارى، خانه ها و مدارس مورد استفاده قرار گرفت. تعداد كامپيوترهاى (PC) كه در سال ۱۹۸۱ مورد استفاده عموم قرار گرفت ۲ ميليون بود كه در سال ۱۹۸۲ به ۵/۵ ميليون رسيد و در سال ۱۹۹۲ به شصت ميليون افزايش پيدا كرد و هم اكنون صدها ميليون (PC) در نقاط مختلف دنيا مورد استفاده قرار مى گيرد. در سال هاى اخير (PC)ها همچنان به روند كوچكتر شدن خود ادامه دادند و PDI، Laptop و Palmtopها نيز ساخته شدند.

البته تنها IBM نبود كه در زمينه توليد PC فعاليت گسترده انجام مى داد در سال ۱۹۸۴ شركت Apple براى رقابت با IBM كامپيوترهاى «مكينتاش» را ساخت كه طرح اين كامپيوتر براى كاربرانش بسيار جالب توجه بود. در هر حال كامپيوترها روز به روز بيشتر پيشرفت كردند و امكانات و تسهيلات جالب ترى را هم براى كاربران خود فراهم مى كنند. شبكه جهانى اينترنت، دوربين ديجيتال و صدها نوآورى ديگر. شايد زمانى هيچ كسى چنين پيشرفتى را تصور نمى كرد اما مطمئناً اين تكنولوژى روزبه روز مدرن تر شده و نه تنها هر سال و يا هر ماه، بلكه هر روز مردم را با دستاوردهاى جديد خود به حيرت وامى دارد

مغز انسان...