ما هو الحاسوب

موضوع: ما هو الحاسوب السبت ماي 17, 2008 12:35 pm

حاسوب

حاسوب كولومبيا الفائق الخاص بناسا.الحاسوب هو آلة تتعامل مع البيانات وفقا لمجموعة من التعليمات -البرامج-.

تتعدد أنواع الحواسيب من حيث طريقة عملها وحجمها. أوائل الحواسيب الإلكترونية كانت في حجم غرفة كبيرة وتستهلك طاقة مماثلة لما يستهلكه بضعة مئات من الحواسيب الشخصيّة اليوم. [1] من الممكن اليوم صنع حواسيب داخل ساعة يد تأخذ طاقتها من بطارية الساعة. ينظر المجتمع إلى الحاسوب الشخصي -ونظيره المتنقل؛ الحاسوب المحمول- على أنهما رمزي عصر المعلومات؛ فهما ما يفكر به معظم الناس عند الحديث عن الحاسوب. على الرغم من هذا فأكثر أشكال الحاسوب استخداما اليوم هي الحواسيب المضمّنة. الحواسيب المضمنة حي أجهزة صغيرة وبسيطة تستخدم عادة للتحكم في أجهزة أخرى، فعلى سبيل المثال يمكنك أن تجدها في آلات تتراوح من الطائرات المقاتلة، و الآليون، وآلات التصوير الرقمية ولعب الأطفال.

حاسوب في ساعة يد.لا يمكن القول بأن الحاسوب هو اختراع بحد ذاته لأنه كان نتاج الكثير من الابتكارات العلمية و التطبيقات الرياضية. الحاسبات متنوعة، في الواقع إنها آلات معالجة بيانات عالمية . طبقا لفرض Church–Turing فإن حاسب له قدرة ذات حد أدنى معين يكون ببساطة قادر على إنجاز المهام الخاصة بأي حاسب آخر، بدءاً من المساعد الرقمي الشخصي إلى الحاسوب الفائق، طالما أن الوقت وسعة الذاكرة ليست في الاعتبار. لذلك فإن التصميمات المتماثلة من الحاسب من الممكن أن تضبط من أجل مهام تتراوح بين معالجة حسابات موظفي الشركات والتحكم في المركبات الفضائية بدون طيار. و بسبب التطور التكنولوجي فإن الحاسبات الاليكترونية الحديثة بشكل جبري تكون أكثر قدرة من تلك التي من الأجيال السابقة (ظاهرة موصوفة و مشروحة جزئيا بقانون مور).

تاريخ الحاسوب
أساساً يعبر مصطلح "حاسب" عن الشخص الذي يقوم بالحسابات الرقمية و غالبا ما يكون ذلك بمساعدة جهاز حساب ميكانيكي. يوجد أمثلة على أجهزة الحساب البدائية تلك و التي تمثل الأسلاف الأوائل للحاسب الآلي، منها abacus أو المعداد (أداة تستخدم الآن في تعليم الاطفال العد) و Antikythera mechanism وهو جهاز يوناني قديم كان يستخدم لحساب حركات الكواكب و التأريخ من سنة 87 قبل الميلاد تقريباً. شهدت نهاية العصور الوسطى نشاطاً أوروبياً في علمي الرياضيات والهندسة وكان Wilhelm Schickard (1623) الأول من عدد من العلماء الاوربيين الذي انشاء آلة حاسبة ميكانيكية. تم تدوين abacus (المعداد) على أنه حاسب بدائي وذلك لانها كانت تشبه الالة الحاسبة في الماضي. في سنة 1801 قام Joseph Marie Jacquard بعمل تحسين للاشكال النولية الموجودة و التي تستخدم مجموعة متتالية من الكروت الورقية المثقبة و كأنها برنامج لنسج اشكال معقدة. والنتيجة كانت أن نول Jacquard لم يتم اعتباره وكأنه حاسب حقيقي ولكنه كان خطوة هامة في تطوير الحاسبات الرقمية الحديثة. كان تشارلز باباج أول من فكر و صمم حاسب مبرمج بالكامل و ذلك في بدايات سنة 1820 ولكن بسبب مجموعة من الحدود التكنولوجية في ذلك الوقت والمحدودية المالية، و كذلك عدم القدرة على حل مشكلة الإصلاح غير الجيد في تصميمه فإن الجهاز لم يتم بناءه فعلياً في حياته. عدد من التكنولوجيات و التي اثبتت فائدتها لاحقا في الحوسبة، مثل الكارت المثقب و أنبوبة الصمام ظهرت بنهاية القرن التاسع عشر، و معالجة البيانات أوتوماتيكيا ذات التدرج الكبير باستخدام الكروت المثقبة تم صنعها باستخدام آلات جدولة و التي تم تصميمها على يد Hermann Hollerith.

كيف تعمل الحاسبات
بينما تغيرت التقنيات المستخدمة في الحاسبات بصورة مثيرة منذ ظهور أوائل الحاسبات الإليكترونية متعددة الاغراض من أربعينات القرن العشرين ، ما زال معظمها يستخدم بنية البرنامج المخزن (يطلق عليها في بعض الاحيان بنية von Neumann). استطاع التصميم جعل الحاسب العالمي حقيقيا جزئيا.

تصف البنية حاسبا ذا أربع اقسام رئيسية: وحدة الحساب و المنطق (ALU) و دائرة التحكم و الذاكرة و أجهزة الإدخال و الإخراج (يعبر عنها بمصطلح I/O). هذه الاجزاء تتصل ببعضها عن طريق حزم من الاسلاك (تسمى "النواقل" عندما تكون نفس الحزمة تدعم أكثر من مسار بيانات) و تكون في العادة مساقة بمؤقت أو ساعة (مع أن الاحداث الاخرى تستطيع أن تقود دائرة التحكم).

فكريا، من الممكن رؤية ذاكرة الحاسب كأنها قائمة من الخلايا. كل خلية لها عنوان مرقم و تستطيع الخلية تخزين كمية قليلة و ثابتة من المعلومات. هذه المعلومات من الممكن أن تكون إما تعليمة (أمر) و التي تخبر الحاسب بما يجب أن يفعله و إما أن تكون بيانات و هي المعلومات التي يقوم الحاسب بمعالجتها باستخدام الأوامر التي تم وضعها على الذاكرة. عموما، يمكن استخدام اي خلية لتخزين إما أوامر أو بيانات.

إن وحدة الحساب و المنطق بالعديد من المعانى هي قلب الحاسب. إنها قادرة على تنفيذ نوعين من العمليات الأساسية. الأولى هي العمليات الحسابية، جمع أو طرح رقمين سويا. إن مجموعة العمليات الحسابية قد تكون محدودة جدا، في الواقع، بعض التصميمات لا تدعم عمليتي الضرب و القسمة بطريقة مباشرة (عوضا عن الدعم المباشر، يستطيع المستخدمون دعم عمليتي الضرب و القسمة و ذلك من خلال برامج تقوم بمعالجات متعددة للجمع و الطرح و الارقام الاخرى). القسم الثاني من عمليات وحدة الحساب و المنطق هي عمليات المقارنة: بإدخال رقمين، تقوم هذه الوحدة بالتحقق من تساوي او عدم تساوي الرقمين و تحديد أي الرقمين هو الأكبر.

بدءا من ثمانينات القرن العشرين، صار كل من وحدة الحساب و المنطق و وحدة التحكم (يسميان مجتمعان بوحدة المعالجة المركزية CPU) في المعتاد موجودين في دائرة متكاملة واحدة تسمى المعالج الدقيق (المايكروبروسيسور).

إن آلية عمل أي حاسب في الأساس تكون واضحة تماما. في المعتاد، في كل دورة زمنية يقوم الحاسب بجلب الأوامر و البيانات من الذاكرة الخاصة به. يتم تنفيذ الأوامر، يتم تخزين النتائج، ثم يتم جلب الأمر التالي. هذا الإجراء يتكرر حتى تتم مقابلة أمر التوقف.

إن الأوامر التي تقوم وحدة التحكم بتفسيرها و تقوم وحدة الحساب و المنطق بتنفيذها يكون عددها محدود، و محددة بدقة و تكون عمليات بسيطة جدا. بصفة عامة، فإنها تندرج ضمن واحد أو أكثر من أربعة اقسام:

نقل بيانات من مكان لاخر (مثال على ذلك أمر "يخبر" وحدة المعالجة المركزية أن "تنسخ محتويات الخلية 5 من الذاكرة و وضع النسخة في الخلية 10")
تنفيذ العمليات الحسابية و المنطقية على بيانات (على سبيل المثال "قم باضافة محتويات الخلية 7 إلى محتويات الخلية 13 و ضع الناتج في الخلية 20")
اختبار حالة البيانات ("لو أن محتويات الخلية 999 هي 0 فإن الامر التالي يكون موجود في الخلية 30")
تغيير تسلسل العمليات (يغير المثال السابق تسلسل العمليات و لكن الاوامر مثل "الامر التالي يوجد في الخلية 100" تكون ايضا قياسية).
إن الأوامر تكون ممثلة مثل البيانات في صورة شفرة ثنائية (نظام للعد قاعدته الرقم 2). على سبيل المثال، الشفرة لنوع من انواع عملية "نسخ" في المعالجات الدقيقة من نوع Intel x86 هي 10110000. إن الأمر الجزئي يكون معد بحيث أن حاسب معين يدعم ما يعرف بلغة آلة الحاسب. إن استخدام لغة الالة سابقة التبسيط جعلها أكثر سهولة لتشغيل برامج موجودة على آلة جديدة: و هكذا في الأسواق حيثما تكون إتاحة البرامج التجارية أمرا ضروريا فإن المزودين يتفقون على واحد أو عدد صغير جدا من لغات الآلة البارزة.

الدوائر الرقمية
إن التصميم الفكري أعلاه من الممكن أن يطبق باستخدام تشكيلة من التقنيات المختلفة، إن حاسب البرنامج المخزن يمكن تصميمه كليا من مكونات ميكانيكية مثل الحاسب الذي صممه Babbage. على الرغم من ذلك، تسمح الدوائر الرقمية بتطبيق منطق Boolean و الحساب باستخدام الأرقام الثنائية باستخدام الحاكمات (relays) بصورة أساسية و مفاتيح يتم التحكم فيها كهربيا. لقد بين لنا فرض Shannon الشهير كيف يمكن ترتيب الحاكمات (relays) لتشكيل و حدات تسمى بالبوابات المنطقية (logic gates) و تنفيذ العمليات البولينية البسيطة. و بعد ذلك، قرر الآخرون أن الانابيب الصمامية (أجهزة إليكترونية) من الممكن أن تستخدم عوضا عن الحاكمات. تستخدم الأنابيب الصمامية أساسا كمكبر إشارة في الراديو و التطبيقات الاخرى، و لكنها استخدمت في الإليكترونيات الرقمية كمفتاح سريع جدا: فعندما يتم توصيل الكهرباء لطرف من أطرافه يستطيع التيار المرور بين الطرفين الاخرين.

يمكن إنشاء دوائر رقمية لعمل مهام أكثر تعقيدا و ذلك باستخدام ترتيبات معينة للبوابات المنطقية، على سبيل المثال الجامع، و الذي يطبق في الإليكترونيات نفس الطريقة الفنية المستخدمة في الحاسبات.

أجهزة الإدخال و الإخراج
I/O (اختصارا لـ Input/Output) هو مصطلح عام يطلق على الأجهزة التي ترسل المعلومات من العالم الخارجي و تلك التي تعيد نتائج الحسابات. هذه النتائج يمكن إما أن تظهر مباشرة للمستخدم أو أن يتم إرسالها إلى آلة أخرى و التي يكون تحكمها مخصص للحاسب. على سبيل المثال في الإنسان الآلى (robot) يكون جهاز الإخراج الرئيسي لتحكم الحاسب هو الروبوت ذاته.

إن الجيل الأول من الحاسبات كان مجهزا بمدى محدود جدا من أجهزة الإدخال. إن قارئ الكروت المثقبة أو الاشياء المماثلة كانت تستخدم لإدخال الأوامر و البيانات في ذاكرة الحاسب، و كذلك استخدم بعض أنواع الطابعات و هو في العادة عبارة عن teletype معدل لتسجيل النتائج. و على مر السنين، أجهزة أخرى تمت إضافتها. بالنسبة إلى الحاسبات الشخصية على سبيل المثال، فان لوحة المفاتيح و الفأرة هما الطريقتين الرئيسيتين المستخدمتين لإدخال المعلومات مباشرة إلى الحاسب، و الشاشة هي الطريقة الرئيسية لإعادة إظهار المعلومات للمستخدم و ذلك بالرغم من أن الطابعات و السماعات منتشرة أيضا. يوجد تشكيلة ضخمة من أجهزة الإدخال الأخرى لإدخال أنواع أخرى من المدخلات. مثال على ذلك هو الكاميرا الرقمية حيث تستخدم لإدخال معلومات مرئية. يوجد نوعين بارزين من أجهزة الإدخال و الإخراج. النوع الأول هو أجهزة التخزين الثانوية مثل الأقراص الصلبة (hard disks) و وحدات الأسطوانات (CD-ROM) و key drives و ما يماثلها و التي تتميز بالبطء نسبيا و لكنها ذات سعات تخزينية عالية، حيث يمكن تخزين المعلومات لاستعادتها لاحقا: النوع الثاني هي الأجهزة المستخدمة للاتصال بشبكات الحاسب. إن القدرة على نقل البيانات بين الحاسبات فتح مدي واسع من القدرات للحاسب. شبكة الانترنت العالمية تسمح لملايين الحاسبات بنقل المعلومات من جميع الانواع بينها و بعضها.

البرامج
إن برامج الحاسب ببساطة هي عبارة عن قائمة من الأوامر يقوم الحاسب بتنفيذها. تتراوح هذه الأوامر (التعليمات) ابتداء من بعض الأوامر القليلة التي تؤدي مهمة بسيطة إلى قائمة أوامر أكثر تعقيدا و التي من الممكن أن تحتوي جداول من البيانات. العديد من برامج الحاسب تحتوي الملايين من الأوامر و العديد من هذه الأوامر يتم تنفيذها بصورة متكررة. إن حاسب شخصي حديث نموذجي يمكنه تنفيذ حوالي 3 مليار أمر في الثانية. إن الحاسبات لم تكتسب قدراتها غير العادية من خلال قدرتها على تنفيذ الأوامر المعقدة. و لكن بالأحرى فإنها تقوم بالملايين من الأوامر المرتبة عن طريق أشخاص يعرفون بالمبرمجين.

عادة، فإن المبرمجين لا يكتبون الأوامر إلى الحاسب مباشرة بلغة الالة.إن البرمجة بهذه اللغة عملية مملة جدا و تميل للخطأ بصورة كبيرة مما يجعل المبرمجين غير قادرين على الإنتاج بصورة كبيرة. و عوضا عن ذلك، يقوم المبرمجين بوصف العملية المرادة في لغة برمجة "عالية المستوى" و التي يتم ترجمتها أوتوماتيكيا بعد ذلك إلى لغة الالة عن طريق برامج حاسب مخصصة (مفسرات و مجمعات). بعض لغات البرمجة ترسم خريطة قريبة جدا من لغة الآلة مثل لغة التجميع Assembly (لغات برمجة منخفضة المستوى): و على الجانب الآخر فإن لغات البرمجة مثل البرولوج Prolog مبنية على قواعد مجردة و مفصولة عن تفصيلات العملية الحقيقية للآلة (لغات برمجة عالية المستوى). إن اللغة المختارة لمهمة جزئية تعتمد على طبيعة هذه المهمة و المهارة التي يمتلكها المبرمجين و توافر الأدوات و عادة احتياجات المستهلكين (على سبيل المثال، فإن المشاريع الخاصة بالاستخدامات الحربية الامريكية في الغالب يجب أن تكون مبرمجة بلغة Ada).

إن Computer software (الأجزاء غير الملموسة بالحاسب) هو مصطلح بديل لبرامج الحاسب (computer programs): إنها عبارة أكثر شمولية و تحتوي كل المواد الهامة المصاحبة للبرنامج و التي يحتاجها لأداء المهام المهمة على سبيل المثال فإن لعبة الفيديو لا تحتوي فقط على البرنامج نفسه و لكن تحتوي ايضا على بيانات تمثل الصور و الاصوات و المواد الاخرى المطلوبة لعمل البيئة التخيلية للعبة. تطبيق الحاسب هو قطعة من برامج الحاسب التي تقدم للعديد من المستخدمين غالبا في سوق تجزئة. من الأمثلة الحديثة المطبقة تماما هي الأدوات المكتبية office suite و هي عبارة عن برامج ذات صفات مشتركة لأداء مهام المكتب الشائعة.

بالذهاب من القدرات شديدة البساطة الخاصة بأمر لغة آلة واحد إلى القدرات الضخمة للبرامج التطبيقية يعني أن الكثير من برامج الحاسب تكون كبيرة جدا و معقدة للغاية. من الأمثلة المنطبقة على ذلك هو Windows XP و الذي يتكون من حوالي 40 مليون سطر من شفرة الحاسب في لغة برمجة C++: يوجد العديد من المشاريع التي تكون أكبر هدفا، يقوم بإنشائه فرق كبيرة من المبرمجين. إن إدارة هذه المشاريع شديدة التعقيد هو مفتاح إمكانية تنفيذ هذه المشاريع: لغات البرمجة و تطبيقات البرمجة تسمح بتقسيم المهمة إلى مهام فرعية أصغر فأصغر حتى تصبح في قدرات مبرمج واحد و في وقت مناسب.

إن عملية تطوير البرامج لا زالت بطيئة و لا يمكن التنبؤ بها و تميل للخطأ: إن نظام هندسة البرامج حاولت و قد نجحت جزئيا في جعل العملية أكثر سرعة و إنتاجية و تحسين جودة المنتج النهائي.

المكتبات و أنظمة التشغيل
بعد فترة وجيزة من تطوير الحاسب، تم اكتشاف أن هناك مهام معينة تكون مطلوبة في برامج مختلفة؛ إن مثالا قديما على ذلك كان حساب بعض الدوال الرياضية الأساسية. و من أجل الفعالية، فقد تم جمع نسخ نموذجية من تلك الدوال و وضعها في مكتبات تكون متاحة لمن يحتاجها. إن مجموعة المهام الشائعة بعض الشئ و التي تتعلق بمعالجة كتل البيانات الخاصة "بالتحدث" إلى أجهزة الإدخال و الإخراج المختلفة، و لذلك تم تطوير مكتبات لها سريعا.

بانتهاء الستينات من القرن العشرين، و مع الاستخدام الصناعي الواسع للحاسب في العديد من الأغراض، أصبح من الشائع استخدامها لانجاز العديد من الوظائف في مؤسسة. بعد ذلك بفترة وجيزة أصبح متاحا وجود برامج خاصة لتوقيت و تنفيذ تلك المهام العديدة. إن مجموع كل من إدارة "الأجزاء الصلبة" و توقيت المهام أصبح معروفا باسم "نظام التشغيل"؛ من الأمثلة القديمة على هذا النوع من أنظمة التشغيل القديمة كان OS/360 الخاص بـ IBM.

إن التطوير الرئيسي التالي في أنظمة التشغيل كان timesharing - و فكرته تعتمد على أن عددا من المستخدمين بإمكانهم استخدام الآلة في وقت واحد و ذلك عن طريق الاحتفاظ بكل برامجهم في الذاكرة و تنفيذ برنامج كل مستخدم لمدة قصيرة و بذلك يصبح و كأن كل مستخدم يملك كل منهم حاسبا خاصا به. إن مثل هذا التطوير يتطلب من نظام التشغيل بأن يقدم لكل برامج المستخدمين "آلة تخيلية" و ذلك لمنع برنامج المستخدم الواحد من التداخل مع البرامج الاخرى (بالصدفة أو التصميم). إن مدى الأجهزة التي يجب أن تتعامل معها نظم التشغيل قد تمدد؛ من الأمثلة الملاحظة كان القرص الصلب؛ إن فكرة الملفات الفردية و الترتيب البنائي المنظم للادلة "directories" (حاليا يطلق عليها في الغالب مجلدات "folder") قد سهلت و بشكل كبير استخدام هذه الأجهزة للتخزين الدائم. من الأمثلة الحديثة المطبقة تماما هي الأدوات المكتبية office suite و هي عبارة عن برامج ذات صفات مشتركة لأداء مهام المكتب الشائعة. إن متحكمات الوصول الآمن سمحت لمستخدمي الحاسب بالوصول فقط إلى الملفات و الأدلة و البرامج التي لديهم تصريح باستخدامها كانت أيضا شائعة.

ربما تكون آخر إضافة لنظام التشغيل كانت عبارة عن أدوات تزود المستخدم بواجهة مستخدم رسومية معيارية. بينما كانت هناك بعض الأسباب التقنية لضرورة ربط واجهة المستخدم الرسومية (GUI) لباقي أجزاء نظام التشغيل، فقد سمح ذلك لبائع نظام التشغيل بجعل كل البرامج الموجهة لنظام تشغيلهم تمتلك نفس الواجهة.

خارج هذه المهام الداخلية "core"، فإن نظام التشغيل غالبا ما يكون مزودا بمجموعة من الأدوات الاخرى، بعض منها ربما يملك اتصال ضئيل بهذه المهام الداخلية الأصلية و لكن وجد أنها مفيدة لعدد كافي من المستهلكين مما جعل المنتجين بإضافتها. على سبيل المثال فإن Apple's Mac OS X يتم تقديمها مع تطبيق لتحرير الفيديو الرقمي.