رايانه يا کامپيوتر دستگاهي است که براي پردازش اطلاعات تحت يک روال معين استفاده مي‌شود.

واژه کامپيوتر

مدتي در فارسي به کامپيوتر «مغز الکترونيکي» مي‌گفتند. بعد از ورود اين دستگاه به ايران در اوايل دهه 1340 نام کامپيوتر به‌کار رفت. واژه رايانه در دو دهه اخير رايج شده و به‌تدريج جاي کامپيوتر را مي‌گيرد. واژه رايانه پارسي است و از فعل پارسي راياندن به معني سامان دادن و مرتب کردن آمده. معني واژگاني رايانه مي‌شود ابزار دسته‌بندي و ساماندهي.
در زبان انگليسي طي ساليان متمادي واژه‌هاي هم ارزش بسياري براي اين واژه بکار مي‌‌رفته، و کلمات ديگري نيز وجود داشته‌اند که از آنها به عنوان کامپيوتر ياد مي‌شود اما معاني متفاوتي را در خود داشته اند. يف شاعرانه تري بکار مي‌رود، t?lva که واژه ايست مرکب و به معناي «زن پيشگوي شمارشگر!» مي‌‌باشد. در چيني رايانه dian nao يا «مغز برقي» خوانده مي‌شود. در انگليسي واژه‌ها و تعابير گوناگوني استفاده مي‌شود، به‌عنوان مثال دستگاه داده پرداز يا data processing machine

تعريف‌ها

با تعريف‌هاي بالا مي‌توان به همه? ماشين‌هاي مکانيکي محاسبه مانند خط‌کش‌ محاسبه و يا چرتکه نيز به‌همان صورت که براي ماشين‌هاي امروزي به‌کار مي‌رود، رايانه گفت. البته عبارات و واژه‌هاي بهتري نيز مي‌تواند توصيف فعاليت‌هاي اين ماشين‌ها باشند، واژه‌هايي مانند: داده‌پرداز، سامانه‌هاي پردازش اطلاعات و همچنين کنترل‌گر.
هنگامي که رايانه‌هاي امروزي را درنظر مي‌‌گيريم، اغلب ويژگي درخور نگرشي مي‌‌توانند تمامي ويژگي که در ساير دستگاهها پردازشي که اختراع مي‌‌شوند تقليد نمايند (به هر حال يقينا با سرعت پايين تر). گهگاه، اين آستانه قابليت يک محک سودمند براي شناسايي «رايانه‌هاي همه‌کاره» از ابزارهاي با کارايي ويژه قديمي مي‌‌باشد. اين تعريف «همه کاره» مي‌‌تواند بصورت رسمي در اين تعريف که يک ماشين معين بايد بتواند رفتارهاي ماشين تورينگ (Turing machine) را تقليد نمايد، بکار گرفته شود. ماشينهايي که اين نيازمندي را تأمين کرده باشند به‌عنوان تورينگ کامل (Turing-complete) خطاب مي‌‌شوند. تا هنگامي که بصورت فيزيکي تأمين فضاي ذخيره نامتناهي و احتمال zero crashing وجود نداشته باشد لفظ تورينگ کامل بصورت آسان گيرانه‌اي به ماشين با ظرفيت ذخيره سازي بالا (نامتناهي) و با قابليت اطمينان واقعي، گفته مي‌شود. نخستين سري از اين ماشينها در سال 1941 بوجود آمد: Z3 ساخت کونراد زوسه (Konrad Zuse)که توسط برنامه کنترل مي‌‌شد(اما ويژگي تورينگ کامل آن در سال 1998 به آن داده شد.). ماشين‌هاي ديگري نيز بصورت آشفته و با عجله در سراسر دنيا توسعه يافتند. براي اطلاعات بيشتر به تاريخچه رايانه نگاه کنيد.

تاريخچه

لايبنيتز (leibniz) رياضي‌دان آلماني از نخستين کساني است که در ساختن يک دستگاه خودکار محاسبه کوشش کرد. او که به پدر حسابدارش در تنظيم حساب‌ها کمک مي‌کرد، از زماني که براي انجام محاسبات صرف مي‌کرد گله‌مند بود.
چارلز بابيج (Charles Babbage) يکي از اولين ماشينهاي محاسبه مکانيکي را که به آن ماشين تحليلي گفته مي‌‌شد، طراحي نمود، اما بخاطر مشکلات فني موجود در زمان حياتش همچون ماشيني ساخته نشد(در سال 1993 در موزه علوم لندن مدلي که بر اساس طرح بابيج کار مي‌‌کرد ساخته شد).
در گذشته دستگاههاي مختلف مکانيکي ساده‌اي مثل خط‌کش محاسبه و چرتکه نيز کامپيوتر خوانده مي‌‌شدند. در برخي موارد از آنها به‌عنوان رايانه‌هاي آنالوگ نام برده مي‌شود. چراکه برخلاف رايانه‌هاي رقمي، اعداد را نه به‌صورت اعداد در پايه دو بلکه به‌صورت کميتهاي فيزيکي متناظر با آن اعداد نمايش مي‌‌دهند. چيزي که امروزه از آن به‌عنوان «رايانه» ياد مي‌شود در گذشته به عنوان «رايانه‌هاي رقمي (ديجيتال)» ياد مي‌شد تا آنها را از انواع «رايانه‌هاي آنالوگ» جدا سازد(که هنوز در برخي موارد استفاده مي‌شود مثلاً نشانک پرداز آنالوگ يا analog signal processing

رايانه‌ها چگونه کار مي‌کنند ؟

از زمان رايانه‌هاي اوليه که از سال 1941 تا کنون فناوري‌هاي ديجيتالي بصورت شگرفي رشد نموده است، اغلب رايانه‌ها از معماري فون نويمن که در اواخر دهه 1940 از سوي جان فون نويمن ابداع گرديد سود مي‌جويند.
معماري فون نوِيمن يک رايانه را به چهار بخش اصلي توصيف مي‌کند: واحد محاسبه و منطق (Arithmetic and Logic Unit يا ALU)، واحد کنترل يا حافظه، و ابزارهاي ورودي و خروجي (که جمعا I/O ناميده مي‌شود). اين بخش‌ها توسط اتصالات داخلي سيمي به نام گذرگاه (bus) با يکديگر در پيوند هستند.

حافظه

در اين سامانه، حافظه يک توالي شماره گذاري شده از خانه‌ها است، هرکدام محتوي بخش کوچکي از داده‌ها مي‌‌باشند. داده‌ها ممکن است دستورالعملهايي باشند که به رايانه مي‌گويند چه کاري را انجام دهد باشد. خانه ممکن است حاوي اطلاعات مورد نياز يک دستورالعمل باشد.
محتواي هر خانه حافظه ممکن است هر زمان تغيير يابد و بيشتر شبيه دفتر چرک‌نويس مي‌‌ماند تا يک لوح سنگي.
اندازه هر خانه، وتعداد خانه ها، در رايانه? مختلف متفاوت است، همچنين فناوريهاي بکاررفته براي اجراي حافظه نيز از رايانه‌اي به رايانه ديگر در تغيير است(از بازپخش کننده‌هاي الکترومکانيکي تا تيوپها و فنرهاي پر شده از جيوه و يا ماتريس‌هاي ثابت مغناطيسي و در آخر ترانزيستورهاي واقعي و مدار مجتمعها با ميليونها خازن روي يک تراشه تنها).

پردازش

واحد محاسبه و منطق يا ALU دستگاهي است که عمليات پايه مانند چهار عمل اصلي حساب (جمع و تفريق و ضرب و تقسيم)، عمليات منطقي (و،يا،نقيض)، عمليات قياسي (براي مثال مقايسه دو بايت براي شرط برابري) و دستورات انتصابي براي مقدار دادن به يک متغير را انجام مي‌دهد. اين واحد جاييست که «کار واقعي» در آن صورت مي‌‌پذيرد. البته CPUها به دو دسته کلي RISC و CISC تقسيم بندي مي‌شوند. نوع اول پردازش گرهاي مبتني بر اعمال ساده هستند و نوع دوم پردازشگرهاي مبتني بر اعمال پيچيده هستند. پردازشگرهاي مبتني بر اعمال پيچيده در واحد محاسبه و منطق خود داراي اعمال و دستوراتي بسيار فراتر از چهار عمل اصلي يا منطقي مي‌‌باشند. تنوع دستورات اين دسته از پردازنده‌ها تا حدي است که توضيحات آن‌ها خود مي‌تواند يک کتاب با قطر متوسط ايجاد کند. پردازنده‌هاي مبتني بر اعمال ساده اعمال بسيار کمي را پوشش مي‌دهند و در حقيقت براي برنامه نويسي براي اين پردازنده‌ها بار نسبتاً سنگيني بر دوش برنامه نويس است. اين پردازنده‌ها تنها حاوي 4 عمل اصلي و اعمال منطقي رياضي و مقايسه‌اي به علاوه چند دستور بي اهميت ديگر هستند.
(قابل ذکر است پردازنده‌هاي اينتل از نوع پردازنده مبتني بر اعمال پيچيده هستند.)
واحد کنترل همچنين اين مطلب را که کدامين بايت از حافظه حاوي دستورالعمل فعلي اجرا شونده است را تعقيب مي‌کند، سپس به واحد محاسبه و منطق اعلام مي‌کند که کدام عمل اجرا و از حافظه دريافت شود و نتايج به بخش اختصاص داده شده از حافظه ارسال گردد. بعد از يک بار عمل، واحد کنترل به دستورالعمل بعدي ارجاع مي‌کند(که معمولاً در خانه حافظه بعدي قرار دارد، مگر اينکه دستورالعمل جهش دستورالعمل بعدي باشد که به رايانه اعلام مي‌کند دستورالعمل بعدي در خانه ديگر قرارگرفته است).

ورودي/خروجي

بخش ورودي/خروجي (I/O) اين امکان را به رايانه مي‌‌دهد تا اطلاعات را از جهان بيرون تهيه و نتايج آنها را به همان جا برگرداند. محدوده فوق العاده وسيعي از دستگاههاي ورودي/خروجي وجود دارد، از خانواده آشناي صفحه‌کليدها، نمايشگرها، نَرم‌ديسک گرفته تا دستگاههاي کمي غريب مانند رايابين‌ها (webcams).
چيزي که تمامي دستگاههاي عمومي در آن اشتراک دارند اين است که آنها رمز کننده اطلاعات از نوعي به نوع ديگر که بتواند مورد استفاده سيستم‌هاي رايانه ديجيتالي قرار گيرد، هستند. از سوي ديگر، دستگاههاي خروجي آن اطلاعات به رمز شده را رمزگشايي مي‌کنند تا کاربران آنها را دريافت نمايند. از اين رو يک سيستم رايانه ديجيتالي يک نمونه از يک سامانه داده‌پردازي مي‌‌باشد.

دستورالعملها

هر رايانه تنها داراي يک مجموعه کم تعداد از دستورالعملهاي ساده و تعريف شده مي‌‌باشد. از انواع پرکاربردشان مي‌توان به دستورالعمل «محتواي خانه 123 را در خانه 456 کپي کن!»، «محتواي خانه 666 را با محتواي خانه 042 جمع کن، نتايج را در خانه 013 کن!»، «اگر محتواي خانه 999 برابر با صفر است، به دستورالعمل واقع در خانه 345 رجوع کن!».
دستورالعمل‌ها در داخل رايانه بصورت اعداد مشخص شده‌اند - مثلاً کد دستور العمل (copy instruction) برابر 001 مي‌تواند باشد. مجموعه معين دستورالعمل‌هاي تعريف شده که توسط يک رايانه ويژه پشتيباني مي‌شود را زبان ماشين مي‌‌نامند. در واقعيت، اشخاص معمولاً به [زبان ماشين]] دستورالعمل نمي‌نويسند بلکه بيشتر به نوعي از انواع سطح بالاي زبانهاي برنامه نويسي، برنامه نويسي مي‌کنند تا سپس توسط برنامه ويژه‌اي (تفسيرگرها (interpreters) يا همگردانها (compilers) به دستورالعمل ويژه ماشين تبديل گردد. برخي زبانهاي برنامه نويسي از نوع بسيار شبيه و نزديک به زبان ماشين که اسمبلر (يک زبان سطح پايين) ناميده مي‌شود، استفاده مي‌کنند؛ همچنين زبانهاي سطح بالاي ديگري نيز مانند پرولوگ نيز از يک زبان انتزاعي و چکيده که با زبان ماشين تفاوت دارد بجاي دستورالعمل‌هاي ويژه ماشين استفاده مي‌کنند.

معماري ها

در رايانه‌هاي معاصر واحد محاسبه و منطق(ICU) را به همراه واحد کنترل در يک مدار مجتمع که واحد پردازشي مرکزي (CPU) ناميده مي‌شود، جمع نموده اند. عموما، حافظه رايانه روي يک مدار مجتمع کوچک نزديک CPU قرار گرفته. اکثريت قاطع بخش‌هاي رايانه تشکيل شده‌اند از سامانه‌هاي فرعي (به عنوان نمونه، منبع تغذيه) و يا دستگاههاي ورودي/خروجي.
برخي رايانه‌هاي بزرگ‌تر چندين CPU و واحد کنترل دارند که بصورت هم‌زمان با يکديگر درحال کارند. اين‌گونه رايانه‌ها بيشتر براي کاربردهاي پژوهشي و محاسبات علمي بکار مي‌روند.
کارايي رايانه‌ها بنا به تيوري کاملاً درست است. رايانه داده‌ها و دستورالعمل‌ها را از حافظه اش واکشي (fetch) مي‌کند. دستورالعمل‌ها اجرا مي‌شوند، نتايج ذخيره مي‌شوند، دستورالعمل بعدي واکشي مي‌شود. اين رويه تا زماني که رايانه خاموش شود ادامه پيدا مي‌کند. واحد پردازنده مرکزي در رايانه‌هاي شخصي امروزي مانند پردازنده‌هاي شرکت اي-ام-دي و شرکت اينتل از معماري موسوم به Pipeline استفاده مي‌شود و در زماني که پردازنده در حال ذخيره نتيجه يک دستور است مرحله اجراي دستور قبلي و مرحله واکشي دستور قبل از آن را آغاز مي‌‌کند. همچنين اين رايانه‌ها از سطوح مختلف حافظه نهانگاهي استفاده مي‌کنند که در زمان دسترسي به حافظه اصلي صرفه جويي کنند.

برنامه ها

برنامه رايانه‌اي فهرست‌هاي بزرگي از دستورالعمل‌ها (احتمالاً به همراه جدول‌هايي از داده) براي اجرا روي رايانه هستند. خيلي از رايانه‌ها حاوي ميليونها دستورالعمل هستند، و بسياري از اين دستورات به تکرار اجرا مي‌شوند. يک رايانه‌ شخصي(PC) نوين نوعي (درسال 2003) مي‌تواند در ثانيه ميان 2 تا 3 ميليارد دستورالعمل را پياده نمايد. رايانه‌ها اين مقدار محاسبه را صرف انجام دستورالعمل‌هاي پيچيده نمي‌کنند. بيشتر ميليونها دستورالعمل ساده را که توسط اشخاص باهوشي «برنامه نويسان» در کنار يکديگر چيده شده‌اند را اجرا مي‌کنند. برنامه نويسان خوب مجموعه‌هايي از دستورالعمل‌ها را توسعه مي‌‌دهند تا يکسري از وظايف عمومي را انجام دهند(براي نمونه، رسم يک نقطه روي صفحه) و سپس آن مجموعه دستورالعمل‌ها را براي ديگر برنامه نويسان در دسترس قرار مي‌‌دهند.(اگر مايليد «يک برنامه نويس خوب» باشيد به اين مطلب مراجعه نماييد.)
رايانه‌هاي امروزه، قادرند چندين برنامه را در آن واحد اجرا نمايند. از اين قابليت به عنوان چندکارگي (multitasking) نام برده مي‌شود. در واقع، CPU يک رشته دستورالعمل‌ها را از يک برنامه اجرا مي‌کند، سپس پس از يک مقطع ويژه زماني دستورالعمل‌هايي از يک برنامه ديگر را اجرا مي‌کند. اين فاصله زماني اکثرا به‌عنوان يک برش زماني (time slice) نام برده مي‌شود. اين ويژگي که CPU زمان اجرا را بين برنامه‌ها تقسيم مي‌کند، اين توهم را بوجود مي‌‌آورد که رايانه هم‌زمان مشغول اجراي چند برنامه است. اين شبيه به چگونگي نمايش فريمهاي يک فيلم است، که فريمها با سرعت بالا در حال حرکت هستند و به نظر مي‌‌رسد که صفحه ثابتي تصاوير را نمايش مي‌‌دهد. سيستم عامل همان برنامه‌اي است که اين اشتراک زماني را بين برنامه‌هاي ديگر تعيين مي‌کند.

سيستم عامل

رايانه هميشه نياز دارد تا براي بکارانداختنش حداقل يک برنامه روي آن در حال اجرا باشد. تحت عملکردهاي عادي اين برنامه همان سيستم عامل يا OS است. سيستم يا سامانه عامل تصميم مي‌گيرد که کدام برنامه اجرا شود، چه زمان، از کدام منابع (مثل حافظه، ورودي/خروجي و …) استفاده شود. همچنين سيستم عامل يک لايه انتزاعي بين سخت افزار و برنامه‌هاي ديگر که مي‌‌خواهند از سخت افزار استفاده کنند، مي‌‌باشد، که اين امکان را به برنامه نويسان مي‌‌دهد تا بدون اينکه جزييات ريز هر قطعه الکترونيکي از سخت افزار را بدانند بتوانند براي آن قطعه برنامه نويسي نمايند.

کاربردهاي رايانه

نخستين رايانه‌هاي رقمي، با قيمتهاي زياد و حجم بزرگشان، در اصل محاسبات علمي را انجام مي‌‌دادند، انياک يک رايانه قديمي ايالات متحده اصولا طراحي شده تا محاسبات پرتابه‌اي توپخانه و محاسبات مربوط به جدول چگالي نوتروني را انجام دهد. (اين محاسبات بين دسامبر 1941 تا ژانويه 1946 روي حجمي بالغ بر يک ميليون کارت پانچ انجام پذيرفت! که اين خود طراحي و سپس تصميم نادرست بکارگرفته شده را نشان مي‌‌دهد) بسياري از ابررايانه‌هاي امروزي صرفاً براي کارهاي ويژه محاسبات جنگ افزار هسته‌اي استفاده مي‌گردد.
CSIR Mk I نيز که نخستين رايانه استراليايي بود براي ارزيابي ميزان بارندگي در کوههاي اسنويي (Snowy)اين کشور بکاررفت، اين محاسبات در چارچوب يک پروژه عظيم توليد برقابي انجام گرفت.
برخي رايانه‌ها نيز براي انجام رمزگشايي بکارگرفته مي‌‌شد، براي مثال Colossus که در جريان جنگ جهاني دوم ساخته شد، جزو اولين کامپيوترهاي برنامه‌پذير بود(البته ماشين تورينگ کامل نبود). هرچند رايانه‌هاي بعدي مي‌توانستند برنامه ريزي شوند تا شطرنج بازي کنند يا تصوير نمايش دهند و ساير کاربردها را نشان دهد.
سياستمداران و شرکتهاي بزرگ نيز رايانه‌هاي اوليه را براي خودکارسازي بسياري از مجموعه‌هاي داده و پردازش کارهايي که قبلا توسط انسان‌ها انجام مي‌‌گرفت،بکاربستند - براي مثال، نگهداري و بروزرساني حسابها و دارايي ها. در موسسات پژوهشي نيز دانشمندان رشته‌هاي مختلف شروع به استفاده از رايانه براي مقاصدشان نمودند.
کاهش پيوسته قيمتهاي رايانه باعث شد تا سازمانهاي کوچک‌تر نيز بتوانند آنها را در اختيار بگيرند. بازرگانان، سازمانها، و سياستمداران اغلب تعداد زيادي از کامپيوترهاي کوچک را براي تکميل وظايفي که قبلا براي تکميلشان نياز به رايانه بزرگ (mainframe) گران قيمت و بزرگ بود، به کار بگيرند. مجموعه‌هايي از رايانه‌هاي کوچک‌تر در يک محل اغلب به‌عنوان خادم سرا (server farm) نام برده مي‌شود.
با اختراع ريزپردازندهها در دهه 1970 اين امکان که بتوان رايانه‌هايي بسيار ارزان قيمت را توليد نمود بوجود آمد. رايانه‌هاي شخصي براي انجام وظايف بسياري محبوب گشتند، از جمله کتابداري، نوشتن و چاپ مستندات. محاسبات پيش بيني‌ها و کارهاي تکراري رياضي توسط صفحات گسترده (spreadsheet)، ارتباطات توسط پست الکترونيک، و اينترنت. حضورگسترده رايانه‌ها و سفارشي کردن آسانشان باعث شد تا در امورات بسيار ديگري بکارگرفته شوند.
در همان زمان، رايانه‌هاي کوچک، که معمولاً با يک برنامه ثابت ارايه مي‌‌شدند، راهشان را بسوي کاربردهاي ديگري بازمي نمودند، کاربردهايي چون لوازم خانگي، خودروها، هواپيماها، و ابزار صنعتي. اين پردازشگرهاي جاسازي شده کنترل رفتارهاي آن لوازم را ساده تر کردند، همچنين امکان انجام رفتارهاي پيچيده را نيز فراهم نمودند (براي نمونه، ترمزهاي ضدقفل در خودروها). با شروع قرن بيست و يکم، اغلب دستگاههاي الکتريکي، اغلب حالتهاي انتقال نيرو، اغلب خطوط توليد کارخانه‌ها توسط رايانه‌ها کنترل مي‌شوند. اکثر مهندسان پيش بيني مي‌کنند که اين روند همچنان به پيش برود. يکي از کارهايي که مي‌توان به‌وسيله رايانه انجام داد پروگرام گيرنده ماهواره است.

گونه‌هاي رايانه

رايانه‌هاي توکار

در 20 سال گذشته يا همين حول و حوش، هرچند برخي ابزارهاي خانگي که از نمونه‌هاي قابل ذکر آن مي‌‌توان جعبه‌هاي بازي‌هاي ويديويي را که بعدها در دستگاههاي ديگري از جمله تلفن همراه، دوربين‌هاي ضبط ويديويي، و PDAها و دهها هزار وسيله خانگي، صنعتي، خودروسازي و تمام ابزاري که در درون آنها مدارهايي که نيازهاي ماشين تورينگ را مهيا ساخته اند، گسترش يافت، را نام برد(اغلب اين لوازم برنامه‌هايي را در خود دارند که بصورت ثابت روي ROM تراشه‌هايي که براي تغيير نياز به تعويض دارند،نگاشته شده اند). اين رايانه‌ها که در درون ابزارهاي با کاربرد ويژه گنجانيده شده‌اند «ريزکنترل‌گرها» يا «رايانه‌هاي توکار» (Embedded Computers) ناميده مي‌‌شوند. بنابراين تعريف اين رايانه‌ها به‌عنوان ابزاري که با هدف پردازش اطلاعات طراحي گرديده محدوديتهايي دارد. بيشتر مي‌‌توان آنها را به ماشينهايي تشبيه کرد که در يک مجموعه بزرگ‌تر به‌عنوان يک بخش حضور دارند مانند دستگاههاي تلفن، ماکروفرها و يا هواپيما که اين رايانه‌ها بدون تغيير فيزيکي توسط کاربر مي‌‌توانند براي مقاصد مختلفي بکارگرفته شوند.

رايانه‌هاي شخصي

درآخر، اشخاصي که با انواع ديگري از رايانه‌ها ناآشنا هستند از عبارت رايانه براي رجوع به نوع خاصي که رايانه شخصي (PCها) ناميده مي‌‌شوند استفاده مي‌کنند.

بقيه انواع کامپيوتر در زير نمايش داده شده اند:

* رايانه آنالوگ
* رايانه ضرباني
* ريزرايانه
o رايانه خانگي
o رايانه شخصي
o خادم يا server
* رايانه کوچک
* رايانه پردازنده مرکزي
* ابررايانه
* رايانه کوانتومي
منبع:http://www.academist.ir
/خ