تحقیق در مورد شناخت و کاربرد کامپیوتر

بخشی از مقاله

شناخت و کاربرد کامپیوتر

1- چرا بخاطر کامپیوتر بخود دردسر می دهیم؟
(اهمیت کامپیوتر)
چرا دربارة کامپیوترها بحث می کنیم؟ چرا آنها را برای نخبگانی که آنها را درک می کنند نمی گذاریم؟
شما نمی توانید به آسانی نقش کامپیوترها را ندیده بگیرید. نفوذ آنها در جامعة ما سریعاً در حال گسترش است. در کلیة امور زندگی، از صندوقهای سوپر مارکتها گرفته تا مراکز قدرت، نفوذ آنها محسوس است. اکنون بیشتر صورتحسابها و فیش های حقوقی بوسیله کامپیوتر آماده میشوند. با این وجود کامپیوترها کمتر در دید عموم قرار دارند. ممکن آنها چراغهای راهنمایی سراسر شهر را و یا سیستم تلفن محلی را کنترل کنند . ساختمان اتومبیل شما ممکن است

بوسیله یک کامپیوتر کنترل شده باشد. افه های مخصوص در فیلم های فضایی اخیر ممکن است بوسیلة کامپیوترها تولید شده باشد. حتی در خانه ها نیز ممکن است کامپیوترهای کوچکی مورد استفاده قرار گیرند.

به چه دلیل کامپیوترها چنین کاربرد وسیعی دارند؟ این امر اصولاً بدلیل کاهش فوق العادة قیمت و اندازة کامپیوترها علاوه بر افزایش قدرت و انعطاف پذیری آنها حاصل می شود و در نتیجه شما در کامپیوترها سریعتر از همیشه افزایش یافته و باز هم در حال افزایش است. اولین حسابگر الکترونیکی کامل (نه کاملاً یک کامپیوتر) در سال 1945 در دانشگاه پنسیلوانیا ساخته وانیاک نامیده شد. در سال 1950 پانزده کامپیوتر کامل شده یا در حال ساخت در جهان وجود داشت.

سی سال بعد، سالنامه استفاده کنندگان کامپیوتر برای سال 1980 مجموعه ای از 26.872 کامپیوتر را فقط در بریتانیا و ایرلند فهرست کرده است. البته این عدد در مورد تأسیسات متوسط و بزرگ بود و شمار کامپیوترهای کوچک باید خیلی بیشتر از این می شد و با احتساب کوچکترین کامپیوترها، یعنی میکرو کامپیوترها مجموع کامپیوترهای جهان سر به میلیونها می زد.

اکنون خرید یک میکرو کامپیوتر با قیمتی در حدود قیمت یک تلویزیون سیاه و سفید امکان پذیر است.
چنین میکرو کامپیوتری عملیات ریاضی را بیست بار سریعتر از انیاک انجام میدهد و حافظة بزرگتری دارد و هزاران بار قابل اطمینان تر است و همان نیرویی را مصرف می کند که یک لامپ روشنایی الکتریکی، در حالیکه انیاک نیرویی معادل نیروی یک لوکوموتیو احتیاج داشت و حجم آن 30.000 برابر میکرو کامپیوترهای امروزی و قیمتش 10.000 برابر آنها بود.

چون کامپیوترها به سرعت ارزان می شوند و سهلتر در دسترس قرار می گیرند لذا بیشتر مورد استعمال قرار گرفته، ارزشمندتر شده، اهمیت یافته و حتی سبب نگرانی می شوند. کامپیوترها بطور سریع و خستگی ناپذیر فرمانبردارند و (برخلاف آنچه متداول است) تقریباً هرگز دچار اشتباه نمی شوند. آنها توانایی انجام بسیاری از اعمالی را که تاکنون بوسیله انسان انجام می شده است دارند و بکمک آنها میتوان کاری را که بوسیلة بیش از یک دو جین انسان انجام می شده است (و حتی ممکن است بدلیل پیچیدگی و بغرنجی زیاد کسی بفکر انجام آن نیفتاده باشد) یکنفره انجام داد. یکی از موارد نگرانی در مورد گسترده تر شدن کاربرد کامپیوتر افزایش شدید بیکاری است. برای شناخت بهتر کامپیوترها و توانائیهای آنها دلایل متعدد دیگری وجود دارد که با بررسی آنها ممکن است که خطر جدی کامپیوترها را بصورت علمی و دقیق ارزیابی کرد.

همانگونه که برای روشن شدن یک گیرندة تلویزیونی دانستن طرز کار آن لازم نیست، دانستن چگونگی کار یک کامپیوتر هم به منظور استفاده از آن مورد لزوم نمی باشد. این کتاب طرز کار کامپیوتر را به دو دلیل توضیح می دهد. اول برای کسانی که ممکن است هیچگاه مجبور نباشند که یک کامپیوتر را اداره کنند یا برنامه کامپیوتر بنویسند، با این وجود ممکن است علاقه داشته باشند بدانند که یک مجموعه از اجزای الکترونیکی چگونه می تواند اعمالی را که از آن خواسته شده است انجام دهد. دوم بمنظور درک کردن انقلابی که این ماشینها علت آن هستند، دانستن اینکه آنها چگونه ساخته شده اند و چگونه عمل می کنند مفید است فقط با این اطلاعات است که هرکس می تواند دربارة قدرت کامپیوترها و محدودیت آنها قضاوت کند ابهاماتی را که پیرامون کامپیوترها وجود دارد با کمی روشنگری در مورد روش کار آنها برطرف سازد.

کامپیوترها با همة چیزهایی که ما می شناسیم بسیار متفاوتند و از این رو ارتباط دادن آنها به چیزهایی دیگر که ما در موردشان تجربه داریم بسیار مشکل است در بخش دو انواع اصلی کامپیوترها توضیح داده می شوند و مقایسه هایی ارائه می شود تا نشان دهد که یک کامپیوتر به چه چیز شباهت دارد.
جنبه ای که کامپیوترها را بی همتا می کند، قدرت آنها در پردازش اطلاعات است. این اطلاعات فقط با استفاده از دو رقم شمارشی صفر و یک در داخل کامپیوتر نمایش داده می شوند، که البته به آن اندازه که تصور می شود موجد محدودیت نیست. اینکه چگونه انواع گوناگون اطلاعات ممکن است در داخل یک کامپیوتر ذخیره شوند در بخش سه مورد بحث قرار خواهد گرفت.

بعلاوه دستور العمل ها نیز با ارقام صفر و یک بصورت رمز در حافظه کامپیوتر ذخیره می گردند. بخش چهار شرح می دهد که چگونه از چنین دستوراتی با ترتیب معین، بصورت یک برنامه استفاده می شود.

تصور اینکه چگونه وسایل الکترونیکی می توانند اعمال ریاضی را – مانند جمع کردن دو عدد – انجام دهند مشکل است. بخش پنج یک شرح غیر تکنیکی را در مورد اینکه چگونه این عمل انجام می گیرد ارائه می دهد.

کاهش قیمت و اندازة کامپیوترها، که عامل اصلی آن پیشرفت تکنولوژی ساخت تراشه های سیلسیم است، موضوعی است که در بخش شش مورد استفاده قرار می گیرد.

اگر کامپیوتر یک مغز الکترونیکی باشد به دست، چشم، گوش و دهان نیاز دارد تا قادر به پاسخ دادن گردد. بخش هفت بعضی از دستگاههایی را که در یک کامپیوتر، بعنوان مشابه اعضای بدن یک حیوان، بکار میرود بررسی می کند.

اگر دستورالعمل هایی را که یک کامپیوتر اطاعت می کند، رشته هایی از صفر و یک باشند، ممکن است این گمان را بوجود آورد که ارتباط با دستگاه بشدت مشکل است. ولی همانطوری که بخش هشت نشان می دهد، کامپیوترها را می توان طوری ساخت که علاوه بر زبان خودشان، زبانهای دیگری را نیز بفهمند.
بمنظور دادن طرحی برای طرز نوشتن یک برنامه کامپیوتری، در بخش نه نمونه برنامه ای که در یکی از عمومی ترین زبانهای برنامه نویسی دنیا نوشته شده ارائه می گردد.

به همان پایه که کامپیوترها بزرگتر شده و پیچیدگی ساختمان آنها افزایش یافته است، مسئولیت بیشتری را در کنترل کار خود بعهده گرفته اند. توسعة برنامه های بخصوصی که سیستم های اداره کننده (سیستم عامل) نامیده می شوند، در بخش ده مطرح شده است.
کاربردهای کامپیوتر آنقدر متنوع و بیشمار است که بخش یازده می تواند فقط تعداد کمی مثال برای نمایان کردن محدوده هایی که حضور محسوس کامپیوتر در آنها لازم می باشد، بیاورد.

با آنکه میکروکامپیوترها در مقایسه با دستگاههای بزرگ بیشتر از نظر اندازه و قیمت تفاوت دارند تا از جهت روشها و اصول کارکرد؛ روز بروز در حال ارزان شدن و کوچک شدن هستند، تا حدی که ممکن است در راههایی بکار روند که برای پسر عموهای بزرگترشان هرگز در نظر گرفته نشده است. بنابراین بخش دوازده به میکروها اختصاص یافته است.

در داخل کامپیوترها چه می گذارد؟
(نمایش اطلاعات)
اگر یک کامپیوتر را باز کنید داخل آن توده های سیم، تخته های مدار و قطعات الکترونیکی را می بینید. هرچند در این بخش سر و کاری با مدارها نداریم، ولی موضوع مورد بحث اطلاعات داخل کامپیوتر است. در فصل قبل گفته شد که اطلاعات، با استفاده از سیستم دودویی ذخیره و پردازش می شوند. داده هائی 22 که کامپیوترها باید پردازش کنند، بندرت ، در آغاز کار بشکل صفر و یک هستند. داده ها ممکن است عبارت باشند از نامها و آدرسها و مقادیر بدهی های پولی، تعداد قطعه های گوناگون سفارش داده شده و غیره. اگر قرار باشد که کامپیوتر با چنین اطلاعاتی سر و کار داشته باشد، باید آنها بروش دودویی رمزبندی 23 شده باشند.

منظور از رمز دقیقاً آنچه که عوامل سری از آن استفاده می کنند نیست. رمزبندی، به منظور تبدیل اطلاعات، بصورت کنترل پذیرتری می باشد. بعنوان مثال، روزهای اول اختراع تلگراف کلمات بصورت رمز توصیه شده بوسیلة ساموئل مورش فرستاده می شد.

اطلاعات را می توان به روشهای گوتاگون رمزبندی کرد اما نتیجة آنها همیشه برای پردازش مناسب نیست. مثلاً امکان دارد برای ثبت کردن یک سمفونی بتهون، هرنت را با کلمه ای بیان نمود و بعد برای انتقال دادن کلمه ها به نوازندگان از رمز مخابره بوسیلة پرچم استفاده نمود. در این حالت اطلاعات وجود دارد، ولی اعضای ارکستر پردازش آنرا مشکل می یابند. اع داد می توانند با استفاده از روش رومی ها رمزبندی شوند، اما در این صورت، انجام عمل ضرب بر روی آنها آسان نیست. (شاید بهمین دلیل است که رومی ها ریاضی دانهای بزرگی نبودند. ولی در عوض آنها از کامپیوتر عصر خویش – چرتکه – برای محاسبات مالی استفاده می کردند).

ساده ترین راه برای ذخیره و پردازش اطلاعات در کامپیوتر استفاده از رمز بندی در سیستم دودویی است. که در آن فقط از علائم صفر و یک استفاده می شود. یک رقم دودویی که می تواند صفر و یک باشد، اغلب با نام کوتاه شدة بیت 24 خوانده می شود. طی سالها روش مطلوب انبار کردن بیت ها، استفاده از حلقه های کوچک فلز مغناطیسی 25 بود. هریک از این حلقه ها زمانی که در یک جهت معین مغناطیسی شده باشد برای نمایش عدد یک بکار میرود والا نمایانگر صفر خواهد بود. سیمهایی در داخل حلقه ها، جهت مغناطیسی آنها را عوض و یا تست می کند.

امروزه بجای حافظه هایی متشکل از حلقه های مغناطیسی از مدارات الکترونیکی استفاده می شود. هر مقدار، وقتی جریان از آن عبور می کند یک یک را نشان می دهد و زمانی که جریان عبور نمی کند یک صفر را.

بیت ها علاوه بر اینکه بکمک الکترونیک ذخیره می شوند، بهمان وسیله نیز پردازش می شوند. اینکه چگونه ممکن است برای جمع کردن دو عدد دودویی، از مدارات الکترونیکی استفاده کرد، موضوعی است که در بخش پنج مورد بحث قرار خواهد گرفت.
نتیجه منطقی مسایل ذکر شده این است که اطلاعات داده شده به کامپیوتر باید به سیستم دودویی ترجمه شوند. اعداد دهدهی برای ما بسیار آشنا هستند، ولی اعداد دودویی نیاز به مقداری توضیح دارند.

احتمال دارد شما تصور کنید که اعداد رمزبندی شده بصورت مجموعه ای از صفرها و یک ها، نسبت به اعداد رمزبندی شده با استفاده از همة ده رقم، محدودیت بیشتری ایجاد می کنند؛ ولی چنین نیست. هر عددی که بتواند با استفاده از سیستم ده علامتی نمایش داده شود، با استفاده از فقط دو علامت نیز قابل نمایش است. برای فهمیدن چگونگی این عمل، ابتدا لازم است که در ارتباط با شمارش دهدهی کاملاً روشن شویم.
یک کیلومتر شمار دوچرخه را در نظر بگیرید. هر کدام از چرخدنده های داخل آن، دارای ده علامت صفر تا نه می باشد. وقتی که دوچرخه حرکت کرده و تا نه کیلومتر حرکت می کند، در فهم اینکه چه فاصله ای پیموده شده اشکالی وجود ند ارد.

حال اگر دوچرخه یک کیلومتر دیگر حرکت کند مشکلی پیش می آید. دیگر علامتی برای عدد ده وجود ندارد البته همة ما می دانیم دکه چه باید کرد؛ اما عده کمی، به اینکه این عمل چه مفهومی دارد، فکر می کنند رقم قبلی را تبدیل به صفر می کنیم و یک واحد به ستون بعدی نقل می کنیم. عدد حاصل، به این معنی است، یک گروه ده تایی و صفر واحد. بطور کلی ستونها را می توان بصورت زیر نامگذاری کرد:
پس دیگر مشکلی در فهم این مطلب موجود نیست و برای مثال، عدد 025708 چنین معنی می دهد: دو – ده هزار، پنج - هزار ، هفت – صد، هیچ – ده و هشت واحد.

حال فرض کنید ما یک کیلومتر شمار داریم که روی هر چرخ دنده آن فقط دو علامت صفر و یک نوشته شده است. تا وقتی دوچرخه از صفر کیلومتر تا یک کیلومتر حرکت کند مشکلی وجود ندارد:

مشکل زمانی بوجود می آید که دوچرخه یک کیلومتر بیشتر حرکت می کند، چون علامتی برای عدد دو موجود نیست. پس رقم قبلی را صفر قرار می دهیم و یک واحد (به ستون بعد) نقل می کنیم. علامت حاصل چنین معنی خواهد داد : یک گروه دو تایی و هیچ واحد. بطور کلی ستون ها را می توان بصورت زیر نامگذاری کرد:

به عنوان مثال عدد 010110 در سیستم دودویی چنین معنی می دهد، یک گروه شانزده تایی، هیچ
گروه هشت تایی، یک گروه چهار تایی، یک گروه دوتایی، و هیچ واحد. به عبارت دیگر عدد 22 در سیستم دهدهی.
در انبار حافظة یک کامپیوتر، جعبه هایی وجود دارند که مانند کیلومتر شمارهای دودویی کار می کنند. هر جعبه می تواند یک ردیف از بیت ها را نگه دارد. اعداد درست مثبت (0 و 1و 2 و 3 و 4 و ...) می توانند در چنین کیلومتر شمار دودویی، بصورتی که در صفحات قبل توضیح داده شد، نگهداری شوند. اعداد درست منفی (1- و 2- و 3 و 4- و ...) می توانند بوسیله در نظر گرفتن اولین بیت از سمت چپ بعنوان علامت، نمایش داده می شوند: صفر بمعنی مثبت و یک بمعنی منفی. (کامپیوترها در روشی که برای نمایش اعداد منفی بکار می برند، تفاوت دارند، توضیح فوق در مورد یکی از راههای نمایش دادن آنها است).
تابحال ما فقط از ذخیره کردن اعداد درست صحبت کردیم (یا اعداد صحیح، آنطور که ریاضی دانها آنها را می نامند). این اعداد امکان دارد برای کشاورزی که فرضاً می خواهد مقدار محصول نخود را محاسبه کند مناسب باشد اما برای آمارگری که احتیاج دارد با معدلی از 65/2 نفر سروکار داشته باشد مناسب نیست.
ما چگونه می توانیم چنین اعداد کسری را (که ریاضی دانها آنها را اعداد حقیقی می خوانند) روی یک کیلومتر شما دودویی نمایش دهیم. ابتدا انجام این کار را در یک کیلومتر شمار دهدهی در نظر می گیریم.

اخترشناسان نیاز به استفاده از اعداد بسیار بزرگ دارند و میکرب شناسها نیازمند استفاده زیاد از اعداد بسیار کوچکند. ریاضی دانها راهی برای ساده تر نوشتن اعداد خیلی بزرگ یا خیلی کوچک دارند. آنها عدد 26.500.000.000 را بصورت 1011 × 265/0 می نویسند (که بصورت دویست و شصت و پنج هزارم ضرب در ده

به توان یازده خوانده می شود) و عدد 0.000.000.000.0265 را به شکل 10-7 ×265/0 می نویسند. برای انجام این کار آنها ممیز اعشاری را به اندازة چند مکان انتقال می دهند تا مقداری کسری در وضعیت مناسبی قرار گیرد، سپس تعداد مکانهایی را که ممیز اعشاری انتقال پیدا کرده بعنوان توان 0 می نویسند. (یازده یعنی یازده مکان بطرف چپ، منفی هفت یعنی هفت مکان بطرف راست).

چون در یک کیلومتر شمار فضا محدود است، می توان این روش را برای متراکم تر کردن اعداد بکار بست. هر عدد حقیقی را آنقدر تغییر می دهیم تا ممیز قبل از اولین رقم بیاید. در ضمن باید تعداد مکانهایی که ممیز اعشاری حرکت می کند شمارش شود. مثلاً :
با انتقال سه مکان بطرف چپ 2813/0 3/281
با انتقال دو مکان بطرف راست 52/0 0052/0

اکنون دو عدد برای قرار دادن دو کیلومتر شمار وجود دارد. مقدار کسری (2813/0 یا 52/0 در اینجا) و تغییر مکان عدد اعشاری 3+ یا 2- در اینجا). در حقیقت اینکه تغییر مکان ممکن است منفی باشد، قدری نامناسب است. چون ما در حال قرار دادن قواعد هستیم، اجازه بدهید به هر عدد مربوط به تغییر مکان 50 واحد بیفزاییم، تا همیشه (در داخل محدودة عملمان) مثبت باشد. پس اعداد مربوط به تغییر مکان یعنی 2- و 3+ به 48 و 53 تبدیل خواهند شد.
حال این دو عدد را می توان به صورت زیر در کیلومتر شمارهای دهدهی قرار داد:

عدد مربوط به تغییر مکان اولین دو مکان را اشغال می کند و مقدار کسری در بقیه کیلومتر شمار قرار می گیرد. مسلماً ممیز را در کیلومتر شمار نمی توان نمایش داد، چون هیچ یک از چرخ دنده ها این علامت را ندارند. پس باید فرض شود که ممیز بلافاصله قبل از مقدار کسری قرار دارد.
در مورد کیلومتر شمارهای دودویی نیز می توان تکنیک مشابهی را بکار زد. چند بیت را می توان برای نگهداری عدد مربوط به تغییر مکان (که معمولاً توان گفته می شود) در نظر گرفت و بقیة کیلومتر شمار را برای مقدار کسری عدد دودویی کنار گذاشت. برای مثال:

شنیدن اینکه کامپیوترها قادر به ذخیرة اعداد هستند، تعجب آور نیست. برخی بر این باورند که کامپیوترها بطور ساده ماشین های حسابگر بزرگی هستند که فقط توانایی انجام عملیات دلخواه روی اعداد را دارند. ولی دقیقاً این طور نیست؛ حروف ، لغات و جملات نیز بوسیله کامپیوتر ذخیره و پردازش می شوند. این بدین معنی است که آنها باید بصورت عباراتی شامل صفر و یک، رمزبندی شوند. برای فهمیدن چگونگی انجام این عمل، دوباره می توان از کیلومتر شما دهدهی، بعنوان پایه ای برای مقایسه های بعدی، استفاده کرد.