رايانه ، ناسا و سفرهاي فضايي
ترجمه : رضا كياني موحد
هنگامي كه يكي از نرم افزارهاي رايانه شخصي شما دچار اشكال شود مي توان آن را به گونه اي بي اثر كرده و كاركرد رايانه را به حالت عادي درآورد . اما اگر نرم افزارهاي يك ماهواره در حال پرتاب يا يك شاتل در حال فرود دچار اشكال شوند آنگاه مسئله به وضعيت وخيمي منجر خواهد شد. «جيمز ني. تومايكو» به عنوان يك مهندس نرم افزار نگاهي به مبارزه بين ناسا و رايانه هايش در سه ، چهار دهه اخير انداخته و سرانجام اين مبارزه را بررسي كرده است .
هنگامي كه ناسا در سال 1958 ميلادي متولد شد "يونيواك" نمونه اي از رايانه هاي آن عصر محسوب مي شد . يك سيستم رايانه اي در آن دوره عبارت بود از نوارهاي مغناطيسي حافظه ، چاپگرهاي پرسر و صدا و جعبه هاي زمختي در اندازه هاي يك خانه مسكوني . علاوه بر همه اينها ، هر كدام از اين غول هاي گران قيمت براي كاركردن به لشكر كوچكي از متخصصان با تجربه نياز داشتند . پس از گذشت 15 سال ، ناسا به يكي از بزرگ ترين مجموعه دارها در زمينه جمع آوري اين هيولاها تبديل شده بود و در هر يك از مراكز و آزمايشگاه هايش يك يا چند نمونه از آنها را به كار گرفته بود. كساني كه در آن دوران به فعاليت در حوزه رايانه اشتغال داشتند حتي در خواب هم نمي ديدند كه روزي ناسا رايانه هايش را به فضا بفرستد.
10 سال بعد ، رايانه هاي بزرگ هيولاوش جاي خود را به تعداد زيادي رايانه هاي كوچك تر داده بودند كه در قالب شبكه به يكديگر وصل شده بودند. اين دگرگوني شگفت انگيز بازتابي از توسعه رايانه هاي تجاري بود. در جايي كه نياز به محاسبات پيچيده بود، رايانه هاي كوچك وظايف رايانه هاي بزرگ را بر عهده گرفتند و در جايي كه نياز به محاسبات نبود (خودرو ، خانه و...) رايانه ها به آرامي جاي خود را باز كردند. در جايي كه حجم اطلاعات زياد بود ، شبكه هاي متمركز به ياري آمدند و هر رايانه قسمتي از بارپردازش اطلاعات را بر دوش گرفت.
امروزه ناسا به عنوان يكي از بزرگ ترين كاربران رايانه شناخته مي شود ، چرا كه انجام يك پرواز فضايي بدون دخالت رايانه ناممكن است. عقيده مشتركي وجود دارد كه نيازهاي ناسا را يكي از موتورهاي محركه توسعه و رشد شتابان علم رايانه مي داند. اما در واقع ، اوضاع به همين سادگي و روشني هم نبوده است . ناسا ، در بيشتر موارد ، به دليل نياز به ايمني و قابليت اعتماد ، فناوري هاي نوين را به بازي نمي گرفت و آنها را با احتياط جذب مي كرد . بنابراين ناسا اغلب خود را در وضعيت متناقضي پيدا مي كرد كه بايد براي يافتن راه حل مشكلات جديد پروازي دست به مبارزه مي زد . به هر حال ، در بعضي موارد كه تجهيزات امتحان پس داده مناسبي براي پروژه جديد در دسترس نبود ،به كارگيري فناوري هاي جديد كه بيشتر براي استفاده در روي زمين ساخته شده بودند ، امكان پذير مي شد. اين رويداد به ويژه در ماهواره ها و فضاپيماهاي بدون سرنشين احتمال بيشتري داشت ، چرا كه نبود خلبان ، دست طراحان را براي پذيرش خطر استفاده از تجهيزات جديد باز مي گذاشت . البته تمام پيكره سازمان برخورد يكساني با روش هاي جديد محاسبات ماشيني نداشتند و بودند قسمت هايي از ناسا كه در برابر رشد روش هاي رايانه اي مقاومت مي كردند. به هر روي ، ناسا در توسعه رايانه و تجهيزات ويژه آن شركت جسته و نقش موثري بازي كرد.
ناسا از رايانه هايش بر روي زمين و همچنين پرواز هاي سرنشين دار و بدون سرنشين استفاده مي كند. اين سه حوزه مشخصا نيازهاي متفاوت دارند و طبيعت اين نيازها ، سخت افزار و نرم افزارهاي متفاوتي را طلب مي كند. بنابراين ، برخوردهاي متفاوت ناسا با سخت افزار و نرم افزارهاي جديد برآمده از نيازهاي گوناگون اين سازمان است .
رايانه ها اجزاي جدا نشدني پروازهاي فضايي هستند. امروزه اين گونه تجهيزات براي ناوبري ، هدايت ، اصلاح مسير پرواز ، مديريت سيستم هاي داخلي ، پردازش اطلاعات ، ملاقات فضاپيماها در فضا با يكديگر و كنترل ارتفاع آنها استفاده مي شود به هر حال ، اولين فضاپيماي سرنشين دار ناسا به نام "مركوري" ، هيچ رايانه اي در درون خود نداشت . به مدت 15 سال پروازهاي مداري و بدون سرنشين و پرواز به اعماق كهكشان بدون وجود رايانه هاي چند كاره در داخل اين فضاپيماها انجام شدند. هنوز اما ، پرواز فضاپيماهايي چون شاتل و گاليله بدون رايانه ناممكن است . در حقيقت ، در فضاپيماي جديد نه يكي بلكه چندين رايانه به كار گرفته مي شوند. اين تغيير سبب شده تا بتوان از فضا پيماهاي امروزي به عنوان وسايلي چند كاره استفاده كرد. فضاپيماي چند منظوره در اثر افزايش قدرت نرم افزارها ، كه سخت افزارها را به صورت بهينه مورد استفاده قرار مي دهند ، به وجود مي آيد . هنگامي كه ماموريت سفينه تغيير مي كند و پيچيده تر مي شود، تعويض نرم افزارها با نرم افزارهاي جديدتر براي هماهنگ شدن با تغييرات ، ارزان تر و سريع تر ازتعويض سخت افزارهاست .
رايانه يك فضاپيما و رايانه يك پايگاه زميني هر دو اطلاعات را ذخيره و بر روي آنها محاسبه انجام مي دهند ، اما هر كدام براي پردازش و ورود و خروج اطالعات روش هاي متفاوتي را به كار مي برند. يك رايانه بزرگ متعلق به زماني كه اولين رايانه ها در پروازهاي سرنشين دار به كار رفتند ، مي توانست در يك زمان تنها بر روي يك برنامه كار كند و براي اجراي برنامه بعدي بايد منتظر خاتمه اجراي برنامه قبلي مي شد در اين روش پردازش ، ابتدا بايد تمامي برنامه در حافظه رايانه جاي مي گرفت و سپس اطلاعات مورد نياز برنامه توسط كارت هاي پيش سوراخ شده (پانچ شده) به رايانه منتقل مي شد . گذشت زمان ، تغييرات سيستم هاي رايانه اي و افزايش كارايي آنها را در پي داشت . در گذشته، هنگامي كه پردازشگر در حال انجام دادن محاسبات بود ، تجهيزات ورودي و خروجي رايانه بلا استفاده مي ماندند و اگر يكي از اين تجهيزات جانبي به كار گرفته مي شد ، به ناچار پردازشگر بايد محسبات خود را متوقف مي كرد. يكي از راه هاي استفاده بهينه از اين سخت افزارهاي گران قيمت آن بود كه سيستم عاملي طراحي شود كه به يك برنامه اجازه بدهد تا از منابع و تجهيزاتي نظير (اسكنر ، چاپگر و...) كه براي ديگر برنامه ها مورد نياز نيستند، استفاده كند. اين گونه بود كه كاربران مي توانستند از امكانات محاسباتي پردازشگر و ورودي ـ خروجي ها ، هم زمان استفاده كنند. روش ديگر آن بود كه يك برنامه را به چند قسمت تقسيم مي كردند. هنگامي كه پردازشگر اجراي يك قسمت از برنامه را به پايان مي رساند، به اجراي يك برنامه ديگر مي پرداخت و در انتها به ادامه محاسبات مربوط به برنامه اول باز مي گشت. اين چرخه و برش هاي زماني اجازه مي دادند تا چندين كاربر به يك رايانه وصل شده و همزمان چند برنامه متفاوت را بر روي آن اجرا كنند؛ در صورتي كه رايانه ظاهرا در هر زمان تنها مي توانست به اجراي يك برنامه بپردازد . رايانه هاي بزرگ آن موقع آن قدر سرعت داشتند كه هيچ كاربري متوجه وقفه كوچكي كه در حين اجراي برنامه اش پديد آمده بود، نمي شد . بديهي است كه در هر دو روش بايد اطلاعات مورد نياز برنامه ها از قبل آماده و بر روي كارت هاي پانچ شده منتقل مي شد . پس حتي اگر براي رسيدن به سرعت بيشتر ، چند برنامه به صورت هم زمان در رايانه اجرا مي شدند ، نياز به كارت هاي پانج شده از بين نمي رفت . هنگامي كه پردازشگر به اجراي نرم افزارها مي پرداخت ، باز هم بايد كاربران منتظر مي ماندند تا نتايج به خروجي ها فرستاده شود .
رايانه هاي نصب شده بر روي ماهواره هاي و فضاپيماها در شرايط كاري اساسا متفاوتي كار مي كنند. پردازشگرهاي آنها در وضعيت "زمان واقعي" (بلادرنگ) هستند. ماهيت اطلاعات ورودي و خروجي آنها ناهم زمان بوده و پردازشاآنها هيچ گاه متوقف نمي شود. پردازشگر چنين رايانه اي مانند يك تلفنچي است كه نمي داند تماس بعدي از كدام خط صورت مي گيرد . اطلاعات بلافاصله پس از دريافت ، پردازش و بر اساس آنها تصميم گيري شود. براي مثال ، رايانه اي كه مرحله فرود يك شاتل را هدايت مي كند نمي تواند اطلاعات سطوح پروازي شاتل را به صورت كارت هاي پانچ شده دريافت كند. تا خدمه فضاپيما بخواهند اين اطلاعات را جمع آوري كرده و به كارت هاي پانچ شده منتقل كنند، يا شاتل از كنترل خارج شده و يا در مسيري اشتباه قرار گرفته است! پردازش در زمان واقعي به تجهيزاتي نياز دارد كه نمي توان آنها در رايانه هاي بزرگ پايگاه هاي زميني پيدا كرد.
نرم افزارهاي به كار رفته در فضاپيماها و ماهواره ها هيچگاه نبايد "قفل" شوند يا اين كه به پاياني غير معمول و تعريف نشده (مثلا ، تقسيم يك عدد بر صفر) برسند. اگر نرم افزاري در اين فضاپيماها قفل شود، آن فضاپيما از دست رفته محسوب مي شود . همچنين سخت افزارهاي نصب شده در آنها نيز بايد كاملا قابل اطمينان باشند يا با استفاده از چند سخت افزار پشتيبان به سطح كاري قابل اطميناني برسند. البته به كارگيري سخت افزار و نرم افزارهاي پشتيبان هزينه هاي ساخت سفينه را بالا خواهند برد ضمنا حافظه هاي به كار رفته در اين رايانه ها بايد غير فرار باشند تا اگر منبع تغذيه به هر دليلي قطع شد ، اطلاعات ذخيره شده در آنها از بين نرود. بر خلاف رايانه هاي شخصي و معمولي كه از حافظه هاي نيمه هادي فرار استفاده مي كنند در رايانه فضاپيماها و ماهواره ها از حافظه هاي قديمي "حلقه مغناطيسي" استفاده مي شود. اطلاعات اين گونه حافظه هاي با قطع منبع تعذيه "پاك" نمي شود. وزن ، اندازه و انرژي مصرفي از موارد ديگري هستند كه طراحان اين گونه رايانه ها بايد آنها را در نظر بگيرند.
حتي اگر فضاپيماهاي سرنشين دار و بدون سرنشين نيازهاي مشابهي هم داشته باشند، تا همين اواخر امكان استفاده از رايانه هاي مشابه در هر دوي آنها وجود نداشت . هيچ گاه يك رايانه قدرتمند ، ماننند آنچه كه در شاتل ها وجود دارد ، بر روي يك ماهواره نصب نشده است . رايانه هاي يك شاتل بزرگ تر و پرمصرف تر از آن هستند كه در سفينه اي مانند پايونير-10 نصب شده و به خارج از منظومه شمسي پرتاب شوند. ريز پردازنده هاي قدرتمند جديد نويد حل شدن اين مشكلات را مي دهند ، اما رايانه هايي كه در اينجا بررسي كرده ايم به دوران قبل از ريزپردازنده ها تعلق دارند. همچنين ، رايانه هاي فضا پيماهاي سرنشين دار براي پروازهاي كوتاه مدت ، حداكثر چند هفته ، ساخته شده اند ، اما اين وضع با گسترش ايستگاه هاي فضايي و دورخيز بشر به سوي سياره سرخ تغيير خواهد كرد. رايانه اي كه براي يك ماهواره يا فضاپيماي اعزام شده به خارج از منظومه شمسي طراحي مي شود ، بايد بتواند با مصرف اندك انرژي و براي سال ها بدون اشكال كار كند. حتي اگر هر دو فضاپيما ، بدون سرنشين و سرنشين دار ، نياز به قابليت اعتماد بالا داشته باشند، شرايط متفاوت ماموريت آنها ميزان و نوع قابل اعتماد بودن رايانه هايشان را تعيين مي كند.
ناسا در دهه هاي 60 و 70 ميلادي براي توسعه رايانه هايي تلاش مي كرد كه بتوانند فشارهاي فيزيكي مرحله پرتاب موشك را تحمل كرده و در شرايط محيطي فضا كار كنند. در انتها ، ناسا موفق شد كه فضاپيماهاي پيچيده اي ساخته و ماموريت هاي جاه طلبانه اي را به سرانجام برساند. حال ، ناسا فناوري هاي جديد دلگرم كننده و تجهيزات قابل اعتمادي براي پروازهايش يافته بود. در پروازهاي سرنشين دار تمايل بود كه بيشتر از تجهيزات در دسترس ، كه امتحانشان را پس داده اند، استفاده شود. درفضاپيماهاي بدون سرنشين و ماهوره ها دست طراحان براي استفاده از فناوري هاي نوظهر و ابتكاري بازتر بود.
در عوض ، هر چند رايانه هاي بزرگي كه ناسا در پايگاه ها و آزمايشگاه هايش به كار گرفته بود، مانند شركت هاي تجاري نياز به پردازش حجم عظيمي از اطلاعات را منعكس مي كردند، اما ناسا تا همين اواخر رايانه هاي تجاري معمولي را براي پردازش در "زمان واقعي" به كار نگرفته بود. بنابراين ، ناسا مي توانست با استفاده از نرم افزارهاي ابتكاري ويژه "زمان واقعي" ، رايانه هاي تجاري موجود در بازار را براي رفع نيازهايش به خدمت گيرد. بازرسي هاي پيش از آغاز پرواز ، كنترل ماموريت ، شبيه سازي و پردازش تصاوير گرفته شده به وسيله ماهواره ها ، از تركيب بيشماري از رايانه هاي بزرگ و رايانه هاي كوچكتر استفاده مي كنند. پس ، در حالي كه سخت افزارهاي درون ماهواره ها و فضاپيماها بر اساس نيازهاي ناسا سفارش و طراحي مي شدند، برخورد ناسا با رايانه هاي زميني بر اساس نيازهاي نرم افزاري مراكز زميني هدايت مي شد. طبيعتا ابتكارات نرم افزاري كه براي حل يك مسئله در رايانه هاي بزرگ طراحي شده ، بيشتر امكان دارد در جهان تجاري فراگير شود تا نرم افزاري كه براي يك ماهواره خاص نوشته شده و شايد در تمامي مراحل پرواز ماهواره تنها يكبار اجرا شود. ناسا فنون برنامه نويسي پيشرفته اي را به دنيا هديه داده است . اين فنون ، قوانيني را در بردارند كه به برنامه نويسان اجازه مي دهند نرم افزارهاي بزرگ تر و قابل اعتمادتري بنويسند.
حتي اگر نيازها و راه حل ها براي رايانه هاي بزرگ ،رايانه فضاپيماهاي بدون سرنشين و فضاپيماهاي سرنشين دار متفاوت باشند ، باز هم چند مسئله مشترك هر سه حوزه را به هم نزديك مي كند. تقريبا در همه اين موارد ، مديران ناسا اجازه رشد سيستم هاي مورد نياز را ندادند و سبب شدند تا سخت افزار و نرم افزارهاي گران قيمتي براي پروژه هاي كوچك و پيش پا افتاده به كار روند. مسلما پيشرفت هاي اخير اجازه مي دهند كه طراحان ، سيستم ها و فنون رايانه اي آزمايش شده را براي چند پرواز يا پشتيباني از چند ماموريت به كار برند كه مي تواند به كاهش هزينه ها و ايجاد راه حل هاي سفارشي منجر شود. همچنين ، امروزه نسبت به رايانه هاي كوچك جمع شده در يك شبكه اعتماد بيشتري نسبت به يك رايانه بزرگ وجود دارد. اين رايانه ها مي توانند مراحل گوناگون پردازش يك برنامه را در ميان خود تقسيم كنند؛ و براي رسيدن به يك سطح اعتماد قابل قبول ، اقتصادي تر از رايانه هاي بزرگ هستند.
ناسا از زمان تاسيس تا به امروز ، بدون در نظر گرفتن بر خوردش با محاسبات ماشيني و رايانه ، نمونه هاي با ارزشي از رشد توان محاسباتي ، گوناگوني و موثر بودن رايانه ها را ارائه كرده است . سال هاي پاياني دهه 50 به عنوان مبدأ دخالت رايانه در توسعه علم و تجارت آمريكا شناخته مي شود. اشتهاي سيري ناپذير اين سازمان به جذب آنچه كه صنايع رايانه اي مي توانستند ارائه دهند، به توليد تعداد زيادي از جالب ترين و خلاقانه ترين تجهيزات رايانه اي ساخت دست بشر منجر شده است.
منبع:دانشمند شماره 566
/ع
هنگامي كه ناسا در سال 1958 ميلادي متولد شد "يونيواك" نمونه اي از رايانه هاي آن عصر محسوب مي شد . يك سيستم رايانه اي در آن دوره عبارت بود از نوارهاي مغناطيسي حافظه ، چاپگرهاي پرسر و صدا و جعبه هاي زمختي در اندازه هاي يك خانه مسكوني . علاوه بر همه اينها ، هر كدام از اين غول هاي گران قيمت براي كاركردن به لشكر كوچكي از متخصصان با تجربه نياز داشتند . پس از گذشت 15 سال ، ناسا به يكي از بزرگ ترين مجموعه دارها در زمينه جمع آوري اين هيولاها تبديل شده بود و در هر يك از مراكز و آزمايشگاه هايش يك يا چند نمونه از آنها را به كار گرفته بود. كساني كه در آن دوران به فعاليت در حوزه رايانه اشتغال داشتند حتي در خواب هم نمي ديدند كه روزي ناسا رايانه هايش را به فضا بفرستد.
10 سال بعد ، رايانه هاي بزرگ هيولاوش جاي خود را به تعداد زيادي رايانه هاي كوچك تر داده بودند كه در قالب شبكه به يكديگر وصل شده بودند. اين دگرگوني شگفت انگيز بازتابي از توسعه رايانه هاي تجاري بود. در جايي كه نياز به محاسبات پيچيده بود، رايانه هاي كوچك وظايف رايانه هاي بزرگ را بر عهده گرفتند و در جايي كه نياز به محاسبات نبود (خودرو ، خانه و...) رايانه ها به آرامي جاي خود را باز كردند. در جايي كه حجم اطلاعات زياد بود ، شبكه هاي متمركز به ياري آمدند و هر رايانه قسمتي از بارپردازش اطلاعات را بر دوش گرفت.
امروزه ناسا به عنوان يكي از بزرگ ترين كاربران رايانه شناخته مي شود ، چرا كه انجام يك پرواز فضايي بدون دخالت رايانه ناممكن است. عقيده مشتركي وجود دارد كه نيازهاي ناسا را يكي از موتورهاي محركه توسعه و رشد شتابان علم رايانه مي داند. اما در واقع ، اوضاع به همين سادگي و روشني هم نبوده است . ناسا ، در بيشتر موارد ، به دليل نياز به ايمني و قابليت اعتماد ، فناوري هاي نوين را به بازي نمي گرفت و آنها را با احتياط جذب مي كرد . بنابراين ناسا اغلب خود را در وضعيت متناقضي پيدا مي كرد كه بايد براي يافتن راه حل مشكلات جديد پروازي دست به مبارزه مي زد . به هر حال ، در بعضي موارد كه تجهيزات امتحان پس داده مناسبي براي پروژه جديد در دسترس نبود ،به كارگيري فناوري هاي جديد كه بيشتر براي استفاده در روي زمين ساخته شده بودند ، امكان پذير مي شد. اين رويداد به ويژه در ماهواره ها و فضاپيماهاي بدون سرنشين احتمال بيشتري داشت ، چرا كه نبود خلبان ، دست طراحان را براي پذيرش خطر استفاده از تجهيزات جديد باز مي گذاشت . البته تمام پيكره سازمان برخورد يكساني با روش هاي جديد محاسبات ماشيني نداشتند و بودند قسمت هايي از ناسا كه در برابر رشد روش هاي رايانه اي مقاومت مي كردند. به هر روي ، ناسا در توسعه رايانه و تجهيزات ويژه آن شركت جسته و نقش موثري بازي كرد.
ناسا از رايانه هايش بر روي زمين و همچنين پرواز هاي سرنشين دار و بدون سرنشين استفاده مي كند. اين سه حوزه مشخصا نيازهاي متفاوت دارند و طبيعت اين نيازها ، سخت افزار و نرم افزارهاي متفاوتي را طلب مي كند. بنابراين ، برخوردهاي متفاوت ناسا با سخت افزار و نرم افزارهاي جديد برآمده از نيازهاي گوناگون اين سازمان است .
رايانه ها اجزاي جدا نشدني پروازهاي فضايي هستند. امروزه اين گونه تجهيزات براي ناوبري ، هدايت ، اصلاح مسير پرواز ، مديريت سيستم هاي داخلي ، پردازش اطلاعات ، ملاقات فضاپيماها در فضا با يكديگر و كنترل ارتفاع آنها استفاده مي شود به هر حال ، اولين فضاپيماي سرنشين دار ناسا به نام "مركوري" ، هيچ رايانه اي در درون خود نداشت . به مدت 15 سال پروازهاي مداري و بدون سرنشين و پرواز به اعماق كهكشان بدون وجود رايانه هاي چند كاره در داخل اين فضاپيماها انجام شدند. هنوز اما ، پرواز فضاپيماهايي چون شاتل و گاليله بدون رايانه ناممكن است . در حقيقت ، در فضاپيماي جديد نه يكي بلكه چندين رايانه به كار گرفته مي شوند. اين تغيير سبب شده تا بتوان از فضا پيماهاي امروزي به عنوان وسايلي چند كاره استفاده كرد. فضاپيماي چند منظوره در اثر افزايش قدرت نرم افزارها ، كه سخت افزارها را به صورت بهينه مورد استفاده قرار مي دهند ، به وجود مي آيد . هنگامي كه ماموريت سفينه تغيير مي كند و پيچيده تر مي شود، تعويض نرم افزارها با نرم افزارهاي جديدتر براي هماهنگ شدن با تغييرات ، ارزان تر و سريع تر ازتعويض سخت افزارهاست .
رايانه يك فضاپيما و رايانه يك پايگاه زميني هر دو اطلاعات را ذخيره و بر روي آنها محاسبه انجام مي دهند ، اما هر كدام براي پردازش و ورود و خروج اطالعات روش هاي متفاوتي را به كار مي برند. يك رايانه بزرگ متعلق به زماني كه اولين رايانه ها در پروازهاي سرنشين دار به كار رفتند ، مي توانست در يك زمان تنها بر روي يك برنامه كار كند و براي اجراي برنامه بعدي بايد منتظر خاتمه اجراي برنامه قبلي مي شد در اين روش پردازش ، ابتدا بايد تمامي برنامه در حافظه رايانه جاي مي گرفت و سپس اطلاعات مورد نياز برنامه توسط كارت هاي پيش سوراخ شده (پانچ شده) به رايانه منتقل مي شد . گذشت زمان ، تغييرات سيستم هاي رايانه اي و افزايش كارايي آنها را در پي داشت . در گذشته، هنگامي كه پردازشگر در حال انجام دادن محاسبات بود ، تجهيزات ورودي و خروجي رايانه بلا استفاده مي ماندند و اگر يكي از اين تجهيزات جانبي به كار گرفته مي شد ، به ناچار پردازشگر بايد محسبات خود را متوقف مي كرد. يكي از راه هاي استفاده بهينه از اين سخت افزارهاي گران قيمت آن بود كه سيستم عاملي طراحي شود كه به يك برنامه اجازه بدهد تا از منابع و تجهيزاتي نظير (اسكنر ، چاپگر و...) كه براي ديگر برنامه ها مورد نياز نيستند، استفاده كند. اين گونه بود كه كاربران مي توانستند از امكانات محاسباتي پردازشگر و ورودي ـ خروجي ها ، هم زمان استفاده كنند. روش ديگر آن بود كه يك برنامه را به چند قسمت تقسيم مي كردند. هنگامي كه پردازشگر اجراي يك قسمت از برنامه را به پايان مي رساند، به اجراي يك برنامه ديگر مي پرداخت و در انتها به ادامه محاسبات مربوط به برنامه اول باز مي گشت. اين چرخه و برش هاي زماني اجازه مي دادند تا چندين كاربر به يك رايانه وصل شده و همزمان چند برنامه متفاوت را بر روي آن اجرا كنند؛ در صورتي كه رايانه ظاهرا در هر زمان تنها مي توانست به اجراي يك برنامه بپردازد . رايانه هاي بزرگ آن موقع آن قدر سرعت داشتند كه هيچ كاربري متوجه وقفه كوچكي كه در حين اجراي برنامه اش پديد آمده بود، نمي شد . بديهي است كه در هر دو روش بايد اطلاعات مورد نياز برنامه ها از قبل آماده و بر روي كارت هاي پانچ شده منتقل مي شد . پس حتي اگر براي رسيدن به سرعت بيشتر ، چند برنامه به صورت هم زمان در رايانه اجرا مي شدند ، نياز به كارت هاي پانج شده از بين نمي رفت . هنگامي كه پردازشگر به اجراي نرم افزارها مي پرداخت ، باز هم بايد كاربران منتظر مي ماندند تا نتايج به خروجي ها فرستاده شود .
رايانه هاي نصب شده بر روي ماهواره هاي و فضاپيماها در شرايط كاري اساسا متفاوتي كار مي كنند. پردازشگرهاي آنها در وضعيت "زمان واقعي" (بلادرنگ) هستند. ماهيت اطلاعات ورودي و خروجي آنها ناهم زمان بوده و پردازشاآنها هيچ گاه متوقف نمي شود. پردازشگر چنين رايانه اي مانند يك تلفنچي است كه نمي داند تماس بعدي از كدام خط صورت مي گيرد . اطلاعات بلافاصله پس از دريافت ، پردازش و بر اساس آنها تصميم گيري شود. براي مثال ، رايانه اي كه مرحله فرود يك شاتل را هدايت مي كند نمي تواند اطلاعات سطوح پروازي شاتل را به صورت كارت هاي پانچ شده دريافت كند. تا خدمه فضاپيما بخواهند اين اطلاعات را جمع آوري كرده و به كارت هاي پانچ شده منتقل كنند، يا شاتل از كنترل خارج شده و يا در مسيري اشتباه قرار گرفته است! پردازش در زمان واقعي به تجهيزاتي نياز دارد كه نمي توان آنها در رايانه هاي بزرگ پايگاه هاي زميني پيدا كرد.
نرم افزارهاي به كار رفته در فضاپيماها و ماهواره ها هيچگاه نبايد "قفل" شوند يا اين كه به پاياني غير معمول و تعريف نشده (مثلا ، تقسيم يك عدد بر صفر) برسند. اگر نرم افزاري در اين فضاپيماها قفل شود، آن فضاپيما از دست رفته محسوب مي شود . همچنين سخت افزارهاي نصب شده در آنها نيز بايد كاملا قابل اطمينان باشند يا با استفاده از چند سخت افزار پشتيبان به سطح كاري قابل اطميناني برسند. البته به كارگيري سخت افزار و نرم افزارهاي پشتيبان هزينه هاي ساخت سفينه را بالا خواهند برد ضمنا حافظه هاي به كار رفته در اين رايانه ها بايد غير فرار باشند تا اگر منبع تغذيه به هر دليلي قطع شد ، اطلاعات ذخيره شده در آنها از بين نرود. بر خلاف رايانه هاي شخصي و معمولي كه از حافظه هاي نيمه هادي فرار استفاده مي كنند در رايانه فضاپيماها و ماهواره ها از حافظه هاي قديمي "حلقه مغناطيسي" استفاده مي شود. اطلاعات اين گونه حافظه هاي با قطع منبع تعذيه "پاك" نمي شود. وزن ، اندازه و انرژي مصرفي از موارد ديگري هستند كه طراحان اين گونه رايانه ها بايد آنها را در نظر بگيرند.
حتي اگر فضاپيماهاي سرنشين دار و بدون سرنشين نيازهاي مشابهي هم داشته باشند، تا همين اواخر امكان استفاده از رايانه هاي مشابه در هر دوي آنها وجود نداشت . هيچ گاه يك رايانه قدرتمند ، ماننند آنچه كه در شاتل ها وجود دارد ، بر روي يك ماهواره نصب نشده است . رايانه هاي يك شاتل بزرگ تر و پرمصرف تر از آن هستند كه در سفينه اي مانند پايونير-10 نصب شده و به خارج از منظومه شمسي پرتاب شوند. ريز پردازنده هاي قدرتمند جديد نويد حل شدن اين مشكلات را مي دهند ، اما رايانه هايي كه در اينجا بررسي كرده ايم به دوران قبل از ريزپردازنده ها تعلق دارند. همچنين ، رايانه هاي فضا پيماهاي سرنشين دار براي پروازهاي كوتاه مدت ، حداكثر چند هفته ، ساخته شده اند ، اما اين وضع با گسترش ايستگاه هاي فضايي و دورخيز بشر به سوي سياره سرخ تغيير خواهد كرد. رايانه اي كه براي يك ماهواره يا فضاپيماي اعزام شده به خارج از منظومه شمسي طراحي مي شود ، بايد بتواند با مصرف اندك انرژي و براي سال ها بدون اشكال كار كند. حتي اگر هر دو فضاپيما ، بدون سرنشين و سرنشين دار ، نياز به قابليت اعتماد بالا داشته باشند، شرايط متفاوت ماموريت آنها ميزان و نوع قابل اعتماد بودن رايانه هايشان را تعيين مي كند.
ناسا در دهه هاي 60 و 70 ميلادي براي توسعه رايانه هايي تلاش مي كرد كه بتوانند فشارهاي فيزيكي مرحله پرتاب موشك را تحمل كرده و در شرايط محيطي فضا كار كنند. در انتها ، ناسا موفق شد كه فضاپيماهاي پيچيده اي ساخته و ماموريت هاي جاه طلبانه اي را به سرانجام برساند. حال ، ناسا فناوري هاي جديد دلگرم كننده و تجهيزات قابل اعتمادي براي پروازهايش يافته بود. در پروازهاي سرنشين دار تمايل بود كه بيشتر از تجهيزات در دسترس ، كه امتحانشان را پس داده اند، استفاده شود. درفضاپيماهاي بدون سرنشين و ماهوره ها دست طراحان براي استفاده از فناوري هاي نوظهر و ابتكاري بازتر بود.
در عوض ، هر چند رايانه هاي بزرگي كه ناسا در پايگاه ها و آزمايشگاه هايش به كار گرفته بود، مانند شركت هاي تجاري نياز به پردازش حجم عظيمي از اطلاعات را منعكس مي كردند، اما ناسا تا همين اواخر رايانه هاي تجاري معمولي را براي پردازش در "زمان واقعي" به كار نگرفته بود. بنابراين ، ناسا مي توانست با استفاده از نرم افزارهاي ابتكاري ويژه "زمان واقعي" ، رايانه هاي تجاري موجود در بازار را براي رفع نيازهايش به خدمت گيرد. بازرسي هاي پيش از آغاز پرواز ، كنترل ماموريت ، شبيه سازي و پردازش تصاوير گرفته شده به وسيله ماهواره ها ، از تركيب بيشماري از رايانه هاي بزرگ و رايانه هاي كوچكتر استفاده مي كنند. پس ، در حالي كه سخت افزارهاي درون ماهواره ها و فضاپيماها بر اساس نيازهاي ناسا سفارش و طراحي مي شدند، برخورد ناسا با رايانه هاي زميني بر اساس نيازهاي نرم افزاري مراكز زميني هدايت مي شد. طبيعتا ابتكارات نرم افزاري كه براي حل يك مسئله در رايانه هاي بزرگ طراحي شده ، بيشتر امكان دارد در جهان تجاري فراگير شود تا نرم افزاري كه براي يك ماهواره خاص نوشته شده و شايد در تمامي مراحل پرواز ماهواره تنها يكبار اجرا شود. ناسا فنون برنامه نويسي پيشرفته اي را به دنيا هديه داده است . اين فنون ، قوانيني را در بردارند كه به برنامه نويسان اجازه مي دهند نرم افزارهاي بزرگ تر و قابل اعتمادتري بنويسند.
حتي اگر نيازها و راه حل ها براي رايانه هاي بزرگ ،رايانه فضاپيماهاي بدون سرنشين و فضاپيماهاي سرنشين دار متفاوت باشند ، باز هم چند مسئله مشترك هر سه حوزه را به هم نزديك مي كند. تقريبا در همه اين موارد ، مديران ناسا اجازه رشد سيستم هاي مورد نياز را ندادند و سبب شدند تا سخت افزار و نرم افزارهاي گران قيمتي براي پروژه هاي كوچك و پيش پا افتاده به كار روند. مسلما پيشرفت هاي اخير اجازه مي دهند كه طراحان ، سيستم ها و فنون رايانه اي آزمايش شده را براي چند پرواز يا پشتيباني از چند ماموريت به كار برند كه مي تواند به كاهش هزينه ها و ايجاد راه حل هاي سفارشي منجر شود. همچنين ، امروزه نسبت به رايانه هاي كوچك جمع شده در يك شبكه اعتماد بيشتري نسبت به يك رايانه بزرگ وجود دارد. اين رايانه ها مي توانند مراحل گوناگون پردازش يك برنامه را در ميان خود تقسيم كنند؛ و براي رسيدن به يك سطح اعتماد قابل قبول ، اقتصادي تر از رايانه هاي بزرگ هستند.
ناسا از زمان تاسيس تا به امروز ، بدون در نظر گرفتن بر خوردش با محاسبات ماشيني و رايانه ، نمونه هاي با ارزشي از رشد توان محاسباتي ، گوناگوني و موثر بودن رايانه ها را ارائه كرده است . سال هاي پاياني دهه 50 به عنوان مبدأ دخالت رايانه در توسعه علم و تجارت آمريكا شناخته مي شود. اشتهاي سيري ناپذير اين سازمان به جذب آنچه كه صنايع رايانه اي مي توانستند ارائه دهند، به توليد تعداد زيادي از جالب ترين و خلاقانه ترين تجهيزات رايانه اي ساخت دست بشر منجر شده است.
منبع:دانشمند شماره 566
/ع
