کامپیوترهای رقمی

نویسنده: سیلویا چَرپ
ترجمه: مهران اخباریفر

کامپیوتر رقمی (دیجیتال) ابزاری است برای انجام عملیات ریاضی روی اعدادی که با ارقام بیان شده اند. چنین ابزاری را می توان تکامل یافته ی چرتکه دانست که خود صورت مکانیکی اندیشه ی شمارش با انگشت است (←پیوست های 1 و 2). ابزارهای محاسباتی دیگر این خانواده، چوب حساب های نپر (1617) و ماشین های محاسبه ی پاسکال (1642) و لایب نیتز (1684) هستند. البته کامپیوتر رقمی الکترونیکی کامل ترین و سودمندترین عضو این خانواده است.
ایده ی ماشین خودکار برای محاسبات ریاضی را اولین بار چارلز بابیج، ریاضیدان انگلیسی، مطرح کرد. او در سال 1792 در دوانشایر (1) متولد شد و پسر بانکدار متمولی بود و ارثیه ی قابل توجهی به او رسید.
بابیج وقتی که بیست سال داشت اولین اندیشه ی کامپیوتر خودکار را مطرح وکار بر روی طرحی برای ساختن جداول ریاضی (مثل جداول بهره ی مرکب، لگاریتم، و توابع مثلثاتی) را بدون کمک انسان، جز برای شروع محاسبه، شروع کرد. ایده ی بابیج این بود که محاسبه ی جدول برای چند درایه ی اول با دست انجام شود، تفاضل ها تا جایی که عملاً مقادیر ثابتی برای دوره ای طولانی از جدول حاصل شود به دست آید و سپس موتور تفاضلی کار را ادامه دهد.
بابیج پیشنهاد کرد که از موتور تفاضلی برای ساختن جداول جدید و برای کنترل جداول موجود استفاده شود. «موتور تفاضلی» برای ساختن توابع به طور خودکار با استفاده از تفاضل های مرتبه ی بالا طراحی شده بود. بنابراین، نیاز به تعدادی ثبّات (2)، یکی بیشتر از درجه ی چندجمله ای، داشت که بتواند اعداد را ذخیره کنند؛ سپس باید عدد هر ثبّات با عدد ثبّات بعدی جمع می شد.
بابیج دولت انگلستان را به سرمایه گذاری در ساختن ماشین تفاضلی در اندازه ی واقعی تشویق کرد. او ده سال روی طرح و ساخت این ماشین کار کرد؛ او باید بر کار ساخت قطعات و اختراع صدها ابزار و ماشین نظارت می کرد. دولت کارگاهی در اختیار او گذاشت و گاوصندوق ضد آتشی برای نگاهداری نقشه های آماده شده به او داد. ساخت ماشین بسیار بیش از آنچه که بابیج تصور کرده بود به درازا کشید و در سال 1842، دولت که تا آن هنگام حدود یک میلیون دلار برای این کار هزینه کرده بود، کمک مالی خود را قطع کرد و ماشین تفاضلی رها شد.
در حالی که بابیج خود را در ماشینی که، گرچه اصول ساده ای داشت و به لحاظ مفهومی بسیار سرراست بود، به دلیل تعداد زیاد قطعات لازم ساختش ناممکن بود گم کرده بود، جرج شویتس (3) و ادوارد شویتس (4) «موتور تفاضلی» کوچکی از مرتبه ی چهار را در سوئد ساختند. در واقع امتیاز این ماشین را باید به بابیج داد، چون مقاله ای در مورد ماشین بابیج که در جولای 1843 در نشریه ی ادینبورگ ریویو (5) منتشر شد، جرج شویتس را که در استکهلم چاپخانه داشت به فکر ماشین های تفاضلی انداخت. این ماشین که درست کار می کرد، در سال 1853 با کمک مالی دولت سوئد تکمیل شد. در سال 1856 رصدخانه ی دادلی در نیویورک این ماشین را خرید و از آن در ساخت جداول استفاده کرد.
در سال 1883، بابیج ایده ی «موتور تحلیلی» را مطرح کرد. این ایده در واقع بسط قابلیت های موتور تفاضلی – جمع، چاپ، ضرب، تقسیم و درخواست داده ی جدید – بود.
ماشین تحلیلی هیچ گاه ساخته نشد، تا حدی به دلیل مشکلات مالی و تا حدی هم به دلیل مشکلات مهندسی که در آن زمان لاینحل بود. بابیج جزئیات چندانی از طرح مکانیکی موتور تحلیلی منتشر نکرد، اما چند یادداشت در این مورد ضمیمه ی سخنرانی ای بود که در انجمن سلطنتی ایراد کرد. او نقشه های کامل مکانیکی را از خود به جا گذاشت. اکنون این نقشه ها به همراه دفتر یادداشت او و بخشی از ماشین که توسط پسرش در سال 1906 ساخته شد، در موزه ی علوم ساوث کنزینگتون در انگلستان نگاهداری می شود.
یکی از نتایج کار بابیج امروزه اهمیت زیادی یافته است. او برای وارد کردن داده ها و دستورالعمل ها به ماشین، ایده ی اصلاح و استفاده از کارت های کنترل سوراخداری را داد که برای یافتن طرح های پیچیده در ماشین نساجی ژاکار (6) به کار می رفت. در سال 1780، ژوزف ماری ژاکار در فرانسه ایده ی کنترل ماشین نساجی را به وسیله ی سوراخ هایی که روی مجموعه ای از کارت ها تعبیه می شد مطرح کرد. انتخاب نخ ها در فرایند بافت پارچه به وسیله ی این کارت ها کنترل می شد. بابیج اندیشه ی استفاده از کارت های سوراخدار مشابهی را برای کنترل فرایندهای محاسباتی ماشین خود مطرح کرد. اندیشه ی بابیج در واقع استفاده از دو مکانیسم ژاکار برای کنترل عمل ماشین بود.
اولین رایانه ی برنامه ریزی شده که به طور موفق عمل کرد توسط پروفسور هوارد ایکن در دانشگاه هاروارد ساخته شد. این ماشین که در سال 1939 شروع به کار کرد اولین ماشینی بود که در آن از اصول موتور تحلیلی بابیج استفاده شده بود. این ماشین (7) مکانیکی بود ولی در آن از رله ها و کلاچ های الکترومغناطیسی استفاده شده بود. صفحه ی اصلی ماشین حدود 17 متر طول و نزدیک به 3 متر ارتفاع داشت و نوارخوان ها، رله ها و سیستم های گردان کنترل ماشین روی آن سوار شده بود. مانند موتور تحلیلی بابیج، اعداد در ثبّات هایی متشکل از چرخ هایی ذخیره می شد که هر چرخ ده موقعیت مجزا داشت؛ ولی ثبّات به خودی خود یک ماشین جمع یا یک انباشت گر (8) کامل بود. 60 ثبّات ثابت و 72 ثبّات جمع وجود داشت که هر کدام می توانستند با 23 رقم کار کنند. عملکرد ماشین توسط نوار سوراخدار 24 سوراخه ای کنترل می شد که حدود 200 گام در دقیقه پیش می رفت و در نتیجه، زمان پایه ی جمع 0/3 ثانیه بود. مکانیسم هایی برای ضرب و برای محاسبه ی sin x،

در این ماشین تعبیه شده بود. این مکانیسم ها با کدهایی فراخوانده می شدند. این ماشین می توانست جمع، تفریق، ضرب، تقسیم، مقایسه ی مقادیر، بازنگری حافظه ی عملیات گذشته و ارجاع به جداول ریاضی ذخیره شده را انجام دهد. این ماشین می توانست مراحل لازم برای حل معادلات لگاریتمی، محاسبه ی فرمول های مختلف ریاضی، محاسبه ی انتگرال و حل معادلات دیفرانسیل را هم انجام بدهد.
بعد از ساختن MARK I، نمونه های کامل تری، تا MARK VI در دانشگاه هاروارد ساخته شد. یکی از ویژگی‌های برجسته ی MARK V و MARK VI امکانات تشخیص خطا بود.
ماشین حساب و انتگرال گیر عددی الکترونیک (ENIAC) (9) پیشرفتی عظیم در فناوری ساخت رایانه بود، چون همه عملیات درونی آن به صورت الکترونیکی انجام می شد. این رایانه را دکتر اِکرت (10) و دکتر ماوچلی (11) در دانشکده ی مهندسی الکترونیک مور (12) دانشگاه پنسیلوانیا با همکاری سرگرد هرمن گلدشتاین (13) از آزمایشگاه تحقیقات بالیستیک توپخانه ارتش در آبردین (مریلند) برای محاسبه ی جدول های آتش توپ ها طراحی کردند. ENIAC مقدار

را تا

رقم اعشاری در هفتاد ساعت محاسبه کرد. مهم ترین عنصر الکترونیکی در این کامپیوتر لامپ خلأ بود که شبیه به رله عمل می کرد. لامپ خلأ، بسته به جریان الکتریکی ای که به آن وارد می شد، خاموش یا روشن می شد. در این ماشین حدود

لامپ خلأ به کار رفته بود. دنباله ی کنترلی برای مشخص کردن دنباله ی عملیات و اعدادی که باید عملیات روی آن ها انجام می گرفت توسط سیم های خارجی که بین سوئیچ های خارجی و رایانه وصل می شدند به رایانه داده می شد. برای آماده کردن ENIAC برای انجام یک محاسبه، باید همه ی اتصالات برای انتقال داده ها از یک واحد به واحد دیگر به صورت دستی برقرار می شدند.
اولین پیشرفت نظری در طراحی رایانه از کار جان فون نویمان (14) حاصل شد که خود از مطالعات اولیه در منطق محض توسط تورینگ (15) تأثیر پذیرفته بود. هنگامی که ENIAC ساخته می شد، فون نویمان مشغول مطالعه ی طراحی منطقی ماشین های محاسب بود. او استفاده از برنامه ی ذخیره شده، یعنی ذخیره ی دستورالعمل ها مانند ذخیره ی اطلاعات را مطرح کرد. به این ترتیب، ماشین توانایی تغییر و اصلاح دستورالعمل ها را می داشت.
EDSAC (16) که در آزمایشگاه ریاضی دانشگاه کیمبریج در سال 1949 به سرپرستی ویلکز (17) ساخته شد اولین ماشین با برنامه ی ذخیره شده بود.
هیچ اندیشه ی بزرگ دیگری در اصول کار رایانه هایی که قابلیت ذخیره ی برنامه را داشتند در رایانه هایی که بعداً ساخته شد دیده نمی شود. اما پیشرفت های زیادی در سرعت، قابلیت اطمینان و سهولت کاربرد رایانه حاصل شده است. رایانه های مقیاس بزرگ با حافظه ی درونی که ممکن است شامل 10 تا 12 میلیون هسته ی فریت باشد ساخته شده اند که هر هسته ی فریت می تواند یک واحد از اطلاعات را ذخیره کند. جایگزینی لامپ خلأ با ترانزیستور و سپس ترانزیستور با مدار میکروالکترونیک، با کاهش مسافتی که هر پالس باید طی کند، سرعت مدارهای حسابی و کنترلی را افزایش داده است.
در رایانه های رقمی جدید ویژگی های مشترکی وجود دارد. معمولاً این رایانه ها در چند واحد ساخته می شوند که فقط یکی از آن ها محاسب یا «پردازشگر» است. واحدهای دیگر واحدهای کنترل، ذخیره سازی و وسایل ورودی – خروجی هستند. ماشین های جدید معمولاً سیستم محاسبه نامیده می شوند. در این سیستم ها از نیمه هادی ها، هسته ی مغناطیسی و حافظه ی نوار مغناطیسی استفاده شده است. همیشه هر رایانه ی رقمی قادر بوده است بیش از آنچه برای انجام آن طراحی شده انجام دهد.

پی نوشت ها :

1.Devonshire
2.register
3.George Scheutz
4.Edward Scheutz
5.Edinburgh Review
6.Joseph Marie Jacquard
7.Harvard Mark I Calculator
8. accumulator
9.Electronic Numerical Integrator and Calculator
10.J.P.Eckert
11. J.W.Mauchley
12. Moore
13. Herman H. Goldstine
14. John von Neumann
15. A.M.Turing
16.Elecrtronic Delayed Storage Automatic Computer
17.M.V.Wilkes