حاسوب

تصميم البرامج

علاوةً على ذلك، تصميم البرامج الصغيرة بسيط، ويتضمن تحليل المشكلة وجمع المدخلات ثم استعمال لغة البرمجة لتنفيذ الخوارزميات وكتابة الإجرائيات، ثم طباعة البيانات الناتجة على أداة الخرج. تُستعمل ميزات مثل البرامج الفرعية والتوثيق عندما تصبح المشكلة أعقد وأكبر حجماً، وقد تستعمل أنماط برمجة أخرى مثل برمجة كائنية التوجه. تتألف البرامج الكبيرة من آلاف السطور، وتحتاج إلى منهج عمل متناسق لتطويرها. إن مهمة إنتاج برمجيات مقبولة ذات موثوقية عالية في إطار زمني محدد ما تزال صعبة المنال. وهي موضوع بحث يدرسه اختصاص هندسة البرمجيات وتحدٍ تسعى شركات البرمجة للتغلب عليه.

أجهزة الإخراج

في هذا الإطار، وهي الوسائل التي يمكن فيها استعراض ناتج معالجة الأوامر، سواء بصرياً أو سمعياً أو عبر الطباعة على وسيط مادي، من الأمثلة عليها:

التشبيك والإنترنت

وفي هذا السياق، ساهم صعود شبكات البيانات في إعادة تعريف طبيعة الحاسوب وحدوده وإمكانياته. عُدِّلت أنظمة التشغيل والبرامج لتسمح بالنفاذ إلى موارد موجودة في حواسيب أخرى على الشبكة أو لتخزين البيانات وقراءتها من مخدِّمات متصلة مع الشبكة. كان انتشار هذه التقنيات محدوداً في البداية بالعاملين في البيئات المتطورة عالية التقانة، ولكن انتشار التطبيقات البسيطة التي لا تتطلب معرفة تقنية متقدمة مثل البريد الإلكترونية وخدمات الوب بالإضافة لتطوير تقنيات شبكة سريعة مثل الإثرنت وخط المشترك الرقمي غير المتناظر جعل استعمال الحواسيب في بيئات العمل كلها أمراً لا مفر منه بدءاً من تسعينيات القرن العشرين، وأصبح اتصال الحواسيب مع الإنترنت لنقل البيانات في العمل والمنزل أمراً واسع الانتشار، وتطورت في الفترة نفسها شبكات البيانات اللاسلكية مثل واي فاي وشبكات الاتصال الخلوية؛ مما سمح باتصال أسهل مع الإنترنت.

وفي هذا السياق، استعملت الحواسيب لنقل المعلومات بين مواقع عديدة منذ خمسينيات القرن العشرين. كانت المعروفة اختصاراً بالاسم الرمزي ساج المثال الأول لنظام شبكة بيانات، وكان الأساس الذي بُنيت عليه عدد من أنظمة التشبيك التجارية لاحقاً مثل بيئة أبحاث الأعمال نصف الآلية المعروفة اختصاراً بالاسم سِيبر . بدأ مهندسو الحاسوب في مراكز الأبحاث في الولايات المتحدة بربط شبكاتهم المحلية معاً باستعمال تقانات الاتصال البُعدي، وموَّلت وكالة مشاريع أبحاث الدفاع المتقدمة، التي كانت تُعرَف بالاسم المُختصر أربا هذه الجهود، وبُنيت شبكة الحاسوب أربانت نتيجة لذلك. ثم شاعت التقانات التي استعملت لبناء أربانت خارج النطاقين البحثي والعسكري، وتطورت لتكون الأساس للإنترنت.

j loop # كرر عملية الجمع

add $2, $8, $0 # ضع المجموع في سجل الخرج

وعلى صعيد آخر، عند تنفيذ هذا البرنامج، فإن الحاسوب سينفذ تكراراً عملية الجمع من غير تدخل المبرمجين، ومن غير أخطاء. يمكن للحواسيب المعاصرة أن تُنفِّذ هذا البرنامج في أجزاء قليلة من الثانية.

finish:

الحاسوب الأول

من جانب آخر، كشف بابيج سنة 1822م، بعد فترة من عمله على ، عن اختراعه: الحاسوب الميكانيكي، وكان ذلك بورقة بحثية أرسلها إلى الجمعية الفلكية الملكية عنوانها: ملاحظات على تطبيق المكننة لحساب الجداول الرياضية والفلكية . أدرك بابيج سنة 1833م إمكانية تعميم عمله وإنشاء محرك تحليلي يمكن تزويده ببرنامج دخل وبيانات باستعمال بطاقات مثقوبة، وكانت هذه الطريقة شائعة في أيامه لضبط عمل المناسج مثل منسج جَكَرد. أما الخرج فكان طابعة وراسمة منحنيات وجرسًا، وكانت الآلة قادرة، بالإضافة لذلك، على تثقيب بطاقات لقراءتها لاحقاً. احتوت الآلة على وحدة حساب ومنطق، وعلى انسياب للتحكم بصورة تعابير شرطية وحلقات وذاكرة ليكون بذلك التصميم الأول لحاسوب عام يمكن وصفه بأنه مكتمل بحسب تورنغ.

ومن جهة أخرى، ترجع أصول الحاسوب القابل للبرمجة إلى مهندس الميكانيك والموسوعي الإنكليزي تشارلز بابيج. صاغ بابيج مفهوم الحاسوب الميكانيكي وصنعه في بدايات القرن التاسع عشر، لذلك يُنظر إليه على أنه المؤسس الحقيقي لعلم الحاسوب.

وفي هذا الصدد، احتاجت آلة بابيج لآلاف القطع الميكانيكية يدوية الصنع، وهذه كانت عقبة رئيسة واجهتها الآلة، ثُمَّ توقف المشروع نهائياً بعد أن أوقفت الحكومة البريطانية التمويل. سبقت آلة بابيج عصرها قرناً على الأقل، ويمكن القول أن سبب إخفاق بابيج في إنهاء محركه التحليلي كان الصعوبات المالية والسياسية إلى جانب إصراره على صنع آلة شديدة التعقيد يسبق بها كل أقرانه. أكمل عمل والده وصنع نسخة مُبسَّطة من وحدة الحساب في المحرك التحليلي سنة 1888م، وقدم عرضاً ناجحاً لكيفية استعمالها في جداول الحوسبة سنة 1906م.

لغة الآلة

وعلى صعيد آخر، نكتب التعليمات في الحواسيب باستعمال لغة الآلة، ويكون لكل تعليمة رقم فريد مميز يُسمَّى رمز العملية، أي يكون لتعليمة جمع عددين رمز واحد فريد، ويكون لعملية ضرب عددين رمز آخر فريد مختلف عن رمز تعليمة الجمع، وهكذا... يكون عدد التعليمات في الحواسيب البسيطة صغيراً محدوداً، أما في الحواسب المعقدة، فقد يبلغ عددها المئات. بما أن ذاكرة الحاسوب تخزِّن الأرقام، فإنها قادرة على تخزين التعليمات كذلك، لأن برنامج الحاسوب بأكمله هو مجموعة من الأرقام، ويمكن بالتالي تخزينه والتعامل معه بالطريقة نفسها التي تُخزَّن البيانات الرقمية فيها، وهذه هي الفكرة الجوهرية في معمارية فون نيومان. يوجد معماريات أخرى أقل انتشاراً مثل معمارية هارفارد، وفيها تكون الذاكرة التي تُخزِّن البيانات مفصولة تماماً عن الذاكرة التي تخزن التعليمات.

إضافةً إلى ذلك، كتبت البرامج في الحواسيب المبكرة بلغة الآلة مباشرة، ولا يوجد مانع نظرياً من كتابة أي برنامج بلغة الآلة مباشرة، ولكنها عملية صعبة وكثيرة الأخطاء، خاصةً لو كان البرنامج معقداً وطويلاً. تعطى كل تعليمة بدلاً عن ذلك اسماً بسيطاً مختصراً يُستدل به على وظيفتها بسهولة مثل: وADD للجمع، وSUB للطرح، وMULT للضرب، وJUMP للقفز، وهكذا... وتجمع هذه التعليمات بعضها مع بعضٍ لتشكل ما يُعرف باسم لغة التجميع. ينقل تطبيق خاص، يُسمَّى المُجمِّع، البرنامج المكتوب بلغة التجميع إلى لغة الآلة.

وحدة المعالجة المركزية

كذلك، تُعرف وحدة الحساب والمنطق مع المسجلات باسم وحدة المعالجة المركزية. صُنعت وحدات المعالجة المُبكِّرة من مكونات منفصلة، لكنها تُنشَأ منذ سبعينيات القرن العشرين على دارة متكاملة واحدة مصنوعة من الأكاسيد المعدنية لأشباه الموصلات، وتُسمَّى معالجاً صغرياً.

ومن ناحية أخرى، تتضمن المعالجات العددية الفائقة وحدات حساب ومنطق متعددة، ويسمح لها هذا بمعالجة تعليمات متعددة على التوازي. تستطيع المعالجات الرسومية والحواسب التي تحتوي ميزات، مثل: التعليمات وحيدة البيانات المتعددة (SIMD)، والتعليمات المتعددة والبيانات المتعددة (MIMD)، أن تُنفِّذ عمليات حسابية على المُتجَّهات والمصفوفات.

من جهة ثانية، تُنجِز هذه الوحدات نوعين من العمليات: الحسابية والمنطقية. قد تكون العمليات الحسابية التي تجريها وحدة الحساب والمنطق محصورة بالجمع والطرح فقط، وقد تشمل الضرب والقسمة والدوال المثلثية، نحو: الجيب، وجيب التمام، والجذور التربيعية. تدعم بعض الوحدات فقط الأعداد الصحيحة، في حين تشمل عمليات بعضها الأعداد ذات الفواصل مع درجات دقة مختلفة. يكون كل حاسوب قادراً في العموم على تبسيط العمليات المعقدة إلى عدد من العمليات البسيطة التي يمكن أن ينفذها، ولكن الوقت المستغرق لعمل ذلك سيكون أكبر. تنفَّذ الوحدة عمليات منطقية، ويكون خرجها قيماً منطقية، أي إمَّا 0 أو 1. من العمليات المنطقية: النفي، والعطف المنطقي، والفرق المنطقي. تستعمل هذه العمليات لبناء عبارات منطقية أكثر تعقيداً مثل التعابير الشرطية.

وحدة الحساب والمنطق (ALU)

الحواسيب التماثلية

الحواسيب الرقمية

وعلى صعيد آخر، أنهى ظهور الحواسيب الرقمية الإلكترونية في خمسينيات القرن العشرين عصر آلات الحساب الميكانيكية، ولكنها بقيت في الاستعمال خلال الخمسينيات في تطبيقات محددة، مثل التعليم (المسطرة الحاسبة)، والطيران (نظم التحكم).

ومن جهة أخرى، بلغ تصنيع الحواسيب الميكانيكية التماثلية ذروته مع المحلل التفاضلي الذي بناه هارولد لوك هازن وفانيفار بوش في معهد ماساتشوستس للتقانة بدءاً من سنة 1927م. بُني هذا المحلل باستعمال المكاملات الميكانيكية التي صنعها جيمس طومسون، ومضخمات عزم الدورات التي اخترعها هنري نيمان .

ومن ناحية أخرى، ساعدت الحواسيب التماثلية التي ازداد تعقيدها في النص الأول من القرن العشرين في إنجاز الكثير من الحسابات العلمية، واعتمَدَتْ هذه الحواسيب عادة على نموذج كهربائي أو ميكانيكي للمشكلة أساساً لبدء الحساب. لكن هذه الحواسيب افتقدت الدقة مقارنة بنظيراتها الرقمية المعاصرة، ولم يكن بالإمكان برمجتها، بل كانت تُصمَّم لحل مُشكلة محددة سلفاً. كانت آلة توقع المد والجزر التي صنع وليام طومسون نموذجها الأول سنة 1872م أول حاسوب تماثلي معاصر. أما المحلل التفاضلي، الذي صممه جيمس طومسون، شقيق وليام، سنة 1876، فاعتمد الأقراص والعجلات لإنجاز التكاملات لحل المعادلات التفاضلية.

في مقابل المعالج المتجهي

• حواسيب بذاكرة نفاذ غير موحَّد (NUMA)
• في مقابل
• معمارية هارفارد في مقابل معمارية فون نيومان

المهن والمنظمات

• انظر كذلك
• هوامش
• فهرس الإحالات
• المنشورات
• بالإنكليزية
• بالفرنسية
• بالعربية
• الوب
• بالإنجليزية
• معلومات المراجع كاملة
• المقالات المحكمة
• الكتب
• بالعربية
• بالإنجليزية
• بالفرنسية
• براءات الاختراع
• ,
• ,

وفي هذا السياق، تستعمل الحواسيب في تبادل المعلومات بين أطراف مختلفة، لذلك وجدت حاجة لاستعمال مواصفات موحدة متفق عليها، لذلك تهتم مجموعة من منظمات المعايير ومجموعات مهنية أو منتديات، بعضها رسمي وبعضها غير رسمي، بوضع معايير مرتبطة بالحاسوب وتطبيقاته.

علاوةً على ذلك، أصبح الحاسوب جزءاً من سوق العمل، فعُدِّل بعضٌ من الاختصاصات القديمة لتشمل الحاسوب أو أحد جوانبه وتدرسها، في حين ظهرت مهن وأعمال جديدة مرتبطة بالحاسوب وتقانته، لم تكن موجودة قبله.

قبل القرن العشرين

إضافةً إلى ذلك، جمع الأسطرلاب الكروي بين الأسطرلاب التقليدي وذات الحلق أو الأُسطرلاب الكروي، وصُنع في العالم الإسلامي خلال العصر الذهبي للحضارة الإسلامية. يُسند أقدم وصف معروف للأسطرلاب الكروي إلى أبي العباس النيريزي، قرابة 892–902 م. أما شرف الدين الطوسي، فقد اخترع الأسطرلاب الخطي، الذي يُسمى كذلك "عصاة الطوسي"، وكان "قضيباً بسيطاً من الخشب من غير رسوم عليه علامات متدرجة، ومزُوَّد بخط ناظم ووتر مزدوج لعمل القياسات الزاويَّة بمؤشر مثقوب". أما الأسطرلاب الميكانيكي، فقد اخترعه أبو بكر الأصفهاني سنة 1235م. واخترع البيروني أول أسطرلاب ميكانيكي فيه تقويم شمسي قمري وتروس متقاطرة قرابة سنة 1000 ميلادية.

ومن جهة أخرى، استُعملت الأدوات للمساعدة على العد منذ آلاف السنين، وغالباً ما اعتُمِدَت الأصابع. يُعتقد أن أقدم أدوات العد كانت على هيئة . ظهرت أول السجلات في منطقة الهلال الخصيب على هيئة حصوات أو كرات طين في مخاريط من الطين غير المشوي، والغالب أنها استُعمِلت لتدوين الأعداد المرتبطة بالمحاصيل والغلال.

من جهة ثانية، طُورت في أواخر القرن السادس عشر الميلادي، حيث استعملت لحل مشكلات تتضمن الضرب والقسم والمثلثات ولحساب الجذور التربيعية والتكعبيبة، وكان لها تطبيقات مهمة في المدفعية ومسح الأراضي والملاحة. أما مقياس السطوح، أو الممساح، فكان أداة يدوية تُستعمل لحساب مساحة سطح مغلق من خلال الحركة فوقه.

وفي هذا الصدد، ساعدت الحيل الميكانيكية في الحساب والقياسات، واستعملت لبنان أدوات فلكية كان لها أثرٌ جلي في تطور المِلاحة. وضع البيروني خريطة نجوم دائرية في القرن الحادي عشر الميلادي. اُخترع الأسطُرلاب في العصر الهلنستي بين القرنين الثاني والأول قبل الميلاد، وغالباً ما يُنسب إلى أبرخش، وهو عملياً حاسوب تماثلي قادر على حل مشكلات عديدة في الفلك الكروي، يتكون الأسطُرلاب من ديوبترا وخريطة نجوم دائرية لآلية ميكانيكية لحساب التقويم.

وفي هذا السياق، بنى صانع الساعات السويسري في عقد السبعينيات من القرن الثامن عشر لعبة ميكانيكية (آلة ذاتية التشغيل) يمكنها الكتابة بقلم مع إمكانية لتغيير الإعدادات لإنتاج حروف مختلفة. وهذا يعني أنها كانت تقبل البرمجة الميكانيكية. تُعرض هذه الآلة، إلى جانب آلتين معقدتين أُخريين في متحف الفن والتاريخ في نوشاتيل في سويسرا.

كذلك، واستعملت المِعددات أولاً لإنجاز المهام الحسابية. وقد طُوِّر من أداة استُعمِلت في بابل منذ سنة 2400 قبل الميلاد على الأقل. وظهرت فيما بعد أشكال عدّة من ألواح الحساب أو جداوله. وكانت توضع في مكاتب الحساب في العصور الوسطى في أروبا قطعة من الملابس على الطاولة، وتُحرَّك علامات مُحددة فوقها حسب قواعد معينة لتساعد على حسابات المال والأعمال.

ومن ناحية أخرى، اخترع ويليام أوتريد المسطرة الحاسبة في العقد الثالث من القرن السابع عشر بعد فترة قصيرة من نشر مفهوم اللوغاريتم. المسطرة الحاسبة بالأساس هي حاسوب تماثلي مُشغل يدوياً يُنجز الضرب والقسمة، وأضيف إليها لاحقاً حساب المربعات والجذور التربيعية والمكعبات والجذور التكعيبية بالإضافة للدوال المتسامية نحو دوال اللوغاريتمات والدوال الأسية والزائدية والمثلثية. ما تزال المساطر الحاسبة متداولة، ويمكن استعمالها لإجراء حسابات تكرارية سريعة، وأشهر أمثلتها حاسبة الطيران E6-B التي تُستعمل في حساب المسافات عند التدريب على الطيران، أو في بعض الرحلات البسيطة، وهي نوع من أشكال المسطرة الحاسبة الدائرية.

علاوةً على ذلك، وقد صنع المهندس والرياضي جيوفاني بلانا آلة تقويم دائم بين عامي 1831 و1835م. اعتمدت الآلة على الأسطوانات والبكرات، وكانت قادرة على تحديد يوم الأسبوع الموافق لأي يوم في أي سنة ميلادية بين 1 و4000م، بما في ذلك السنوات الكبيسة. واخترع وليم طومسون آلة لتوقع حركة المد والجزر في عام 1872م، وكانت ذات فائدة كبرى في الملاحة قرب السواحل. اعتمدت آلة طومسون على البكرات والأسلاك لحساب توقع لمستوى المد والجزر لموقع محدد.

إضافةً إلى ذلك، وتعد آلة أنتيكيثيرا أقدم حاسوب تماثلي ميكانيكي معروف، حيث اكتشفت سنة 1901م في حطام سفينة مقابل ساحل جزيرة أنتيكيثيرا اليونانية الواقعة بين كيثيرا وكريت. يُقدَّر أنها صُممت في القرن الثاني قبل الميلاد لحساب المواقع الفلكية. لم تظهر آليات مُعقَّدة يمكن مقارنتها بآلة أنتيكيثيرا حتى القرن الرابع عشر الميلادي.

من جانب آخر، اعتمد المحلل التفاضلي على آلية ميكانيكية مكونة من الأقراص والبكرات لإنجاز التكاملات لحل المعادلات التفاضلية، وهو يُعد حاسوباً ميكانيكياً تماثلياً، يتكون المحلل من عدد من المكاملات، يكون خرج المكامل هو دخل المكامل التالي أو آلة الرسم. وكان وليم طومسون قد ناقش في سنة 1876م إمكانية إنشاء حاسبات مشابهة، ولكنه أُحبط من عزم الدوران الناتج عن . كان تطوير هو ما دفع تطوير المحلل.

علاوةً على ذلك، بدأ ليوناردو توريس كيبيدو في العقد الأخير من القرن التاسع عشر بتطوير سلسلة من الآلات التماثلية القادرة على إيجاد الجذور الحقيقية والمركبة لعديدات الحدود. ونشرت الأكاديمية الفرنسية للعلوم نتائج أعماله سنة 1901م.

معمارية البرامج المخزونة

في هذا الإطار، تعليمات الحاسوب في أغلب الحالات بسيطة: أضف عدداً إلى آخر، أو أُنقل بعضاً من البيانات من موقع إلى آخر، أو أرسل رسالة إلى جهاز خارجي... تُقرأ التعليمات من ذاكرة الحاسوب، وتُنفَّذ وفق الترتيب الذي وردت به. يوجد تعليمات معدودة وظيفتها تغيير تتابع التنفيذ، وتسمى تعليمات التفرع: إما تنفيذ تعليمات تسبق التعليمة الحالية في الترتيب، ويكون القفز حينها إلى الخلف، وإما تنفيذ تعليمات تتبع التعليمة الحالية في الترتيب، ويكون القفز حينها إلى الأمام. قد تحتوي تعليمة التفرع على تعبير شرطي، يحدد حصول عملية القفز من عدمها نتيجة لحساب رياضي يعتمد على قيم مخزنة في الذاكرة. تدعم الكثير من الحواسب مفهوم "الدوال" وهي مجموعة من التعليمات التي يمكن تنفيذها عند الحاجة من خلال تعليمة تفرع خاصة تُسمى تعليمة الاستدعاء، وهي تحفَظ موقع التنفيذ الذي يسبقها لتعود إليه بعد انتهاء تنفيذ الدالة اعتماداً على تعليمة تفرع خاصة تُسمَّى تعليمة العودة توجد في نهاية الدالة.

• begin:
• addi $8, $0, 0 # القيمة الابتدائية للمجموعة هي 0
• addi $9, $0, 1 # أول عدد سيُضاف هو 1
• loop:
• slti $10, $9, 1000 # تحقق من أن قيمة العدد المُضاف أقل من 1000
• beq $10, $0, finish # اخرج من التكرار لو كانت القيمة أكبر من 1000
• add $8, $8, $9 # احسب المجموع تراكمياً
• addi $9, $9, 1 # احسب العدد التالي الذي سيُضاف (+1)

ومن جهة أخرى، يمكن للإنسان باستعمال آلة حاسبة أن ينفذ عمليات حساب بسيطة، مثل أن يجمع عددين، أو يضربهما بضغطات بسيطة ومعدودة. أما عمليات الحساب الطويلة أو المعقدة مثل مجموعة الأعداد الصحيحة بين 1 و1000، فيصعب تنفيذها يدوياً؛ لأنها تتطلب آلاف الضغطات على مفاتيح الآلة الحاسبة ووقتاً طويلاً للتنفيذ، ناهيك باحتمال حدوث أخطاء قد تؤدي إلى إعادة التنفيذ من البدء. يمكن برمجة الحاسوب لتنفيذ المجموع السابق باستعمال عدد قليل من التعليمات البسيطة مقارنة بالإنسان. المثال التالي هو لبرنامج مكتوب بلغة تجميع ميبس:

وعلى صعيد آخر، يُشبه تنفيذ برنامج الحاسوب قراءة كتاب. يُقرَأ الكتاب تتابعاً من البداية إلى النهاية: كلمة كلمة وسطراً سطراً، ولكن يمكن في أحيانٍ كثيرة أن يعود القارئ إلى مواقع من الكتاب قرأها سابقاً ليتذكر معلومة محددة ذُكرت فيها، ويمكن أن يتجاوز فصلاً كاملاً فلا يقرأه لعدم اهتمامه بمحتواه. يُسمَّى تتابع القراءة، ويقابله تتابع تنفيذ التعليمات في حالة الحاسوب، انسياب التحكم. ينساب التحكم عند التنفيذ من غير تدخل المبرمجين، فقد يسبب تنفيذ مجموعة محددة من التعليمات تكراراً عدة مرات حتى تحقق شرطًا محددًا، ويمكن أن يستدعي دالة ما حسب قيمة شرط آخر، وقد ينفذ التعليمات تتابعاً حتى نهاية البرنامج.

المعالجة المتعددة

وعلى صعيد آخر، يكون للحواسيب الفائقة عادةً معمارية فريدة تختلف عن معمارية حواسيب البرامج المخزونة والحواسيب عامة الاستعمال. وتحتوي في الغالب على آلاف وحدات المعالجة المركزية ومساري مخصصة عالية السرعة وعتاد مصمم لدعم الحوسبة. تستعمل هذه الحواسيب عادة في إنجاز محاكاة كبرى بالحاسوب، وفي تصيير واسع النطاق للرسوميات، وفي تطبيقات التعمية.

ومن ناحية أخرى، تُصمم بعض الحواسيب لتوزع عملها على وحدات معالجة مركزية عديدة باستعمال تقانة تُسمَّى المعالجة المتعددة، اختصت هذه التقانة بالحواسيب الكبيرة ذات قدرات المعالجة العالية مثل الحواسيب الفائقة والمركزية والخوادم فيما سبق، ولكنها أصبحت متوفرة في الحواسيب الشخصية والحواسيب المحمولة، خاصة بهيئة معالج متعدد النوى.

التأثيل

في هذا الإطار، وقد أوردت معاجم التقانة في أغلبها لفظ حاسوب مقابلاً للمصطلح الأجنبي، كما أوردت لفظ حاسب وحاسبة ومِحْساب كذلك، وذكر بعضها المصطلح منقولاً نقلاً حرفياً بصيغة: "كُمْبيُوتر" أو "الكومبيوتر". وفي ما يأتي بيان المشتقات الإنجليزية من اللفظة (compute) وما يقابلها في العربية في جملة من المعاجم العامة والمختصة:

وفي السياق ذاته، يحمل اسم هذه الآلة في العربية المعنى الرابع (الدلالة على العدد). أما حاسب وحاسبة، فهما على صيغة اسم الفاعل، الأول مذكره والآخر مؤنثه، وهو لفظ مستحدَث يدل على آلة الحِساب، وأما (حاسوب) فهي اسم آلة وزنها فاعول، وهي صيغة تدل على المبالغة في الآلة نفسها. وأورد أحمد شفيق الخطيب صيغة التصغير: حُويسِب، وعرَّفه بأنه الحاسوب الصغير.

وعلى صعيد آخر، كفاية: الحسيب من أسماء الله الحسنى، بمعنى الكافي، أي يكفيك الله، ويكفي من معك، ومنها الفعل المتعدي: أحسبني الشيءُ إحساباً أي كفاني.

علاوةً على ذلك، عدد، حَسَب يَحْسُب الشيء حَسْبَاً وحِسبةً وحِساباً وحِسابةً وحُسْباناً وحِسْباناً أي عدَّه، والحَسْب والحَسَب قَدْر الشيء.

ومن جهة أخرى، أما في العربية، فسواء أسمَيت الآلة حاسوباً أو حاسباً أو حاسبةً، فالجذر هو (ح س ب)، وقد أورد لسان العرب ست دلالات لهذا الجذر، هي ما يدل على:

من جانب آخر، عطاء وكرم، فأحْسَب وحسَّب بمعنى أطعم، والحَسَب: المال، والحِسْبة: الأجر، والاحتساب طلب الأجر ، والحَسْبُ والتحْسِيب: دَفْنُ الميت إكراماً له، والمُحَسَّب: المدفون.

عذاب وبلاء، والحُسبان: النار والجراد، والحُسبانة: الصاعقة .

التاريخ

إضافةً إلى ذلك، كلمة حاسوب بالإنجليزية هي (computer)، وتُشتق من الفعل وهو يعني حَسَبَ أو حَدَّدَ قيمة ما باستعمال العمليات الحسابية أو الرياضية، أما (computer) فهي تدل على من يعمل الحِساب، فإما أن يكون شخصاً يُجري الحساب، وهو أول معنى لهذه الكلمة وأقدمها، ويرجع استعماله إلى قرابة سنة 1646م، وإما أن يُشير إلى آلة حِساب، وبخاصةٍ إلكترونية، تُجري عمليات رياضية ومنطقية، ويرجع أقدم استعمال مُوثَّق للكلمة بهذا المعنى لسنة 1897م.

في هذا الإطار، الخُلُق والفعل الصالح، وفعلها حَسُب، ومنها: احتسب فلاناً: اختبره، ولا حسَب له ولا نسب، أي لا أفعال صالحة ولا أصل شريف.

وفي هذا السياق، ظنٍّ وتقدير، حَسَب يَحْسُب وحَسِب الشيءَ كائناً يَحْسِبه ويَحْسَبُه حِسْباناً ومَحْسَبَةً ومَحْسِبةً: ظنَّ.

تعدد المهام

وفي هذا الصدد، قبل انتشار الحواسب رخيصة الثمن، كان الهدف من تعدد المهام هو السماح بمشاركة حاسوب واحد بين أشخاص متعددين. يبدو مما سبق أن الحاسوب سيكون أبطأ في التنفيذ بما يتناسب مع عدد البرامج التي يُشغلها، ولكن في التطبيق العملي وُجِد أن سبب التأخير هو انتظار الحاسوب لمدخلات أجهزة الدخل التي لم تنهِ مهمتها بعد. أي إذا كان البرنامج ينتظر أن يضغط المستعمل على مفتاح في لوحة المفاتيح، أو ينقر بالفأرة، فعندها لم يحصل البرنامج على "الشريحة الزمنية" حتى حصول الحدث الذي يُنتظر حدوثه. تُحرر هذه الخاصية مزيداً من الزمن للبرامج الأخرى لتعمل معاً من غير إبطاء غير مُستحَب.

وفي هذا السياق، يمكن للحاسوب أن يكون متعدد المهام، وهذا يعني أنه قادر على تشغيل برامج عديدة في الوقت نفسه مع التبديل بسرعة بين البرامج. يمكن أن تُنفَّذ الآلية السابقة باستعمال المقاطعة، وفيها يتوقف الحاسوب عن تنفيذ تعليمات البرنامج التي يُنفذها في الوقت الحالي، وينتقل إلى تنفيذ تعليمات أخرى، ثم يعود مرة أخرى بعد الانتهاء من تنفيذ التعليمات الأخرى إلى التعليمات الأولى التي كان يعمل عليها قبل المقاطعة وينهي تنفيذها، وهذا يعني بالضرورة أن الحاسوب يحتاج إلى تخزين موقع التعليمات الأولى قبل الانتقال إلى تنفيذ الأخرى. لو نُفِّذت العملية السابقة عدة مئات من المرات في الثانية على برامج عديدة، فإنها ستبدو وكأنها تُنفَّذ في الوقت نفسه، أما الحقيقة فهي أن الحاسوب ينفذ برنامجاً واحداً فقط في كل لحظة زمن. تُسمى هذه الطريقة لتعدد المهام بتشارك الزمن؛ لأن كل برنامج يحصل على "شريحة" محددة من الزمن ليُنفذ فيها، ويكون زمن التنفيذ المجمل مُشتركاً بين البرامج.

البرمجيات

من جانب آخر، تحتاج البرمجيات والعتاد بعضهما البعض، ولا يمكن لأحدهما أن يعمل بمعزلٍ عن الآخر. لكن البرمجيات تكون مستقلة عن العتاد عموماً، أي يمكن استعمالها مع غير قيود صارمة تحدد العتاد المطلوب، أما البرمجيات التي لا تعمل إلا مع نوع محدد من العتاد بالبرمجيات الثابتة مثل النظام الأساسي للإدخال والإخراج.

من جانب آخر، تشمل كلمة "البرمجيات" أجزاء الحاسوب التي ليس لها هيئة مادية، مثل: البرامج، والبيانات، والمكتبات، والبروتوكول، وتتكون من معلومات مرموزة أو تعليمات، على عكس العتاد الذي يُبنى منه الحاسوب. تُقسم البرمجيات عادةً إلى برمجيات النظم وبرمجيات تطبيقية، ويشمل المفهوم كذلك بيانات لا يمكن تنفيذها كما تُنفَّذ البرامج مثل مستندات توثيق البرمجيات.

وحدة التحكم

جلب البيانات الضرورية لوحدة الحساب والمنطق.

كذلك، قراءة البيانات التي تحتاجها التعليمة من الذاكرة، أو من أداة دخل مثلاً، يكون موقع أو مصدر البيانات مُحدداً بالرموز الرقمية التي تكوِّن التعليمة نفسها.

من جهة ثانية، تدير وحدة التحكم مكونات الحاسوب الأخرى، وتُسمَّى أحياناً نظام التحكم أو المُتحكِّم المركزي. وظيفتها الرئيسة قراءة تعليمات البرنامج وتفسيرها، أي فك ترميزها، ثم تحويلها إلى إشارات تحكم تُفعِّل أجزاء أخرى من الحاسوب. يمكن لوحدات التحكم في الحواسيب المتقدمة أن تُغير ترتيب تنفيذ بعض التعليمات لتحسين الأداء.

وفي هذا الصدد، قراءة رموز التعليمة التالية من الموقع المحدَّد بالعنوان الموجود في عداد البرنامج.

ومن جهة أخرى، فك الرمز الرقمي للتعلمية والحصول على مجموعة من الأوامر أو الإشارات لتطبيقها على مكونات أخرى.

ومن ناحية أخرى، تتابع العمليات الذي تجريه وحدة التحكم لمعالجة عملية ما هو برنامج حاسوب صغير بحد ذاته، وفي بعض تصاميم وحدات المعالجة المعقدة يُنظِّم متتبع صغري هذا المسألة بتنفيذ نص برمجي صغري يسبب حصول ما سبق.

وفي هذا السياق، إن عداد البرنامج هو موقع تخزين في الذاكرة، ويمكن تغيير قيمته بعمليات حسابية. إضافة 100 مثلاً إلى قيمة عداد البرنامج ستسبب قراءة التعليمة التي تقع بعد 100 تعليمة من موقع التنفيذ الحالي. تُسمى عملية تعديل قيمة عداد البرنامج بالقفز، وهي تسمح بإنشاء عناصر التحكم بالانسياب نحو بنى الاختيار وبنى التكرار.

تعمل وحدة التحكم كما يأتي:

وفي السياق ذاته، عداد البرنامج هو عنصر رئيس مشترك في تصاميم وحدات المعالجة المركزية، وهو موقع في الذاكرة يُسمَّى سجلاً، ويحتفظ بعنوان الذاكرة للتعليمة التي ستقرأ تالياً.

عودة إلى الخطوة الأولى.

وعلى صعيد آخر، لو كان تنفيذ التعليمة يحتاج استعمالاً مخصصاً للعتاد، أرسل الأوامر اللازمة للعتاد لعمل العملية المطلوبة.

من جهة ثانية، كتابة ناتج عمل وحدة الحساب والمنطق في الذاكرة، أو في سجل أو عرضه على أداة خرج.

من جهة ثانية، زيادة قيمة عداد البرنامج ليشير إلى موقع التعليمة التالية في الذاكرة.

المستقبل

من جانب آخر، ليس بالضرورة أن يكون الحاسوب مكوناً من عناصر إلكترونية ولا أن يحتوي على معالج أو ذاكرة وصول عشوائي أو قرص صلب. مع أن الاستعمال الدارج لكلمة الحاسوب مرتبط بالحاسوب الشخصي الإلكتروني، إلا أن تعريف الحاسوب هو: "أي آلة تقوم بثلاث مهمات: تتلقى مدخلات ذات بنية مُعرَّفة، وتعالجها وفق قواعد معرَّفة سلفاً، وتولَّد النتائج كمخرجات"، حسب هذا التعريف، فإن أي جهاز يعالج المعلومات يمكن أن يُصنَّف على أنه حاسوب.

إضافةً إلى ذلك، الأبحاث جارية لصناعة حواسيب غير تقليدية باستعمال تقانات مختلفة، مثل الحواسيب البصرية وحواسيب الحمض النووي والحواسيب العصبونية والحواسيب الكمومية. الغالب الأعم من الحواسيب عامٌ قادرٌ على حساب الدوال الحَسُوبَة، ويكون كل منها محدوداً بسعة ذاكرته وبسرعة إنجاز العمليات الحسابية، ولكن تصاميم أخرى للحاسوب أعطت نتائج مختلفة أداءً عند معالجة مشكلات محددة، مثلاً تستطيع الحواسيب الكمومية استخراج مُعمَّى خوارزمية تعمية حديثة، مثل خوارزمية شور بسرعة كبيرة.

الأخطاء

وفي هذا الصدد، توجد الأخطاء البرمجية في البرامج، وقد تكون أخطاء غير مؤثرة على عمل البرنامج، أو قد تكون ذات أثر محدود، ولكنها قد تؤدي كذلك إلى البرنامج وجعله لا يستجيب للمستعملين، كما قد تؤدي إلى فشل البرنامج كاملاً أو انهياره. قد يستغل بعض قراصنة الحاسوب الأخطاء الحميدة لتطوير برمجيات استغلال وتعطيل التنفيذ السليم لتنفيذ البرنامج. ليست الأخطاء وليدة الحواسيب التي تنفِّذ فقط التعليمات التي تُعطى لها، لكنها نتيجة لخطأ ارتكبه المبرمج عند كتابة البرنامج. الكلمة الإنكليزي التي تدل على الخطأ البرمجي هي ، وهي تدل على كلمة حشرة كذلك. يُنسَب الاستعمال الأول لهذه الكلمة في سياق الحوسبة للدلالة على الخطأ البرمجي لعالمة الحاسوب الأمريكية غريس هوبر، التي طوَّرت مُصرِّف لغات البرمجة الأول، فقد عثرت على عثة ميتة محشورة في مُرحِّل في الإصدار الثاني من حاسوب هارفرد في سبتمبر 1947م.

الحواسيب المحمولة والمنقولة

وفي السياق ذاته، كانت الحواسيب المنقولة الأولى ثقيلة الوزن، وتحتاج إلى توصيل بمصادر الطاقة الكهربائية توصيلاً دائماً، مثلاً الحاسوب آي بي إم 5100 كان يزن قرابة 23 كغ، أما الحاسوبان وحاسوب كومباك المنقول، فكانا أخف وزناً خفة ملحوظة، ولكنهما احتاجا توصيلاً دائماً بمصدر للطاقة الكهربائية. أما الحواسيب المحمولة المُبكرة، فألغت الحاجة للتوصيل بالمصدر الكهربائي؛ لأنها اشتملت على بطاريات مُدمجة، مثل حاسوب . استمرت عملية تصغير العتاد وموارد الحوسبة وتحسين عمر البطاريات، حتى أصبحت الحواسيب المحمولة خياراً شائعاً منذ العقد الأول من القرن الواحد والعشرين. ساعدت هذه التحسينات المصنعين على تصغير عتاد موارد الحوسبة لتُستعمل في الهواتف المحمولة كذلك في الفترة نفسها.

• التصنيف
• حسب المعمارية
• حسب الأبعاد ومعيار التصنيع والغرض من الاستعمال

إضافةً إلى ذلك، تدعم الهواتف الذكية والحواسيب اللوحية أنظمة تشغيل متنوعة وهي أجهزة الحاسوب السائدة بين المستعملين، يحوي كل من هذه الحواسيب ما يُسمى "نظام على رقاقة"، وهي كما تقدم، حاسوب كامل على رقاقة لا تزيد أبعادها عن قطعة نقد معدنية.

اللغات عالية المستوى

من جانب آخر، تعد كتابة البرامج بلغة التجميع أسهل مقارنة بلغة الآلة، إلا أنها تظل عملية معقدة، وعرضة للأخطاء، وتستغرق وقتًا أطول. لذلك، فإن البرامج تكتب عادةً بلغات أكثر تجريداً تُسمَّى لغات البرمجة عالية المستوى. تُصرَّف البرامج المكتوبة بلغات البرمجة عالية المستوى إلى لغة الآلة مباشرةً أو مروراً بلغة تجميع، ويُسمَّى البرنامج الذي يُصرِّفها بالمُصِّرف. تكون اللغات عالية المستوى أقل ارتباطاً بالحاسوب الهدف الذي تعمل عليه مقارنةً بلغات التجميع، لذلك فمن الممكن استعمال مُصرِّفات متعددة لترجمة برنامج واحد إلى لغة الآلة لحواسيب مختلفة، يمكن مثلاً توفير لعبة فيديو ما على مشغلات ألعاب فيديو مختلفة باستعمال مُصرِّفات مختلفة تترجم النص البرمجي للعبة، المكتوب بلغة عالية المستوى، للغات آلة المُشغِّلات المطلوبة. طوَّرت جريس هوبر أول مُصرِّف للغة برمجة.

البرامج

وفي هذا الصدد، ما يميز الحواسيب الحديثة اليوم عن كل الآلات الأخرى هو إمكانية البرمجة، وهذا يعني أنه يوجد طريقة ما لإدخال مجموعة من التعليمات تُسمى برنامجاً إلى الحاسوب لينفذها. تملك الحواسيب الحديثة لغة آلة يمكن كتابة برنامج بها باستعمال البرمجة الأمرية، وقد يكون طول البرنامج فيها سطور متعددة، وقد يطول لملايين التعليمات، ويمكن للحواسيب أن تعالج (تُنفِّض) الملايين من هذه التعليمات كل ثانية من غير وجود أخطاء، وتقاس هذه القدرة بوحدة فلوبس وهي عدد التعليمات الشاملة للفاصلة المتحركة التي يمكن للحاسوب تنفيذها في الثانية.

لغات البرمجة

في هذا الإطار، يوجد الآلاف من لغات البرمجة تتراوح في درجة تخصصها بين العام الذي يمكن استعماله لأي غرض والدقيق المخصَّص الذي طور استجابة لحاجة محددة دقيقة.

المعمارية الخلوية

علاوةً على ذلك، يبدو الحاسوب الكمومي هو الاتجاه الواعد لإحداث ثورة في الحوسبة من بين هذه الآلات المجردة.

اللغات منخفضة المستوى

وفي السياق ذاته، تشمل اللغات منخفضة المستوى لغات الآلة ولغات التجميع، وتكون كل لغة منها متخصصة بمعمارية فريدة لوحدة المعالجة المركزية في الحاسوب. وحدة المعالجة المركزية في معمارية آرم، الموجودة عادة في الهواتف الذكية لا يمكنها أن تفهم لغة الآلة المستعملة في معمارية إكس 86 الموجودة عادة في الحواسيب الشخصية. لم يمنع هذا تصميم معماريات حوسبة أخرى على مر تاريخ الحوسبة، وانتشارها انتشاراً واسعاً.

مواضيع أخرى مرتبطة بالعتاد

وفي هذا السياق، يضم الحاسوب شائع الاستعمال أربعة مكونات رئيسة: وحدة الحساب والمنطق، ووحدة المعالجة المركزية، والذواكر، ووحدات الإدخال والإخراج. تتصل هذه المكونات فيما بينها باستعمال المساري التي غالباً ما تكون مجموعة من الأسلاك. في داخل كل من هذه المكونات دارات إلكترونية صغيرة قد يصل عددها إلى المليارات، يمكن تشغيلها أو إيقافها باستعمال ترانزستور. تُمثّل كل دارة بتًا واحدًا من المعلومات، لو شُغِّلت فهي تُمثِّل القيمة "1" ولو أُوقِفت تُمثِّل القيمة "0".

الصمامات المفرغة والدارات الإلكترونية الرقمية

وفي هذا الصدد، حلت العناصر الإلكترونية في الدارات محل مكافآتها الميكانيكية والميكانيكية الكهربائية في الوقت نفسه الذي ساد فيه الحساب الرقمي على الحساب التماثلي. بدأ تومي فلاورز، وهو باحث في في لندن في ثلاثينيات القرن العشرين، التجارب على استعمال الإلكترونيات في مقاسم الهاتف. صُنعت نماذج تجريب سنة 1934، ثم استعملت في إنجاز العمليات بعد 5 سنوات، فحولت جزءًا من شبكة مقاسم الهاتف إلى نظام إلكتروني لمعالجة البيانات بالاعتماد على آلاف الصمامات المفرغة. طوَّر جون أتاناسوف وكليفورد بيري من جامعة ولاية آيوا حاسوب بيري وأتاناسوف وجربوه سنة 1942م، وكان أول حاسوب "رقمي إلكتروني ذاتي التشغيل". كان هذا الحاسوب ذا تصميم إلكتروني بالكامل، فيه 300 صمام مُفرَّغ مع مكثفات مثبَّتة على أسطوانات دوَّارة تمثِّل الذاكرة.

الحواسيب المعاصرة

إضافةً إلى ذلك، بدأ تطوير إنياك وبناؤه في سنة 1943م تحت إشراف جون ماكلي وجون برسبر إيكيرت في جامعة بنسلفانيا، ودخل الخدمة سنة 1945م. جمع هذا الحاسوب بين سرعة الإلكترونيات العالية وإمكانية البرمجة، ومكَّنه ذلك من حل مشكلات معقدة. كان إنياك قادراً على إنجاز 5000 آلاف عملية جمع أو طرح في الثانية، أسرع بألف مرة من الآلات الأخرى. وكان قادراً كذلك على حساب الضرب والقسم والجذر التربيعي، وكانت ذاكرته عالية السرعة محدودة بعشرين كلمة فقط، قرابة 80 بايتاً. ولكنه كان هائل الحجم، يزن 30 طناً، ويحتاج 200 ألف واط من الاستطاعة الكهربائية لتغذية 18 ألف صمام مُفرَّغ و1500 مُرحِّلة ومئات الآلاف من المقاومة والمكثفات والوشائع.

إضافةً إلى ذلك، نجح مستخرجو التعمية الإنجليز في حديقة بلتشلي خلال الحرب العالمية الثانية في اختراق الاتصالات الألمانية العسكرية المُعمَّاة. كانت آلة إنجما الألمانية هدفاً رئيساً لمستخرجي التعمية الذي استعملوا آلة سميت بُمب ، ولعبت النساء دوراً بارزاً في عملية استخراج المعمى هذه.

إضافةً إلى ذلك، كولوسس هو أول حاسوب إلكتروني رقمي يمكن برمجته، استعملت الصمامات المفرَّغة في بنائه. كان دخل كولوسس شريطاً من الورق، وكان قادراً على معالجة الدخل باستعمال مجموعة متنوعة من العمليات المُعرَّفة حسب جبر بول، لكنه لم يكن كاملاً حسب تورنغ. سُمي هذا الحاسوب بالإصدار الأول ، ورقيَّت هذه الآلة إلى إصدارٍ ثان ، وصنع منها 9 نسخ فقط، ليكون المجمل، مع الآلة التي رُقِّيت 10 آلات. ضمَّ الإصدار الأول 1500 صماماً والثاني 2400، وكان الإصدارات أسرع بخمس مرات من الإصدار الأول لحاسوب هَرفرد، وكان استعمالهما أبسط ما سرَّع عملية فك التعمية.

علاوةً على ذلك، الحاسوب والمكامِل الرقمي الإلكتروني تختصر ENIAC، وتُلفظ إنياك، هو أول حاسوب إلكتروني يمكن برمجته يُبنى في الولايات المُتحدة. كان إنياك أسرع من كولوسس وأسهل بالاستعمال، وكان كاملاً حسب تورنغ. يُعرَّف البرنامج في إنياك حسب حالة المفاتيح والكبلات. ويلزم إدخاله يدوياً إلى الآلة، بعد أن يُكتب، باستعمال مقابس ومفاتيح. عملت ست نساء في برمجة إنياك، وأُشير إليهم معاً باسم "فتيات إنياك" .

وفي هذا الصدد، أما لاستخراج مُعمَّى آلات ألمانية أكثر تعقيداً مثل معمي لورنز، والتي استعملت عاد لتعمية اتصالات القيادة العليا للجيش الألماني، فقد بنى ماكس نيومان حاسوب كولوسس. استغرقت عملية تصميم الحاسوب وبناؤه 11 شهراً بدءاً من شهر فبراير 1943م. اجتاز كولوسس اختبارًا للتجريب بنجاح، ثم شُحِن إلى حديقة بلتشلي، وسُلِّم في 18 يناير 1944، ليبدأ العمل في استخراج المُعمَّى في 5 فبراير من العام نفسه.

مفهوم الحاسوب المعاصر

من جهة ثانية، اقترح آلان تورنغ مفهوم الحاسوب المعاصر في ورقة بحثية نُشرت سنة 1937م عنوانها: "عن الأرقام الحَسُوبة أو الأعداد القابلة للحساب ، أشار تورنغ في عمله إلى آلة بسيطة سمَّاها (آلة الحوسبة العامة) ، وهي تُسمَّى اليوم آلة تورنغ العامة. أثبت تورنغ أن آلة كهذه تستطيع حساب أي عملية حَسُوبة (أعداد قابلة للحساب) من خلال تنفيذ برنامج مكوَّن من مجموعة تعليمات مخزونة على شريط، وهذا يعني إمكانية برمجة الآلة. لقد تمحور تصميم تورنغ حول مفهوم جوهري هو البرنامج المخزون حيث تُخزَّن كل تعليمات الحوسبة في الذاكرة. يُرجع جون فون نيومان الفضل في تطوير الحاسوب الحديث إلى هذا المفهوم المركزي. ما تزال آلات تورنغ مادة للدراسة في نظرية الحوسبة. على فرض إهمال حجم الذاكرة المحدود نظرياً، فإن الحواسيب المعاصرة هي كاملة حسب تورنغ، وهذا يعني أنها قادرة على تنفيذ الخوارزميات تنفيذاً يُجارِي آلة تورنغ العامة.

الذاكرة

وفي هذا الصدد، تضم وحدة المعالجة المركزية مجموعة خاصة من خلايا الذاكرة تُسمَّى السجلات، تستعمل الوحدة السجلات لتخزين البيانات الأكثر استعمالاً لتجنب قراءتها في كل من الذاكرة الرئيسة، فالكتابة والقراءة في السجلات أسرع مقارنة مع الذاكرة الرئيسة. قد تحتوي وحدة المعالجة على سجلين فقط، ولكن قد يزيد عدد السجلات عن مئة في بعض الأنواع.

في هذا الإطار، تخزِّن كل خلية في الحواسيب المعاصرة عدداً ثنائياً مكون من مجموعة من 8 بتات تُسمَّى بايتاً. يمكن لكل بايت أن يُمثِّل 256 رقماً مختلفاً (28 = 256) تتراوح بين 0 إلى 255 أو بين −128 إلى +127. أما لتخزين أعداد أكبر، فتُستعمل مجموعة من البايتات المتتالية، اثنان أو أربعة أو ثمانية، في حين تُمثَّل الأعداد السالبة باستعمال المتمم الثنائي. مع أن طرق تمثيل أخرى ممكنة، إلا أنها نادراً ما تستعمل.

ذاكرة القراءة فقط

تُصنف ذاكرة الحاسوب تحت صنفين رئيسين:

وعلى صعيد آخر، الذاكرة في الحاسوب هي مجموعة من الخلايا التي يمكن كتابة الأرقام فيها أو قراءتها. تخزِّن كل خلية رقماً واحداً، ويكون لها مُعرِّف مميز يُسمَّى عنوانها. ويمكن بعدها للحاسوب أن يجري عمليات حسابية على القيم المُخزَّنة في الخلايا باستعمال عنوانها. المعلومات المخزنة في الذاكرة مجرَّدة، ويمكن أن تستعمل لتمثيل أي شيء: حرف أبجدي أو عدد رياضي أو حتى تعليمة من تعليمات الحاسوب، ولا تميز الذاكرة بينها، وتكون عملية التمييز من مهام البرمجيات.

آلات الحساب الميكانيكية الكهربائية

كذلك، عرض كيبيدو في باريس سنة 1920 مقياسَ حسابٍ ميكانيكياً كهربائياً في الذكرى المئوية لاختراع . تكوَّن المقياس من وحدة حساب متصلة من عامل يحدد الدخل الذي يكون بصورة أوامر، أما الخرج فيطبع آلياً. أظهر هذا العرض إمكانية تصنيع محرك تحليلي ميكانيكي كهربائي.

كذلك، ذكر ليوناردو توريس كيبيدو في عمله الذي نشره سنة 1914 وعنوانه مقالات في الأتمتة جهود بابيج في إنشاء محرك تفاضلي ميكانيكي ومحرك تحليلي. وصف كيبيدو المحرك التحليلي بأنه تنفيذ لنظرياته حول القدرة الكامنة في الآلات، وجعل مشكلة تصميم هذا المحرك تحدياً لمهاراته بصفته مخترعاً لآلات ميكانيكية كهربائية. تضمن العمل تصميماً لآلة قادرة على حساب قيمة الصيغة آلياً من أجل مجموعة من القيم المتغيرة. كانت الآلة محكومة ببرنامج قروء فقط تضمَّن بنى متفرَّعة شرطية، قدَّم كيبيدو في هذا العمل كذلك فكرة حسابات الفاصلة المتحركة.

وحدات الإدخال والإخراج

من جهة ثانية، وحدات الدخل والخرج هي الوسائل التي يتبادل فيها الحاسوب المعلومات مع العالم المحيط. تسمَّى الأجهزة التي تؤدي وظائف الدخل والخرج بالطرفيات. تشمل الطرفيات في حاسوب شخصي أجهزة الدخل مثل الفأرة ولوحة مفاتيح حاسوب، وأجهزة الخرج مثل الشاشة والطابعة. بعض الأجهزة مثل شاشة اللمس تكون جهاز إدخال وإخراج في الوقت نفسه.

البرامج المخزونة

ومن ناحية أخرى، كانت آلة مانشستر التجريبية صغيرة النطاق الشهيرة باسم صغير مانشستر أول حاسوب برنامج مخزون في العالم. بناها فريدريك وليامز و و في جامعة مانشستر في إنجلترا، نجحت الآلة في تشغيل أول برامجها في 21-06-1948م. صُمِّم هذا الحاسوب بالأساس ليكون منصة اختبار لأنبوب ويليامز: أول أداة تخزين رقمية تدعم ميزة الوصول العشوائي. وُصِف صغير مانشستر سنة 1998م في مراجعة نقدية بأنه "صغير وبُدائي"، ولكنه كان أول آلة عاملة تضم كل العناصر الرئيسة لحاسوب إلكتروني معاصر. بعد أن ظهرت جدوى تصميم صغير مانشستر، بدأ مشروع جديد في الجامعة لتطويره إلى حاسوب يمكن الاستفادة منه عملياً، ونتج عن ذلك الإصدار الأول لحاسوب مانشستر .

ومن ناحية أخرى، عملت آلات الحوسبة المبكرة ببرامج ثابتة، لذلك كان التغيير في وظيفتها يتطلَّب تغييراً في توصيل الأسلاك، وفي بنية الآلة. ولكن هذا تغيير مع اقتراح استعمال البرامج المخزونة، فأصبحت الآلات تتضمن في تصميمها مجموعة تعليمات، وتدعم تخزين برنامج مُكوَّن من هذه التعليمات في الذاكرة، وتكون تفاصيل الحوسبة في هذا البرنامج. وضع آلان تورنغ الأساس النظري لحاسوب البرنامج المخزون في ورقة بحثية نشرها سنة 1936م. انضم تورنغ في سنة 1945م إلى المختبر الفيزيائي الوطني، وبدأ العمل على تطوير حاسوب برنامج مخزون إلكتروني رقمي، وكان تقريره المنشور في السنة نفسها والمعنون: حاسبة إلكترونية مقترحة أول مُحددات لآلة من هذا النوع. نشر جون فون نويمان في الوقت ذاته في جامعة بنسلفانيا تقريراً حول الحاسوب الذي يطوره عنوانه: "المسودة الأولى لتقرير عن إدفاك" .

ومن جهة أخرى، أصبح الإصدار الأول لحاسوب مانشستر سريعاً الإصدار الأول لحاسوب فيرانتي، الذي كان أول حاسوب تجاري عام الاستخدام كما يدل الاسم، فقد بنت فيرانتي هذا الحاسوب لجامعة مانشستر، وسلَّمته في فبراير 1951م. صُنِعت سبعة حواسيب أخرى على الأقل من الإصدار نفسه بين عامي 1953 و1957م، سُلِّم أحدها إلى مختبرات شركة شل في أمستردام. قرر مديرو شركة جي ليونز البريطانية للأطعمة في أكتوبر 1947 أن يكون لشركتهم دور فاعل في الترويج للتطوير التجاري للحواسيب. صُنِع، نتيجة لذلك، وفق نموذج مشابه لنموذج ، المعروفة اختصاراً بالاسم إدساك، الذي طورتها جامعة كامبريدج. شُغِّل هذا الحاسوب في أبريل 1951، وأنجز أول مكتبي محوسب في التاريخ.

ذاكرة الوصول العشوائي

من جانب آخر، يمكن قراءة ما يوجد في ذاكرة الوصول العشوائي أو الكتابة فيها في أي وقت، وهي تفقد ما يُخزَّن فيها لو قُطِعت عنها التغذية الكهربائية نتيجة لإيقاف تشغيل الحاسوب. أما ذاكرة القراءة فقط، فإنها تُحمَّل ببيانات وبرمجيات لا تتغير، وتقرؤها وحدة المعالجة فقط، وهي لا تفقد ما فيها، حتى لو قطعت التغذية الكهربائية عنها، لذلك تُستعمل عادة لتخزين تعليمات الإقلاع. تضم ذاكرة القراءة فقط في الحاسوب الشخصي برنامجاً مخصصاً يُسمَّى النظام الأساسي للإدخال والإخراج ينسِّق عملية تحميل نظام التشغيل من القرص الصلب إلى ذاكرة القراءة العشوائية. أما في الأنظمة المُضمَّنة التي لا تحتوي أقراص تخزين صلبة، فإنَّ كل البرمجيات الضرورية تُخزَّن في ذاكرة القراءة فقط، وتُسمَّى البرمجيات التي تُخزَّن بهذا الشكل بالبرمجيات الثابتة؛ لأنها مُثبتة على العتاد لا يُمكن للمستعمل تغييرها. تطمس الذاكرة الوميضية الحد الفاصل بين ذاكرة القراءة فقط وذاكرة الوصول العشوائي، فهي تحتفظ بما يُخزن فيها بعد انقطاع التغذية، ويمكن إعادة الكتابة فيها، ولكنها أبطأ بكثير من النوعين السابقين، لذلك يكون استعمالها محصوراً في التطبيقات التي تكون السرعة العالية فيها غير ضرورية.

كذلك، يوجد في الحواسيب الأكثر تعقيداً أكثر من ذاكرة مخبئية مرفقة مع وحدة المعالجة المركزية. تكون عملية القراءة والكتابة فيها أبطأ من السجلات، ولكنها أسرع من الذاكرة الرئيسة. تُصمم هذه الحواسيب لتنقل آلياً البيانات الأكثر استعمالاً إلى الذاكرة المخبئية من دون تدخل المبرمجين.

أجهزة الإدخال

وفي السياق ذاته، تساعد أجهزة الإدخال الحاسوبَ على استقبال بيانات غير معالجة لمعالجتها وإرسالها للخرج.

لغة البرمجة

علاوةً على ذلك، تستعمل لغات البرمجة لكتابة البرامج التي تنفذها الحواسيب. تُصمم لغات البرمجة، على خلاف اللغات الطبيعية، لتُعبِّر عن المراد بجلاء وإيجاز. لغات البرمجة كلها مكتوبة، وتصعب قراءتها جهاراً، تترجم إلى لغة الآلة قبل تنفيذها باستعمال مُصرِّف أو مُجمِّع، أو تترجم مباشرة عند تنفيذها باستعمال مُفسِّر، تُنفَّذ بعض البرامج بطريقة هجينة تشمل التقنيتين السابقتين.

الدارات المتكاملة

ومن جهة أخرى، كانت القفزة الكبيرة التالية في قوة الحوسبة هي الدارات المتكاملة. كان ، وهو مهندس إلكترونيات يعمل في في وزارة دفاع المملكة المتحدة، أول من طرح مفهوم الدارة المتكاملة في ورقة بحثية شارك فيها في مؤتمر عنوانه: "ندوة حول التقدم المحرز في جودة المكونات الإلكترونية" عُقد في واشنطن في 7 مايو 1952.

علاوةً على ذلك، نتج عن تطوير الدارات المتكاملة باستعمال أشباه الموصلات والأكاسيد المعدنية اختراع المعالجات الصغرية، وكان فاتحةً لعصر جديد سادت فيه الحواسيب الشخصية بوصفها منتجات تجارية. لا يوجد توافق حول من هو المعالج الصغري الأول؛ بسبب عدم التوافق حول تعريف ما هو المعالج الصغري بالأصل، ولكن يُقبل على نطاق واسع أن المعالج الصغري الأول المصنوع على رقاقة واحدة كان إنتل 4004، صنعه فيدريكو فاجين باستعمال تقانة الدارات المتكاملة المكونة من أشباه الموصلات والأكاسيد المعدنية ذات البوابة السِّلكونية، بمساعدة تيد هوفمان و وستانلي مزور في إنتل. نجحت تقانة الدارات المتكاملة المكونة من أشباه الموصلات والأكاسيد المعدنية في بدايات سبعينيات القرن العشرين بصناعة رقاقة واحدة فيها أكثر من 10 آلاف ترانزستور.

علاوةً على ذلك، النظام على رقاقة هو حاسوب كامل على رقاقة واحدة لا تزيد أبعادها عن قطعة نقد. ليس بالضرورة أن تحتوي دائماً على ذاكرة وصول عشوائي والذاكرة الوميضية، في حالات عدم وجودها تُضاف ذاكرة الوصول العشوائي مباشرة فوق الرقاقة (تُسمى التقنية عندها ) أو تحتها (على الوجه المعاكس من لوحة الدارة)، في حين تضاف الذاكرة الوميضية عادةً إلى جانب الرقاقة، والهدف من ذلك هو تقليل المسافة التي تقطعها الإشارات ومن ثم زيادة سرعة نقل البيانات.

ومن جهة أخرى، صنع جاك كيلبي في تكساس إنسترومنتس وروبرت نويس في فيرتشايلد لأشباه الموصلات أول الدارات المتكاملة. كتب كيلبي أفكاره الأولى حول الدارات المتكاملة في شهر يوليو سنة 1958م، ونجح بتنفيذها في 12 سبتمبر 1958م. وصف كيلبي ما صنعه في براءة الاختراع كما يأتي: "تركيب من أشباه الموصلات... تكون كل مكونات الدارة الإلكترونية فيه متكاملة" لم يكن اختراع كيلبي في الواقع دارة متكاملة مطبوعة على رقاقة واحدة، بل كان فيها أسلاك توصيل خارجية، لذلك كان تصنيعها على نطاق واسع صعباً.

علاوةً على ذلك، وضع نويس مفهومه الخاص عن الدارات المتكاملة بعد نصف سنة من كيلبي، وكان اختراعه هو أول دارة متكاملة مطبوعة على رقاقة واحدة، وحلَّت رقاقته مشكلات عديدة لم تستطع رقاقة كيلبي حلها. كانت رقاقة نويس مصنوعة من السيلكون، في حين أن رقاقة كيلبي كانت مصنوعة من الجرمانيوم. صُنعت رقاقة نويس باستعمال تقنية العملية السطحية التي طورها زميله في فيرتشايلد لأشباه الموصلات جان هورني.

من جهة ثانية، الدارات المتكاملة المعاصرة المطبوعة على رقاقة واحدة مكونة في أغلبها من أشباه الموصلات والأكاسيد المعدنية، وتُبنَى باستعمال موسفت. أقدم مثال معروف لدارة متكاملة مصنوعة من أشباه الموصلات والأكاسيد المعدنية هو رقاقة فيها 16 ترانزستوراً بناها فريد هايمن وإستيفن هوفشتاين سنة 1962م في شركة راديو أمريكا. أطلقت شركة الإلكترونيات الصغرية العامة لاحقاً أول دارة متكاملة مصنوعة من أشباه الموصلات والأكاسيد المعدنية لأغراض تجارية سنة 1964م، وكانت من تطوير روبرت نورمان. بعد أن طوَّر روبرت كيرون و وجون سارس ترانزستورات أشباه الموصلات والأكاسيد المعدنية ذات من السيلكون في مختبرات بل سنة 1967م، نجح فيدريكو فاجين في تطوير دارات متكاملة من أشباه الموصلات والأكاسيد المعدنية ذات بوابة ذاتية المحاذاة من السيلكون في فيرتشايلد لأشباه الموصلات سنة 1968م. وأصبح موسفت بعدها المكون الأكثر أهمية في الدارات المتكاملة المعاصرة.

الذكاء الصنعي

وفي هذا الصدد، يحل الحاسوب المشكلات التي تواجهه متبعاً الطريقة التي بُرمِج بها بحذافيرها، ومن غير اهتمام بوجود طرائق أخرى أكثر كفاءة أو حلولًا بديلة أو اختصارات ممكنة أو حتى أخطاء في النص البرمجي. لكن الذكاء الصنعي وتعلُّم الآلة سوف يغيران هذا الجانب، فهما يسمحان للحاسوب بالتعلم من التجارب السابقة والتكيف مع الظروف المحيطة وطرح حلول إبداعية جديدة غير موجودة في البرامج التي ينفذها.

الميكانيكية الكهربائية

كذلك، زوِّد الحاسوب بالبرامج باستعمال شريط رقيق مثقوب، أما البيانات فكانت تُخزَّن في ذاكرة تتسع 64 كلمة تُدخل من لوحة المفاتيح. تشابه هذا الحاسوب مع الحواسيب المعاصرة في مسائل عديدة، منها مثلاً القدرة على إجراء حسابات تتضمن فاصلة متحركة. اعتمد حاسوب سوزه على نظام العد الثنائي، وكان تصميم الآلة أبسط وأسهل من تصميم آلة بابيج الذي اعتمد نظام العد العشري قياساً للتقانات الموجودة في ذلك الزمن. لم يكن زد3 حاسوباً عاماً، ولكن كان بالإمكان توسعته ليصبح كاملاً حسب تورنغ.

وفي السياق ذاته، طورت بحرية الولايات المتحدة بحلول العام 1938م حاسوباً تشابهياً ميكانيكياً كهربائياً صغيراً بما فيه الكفاية ليوضع في غواصة. استعمل هذا الحاسوب لحل مشكلة الحسابات المثلثية المرتبطة بإطلاق طُربيد على هدف متحرك، وسُمِّي ، وقد طورت نماذج عديدة مشابهة في دول أخرى خلال الحرب العالمية الثانية.

من جهة ثانية، تأخر سوزه في صناعة الحاسوب التالي؛ بسبب الحرب العالمية الثاني، ولكنه انتهى من صنع حاسوب زد4 في سنة 1950م، وأصبح بذلك أول حاسوب تجاري في التاريخ، وسُلِّم للمعهد الاتحادي السويسري للتقانة في زيورخ. صُنع الحاسوب في شركة أسسها سوزه اسمها: سوزه التضامنية المحدودة اختصاراً Zuse KG، أنشئت سنة 1941م وكانت الشركة الأولى التي تتخصص فقط بتطوير الحواسيب في برلين.

إضافةً إلى ذلك، كانت الحواسيب الرقمية المبكرة ميكانيكية كهربائية، تسحب فيها مفاتيح كهربائية مرحلات ميكانيكية لإجراء الحسابات. حاسوب الذي صنعه المهندس الألماني كونراد سوزه في برلين سنة 1939م هو أحد أوائل الحواسيب من هذا النوع. كانت هذه الحواسيب بطيئة في إجراء العمليات، ولم تدم لفترة طويلة، ليحل محلها حواسيب كهربائية بالكامل استعملت الصمامات المفرغة.

وعلى صعيد آخر، تابع سوزه العمل وصنع في سنة 1941 حاسوباً أكثر تعقيداً أسماه زد3، وكان أول حاسوب ميكانيكي كهربائي رقمي يمكن برمجته. بُني زد3 باستعمال 2000 مُرحِّلة وعمل بكلمات طولها 22 بت بتردد 5-10 هرتز.

الترانزستورات

من جانب آخر، اقترح جوليوس إدغار ليلينفيلد مبدأ ترانزستور الأثر الحقلي سنة 1925م، وصنع جون باردين ووالتر براتين في أثناء عملهما بإشراف وليم شوكلي في مختبرات بل ترانزستور التلامس النقطي في سنة 1947م، ليكون أول ترانزستور مصنوع، ثم صنع شوكلي الترانزستور ثنائي القطب سنة 1948م. حلَّت الترانزستورات محل الصِّمامات المفرغة في تصميم الحواسيب بدءاً من سنة 1955م، وكان هذا الاستبدال هو بداية الجيل الثاني من الحواسيب. للترانزستورات فوائد عديدة مقارنةً بالصِّمامات المُفرَّغة، هي أصغر حجم وأقل استهلاكاً للطاقة، وأقل إشعاعاً للحرارة، وأكثر موثوقية وذات عمر خدمة أطول. أمكن للحاسوب، بعد استعمال الترانزستور، أن يحوي عشرات الآلاف من الدارات المنطقية في حيز صغير نسبياً، لكن الترانزستورات الأولى كانت كبيرة نسبياً، ويصعب تصنيعها على نطاق واسع، لذلك فقد كان استعمالها محدوداً بعدد من التطبيقات المتخصصة.

وفي السياق ذاته، نجح فريق من الباحثين في جامعة مانشستر بإشراف في بناء حاسوب باستعمال الترانزستورات الجديدة، فصنعوا الحاسوب الترانزستوري الأول في سنة 1953م. واكتملت النسخة الثانية في شهر أبريل 1955م. لم يتخلَّ الحاسوب الترانزستوري عن الصمامات تماماً، بل استعملها في توليد نبضات الساعة بتردد 125 ألف هرتز وللكتابة والقراءة من الذواكر الأسطوانية. أما الحاسوب الأول الذي بُنِي من غير صمامات، فكان سنة 1955م، والذي صُنِع في مؤسسة الطاقة الذرية البريطانية في .

من جانب آخر، صنع محمد عطا الله وداون كانغ ترانزستور الأثر الحقلي للأكاسيد المعدنية لأشباه الموصلات المعروف اختصراً بالاسم موسفت في مختبرات بل سنة 1959م. كان هذا أول ترانزستور مضغوط يمكن تصغير صناعته على نطاق واسع لتطبيقات متنوعة. لأن تصنيع المُوسْفِت ممكن بمقاييس مختلفة ذات كثافة عالية مقارنة بالترانزستور ثنائي القطبية، ولأن استهلاكه للطاقة منخفض، أصبح من الممكن بناء دارات متكاملة عالية الكثافة. تجاوزت استعمالات الموسفت معالجات البيانات، واستعملت ترانزستورات الموسفت بوصفها عنصر تخزين، وصنعت منها خلايا ذاكرة، فحلت بذلك محل الذواكر مغناطيسية النواة التي استعملت في الحواسيب المبكرة. أدى تطوير الموسفت إلى تصنيع الحواسيب الصِغرية. ترانزستور الموسفت هو الأكثر استعمالاً في الحواسيب، وهو وحدة البناء الرئيسة في الإلكترونيات الرقمية، وقوة دافعة لعصر المعلومات.

العتاد

تاريخ عتاد الحوسبة

ومن جهة أخرى، يشمل مصطلح العتاد كل الأجزاء المادية الملموسة من الحاسوب: الرقائق الإلكترونية، مثل: بطاقة الرسوميات، وبطاقة الصوتيات، وبطاقة الذاكرة، واللوحة الأم؛ والدارات الكهربائية، مثل وحدة التغذية والكبلات؛ وأجهزة الإدخال والإخراج، مثل لوحة المفاتيح والطابعة.

أنماط معمارية الحاسوب

توجد أنواع مختلفة لمعماريات الحاسوب:

الحاسوب الكمومي في مقابل الحاسوب الكيميائي