تاريخ الكوممبيوتر

 

الحاسوب أو الحاسب الآلي (بالإنجليزية: Computer) هو عبارة عن جهاز إلكتروني قادر على استقبال البيانات ومعالجتها إلىمعلومات ذات قيمة يخزنها في وسائط تخزين مختلفة، وفي الغالب يكون قادراً على تبادل هذه النتائج والمعلومات مع أجهزة أخرى متوافقة. تستطيع أسرع الحواسيب في يومنا هذا القيام بمئات بلايين العمليات الحسابية والمنطقية في ثوانٍ قليلة. تشغل الحواسيببرمجيات خاصة تسمى أنظمة التشغيل، فمن دونها يكون الحاسوب قطعة من الخردة، وتبين أنظمة التشغيل للحاسوب كيفية تنفيذ المهام كما أنها في الغالب توفر بيئة للمبرمجين ليطوروا عليه تطبيقاتهم. إن هذا التعريف يبين الخطأ الشائع بين الناس من أن الحواسيب فقط هي تلك التي تعمل تحت بيئة ويندوز، وماكينتوش، ولينكس.

تنقسم مكونات الحاسوب إلى قسمين رئيسيين: العتاد الصلب (بالإنجليزية: Hardware) والبرمجيات (بالإنجليزية: Software) المشغلة له. وينقسم العتاد الصلب للحاسوب إلى خمس تصنيفات رئيسة: أجهزة الإدخال، والمعالجة، وأجهزة الإخراج، ووسائط التخزين، وأجهزة الاتصال. في حين تنقسم البرمجيات الحاسوبية إلى: أنظمة التشغيل، والتطبيقات.

تتعدد أنواع الحواسيب من حيث طريقة عملها وحجمها بالإضافة إلى سرعتها، فأوائل الحواسيب الإلكترونية كانت بحجم غرفة كبيرة وتستهلك طاقة مماثلة لما يستهلكه بضعة مئات من الحواسيب الشخصيّة اليوم.[1] كما أن السنوات الأخيرة شهدت انخفاضاً في تكاليف صناعة البنية الصلبة إلى الحد الذي أصبحت معه الحواسيب الشخصية سلعة منتشرة بشكل كبير. توسع تطبيق الحواسيب في مختلف المجالات والأجهزة في وقتنا الحالي، فصنعت الساعة الذكية، وطبقت الملاحة الإلكترونية بشكل واسع عن طريق نظام التموضع العالمي وأصبحت أجهزته في متناول الجميع، كما أن كثيرًا من رجال الأعمال يهتمون بتطبيقها في أعمالهم التجارية لتقليل الأيدي العاملة وتخفيض تكلفة الإنتاج. ينظر المجتمع إلى الحاسوب الشخصي - ونظيره المتنقل؛ الحاسوب المحمول - على أنهما رمزي عصر المعلومات؛ فهما ما يفكر به معظم الناس عند الحديث عن الحاسوب. ومع هذا فأكثر أشكال الحاسوب استخدامًا اليوم هي الحواسيب المضمّنة وهي الحواسيب المضمنة في أجهزة صغيرة وبسيطة تستخدم عادة للتحكم في أجهزة أخرى، فعلى سبيل المثال يمكنك أن تجدها في آلات تتراوح من الطائرات المقاتلة، والآليين، وآلات التصوير الرقمية إلى لعب الأطفال، وأجهزة الحاكوم.

لا يمكن القول بأن الحاسوب هو اختراع بحد ذاته، لأنه كان نتاج الكثير من الابتكارات العلمية والتطبيقات الرياضية. الحواسيب متنوعة في الواقع، وطبقًا لفرض تشرش في آلة تورنغ فإن حاسوبًا له قدرة ذات حد منخفض يكون قادرًا على إنجاز المهام الخاصة بأي حاسوب آخر، بدءاً من المساعد الرقمي الشخصي إلى الحاسوب الفائق، طالما أن الوقت وسعة الذاكرة ليست في الاعتبار. لذلك فإن التصميمات المتماثلة من الحاسوب من الممكن أن تضبط من أجل مهام تتراوح بين معالجة حسابات موظفي الشركات والتحكم في المركبات الفضائية بدون طيار. وبسبب التطور التقني فإن الحواسيب الحديثة تكون بشكل جبري أكثر قدرة من تلك التي من الأجيال السابقة وهي ظاهرة موصوفة ومشروحة جزئيا بقانون مور.

تاريخ الحاسوب

تاريخ تطور عتاد الحاسوب هو سجل مستمر من الاتجاه نحو جعل الحواسب أسرع وأرخص وقادرة على تخزين بيانات أكثر. قبل وجود الحاسوب متعدد الأغراض كان الإنسان يقوم بمعظم العمليات الحسابية بنفسه، إلى أن ظهرت الحاسبة لتساعد في العمليات الحسابية. ولا زالت الآلات الحاسبة تتطور، إلا أن الحاسوب فيه ميزة إضافية عنها وهي أنه ذو متعدد الاستعمال، وليس فقط لحساب الأرقام. ولقد مر عتاد الحاسوب بتطورات كبيرة منذ الأربعينات، حتى أصبح أساساً لكثير من الاستخدامات الأخرى غير الحساب كالأتمتة والاتصالات والتحكم والتعليم.

توجد أمثلة على أجهزة الحساب البدائية والتي تمثل الأسلاف الأوائل للحاسوب، منها المعداد وآلية أنتيكيثيرا وهو جهاز يوناني قديم كان يستخدم لحساب حركات الكواكب والتأريخ منذ سنة 87 ق.م. تقريباً. شهدت نهاية العصور الوسطى نشاطاً أوروبياً في علمي الرياضيات والهندسة وكان ويلهلم شيكارد الأول من عدد من العلماء الأوروبيين الذي أنشئ آلة حاسبة ميكانيكية. دُون المعداد على أنه حاسوب بدائي وذلك لأنه كان يشبه الآلة الحاسبة في الماضي. وفي عام 1801 قام جوزيف ماري جاكوارد بعمل تحسين للأشكال النولية الموجودة والتي تستخدم مجموعة متتالية من البطاقات الورقية المثقوبة وكأنها برنامج لنسج أشكال معقدة. والنتيجة كانت أن نول جاكوارد لم يتم اعتباره حاسوبًا حقيقيًا ولكنه كان خطوة هامة في تطوير الحواسيب الرقمية الحديثة. كان تشارلز باباج أول من فكر وصمم حاسوبًا مبرمجًا بالكامل وذلك في بداية عام 1820 ولكن بسبب مجموعة من الحدود التقنية في ذلك الوقت والمحدودية المالية، إلضافة إلى عدم القدرة على حل مشكلة الإصلاح غير الجيد في تصميمه فإن الجهاز لم يتم بناءه فعلياً في حياته. ظهرت عدد من التقنيات التي أثبتت فائدتها لاحقًا في الحوسبة، مثل البطاقة المثقوبة وأنبوب الصمام بنهاية القرن التاسع عشر، ومعالجة البيانات أوتوماتيكياً ذات التدرج الكبير باستخدام البطاقات المثقوبة صُنٍعت باستخدام آلات جدولة والتي صممها هيرمان هولليريث

إن نجاح الحواسيب القوية والمريحة بدأ في الثلاثينيات والأربعينات من القرن العشرين، وأضيفت -بالتدريج- المميزات الرئيسية في الحواسيب الحديثة مثل استخدام الإليكترونيات الرقمية (اخترع معظمها كلود شانون عام 1937) والقدرة على البرمجة بطريقة أكثر سلاسة. إن تحديد نقطة واحدة خلال هذا المشوار على أنها "أول حاسوب اليكتروني رقمي" أمر صعب جدا.

من الإنجازات الأساسية، حاسوب Atanasoff-Berry 1937، وهي آلة ذات غرض مخصص والتي كانت تستخدم الحوسبة المقادة بالصمامات (أنبوب الصمام) والأرقام الثنائية والذاكرة المجددة. حاسب Colossus البريطاني السري (1944) والذي كان يملك قدرة محدودة على البرمجة ولكنه قدم جهازًا يستخدم الآلاف من الصمامات من الممكن أن يكون موثوقا وإعادة برمجته إلكترونيا. Harvard Mark I 1944 حاسوب إلكتروميكانيكي ذو تدرج كبير ولديه قدرة محدودة على البرمجة.

الحاسوب الأمريكي المبني على نظام العد العشري (1946-ENIAC) وكان أول حاسوب إلكتروني ذو أغراض عامة ولكن في الأساس فإن بنيته غير سلسة مما يعني أن إعادة برمجته أساسيًا تتطلب إعادة توصيله. وآلات Z الخاصة بـ Konrad Zuse، مع الاليكتروميكانيكي Z3)1941) يكون أول آلة عاملة تقدم ميزة الحساب الاوتوماتيكي للأرقام الثنائية والقدرة على البرمجة بطريقة عملية وملائمة.

إن فريق العمل الذي قام بتطوير ENIAC أدرك عيوب جهازه وجاء بتصميم أكثر مرونة وروعة والذي صار يعرف ببنية Von Neumann (أو "بنية البرنامج المخزن"). أصبحت بنية البرنامج المخزن افتراضيا القاعدة لكل الحواسيب الحديثة. بدأ عدد من المشاريع لتطوير حاسوب يعتمد على بنية البرنامج المخزن في منتصف إلى آخر الأربعينات من القرن العشرين. إن أول حاسوب من هولاء تم الانتهاء منه في بريطانيا. أول هولاء الذي يعتبر أفضل وعامل كان ما يعرف بآلة التدرج الصغير التجريبية (Small-Scale Experimental Machine) ولكن EDSAC ربما كان أول نسخة عملية تم تطويرها.

إن تصميمات الحاسوب المقاد بأنبوب الصمام أصبحت قيد الاستخدام خلال الخمسينات من القرن العشرين، ولكن مع الوقت تم استبدالها بالحواسيب الترانزستورية حيث أنها أصغر وأسرع وأرخص وأكثر موثوقية، كل ذلك أتاح لها أن يتم إنتاجها على المستوي التجاري وذلك في الستينات من القرن العشرين. في سبعينات القرن العشرين، ساعد اختيار تكنولوجيا الدائرة المتكاملة في إنتاج الحواسيب بتكلفة قليلة كافية لأن تسمح للافراد بامتلاك حاسوب شخصي من الأنواع المعروفة حاليا...

يعتبر الحاسوب إينياك، الذي بدأ العمل به في عام 1946، أول جهاز حاسوب الكتروني للأغراض العامة.

كيف تعمل الحواسب؟

بينما تغيرت التقنيات المستخدمة في الحواسيب بصورة مثيرة منذ ظهور أوائل الحواسيب الإلكترونية متعددة الأغراض من أربعينات القرن العشرين، ما زال معظمها يستخدم بنية البرنامج المخزن (يطلق عليها في بعض الأحيان بنية von Neumann). استطاع التصميم جعل الحاسوب العالمي حقيقة جزئيا.

وتصف هذه البنية الحاسوب في أربع أقسام رئيسية:

• وحدة الحساب والمنطق Algorathim and Logic Unit ALU
• وحدة التحكم (بالإنجليزية: Control Unit)
• الذاكرة
• أجهزة الإدخال والإخراج (بالإنجليزية: Input /output I/O ).

وهذه الأجزاء تتصل ببعضها عن طريق حزم من الأسلاك (تسمى "النواقل" BUS عندما تكون نفس الحزمة تدعم أكثر من مسار بيانات) وتكون في العادة مقاسة بمؤقت أو ساعة (مع أن الأحداث الأخرى تستطيع أن تقود دائرة التحكم).

فكريا، من الممكن رؤية ذاكرة الحاسوب كأنها قائمة من الخلايا، كل خلية لها عنوان مرقم وتستطيع الخلية تخزين كمية قليلة وثابتة من المعلومات. هذه المعلومات من الممكن أن تكون إما تعليمة (أمر) والتي تخبر الحاسب بما يجب أن يفعله وإما أن تكون بيانات وهي المعلومات التي يقوم الحاسب بمعالجتها باستخدام الأوامر التي تم وضعها على الذاكرة. عموما، يمكن استخدام أي خلية لتخزين إما أوامر أو بيانات.

وحدة الحساب والمنطق هي تعتبر قلب الحاسوب. وهي قادرة على تنفيذ نوعين من العمليات الأساسية.

• الأولى هي العمليات الحسابية، جمع أو طرح رقمين سويا. إن مجموعة العمليات الحسابية قد تكون محدودة جدا، في الواقع، بعض التصميمات لا تدعم عمليتي الضرب والقسمة بطريقة مباشرة (عوضا عن الدعم المباشر، يستطيع المستخدمون دعم عمليتي الضرب والقسمة وذلك من خلال برامج تقوم بمعالجات متعددة للجمع والطرح والأرقام الأخرى).
• القسم الثاني من عمليات وحدة الحساب والمنطق هي عمليات المقارنة بإدخال رقمين، تقوم هذه الوحدة بالتحقق من تساوي أو عدم تساوي الرقمين وتحديد أي الرقمين هو الأكبر. وهي تسمى العملية المنطقية وهي مهمة في البرمجة.

ويقوم نظام التشغيل يجمع مكونات الحاسوب مع بعضها، حيث يقوم بقراءة الأوامر والبيانات من الذاكرة أو من أجهزة الإدخال والإخراج، ليتم تنفيدها من قبل المعالج. وكذلك فك شفرة الأوامر، بتغذية وحدة الحساب والمنطق بالمدخلات الصحيحة طبقا للأوامر، حيث يخبر وحدة الحساب والمنطق بالعملية الواجب تنفيذها على تلك المدخلات وتعيد إرسال النتائج إلى الذاكرة أو إلى أجهزة الإدخال والإخراج.

يعتبر العداد Counter من المكونات الرئيسية في نظام التحكم والذي يقوم بمتابعة عنوان الأمر الحالي، في العادة تزداد قيمة العنوان في كل مرة يتم فيها تنفيذ الأمر إلا إذا أشار الأمر نفسه إلى أن الأمر التالي يجب أن يكون في عنوان آخر (ذلك يسمح للحاسوب بتنفيذ نفس الأوامر بطريقة متكررة).

بدء من ثمانينات القرن العشرين، صار كل من وحدة الحساب والمنطق ووحدة التحكم (يسميان مجتمعان بوحدة المعالجة المركزية)(CPU)المعتاد وجودهما في دائرة متكاملة واحدة تسمى المعالج الصغري (المايكروبروسيسور).

آلية عمل الحاسوب

إن آلية عمل أي حاسوب في الأساس تكون واضحة تمامًا. في المعتاد، في كل دورة معالجة Processing Circle يقوم الحاسوب بجلب الأوامر والبيانات من الذاكرة الخاصة به. يتم تنفيذ الأوامر، يتم تخزين النتائج، ثم يتم جلب الأمر التالي. هذا الإجراء يتكرر حتى تتم مقابلة أمر التوقف Halt.

إن الأوامر التي تقوم وحدة التحكم بتفسيرها وتقوم وحدة الحساب والمنطق بتنفيذها يكون عددها محدود، ومحددة بدقة وتكون عمليات بسيطة جدا. بصفة عامة، فإنها تندرج ضمن واحد أو أكثر من أربعة أقسام:

1. نقل بيانات من مكان لاخر (مثال على ذلك أمر "يخبر" وحدة المعالجة المركزية أن "تنسخ محتويات الخلية 5 من الذاكرة ووضع النسخة في الخلية 10")
2. تنفيذ العمليات الحسابية والمنطقية على بيانات (على سبيل المثال "قم بإضافة محتويات الخلية 7 إلى محتويات الخلية 13 وضع الناتج في الخلية 20")
3. اختبار حالة البيانات ("لو أن محتويات الخلية 999 هي 0 فإن الأمر التالي يكون موجود في الخلية 30")
4. تغيير تسلسل العمليات (يغير المثال السابق تسلسل العمليات ولكن الأوامر مثل "الامر التالي يوجد في الخلية 100" تكون أيضا قياسية).

إن الأوامر تكون ممثلة مثل البيانات في صورة شفرة ثنائية (نظام للعد قاعدته الرقم 2). على سبيل المثال، الشفرة لنوع من أنواع عملية "نسخ" في المعالجات الدقيقة من نوع Intel x86 هي 10110000. إن الأمر الجزئي يكون معدًا بحيث أن حاسوبًا معينًا يدعم ما يعرف بلغة الآلة. إن استخدام لغة الآلة سابقة التبسيط جعلها أكثر سهولة لتشغيل برامج موجودة على آلة جديدة: وهكذا في الأسواق حيثما تكون أتاحة البرامج التجارية أمرا ضروريا فإن المزودين يتفقون على واحد أو عدد صغير جدا من لغات الآلة البارزة.

إن الحواسيب الأكبر مثل (الخادوم) تختلف عن الأنواع السابقة في أمر هام هو أن بدلا من وجود وحدة معالجة مركزية واحدة فإنه في الغالب يوجد أكثر من وحدة. غالبا ما تمتلك هذه الحواسيب بنيات غير عادية بدرجة كبيرة وهذه البنيات مختلفة بشكل ملحوظ عن بنية البرنامج المخزن الأساسية وفي بعض الأحيان تحتوي على الآلاف من وحدة المعالجة المركزية، ولكن مثل هذه التصميمات تصبح ذات فائدة فقط لأغراض متخصصة.