پیشینه

در متن این بخش از هیچ منبع و مأخذی نام برده نشده‌است. شما می‌توانید با افزودن منابع برطبق اصول اثبات‌پذیری و شیوه‌نامهٔ ارجاع به منابع، به ویکی‌پدیا کمک کنید. مطالب بی‌منبع احتمالاً در آینده حذف خواهند‌ شد.

اگرچه آغاز ساخت رایانه‌های رقمی الکترونیک را می‌شود از اواخر دهه ۱۹۳۰ میلادی دانست، ریشه‌ها، مبادی و سرچشمه‌های دانش رایانه را باید در روش‌های محاسباتی کهن با تاریخ و سوابق هزاران ساله نشان گرفت. در بسیاری از روش‌های محاسباتی بابلیان الگوریتم‌هایی به کار می‌رفته‌اند که هم‌اکنون نیز رایج‌اند. کتاب الجبر و مقابله خوارزمی پر از روش‌های محاسباتی الگوریتمی است و بی‌دلیل نیست که نام الگوریتم از نام خوارزمی گرفته شده‌است. کارهایی غیر از محاسبات ریاضی استفاده کرد علم رایانه به تمام کارهای محاسباتی گسترش یافت. برای اولین بار در سال ۱۹۶۰ علوم رایانه بصورت یک رشتهٔ تحصیلی مستقل بوجود آمد و آن را با مدارک معتبر در دانشگاه‌ها ارائه نمودند. از زمانی که رایانه‌ها در دسترس عموم قرار گرفتند، برنامه‌های کاربردی مختلف ارائه شده برای آن‌ها، زمینه‌های جداگانه برای مطالعه گشته‌اند.

نظریه محاسبات

نظریه محاسبات سعی دارد به این پرسش‌ها پاسخ دهد که اساسا چه چیزی می‌تواند محاسبه شود و محاسبهٔ آن چقدر توان و منابع نیاز دارد. در تلاشی برای پاسخ گویی به پرسش اول، نظریه محاسبه‌پذیری (computability theory) بررسی می‌کند که چه مسائلی قابل حل هستند ( از طریق نظریات مدل‌های پردازش ). پاسخ دومین پرسش به نظریه پیچیدگی محاسباتی مرتبط می‌شود. این نظریه به زمان و فضای مورد نیاز برای رسیدن به پاسخ مطلوب در روشهای مختلف پاسخگویی، می‌پرازد.

مسئله مشهور "P=NP?" یکی مسائل حل نشده نظریه محاسبات است.

محاسبات عددی

						y = sin(x) + c
بیوانفورماتیک	علوم شناختی	شیمی محاسباتی	عصب‌شناسی محاسباتی	فیزیک محاسباتی	آنالیز عددی	محاسبات نمادین

رایانه

ابررایانهٔ کلمبیا در مرکز تحقیقات آمِس، ناسا.

رایانه یا کامپیوتر ماشینی است که برای پردازش اطلاعات استفاده می‌شود.

تاریخچه

در گذشته دستگاه‌های مختلف مکانیکی ساده‌ای مثل خط‌کش محاسبه و چرتکه نیز رایانه خوانده می‌شدند. در برخی موارد از آن‌ها به‌عنوان رایانه آنالوگ نام برده می‌شود. البته لازم به ذکر است که کاربرد واژه رايانه آنالوگ در علوم مختلف بيش از اين است که به چرتکه و خطکش محاسبه محدود شود. به طور مثال در علوم الکترونيک، مخابرات و کنترل روشی برای محاسبه مشتق و انتگرال توابع رياضی و معادلات ديفرانسيل توسط تقويت کننده های عملياتی، مقاومت، سلف و خازن متداول است که به مجموعه سيستم مداری Analog Computer گفته می شود ^[۱]. چرا که برخلاف رایانه‌های رقمی، اعداد را نه به‌صورت اعداد در پایه دو بلکه به‌صورت کمیت‌های فیزیکی متناظر با آن اعداد نمایش می‌دهند. چیزی که امروزه از آن به‌عنوان «رایانه» یاد می‌شود در گذشته به عنوان «رایانه رقمی (دیجیتال)» یاد می‌شد تا آن‌ها را از انواع «رایانه آنالوگ» جدا سازند.

به تصریح دانشنامه انگلیسی ویکی‌پدیا، بدیع‌الزمان ابوالعز بن اسماعیل بن رزاز جَزَری (درگذشتهٔ ۶۰۲ ق.) یکی از نخستین ماشین‌های اتوماتا را که جد رایانه‌های امروزین است ، ساخته بوده است. این مهندس مکانیک مسلمان از دیاربکر در شرق آناتولی بوده است. رایانه یکی از دو چیز برجسته‌ای است که بشر در سدهٔ بیستم اختراع کرد. دستگاهی که بلز پاسکال در سال ۱۶۴۲ ساخت اولین تلاش در راه ساخت دستگاه‌های محاسب خودکار بود. پاسکال آن دستگاه را که پس از چرتکه دومیت ابزار ساخت بشر بود، برای یاری رساندن به پدرش ساخت. پدر وی حسابدار دولتی بود و با کمک این دستگاه می‌توانست همه اعدادشش رقمی را با هم جمع و تفریق کند.^[۲]

لایبنیتز ریاضی‌دان آلمانی نیز از نخستین کسانی بود که در راه ساختن یک دستگاه خودکار محاسبه کوشش کرد. او در سال ۱۶۷۱ دستگاهی برای محاسبه ساخت که کامل شدن آن تا ۱۹۶۴ به درازا کشید. همزمان در انگلستان ساموئل مورلند در سال ۱۶۷۳ دستگاهی ساخت که جمع و تفریق و ضرب می‌کرد.^[۲]

در سده هجدهم میلادی هم تلاش‌های فراوانی برای ساخت دستگاه‌های محاسب خودکار انجام شد که بیشترشان نافرجام بود. سرانجام در سال ۱۸۷۵ میلادی استیفن بالدوین نخستین دستگاه محاسب را که هر چهار عمل اصلی را انجام می‌داد، به نام خود ثبت کرد.^[۲]

از جمله تلاش‌های نافرجامی که در این سده صورت گرفت، مربوط به چارلز ببیج ریاضی‌دان انگلیسی است. وی در آغاز این سده در سال ۱۸۱۰ در اندیشهٔ ساخت دستگاهی بود که بتواند بر روی اعداد بیست و شش رقمی محاسبه انجام دهد. او بیست سال از عمرش را در راه ساخت آن صرف کرد اما در پایان آن را نیمه‌کاره رها کرد تا ساخت دستگاهی دیگر که خود آن را دستگاه تحلیلی می‌نامید آغاز کند. او می‌خواست دستگاهی برنامه‌پذیر بسازد که همه عملیاتی را که می‌خواستند دستگاه برروی عددها انجام دهد، قبلا برنامه‌شان به دستگاه داده شده باشد. قرار بود عددها و درخواست عملیات برروی آن‌ها به یاری کارت‌های سوراخ‌دار وارد شوند. بابیچ در سال ۱۸۷۱ مرد و ساخت این دستگاه هم به پایان نرسید.^[۲]

کارهای بابیچ به فراموشی سپرده شد تا این که در سال ۱۹۴۳ و در بحبوحه جنگ جهانی دوم دولت آمریکا طرحی سری برای ساخت دستگاهی را آغاز کرد که بتواند مکالمات رمزنگاری‌شدهٔ آلمانی‌ها را رمزبرداری کند. این مسئولیت را شرکت IBM و دانشگاه هاروارد به عهده گرفتند که سرانجام به ساخت دستگاهی به نام ASCC در سال ۱۹۴۴ انجامید. این دستگاه پنج تنی که ۱۵ متر درازا و ۲٫۵ متر بلندی داشت، می‌توانست تا ۷۲ عدد ۲۴ رقمی را در خود نگاه دارد و با آن‌ها کار کند. دستگاه با نوارهای سوراخدار برنامه‌ریزی می‌شد و همهٔ بخش‌های آن مکانیکی یا الکترومکانیکی بود.^[۲]

پردازش

تصویری از یک CPU یا واحد پردازشگر مرکزی

واحد محاسبه و منطق یا ALU دستگاهی است که عملیات پایه مانند چهار عمل اصلی حساب (جمع و تفریق و ضرب و تقسیم)، عملیات منطقی (و،یا،نقیض)، عملیات قیاسی (برای مثال مقایسه دو بایت برای شرط برابری) و دستورات انتصابی برای مقدار دادن به یک متغیر را انجام می‌دهد. این واحد جائیست که «کار واقعی» در آن صورت می‌پذیرد.

البته CPUها به دو دسته کلی RISC و CISC تقسیم بندی می‌شوند. نوع اول پردازش‌گرهای مبتنی بر اعمال ساده هستند و نوع دوم پردازشگرهای مبتنی بر اعمال پیچیده می‌باشند. پردازشگرهای مبتنی بر اعمال پیچیده در واحد محاسبه و منطق خود دارای اعمال و دستوراتی بسیار فراتر از چهار عمل اصلی یا منطقی می‌باشند. تنوع دستورات این دسته از پردازنده‌ها تا حدی است که توضیحات آن‌ها خود می‌تواند یک کتاب با قطر متوسط ایجاد کند. پردازنده‌های مبتنی بر اعمال ساده اعمال بسیار کمی را پوشش می‌دهند و در حقیقت برای برنامه‌نویسی برای این پردازنده‌ها بار نسبتاً سنگینی بر دوش برنامه‌نویس است. این پردازنده‌ها تنها حاوی ۴ عمل اصلی و اعمال منطقی ریاضی و مقایسه‌ای به علاوه چند دستور بی‌اهمیت دیگر می‌باشند.هرچند ذکر این نکته ضروری است که دستورات پیچیده نیز از ترکیب تعدادی دستور ساده تشکیل شده‌اند و برای پیاده‌سازی این دستورات در معماری‌های مختلف از پیاده‌سازی سخت‌افزاری(معماری CISC) و پیاده‌سازی نرم‌افزاری(معماری RISC) استفاده می‌شود.

(قابل ذکر است پردازنده‌های اینتل از نوع پردازنده مبتنی بر اعمال پیچیده می‌باشند.)

واحد کنترل همچنین این مطلب را که کدامین بایت از حافظه حاوی دستورالعمل فعلی اجرا شونده‌است را تعقیب می‌کند، سپس به واحد محاسبه و منطق اعلام می‌کند که کدام عمل اجرا و از حافظه دریافت شود و نتایج به بخش اختصاص داده شده از حافظه ارسال گردد. بعد از یک بار عمل، واحد کنترل به دستورالعمل بعدی ارجاع می‌کند(که معمولاً در خانه حافظه بعدی قرار دارد، مگر اینکه دستورالعمل جهش دستورالعمل بعدی باشد که به رایانه اعلام می‌کند دستورالعمل بعدی در خانه دیگر قرار گرفته‌است).

برنامه‌ها

برنامه رایانه‌ای فهرست‌های بزرگی از دستورالعمل‌ها (احتمالاً به همراه جدول‌هائی از داده) برای اجرا روی رایانه هستند. خیلی از رایانه‌ها حاوی میلیون‌ها دستورالعمل هستند، و بسیاری از این دستورات به تکرار اجرا می‌شوند. یک رایانه شخصی نوین نوعی (درسال ۲۰۰۳) می‌تواند در ثانیه میان ۲ تا ۳ میلیارد دستورالعمل را پیاده نماید. رایانه‌ها این مقدار محاسبه را صرف انجام دستورالعمل‌های پیچیده نمی‌کنند. بیشتر میلیون‌ها دستورالعمل ساده را که توسط اشخاص باهوشی «برنامه نویسان» در کنار یکدیگر چیده شده‌اند را اجرا می‌کنند. برنامه‌نویسان خوب مجموعه‌هایی از دستورالعمل‌ها را توسعه می‌دهند تا یکسری از وظایف عمومی را انجام دهند(برای نمونه، رسم یک نقطه روی صفحه) و سپس آن مجموعه دستورالعمل‌ها را برای دیگر برنامه‌نویسان در دسترس قرار می‌دهند. (اگر مایلید «یک برنامه‌نویس خوب» باشید به این مطلب مراجعه نمایید.)

رایانه‌های امروزه، قادرند چندین برنامه را در آن واحد اجرا نمایند. از این قابلیت به عنوان چندکارگی (multitasking) نام برده می‌شود. در واقع، CPU یک رشته دستورالعمل‌ها را از یک برنامه اجرا می‌کند، سپس پس از یک مقطع ویژه زمانی دستورالعمل‌هایی از یک برنامه دیگر را اجرا می‌کند. این فاصله زمانی اکثرا به‌عنوان یک برش زمانی (time slice) نام برده می‌شود. این ویژگی که CPU زمان اجرا را بین برنامه‌ها تقسیم می‌کند، این توهم را بوجود می‌آورد که رایانه هم‌زمان مشغول اجرای چند برنامه‌است. این شبیه به چگونگی نمایش فریم‌های یک فیلم است، که فریم‌ها با سرعت بالا در حال حرکت هستند و به نظر می‌رسد که صفحه ثابتی تصاویر را نمایش می‌دهد. سیستم‌عامل همان برنامه‌ای است که این اشتراک زمانی را بین برنامه‌های دیگر تعیین می‌کند.

انواع رایانه

[ویرایش] رایانه‌های توکار

رایانه هایی هم وجود دارند که تنها برای کاربردهای خاص طراحی می شوند. در ۲۰ سال گذشته ، هرچند برخی ابزارهای خانگی که از نمونه‌های قابل ذکر آن می‌توان جعبه‌های بازی‌های ویدئویی را که بعدها در دستگاه‌های دیگری از جمله تلفن همراه، دوربین‌های ضبط ویدئویی، و PDAها و ده‌ها هزار وسیله خانگی، صنعتی، خودروسازی و تمام ابزاری که در درون آنها مدارهایی که نیازهای ماشین تورینگ را مهیا ساخته‌اند، گسترش یافت، را نام برد(اغلب این لوازم برنامه‌هایی را در خود دارند که بصورت ثابت روی ROM تراشه‌هایی که برای تغییر نیاز به تعویض دارند،نگاشته شده‌اند). این رایانه‌ها که در درون ابزارهای با کاربرد ویژه گنجانیده شده‌اند «ریزکنترل‌گرها» یا رایانه‌های توکار" (Embedded Computers) نامیده می‌شوند. بنابراین تعریف این رایانه‌ها به‌عنوان ابزاری که با هدف پردازش اطلاعات طراحی گردیده محدودیت‌هایی دارد. بیشتر می‌توان آنها را به ماشین‌هایی تشبیه کرد که در یک مجموعه بزرگ‌تر به‌عنوان یک بخش حضور دارند مانند دستگاه‌های تلفن، ماکروفرها و یا هواپیما که این رایانه‌ها بدون تغییر فیزیکی توسط کاربر می‌توانند برای مقاصد مختلفی بکارگرفته شوند.

تاریخچه

موضوع دستگاه‌هایی که به دنباله‌ای از دستورالعمل‌های از قبل تعریف شده عمل می‌کند بر می‌گردد به Greek Mythology.

[ویرایش] برنامه نویسی مدرن

[ویرایش] الزامات کیفیت

[ویرایش] پیچیدگی الگوریتم

[ویرایش] متدولوژی (روش شناسی)

[ویرایش] اندازه گیری کاربرد زبان

تعیین اینکه محبوب‌ترین زبان برنامه نویسی مدرن کدام است کار بسیار مشکلی است. بعضی از زبان‌ها در کاربردهای خاصی محبوب است و بعضی دیگر مرتبا در نوشتن کاربردهای گوناگون استفاده می‌شود. روش‌های اندازه گیری محبوبیت زبان شامل موارد زیر می‌باشد : شمردن تعداد آگهی‌های اشتغال و توجه به یک زبان، تعداد کتاب‌های آموزشی فروخته شده در مورد یک زبان، تخمین تعداد خطوط کد نوشته شده در یک زبان

[ویرایش] اشکال زدایی

اشکال زدایی وظیفه بسیار مهمی در فرآیند توسعه نرم‌افزار می‌باشد، زیرا یک برنامه غلط می‌تواند پیامدهای مهمی برای کاربر خود داشته باشد. بعضی از زبان‌ها بیشتر در معرض برخی اشتباهات می‌باشند، به خاطر خصوصیاتشان نیاز به بررسی بیشتر کامپایلر نسبت به زبان‌های دیگر ندارند.

پارادایم‌ها

مقاله اصلی: پارادایم برنامه‌نویسی

زبان‌های برنامه‌نویسی گوناگون براساس قابلیت‌های درنظر گرفته شده از شیوهٔ خط‌های مختلف استفاده می‌کنند. موارد ریزتری مانند چگونگی برخورد با نیازهای پشت پردهٔ ماشین مانند مدیریت حافظه و مدیریت زباله نیز در زبان‌های مختلف متفاوت است. علاوه بر این‌ها، مفاهیمی متفاوت از (اجرای) یک برنامه تصور شده‌اند که پارادایم یا الگو نام دارند.