رایانه
رایانه یا کامپیوتر (به انگلیسی: computer) ماشینی است که از آن برای پردازش اطلاعات استفاده می‌شود.






نام

در زبان انگلیسی «کامپیوتر» به دستگاه خودکاری می‌گفتند که محاسبات ریاضی را انجام می‌داد. بر پایهٔ «واژه‌نامه ریشه‌یابی Barnhart Concise» واژهٔ کامپیوتر در سال ۱۶۴۶ به زبان انگلیسی وارد گردید که به معنی «شخصی که محاسبه می‌کند» بوده‌است و سپس از سال ۱۸۹۷ به ماشین‌های محاسبه مکانیکی گفته می‌شد. در هنگام جنگ جهانی دوم «کامپیوتر» به زنان نظامی انگلیسی و آمریکایی که کارشان محاسبه مسیرهای شلیک توپ‌های بزرگ جنگی به وسیله ابزار مشابهی بود، اشاره می‌کرد.

البته در اوایل دهه ۵۰ میلادی هنوز اصطلاح ماشین حساب (computing machines) برای معرفی این ماشین‌ها به‌کار می‌رفت. پس از آن عبارت کوتاه‌تر کامپیوتر (computer) به‌جای آن به‌کار گرفته شد. ورود این ماشین به ایران در اوائل دهه ۱۳۴۰ بود و در فارسی از آن زمان به آن «کامپیوتر» می‌گفتند. واژه رایانه در دو دهه اخیر در فارسی رایج شده است.

برابر این واژه در زبان‌های دیگر حتماً همان واژه زبان انگلیسی نیست. در زبان فرانسوی واژه "ordinateur"، که به معنی «سازمان‌ده» یا «ماشین مرتب‌ساز» است، به‌کار می‌رود. در اسپانیایی "ordenador" با معنایی مشابه استفاده می‌شود، همچنین در دیگر کشورهای اسپانیایی زبان computadora بصورت انگلیسی‌مآبانه‌ای ادا می‌شود. در پرتغالی واژه computador به‌کار می‌رود که از واژه computar گرفته شده و به معنای «محاسبه کردن» می‌باشد. در ایتالیایی واژه "calcolatore" که معنای ماشین حساب است بکار می‌رود که بیشتر روی ویژگی حسابگری منطقی آن تاکید دارد. در سوئدی رایانه "dator" خوانده می‌شود که از "data" (داده‌ها) برگرفته شده‌است. به فنلاندی "tietokone" خوانده می‌شود که به معنی «ماشین اطلاعات» می‌باشد. اما در زبان ایسلندی توصیف شاعرانه‌تری بکار می‌رود، «tölva» که واژه‌ای مرکب است و به معنای «زن پیشگوی شمارشگر» می‌باشد. در چینی رایانه «dian nao» یا «مغز برقی» خوانده می‌شود. در انگلیسی واژه‌ها و تعابیر گوناگونی استفاده می‌شود، به‌عنوان مثال دستگاه داده‌پرداز («data processing machine»).






معنای واژهٔ فارسی رایانه

واژهٔ رایانه از مصدر رایانیدن ساخته شده که در فارسی میانه به شکلِ rāyēnīdan و به معنای «سنجیدن، سبک و سنگین کردن، مقایسه کردن» یا «مرتّب کردن، نظم بخشیدن و سامان دادن» بوده‌است. این مصدر در زبان فارسی میانه یا همان پهلوی کاربرد فراوانی داشته و مشتق‌های زیادی نیز از آن گرفته شده بوده است. برایِ مصدر رایانیدن/ رایاندن در فرهنگ واژه دهخدا چنین آمده:







رایاندن
دَ (مص) رهنمائی نمودن به بیرون. هدایت کردن. (ناظم الاطباء).

شکلِ فارسی میانهٔ این واژه rāyēnīdan بوده و اگر می‌خواسته به فارسی نو برسد به شکل رایانیدن/ رایاندن درمی‌آمده. (بسنجید با واژه‌یِ فارسیِ میانه‌یِ āgāhēnīdan که در فارسیِ نو آگاهانیدن/ آگاهاندن شده‌است).

این واژه از ریشه‌یِ فرضیِ ایرانیِ باستانِ –radz* است که به معنایِ «مرتّب کردن» بوده. این ریشه به‌صورتِ –rad به فارسیِ باستان رسیده و به شکلِ rāy در فارسیِ میانه (پهلوی) به‌کار رفته. از این ریشه ستاک‌هایِ حالِ و واژه‌هایِ زیر در فارسیِ میانه و نو به‌کار رفته‌اند:

-ā-rādz-a*یِ ایرانیِ باستان> -ā-rāy ِ فارسی میانه که در واژه‌یِ آرایشِ فارسیِ نو دیده می‌شود.
-pati-rādz-a*یِ ایرانیِ باستان> -pē-rāy ِ فارسی میانه که در واژه‌یِ پیرایشِ فارسیِ نو دیده می‌شود؛ و
-rādz-ta*یِ ایرانیِ باستان> rāst ِ فارسی میانه که در واژه‌یِ راستِ فارسیِ نو دیده می‌شود.

این ریشه‌یِ ایرانی از ریشه‌یِ هندواروپاییِ -reĝ* به معنایِ «مرتّب کردن و نظم دادن» آمده‌است. از این ریشه در

هندی rāj-a به معنیِ «هدایت‌کننده، شاه» (یعنی کسی که نظم می‌دهد)؛
لاتینی rect-us به معنیِ «راست، مستقیم»،
فرانسه di-rect به معنیِ «راست، مستقیم»،
آلمانی richt به معنیِ «راست، مستقیم کردن» و
انگلیسی right به معنیِ «راست، مستقیم، درست»

برجای مانده‌است.

در فارسیِ نو پسوندِ -ـه (= /e/ در فارسی رسمی ایران و /a/ در فارسی رسمی افغانستان و تاجیکستان) را به ستاکِ حالِ فعل‌ها می‌چسبانند تا نامِ ابزارِ آن فعل‌ها به‌دست آید (البته با این فرمول مشتق‌های دیگری نیز ساخته می‌شود، امّا در اینجا تنها نامِ ابزار مدِّ نظر است)؛ برای نمونه از

مالـ- (یعنی ستاکِ حالِ مالیدن) + -ـه، ماله «ابزار مالیدنِ سیمان و گچِ خیس»
گیر- (یعنی ستاکِ حالِ گرفتن) + -ـه، گیره «ابزار گرفتن»
پوشـ- (یعنی ستاکِ حالِ پوشیدن) + -ـه، پوشه «ابزار پوشیدن» (خود را جایِ کاغذهایی بگذارید که پوشه را می‌پوشند!)
رسانـ- (یعنی ستاکِ حالِ رساندن) + -ـه، رسانه «ابزار رساندنِ اطّلاعات و برنامه‌هایِ دیداری و شنیداری»

حاصل می‌گردد.

در فارسیِ نو پسوندِ -ـه (= e- یا همان a-) را به ستاکِ حالِ "رایانیدن" یعنی رایانـ- چسبانده‌اند تا نامِ ابزارِ این فعل ساخته شود؛ یعنی "رایانه" به معنایِ «ابزارِ نظم بخشیدن و سازماندهی (ِ داده‌ها)» است.

سازندگان این واژه به واژه‌یِ فرانسویِ این مفهوم، یعنی ordinateurتوجّه داشته‌اند که در فرانسه از مصدرِ ordre«ترتیب و نظم دادن و سازمان بخشیدن» ساخته شده. به هرحال، معنادهیِ واژه‌یِ رایانه برایِ این دستگاه جامع‌تر و رساتر از کامپیوتر است. یادآور می‌شود که computerبه معنایِ «حسابگر» یا «مقایسه‌گر» است، حال آن‌که کارِ این دستگاه براستی فراتر از "حساب کردن" است.






تاریخچه

در گذشته دستگاه‌های مختلف مکانیکی ساده‌ای مثل خط‌کش محاسبه و چرتکه نیز رایانه خوانده می‌شدند. در برخی موارد از آن‌ها به‌عنوان رایانه قیاسی نام برده می‌شود. البته لازم به ذکر است که کاربرد واژهٔ رایانه آنالوگ در علوم مختلف بیش از این است که به چرتکه و خطکش محاسبه محدود شود. به طور مثال در علوم الکترونیک، مخابرات و کنترل روشی برای محاسبه مشتق و انتگرال توابع ریاضی و معادلات دیفرانسیل توسط تقویت کننده‌های عملیاتی، مقاومت، سلف و خازن متداول است که به مجموعهٔ سیستم مداری «رایانهٔ قیاسی» (آنالوگ) گفته می‌شود. 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 قیاسی» 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 بوده‌است. این مهندس مکانیک مسلمان از دیاربکر در شرق آناتولی بوده‌است. 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.

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.

در سدهٔ 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.

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.

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 آی‌بی‌ام 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.






تعریف داده و اطلاعات

داده به آن دسته از ورودی‌های خام گفته می‌شود که برای پردازش به رایانه ارسال می‌شوند.

به داده‌های پردازش شده اطّلاعات می‌گویند.






رایانه‌ها چگونه کار می‌کنند؟

از زمان رایانه‌های اولیه که در سال ۱۹۴۱ ساخته شده بودند تا کنون فناوری‌های دیجیتالی رشد نموده‌است، معماری فون نوِیمن یک رایانه را به چهار بخش اصلی توصیف می‌کند: واحد محاسبه و منطق (Arithmetic and Logic Unit یا ALU)، واحد کنترل یا حافظه، و ابزارهای ورودی و خروجی (که جمعا I/O نامیده می‌شود). این بخش‌ها توسط اتصالات داخلی سیمی به نام گذرگاه (bus) با یکدیگر در پیوند هستند.






حافظه

در این سامانه، حافظه بصورت متوالی شماره گذاری شده در خانه‌ها است، هرکدام محتوی بخش کوچکی از داده‌ها می‌باشند. داده‌ها ممکن است دستورالعمل‌هایی باشند که به رایانه می‌گویند که چه کاری را انجام دهد باشد. خانه ممکن است حاوی اطلاعات مورد نیاز یک دستورالعمل باشد. اندازه هر خانه، وتعداد خانه‌ها، در رایانهٔ مختلف متفاوت است، همچنین فناوری‌های بکاررفته برای اجرای حافظه نیز از رایانه‌ای به رایانه دیگر در تغییر است (از بازپخش‌کننده‌های الکترومکانیکی تا تیوپ‌ها و فنرهای پر شده از جیوه و یا ماتریس‌های ثابت مغناطیسی و در آخر ترانزیستورهای واقعی و مدار مجتمع‌ها با میلیون‌ها فیوز نیمه هادی یا MOSFETهایی با عملکردی شبیه ظرفیت خازنی روی یک تراشه تنها).






پردازش

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).






ورودی/خروجی

بخش ورودی/خروجی (I/O) این امکان را به رایانه می‌دهد تا اطلاعات را از جهان بیرون تهیه و نتایج آن‌ها را به همان جا برگرداند. محدوده فوق العاده وسیعی از دستگاه‌های ورودی/خروجی وجود دارد، از خانواده آشنای صفحه‌کلیدها، نمایشگرها، نَرم‌دیسک گرفته تا دستگاه‌های کمی غریب مانند رایابین‌ها (webcams). (از سایر ورودی/خروجی‌ها می‌توان موشواره mouse، قلم نوری، چاپگرها (printer)، اسکنرها، انواع لوح‌های فشرده(CD, DVD) را نام برد).

چیزی که تمامی دستگاه‌های عمومی در آن اشتراک دارند این است که آن‌ها رمزکننده اطلاعات از نوعی به نوع دیگر که بتواند مورد استفاده سیستم‌های رایانه دیجیتالی قرار گیرد، هستند. از سوی دیگر، دستگاه‌های خروجی آن اطلاعات به رمز شده را رمزگشایی می‌کنند تا کاربران آن‌ها را دریافت نمایند. از این رو یک سیستم رایانه دیجیتالی یک نمونه از یک سامانه داده‌پردازی می‌باشد.






دستورالعمل‌ها

هر رایانه تنها دارای یک مجموعه کم تعداد از دستورالعمل‌های ساده و تعریف شده می‌باشد. از انواع پرکاربردشان می‌توان به دستورالعمل «محتوای خانه ۱۲۳ را در خانه ۴۵۶ کپی کن!»، «محتوای خانه ۶۶۶ را با محتوای خانه ۰۴۲ جمع کن، نتایج را در خانه ۰۱۳ کن!»، «اگر محتوای خانه ۹۹۹ برابر با صفر است، به دستورالعمل واقع در خانه ۳۴۵ رجوع کن!».

دستورالعمل‌ها در داخل رایانه بصورت اعداد مشخص شده‌اند - مثلاً کد دستور العمل (copy instruction) برابر ۰۰۱ می‌تواند باشد. مجموعه معین دستورالعمل‌های تعریف شده که توسط یک رایانه ویژه پشتیبانی می‌شود را زبان ماشین می‌نامند. در واقعیت، اشخاص معمولاً به زبان ماشین دستورالعمل نمی‌نویسند بلکه بیشتر به نوعی از انواع سطح بالای زبان‌های برنامه‌نویسی، برنامه‌نویسی می‌کنند تا سپس توسط برنامه ویژه‌ای (تفسیرگرها (interpreters) یا همگردان‌ها (compilers) به دستورالعمل ویژه ماشین تبدیل گردد. برخی زبان‌های برنامه‌نویسی از نوع بسیار شبیه و نزدیک به زبان ماشین که اسمبلر (یک زبان سطح پایین) نامیده می‌شود، استفاده می‌کنند؛ همچنین زبان‌های سطح بالای دیگری نیز مانند پرولوگ نیز از یک زبان انتزاعی و چکیده که با زبان ماشین تفاوت دارد بجای دستورالعمل‌های ویژه ماشین استفاده می‌کنند.






معماری‌ها

در رایانه‌های معاصر واحد محاسبه و منطق را به همراه واحد کنترل در یک مدار مجتمع که واحد پردازشی مرکزی (CPU) نامیده می‌شود، جمع نموده‌اند. عموما، حافظه رایانه روی یک مدار مجتمع کوچک نزدیک CPU قرار گرفته. اکثریت قاطع بخش‌های رایانه تشکیل شده‌اند از سامانه‌های فرعی (به عنوان نمونه، منبع تغذیه رایانه) و یا دستگاه‌های ورودی/خروجی.

برخی رایانه‌های بزرگ‌تر چندین CPU و واحد کنترل دارند که بصورت هم‌زمان با یکدیگر درحال کارند. این‌گونه رایانه‌ها بیشتر برای کاربردهای پژوهشی و محاسبات علمی بکار می‌روند.

کارایی رایانه‌ها بنا به تئوری کاملاً درست است. رایانه داده‌ها و دستورالعمل‌ها را از حافظه‌اش واکشی (fetch) می‌کند. دستورالعمل‌ها اجرا می‌شوند، نتایج ذخیره می‌شوند، دستورالعمل بعدی واکشی می‌شود. این رویه تا زمانی که رایانه خاموش شود ادامه پیدا می‌کند. واحد پردازنده مرکزی در رایانه‌های شخصی امروزی مانند پردازنده‌های شرکت ای-ام-دی و شرکت اینتل از معماری موسوم به خط لوله استفاده می‌شود و در زمانی که پردازنده در حال ذخیره نتیجه یک دستور است مرحله اجرای دستور قبلی و مرحله واکشی دستور قبل از آن را آغاز می‌کند. همچنین این رایانه‌ها از سطوح مختلف حافظه نهانگاهی استفاده می‌کنند که در زمان دسترسی به حافظه اصلی صرفه‌جویی کنند.






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 دستورها 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.






سیستم‌عامل

کامپیوتر همیشه نیاز دارد تا برای بکار انداختنش حداقل یک برنامه روی آن در حال اجرا باشد. تحت عملکردهای عادی این برنامه همان سیستم‌عامل یا OS که مخفف واژه‌های Operating System است. سیستم یا سامانه عامل بر اساس پیشفرض‌ها تصمیم می‌گیرد که کدام برنامه برای انجام چه وظیفه‌ای اجرا شود، چه زمان، از کدام منابع (مثل حافظه، ورودی/خروجی و...) استفاده شود. همچنین سیستم‌عامل یک لایه انتزاعی بین سخت‌افزار و برنامه‌های دیگر که می‌خواهند از سخت‌افزار استفاده کنند، می‌باشد، که این امکان را به برنامه نویسان می‌دهد تا بدون اینکه جزئیات ریز هر قطعه الکترونیکی از سخت‌افزار را بدانند بتوانند برای آن قطعه برنامه‌نویسی نمایند. در گذشته یک اصطلاح متداول بود که گفته می‌شد با تمام این وجود کامپیوترها نمی‌توانند برخی از مسائل را حل کنند که به این مسائل حل نشدنی گفته می‌شود مانند مسائلی که در مسیر حلشان در حلقه بی‌نهایت می‌افتند. به همین دلیل نیاز است که با کمک روشهای خاص بطور مثال به چند بخش تقسیم نمودن مساله یا روشهای متداول دیگر از رخ دادن این خطا تا حد امکان جلوگیری نمود. از جمله سیستم عامل‌های امروزی می‌توان به مایروسافت ویندوز، مکینتاش اپل و لینوکس و بی اس دی اشاره کرد.






کاربردهای رایانه

نخستین رایانه‌های رقمی، با قیمت‌های زیاد و حجم بزرگشان، در اصل محاسبات علمی را انجام می‌دادند، انیاک یک رایانهٔ قدیمی ایالات متحده اصولاً طراحی شده تا محاسبات پرتابه‌ای توپخانه و محاسبات مربوط به جدول چگالی نوترونی را انجام دهد. (این محاسبات بین دسامبر ۱۹۴۱ تا ژانویه ۱۹۴۶ روی حجمی بالغ بر یک میلیون کارت پانچ انجام پذیرفت! که این خود طراحی و سپس تصمیم نادرست بکارگرفته شده را نشان می‌دهد) بسیاری از ابررایانه‌های امروزی صرفاً برای کارهای ویژهٔ محاسبات جنگ‌افزار هسته‌ای استفاده می‌گردد.

CSIR Mk I نیز که نخستین رایانه استرالیایی بود برای ارزیابی میزان بارندگی در کوه‌های اسنوئی (Snowy)این کشور بکاررفت، این محاسبات در چارچوب یک پروژه عظیم تولید برقابی انجام گرفت.

برخی رایانه‌ها نیز برای انجام رمزگشایی بکارگرفته می‌شد، برای مثال Colossus که در جریان جنگ جهانی دوم ساخته شد، جزو اولین کامپیوترهای برنامه‌پذیر بود (البته ماشین تورینگ کامل نبود). هرچند رایانه‌های بعدی می‌توانستند برنامه‌ریزی شوند تا شطرنج بازی کنند یا تصویر نمایش دهند و سایر کاربردها را نشان دهد.

سیاست‌مداران و شرکت‌های بزرگ نیز رایانه‌های اولیه را برای خودکارسازی بسیاری از مجموعه‌های داده و پردازش کارهایی که قبلا توسط انسان‌ها انجام می‌گرفت، بکار بستند - برای مثال، نگهداری و بروزرسانی حساب‌ها و دارایی‌ها. در موسسات پژوهشی نیز دانشمندان رشته‌های مختلف شروع به استفاده از رایانه برای مقاصدشان نمودند.

کاهش پیوسته قیمت‌های رایانه باعث شد تا سازمان‌های کوچک‌تر نیز بتوانند آن‌ها را در اختیار بگیرند. بازرگانان، سازمان‌ها، و سیاست‌مداران اغلب تعداد زیادی از کامپیوترهای کوچک را برای تکمیل وظایفی که قبلا برای تکمیلشان نیاز به رایانه بزرگ (mainframe) گران‌قیمت و بزرگ بود، به کار بگیرند. مجموعه‌هایی از رایانه‌های کوچک‌تر در یک محل اغلب به‌عنوان خادم سر (server farm) نام برده می‌شود.

با اختراع ریزپردازنده‌ها در دههٔ ۱۹۷۰ این امکان که بتوان رایانه‌هایی بسیار ارزان قیمت را تولید نمود بوجود آمد. رایانه‌های شخصی برای انجام وظایف بسیاری محبوب گشتند، از جمله کتابداری، نوشتن و چاپ مستندات. محاسبات پیش بینی‌ها و کارهای تکراری ریاضی توسط صفحات گسترده (spreadsheet)، ارتباطات توسط پست الکترونیک، و اینترنت. حضور گسترده رایانه‌ها و سفارشی کردن آسانشان باعث شد تا در امورات بسیار دیگری بکارگرفته شوند.

در همان زمان، رایانه‌های کوچک، که معمولاً با یک برنامه ثابت ارائه می‌شدند، راهشان را بسوی کاربردهای دیگری باز می‌نمودند، کاربردهایی چون لوازم خانگی، خودروها، هواپیماها، و ابزار صنعتی. این پردازشگرهای جاسازی شده کنترل رفتارهای آن لوازم را ساده‌تر کردند، همچنین امکان انجام رفتارهای پیچیده را نیز فراهم نمودند (برای نمونه، ترمزهای ضدقفل در خودروه). با شروع قرن بیست و یکم، اغلب دستگاه‌های الکتریکی، اغلب حالت‌های انتقال نیرو، اغلب خطوط تولید کارخانه‌ها توسط رایانه‌ها کنترل می‌شوند. اکثر مهندسان پیش بینی می‌کنند که این روند همچنان به پیش برود... یکی از کارهایی که می‌توان به‌وسیله رایانه انجام داد برنامه گیرنده ماهواره‌است.

نیز تنها ۴۹۵ دلار قیمت داشت! قیمت آن کامپیوتر نیز ۳٬۰۰۵ دلار بود و IBM در آن زمان توانست ۶۷۱٬۵۳۷ دستگاه از آن را بفروشد.






انواع رایانه
رایانه‌های توکار (جاسازی شده)

رایانه‌هایی هم وجود دارند که تنها برای کاربردهایی ویژه طراحی می‌شوند. 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. بنا بر این تعریف این رایانه‌ها به عنوان ابزاری که با هدف پردازش اطّلاعات طراحی گردیده محدودیت‌هایی دارد. بیش‌تر می‌توان آن‌ها را به ماشین‌هایی تشبیه کرد که در یک مجموعه بزرگ‌تر به عنوان یک بخش حضور دارند مانند دستگاه‌های تلفن، ماکروفرها و یا هواپیما که این رایانه‌ها بدون تغییری فیزیکی به دست کاربر می‌توانند برای هدف‌های گونه‌گونی به کارگرفته شوند.






رایانه‌های شخصی

اشخاصی که با انواع دیگری از رایانه‌ها ناآشنا هستند از عبارت رایانه برای رجوع به نوع خاصی استفاده می‌کنند که رایانه شخصی (PC) نامیده می‌شوند. رایانه‌ای است که از اجزای الکترونیکی میکرو (ریز) تشکیل شده که جزو کوچک‌ترین و ارزان‌ترین رایانه‌ها به شمار می‌روند و کاربردهای خانگی و اداری دارند. شرکت آی‌بی‌ام رایانه شخصی را در سال ۱۹۸۱ میلادی به جهان معرفی کرد.

نخستین رایانه‌ آی‌بی‌ام از برخی از ماشین حساب‌های امروزی نیز ضعیف‌تر است ولی در آن زمان شگفت انگیز بود. رایانه شخصی سی سال پیش دارای حافظه ROM با ظرفیت 40K و حافظه RAM با ظرفیت 64K بود. البته کاربر می‌توانست حافظه RAM را تا 256K افزایش دهد. قیمت هر ماژول 64K حافظه والانیوز






سرمایه‌گذاری

صنعت رایانه همواره صنعتی رو به رشد، چه در حوزهٔ سخت‌افزارى و چه در حوزهٔ نرم‌افزارى بوده است، این صنعت پیوسته مورد توجه سرمایه گذاران بوده و سرمایه‌ها را به خود جذب کرده است. آیندهٔ روشن این فنّاوری همواره سرمایه داران را ترغیب می‌کند تا روی این صنعت ‍سرمایه‌گذاری کنند.






تاریخ سخت‌افزار رایانه
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. تا کنون پنج نسل از رایانه‌ها ساخته و عرضه شدند.کامپیوترهای الکترونیکی و کامپیوترهای مکانیکی اولیه به این خاطر نام گرفتند که کارهایی را که قبلاً انسان‌های کامپوتر اختصاص داشت انجام می‌دادند .کامپیوتر اصالتاً یک عنوان شغلی بود و به کسانی گفته می‌شد که کارشان این بود که محاسبات برای چیزهایی مانند فهرست‌های کشتیرانی و جداول جزر و مد و موقعیت‌های نجومی نیاز بودند.تصور کنید که شما ساعتی پس از ساعتی و روزی پس از روزی هیچ کاری جز محاسبه کردن‌های بی شمار را انجام نمی‌دادید . و حتی در بهترین روز هایتان شما نمی‌توانستید جواب‌ها را خیلی تند ارائه دهید . بنا براین مخترعین صدها سال به جستجو پرداختند تا راهی برای مکانیزه شدن پیدا کنند . به این معنی که دستگاهی اختراع کنند تا این کار را انجام دهد .به دنبال انسان‌های کامپیوتر نوعی کامپیوتر عملگر آمد .






قدیمی ترین سخت افزار درست

دستگاه به کمک محاسبات، عمدتاً با استفاده از یک به یک مکاتبه با انگشتان دست برای هزاران سال مورد استفاده قرار گرفته است. اولین دستگاه شمارش احتمالاً به شکل شمارش چوب بوده اند.
بعد از نگهداری سوابق کمک در سراسر هلال حاصلخیز شامل محاسبه (حوزه های خاک رس، مخروط و غیره) که تعدادی از موارد، احتمالاً دام و دانه، مهرو موم شده در ظروف تو خالی پخته نشده خاک رس نشان داده شده است. استفاده از شمارش میله هایک نمونه است. چرتکه اولیه برای کارهای ریاضی مورد استفاده قرار گرفت. چیزی که ما آن را چرتکه ی روم می نامیم در بابل زودتر از ۲۴۰۰ سال قبل از میلاد مورد استفاده قرار گرفت. از آن زمان، بسیاری از اشکال دیگر تخته حساب و یا جداول ابداع شده است. در یک قرون وسطی اروپا خانه شمارش، یک پارچه شطرنجی میتواند بر روی یک جدول قرار داده شده است و استفاده از نشانگر در اطراف آن با توجه به قوانین خاص نقل مکان کرد، به عنوان کمکی برای محاسبه مبالغ از پول است.






چرتکه

چرتکه که یک کمک رسان اولیه برای محاسبات ریاضی بود تنها خصوصیت آن این بود که به حافظه افراد برای انجام محاسبات کمک می‌کرد . یک چرتکه اندازه ماهر می‌تواند عملیات جمع و تفریق را با سرعتی برابر با دست جمع و تفریق می‌کند انجام دهد. قدیمی‌ترین چرتکه‌ای که باقی مانده‌است مربوط به ۳۰۰ سال قبل از میلاد است که به وسیله یک امپراطوری در جنوب غرب آسیا استفاده می‌شده .
چرتکه‌های مدرن از حلقه‌هایی درست شده‌اند که روی میله‌ها می‌لغزند در یک چرتکه خیلی پیشرفته ۵ حلقه پایینی در هر میله نشانگر ۵ انگشت دست است و ۲ حلقه بالایی نشانگر ۲ دست است .






خط کش محاسبه

پیش از ۱۶۱۷ یک اسکاتلندی به نام جان نپر٬ لگاریتم را اختراع کرد. که این اختراع با عنوان تکنولوژی باعث شده که غرب، مورد توجه مردم دنیا قرار گیرد. این عنصر جادویی لگاریتم هر عملوند بود که عموماً از یک فهرست کنده کاری شده گرفته شده بود. اما نپر به آن یک اختیار دیگر اضافه کرد چیزی که ارزشهای لگاریتم که بر روی عاجها کنده کاری شده بودند امروزه استخوان‌های پنر نامیده می‌شوند.

اختراع نپر مخترعان را مستقیماً به سوی اختراع خط کش محاسبه راهنمایی کرد که اولین بار در سال ۱۶۲۳ در انگلستان ساخته شد و تا دهه ۱۹۶۰ به وسیله مهندسین اخترشناسی برای برنامه فرود آپولو و انسان‌ها به روی ماه استفاده شد.






ماشین محاسبه

لئوناردو داوینچی (۱۵۱۹-۱۴۵۷) طرحی از ماشین محاسبه چرخ دنده دار کشید که ظاهراً هیچ گاه آن را نساخت. اولین ماشین محاسبه چرخ دنده دار که واقعاً ساخته شد احتمالاً در ساعت محاسبه گر بود که به نام مخترعش ویلیام چیکارد نام گرفت. این وسیله تبلیغ زیادی به همراه نداشت چرا که چیکارد خیلی زود پس از آن در اثر طاعون درگذشت.






دستگاه پاسکالین

در سال ۱۶۴۲ بیلز پاسکال در سن ۱۹ سالگی پاسکالین را به عنوان یک کمک رسان برای پدرش که یک جمع اورنده مالیات بود اختراع کرد.
پاسکال ۵۰ عدد از این دستگاه‌های چرخدنده‌ای را ساخت ماشین حسابی تک کاره که فقط می‌تواست جمع کند. ولی به خاطر قیمت زیاد ان واینکه این دستگاه واقعاً دقیق نبود ( چون در ان زمان ساخت چرخ دنده‌ها با دقت لازم مقدور نبود ) نتوانست خیلی به فروش برسد. سپس تا جایی ترقی کرد که در حال حاضر دانشبرد ماشین‌ها دیجیتال شدند بخش کیلومتر شمار و سرعت سنج ماشین‌های امروزی از دستگاهی بسیار شبیه به پاسکالین استفاده می‌کنند. پاسکال یک بچه نابغه بود او در سن ۱۲ سالگی در حال انجام ازمایش مدل موقعیت‌های ۳ ثانیه‌ای اقلیدس در کف اشپزخانه دیده شده بود .
پاسکال ادامه داد و اختراع‌های زیاد دیگری مانند اختراع قطریه احتمال و منگنه آبی و سرنج را انجام داد. عکس زیر نشان دهنده یک ورزن ۸ رقمی از پاسکالین ودو صحنه از ورزن ۶ رقمی پاسکالین است.






محاسبه گر پله دزد

تنها چند سال پس از پاسکال گات فراید ویلهم لیبنیز ( همکار نیوتون ) ساختن ماشین حساب چهار کاره ( جمع و تفریق وضرب و تقسیم ) را مدیریت کرد . که محاسبه گر پله‌ای نامیده شد . چون این دستگاه بجای چرخ دنده از طبل‌های شیار دار دارای ۱۰ شیار که به ترتیب در پیرامون این طبل‌ها چیده شده بودنداستفاده می‌کرد . همچنین این محاسبه گرپله‌ای از سیستم عدد ده دهی ( هر طبل ۱۰ شیار داشت ) استفاده کرد.
لیبنیز اولین کسی بود که از استفاده از سیستم باینری اعداد طرف داری کرد. که پایه واساس بهره برداری از کامپیوترهای مدرن است .لیبنیز به عنوان یکی از بزرگ‌ترین فیلسوف‌ها شناخته شد ولی او در تنهایی و فقر از دنیا رفت .






کارت‌های منگنه

در سال ۱۸۰۱ جوزف ماری جکوارد فرانسوی یک دستگاه بافندگی قوی را اختراع کرد که توانست بافندگی‌اش ( و تزئین روی پارچه روی یک الگو به طور اتوماتیک ) را بنیان گذاری کند. این دستگاه از روی کارت‌های چوبی منگنه‌ای که در یک ردیف طولانی به وسیله یک طناب به هم کمک می‌کردند می‌خواند.
نسل‌های این کارت‌های منگنهای از قبل از این نیز استفاده می‌شده‌اند.تکنولوزی جکوارد یک عطیه و نعمت راستین برای کارخانه داران بود اما خیلی از کار کنان کارخانه‌ها را بیکار می‌کرد و جمعیت انبوه مردم عصبانی کار خانه‌های جکوارد را بر شکست کرد وحتی یک نفر هم به او حمله کرد.
تاریخ پر از مثال‌هایی از آشوب‌های کارگران به دنبال ابداع یک تکنولوزی است . ولی بیشتر مطالعات این را نشان می‌دهد که در همه جا تکنولوزی در حقیقت تعداد شغل‌ها را افزایش داده‌است .






ماشین محاسبه گر بخاری

در سال ۱۸۲۲ یک ریاضی دان انگلیسی چالز پاپیج ماشین محاسبه گر بخاری را پیشنهاد کرد . این ماشین به اندازه یک اتاق بود که ان را موتور متفاوت نامید.این ماشین قادر به محاسبه فهرست‌هایی از اعداد بود مانند جداول لگاریتمی .او سر مایه و بودجه دولتی را برای این پروزه به خاطر اهمیت جداول عددی در کشتی رانی در اقیانوس که به وسیله ان تجارت ابی ونیز نیروی دریایی نظامیشان را ترقی می‌دادند جذب کرد .دولت انگلیس برنامه ریزی کرده بود که بزرگترین امپراطوری جهان شود اما در آن زمان دولت انگلستان در حال چاپ یک سری ۷ جلدی جداول کشتیرانی به همراه یک جلد کتاب تصحیحات بود که نشان می‌داد این سری کتاب بالغ بر ۱۰۰۰ اشتباه عددی داشت .این ارزو می‌رفت که ماشین بابیج بتواند اشتباهات به این گونه را رفع کند .اما ساخت دستگاه «ماشین متفاوت بابیج» ثابت کرد بسیار سخت است . واین پروزه به زودی تبدیل به گرانترین پروزهٔ بودجه‌ای دولت تا آن زمان در تاریخ انگلستان شد .ده سال بعد کامل کردن این دستگاه غیر ممکن شد.






موتور تحلیلی

بابیج دلسرد نبود و با وجود این سراغ فکر بعدیش رفت . چیزیکه او آن را موتور تحلیلی نامید . این وسیله به اندازه یک خانه بزرگ بود و به اندازهٔ ۶ اسب بخار قدرت داشت . که چون این دستگاه به خاطر تکنولوزی کارت‌های منگنهٔ جکوارد قابل برنامه ریزی بود هدف کلی تری داشت .
اما این بابیج بود که پرش خردمندادهٔ مهمی را مربوط به کارت‌های منگنه کرده بود . در دستگاه بافندگی جکوارد بودن یا نبودن هر سوراخ در کارت به یک نخ اجازه می‌داد که بگذرد ویا اینکه متوقف شود.بابیج فهمید که الگوی حفره‌ها می‌تواند برای نشان دادن یک ایده انتزاعی استفاده شود . بابیج فهمید که نیازی ندارد که یک مسئله به خودی خود به طور فیزیکی از سوراخ‌ها عبور کند. ازاین گذشته بابیج دریافت که کارت‌های منگنه می‌توانند به عنوان دستگاه ذخیره به کار روند و اعداد محاسبه شده را برای محاسبات بعدی نگه دارند. بابیج به خاطر ربط این دستگاه به دستگاه جکوارد نام دو قسمت مهم از دستگاهش را میل واستور گذاشت. چون هر دو کلمه در صنعت بافندگی استفاده می‌شد.

استور جایی بود که اعداد نگه داری می‌شدند و میل جایی بود که آنها به منظور رسیدن به نتایج تازه ترکیب می‌شوند.
در کامپیوترهای مدرن استور واحد حافظه نامیده می‌شود وبه میل واحدپردازش مرکزی می‌گویند .موتور تحلیلی دارای کلید تابعی بود که کامپیوترها را از ماشین‌های حساب متمایز می‌کرد . ( جملهٔ شرطی ) یک جملهٔ شرطی اجازه می‌داد که برنامه نتایج مختلفی را در یک زمان واحد به دست آورد . بر اساس جملهٔ شرطی مسیر بر نامه مشخص می‌شد .






‎هلدریت دسک‎

موفقیت بعدی در آمریکا رخ داد .دولت آمریکا مجبور بود هر ۱۰ سال یک بار اماری از تمامی ارای شهروندان آمریکایی برای تعیین نمایندگان مجلس بگیرد . واین کار بسیار به طول می‌انجامید برای همین مجلس جایزه‌ای برای مخترعی که بتواند برای انتخابات سال ۱۸۹۰ دستگاهی اختراع کند قرار داد . که این فرد کسی نبود جز هرمن هلدریت کسی که به طور موفقیت امیزی کارت‌های منگنه‌ای جکوارد را برای شمارش آرا به کار گرفت .
اختراع او به عنوان هلریت دسک شناخته شد که شامل یک کارت خوان بود که سوراخ‌های داخل کارت را درک می‌کرد . ویک دنده دستگاهی را که می‌توانست بخواند می‌چرخواند ویک شمارش گر نتایج را نشان می‌داد .تکنیک هلدریت موفق بود و انتخابات خیلی زود تر از سال‌های قبل انجام گرفت .






IBM

هلدریت یک شرکت بنا کرد که بعد از مدتی به یک شرکت تجاری بین‌المللی تبدیل شد که امروزه ما ان را به نام ای بی ام می‌شناسیم.
ای بی ام به سرعت رشد کرد و کارت‌های منگنه همه جا را فرا گرفتند. امروزه کارت‌های منگنه اطلاعات مشخصی از قبیل نام شما وادرس شما و به عنوان مثال مصرف گاز شما را ذخیره می‌کنند وسپس از این طریق قبض شما محاسبه و برایتان فرستاده خواهد شد.البته امروزه هکرهایی هستند که با هک کردن این کارت‌ها مبالغ مصرفی خود را کاهش می‌دهند.

ماشین شمارشگر هلدریت اولین ماشینی بود که بر روی جلد مجله‌ای تا به ان زمان به چاپ رسیده بود . آی بی ام ماشین حساب‌هایش را برای فروش به شرکت‌های تجاری همراه با حساب داری مالی و حسابداری اموال پیشرفت داد. یک خصوصیت در قالب دو ویزگی حسابداری مالی وحسابداری اموالی . اما ارتش آمریکا به یک حسابگر بهینه برای انجام محاسبات علمی نیاز داشت . در جنگ جهانی دوم آمریکا ناوهای جنگی ای داشت که به سختی فشنگ‌ها و گلوله‌هایی به وزن برابر با یک ماشین کوچک را تا ۲۵ مایل می‌کشید .
فیزیک دانان باید معادله‌ای می‌نوشتند که بیان کند چگونه شرایط جوی و باد و جاذبه و سرعت اولیه وغیره می‌توانند مسیر گلوله‌ها را تعیین کنند . اما حل چنین معادله‌ای بسیار سخت بود . این‌ها کارهایی بود که توسط کامپیوترهای بشری انجام شد و نتایج انها در دفتر چه راهنمای نظامی منتشر می‌شد.






اولین ویروس

یکی از بر نامه نویسان مارک۱ یک زن بود به نام گریس هاپر . این زن اولین ویروس کامپیوتر به نام باگ را پیدا کرد . یک حشره مرده که در دستگاه افتاده بود و بال‌هایش مانع خواندن روزنه‌ها می‌شد .
باگ برای نشان دادن نقصی در سیستم بکار می‌رود از آن زمان این کلمه سال ۱۹۵۳ گریس هاپر اولین زبان پیشرفته به نام فلو ماتیک را اختراع کرد، شناخته شد . زبان‌های سطح بالا به منظور راحت تر فهمیدن انسان‌ها ساخته شد . چنان که زبان باینری برای کامپیوتر قابل فهم تر بود که بعدها به نام کوبول اما یک زبان برنامه نویسی پیشرفته بدون یک برنامهٔ مترجم ارزشی نداشت . تا زبان سطح بالا را به زبان باینری (یا زبان ماشین ) ترجمه کند که هاپر اولین مترجم یا کامپایلر را هم ساخت . این زن تا سن ۷۹ سالگی در زمینه کامپیوتر و برنامه نویسی فعال بود .






رایانه‌های نسل اول
در سال ۱۹۳۸٬ جان وینسنت آتاناسف استاد فیزیک و ریاضیات دانشگاه ایالتی آیووا در آمریکا به فکر ساختن اولین رایانه الکترونیکی یک منظوره افتاد. او با همکاری دستیارش و دانشجوی فارغ‌التحصیلش کلیفرد بری، با استفاده از لامپ خلاء شروع به ساختن رایانهٔ مزبور کرد و آن را کامپیوتر آتاناسف‌بری یا ABC نامید که می‌توانست ۲۹ معادلهٔ چند مجهولی را با ۲۹ مجهول حل کند . این اولین ماشینی بود که توانست داده‌ها را به عنوان بار الکتریکی در خازن ذخیره کند . کاری که امروزه کامپیوترها برای ذخیره اطلاعاتشان در حافظه اصلی می‌کنند . اما این دستگاه قابل برنامه ریزی نبود وطراحی انها تنها مناسب برای یک نوع از مشکلات ریاضی (معادلات چند مجهولی ) بود . ولی به خاطر درگیری ارتش آمریکا در جنگ جهانی دوم و لزوم پیوستن آناتاسف به ارتش همکاری او با ارتش آمریکا، ساخت این رایانه عملی نشد و ساخت آن ادامه نیافت.متأسفانه مخترعینش هیچ تلاشی برای نگه داری آن نکردند و سرانجام این دستگاه رها شده و به وسیله کسانی که به داخل اتاق آمده بودند غارت شد .

یکی دیگر از کسانی که در زمینهٔ کامپیوترهای مدرن کار کردکلوسوس بود که در طول جنگ جهانی دوم به کمک دولت بریتانیا به هدف شکستن کدهای پنهانی آلمانیان دستگاهی ساخت .

در حقیقت انگلستان جهان را به سوی ساخت و طراحی ماشین‌های الکترونیکی هدایت کرد که برای شکستن رمزها اختصاص یافته بود و معمولاً قادر به خواندن امواج رادیویی کد دار‌المانی‌ها بود .کامپیوتر هاروارد مارک ۱ اتانا سوف بری و کلوساس انگلیسی سهم عمده‌ای در این صنعت دارا بودند ولی پیش گامان آمریکایی و انگلستانی هنوز بر سر اینکه چه کسی اول بود بحث می‌کردند. اما زود تر از ان زیوس رشته کامپیوترهایی برای اهداف عمومی در نازی آلمان ساخته بود در حقیقت زد ۱ اولین بود چرا که در بین سال‌های ۱۹۳۶ و۱۹۳۸ ساخته شده بود.

سومین ماشین زیوس که به زد ۳ معروف است درسال ۱۹۴۱ ساخته شد، که احتمالاً اولین کامپیوتر دیجیتال چند منظوره قابل برنامه ریزی عملی بود . یعنی به وسیله نرم‌افزار کنترل می‌شود .زد ۳ به وسیله هجوم بمباران پیوسته خراب شد . زد ۱ و زد۲ هم به همان سر نوشت دچار شدند و تنها زد ۴ باقی ماند زیرا زیوس ان را داخل واگنی گذاشت و روانه کوهستان کرد.

در سال ۱۹۴۳ فیزیکدانی به نام جان ماکلی با همکاری جی پرسیر اکرت که مهندس برق بود، شروع به ساختن اولین رایانه الکترونیکی همه منظوره نمود. این رایانه که در ساخت آن افزون بر اجزاء الکترومکانیکی، از هجده هزار لامپ خلا استفاده شده بود بنام انیاک نامگذاری شد و در سال ۱۹۴۶ میلادی آماده نصب و راه‌اندازی گردید و در زمان خود پیچیده‌ترین دستگاه الکترونیکی جهان بود. این رایانه قادر به انجام سیصد عمل ضرب در هر ثانیه بود و به مدت ۹ سال مورد استفاده ارتش آمریکا قرار گرفت.

یکی از موفقیت‌های کامپیوتر هاروارد ( مارک ۱ ) بود که به طور شریکی بین هاروارد و ای بی ام در سال ۱۹۴۴ ساخته شد . این اولین کامپیوتر قابل بر نامه ریزی دیجیتال که در آمریکا ساخته شد، بود .ولی آن به طور کامل الکترونیکی نبود . در عوض این دستگاه بدون سوئیج و کلاج و میله و دستگاه تقویت و غیره ساخته شده بود .وزن ماشین ۵ تن بود و در آن ۵۰۰ مایل سیم جا داده شده بود . آن دارای طول ۸ فیت ودرازی ۵۱ فیت بود .مارک ۱ به مدت به مدت ۱۵ سال بدون توقف کار کرد و به شکل یک اتاق بافندگی شبیه بود .

مارک ۱ عملیات را روی اعدادی انجام می‌داد که ۲۳ رقم عرض داشتند . او می‌توانست ۲تا از این اعداد را جمع یا تفریق کند در زمانی برابر سه دهم ثانیه یا انها را ضرب کند در حدود ۴ ثانیه و تقسیم کند در ۱۰ ثانیه ۴۵ سال بعد کامپیوترها می‌توانستند عملیات جمع را در یک بیلیونیم ثانیه انجام دهند.
اگر چه مارک ۱ سه بخش مساوی از میلیون‌ها اجزا داشت ولی تنها می‌توانست ۷۲ عدد را ذخیره کنند . و ۱۰میلیون عدد دیگر را در هارد دیسک. و سرعت نمایش این اطلاعات بسیار بسیار بالا است . برای همین سرعت بالاست که کامپیوترها ی الکترونیکی قاتل دستگاه‌های مکانیکی به حساب می‌ایند .هاروارد ایکن یکی از مدیران طراحی مارک ۱ در نامهٔ فکاهی خود نوشت تا سال ۱۹۴۷شش کامپیوتر الکترونیکی برای انجام محاسبات تمام آمریکا کافی است . برای همین ای بی ام شروع به تحقیق کرد که ایا می‌شود این دستگاه را به یک شکل استا ندارد درآورد چرا که تا آن زمان تنها دولت و ارتش آمریکا توان پرداخت چنین هزینه‌ای را داشتند . البته نظریه ایکن زیاد هم بد نبود جرا که او از انقلاب میکرو کامپیوترها در سال ۱۹۵۹ بی خبر بود .

اپل ۱ که با عنوان «خودتان انجام دهید» بدون ظاهری زیبا فروخته شد . کامپیوترها به صورت شگفت انگیزی گران بودند چرا که در آن نیاز به اسمبلی دستی زیادی بود .

در سال ۱۹۴۵ نابغه ریاضی جان فون نویمان طی مقاله‌ای استفاده از سیستم اعداد دودویی (Binary) در ساختمان رایانه و نظریه انباشت برنامه در حافظه رایانه را مطرح کرد و بر این اساس ساخت رایانه رقمی الکترونیکی همه منظوره‌ای را پیشنهاد نمود و آن را ادواک نامید. این دستگاه رایانه‌ای با توانایی ذخیره داخلی برنامه‌ها و سرعت بالای الکترونیکی بود. فن نویمان را اغلب به‌عنوان بنیانگذار ذخیره‌سازی برنامه‌ها می‌شناسند.

ساخت این رایانه در سال ۱۹۴۶ شروع شده بود و تا اواخر سال ۱۹۵۰ به تاخیر افتاد. با نگرش به اینکه در طراحی و ساخت رایانه‌های مدرن از نظریه‌های نویمان بهره گرفته می‌شود، لذا وی را پدر کامپیوتر می‌خوانند.

در سال ۱۹۴۷ موریس ویلکس استاد دانشگاه کمبریج انگلیس شروع به ساخت اولین رایانه رقمی الکترونیکی حاوی برنامه‌های ذخیره شده نمود و آن را ادساک نامید. ساخت این رایانه در سال ۱۹۴۹ به پایان رسید و آماده نصب و بهره‌برداری گردید.

در سال ۱۹۵۰ اولین رایانه دارای برنامه ذخیره شده ساخت آمریکا به نام سیک در سازمان ملی استانداردها در واشنگتن نصب گردید و بیش از ده سال مورد استفاده قرار گرفت. در فاصله سال‌های ۱۹۵۱ تا ۱۹۵۷ نیز شرکت‌های رایانه‌ای آی بی ام و یونیواک رایانه‌های الکترونیکی گوناگونی ساخته و عرضه کردند.

در رایانه‌های نسل اول از ویژگی دو حالته بودن لامپ خلا که وسیله‌ای الکترونیکی است و می‌تواند خاموش یا روشن باشد بهره گرفته شد و در اغلب آنها لامپ خلا در قسمت محاسبه و منطق بکار رفته بود. رایانه‌های نسل اول دارای حجم زیادی بودند و میزان حافظه، سرعت و دقت در آنها کم بود و به انگیزه استفاده از لامپ خلا و ایجاد گرمای زیاد، استفاده از آنها به چند ساعت در روز محدود بود.






رایانه‌های نسل دوم

در رایانه‌های نسل دوم ترانزیستور جایگزین لامپ خلا گردید. ترانزیستور چند برابر کوچکتر از لامپ خلا بود و تاثیر زیادی بر روی سرعت محاسبات رایانه داشت. ظرفیت حافظه در رایانه‌های نسل دوم در قیاس با رایانه‌های نسل اول دارای ظرفیت حافظه بیشتر و سریعتر، کوچکتر و قابل اطمینان‌تر بودند.
در فاصله زمانی سال‌های ۱۹۵۸ تا ۱۹۶۴ توسط شرکت‌های کامپیوتری ان‌سی‌آر٬ ای‌بی‌ام و سی‌دی‌سی رایانه‌های مختلف الکترونیک ساخته شدند و عرضه شدند و در سال ۱۹۶۳ اولین مینی رایانه بنام پی‌دی‌وی ۸ توسط شرکت دک معرفی گردید.

انقلاب میکروالکترونیک‌ها باعث شد مدارهای مجتمع که به اندازهٔ ناخن انگشت شست شما باشند جای آن سیم کشی‌های دستی را بگیرد.
اولین سود مدارهای مجتمع ترانزیستورها نیستند بلکه کوچکی آنها هست چرا که ترانزیستورها فایدهٔ تعدادی آنها است و بیشتر از میلیون‌ها ترانزیستور می‌تواند تولید شود و به فرایندهای ماشینی دستگاه مرتبط شود تمام عناصر بر روی یک مدار مجتمع ساخته شده‌اند همزمان در طریق شماره کوچک (شاید ۱۲) از پوشانه‌های بصری که هندسهٔ هر لایه را تعریف می‌کند. این‌ها سرعت پردازش و ساختن کامپیوترها را افزایش می‌دهد واز این جهت هزینهٔ آنها هم کاسته شد همان گونه که دستگاه چاپ یوهانس گوتنبرگ ساختن کتاب‌هایش را سرعت داد و بدین وسیله آنها را برای عموم قابل خرید کرد

کامپیوتر ای بی ام استرچ سال ۱۹۵۹ درازای ۳۳ فوتی را برای نگاه داشتن ۱۵۰۰۰۰ ترانزیستور داخلش را لازم داشت . این ترانزیستورها به طور شگفت انگیزی کوچک تر از لامپ‌های خلا هستند . اما آنها عناصر منحصر به فردی بودند که نیاز به اسمبلی منحصر به فردی داشت در اوایل دهه ۱۹۸۰ این ترانزیستورهای زیاد توانست به طور هم زمان بر روی یک مدار مجتمع ساخته شود امروزه کامپیوترهای پنتیوم ۴ شامل ۴۲۰۰۰۰۰۰ ترانزیستور برروی یک مدار مجتمع به اندازهٔ یک ناخن شست است .






رایانه‌های نسل سوم

برای ساختن کامپیوترهای سریعتر و قویتر کوشش‌ها همچنان ادامه داشت تا در اوایل ۱۹۶۰ اولین کامپیوتر نسل سوم (Third Generation) به بازار عرضه شد. این کامپیوتر از سری IBM ۳۶۰ بود که برای ساختن آن ۵ میلیارد دلار سرمایه گذاری شد که بزرگترین پروژه مالی بخش خصوصی تا آن تاریخ به شمار می‌رفت.این کامپیوتر که مدل‌های گوناگونی از نظر ظرفیت و سرعت کار داشت، در هر دو امور تجاری و علمی قابل استفاده بود.

جدیدترین تحول در تکامل کامپیوترها، ساختن وسایل ضبط اطلاعات با قابلیت دسترسی مستقیم (Direct Access Device) در این نسل بود.به این ترتیب کاربران توانستند به هر یک از اجزا اطلاعات ذخیره شده در یک مجموعه عظیم اطلاعاتی، در کسری از ثانیه دسترسی پیدا کنند.علاوه بر آن در این نسل از کامپیوترها، سعی شده که قطعات مدارها را هرچه کوچکتر و با حجم کمتر بسازند و بدین ترتیب مدارهای مجتمع (Integrated Circuits(IC)) به وجود آمدند.ویژگی دیگر رایانه‌های نسل سوم امکان استفاده همزمان چندین کاربر از یک رایانه بود. این رایانه‌ها بر خلاف نسل قبلی که فقط در یکی از دو حیط علمی و غیرعلمی توانایی کار داشتند، توانایی کار در هر دو محیط را دارا بودند.
سرعت عملیان در رایانه‌های نسل سوم بسیار افزایش یافت. عملیات حسابی و منطقی در این رایانه‌ها در مایکرو ثانیه(یک میلیونیم ثانیه) و حتی نانو ثانیه (یک بیلیونیم ثانیه) انجام می‌شد. در ایران، از زمان ارایه کامپیوترهای نسل سوم کاربرد کامپیوتر به سرعت توسعه یافت و مؤسسات مختلف تعدادی از آنها را نصب کردند.

بارزترین ویژگی رایانه‌های نسل سوم استفاده از مدارهای مجتمع یا آی سی در قسمت‌های مختلف ساختمان رایانه بود. این مدارها که از حدود ۱۰۰ عنصر منطقی تشکیل شده بود و در هر عنصر منطقی حدود ۱۰ عنصر الکترونیکی نظیر ترانزیستور و دیود بکار رفته بود، به روش خاصی در سطحی به اندازه یک سانتیمتر مربع تجمع پیدا می‌کردند و بدین لحاظ اندازه و حجم رایانه‌های نسل سوم در برابر با رایانه‌های نسل دوم کاهش یافتند. ظرفیت حافظه در رایانه‌های نسل سوم به چندین برابر قبل افزایش یافت.

در فاصله زمانی سال‌های ۱۹۶۴ تا ۱۹۷۱ شرکت‌های از قبیل آی‌بی‌ام٬ جنرال الکتریک٬ باروز٬ یونیواک٬ آرسی‌ای، ان‌سی‌آر، سی‌دی‌سی٬ هانیول و تعداد زیادی از شرکت‌های کوچکتر ارائه گردید. بویژه شرکت دک با تولید مینی رایانه‌های پی‌دی‌پی ۱۰ و پی‌دی‌پی ۱۱ راه را برای پیشرفت سریع پدیده مینی رایانه‌ها باز کرد و هزاران مینی رایانه به بازار عرضه کرد.






رایانه‌های نسل چهارم

در ساختمان رایانه‌های نسل چهارم از مدارهای مجتمع الکترونیکی با تراکم متوسط و زیاد که حاوی هزارها تا صدها هزار عنصر الکترونیکی بودند و بر روی یک تراشه مربع یا مستطیل شکل از جنس سیلیکان به سطح یک سانتیمتر مربع قرار گرفته بودند استفاده می‌گردید. سرعت عمل و ظرفیت حافظه رایانه‌های نسل پنجم به نسبت نسل قبلی افزایش زیادی داشت. توانایی قرار دادن مدارهای مجتمع الکترونیکی زیادی بر روی یک سطح بسیار کوچک سبب پیدایش ریزپردازنده در آغاز این دوره گردید که می‌توانست بر روی یک سطح یک تراشه قرار بگیرد. ریز پردازنده دارای کلیه مدارهای مورد نیاز جهت عملیات حسابی، منطقی و کنترلی بود و با افزودن تعدادی تراشه جهت حافظه و سایر مدارهای مکمل به آن یک پردازشگر کامل بوجود آمد و در نتیجه ریز رایانه پا به عرصه وجود گذاشت.

با معرفی اولین ریزپردازنده به نام ۴۰۰۴ در سال ۱۹۷۱ توسط شرکت اینتل و عرضه ریزوردازنده ۸ بیتی ۸۰۸ در اواخر همان سال و ریزپردازنده ۸۰۸۰ در سال ۱۹۷۴ توسط همان شرکت، زمینه کاری جهت ساختن رایانه‌های شخصی (PC) فراهم گردید. با معرفی ریز رایانه سلب ۸-اینچ در سال ۱۹۷۲ توسط شرکت سلبی و ریز رایانه التایر ۸۸۰ در سال ۱۹۷۵ توسط شرکت میتس و ساخت ریزپردازنده‌های مختلف توسط شرکت‌های اینتل٬ زیلاک٬ موتورولا و ام‌اُ‌اس تکنالوژی، فرایند ساخت و معرفی ریزرایانه‌ها روز به روز گسترش یافت و توسط شرکت‌های مختلف از آن جمله اپل(Apple)٬ آتاری(Atari)٬ کامودر(commodore) و آی‌بی‌ام(IBM) ریز رایانه‌های گوناگونی عرضه گردید.

در دهه ۸۰ میلادی در زمینه رایانه‌های بزرگ و مینی رایانه‌ها شرکت‌های مختلف از آن جمله آی‌بی‌ام ٬سی‌دی‌سی ٬دک و باروز رایانه‌های بسیار پیشرفته‌ای ساختند و به بازار عرضه نمودند.
در همین دهه ابر رایانه‌های پیشرفته‌ای توسط شرکت‌های مختلف از جمله کری آی‌بی‌ام، سی‌دی‌سی٬ فوجیتسو ٬ هیتاچی و نک ساخته شدند.






رایانه‌های نسل پنجم

در رایانه‌های نسل پنجم که از سال ۱۹۹۰ به بعد هستند اندازهٔ تراشه‌ها خیلی کوچکتر شده و از پردازنده‌های با تراکم خیلی زیاد در آنها استفاده می‌شود. در این نسل از رایانه بجای معماری ترتیبی از معماری موازی بهره گرفته شده. کشورهای پیشرفتهٔ زیادی مانند آمریکا و ژاپن پژوهشهای زیادی برای ساخت رایانه‌های بسیار پیشرفته در گذشته و حال انجام داده‌اند.
ابر رایانههای در دست ساخت به نام سی ام ۵ که از ۳۲ تا ۱۶۰۰۰ پردازنده بصورت موازی بهره خواهند گرفت سرعت رایانه را تا دو برابر ترافلاپس (تریلیون عملیات اعشاری در ثانیه) خواهند رساند.

نسل پنجم رایانه‌ها که ایده آن اولین بار توسط ژاپنی‌ها در سال ۱۹۸۰ مطرح شد، ساختن کامپیوترهایی را پیشنهاد می‌کند که بتوانند بیاموزند، استنباط کنند و تصمیم بگیرند و بطور کلی رفتاری داشته باشند که معمولاً در حوزه منطق و استدلال خاص انسان قرار دارد و به عبارت ساده تر هوشمند باشند. در این نسل از مدارهای مجتمع با تراکم فوق العاده بالا استفاده می‌شود.

بعد از موفقیت کامل بشر در ساخت کامپیوترهای هوشمند، ایده بعدی انسان طراحی کامپیوتری خواهد بود که مدارهای داخلی آن کپی برداری عینی از مغز آدمی است.
با توجه به تحولات در تغییر نسل‌های کامپیوتری، در نسل بعد باید منتظر تغییرات زیر باشیم:

کاهش حجم مدارها تا حد مینیاتوری شدن و نیز کاهش توان مصرفی لازم
افزایش پیچیدگی مدارها
افزایش کارایی و بهبود کیفیت عملکرد مدارها
افزایش سرعت عملکرد مدارها







مشخصات کلی

پیشرفت‌های سخت‌افزاری

الف)مینیاتوری کردن(تقلیل حجم دستگاه‌ها و اجزای آنها)
ب)افزایش ظرفیت حافظه به چندین برابر قبل
ج)استفاده از دستگاه‌های واسطه(Media)، با قابلیت دسترسی مستقیم
د)قدرت ارتباط با نقاط دور و متعدد







پیشرفت‌های نرم‌افزاری

الف)هماهنگی بیشتر با سخت‌افزار
ب)هماهنگی بیشتر با سیستم‌عامل
ج)پیشرفت در زبانهای برنامه نویسی و به کارگیری زبان‌های سطح بال

عملیات و بهره برداری

الف)استفاده از روش‌های پردازش مستقیم(on-line) و بازده فوری(real time)
ب)اجرای همزمان چند برنامه با یکدیگر

تقسیم‌بندی و تفکیک نسل‌های کامپیوتری تا قبل از نسل چهارم(Forth Generation)، به لحاظ تغییرات عمده در پیشرفت و تکامل کامپیوتر در هر نسل، به سهولت صورت گرفت. دراوایل سال ۱۹۷۰ تکنیکهای جدیدتری در ساخت و بهره گیری از کامپیوترها به کار برده شدکه بسیاری از دست اندرکاران آن را نسل چهارم نامیدند. مهمترین تغییرات در سخت‌افزار کامپیوترهای نسل چهارم، به کارگرفتن مدارهای مجتمع با تراکم زیاد و تراکم خیلی زیاد است.

در نسل سوم از تراکم SSI(Small Scale Integration) و (Scale Integration Medium)MSI یعنی تراکم کم و تراکم متوسط بهره گرفتند. ولی درنسل چهارم از تراکم (Scale Integration Large) LSI،( Scale Integration Very Large) VLSI و (Ultra Large Scale Integration)ULSI یعنی تراکم بالا، خیلی بالا وفوق العاده بالا بهره می‌گیرند. نسل چهارم همچنین از حافظه نیمه هادی (Semiconductor) ومیکرو پروسسور (Microprocessor)، سیستم‌های محاوره‌ای (Interactive System)، پردازش مستقیم و شبکه‌های کامپیوتری (Computer Network) بهره جسته‌است.

توسعه و پیشرفت سخت‌افزار کامپیوترهای فعلی، در مقایسه با نسلهای قبلی با بررسی چند عامل نظیر سرعت، اندازه، هزینه و ظرفیت حافظه روشن می‌گردد. در کامپیوترهای اولیه از لامپ خلا استفاده می‌شد و به همین جهت حجم و وزن زیادی داشتند (کامپیوتر انیاک ۳۰ تن وزن داشت) به کار بردن ترانزیستور در نسل دوم به طور قابل ملاحظه‌ای، اندازه کامپیوترها را کاهش داد. در یک فوت مربع از کامپیوترهای نسل اول ۶۰۰۰ مؤلفه وجود داشت که با بکاربردن ترانزیستور۱۰۰۰۰۰ مدار درهمان حجم کار می‌کرد. در کامپیوترهای فعلی که در آنها میکروالکترونیک و مدارهای مجتمع با تراکم زیاد به کار می‌رود بیش از ۱۰ میلیون مدار در یک فوت مربع کار می‌کند.






ورودی/خروجی

در رایانش، ورودی/خروجی (به انگلیسی: input/output) یا همان I/O به معنای ارتباط برقرار کردن بین یک سیستم اطلاعاتی مانند رایانه و دنیای بیرون (انسان) است.

ورودی، سیگنال‌ها یا داده‌هایی هستند که به وسیله سیستم دریافت می‌شوند، و خروجی‌ها سیگنال‌ها یا داده‌هایی هستند که سیستم آنها را ارسال می‌کند. همچنین اعمال I/O را می‌توان قسمتی از یک عمل؛ توسط دستگاه دیگر تعریف کرد برای مثال کیبورد یا ماوس را می‌توان یک وسیله ورودی برای کامپیوتر به حساب آورد همونطور که مانیتور یا پرینتر را می‌توان به عنوان وسیله خروجی حساب کرد و همینطور وسیله یا دستگاه‌هایی که برای ارتباط بین کامپیوتر‌ها استفاده می‌شود مانند مودم و یا کارت‌های شبکه به طور کلی هر دو عمل ورودی و خروجی را در بر می‌گیرند.

نکته‌ای که درباره I/O باید ذکر شود اینست که، ورودی یا خروجی بودن یک دستگاه، بستگی به جنبه عمل آن دارد یعنی موشواره و صفحه‌کلید به عنوان ورودی حساب می شوند که اعمال حرکت انسانی رو به سیگنال‌هایی تبدیل می‌کنند که برای رایانه قابل فهم باشد اما نکته اینجاست که خروجی این دستگاه‌ها یک ورودی برای رایانه به حساب می‌آید و برعکس زمانی که رایانه می‌خواهد خروجی را نمایش دهد داده خروجی برای رایانه یک خروجی و برای ما انسان‌ها یک ورودی به حساب می‌آید و این اصل به طور کامل در سیستم در حال اجرا بین قطعات مختلف است.

همیشه یک رابط ورودی/خروجی برای زمانی که وسیله I/O توسط پردازنده هدایت می‌شود لازم است. این رابط باید هوش مورد نیاز را برای ترجمه کردن آدرسی که توسط پردازنده به دستگاه I/O داده شده‌است را داشته باشد. ارتباط اولیه (که قبل از ارتباط معمولی ایجاد می‌شود و به طوری برای تنظیم کردن قوانین است) باید توسط رابط ایجاد شود و توسط دستورهای مناسب مانند Busy، Ready، Wait مدیریت شود و در نتیجه پردازنده قادر خواهد بود که با وسیله I/O با استفاده از رابط ایجاد شده ارتباط برقرار کند. و اگر داده‌هایی از جنس مختلف در حال انتقال باشند رابط باید قادر باشد که داده‌های سریالی را به نوع موازی و معکوس تبدیل کند.






نرم‌افزار

نرم‌افزار (به انگلیسی: Software) یا برنامه، مجموعه‌ای از دستورالعمل‌های دقیق و مرحله به مرحله است که هدف خاصی را دنبال می‌کنند.

ظاهراً، اولین بار جان توکی در سال ۱۹۵۸ این واژه را به‌این معنا به‌کار برده‌است. احتمالاً این واژه در مقابل سخت‌افزار (به انگلیسی: Hardware) به کار برده‌اند که بسیار پیش از پیدایش رایانه (به معنای اسباب و اشیاء) به‌کار می‌رفته‌است.






دو گروه کلی نرم‌افزارها

نرم‌افزارهای رایانه را می‌توان به دو دسته بزرگ تقسیم کرد:

نرم‌افزار سیستم (به انگلیسی: System software)
نرم‌افزار کاربردی (به انگلیسی: Application software)

می‌توان گفت نرم‌افزارهای کاربردی، برنامه‌های مورد استفاده کاربرند و نرم‌افزارهای سیستمی، مدیریت رایانه را برعهده دارند. مهم‌ترین نرم‌افزار سیستم، سیستم‌عامل است.






سیستم عامل

وقتی برنامه‌ای را روی رایانه خود نصب می‌کنید، اجزای سخت‌افزاری آن به فرمان آن برنامه در می‌آیند. برای نمونه هنگامی که با یک برنامه اجرای موسیقی کار می‌کنید، کارت صدای رایانه تان با برنامه پخش موسیقی همکاری می‌کند و یک آهنگ یا پرونده (فایل) صوتی را از طریق بلندگوی رایانه تان پخش می‌کند.

این ارتباط میان نرم‌افزار و سخت‌افزار توسط سیستم عامل انجام می‌شود. این تنها قسمتی از کار سیستم عامل است.
سیستم عامل خود یک برنامه نرم افزاری است با این تفاوت که چون تمام منابع و امکانات سخت افزاری در اختیار وی می باشد دارای ویژگی منحصر به فرد می باشد بنابراین آن را در رده نرم افزارها می خوانیم با این ویژگی که از اهمیت خاصی برخوردار است. به بیان دیگر سیستم عامل یک برنامه جامع است که اجازه در اختیار قراردادن منابع و امکانات سخت افزاری را برای نرم افزارها صادر می کند و این سیستم عامل است که مسئول صحت عملکرد سیستم و منابع آن است.
سیستم عامل شامل 4 بخش مهم است
1- مدیریت پردازش و پردازشگر
2- مدیریت حافظه
3- مدیریت دستگاههای ورودی و خروجی (I/O)
4- مدیریت فایل
سه گروه کلی نرم‌افزارهای معماری

از دیدگاه ساختاری (معماری) (architecture)، نرم‌افزارها به دسته‌های زیر تقسیم می‌شوند:

کاربر-بنیان یا Client Base
کارگزار-بنیان یا Server Base
کاربر کارگزار بنیان یا Client-Server Base

امروزه واژه نرم‌افزار را در معناهایی به جز معنی برنامه رایانه‌ای نیز به‌کار می‌برند. مثلاً در دانش مدیریت برای اشاره به روش‌ها و دانش فنی (در برابر وسایل و تجهیزات و نیروی انسانی). نرم‌افزارها انواع گوناگونی دارند که مهم ترین دسته بندی آنها دستهٔ تجاری و آزاد است. به ویژه با رویکردهای طرح‌های گنو و لینوکس معنای ژرف تری به نرم‌افزارهای آزاد داده شده تا آنجا که برخی نرم‌افزار‌ها را نماد فرهنگ می دانند. نرم‌افزارها را برنامه نویسان تدوین کرده و انتشار می‌دهند. این برنامه نویسان ممکن است در یک شرکت مشغول کار باشند یا در خانه برنامه نویسی کنند مانند برنامه نویسان برخی نرم‌افزارهای لینوکس. امروزه بیشتر کاربران تنها با ظاهر گرافیکی این برنامه‌ها کار می‌کنند و اقدامات بسیاری از آنها از دید کاربر پنهان می‌ماند به عبارتی هر نرم‌افزار مجموعه‌ای از رمزها است که از الگوریتمی خاص پشتیبانی می‌کنند این رمزها خود با رمزهای گرافیکی آمیخته شده و بسیاری از اقدامات برنامه به دور از چشم کاربر عادی رخ می‌دهد. برنامه‌ها با رمزهایی نوشته می‌شوند که بعداً یک رمزخوان آن را در رایانه کاربر اجرا می‌کند.






رقابت نرم‌افزاری

در حال حاضر نرم‌افزارهای کامپیوتری فراوان را می‌توان در بازار یافت که به طور جدی به رقابت خود برای بقا ادامه می‌دهند. از مسائل قابل ذکر در این مورد می‌توان به خرید سهام شرکت‌های نرم‌افزاری کوچک و بزرگ توسط شرکت‌های دیگر اشاره نمود. همچنان که شرکت بزرگ گوگل به خرید سهام شرکت‌های بزرگ همچنان ادامه می‌دهد، در مدت کمی توانسته بسیاری از شرکت‌ها را تحت سلطه خود درآورد.






مهندسی نرم‌افزار

مهندسی نرم‌افزار (به انگلیسی: Software engineering) یعنی استفاده از اصول مهندسی بجا و مناسب برای تولید و ارائه محصول نرم‌افزاری با کیفیت که قابل اطمینان و با صرفه بوده و برروی ماشین‌های واقعی به طور کارآمدی عمل کند.

مهندسی نرم‌افزار یک روش سیستماتیک، منظم و دقیق برای ساخت و ارائه محصولی نرم‌افزاری با کیفیت است.

مهندسی نرم‌افزار اغلب شامل فرایند خطی تحلیل، طراحی، پیاده‌سازی و آزمون است؛ که با به کارگیری روش‌های فنی و علمی از علوم مهندسی موجب تولید نرم‌افزاری با کیفیت مطلوب در طول یک فرایند انتخابی مناسب پروژه می‌شود.

کاربردهای مهندسی نرم‌افزار دارای ارزش‌های اجتماعی و اقتصادی هستند، زیرا بهره‌وری مردم را بالا برده، چند و چون زندگی آنان را بهتر می‌کنند. مردم با بهره‌گیری از نرم‌افزار، توانایی انجام کارهایی را دارند که قبل از آن برای‌شان شدنی نبود. نمونه‌هایی از این دست نرم‌افزارها عبارت‌اند از: سامانه‌های توکار، نرم‌افزار اداری، بازی‌های رایانه‌ای و اینترنت.

فناوری‌ها و خدمات مهندسی نرم‌افزار به کاربران برای بهبود بهره‌وری و کیفیت یاری می‌رساند. نمونه‌هایی از زمینه‌های بهبود: پایگاه داده‌ها، زبان‌ها، کتابخانه‌ها، الگوها، فرایندها و ابزار.






مهم ترین شاخص مهندسی نرم‌افزار

مهم ترین شاخص در مهندسی نرم‌افزار تولید نرم‌افزار با کیفیت مناسب در جهت «نیازهای مشتری» است.






پیشینه مهندسی نرم‌افزار

اصطلاح مهندسی نرم‌افزار پس از سال ۱۹۶۸ میلادی شناخته شد. این اصطلاح طی نشست «مهندسی نرم‌افزار ناتو ۱۹۶۸» (که در گارمیش-پارتنکیرشن، آلمان برگزار شد) توسط ریاست نشست فریدریش ال باوئر معرفی شد و از آن پس به‌طور گسترده مورد استفاده قرار گرفت.

اصطلاح مهندسی‌نرم‌افزار عموماً به معانی مختلفی به‌کار می‌رود:

به‌عنوان یک اصطلاح غیر رسمی امروزی برای محدوده وسیع فعالیت‌هایی که پیش از این برنامه‌نویسی و تحلیل سامانه‌ها نامیده می‌شد.
به‌عنوان یک اصطلاح جامع برای تمامی جنبه‌های عملی برنامه‌نویسی رایانه، در مقابل تئوری برنامه‌نویسی رایانه، که علوم رایانه نامیده می‌شود.
به‌عنوان اصطلاح مجسم‌کننده طرفداری از یک رویکرد خاص نسبت به برنامه‌نویسی رایانه که اصرار می‌کند، مهندسی نرم‌افزار، به‌جای آنکه هنر یا مهارت باشد، باید به‌عنوان یک رشته عملی مهندسی تلقی شود و از جمع‌کردن و تدوین روش‌های عملی توصیه‌شده به شکل متدولوژی‌های مهندسی نرم‌افزار طرفداری می‌کند.






مهندسی نرم‌افزار عبارتست از:

کاربرد یک رویکرد سامانه‌شناسی، انتظام‌یافته، قابل سنجش نسبت به توسعه، عملکرد و نگهداری نرم‌افزار، که کاربرد مهندسی در نرم‌افزار است.
مطالعه روش‌های موجود در استاندارد IEEE







محدوده مهندسی نرم‌افزار و تمرکز آن

مهندسی نرم‌افزار به مفهوم توسعه و بازبینی یک سامانه نرم‌افزاری مربوط می‌باشد. این رشته علمی با شناسایی، تعریف، فهمیدن و بازبینی خصوصیات مورد نیاز نرم‌افزار حاصل سر و کار دارد. این خصوصیات نرم‌افزاری ممکن است شامل پاسخگویی به نیازها، اطمینان‌پذیری، قابلیت نگهداری، در دسترس بودن، آزمون‌پذیری، استفاده آسان، قابلیت حمل و سایر خصوصیات باشد.

مهندسی نرم‌افزار ضمن اشاره به خصوصیات فوق، مشخصات معین طراحی و فنی را آماده می‌کند که اگر به‌درستی پیاده‌سازی شود، نرم‌افزاری را تولید خواهد کرد که می‌تواند بررسی شود که آیا این نیازمندی‌ها را تأمین می‌کند یا خیر.

مهندسی نرم‌افزار همچنین با خصوصیات پروسه توسعه نرم‌افزاری در ارتباط است. در این رابطه، با خصوصیاتی مانند هزینه توسعه نرم‌افزار، طول مدت توسعه نرم‌افزار و ریسک‌های توسعه نرم‌افزار درگیر است.






نیاز به مهندسی نرم‌افزار

نرم‌افزار عموماً از محصولات و موقعیت‌هایی شناخته می‌شود که قابلیت اطمینان زیادی از آن انتظار می‌رود، حتی در شرایط طاقت فرسا، مانند نظارت و کنترل نیروگاه‌های انرژی هسته‌ای، یا هدایت یک هواپیمای مسافربری در هوا، چنین برنامه‌هایی شامل هزاران خط کد هستند، که از نظر پیچیدگی با پیچیده‌ترین ماشین‌های نوین قابل مقایسه هستند. به‌عنوان مثال، یک هواپیمای مسافربری چند میلیون قطعه فیزیکی دارد (و یک شاتل فضایی حدود ده میلیون بخش دارد)، در حالی که نرم‌افزارِ هدایت چنین هواپیمایی می‌تواند تا ۴ میلیون خط کد داشته باشد.

با توجه به گسترش روزافزون دنیای رایانه امروزه بیش از هر زمان دیگری نیاز به متخصصان رایانه احساس می‌شود. متاسفانه این رشته در ایران بازار کار خوبی ندارد طبق آمارها ۶۳٫۲۷ درصد از فارغ‌التحصیلان در سال ۹۰ مشغول به کار در سایر مشاغل هستند. اما برای مهندسان سخت‌افزار هم امکان کار در شرکت‌های تولیدکننده قطعات و دستگاه‌ها و مراکز صنعتی – تولیدی بسیار فراهم است و از نظر سطح درآمدی هم با توجه به دانش و پشتکار شخصی در حد متوسط قرار دارند. به طور کلی این رشته در ایران با استقبال چندانی رو به رو نیست؛ این نیز حاکی از نبود برخی از زیرساخت‌ها در ایران هست.

کاربرد برنامه نویسی

زبان برنامه نویسی یک مکانیزم ساخت یافته برای تعریف داده‌ها، و عملیات یا تبدیل‌هایی که ممکن است بطور اتوماتیک روی آن داده انجام شوند، فراهم می‌کند. یک برنامه نویس از انتزاعات آماده در زبان استفاده می‌کند تا مفاهیم به کار رفته در محاسبات را بیان کند. این مفاهیم به عنوان یک مجموعه از ساده‌ترین عناصر موجود بیان می‌شوند(مفاهیم ابتدایی نامیده می‌شوند).





زبان‌های برنامه نویسی با غالب زبان‌های انسانی تفاوتی دارد و آن این است که نیاز به بیان دقیق تر و کامل تری دارد. هنگام استفاده از زبان‌های طبیعی برای ارتباط با دیگر انسان‌ها، نویسندگان و گویندگان می‌توانند مبهم باشند و اشتباهات کوچک داشته باشند، و همچنان انتظار داشته باشند که مخاطب آنها متوجه شده باشد. اگرچه، مجازا، رایانه‌ها "دقیقاً آنچه که به آنها گفته شده را انجام می‌دهند." و نمی‌توانند "بفهمند" که نویسنده دقیقاً چه کدی مد نظر نویسنده بوده‌است] البته امروزه برنامه‌هایی برای انجام این کار تولید شده‌اند و تلاش‌های بسیاری در این زمینه انجام شده ولی هنوز به نتیجهٔ رضایت بخشی نرسیده است[. ترکیب تعریف زبان، یک برنامه، و ورودی برنامه بطور کامل رفتار خروجی را به هنگام اجرای برنامه (در محدوده کنترل آن برنامه) مشخص می‌کند. برنامه‌های یک رایانه ممکن است در یک فرایند ناپیوسته بدون دخالت انسان اجرا شوند، یا یک کاربر ممکن است دستورات را در یک مرحله فعل و انفعال مفسر تایپ کند.در این حالت "دستور"ها همان برنامه‌ها هستند، که اجرای آنها زنجیروار به هم مرتبطند.به زبانی که برای دستور دادن به برنامه‌ای استفاده می‌شود، زبان اسکریپت می‌گویند. بسیاری از زبان‌ها کنار گذاشته شده‌اند، برای رفع نیازهای جدید جایگزین شده‌اند، با برنامه‌های دیگر ترکیب شده‌اند و در نهایت استعمال آنها متوقف شده‌است. با وجود اینکه تلاش‌هایی برای طراحی یک زبان رایانه" کامل" شده‌است که تمام اهداف را تحت پوشش قرار دهد، هیچ یک نتوانستند بطور کلی این جایگاه را پر کنند. نیاز به زبان‌های رایانه‌ای گسترده از گستردگی زمینه‌هایی که زبان‌ها استفاده می‌شوند، ناشی می‌شود:

محدوده برنامه‌ها از متون بسیار کوچک نوشته شده توسط افراد عادی تا سیستم‌های بسیار بزرگ نوشته شده توسط صدها برنامه نویس است
توانایی برنامه نویس‌ها: از تازه کارهایی که بیش از هر چیز به سادگی نیاز دارند تا حرفه‌ای‌هایی که با پیچیدگی قابل توجهی کنار می‌آیند.
برنامه‌ها باید سرعت، اندازه و سادگی را بسته به سیستم‌ها از ریزپردازندها تا ابر رایانه‌ها متناسب نگه دارند.
برنامه‌ها ممکن است یک بار نوشته شوند و تا نسل‌ها تغییر نکنند، و یا ممکن است پیوسته اصلاح شوند.
در نهایت، برنامه نویس‌ها ممکن است در علایق متفاوت باشند: آنها ممکن است به بیان مسائل با زبانی خاص خو گرفته باشند.

یک سیر رایج در گسترش زبان‌های برنامه نویسی این است که قابلیت حل مسائلی با درجات انتزاعی بالاتری را اضافه کنند. زبان‌های برنامه نویسی اولیه به سخت‌افزار رایانه گره خورده بودند. همانطور که زبان‌های برنامه نویسی جدید گسترش پیدا کرده‌اند، ویژگی‌هایی به برنامه‌ها افزوده شده که به برنامه نویس اجازه دهد که ایده‌هایی که از ترجمه ساده به دستورات سخت‌افزار دورتر هستند نیز استفاده کند. چون برنامه نویس‌ها کمتر به پیچیدگی رایانه محدود شده‌اند، برنامه‌های آنها می‌تواند محاسبات بیشتری با تلاش کمتر از سوی برنامه نویس انجام دهند. این به آنها این امکان را می‌دهد که کارایی بیشتردر واحد زمان داشته باشند. "پردازنده‌های زبان طبیعی" به عنوان راهی برای ازبین بردن نیاز به زبان‌های اختصاصی برنامه نویسی پیشنهاد شده‌اند. هرچند، این هدف دور است و فواید آن قابل بحث است. "ادسگر دیجسترا" موافق بود که استفاده از یک زبان رسمی برای جلوگیری از مقدمه سازی ساختارهای بی معنی واجب است، و زبان برنامه نویسی طبیعی را با عنوان "احمقانه" رد کرد، "آلن پرلیس" نیز مشابها این ایده را رد کرد. مطابق با متدولوژی نامتجانس استفاده شده توسط langpop.com در سال ۲۰۰۸، ۱۲ زبان پرکاربرد عبارتند از: C, C++, C#, Java, JavaScript, Perl, PHP, Python, Ruby, Shell, SQL, and Visual Basic.



المان‌ها
تمام زبان‌های بزنامه نویسی تعدادی بلوک‌های ابتدایی برای توضیح داده و پردازش یا تبدیل آنها(مانند جمع کردن دو عدد با انتخاب یک عضو از یک مجموعه)دارند. این " عناصرابتدایی" بوسیله قوانین معناشناسی و دستوری تعریف می‌شوند که ساختار و معنای مربوطه را توضیح می‌دهند.
دستور(
syntax)

فرم سطحی یک زبان برنامه نویسی دستور آن نامیده می‌شود. غالب زبان‌های برنامه نویسی کاملاً متنی اند؛ و از دنبالهٔ متون شامل کلمات، اعداد، نشانگذاری، بسیار شبیه زبان نوشتاری طبیعی استفاده می‌کنند. از طرف دیگر، برنامه‌هایی نیز وجود دارند که بیشتر گرافیکی اند، و از روابط بصری بین سمبل‌ها برای مشخص کردن برنامه استفاده می‌کنند. دستور یک زبان ترکیبات ممکن سمبل‌ها برای ایجاد یک برنامهٔ درست را از نظر دستوری مشخص می‌کند. معنایی که به یک ترکیب سمبل‌ها داده می‌شود با معناشناسی اداره می‌شود(قراردادی یا نوشته شده در پیاده سازی منبع). از آنجا که اغلب زبان‌ها متنی هستند، این مقاله دستور متنی را مورد بحث قرار می‌دهد.

دستور زبان برنامه نویسی معمولاً بوسیله ترکیب عبارات معین(برای ساختار لغوی) و فرم توضیح اعمال(برای ساختار گرامری) تعریف می‌شوند. متن زیر یک گرامر ساده، به زبان lisp است: expression ::= atom | list atom ::= number | symbol number ::= [+-]?['۰'-'۹']+ symbol ::= ['A'-'Za'-'z'].* list ::= '(' expression* ')' این گرامر موارد ذیل را مشخص می‌کند:

یک عبارت یا atom است و یا یک لیست
یک atom یا یک عدد است و یا یک سمبل
یک عدد دنباله ناشکسته‌ای از یک یا تعداد بیشتری اعداد دهدهی است، که یک علامت مثبت و یا منفی می‌تواند پیش از آن بیاید.
یک سمبل حرفی است که بعد از هیچ یا تعدادی کاراکتر (جز فاصله) می‌آید.
یک لیست تعدادی پرانتز است که می‌تواند صفر یا چند عبارت در خود داشته باشد.

"۱۲۳۴۵"، "()"، "(a b c۲۳۲ (۱))" مثال‌هایی هستند از دنباله‌های خوش فرم در این گرامر.

همه برنامه‌هایی که از لحاظ دستوری درست هستند، از نظر معنا درست نیستند. بسیاری از برنامه‌های درست دستوری، بد فرم اند، با توجه به قوانین زبان؛ و ممکن است (بسته به خصوصیات زبان و درست بودن پیاده سازی) به خطای ترجمه و یا استثنا(exception) منتج شود. در برخی موارد، چنین برنامه‌هایی ممکن است رفتار نامشخصی از خود نشان دهند. حتی اگر یک برنامه در یک زبان به خوبی بیان شده باشد، ممکن است دقیقاً مطلوب نویسنده آن نبوده باشد.

به عنوان مثال در زبان طبیعی، ممکن نیست به برخی از جملات درست از لحاظ گرامری، معنای خاصی اطلاق کرد و یا ممکن است جمله نادرست باشد:

"ایده‌های بی رنگ سبز با خشم می‌خوابند."از نظر دستوری خوش فرم است ولی معنای مورد قبولی ندارد.
"جان یک مجرد متاهل است." از نظر دستوری درست است، ولی معنایی را بیان می‌کند که نمی‌تواند درست باشد.

این قسمت از زبان C از نظر دستوری درست است، اما دستوری را انجام می‌دهد که از نظرمعنایی تعریف نشده است(چون p یک اشاره گر خالی است، عمل p->real,p->im معنای خاصی ندارد.) complex *p = NULL; complex abs_p = sqrt (p->real * p->real + p->im * p->im);

گرامر مورد نیاز برای مشخص کردن یک زبان برنامه نویسی می‌تواند با جایگاهش در "سلسله مراتب چامسکی" طبقه بندی شود. دستور اغلب زبان‌های برنامه نویسی می‌تواند بوسیله یک گرامر نوع ۲ مشخص گردد، برای مثال، گرامرهای مستقل از متن.




معناشناسی ایستا
معناشناسی ایستا محدودیت‌هایی بر روی ساختار مجاز متن‌ها تعیین می‌کند که بیان آنها در فرمول دستوری استاندارد مشکل و یا غیر ممکن است. مهمترین این محدودیت‌ها به وسیله سیستم نوع گذاری انجام می‌شود.


سیستم نوع گذاری
یک سیستم نوع گذاری مشخص می‌کند که یک زبان برنامه نویسی چگونه مقادیر و عبارات را در نوع(type) دسته بندی می‌کند، چگونه می‌تواند آن نوع‌ها را تغییر دهد و رفتار متقابل آن‌ها چگونه‌است. این کارعموما توضیح داده ساختارهایی که می‌توانند در آن زبان ایجاد شوند را شامل می‌شود. طراحی و مطالعه سیستم‌های نوع گذاری بوسیله ریاضیات قراردادی را تئوری نوع گذاری گویند.
زبان‌های نوع گذاری شده و بدون نوع گذاری

یک زبان نوع گذاری شده‌است اگر مشخصات هر عملیات، نوع داده‌های قابل اجرا توسط آن را با نشان دادن نوع‌هایی که برای آنها قابل اجرا نیست، تعیین کند. برای مثال، "این متن درون گیومه قرار دارد" یک رشته‌است. در غالب زبان‌های برنامه نویسی، تقسیم یک رشته با یک عدد معنایی ندارد. در نتیجه غالب زبان‌های برنامه نویسی مدرن ممکن است اجرای این عملیات را توسط برنامه‌ها رد کنند. در برخی زبان‌ها، عبارات بی معنی ممکن است هنگام ترجمه(compile) پیدا شود(چک کننده نوع ایستا)، و توسط کامپایلر رد شود، در حالی که در سایر برنامه‌ها، هنگام اجرا پیدا شود.(چک کننده نوع دینامیک) که به استثنای در حال اجرا منتج شود(runtime exception). حالت خاص زبان‌های نوع دار زبان‌های تک نوعند. این زبان‌ها غالباً اسکریپتی و یا مارک آپ هستند، مانند rexx وSGML و فقط یک داده گونه دارند—غالباً رشته‌های کاراکتری که هم برای داده‌های عددی و هم برای داده‌های سمبلی کاربرد دارند. در مقابل، یک زبان بدون نوع گذاری، مثل اکثر زبان‌های اسمبلی، این امکان را می‌دهد که هر عملیاتی روی هر داده‌ای انجام شود، که معمولاً دنباله‌ای از بیت‌ها با طول‌های متفاوت در نظر گرفته می‌شوند. زبان‌های سطح بالا که بی نوع هستند شامل زبان‌های ساده رایانه‌ای و برخی از انواع زبان‌های نسل چهارم.

در عمل، در حالیکه تعداد بسیار کمی از دیدگاه نظریه نوع، نوع گذاری شده تلقی می‌شوند(چک کردن یا رد کردن تمام عملیات‌ها)، غالب زبان‌های امروزی درجه‌ای از نوع گذاری را فراهم می‌کنند. بسیاری از زبان‌های تولیدکننده راهی را برای گذشتن یا موقوف کردن سیستم نوع فراهم می‌کنند.



نوع گذاری ایستا و متحرک

در نوع گذاری ایستا تمام عبارات نوع‌های خود را قبل از اجرای برنامه تعیین می‌کنند(معمولاً در زمان کامپایل). برای مثال، ۱ و (۲+۲) عبارات عددی هستند؛ آنها نمی‌توانند به تابعی که نیاز به یک رشته دارد داده شوند، یا در متغیری که تعریف شده تا تاریخ را نگه دارد، ذخیره شوند.


زبان‌های نوع گذاری شده ایستا می‌توانند با مانیفست نوع گذاری شوند یا با استفاده از نوع استنباط شوند. در حالت اول، برنامه نویس بیشتر صریحاً نوع‌ها را در جایگاه‌های منتنی مشخص می‌نویسد(برای مثال، در تعریف متغیرها). در حالت دوم، کامپایلر نوع عبارات و تعریف‌ها را بر اساس متن استنباط می‌کند. غالب زبان‌های مسیر اصلی(mainstream) ایستا نوع گذاری شده، مانند C#,C++ و Java، با مانیفست نوع گذاری می‌شوند



نوع گذاری قوی و ضعیف

نوع گذاری ضعیف این امکان را ایجاد می‌کند که با متغیری به جای متغیری دیگر برخورد شود، برای مثال رفتار با یک رشته به عنوان یک عدد. این ویژگی بعضی اوقات ممکن است مفید باشد، اما ممکن است باعث ایجاد برخی مشکلات برنامه شود که موقع کامپایل و حتی اجرا پنهان بمانند.

نوع گذاری قوی مانع رخ دادن مشکل فوق می‌شود. تلاش برای انجام عملیات روی نوع نادرست متغیر منجر به رخ دادن خطا می‌شود. زبان‌هایی که نوع گذاری قوی دارند غالباً با نام "نوع-امن" و یا امن شناخته می‌شوند. تمام تعاریف جایگزین برای "ضعیف نوع گذاری شده" به زبان‌ها اشاره می‌کند، مثل perl, JavaScript, C++، که اجازه تعداد زیادی تبدیل نوع داخلی را می‌دهند. در جاوااسکریپت، برای مثال، عبارت ۲*x به صورت ضمنی x را به عدد تبدیل می‌کند، و این تبدیل موفقیت آمیز خواهد بود حتی اگر x خالی، تعریف نشده، یک آرایه، و یا رشته‌ای از حروف باشد. چنین تبدیلات ضمنی غالباً مفیدند، اما خطاهای برنامه نویسی را پنهان می‌کنند.

قوی و ایستا در حال حاضر عموماً دو مفهوم متعامد فرض می‌شوند، اما استفاده در ادبیات تفاوت دارد، برخی عبارت "قوی نوع گذاری شده" را به کار می‌برند و منظورشان قوی، ایستایی نوع گذاری شده‌است، و یا، حتی گیچ کننده تر، منظورشان همان ایستایی نوع گذاری شده‌است. بنابراین C هم قوی نوع گذاری شده و هم ضعیف و ایستایی نوع گذاری شده نامیده می‌شود.



معناشناسی اجرا

وقتی که داده مشخص شد، ماشین باید هدایت شود تا عملیات‌ها را روی داده انجام دهد. معناشناسی اجرا ی یک زبان تعیین می‌کند که چگونه و چه زمانی ساختارهای گوناگون یک زبان باید رفتار برنامه را ایجاد کنند.

برای مثال، معناشناسی ممکن است استراتژی را که بویسله آن عبارات ارزیابی می‌شوند را تعریف کند و یا حالتی را که ساختارهای کنترلی تحت شرایطی دستورها را اجرا می‌کنند.


کتابخانه هسته
اغلب زبان‌های برنامه نویسی یک کتابخانه هسته مرتبط دارند(گاهی اوقات "کتابخانه استاندارد" نامیده می‌شوند، مخصوصا وقتی که به عنوان قسمتی از یک زبان استاندارد ارائه شده باشد)، که به طور قراردادی توسط تمام پیاده سازی‌های زبان در دسترس قرار گرفته باشند. کتابخانه هسته معمولاً تعریف الگوریتم‌ها، داده ساختارها و مکانیزم‌های ورودی و خروجی پرکاربرد را در خود دارد. کاربران یک زبان، غالباً با کتابخانه هسته به عنوان قسمتی از آن رفتار می‌کنند، اگرچه طراحان ممکن است با آن به صورت یک مفهوم مجزا رفتار کرده باشند. بسیاری از خصوصیات زبان هسته‌ای را مشخص می‌کنند که باید در تمام پیاده سازی‌ها موجود باشند، و در زبان‌های استاندارد شده این کتابخانه هسته ممکن است نیاز باشد. بنابراین خط بین زبان و کتابخانه هسته آن از زبانی به زبان دیگر متفاوت است. درواقع، برخی زبان‌ها به گونه‌ای تعریف شده‌اند که برخی از ساختارهای دستوری بدون اشاره به کتابخانه هسته قابل استفاده نیستند. برای مثالف در جاوا، یک رشته به عنوان نمونه‌ای از کلاس “java.lang.String” تعریف شده است؛ مشابها، در سمال تاک(smalltalk) یک تابع بی نام(یک "بلاک") نمونه‌ای از کلاس BlockContext کتابخانه می‌سازد. بطور معکوس، Scheme دارای چندین زیرمجموعه مرتبط برای ایجاد سایر ماکروهای زبان می‌باشد، و در نتیجه طراحان زبان حتی این زحمت را نیز تحمل نمی‌کنند که بگویند کدام قسمت زبان به عنوان ساختارهای زبان باید پیاده سازی شوند، و کدام یک به عنوان بخشی ازکتابخانه.


عمل
طراحان زبان و کاربران باید مصنوعاتی ایجاد کنند تا برنامه نویسی را در عمل ممکن سازند و کنترل کنند. مهمترین این مصنوعات خصوصیات و پیاده سازی‌های زبان هستند.



خصوصیات

یک زبان برنامه نویسی باید تعریفی فراهم کند که کاربران و پیاده کننده‌های زبان می‌توانند از آن استفاده کنند تا مشخص کنند که رفتار یک برنامه درست است. با داشتن کد منبع: خصوصیات یک زبان برنامه نویسی چندین قالب می‌تواند بگیرد، مانند مثال‌های زیر:

تعریف صریح دستور، معناشناسی ایستا، ومعناشناسی اجرای زبان. درحالیکه دستور معمولاً با یک معناشناسی قراردادی مشخص می‌شود، تعاریف معناشناسی ممکن است در زبان طبیعی نوشته شده باشند (مثل زبان C)، یا معناشناسی قراردادی(مثل StandardML ,Scheme)
توضیح رفتار یک مترجم برای زبان(مثل C,fortran). دستور و معناشناسی یک زبان باید از این توضیح استنتاج شوند، که ممکن است به زبان طبیعی یا قراردادی نوشته شود.
پیاده سازی منبع یا مدل. گاهی اوقات در زبان‌های مشخص شده(مثل: prolog,ANSI REXX).دستور و معناشناسی صریحاً در رفتار پیاده سازی مدل موجودند.


پیاده سازی

پیاده سازی یک زبان برنامه نویسی امکان اجرای آن برنامه را روی پیکربندی مشخصی از سخت‌افزار و نرم‌افزار را فراهم می‌کند. بطور وسیع، دو راه رسیدن به پیاده سازی زبان برنامه نویسی وجود دارد. کامپایل کردن و تفسیر کردن. بطور کلی با هر بک از ابن دو روش می‌توان یک زبان را پیاده سازی کرد.

خروجی یک کامپایلر ممکن است با سخت‌افزار و یا برنامه‌ای به نام مفسر اجرا شود. در برخی پیاده سازی‌ها که از مفسر استفاده می‌شود، مرز مشخصی بین کامپایل و تفسیر وجود ندارد. برای مثال، برخی پیاده سازی‌های زبان برنامه نویسی بیسیک کامپایل می‌کنند و سپس کد را خط به خط اجرا می‌کنند.

برنامه‌هایی که مستقیماً روی سخت‌افزار اجرا می‌شوند چندین برابر سریعتر از برنامه‌هایی که با کمک نرم‌افزار اجرا می‌شوند، انجام می‌شوند.

یک تکنیک برای بهبود عملکرد برنامه‌های تفسیر شده کامپایل در لحظه آن است. در این روش ماشین مجازی، دقیقاً قبل از اجرا، بلوک‌های کدهای بایتی که قرار است استفاده شوند را برای اجرای مستقیم روی سخت‌افزار ترجمه می‌کند.



تاریخچه
پیشرفت‌های اولیه

اولین زبان برنامه نویسی به قبل از رایانه‌های مدرن باز می‌گردد. قرن ۱۹ دستگاه‌های نساجی و متون نوازنده پیانو قابل برنامه نویسی داشت که امروزه به عنوان مثال‌هایی از زبان‌های برنامه نویسی با حوزه مشخص شناخته می‌شوند. با شروع قرن بیستم، پانچ کارت‌ها داده را کد گذاری کردند و پردازش مکانیکی را هدایت کردند. در دهه ۱۹۳۰ و ۱۹۴۰، صورت گرایی حساب لاندای آلونزو چرچ و ماشین تورینگ آلن تورینگ مفاهیم ریاضی بیان الگوریتم‌ها را فراهم کردند؛ حساب لاندا همچنان در طراحی زبان موثر است.

در دهه ۴۰، اولین رایانه‌های دیجیتال که توسط برق تغذیه می‌شدند ایجاد شدند. اولین زبان برنامه نویسی سطح بالا طراحی شده برای کامپیوتر پلانکالکول بود، که بین سال‌های ۱۹۴۵ و ۱۹۴۳ توسط کنراد زوس برای ز۳ آلمان طراحی شد.

کامپیوترهای اوایل ۱۹۵۰، بطور خاص ÜNIVAC ۱ و IBM ۷۰۱ از برنامه‌های زبان ماشین استفاده می‌کردند. برنامه نویسی زبان ماشین نسل اول توسط نسل دومی که زبان اسمبلی نامیده می‌شوند جایگزین شد. در سال‌های بعد دهه ۵۰، زبان برنامه نویسی اسمبلی، که برای استفاده از دستورات ماکرو تکامل یافته بود، توسط سه زبان برنامه نویسی سطح بالا دیگر: FORTRAN,LISP , COBOL مورد استفاده قرار گرفت. نسخه‌های به روز شده این برنامه‌ها همچنان مورد استفاده قرار می‌گیرند، و هر کدام قویا توسعه زبان‌های بعد را تحت تاثیر قرار دادند. در پایان دهه ۵۰ زبان algol ۶۰ معرفی شد، و بسیاری از زبان‌های برنامه نویسی بعد، با ملاحظه بسیار، از نسل algol هستند. قالب و استفاده از زبان‌های برنامه نویسی به شدت متاثر از محدودیت‌های رابط بودند.



پالایش

دوره دهه ۶۰ تا اواخر دهه ۷۰ گسترش مثال‌های عمده زبان پرکاربرد امروز را به همراه داشت. با این حال بسیاری از جنبه‌های آن بهینه سازی ایده‌های اولیه نسل سوم زبان برنامه نویسی بود:

APL برنامه نویسی آرایه‌ای را معرفی کرد و برنامه نویسی کاربردی را تحت تاثیر قرار داد.
PL/i(NPL) دراوایل دهه ۶۰ طراحی شده بود تا ایده‌های خوب فورترن و کوبول را بهم پیوند دهد.
در دهه ۶۰، Simula اولین زبانی بود که برنامه نویسی شئ گرا را پشتیبانی می‌کرد، در اواسط دهه۷۰. Smalltalk به دنبال آن به

عنوان اولین زبان کاملاً شئ گرا معرفی شد.

C بین سال‌های ۱۹۶۹ تا ۱۹۷۳ به عنوان زبان برنامه نویسی سیستمی طراحی شد و همچنان محبوب است.
Prolog، طراحی شده در ۱۹۷۲، اولین زبان برنامه نویسی منطقی بود.
در ۱۹۷۸ ML سیستم نوع چند ریخت روی لیسپ ایجاد کرد، و در زبان‌های برنامه نویسی کاربردی ایستا نوع گذاری شده پیشگام شد.

هر یک از این زبان‌ها یک خانواده بزرگ از وارثین از خود به جای گذاشت، و مدرنترین زبان‌ها از تبار حداقل یکی از زبان‌های فوق به شمار می‌آیند.

دهه‌های ۶۰ و ۷۰ مناقشات بسیاری روی برنامه نویسی ساخت یافته به خود دیدند، و اینکه آیا زبان‌های برنامه نویسی باید طوری طراحی شوند که آنها را پشتیبانی کنند.

"ادسگر دیکسترا" در نامه‌ای معروف در ۱۹۶۸ که در ارتباطات ACM منتشر شد، استدلال کرد که دستورgoto باید از تمام زبان‌های سطح بالا حذف شود.

در دهه‌های ۶۰ و ۷۰ توسعهٔ تکنیک‌هایی صورت گرفت که اثر یک برنامه را کاهش می‌داد و در عین حال بهره وری برنامه نویس و کاربر را بهبود بخشید. دسته کارت برای ۴GL اولیه بسیار کوچکتر از برنامهٔ هم سطح بود که با ۳GL deck نوشته شده بود.




یکپارچگی و رشد

دهه ۸۰ سال‌های یکپارچگی نسبی بود. C++ برنامه نویسی شئ گرا و برنامه نویسی سیستمی را ترکیب کرده بود. ایالات متحده ایدا(زبان برنامه نویسی سیستمی که بیشتر برای استفاده توسط پیمان کاران دفاعی بود) را استاندارد سازی کرد. در ژاپن و جاهای دیگر، هزینه‌های گزافی صرف تحقیق در مورد زبان نسل پنجم می‌شد که دارای ساختارهای برنامه نویسی منطقی بود. انجمن زبان کاربردی به سمت استانداردسازی ML و Lisp حرکت کرد. به جای ایجاد مثال‌های جدید، تمام این تلاش‌ها ایده‌هایی که در دهه‌های قبل حلق شده بودند را بهتر کرد.

یک گرایش مهم در طراحی زبان در دهه ۸۰ تمرکز بیشتر روی برنامه نویسی برای سیستم‌های بزرگ از طریق مدول‌ها، و یا واحدهای کدهای سازمانی بزرگ مقیاس بود. مدول-۲، ایدا. و ML همگی سیستم‌های مدولی برجسته‌ای را در دهه ۸۰ توسعه دادند. با وجود اینکه زبان‌های دیگر، مثل PL/i، پشتیبانی بسیار خوبی برای برنامه نویسی مدولی داشتند. سیستم‌های مدولی غالباً با ساختارهای برنامه نویسی عام همراه شده‌اند.

رشد سریع اینترنت در میانه دهه ۹۰ فرصت‌های ایجاد زبان‌های جدید را فراهم کرد. Perl، در اصل یک ابزار نوشتن یونیکس بود که اولین بار در سال ۱۹۸۷ منتشر شد، در وب‌گاه‌های دینامیک متداول شد. جاوا برای برنامه نویسی جنب سروری مورد استفاده قرار گرفت. این توسعه‌ها اساساً نو نبودند، بلکه بیشتر بهینه سازی شده زبان و مثال‌های موجود بودند، و بیشتر بر اساس خانواده زبان برنامه نویسی C بودند. پیشرفت زبان برنامه نویسی همچنان ادامه پیدا می‌کند، هم در تحقیقات و هم در صنعت. جهت‌های فعلی شامل امنیت و وارسی قابلیت اعتماد است، گونه‌های جدید مدولی(mixin، نماینده‌ها، جنبه‌ها) و تجمع پایگاه داده.

۴GLها نمونه‌ای از زبان‌هایی هستند که محدوده استفاده آنها مشخص است، مثل SQL. که به جای اینکه داده‌های اسکالر را برگردانند، مجموعه‌هایی را تغییر داده و بر می‌گردانند که برای اکثر زبان‌ها متعارفند. Perl برای مثال، با "مدرک اینجا" خود می‌تواند چندین برنامه ۴GL را نگه دارد، مانند چند برنامه جاوا سکریبت، در قسمتی از کد پرل خود و برای پشتیبانی از چندین زبان برنامه نویسی با تناسب متغیر در "مدرک اینجا" استفاده کند.




سنجش استفاده از زبان

مشکل است که مشخص کنیم کدام زبان برنامه نویسی بیشتر مورد استفاده‌است، و اینکه کاربرد چه معنی می‌دهد با توجه به زمینه تغییر می‌کند. یک زبان ممکن است زمان بیشتری از برنامه نویس بگیرد، زبان دیگر ممکن است خطوط بیشتری داشته باشد، و دیگری ممکن است زمان بیشتری از پردازنده را مصرف کند. برخی زبان‌ها برای کاربردهای خاص بسیار محبوبند. برای مثال: کوبول همچنان در مراکزداده متحد، غالباً روی کامپیوترهای بزرگ توانا است؛ fortran در مهندسی برنامه‌های کاربردی، C در برنامه‌های تعبیه شده و سیستم‌های عامل؛ و بقیه برنامه‌ها معمولاً برای نوشتن انواع دیگر برنامه‌ها کاربرد دارند. روش‌های مختلفی برای سنجش محبوبیت زبان‌ها، هر یک متناسب یا یک ویژگی محوری متفاوت پیشنهاد شده‌است:

شمارش تعداد تبلیغات شغلی که از آن زبان نام می‌برند.
تعداد کتاب‌های آموزشی و شرح دهندهٔ آن زبان که فروش رفته‌است.
تخمین تعداد خطوطی که در آن زبان نوشته شده اند- که ممکن است زبان‌هایی را که در جستجوها کمتر پیدا می‌شوند دست کم گرفته شوند.
شمارش ارجاع‌های زبان(برای مثال، به اسم زبان) در موتورهای جستجوهای اینترنت.

طبقه بندی‌ها هیچ برنامه غالبی برای دسته بندی زبان‌های برنامه نویسی وجود ندارد. یک زبان مشخص معمولاً یک زبان اجدادی ندارد. زبان‌ها معمولاً با ترکیب المان‌های چند زبان پیشینه بوجود می‌آیند که هربار ایده‌های جدید درگردشند. ایده‌هایی که در یک زبان ایجاد می‌شوند در یک خانواده از زبان‌های مرتبط پخش می‌شوند، و سپس از بین خلاهای بین خانواده‌ها منتقل شده و در خانواده‌های دیگر ظاهر می‌شوند.

این حقیقت که این دسته بندی ممکن است در راستای محورهای مختلف انجام شوند، این وظیفه را پیچیده تر می‌کند؛ برای مثال، جاوا هم یک زبان شیءگرا(چون به برنامه نویسی شیءگرا تشویق می‌کند) و زبان همزمان(چون ساختارهای داخلی برای اجرای چندین جریان موازی دارد) است. پایتون یک زبان اسکریپتی شیءگراست.

در نگاه کلی، زبان‌های برنامه نویسی به مثال‌های برنامه نویسی و یک دسته بندی بر اساس محدوده استفاده تقسیم می‌شوند. مثال‌ها شامل برنامه نویسی رویه‌ای، برنامه نویسی شیءگرا، برنامه نویسی کاربردی، وبرنامه نویسی منطقی؛ برخی زبان‌ها ترکیب چند مثالند. یک زبان اسمبلی مثالی از یک مدل مستقیم متضمن معماری ماشین نیست. با توجه به هدف، زبان‌های برنامه نویسی ممکن است همه منظوره باشند، زبان‌های برنامه نویسی سیستمی، زبان‌های اسکریپتی، زبان‌های محدوده مشخص، زبان‌های همزمان/ گسترده(و یا ترکیب اینها). برخی زبان‌های همه منظوره تا حد زیادی برای اهداف آموزشی طراحی شده‌اند.

یک زبان برنامه نویسی ممکن است با فاکتورهای غیر مرتبط به مثال‌های برنامه نویسی دسته بندی شود. برای مثال، غالب زبان‌های برنامه نویسی کلمات کلیدی زبان انگلیسی را استفاده می‌کنند، در حالیکه تعداد کمی این کار را نمی‌کنند. سایر زبان‌ها ممکن است براساس داخلی بودن یا نبودن دسته بندی شوند.