حقایقی در مورد نحوه کار ماشین حساب که شاید ندانید!

شاید باورش برایتان سخت باشد که تا پایان قرن بیستم چیزی به نام ماشین حساب در بین مردم رایج نبود. در واقع، همانطور که می دانید، قبل از اختراع ماشین حساب به شکلی که امروزه به آن مجهز شده ایم، مردم از ابزارهای دیگری مانند چرتکه که جد این ماشین حساب است استفاده می کردند. گمان می‌رود که اولین چرتکه‌ها، احتمالاً منشأ بابلی داشته باشند، تخته‌هایی بوده‌اند که موقعیت شمارنده‌ها (کره‌های کوچک روی تخته) روی آن‌ها مقادیر عددی را نشان می‌دهند.

با این حال، چرتکه مدرن، که هنوز توسط برخی از مردم در چین، ژاپن و خاورمیانه استفاده می شود، وسیله ای است که با حرکت دادن مهره ها در امتداد سیم ها روی یک قاب محصور کار می کند. در قرن‌های گذشته، برخی از ماشین‌های مکانیکی (که با استفاده از موتور کار می‌کردند) و برخی دیگر از جداول ریاضی و قوانین محاسبه استفاده می‌کردند. سرانجام، در دهه 1960، پیشرفت‌ها در تولید مدارهای مجتمع منجر به توسعه ماشین‌حساب‌های الکترونیکی شد، اما جالب اینجاست که نسخه‌های اولیه این دستگاه‌ها شباهت چندانی به آنچه امروز در دست دارید، نداشت.

جدا از این تاریخچه مختصر و ماشین حسابی که به عنوان یک اپلیکیشن روی گوشی هوشمند شما نصب می شود، دانستن نحوه کار این ماشین های کوچک می تواند بسیار جالب باشد. بنابراین در این مقاله قصد داریم کنجکاوی خود را برطرف کنیم و به این سوال پاسخ دهیم که ماشین حساب چگونه کار می کند؟

سیر تکاملی ماشین حساب

گفته می شود که یک شرکت ژاپنی به نام شارپ اولین ماشین حساب رومیزی به نام CS-10A را در سال 1964 اختراع کرد، این مدل ماشین تقریباً شبیه گاوصندوق بود و به قیمت یک ماشین سایز متوسط ​​بود! در سال 1967 تگزاس اینسترومنتز چیزی را توسعه داد که امروزه به عنوان اولین ماشین حساب قابل حمل شناخته می شود. دستگاهی که می تواند 4 عمل اساسی یعنی جمع، تفریق، ضرب و تقسیم را انجام دهد.

پس از آن شرکت Canon با استفاده از فناوری به نام Cal Tech اولین ماشین حساب قابل حمل را برای استفاده تجاری اختراع کرد که در سال 1970 با قیمت 400 دلار به بازار عرضه شد. چند سال بعد، نوعی رقابت بین تولیدکنندگان آغاز شد، جایی که شرکت‌ها سعی کردند دستگاه‌های کوچک‌تر، در دسترس‌تر و ارزان‌تر را وارد بازار کنند. در سال 1972، مخترع بریتانیایی سر کلایو سینکلر محصول جدیدی را معرفی کرد که بسیاری آن را اولین ماشین حساب جیبی مقرون به صرفه در جهان می دانند. جالب اینجاست که این ماشین حساب به ضخامت یک پاکت سیگار بود!

قانون مور، قاعده‌ای سرانگشتی است که بیان می‌کند تعداد ترانزیستورهای روی یک تراشه با مساحت ثابت هر 2 سال، به‌طور تقریبی دو برابر می‌شود. این قانون نخستین بار توسط گوردون مور، از بنیانگذاران شرکت اینتل، در سال 1965 ارائه شد.

به طور کلی، پیشرفت در فناوری ماشین حساب تا حد زیادی با توسعه ریزپردازنده تک تراشه در اواخر دهه 1960 امکان پذیر شد. در واقع، قبل از آن زمان، مهندسان در حال ساختن مغز محاسباتی ماشین حساب ها (و کامپیوترها) با برخی تراشه ها و سایر اجزا بودند. . در حالی که یک ریزپردازنده تک تراشه اساساً به کل واحد پردازش مرکزی (CPU) اجازه می دهد تا روی یک تراشه سیلیکونی واحد وجود داشته باشد. در این راستا، شرکت موفق اینتل اولین ریزپردازنده تجاری تک تراشه ای را در سال 1971 تولید کرد که قادر به انجام محاسبات اولیه تا 4 بیت اطلاعات در یک زمان بود. گوردون مور، بنیانگذار اینتل، پیش بینی کرد که ظرفیت یک تراشه تقریباً هر دو سال دو برابر می شود که به قانون مور نیز معروف است.

امروزه علاوه بر نسخه‌های مدرن ماشین‌حساب‌های جیبی، ماشین‌حساب‌های مهندسی و نموداری پیشرفته برای استفاده دانشجویان و متخصصان در دسترس هستند. همچنین بسیاری از این سیستم‌ها از زبان‌های برنامه‌نویسی محبوبی استفاده می‌کنند که می‌توانند بر اساس ترجیحات کاربر برنامه‌ریزی شوند.

اجزای ماشین حساب و نحوه عملکرد قطعات مختلف آن را بررسی کنید

همانطور که تا اینجا در این مقاله دیدید، ماشین حساب های دستی برای انجام عملیات های مختلف به ریزپردازنده های تک تراشه ای نیاز دارند. اما چگونه می توان ریزپردازنده خودرو را فعال کرد؟ برای پاسخ به این سوال، باید بدانید که همه چیز با اتفاقاتی که در خارج از دستگاه اتفاق می افتد شروع می شود.

نمایش اجزای یک ماشین حساب الکتریکی

بسیاری از ماشین حساب های مدرن دارای یک محفظه پلاستیکی بادوام متشکل از یک پد لاستیکی ساده هستند که روی برد مدار اصلی قرار می گیرد. با فشار یک دکمه، مدار زیر پد لاستیکی بسته می شود و سیگنال های الکتریکی را از آن بخش به برد مدار می فرستد. این سیگنال ها برای تفسیر و پخش مجدد اطلاعات از طریق ریزپردازنده هدایت می شوند که سپس به شکلی آشنا در صفحه ماشین حساب ظاهر می شوند.

نمایشگرهای اکثر ماشین حساب های الکترونیکی قدیمی از LED یا دیودهای ساطع کننده نور ساخته شده بودند. مدل های جدیدتر این سیستم ها که انرژی کمتری مصرف می کنند، از نمایشگر کریستال مایع یا LCD استفاده می کنند. در همین راستا جالب است بدانید که نمایشگرهای LCD به جای تولید نور، مولکول های نور را مجدداً مرتب می کنند تا الگوی دلخواه را روی صفحه ایجاد کنند و در نهایت انرژی زیادی نیاز ندارند. مولکول های فوتونیک یا نوری شکل طبیعی ماده هستند که می توانند به صورت مصنوعی نیز ساخته شوند. بنابراین در طی این فرآیند فوتون ها به یکدیگر متصل می شوند و یک مولکول تشکیل می دهند، فرآیندی که اولین بار در سال 2007 پیش بینی شد.

نمایشگرهای ال سی دی دی به جای تولید نور، مولکول‌های نور را مجددا سازماندهی می‌کنند تا الگوی مدنظر را روی نمایشگر ایجاد کنند و در نهایت به انرژی زیادی نیاز نداشته باشند.

ماشین حساب های اولیه از باتری های بزرگ استفاده می کردند یا به برق شهری متصل بودند. اما در اواخر دهه 1970، فناوری سلول های خورشیدی برای استفاده در لوازم الکترونیکی خانگی به اندازه کافی ارزان و کارآمد شده بود. اگر به ماشین حساب جیبی خود نگاه کنید، احتمالاً این صفحه نمایش کوچک را خواهید دید که برای گرفتن نور خورشید برای تامین انرژی دستگاه طراحی شده است.

آیا تا به حال از ماشین حساب جیبی خود برای املای معکوس کلمه ای مانند 07734 (سلام) استفاده کرده اید؟ آیا می دانستید که این زبان (که احتمالاً فکر می کردید اختراع خودتان است!) در واقع یک نام دارد؟ این زبان ” BEGhILOS ” نام دارد و از رایج ترین حروفی که می توانید با استفاده از ماشین حساب ایجاد کنید مشتق شده است. BEGHILOS یک زبان عامیانه برای ساختن کلمات با استفاده از صفحه ماشین حساب است.

چگونه یک ماشین حساب محاسبات را به درستی انجام می دهد؟

همانطور که در بخش‌های قبلی آموختید، بیشتر ماشین‌حساب‌ها بر مدارهای مجتمع که معمولاً به آنها تراشه گفته می‌شود، متکی هستند. در این مدارها از ترانزیستورها برای انجام عملیات جمع و تفریق و همچنین محاسبات روی لگاریتم به منظور انجام عملیاتی مانند ضرب، تقسیم و عملیات پیچیده تری مانند توان و ریشه مربع استفاده می شود. اساساً، هرچه یک آی سی ترانزیستور بیشتری داشته باشد، عملکرد آن می تواند پیشرفته تر باشد. اکثر ماشین حساب های جیبی استاندارد دارای مدارهای مجتمع یکسان یا بسیار مشابه هستند.

هرچه یک مدار مجتمع، ترانزیستور بیشتری داشته باشد، عملکرد آن ممکن است پیشرفته‌تر باشد.

مانند هر دستگاه الکترونیکی، تراشه های داخل ماشین حساب با کاهش هر گونه اطلاعاتی که آن را به اعداد باینری می خورند، کار می کنند. در سیستم باینری، اعداد با پایه دو ترجمه و صفر یا یک نمایش داده می شوند. زیبایی سیستم دودویی این است که شما می توانید هر عدد اعشاری را با مجموعه ای از کلیدهای روشن (1) یا خاموش (0) نشان دهید.

ریزتراشه های منطق باینری می توانند به معنای واقعی کلمه ترانزیستورها را روشن و خاموش کنند. به عنوان مثال، اگر می خواهید عملیات 3 + 2 را انجام دهید، ماشین حساب شما عدد 2 را به کد باینری 10 تبدیل می کند (عدد 2 در باینری = 1 × 2 + 0 × 1) سپس کد باینری 11 را برای عدد 3 ( 3 در باینری = 1 × 2 + 1 × 1). پس از تبدیل اعداد به کد باینری، گیت های منطقی برای مقایسه الگوی سوئیچ های فعال شروع به کار می کنند و به جای الگوی قبلی، الگوی جدیدی از سوئیچ ها را ارائه می دهند که حاصل عملیات است.

به طور کلی، یک گیت منطقی فقط یک مدار الکتریکی ساده است که دو عدد (ورودی) را با هم مقایسه می کند و بر اساس مقادیر اعداد اصلی، عدد سوم (خروجی) تولید می کند. به طور کلی، سه نوع کلاسیک گیت منطقی به نام‌های OR، AND و NOT وجود دارد. یک گیت OR دارای دو ورودی است (که هر کدام می تواند 0 یا 1 باشد) که اگر یکی از ورودی ها 1 باشد خروجی 1 تولید می کند. در غیر این صورت، صفر را برمی گرداند. گیت AND نیز دو ورودی دارد، اما خروجی آن زمانی 1 است که هر دو ورودی 1 باشند. در نهایت، گیت NOT یک ورودی دارد و از آن برای تولید خروجی معکوس استفاده می کند. بنابراین اگر به آن صفر بدهید، به شما 1 می دهد (و بالعکس).

یک Adder از تعدادی گیت منطقی AND ،OR و NOT ساخته شده است که در داخل چیپ‌ها قرار می‌گیرند و با هم مرتبط هستند.

اگر تعداد زیادی گیت منطقی با هم ترکیب شوند، می توانند مدارهای پیچیده ای به نام “جمع کننده” تولید کنند، بنابراین اگر ارقام 2 و 3 را مانند مثال قبلی وارد کنید، سیگنال های الکتریکی 10 و 11 با هم جمع می شوند و کد 101 (2 + خروجی 3 = 5) که به صورت عدد 5 نمایش داده می شود. در این راستا، اگر به اعداد روی صفحه ماشین حساب دقت کنید، متوجه خواهید شد که اعداد از خطوط خاصی تشکیل شده اند. برای نمایش عدد بر روی صفحه، هر یک از این اعداد را می توان با استفاده از منطق باینری یکسان روشن یا خاموش کرد. لازم به ذکر است که سایر عملیات پیچیده ریاضی نیز با استفاده از همین مدارهای منطقی انجام می شود که از حوصله این مقاله خارج است.