عندما نقوم أنا وأنت بحساب اثنان زائد اثنان، نتخيل مجموعة من الخطوط، تبدأ من الرقم اثنين وتقفز مرتين لتصل إلى الرقم أربعة (أو على الأقل كنا نقوم بذلك حتى حفظنا الجواب عن ظهر قلب). هذه عملية بسيطة للغاية حتى أننا نستخدم التعبير “بجمع اثنان مع اثنان” للتعبير عن استنتاج أمر واضح. لكن ماذا لو سألنا عن طريقة عمل الآلة الحاسبة؟

ولكن ماذا لو لم تكن قادرًا على تخيل مجموعة من الخطوط؟ ماذا لو كنت صندوق رمادي صغير مُغطَّى بالأزرار ومليئ بالقطع الالكترونية؟ كيف لك عندها أن تستنتج أن اثنان زائد اثنان مساوٍ للرقم أربعة؟

طريقة عمل الآلة الحاسبة

العملية بحد ذاتها ليست بتلك البساطة، ولكن بفهم كيفية تنفيذ هذه العملية الحسابية في الآلة الحاسبة، ستكون قادرًا على فهم كيفية قيام هذه الآلة الصغيرة بتنفيذ عمليات حسابية شديدة التعقيد.

نبدأ أولًا بالدخل، عند الضغط على المفتاح 2، يضغط الزر على وسادة مطاطية تحته، والتي بدورها تعمل على خلق تماس كهربائي بين سلكين، مما يؤدي إلى تشكل دارة كهربائية بينهما. وبسبب وجود بطارية تعمل على تغذية الدارة، ينتقل التيار الكهربائي إلى الترانزستورات.

الترانزستورات هي عبارة عن قواطع كهربائية ميكروسكوبية (صغيرة جدًا)، لها موضعين رئيسيين: فتح أو إغلاق. يُعبَّر عن موضع الإغلاق بالرقم 0، وعن موضع الفتح بالرقم 1. (تشكل مجموعة الواحدات والأصفار الشهيرة هذه لغة العد الثنائي للآلات الحاسبة والكومبيوترات) . يمكن تمثيل جميع الأعداد كسلسلة من الواحدات والأصفار. يرسل الرقم 2 – وهو الزر الذي ضغطَّ عليه لتفيذ عملية الحساب هذه – مجموعة من الالكترونات إلى ترانستورين، مما يجعل أحدهما يأخد الموضع المغلق والآخر الموضع المفتوح. وبالتالي يكون التشكيل الترانستوري للرقم 2 هو على الشكل 10.

ثم تضغط على زر “+” . يعمل القسم المطاطي المتوضع أسفله على حصول تماس بين سلكين، مما يسبب تدفق كهربائي بشكل مشابه لعملية الضغط على الزر 2، ويتم تهيئة التابع الإضافي، وتكون الآلة الحاسبة مستعدة لدخل آخر. ثم تضغط على زر 2، ومثلما حدث في المرة السابقة، تُترجِم التيارات الكهربائية الرقم 2 إلى ترميز ثنائي، بنقل ترانزستور إلى وضع الإغلاق وترانزستور آخر إلى وضع الفتح.

وأخيرًا تضغط على زر “=”. مما يعطي الضوء الأخضر للآلة الحاسبة لتنفيذ أمر الزائد المدخل مسبقًا. حيث يساهم اثنان من الترانزستورات في التشكيل 10 في الرقم 2 الأول، واثنان آخران أيضًا في التشكيل 10 في الرقم 2 الثاني. الآن يجب على الآلة الحاسبة جمع هذين الدخلين سويًا.

تفاضيل طريقة عمل الآلة الحاسبة

تستخدم الآلات الحاسبة (والكومبيوترات) المعطيات المدخلة باستخدام مكونات الكترونية معروفة باسم بوابات منطقية logic gates. وكما يوحي الاسم، تتصرف البوابات المنطقية كحاجز في الدارات الالكترونية، فتأخذ تيارين كهربائين، وتقارنهما، وترسل تيار جديد اعتمادًا على ما تجده. هناك عدة أنواع من البوابات المنطقية: AND, OR, NOT, XOR. بالتعاون مع بعضها البعض تُمَكِّن هذه البوابات الدارات من جمع، طرح، ضرب، وقسمة الأرقام المرسلة إليها من الترانستورات.

لنأخذ بوابة AND، إذا كانت كلتا الإشارتين الواصلتين إلى البوابة من نوع المنطقي 1، سترسل البوابة إشارة من النوع 1. ولكن إذا كانت إحدى الإشارتين أو كلتاهما من نوع 0، سترسل البوابة إشارة من نوع 0.

ترسل البوابة OR إشارة من نوع 1 إذا كان أحد الدخلين أو كلاهما من نوع 1، في حين ترسل البوابة XOR خرج من نوع 1 إذا كان إحدى الدخلين من نوع 1 فقط. تحوِّل البوابة NOT الدخل إلى النوع الآخر. إذا كان الدخل 1، فسيكون الخرج 0، والعكس بالعكس.

تُستخدم البوابات المنطقية لدمج المعلومات المخزنة في زوج من الترانزستورات – التشكيل 10 و 10 (المعبر عن 2 و 2). تتطلب عملية جمع البسيطة هذه مصفوفة معقدة من البوابات المنطقية، ولكن إليك جوهر العملية:

تُرسل الإشارات من نوع 1 إلى بوابة منطقية من نوع AND. فيكون الخرج من نوع 1. وترسل أيضًا الإشارتين نفسها إلى بوابة من نوع XOR، ويكون خرجها من نوع 0. تُرسل الإشارات الأصلية من نوع 0 (من التشكيل 10 و 10) إلى بوابتين من نوع AND و XOR، والذي يكون خرجهما من نوع 0. في عملية مشابهة لحمل مرتبة العشرات في عملية الجمع العادية، يتم جمع الخرج الناتج عن إشارتي 0 من بوابة AND مع الخرج الناتج من إشارتي 1 من بوابة XOR: فتُرسل الإشارتين من نوع 0 إلى بوابة من نوع OR، ويكون الناتج من نوع 0. (أي ليس هناك شيء لإضافته إلى مرتبة العشرات).

إشارات الخرج النهائية هي 1 ، 0، 0. وفي الترميز الثنائي، يمثل الرقم 100 العدد 4.

تستنتج بوابات منطقية أخرى ما إذا سيتم إضاءة المقاطع المختلفة المستخدمة في تشكيل الأرقام – عادة ما تتكون من سبعة خطوط مرتبة لتعطي الشكل الرقمي للرقم 8 – على شاشة الآلة الحاسبة. لإظهار الرقم 4، مثلًا، لا يجب إضاءة الخط الموجود في أعلى التشكيل. أي عندما يُرسل الترميز 100 (الذي يعبر عن الرقم 4) عبر مصفوفة البوابات المنطقية المعنية بالخط الأعلى، ستكون النتيجة النهائية 0 – أي أمر يعبر عن عدم إضاءة الخط.

تحدث هذه العمليات في الدارات بسرعة كبيرة جدًا، مما يجعل ظهور الرقم 4 يبدو لحظيًا. لتنفيذ عمليات حسابية أكثر تعقيدًا، مثل ضرب أو تقسيم أعداد كبيرة، تنفذ الآلة الحاسبة سلسلة طويلة من عمليات الجمع والطرح، وتحدث كلها بشكل مشابه للوصف السابق للعملية 2+2. تتطلب عمليات مثل هذه فترة زمنية أكبر، ولكن ليس أكبر من طرفة عين.

إعداد: مازن ملص
تدقيق: أسمى شعبان
المصدر