متفرقات

علوم الكمبيوتر | التعريف والحقول والحقائق

علم الحاسوب ، دراسةأجهزة الكمبيوتر والحوسبة، بما في ذلك على الأسس النظرية والحسابية، الأجهزة و البرمجيات ، واستخداماتها لمعالجة المعلومات. يشمل تخصص علوم الكمبيوتر دراسة الخوارزميات وهياكل البيانات ، وتصميم الكمبيوتر والشبكات ، ونمذجة عمليات البيانات والمعلومات ، والذكاء الاصطناعي . توجه علوم الكمبيوتر بعض أساساته من الرياضيات و الهندسة ويتضمن تقنيات من المناطق مثل نظرية الانتظار، وبالتالي الاحتمالات والإحصاء ، و الإلكترونيةتصميم الدوائر. تستخدم علوم الكمبيوتر أيضًا بشكل مكثف اختبار الفرضيات وتجريبها أثناء وضع المفاهيم والتصميم والقياس وتنقيح الخوارزميات الجديدة وهياكل المعلومات وهياكل الكمبيوتر.

تطوير علوم الكمبيوتر

ظهرت علوم الكمبيوتر كتخصص مستقل في أوائل الستينيات ، على الرغم من أنها إلكترونيةتم اختراع الكمبيوتر الرقمي الذي هو موضوع دراسته قبل حوالي عقدين من الزمن. تكمن جذور علوم الكمبيوتر في المقام الأول في المجالات ذات الصلة بالرياضيات والهندسة الكهربائية والفيزياء وأنظمة المعلومات الإدارية.

احصل على اشتراك Britannica Premium وتمتع بالوصول إلى محتوى حصري إشترك الآن

الرياضيات هي مصدر مفهومين أساسيين في تطوير الكمبيوتر - فكرة أن جميع المعلومات يمكن تمثيلها على شكل متواليات من الأصفار والآحاد والفكرة المجردة لـ "البرنامج المخزن . " في نظام الأرقام الثنائية ، يتم تمثيل الأرقام من خلال تسلسل من الأرقام الثنائية 0 و 1 بنفس الطريقة التي يتم بها تمثيل الأرقام في النظام العشري المألوف باستخدام الأرقام من 0 إلى 9. السهولة النسبية التي يتم بها استخدام حالتين (على سبيل المثال ، مرتفع والجهد المنخفض) يمكن تحقيقه في الأجهزة الكهربائية والإلكترونية التي تؤدي بشكل طبيعي إلىالرقم الثنائي ، أو البت ، يصبح الوحدة الأساسية لتخزين البيانات ونقلها في نظام الكمبيوتر .

توفر الهندسة الكهربائية أساسيات تصميم الدوائر - أي فكرة أن النبضات الكهربائية التي تدخل إلى الدائرة يمكن دمجها باستخدامالجبر المنطقي لإنتاج مخرجات عشوائية. (قدم الجبر المنطقي الذي تم تطويره في القرن التاسع عشر شكليًا لتصميم دائرة بقيم إدخال ثنائية من الأصفار والآحاد [خطأ أو صحيح ، على التوالي ، في مصطلحات المنطق] لإنتاج أي تركيبة مرغوبة من الأصفار والآحاد كناتج.) في اختراع منالترانزستور وتصغير الدوائر ، إلى جانب اختراع الوسائط الإلكترونية والمغناطيسية والبصرية لتخزين ونقل المعلومات ، نتجت عن التقدم في الهندسة الكهربائية والفيزياء.

نظم المعلومات الإدارية ، ودعا في الأصل معالجة البيانات إن النظم والأفكار في وقت مبكر من خلالها مختلف مفاهيم علوم الكمبيوتر مثل الفرز والبحث و قواعد البيانات ، واسترجاع المعلومات ، و اجهات المستخدم الرسومية تطورت. احتوت الشركات الكبيرة على أجهزة كمبيوتر تخزن المعلومات التي كانت مركزية لأنشطة إدارة الأعمال - كشوف المرتبات والمحاسبة وإدارة المخزون ومراقبة الإنتاج والشحن والاستلام.

قدم العمل النظري حول الحوسبة ، والذي بدأ في ثلاثينيات القرن الماضي ، الامتداد اللازم لهذه التطورات لتشمل تصميم آلات كاملة ؛ كان معلمًا هو مواصفات عام 1936 لـآلة تورينج (نموذج الحسابي النظري الذي ينفذ تعليمات ممثلة على شكل سلسلة من الأصفار ومنها) من قبل عالم الرياضيات البريطاني آلان تورنج وله دليل على القوة الحسابية للنموذج. اختراق آخر كان مفهومكمبيوتر برنامج مخزّن ، يُنسب عادةً إلى عالم الرياضيات المجري الأمريكيجون فون نيومان . هذه هي أصول مجال علوم الكمبيوتر الذي أصبح يُعرف فيما بعد باسم الهندسة المعمارية والتنظيم.

في الخمسينيات من القرن الماضي ، عمل معظم مستخدمي الكمبيوتر إما في مختبرات البحث العلمي أو في الشركات الكبيرة. استخدمت المجموعة الأولى أجهزة الكمبيوتر لمساعدتهم على إجراء حسابات رياضية معقدة (على سبيل المثال ، مسارات الصواريخ) ، بينما استخدمت المجموعة الأخيرة أجهزة الكمبيوتر لإدارة كميات كبيرة من بيانات الشركة (على سبيل المثال ، كشوف المرتبات والمخزونات). سرعان ما تعلمت كلتا المجموعتين أن كتابة البرامج بلغة الآلة للأصفار والآحاد لم تكن عملية أو موثوقة. أدى هذا الاكتشاف إلى تطويرلغة التجميع في أوائل الخمسينيات من القرن الماضي ، والتي تسمح للمبرمجين باستخدام الرموز للتعليمات (على سبيل المثال ، إضافة للإضافة) والمتغيرات (على سبيل المثال ، X ). برنامج آخر معروف باسمالمجمع ، ترجم هذه البرامج الرمزية إلى برنامج ثنائي مكافئ يمكن للكمبيوتر تنفيذ خطواته أو "تنفيذها".

تم تطوير عناصر برامج النظام الأخرى المعروفة باسم لوادر الربط لدمج أجزاء من التعليمات البرمجية المجمعة وتحميلها في ذاكرة الكمبيوتر ، حيث يمكن تنفيذها. كان مفهوم ربط أجزاء منفصلة من التعليمات البرمجية مهمًا ، لأنه يسمح بإعادة استخدام "مكتبات" البرامج لتنفيذ المهام المشتركة. كانت هذه الخطوة الأولى في تطوير مجال علوم الكمبيوتر المسمى هندسة البرمجيات .

في وقت لاحق من الخمسينيات من القرن الماضي ، وُجد أن لغة التجميع مرهقة للغاية لدرجة أن تطوير لغات عالية المستوى (أقرب إلى اللغات الطبيعية) بدأ في دعم البرمجة الأسهل والأسرع. ظهرت FORTRAN كلغة رئيسية عالية المستوى للبرمجة العلمية ، بينماأصبحت COBOL اللغة الرئيسية لبرمجة الأعمال. حملت هذه اللغات معهم الحاجة إلى برامج مختلفة تسمىالمجمعين ، التي تترجم برامج لغة عالية المستوى إلى لغة الآلة. نظرًا لأن لغات البرمجة أصبحت أكثر قوة وتجريدًا ، فإن بناء المجمعات التي تنشئ كود آلة عالي الجودة وتكون فعالة من حيث سرعة التنفيذ واستهلاك التخزين أصبح مشكلة علوم الكمبيوتر الصعبة. يعد تصميم وتنفيذ اللغات عالية المستوى في صميم مجال علوم الكمبيوتر المسمى لغات البرمجة.

أدت زيادة استخدام أجهزة الكمبيوتر في أوائل الستينيات إلى توفير القوة الدافعة لتطوير الأولأنظمة التشغيل ، والتي تتكون من برنامج مقيم في النظام يتعامل تلقائيًا مع المدخلات والمخرجات وتنفيذ البرامج المسماة "الوظائف". أدى الطلب على تقنيات حسابية أفضل إلى عودة الاهتمام بالطرق العددية وتحليلها ، وهو نشاط توسع على نطاق واسع لدرجة أنه أصبح يعرف باسم العلوم الحسابية.

شهدت السبعينيات والثمانينيات ظهور أجهزة رسومات حاسوبية قوية ، لكل من النمذجة العلمية والأنشطة المرئية الأخرى. (تم تقديم الأجهزة الرسومية المحوسبة في أوائل الخمسينيات من القرن الماضي مع عرض الصور الخام على قطع الورق وشاشات أنبوب أشعة الكاثود [CRT].) أدت الأجهزة باهظة الثمن والتوافر المحدود للبرامج إلى استمرار نمو هذا المجال حتى أوائل الثمانينيات ، عندماذاكرة الكمبيوتر المطلوبة لـأصبحت الرسومات النقطية (التي تتكون فيها الصورة من وحدات بكسل صغيرة مستطيلة) أكثر تكلفة. أدت تقنية الصور النقطية ، جنبًا إلى جنب مع شاشات العرض عالية الدقة وتطوير معايير الرسومات التي تجعل البرامج أقل اعتمادًا على الماكينة ، إلى نمو هائل في هذا المجال. تطور الدعم لجميع هذه الأنشطة في مجال علوم الكمبيوتر المعروف باسم الرسومات والحوسبة المرئية.

يرتبط ارتباطًا وثيقًا بهذا المجال بتصميم وتحليل الأنظمة التي تتفاعل مباشرة مع المستخدمين الذين يقومون بمهام حسابية مختلفة. دخلت هذه الأنظمة حيز الاستخدام على نطاق واسع خلال الثمانينيات والتسعينيات ، عندما تم استبدال التفاعلات المعدلة مع المستخدمين بـواجهات المستخدم الرسومية (GUIs). يعد تصميم واجهة المستخدم الرسومية ، الذي ابتكرته شركة Xerox وتم اختياره لاحقًا بواسطة Apple (Macintosh) وأخيراً بواسطة Microsoft ( Windows ) ، مهمًا لأنه يشكل ما يراه الناس ويفعلونه عندما يتفاعلون مع جهاز كمبيوتر. تطور تصميم واجهات المستخدم المناسبة لجميع أنواع المستخدمين إلى مجال علوم الكمبيوتر المعروف باسم التفاعل بين الإنسان والحاسوب (HCI).

تطور مجال هندسة الكمبيوتر وتنظيمه بشكل كبير منذ أن تم تطوير أول أجهزة كمبيوتر مخزنة في الخمسينيات من القرن الماضي. ظهر ما يسمى بأنظمة مشاركة الوقت في الستينيات للسماح للعديد من المستخدمين بتشغيل البرامج في نفس الوقت من محطات طرفية مختلفة كانت متصلة بالكمبيوتر. شهدت السبعينيات تطوير أول منطقة واسعةشبكات الكمبيوتر (WAN ) والبروتوكولات الخاصة بنقل المعلومات بسرعات عالية بين أجهزة الكمبيوتر مفصولة بمسافات كبيرة. مع تطور هذه الأنشطة ، اندمجت في مجال علوم الكمبيوتر المسمى الشبكات والاتصالات. كان الإنجاز الرئيسي لهذا المجال هو تطويرالإنترنت .

كانت فكرة أن التعليمات ، وكذلك البيانات ، يمكن تخزينها في ذاكرة الكمبيوتر أمرًا بالغ الأهمية للاكتشافات الأساسية حول السلوك النظري لـ الخوارزميات . أي أسئلة مثل ، "ما الذي يمكن / لا يمكن حسابه؟" تم تناولها رسميًا باستخدام هذه الأفكار المجردة. كانت هذه الاكتشافات هي أصل مجال علوم الكمبيوتر المعروف باسم الخوارزميات والتعقيد. جزء أساسي من هذا المجال هو دراسة وتطبيق هياكل البيانات المناسبة للتطبيقات المختلفة.تعد هياكل البيانات ، إلى جانب تطوير الخوارزميات المثلى لإدخال البيانات وحذفها وتحديد موقعها في مثل هذه الهياكل ، مصدر قلق كبير لعلماء الكمبيوتر لأنها تستخدم بكثرة في برامج الكمبيوتر ، وعلى الأخص في المجمعين وأنظمة التشغيل وأنظمة الملفات ، و محركات البحث .

في 1960s اختراع يوفر تخزين القرص المغناطيسي وصولاً سريعًا إلى البيانات الموجودة في مكان عشوائي على القرص. أدى هذا الاختراع ليس فقط إلى أنظمة ملفات مصممة بشكل أكثر ذكاءً ولكن أيضًا إلى تطوير قواعد البيانات وأنظمة استرجاع المعلومات ، والتي أصبحت فيما بعد ضرورية لتخزين واسترجاع ونقل كميات كبيرة وأنواع واسعة من البيانات عبر الإنترنت. يُعرف هذا المجال من علوم الكمبيوتر باسم إدارة المعلومات.

هدف آخر طويل المدى لبحوث علوم الكمبيوتر هو إنشاء آلات حوسبة وأجهزة روبوتية يمكنها تنفيذ المهام التي يُعتقد عادةً أنها تتطلب ذكاءً بشريًا . وتشمل هذه المهام الحركة ، والرؤية ، والسمع ، والتحدث ، وفهم اللغة الطبيعية ، والتفكير ، وحتى إظهار المشاعر الإنسانية . مجال علوم الكمبيوتر للأنظمة الذكية ، المعروف أصلاً باسمالذكاء الاصطناعي (AI) ، في الواقع يسبق أول أجهزة الكمبيوتر الإلكترونية في الأربعينيات ، على الرغم من أن مصطلح الذكاء الاصطناعي لم يُصاغ حتى عام 1956.

ثلاثة تطورات في الحوسبة في الجزء الأول من القرن الحادي والعشرين - الحوسبة المتنقلة ، ساهمت حوسبة خادم العميل وقرصنة الكمبيوتر في ظهور ثلاثة مجالات جديدة في علوم الكمبيوتر: التطوير القائم على النظام الأساسي والحوسبة المتوازية والموزعة والأمن وضمان المعلومات . التطوير القائم على النظام الأساسي هو دراسة الاحتياجات الخاصة للأجهزة المحمولة وأنظمة التشغيل الخاصة بها وتطبيقاتها. تتعلق الحوسبة المتوازية والموزعة بتطوير البنى ولغات البرمجة التي تدعم تطوير الخوارزميات التي يمكن تشغيل مكوناتها بشكل متزامن وغير متزامن (بدلاً من التسلسل) ، من أجل الاستفادة بشكل أفضل من الوقت والمكان. يتعامل ضمان الأمن والمعلومات مع تصميم أنظمة وبرامج الكمبيوتر التي تحمي السلامةوأمن البيانات ، وكذلك خصوصية الأفراد الذين يتميزون بتلك البيانات.

أخيرًا ، يتمثل أحد الاهتمامات الخاصة لعلوم الكمبيوتر طوال تاريخها في التأثير المجتمعي الفريد الذي يصاحب أبحاث علوم الكمبيوتر والتقدم التكنولوجي. مع ظهور الإنترنت في الثمانينيات ، على سبيل المثال ، احتاج مطورو البرامج إلى معالجة القضايا المهمة المتعلقة بأمن المعلومات والخصوصية الشخصية وموثوقية النظام. بالإضافة إلى ذلك ، فإن مسألة ما إذا كانت برامج الكمبيوتر تشكل ملكية فكرية والسؤال المتعلق بها "من يمتلكها؟" أدى إلى ظهور مجال قانوني جديد كليًا لمعايير الترخيص والترخيص التي تنطبق على البرمجيات والتحف ذات الصلة . تشكل هذه الاهتمامات وغيرها أساس القضايا الاجتماعية والمهنية لعلوم الكمبيوتر ، وتظهر في جميع المجالات الأخرى المحددة أعلاه تقريبًا.

لذلك ، للتلخيص ، تطور تخصص علوم الكمبيوتر إلى المجالات المتميزة الخمسة عشر التالية:

  • الخوارزميات والتعقيد
  • العمارة والتنظيم
  • العلوم الحسابية
  • الرسومات والحوسبة المرئية
  • تفاعل الإنسان والحاسوب
  • إدارة المعلومات
  • أنظمة ذكية
  • الشبكات والتواصل
  • أنظمة التشغيل
  • الحوسبة المتوازية والموزعة
  • التطوير القائم على المنصات
  • لغات البرمجة
  • ضمان الأمن والمعلومات
  • هندسة البرمجيات
  • القضايا الاجتماعية والمهنية

تستمر علوم الكمبيوتر في امتلاك جذور رياضية وهندسية قوية. يتم تقديم برامج درجة البكالوريوس والماجستير والدكتوراه في علوم الكمبيوتر بشكل روتيني من قبل المؤسسات الأكاديمية لما بعد المرحلة الثانوية ، وتتطلب هذه البرامج من الطلاب إكمال دورات الرياضيات والهندسة المناسبة ، اعتمادًا على مجال تركيزهم. على سبيل المثال، يجب على جميع التخصصات علوم الكمبيوتر الجامعية دراسة الرياضيات المنفصلة (المنطق، التوافقية ، والابتدائية نظرية الرسم البياني ). تتطلب العديد من البرامج أيضا الطلاب لدورات كاملة في حساب التفاضل والتكامل ، الإحصاءات ، التحليل العددي ، والفيزياء، ومبادئ الهندسة في وقت مبكر في دراستهم.