سونوگرافی فراصوتی
سونوگرافی فراصوتی
سونوگرافی فراصوتی یکی از روش‌های تشخیص بیماری در پزشکی است. به این روش اکوگرافی، پژواک‌نگاری و صوت‌نگاری نیز گفته می‌شود. این روش بر مبنای امواج فراصوت و برای بررسی بافت‌های زیرجلدی مانند عضلات، مفاصل، تاندون‌ها و اندام‌های داخلی بدن و ضایعات آنها پی ریزی شده‌است. سونوگرافی در حاملگی نیز کاربردهای وسیعی دارد. همچنین امروزه سونوگرافی کاربردهای درمانی نیز دارد.






ریشه لغوی

کلمه سونوگرافی از لفظ لاتین sono به معنی صوت و نیز graphic به معنی شکل و ترسیم گرفته شده و ultrasound از ultra به معنی ماورا و نیز sound به معنی صوت یا صدا گرفته شده‌است.






تاریخچه

در سال ۱۸۷۶ میلادی، فرانسیس گالتون برای اولین بار پی به وجود امواج فراصوت برد. در زمان جنگ جهانی اول کشور انگلستان برای کمک به جلوگیری از غرق شدن کشتی‌هایش توسط زیردریاییهای کشور آلمان در اقیانوس آتلانتیک شمالی دستگاه کشف کننده زیردریایی‌ها به کمک امواج صوتی به نام صوت‌یاب (Sonar) ابداع کرد. این دستگاه امواج فراصوت تولید می‌کرد که در پیدا کردن مسیر کشتیها استفاده می‌شد. این تکنیک در زمان جنگ جهانی دوم تکمیل گردید و بعدها بطور گسترده‌ای در صنعت این کشور برای آشکار سازی شکافها در فلزات و سایر موارد مورد استفاده قرار می‌گرفت. از کاربرد بخصوصی که انعکاس صوت در جنگ و صنعت داشت صوت‌یاب به علم پزشکی وارد شد و تبدیل به یک وسیله تشخیصی بزرگ در علم پزشکی گردید.






سیر تحولی در رشد

نخستین دستگاه تولید کننده امواج فراصوت در پزشکی، در سال ۱۹۳۷ میلادی توسط دوسیک اختراع شد و روی مغز انسان آزمایش شد. اگر چه فراصوت در ابتدا فقط برای مشخص کردن خط وسط مغز بود، اکنون بصورت یک روش تشخیصی و درمانی مهم درآمده و پیشرفت روز به روز انواع نسلهای دستگاه‌های تولید فراصوت، تحولات عظیمی در تشخیص و درمان در علم پزشکی بوجود آورده‌است. اگرچه بر اساس آماری که در سال ۲۰۰۰ گرفته شده اولتراسوند بعلت هزینه پایین‌تر، ایمنی بیشتر، حمل و نقل آسان وامکان ارائه تصاویر زنده بیش‌ترین کاربرد را در مقایسه با سایر روشهای تصویربرداری دارد ولی بر اساس آمار به ترتیب سی. تی‌. اسکن (CT) و ام. آر. آی (MRI) و پس از آن تصویربرداری هسته‌ای به‌ویژه مقطع‌نگاری پوزیترون (PET) بیشترین کاربرد را دارند چراکه سامانه فراصوتی دارای محدودیت‌هایی نیز هست از جمله:

امواج فراصوت قابلیت عبور از استخوان را ندارند. همچنین از گاز و هوا نیز نمی‌توانند عبور کنند و بازتاب پیدا می‌کنند. بنابراین روش ایده‌آلی برای تصویربرداری از سینه، روده و معده نمی‌باشند. گازهای روده‌ای جلوی تصویربرداری از ساختمان‌های داخلی‌تر مثل پانکراس و آئورت را می‌گیرند. دیگراین‌که امواج در بافت‌ها افت کرده و به‌عنوان مثال، این مساله تصویر برداری از قلب افراد چاق را با مشکل مواجه می‌کند.






تعریف امواج فراصوت

امواج فراصوت به شکلی از انرژی از امواج مکانیکی گفته می‌شود که فرکانس آنها بالاتر از حد شنوایی انسان باشد. گوش انسان قادر است امواج بین ۲۰ هرتز تا ۲۰۰۰۰ هرتز را بشنود. هر موج (شنوایی یا فراصوت) یک آشفتگی مکانیکی در یک محیط گاز، مایع و یا جامد است که به بیرون از چشمه صوتی و با سرعتی یکنواخت و معین حرکت می‌کند. در حرکت یا گسیل موج مکانیکی، ماده منتقل نمی‌شود. اگر ارتعاش ذرات در جهت عمود بر انتشار صوت باشد، موج عرضی است که بیشتر در جامدات رخ می‌دهد و در صورتی که ارتعاش در راستای انتشار امواج باشد، موج طولی است. انتشار در بافتهای بدن به صورت امواج طولی است. از این رو در پزشکی با اینگونه امواج (بالای ۲۰٬۰۰۰ hertz) سر و کار داریم. در کاربردهای تصویر برداری پزشکی، امواج فراصوت در رنج فرکانسی ۲ تا ۲۰ مگاهرتز به کار گرفته می‌شوند. فرکانس‌های بالاتر از این میزان کاربردهای تحقیقاتی و آزمایشگاهی دارند.






روشهای تولید امواج فراصوت

روش پیزوالکتریسیته تأثیر متقابل فشار مکانیکی و نیروی الکتریکی را در یک محیط اثر پیزو الکتریسیته می‌گویند. بطور مثال بلورهایی وجود دارند که در اثر فشار مکانیکی، نیروی الکتریکی تولید می‌کنند و برعکس ایجاد اختلاف پتانسیل در دو سوی همین بلور و در همین راستا باعث فشردگی و انبساط آنها می‌شود که ادامه دادن به این فشردگی و انبساط باعث نوسان و تولید امواج می‌شود. مواد (بلورهای) دارای این ویژگی را مواد پیزو الکتریک می‌گویند. اثر پیزو الکتریسیته فقط در بلورهایی که دارای تقارن مرکزی نیستند، وجود دارد. بلور کوارتز از این دسته مواد است و اولین ماده‌ای بود که برای ایجاد امواج فراصوت از آن استفاده می‌شد که اکنون هم استفاده می‌شود.

اگر چه مواد متبلور طبیعی که دارای خاصیت پیزو الکتریسیته باشند، فراوان هستند. ولی در کاربرد امواج فراصوت در پزشکی از کریستالهایی استفاده می‌شود که سرامیکی بوده و بطور مصنوعی تهیه می‌شوند. از نمونه این نوع کریستالها، مخلوطی از زیرکونیت و تیتانیت سرب (Lead zirconat & Lead titanat) است که به شدت دارای خاصیت پیزوالکتریسیته هستند. به این مواد که واسطه‌ای برای تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی و بالعکس هستند، مبدل یا ترانسدیوسر (transuscer) می‌گویند. یک ترانسدیوسر فراصوتی بکار می‌رود که علامت الکتریکی را به انرژی فراصوت تبدیل کند که به داخل بافت بدن نفوذ و انرژی فراصوت انعکاس یافته را به علامت الکتریکی تبدیل کند.







روش مگنتو استریکسیون

این خاصیت در مواد فرومغناطیس (مواد دارای دو قطبی‌های مغناطیسی کوچک بطور خود به خود با دو قطبی‌های مجاور خود همخط شوند) تحت تأثیر میدان مغناطیسی بوجود می‌آید. مواد مزبور در این میدانها تغییر طول می‌دهند و بسته به فرکانس (شمارش زنشهای کامل موج در یک ثانیه) جریان متناوب به نوسان در می‌آیند و می‌توانند امواج فراصوت تولید کنند. این مواد در پزشکی کاربرد ندارند و شدت امواج تولید شده به این روش کم است و بیشتر کاربرد آزمایشگاهی دارد.
عملکرد دستگاه‌های تصویربرداری و تشخیص با امواج فراصوت

در سیستم‌های فراصوت، پالس‌های مکانیکی با فرکانسی در محدودهٔ فراصوت، توسط پراب مخصوص منتشر می‌گردد. این پراب‌ها دارای آرایه‌ای از فرستنده‌های فرا صوت می‌باشد. بخشی از امواج منتشر شده در محیط (در اینجا بافت‌های زیستی)، با برخورد به مرزهای دو بافت با چگالی متفاوت، دچار بازتابش (اکو) می‌گردند. میزان این بازتابش وابسته به امپدانس انتشار امواج فراصوت در دو محیط می‌باشد. اساس سیستم‌های تصویربرداری آلتراسوند، تشخیص تاخیرهای سیگنال‌های دریافتی و پالس‌های ارسال شده می‌باشد.

در کاربردهای پزشکی، امواج فراصوت با فرکانس‌هایی در رنج ۱ مگاهرتز الی ۱۸ مگاهرتز، به کار گرفته می‌شود. فرکانس‌های بالا نیاز به فرستنده‌هایی با ابعاد کوچک‌تر داشته و با توجه به کوتاه تر شدن طول موج، امکان دستیابی به رزولوشن بالاتر را فراهم می‌آورد، اما با این وجود، میزان تضعیف سیگنال در محیط انتشار، با افزایش فرکانس، افزایش می‌یابد. به همین دلیل رنج فرکانس معمول ۳ الی ۵ مگاهرتز می‌باشد.

برای تشخیص سرعت سیالات، مانند سرعت جریان خون، می‌توان از اثر داپلی نیز بهره برد. با توجه به اثر دوپلر حرکت سیال موجب ایجاد شیفت فرکانسی در امواج بازتابیده شده می‌شود. میزان این شیفت فرکانس وابسته به اندازه و جهت سرعت می‌باشد.

با افزایش فرکانس، الگوی تابش فرستنده به حالت ایزوتروپیک نزدیک می‌گردد. برای متمرکز نمودن پالس‌های ارسالی در یک راستا و حتی یک نقطه خاص می‌بایست از پراب‌های آرایه فازی، استفاده نمود. این پراب‌ها شامل چندین فرستنده/گیرنده پیزوالکتریک بر روی خود می‌باشند که می‌توان به صورت یک ردیف (یک بعدی) و یا چندین ردیف (دو بعدی) کنار هم چیده شده باشند. در حالت پسیو، می‌توان چیدمان این المان‌ها را به نحوی طراحی نمود که لوب اصلی الگوی تابش آنتن در یک راستای خاص متمرکز گردد.
در حالت اکتیو فاز، با ایجاد تاخیرهای کنترل شده، در پالس‌های ارسالی توسط هر المنت، می‌توان جهت لوب اصلی را نیز بدون تغییر موقعیت مکانیکی فرستنده، تغییر داد. در فرستنده‌های آرایه فازی دو بعدی اکتیو، امکان فوکوس کردن در یک نقطه خاص نیز فراهم می‌آید. این خصوصیت امکان ایجاد تصاویر دو بعدی و سه بعدی را بدون تغییر دادن مکان پراب، فراهم می‌آورد.






کاربرد امواج فراصوت

۱. کاربرد تشخیصی (سونوگرافی)

2. بیماریهای زنان و زایمان (Gynecology) مانند بررسی قلب جنین، اندازه‌گیری قطر سر (سن جنین)، بررسی جایگاه اتصال جفت و محل ناف، تومورهای پستان. 3. بیماریهای مغز و اعصاب(Neurology) مانند بررسی تومور مغزی، خونریزی مغزی به صورت اکوگرام مغزی یا اکوانسفالوگرافی.

4. بیماریهای چشم (ophthalmology) مانند تشخیص اجسام خارجی در درون چشم، تومور عصبی، خونریزی شبکیه، اندازه‌گیری قطر چشم، فاصله عدسی از شبکیه.

5. بیماریهای کبدی (Hepatic) مانند بررسی کیست و آبسه کبدی.

6. بیماری‌های قلبی (cardiology) مانند بررسی اکوکاردیوگرافی.

۷. دندانپزشکی مانند اندازه‌گیری ضخامت بافت نرم در حفره‌های دهانی. و نیز کاربردهای درمانی آن مانند جرم گیری لثه

۸. این امواج به علت اینکه مانند تشعشعات یونیزان عمل نمی‌کنند. بنابراین برای زنان و کودکان بی‌خطر هستند. ۹. همچنین برای تصویربرداری از سینه هااستفاده می‌شود. ۱۰. رزولوشن بالایی از این روش، برای تصویربرداری از بافتهای سطحی و سلولهای نزدیک سطح پوست استفاده می‌شود. کاربرد درمانی (سونوتراپی): ۱. در فیزیوتراپی جهت کاهش درد و التهاب و همچنین انعطاف‌پذیری بافت‌ها از اولترا سوند استفاده می‌گردد.

۲. کاربرد گرمایی 11. تزریق بدون جراحت با جذب امواج فراصوت به‌وسیله بدن بخشی از انرژی آن به گرما تبدیل می‌شود. گرمای موضعی حاصل از جذب امواج فراصوت بهبودی را تسریع می‌کند. قابلیت کشسانی کلاژن (پروتئینی ارتجاعی) را افزایش می‌دهد. کشش در جوشگاه‌های زخم (scars) افزایش می‌دهد و باعث بهبود آنها می‌شود. اگر اسکار به بافتهای زیرین خود چسبیده باشد، باعث آزاد شدن آنها می‌شود. گرمای حاصل از امواج فراصوت با گرمای حاصل از گرمایش متفاوت است.







میکروماساژ مکانیکی

به هنگام فشردگی و انبساط محیط، امواج طولی فراصوتی روی بافت اثر می‌گذارند و باعث جابجایی آب میان بافتی و در نتیجه باعث کاهش ورم (تجمع آب میان بافتی در اثر ضربه به یک محل) می‌شوند.

درمان آسیب تازه و ورم:آسیب تازه معمولاً با ورم همراه است. فراصوت در بسیاری از موارد برای از بین بردن مواد دفعی در اثر ضربه و کاهش خطر چسبندگی بافتها بهم بکار می‌رود.

درمان ورم کهنه یا مزمن: فراصوت چسبندگیهایی که میان ساختمانهای مجاور ممکن است ایجاد شود را می‌شکند.






خطرات فراصوت
جستجو در ویکی‌انبار در ویکی‌انبار پرونده‌هایی دربارهٔ سونوگرافی فراصوتی موجود است.






سوختگی

اگر امواج پیوسته و در یک مکان بدون چرخش بکار روند، در بافت باعث سوختگی می‌شود و باید امواج حرکت داده شوند.






پارگی کروموزومی

استفاده دراز مدت از امواج اولتراسوند با شدت خیلی بالا پارگی در رشته دی ان ای (DNA) را نشان می‌دهد.






ایجاد حفره

یکی از عوامل کاهش انرژی امواج اولتراسوند هنگام گذشتن از بافتهای بدن ایجاد حفره یا کاویتاسیون است. همه محلولها شامل مقدار قابل ملاحظه‌ای حبابهای گاز غیر قابل دیدن هستند و دامنه بزرگ نوسانهای امواج اولتراسوند در داخل محلولها می‌تواند بر روی بافتها تغییرات بیولوژیکی ایجاد کند (پارگی در دیواره یاخته‌ها و از هم گسستن مولکولهای بزرگ).






عایق صوتی

هر وسیله‌ای برای کاهش فشار صوتی با توجه به صدای منبع و گیرنده را عایق صوتی (به انگلیسی: Soundproofing) می‌گویند.

چندین روش اساسی برای کاهش صدا وجود دارد: افزایش فاصله بین منبع و گیرنده، با استفاده از موانع سر و صدا برای منعکس یا جذب انرژی از امواج صوتی است، با استفاده از سازه‌های میرایی مانند تیغه‌های صوتی، و یا با استفاده از عایق‌های صوتی.







فواید استفاده از عایق صوتی

بهبود صدا در یک اتاق (اتاق بدون پژواک)
کاهش نشت صدا به / از اتاق مجاور و یا خارج از منزل
آکوستیک آرام بخش
کاهش سر و صدا
کنترل سر و صدا
محدود کردن سر و صدای ناخواسته


عایق صوتی می‌تواند از امواج صوتی ناخواسته غیر مستقیم مانند سرکوب بازتاب که باعث پژواک جلوگیری کند عایق صوتی می‌تواند انتقال امواج ناخواسته صدای مستقیم از منبع به شنونده غیر ارادی از طریق کاهش استفاده از فاصله و دخالت اشیاء در مسیر صدا مسیر سازد




روشهای ساده عایقکاری صوتی


1. بستن منافذ ورود و خروج هوا. هر منفذی که هوا بتواند از آن عبور کند،صدا را هم می تواندانتقال دهد. کلیه منافذ موجود در سقفها و دیوارهانظیر اطراف جعبه تقسیم های برق، کانالها و داکتها ،سیم ها و هرجایی راکه شیئی از داخل دیوار یا سقف عبور می کند با بتونه یا فوم پلی اورتان درزگیری نمایید.

2. جلوگیری از ایجاد "کانالهای عبور صدا " در دیوارها. هنگام ساخت بناهای جدید ، کلیدهای برق و دریچه های هوا را در داخل دیوارمشترک دو فضا ، پشت به پشت هم قرار ندهید.

3. اجتناب از استفاده از مصالح سخت. زیرا اینگونه مصالح ,صوت را به آسانی ازیک مکان به مکان دیگر انتقال می دهند.

4. استفاده از یک لایه انعطاف پذیرنظیر فوم منبسط شونده ، جهت جدا نمودن لوله ها از غلافها یا سوراخهایی که از آن عبور می کنند.

5. استفاده از عایق صوتی در دیوارهای ساختمانهای جدید جهت جلوگیری ازانتقال صدا بین اتاقهای مجاور. به منظور جلوگیری از انتقال صدای نامطلوب جریان سریع آب به هنگام تخلیه فلاش تانک توالت، لوله های پلاستیکی تخلیه آب را عایق بندی کنید.

6. استفاده از وسایل خانگی آرامتر، حتی اگر گرانتر از موارد مشابه پرصداتر باشند.

7. جدا نمودن تجهیزات صدادار از محلهای استراحت. استفاده از اطاقهای مجزای مجهز به عایق های صوتی می تواند ایده خوبی درطراحی منزل باشد. بکارگیری درهای مجهز به عایق بین کلیه فضاها ، به مقدار قابل ملاحظه ای از انتقال صدا در خانه جلوگیری می کند.

8. استفاده از مصالح جاذب صدا در کفها، دیوارها و سقفها. عایقهای صوتی به مانند موکت می توانند از عبور صدا جلوگیری نمایند. حتی الامکان ازبکارگیری کفپوشهای سخت، مانند سرامیک، بتن و چوب خودداری نمایید.









صوت‌شناسی

صوت‌شناسی یا آکوستیک یکی از شاخه‌های علم فیزیک است و موضوع آن بررسی موج های مکانیکی در گازها ، مایع ها و جامدها ،از جمله نوسان ها ، صدا ، فراصوت و فروصوت است.کاربردهای آکوستیک در بسیاری از جنبه های زندگی امروز دیده می شوند و ساده ترین نمونه آن صنایع صوتی و نیز کنترل نویز (مکانیکی)است.

واژه ی آکوستیک برگرفته از ریشه ی یونانی ακουστικός ، به معنای "برای و از شنوایی" و نیز از ἀκουστός به معنای قابل شنیدن است.






تاریخچه

از نظر اهمیتی که آکوستیک یا علم صدا دارا می‌باشد می‌توان انتظار داشت که این موضوع در تاریخ علوم فیزیک جزو مطالب اساسی به شمار رفته باشد، در صورتی که چنین چیزی نیست، زیرا در قبال تاریخ سایر علوم، تاریخ آکوستیک قسمت از قلم افتاده و مهجوری بیش نیست. یکی از دلایل این مهجوریت تاریخی این است که نظریه اساسی اصلی راجع به انتشار و اخذ صوت از زمانهای بسیار قدیم در تحولات فکر بشری پیدا شده و اسلوب این فکر همان است که امروزه مورد قبول ماست.






تولید صوت

وقتی که به یک جسم جامد ضربه وارد می‌سازیم، تولید صدا می‌کند. تحت بعضی از شرایط صدای حاصل، بگوش انسان خوش آیند و مطبوع است و این در واقع اساس پیدایش علم موسیقی است که سالیان دراز قبل از تاریخ ضبط صوت، موجود بوده است، اما موسیقی، قرنها قبل از نظر علمی مورد تحقیق قرار گیرد، جزو صنایع ظریفه محسوب می‌گردید. این مطلب مورد قبول عموم است که اولین فیلسوف یونانی که مبنای موسیقی را برسی نموده است. فیثاغورث می‌باشد که ۶ قرن قبل از میلاد زندگی می‌کرده است.
page1 - page2 - page3 - page4 - page5 - page7 - page8 - | 1:11 am
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 ورودی‌هایی خام گفته می‌شود که برای پردازش به رایانه ارسال می‌شوند.

اطّلاعات به داده‌های پردازش شده 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.
ساعت : 1:11 am | نویسنده : admin | مطلب قبلی | مطلب بعدی
کاسپین کامپیوتر | next page | next page