วันเสาร์ที่ 8 มิถุนายน พ.ศ. 2556

ใบความรู้ที่1

               ใบความรู้ที่ 1
ความเป็นมาของเครื่องคำนวณยุคต่างๆ

             1.1  การนับเลขและเครื่องมือช่วยคิดเลขยุคโบราณ

             วิวัฒนาการทางสติปัญญาของมนุษย์เหนือกว่าสัตว์โลกชนิดอื่นๆ  สิ่งสำคัญที่สุดอย่างหนึ่งอยู่ที่ความสามารถในการคิดเลข   ซึ่งเริ่มมาจากความสามารถในการนับจำนวนสิ่งของต่างๆในระยะแรกเป็นการนับสิ่งของจำนวนไม่มากนัก  เช่น  ไม่เกินสิบสิ่ง  มนุษย์ซึ่งมีนิ้วมือ  10  นิ้วก็สามารถใช้นิ้วเป็นเครื่องมือช่วยในการนับได้  ต่อมาเมื่อมีความจำเป็นต้องนับสิ่งของในจำนวนที่มากขึ้น  จึงหาวิธีสร้างเครื่องมืออื่นมาช่วย  เช่น  ใช้กิ่งไม้มามัดรวมกัน  มัดละ  10  อัน  ถ้ามี  มัดกับเศษอีก  3  อัน   ก็นับได้  (53)  ในเวลาต่อมา  วิธีนี้ได้พัฒนาไปอีกขั้นหนึ่ง  เป็นการใช้กิ่งไม้เพียง  อัน  สำหรับนับจำนวนไม่เกินสิบ  แล้วใช้ก้อนหินสีขาว  1  ก้อน  แทนกิ่งไม้  10  อัน  กับใช้หินสีดำ  1  ก้อนแทนก้อนหินสีขาว  10  ก้อน  ดังนั้น  ถ้ามีก้อนหินสีดำ  4  ก้อนหินสีขาว  ก้อน  กันกิ่งไม้  3  อัน  จำนวนที่นับได้จะเป็นสี่ร้อยห้าสิบสาม  (453)  วิธีการนี้สามารถขยายขอบเขตเพิ่มขึ้นได้เรื่อยๆตราบเท่าที่สามารถหาก้อนหินสีต่างกันหรือวัตถุอื่นมาแทนจำนวนที่สูงขึ้นๆทีละสิบเท่าได้  นี่คือต้นกำเนิดของระบบเลขฐานสิบ  ซึ่งเป็นระบบเลขที่คนเราใช้คิดคำนวณกันในปัจจุบัน
          หลักการพื้นฐานของระบบเลขฐานสิบอยู่ที่การกำหนดค่าน้ำหนักของเลขแต่ละหลักที่เพิ่มขึ้นทีละสิบเท่าจากหลักขวาสุดไปทางซ้าย  เช่น  ถ้าเราเขียนตัวเลข  12453  ตัวเลขชุดนี้จะมีความหมายแทนจำนวน  หนึ่งหมื่นสองพันสี่ร้อยห้าสิบสาม  ซึ่งเป็นค่าผลรวมของจำนวนที่แทนตัวเลขแต่ละหลัก  ดังแสดงในตาราง 

ตาราง หลักการพื้นฐานของระบบเลขฐานสิบ
   
ชื่อหลัก
หลักหมื่น
หลักพัน
หลักร้อย
หลักสิบ
หลักหน่วย
ผลรวม
ค่าน้ำหนัก
×10000
×1000
×100
×10
×1

ตัวเลข
1
2
4
5
3

จำนวนแทนที่
10000
2000
400
50
3
12453
           ลูกคิดเป็นเครื่องมือช่วยคิดเลขยุคโบราณที่อาศัยหลักการพื้นฐานของระบบเลขฐานสิบ  ลูกคิดที่พ่อค้าชาวจีนยังใช้กันมาจนถึงวันนี้  มีกำเนิดในประเทศจีน  ประมาณ
คริสตศักราช  1200  ลูกคิดเป็นเครื่องมือที่ใช้ช่วยในการคำนวณ  แต่ยังไม่ถือว่าเป็นเครื่องคำนวณหรือเครื่องคิดเลขเพราะการคำนวณหรือการคิดเลขนั้นเกิดขึ้นในสมองของผู้ใช้ลูกคิด

1.2  เครื่องคิดเลขแบบกลไก  (Mechanical  Calculator

  อาศัยการทำงานของฟันเฟืองที่ทดรอบในอัตราสิบต่อหนึ่งไปขับเครื่องวงล้อที่แสดงตัวเลขของแต่ละหลัก  ซึ่งเป็นหลักการเดียวกับที่ใช้ในเครื่องนับจำนวนแบบใช้มือกด ส่วนประกอบที่สำคัญของเครื่องนับจำนวนแบบนี้คือวงล้อที่มีตัวเลข 0-ซึ่งมีจำนวนเท่ากับจำนวนหลัก  ทุกครั้งที่กดเพี่อนับวงล้อทางขวาสุด (หลักหน่วย) จะถูกกลไกผลักให้เลื่อนไป 1 ตำแหน่ง ตัวเลขที่ปรากฏให้เห็นทางหน้าต่างจึงเพิ่มขึ้น  1  และเมื่อใดก็ตามที่มีการเปลี่ยนตัวเลขจาก  9 เป็น  ของหลักใดกลไกจะผลักวงล้อของหลักถัดไปทางซ้ายให้เพิ่มขึ้น  1 เป็นการทดข้ามหลักนั่นเอง
เครื่องคิดเลขแบบกลไก  มีส่วนประกอบคล้ายกับมีเครื่องนับจำนวนอยู่  2  เครื่อง  
โดยแต่ละเครื่องจะมีกลไกเพิ่มเติมให้สามารถตั้งค่าตัวเลขได้  ตัวเลขที่ตั้งค่าลงในเครื่องนับจำนวนเครื่องที่  เรียกว่า  ตัวตั้ง  ส่วนตัวเลขที่ตั้งค่าตัวเลขลงในเครื่องนับจำนวนเครื่องที่  เรียกว่า  ตัวทำการ สมมติเราตั้งค่าตัวตั้งเป็น  0023  และตั้งค่าตัวทำการเป็น  0012  เราจะทำการบวกโดยการโยกก้านโยกไปข้างหน้าหลายๆครั้ง  ทุกครั้งที่เราโยกก้านโยกไปข้างหน้า ครั้งเลขตัวตั้งจะเพิ่มขึ้น 1 ส่วนเลขตัวทำการจะลดลง  เราโยกก้านโยกจนกระทั่งตัวทำการลดลงเป็น 0000  ก็จะพบว่าเลขตัวตั้งอ่านได้เป็น  0035  ซึ่งก็คือผลลัพธ์ของการนำ  0012  ไป  บวกกับ 0023  นั่นเอง   หากต้องการทำการลบ  ก็สามารถทำได้  แต่ต้องปรับทิศทางของการทำงานของตัวตั้งให้เป็นการนับถอยหลัง  กล่าวคือ  ทุกครั้งที่เราโยกก้านโยกไปข้างหน้า  1  ครั้ง ตัวตั้งจะลดลง  1  และตัวทำการก็จะลดลงเราโยกก้านโยกจนกระทั่งตัวทำการลดลงเป็น  0000  ก็จะพบว่าตัวตั้งอ่านได้เป็น  0011  ซึ่งก็คือผลลัพธ์ของการนำ  0012  ไปลบออกจาก  0023  นั่นเอง  เครื่องคิดเลขแบบกลไกรุ่นหลังๆ จะมีมอเตอร์ทำงานแทนการโยกก้านโยกด้วยมือ  และบางรุ่นสามารถคำนวณการคูณและการหารได้ด้วย

1.3   การนับจำนวนในระบบเลขฐานสอง
ถึงแม้ว่าในชีวิตประจำวันเราจะใช้ฐานสิบ ซึ่งสันนิษฐานกันว่าเกิดจากการที่คนเรามีสิบนิ้วและมนุษย์ เริ่มเรียนรู้การนับจากการนับนิ้วมือ  แต่ในการทำงานของระบบคอมพิวเตอร์นั้น  ระบบเลขฐานสิบเป็นระบบที่ยุ่งยาก  ระบบที่ง่ายที่สุดคือระบบเลขฐานสอง  เพราะวงจรไฟฟ้ามีสองสถานะเท่านั้น  คือ  วงจรปิด (มีกระแสไหล)  กับวงจรเปิด (ไม่มีกระแสไหล) เราอาจแทนสถานะทั้งสองด้วยตัวเลข 2 ตัวคือ  0  กับ 1 ระบบนี้เราเรียกว่า  ระบบเลขฐานสอง  เพราะมีตัวเลข  2 ตัว (เทียบกับระบบเลขฐานสิบ ซึ่งมีตัวเลข 0-รวม 10 ตัว)   การนับในระบบเลขฐานสองในแต่ละหลักเป็นการนับ 0-1 แล้ววนกลับมาเริ่มต้นใหม่ที่ 0
          ถ้าเทียบกับการนับเลขฐานสิบแล้ว จะพบว่าการนับเลขฐานสองต้องใช้จำนวนหลักมากกว่าเพื่อที่จะนับในจำนวนที่เท่ากัน  ทั้งนี้เพราะเลขฐานสองหลักเดียวนับได้ตั้งแต่ 0 ถึง  1 เท่านั้น  ถ้าใช้สองหลักจะนับจำนวนสูงสุดได้เท่ากับ 3 ฯลฯ  ดังแสดงในตาราง

ตาราง จำนวนหลักที่ใช้กับจำนวนสูงสุดที่นับได้สำหรับกรณีเลขฐานสิบเทียบกับเลขฐานสอง

จำนวนหลักที่ใช้
จำนวนสูงสุดที่นับได้
ฐานสิบ
ฐานสอง
1
9
1
2
99
3
3
999
7
4
9;999
15
5
99;999
31
6
999;999
63
7
9;999;999
127
8
99;999;999
255
9
999;999;999
511


          แม้ว่าระบบเลขฐานสองจะมีข้อเสียเปรียบคือต้องใช้จำนวนหลักมาก  แต่ความง่ายในการสร้างวงจรอิเล็กทรอนิกส์มาทำหน้าที่นับเลขฐานสองนั้นเป็นข้อได้เปรียบอย่างมาก  จึงทำให้ระบบเลขฐานสองเป็นระบบที่ถูกนำมาใช้ในการทำงานของคอมพิวเตอร์

ตารางแสดงการเขียนจำนวนในระบบฐานสองเทียบกับระบบฐานสิบ  (ในช่วง 1-5) เพื่อให้นักเรียนได้เกิดความคุ้นเคยกับระบบเลขฐานสองมากขึ้น
ตารางแสดง จำนวนเลขในระบบฐานสองเทียบกับระบบฐานสิบ (ในช่วง 1-15)
                                                                            
ฐานสิบ
ฐานสอง
0
0
1
1
2
10
3
11
4
100
5
101
6
110
7
111
8
1000
9
1001
10
1010
11
1011
12
1100
13
1101
14
1110
15
1111
ที่มา :  ถวัลย์วงศ์   ไกรโรจนานันท์ , รศ.ดร และคณะ.  หนังสือเรียนสาระการเรียนรู้
         พื้นฐานและเพิ่มเติม กลุ่มสาระการเรียนรู้ การงานพื้นฐานอาชีพ  ช่วงชั้นที่ 3 
         เทคโนโลยีสารสนเทศ. กรุงเทพฯ : สำนักพิมพ์แม็ค จำกัด

1.4  ความสัมพันธ์ระหว่างระบบเลขฐานสองกับระบบดิจิทัล


รูปแสดงคลื่นแรงดันไฟฟ้าระบบดิจิตอล

ระบบดิจิทัลที่ใช้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่  เป็นระบบที่ทำงานด้วยแรงดันไฟฟ้า
สองระดับ  ซึ่งต่างกับระบบแอนะล็อกดั้งเดิม  ที่ทำงานโดยอาศัยการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง  เช่น  คลื่นไฟฟ้าในสายโทรศัพท์บ้านเป็นต้น  ตามรูปจะเห็นว่าขนาด (Amplitude)  ของคลื่นในแต่ละช่วงเวลาจะเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง  ส่วนรูปร่างเป็นรูปคลื่นของระบบดิจิทัล  รูปที่นำมาแสดงเป็นรุปคลื่นที่มาจากวงจรนับ(Counter) ซึ่งมี 3 ส่วนด้วยกัน คือ ส่วนสัญญาณนาฬิกา (CLK)  ส่วนตั้งค่าเริ่มต้น (RESET) และส่วนแสดงผลการนับ (SYNCOUT) ตามรูปจะเห็นว่าทั้ง 3 ส่วนเป็นแรงดันไฟฟ้าที่มีเพียง  2 ระดับเท่านั้น  และการเปลี่ยนแปลงแรงดันจากระดับต่ำไปสูงหรือจากระดับสูงไปต่ำจะเป็นการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหัน
          เนื่องจากระบบดิจิทัลทำงานโดยอาศัยแรงดันไฟฟ้าสองระดับ  เราจึงสามารถใช้ระบบเลขฐานสอง (0 กับ 1 ) แทนแรงดันไฟฟ้าสองระบบนั้น  ดังนั้น  เมื่อเราสร้างคอมพิวเตอร์ด้วยวงจรอิเล็กทอนิกส์ระบบดิจิทัล  อาจกล่าวได้ว่าคอมพิวเตอร์ทำงานด้วยระบบเลขฐานสอง  นั่นคือคอมพิวเตอร์จะใช้เพียง 0 กับ 1 เท่านั้นในการทำงาน แต่เนื่องจากคอมพิวเตอร์จะต้องคำนวณเลขที่มีค่ามาก  หรือต้องจัดการกับข้อมูลจำนวนมาก เลขฐานสองที่ใช้จึงต้องมีจำนวนหลักมากจำนวนหลักของเลขฐานสองนี่เองที่เราเรียกว่า บิต (bit) ยกตัวอย่างเลขฐานสองที่ใช้เป็นรหัสแทนตัวอักษรต่างๆบนแป้นพิมพ์ของคอมพิวเตอร์นั้น  เป็นเลขฐานสองขนาด 8 บิต  กล่าวคือมี  8  หลัก เช่น อักษร “A”  แทนด้วย  0100  0001  อักษร “Z”  แทนด้วย  0101  1010   เป็นต้น


ไม่มีความคิดเห็น:

แสดงความคิดเห็น