في أواخر الأربعينيات من القرن الماضي – عندما كان مهندسو الكمبيوتر يتصارعون مع أجهزة غير موثوقة وبيئات نقل صاخبة – واجه فريق من المهندسين داخل مختبر متواضع في جامعة مانشستر بإنجلترا، مشكلة جوهرية للغاية لدرجة أنها هددت جدوى الحوسبة الرقمية نفسها. يمكن للآلات توليد البتات، لكنها لا تستطيع قراءتها بشكل موثوق.
لم تكن القراءة غير المتسقة لبيانات الذاكرة تمثل في البداية تحديًا نظريًا كبيرًا. لقد ظهر كشيء أكثر دنيوية: نتائج حوسبة غير متناسقة.
قام المهندسون، ومن بينهم فريدريك سي ويليامز، وتوم كيلبورن، وجي إي (تومي) توماس بتتبع الإخفاقات ليس إلى الأخطاء المنطقية، بل إلى السلوك المادي للآلات نفسها. ابتكر الفريق تقنية للحفاظ على تزامن جهاز الإرسال وجهاز الاستقبال دون الاعتماد على إشارة ساعة منفصلة. ابتكارهم المعروف باسم كود مانشستر أو ترميز المرحلة، تم تشفير كل بتة بانتقال في منتصف فترة البت، مما أدى بشكل فعال إلى تضمين معلومات التوقيت مباشرة في تدفق البيانات لتكون إشارة تسجيل ذاتي. لذلك، حتى لو تدهورت الإشارة أو انحرف التوقيت قليلاً، يمكن للمستقبل الاحتفاظ بالوقت باستمرار بناءً على تلك التحولات المنتظمة.
ومن خلال التخلص من الحاجة إلى ساعات منفصلة وتقليل أخطاء المزامنة، جعل كود مانشستر نقل البيانات أكثر قوة عبر الكابلات والدوائر.
هذه الصفات جعلته لاحقًا مناسبًا بشكل طبيعي لتقنيات مثل Ethernet وأنظمة تخزين البيانات المبكرة. وساعدت طبيعة تسجيل الوقت الذاتي في توحيد كيفية تواصل الأجهزة، ووضعت الأساس لبروتوكولات الشبكات والاتصالات الرقمية الحديثة.
وفي 13 أبريل 2026، تم تكريم هذا الإنجاز بلوحة IEEE Milestone خلال حفل أقيم في جامعة مانشستر. وحضر الحفل شخصيات بارزة من IEEE والجامعة.
تضمين التوقيت في الإشارات
كان مهندسو جامعة مانشستر في الأربعينيات يعملون على أنظمة غذت جهاز Manchester Mark I، وهو أحد أول الآلات العملية للبرامج المخزنة.
وعندما حدثت مشكلات، استخدموا راسمات الذبذبات لفحص الإشارات. ووجدوا أن النبضات الكهربائية لم تصل في توقيت ثابت. كما أصبحت إشارات الذاكرة غير واضحة بمرور الوقت، مما يجعل قراءتها أكثر صعوبة، وعندما تحدث فترات طويلة من البتات المتطابقة، يصبح شكل الموجة مسطحًا إلى امتدادات دون أي انتقالات.
وقد أدى ذلك إلى رؤية بالغة الأهمية: لم تكن المشكلة مجرد اكتشاف ما إذا كانت الإشارة مرتفعة أم منخفضة؛ فقد النظام أيضًا مسار أخذ عينات من الإشارة. بدون علامات توقيت موثوقة، حتى الإشارات التي تم تشكيلها بشكل صحيح كانت تخطئ في القراءة. من الممكن أن يتم فقدان البتات أو حسابها بشكل خاطئ بسبب فشل النظام في المزامنة.
في البداية، حاول المهندسون ترويض الأجهزة. لقد جربوا دوائر التثبيت وتوليد نبضات أكثر اتساقًا، في محاولة لفرض إيقاع منتظم على نظام غير مستقر بطبيعته. لكن الإصلاحات كانت هشة، ولم تتمكن الأجهزة الإلكترونية في ذلك الوقت من الحفاظ على الدقة المطلوبة. لذلك اتخذت مجموعة مانشستر نهجا مختلفا.
إذا لم تتمكن الأجهزة من توفير ساعة يمكن الاعتماد عليها، فسيتعين على الإشارة نفسها أن تحمل واحدة. بدلاً من تمثيل البيانات كمستويات ثابتة، تغير كل بت حالته، مع انتقال مضمون في المنتصف.
أدى تضمين التوقيت في الإشارة إلى تقليل السلوك غير المنتظم. أصبحت الآلات فجأة قادرة على نقل البيانات وتخزينها وقراءتها بشكل موثوق، وهي خطوة أساسية نحو الحوسبة العملية للبرامج المخزنة.
جعل الإشارات لا لبس فيها
تناول قانون مانشستر عدة قضايا في وقت واحد. سمحت التحولات المنتظمة بالتعافي المستمر للتوقيت. لقد ثبت أن اكتشاف التحولات أسهل من اكتشاف المستويات الثابتة، ولم تعد المدى الطويل من البتات المتطابقة تنتج أشكالًا موجية مسطحة وغامضة. وبدلاً من محاربة عيوب الأجهزة الإلكترونية المبكرة، عمل التصميم معها.
من الفضول المختبري إلى المعيار العالمي
ما بدأ كحل محلي في مانشستر ساهم في تشكيل أنظمة الاتصالات الرقمية لعقود من الزمن، بما في ذلك تقنية الإيثرنت المبكرة، والتي كان التوقيت والاتصال عبر الوسائط المشتركة يمثلان تحديًا رئيسيًا لها.
وفقًا لروبرت ميتكالف، عضو الفريق الذي بنى أول نظام إيثرنت في شركة Xerox PARC في عام 1973، فقد اعتمد هو وزملاؤه على كود مانشستر.
يقول ميتكالف: “حل كود مانشستر مشكلة أساسية بالنسبة لنا: التوقيت”، موضحًا أن كل بت يحمل ساعته الخاصة ويزيل الحاجة إلى إشارة متزامنة عالمية.
لم تكن خاصية تسجيل الوقت الذاتي هذه هي الميزة الوحيدة التي يوفرها نظام التشفير. على كابل متحد المحور مشترك، كان تشفير مانشستر يفعل أكثر من مجرد توفير التوقيت. ترك كل جهاز إرسال واستقبال الوسيط بدون تشغيل – “متوقف” فعليًا – في معظم الأوقات، مما يسمح للحزم من الأجهزة الأخرى بالمرور دون تدخل. حتى أثناء الإرسال، قامت المحطة بنقل الإشارة حوالي نصف الوقت تقريبًا، تاركة الخط بدون تشغيل خلال النصف الآخر من كل دورة بت.
هذا التمييز – بين الإشارة الموجهة والخط غير المشغّل، بدلاً من 1 و0 البسيطة – سمح لأجهزة الاستقبال باستعادة كل من البيانات وتوقيت الساعة مع مراقبة الكابل أيضًا بحثًا عن أنشطة أخرى. إذا اكتشف جهاز الإرسال والاستقبال إشارة عندما كان يتوقع عدم تشغيل الخط، فإن الإشارة تشير إلى أن محطة أخرى كانت تقوم بالإرسال في نفس الوقت. بمعنى آخر، يمكن للنظام اكتشاف الاصطدامات في الوقت الفعلي والاستجابة وفقًا لذلك.
وقد أثبتت الفكرة أنها مستدامة إلى ما هو أبعد من الشبكات المحلية. يتم استخدام كود مانشستر على متن مركبة فوييجر الفضائية، والتي تبحر الآن عبر الفضاء بين النجوم، مما يؤكد موثوقيتها في البيئات القاسية.
وقد وجد الكود أيضًا طريقه إلى الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية اليومية. تعتمد أجهزة التحكم عن بعد بالأشعة تحت الحمراء لأجهزة التلفزيون والمعدات الصوتية عادةً على كود مانشستر من خلال بروتوكولات مثل RC-5، التي طورتها شركة Philips في أوائل الثمانينيات. يقوم البروتوكول بتشفير الأوامر كإشارات أشعة تحت الحمراء موقوتة يتم إرسالها عن طريق الدائرة المتكاملة للهاتف ومؤشر LED، مما يسمح للأجهزة بتفسير ضغطات الأزرار بشكل موثوق حتى من خلال الضوضاء وتشويه الإشارة. وقد تبنى المصنعون في جميع أنحاء أوروبا – والعديد منهم في الولايات المتحدة – هذا النهج، حيث قاموا بتوسيع كود مانشستر إلى المنزل.
لماذا يهم المعلم
تعترف تسمية IEEE Milestone بالتقنيات ذات التأثير الدائم. كود مانشستر مؤهل لأنه حل مشكلة توقيت أساسية في لحظة حرجة في تاريخ الحوسبة.
وبدون وسيلة لتضمين التوقيت في البيانات نفسها، لظلت الأنظمة الرقمية المبكرة هشة وغير موثوقة. وقد ساعد كود مانشستر في تحويلها إلى آلات يمكن الاعتماد عليها، كما مكن الكثير من الاتصالات الرقمية اليوم.
“لقد حل كود مانشستر مشكلة أساسية بالنسبة لنا: التوقيت” —روبرت ميتكالف، مخترع شبكة إيثرنت
وكان من بين المشاركين الرئيسيين في حفل تكريس اللوحة توم كوجلينم رئيس IEEE 2024؛ دنكان إيفيسون، رئيس جامعة مانشستر ونائب المستشار، ونغم سعيد، رئيس قسم IEEE في المملكة المتحدة وإيرلندا.
أبرزت المحادثات التي أجراها كيس شوهامر إيمينك (الحائز على وسام الشرف من IEEE لعام 2017 والذي اشتهر بعمله الذي جعل الأقراص المضغوطة وغيرها من الوسائط الرقمية عالية الكثافة عملية) وبيتر جرين (نائب عميد كلية الهندسة في مانشستر) التأثير الدائم للكود على تخزين البيانات الرقمية والاتصالات.
تقول لوحة IEEE Milestone الخاصة بكود مانشستر:
“في هذا الموقع في 1948-1949، تم اختراع كود مانشستر لتشفير البيانات الرقمية المخزنة على الأسطوانة المغناطيسية لجهاز كمبيوتر مانشستر مارك الأول. أصبح معيارًا للأشرطة المغناطيسية للكمبيوتر والأقراص المرنة وتم استخدامه في الاتصالات الرقمية، بما في ذلك المركبات الفضائية فوييجر 1 و2 وشبكات إيثرنت المبكرة. لقد وجد استخدامًا واسعًا في وحدات التحكم عن بعد المحلية، وعلامات تحديد ترددات الراديو (RFID)، والعديد من معايير شبكات التحكم“.
يُدير برنامج Milestone، الذي يديره مركز تاريخ IEEE وبدعم من الجهات المانحة، التطورات التقنية المتميزة في جميع أنحاء العالم. قام قسم IEEE في المملكة المتحدة وأيرلندا برعاية الترشيح.
من مقالات موقعك
مقالات ذات صلة حول الويب
