Un computer, numit şi calculator, calculator electronic sau ordinator, este o maşină de prelucrat date şi informaţii conform unei liste de instrucţiuni numită program. Calculatoarele care sînt programabile liber şi pot, cel puţin în principiu, prelucra orice fel de date/informaţii se numesc universale (engleză: general purpose, pentru scopuri generale). Ştiinţa prelucrării informaţiilor cu ajutorul computerelor se numeşte informatică. Computerele actuale nu sînt doar maşini de prelucrat informaţii, ci şi dispozitive care facilitează comunicarea respectivelor informaţii între doi sau mai mulţi utilizatori, de exemplu sub formă de numere, text, imagini, sunet sau video.
În principiu, orice computer care deţine un anumit set minimum de funcţii (altfel spus, care poate emula o maşină Turing) poate îndeplini funcţiile oricărui alt asemenea computer, indiferent că este vorba de un Personal Digital Assistant sau PDA sau de un supercomputer (vezi şi teza Church-Turing). Această versatilitate a condus la folosirea computerelor cu arhitecturi asemănătoare pentru cele mai diverse activităţi, de la calculul salarizării personalului unei companii pînă la controlul roboţilor industriali sau medicali (calculatoare universale).
Computerele de astăzi vin în forme şi prezentări diverse. Probabil cel mai familiar este computerul personal şi varianta sa portabilă, laptop -ul sau notebook -ul. Însă cea mai răspîndită formă este acea a computerului integrat (embedded) - înglobat complet în dispozitivul pe care îl conduce. Multe maşini, de la avioanele de luptă pînă la aparatele foto digitale, sînt controlate de computere integrate.
Cel mai vechi mecanism cunoscut care se pare că putea funcţiona ca o maşină de calculat se consideră a fi "Ceasul" din Antikythira, datînd din anul 87 î.Hr. şi folosit aparent pentru calcularea mişcărilor planetelor. Tehnologia care a stat la baza acestui mecanism nu este cunoscută.
O dată cu revigorarea matematicii şi a ştiinţelor în timpul Renaşterii europene au apărut o succesiune de dispozitive mecanice de calculat, bazate pe principiul ceasornicului, de exemplu maşina inventată de Blaise Pascal. Tehnica de stocare şi citire a datelor pe cartele perforate a apărut în secolul al XIX-lea. În acelaşi secol, Charles Babbage este cel dintîi care proiectează o maşină de calcul complet programabilă (1837), însă din păcate proiectul său nu va prinde roade, în parte din cauza limitărilor tehnologice ale vremii.
În prima jumătate a secolului al XX-lea, nevoile de calcul ale comunităţii ştiinţifice erau satisfăcute de computere analogice, foarte specializate şi din ce în ce mai sofisticate. Perfecţionarea electronicii digitale (datorată lui Claude Shannon în anii 1930) a condus la abandonarea computerelor analogice în favoarea celor digitale (numerice), care modelează problemele în numere (biţi) în loc de semnale electrice sau mecanice. Este greu de precizat care a fost primul computer digital; realizări notabile au fost: computerul Atanasoff-Berry, maşinile Z ale lui Konrad Zuse - de exemplu computerul electromecanic Z3, care, deşi foarte nepractic, a fost probabil cel dintîi computer universal, apoi calculatorul ENIAC cu o arhitectură relativ inflexibilă care cerea modificări ale cablajelor la fiecare reprogramare, precum şi calculatorul secret britanic Colossus, construit pe bază de lămpi şi programabil electronic.
Echipa de proiectare a ENIAC-ului, recunoscînd neajunsurile acestuia, a elaborat o altă arhitectură, mult mai flexibilă, ce a ajuns cunsocută sub numele de arhitectură von Neumann sau arhitectură cu program memorat. Aceasta stă la baza aproape tuturor maşinilor de calcul actuale. Primul sistem construit pe arhitectura von Neumann a fost EDSAC.
În anii 1960, lămpile (tuburile electronice) au fost înlocuite de tranzistori, mult mai eficienţi, mai mici, mai ieftini şi mai fiabili, ceea ce a dus la miniaturizarea şi ieftinirea computerelor. Din anii 1970, adoptarea circuitelor integrate a coborît şi mai mult preţul şi dimensiunea computerelor, permiţînd printre altele şi apariţia calculatoarelor personale de astăzi.
Funcţionare: arhitectura von Neumann
Deşi designul şi performanţele calculatoarelor s-au îmbunătăţit dramatic în comparaţie cu anii 1940, principiile arhitecturii von Neumann sînt în continuare la baza aproape tuturor maşinilor de calcul contemporane.
Această arhitectură descrie un calculator cu patru module importante: unitatea aritmetică-logică (UAL, arithmetic logic unit sau ALU ), unitatea de control, memoria centrală (care bine-înţeles se deosebeşte aproape total de memoria omului), şi dispozitivele de intrare/ieşire I/E (sau I/O , de la input/output ). Acestea sînt interconectate cu un mănunchi de fire numit magistrală (bus ) şi sînt conduse în tactul unui ceas (clock ).
Conceptual, memoria unui calculator poate fi văzută ca o mulţime de "celule" numerotate. Fiecare celulă primeşte drept "adresă" un număr unic propriu; ele pot înmagazina o cantitate mică, prestabilită de informaţie. Informaţia poate fi ori o instrucţiune, ori date propriu-zise. Instrucţiunile "instruiesc" calculatorul ce să facă, iar datele sînt acele informaţii care trebuie prelucrate conform cu instrucţiunile. În principiu orice celulă poate stoca atît instrucţiuni cît şi date, desigur că la momente diferite. Interesant este şi cazul cînd una sau mai multe instrucţiuni, deja stocate în memorie, sînt privite de către alte instrucţiuni drept date de prelucrat/modificat şi sînt deci ele însele modificate dinamic ("în mers"), după necesitate.
UAL este din multe puncte de vedere "inima" sau "miezul" calculatorului. Aceasta este capabilă să efectueze mai multe tipuri de operaţii, de exemplu operaţii aritmetice (adunare, înmulţire etc.), operaţii de comparaţie, operaţii de manevrare a datelor (duplicare, mutare, trunchiere etc.).
Sistemele de I/E sunt dispozitive prin care computerul preia informaţii din lumea exterioară şi raportează înapoi rezultatele. Într-un calculator personal obişnuit (PC, sau şi Apple Macintosh), dispozitive de intrare sînt de ex. tastatura şi mausul, iar dispozitive de ieşire sînt monitorul, imprimanta, etc. Există şi dispozitive I/E combinate, atît pentru intrare cît şi pentru ieşire, de ex. modemul, cartela de LAN, discul magnetic.
Unitatea de control este un modul central care comandă şi leagă toate celelalte module între ele. Rolul ei este să culeagă ("citească") instrucţiunile şi datele din memorie sau de la dispozitivele I/E, să decodeze instrucţiunile, să ofere UAL date de intrare corecte conform cu instrucţiunea, să "instruiască" UAL ce anume operaţie să efectueze asupra intrărilor, precum şi să trimită rezultatele înapoi (să "scrie") în memorie sau către dispozitivele I/E. O componentă cheie a unităţii de control este un contor (contorul de instrucţiuni). El conţine la orice moment adresa instrucţiunii curente, în permanentă schimbare. Fizic, începînd din anii 1980, UAL şi unitatea de control se plasează pe acelaşi circuit integrat numit unitate centrală de procesare, (central processing unit, CPU ), sau microprocesor. Pentru arhitectura calculatoarelor s-au adoptat /standarde. Un prim standard de acest fel, care mai este utilizat şi în prezent, este ISA (Industry Standard Architecture) care a fost elaborat de IBM odată cu primul IBM PC, apărut la începutul anilor '80. Sistemele de calcul mari pot avea inglobate mai multe procesoare, vezi şi articolul supercomputer.
Circuite digitale (hardware)
Principiile de mai sus pot fi implementate cu o varietate de tehnologii - de ex. maşina lui Babbage era alcătuită din componente mecanice. Însă singura asemenea tehnologie care s-a dovedit suficient de practică este cea a circuitelor digitale (numerice), circuite electrice care pot efectua operaţii din algebra booleană şi aritmetica binară. Primele circuite digitale foloseau relee electromecanice pentru a reprezenta stările "0" (blocat) şi "1" (conducţie), aranjate în porţi logice. Releele au fost repede înlocuite cu lămpi - tuburi cu vid, dispozitive 100% electrice, folosite pînă atunci în electronica analogă pentru proprietăţile lor de amplificare, dar care pot funcţiona şi drept comutatoare.
Aranjînd corect porţi logice, se pot construi circuite care execută şi funcţii mai complexe, de exemplu sumatoare. Sumatorul electronic adună două numere folosind acelaşi procedeu (în termeni informatici, algoritm) învăţat de copii la şcoală: se adună fiecare cifră corespondentă, iar restul este transportat către cifrele din stînga. În final, reunind mai multe asemenea circuite, se pot obţine o UAL şi o unitate de control complete. CSIRAC, unul din primele calculatoare bazate pe arhitectura von Neumann şi probabil cel mai mic asemenea calculator posibil, avea circa 2000 de lămpi - deci chiar şi pentru sisteme minimale e nevoie de un număr considerabil de componente.
Un circuit integrat văzut la microscop
Lămpile posedau cîteva limitări severe în construcţia porţilor logice: erau scumpe, puţin fiabile, ocupau mult spaţiu şi consumau cantităţi mari de curent. Deşi erau incredibil mai rapide decît releele mecanice, aveau totuşi o viteză de operare limitată. Astfel că începînd din anii 1960 lămpile au fost înlocuite cu tranzistori, dispozitive ce funcţionau asemănător, însă erau mult mai mici, mai rapide, mai fiabile, mai puţin consumatoare de curent şi mult mai ieftine.
Din anii '60-'70, tranzistorul a fost şi el înlocuit cu circuitul integrat, care conţinea mai mulţi tranzistori, şi firele de interconectare corespunzătoare, pe o singură plăcuţă de siliciu. Din anii '70, UAL-urile combinate cu unităţi de control au fost produse ca circuite integrate, numite microprocesoare, sau CPU (Central Processing Unit ). În timp, densitatea tranzistorilor din circuitele integrate a crescut incredibil, de la cîteva zeci, în anii 70, pînă la peste 100 de milioane de tranzistoare pe circuit integrat, la procesoarele Intel şi AMD din anul 2005.
Lămpile şi tranzistorii pot fi folosite şi pentru memorie - aşa-numitele circuite flip-flop sau "basculante bistabile" (CBB ), şi chiar sînt folosite pentru mici circuite de memorie de mare viteză. Însă puţine designuri de calculatoare au folosit bistabile pentru grosul nevoilor de memorie. Primele computere foloseau tuburi Williams - în esenţă proiectînd puncte pe un ecran TV şi citindu-le din nou mai tîrziu, sau linii de mercur, în care datele erau depozitate sub formă de unde sonore care parcurgeau tuburi cu mercur la viteză mică (comparativ cu viteza de operare a maşinii). Aceste metode destul de neproductive au fost înlocuite cu dispozitive de stocare magnetică, de exemplu memoria cu miez magnetic, în care un curent electric era folosit pentru a induce un cîmp magnetic permanent (dar slab) într-un material feros, care putea fi citit ulterior pentru a folosi datele. În cele din urmă a apărut memoria dynamic random access memory , DRAM . DRAM-ul este format din bănci de condensatori, componente electrice care pot reţine o sarcină electrică pentru o anumită durată de timp. Scrierea informaţiei în memorie se face prin încărcarea condensatorilor cu o anumită sarcină electrică, iar citirea prin determinarea sarcinii acestora.
Periferice (Dispozitive I/E)
"I/E" (intrare-ieşire), sau în engleză I/O (input/output), este termenul general pentru acele dispozitive prin care un computer primeşte informaţii din lumea exterioară, inclusiv instrucţiuni despre ce să facă, sau trimite înapoi rezultatele calculelor pe care le-a efectuat. Rezultatele pot fi destinate oamenilor, sau pot fi folosite în dirijarea altor maşini; de exemplu în cazul unui robot industrial, cel mai important dispozitiv de ieşire al computerului înglobat în el creează comenzile detailate necesare pentru toate mişcările mecanice ale robotului propriu-zis.
Prima generaţie de computere era echipată cu o gamă de dispozitive I/E destul de limitată; pentru introducerea datelor şi a instrucţiunilor se folosea în principal un cititor de cartele perforate sau un dispozitiv asemănător, iar pentru afişarea rezultatelor se folosea o imprimantă, de obicei un teleimprimator modificat de tip "telex". De-a lungul timpului însă au apărut o imensă diversitate de dispozitive I/E. Pentru computerul personal de azi, cele mai comune modalităţi de introducere directă a datelor sînt tastaturile şi mauşii, iar principalul mijloc prin care calculatorul prezintă informaţii către utilizator sînt monitoarele, deşi imprimantele sau dispozitivele de generat sunet sînt folosite şi ele în mod obişnuit. Alte dispozitive sînt specializate pentru numai anumite tipuri de intrări sau ieşiri, de exemplu aparatul foto digital şi scanner-ul.
Două categorii mai deosebite de dispozitive sînt: dispozitivele secundare de stocare, cum ar fi hard-disk-urile, unităţile CD-ROM -- dispozitive relativ mai lente, însă cu o capacitate mult mai mare, în care se pot depozita informaţii pentru utilizare ulterioară --, precum şi dispozitivele pentru conectarea la reţele de calculatoare. Posibilitatea de a interconecta calculatoarele pentru a transfera date şi informaţii între ele a deschis calea unei mulţimi de noi aplicaţii. Internetul, şi aici în special World Wide Web, permit miliardelor de calculatoare de pe glob să se lege unele cu altele pentru a transfera între ele informaţii de toate tipurile.
Instrucţiuni (software)
Instrucţiunile interpretate de către unitatea de control şi executate de UAL nu seamănă deloc cu limbajul uman. Computerul cunoaşte prin construcţie un set relativ mic de instrucţiuni elementare, care sînt simple, bine definite şi neambigue. Exemple de instrucţiuni sînt: "copiază conţinutul celulei de memorie 5 şi plasează rezultatul în celula 10", "adună conţinutul celulei 7 cu conţinutul celulei 13 şi plasează rezultatul în celula 6", "dacă conţinutul celulei 999 este 0, următoarea instrucţiune de executat se găseşte în celula 30".
Instrucţiunile calculatorului se împart în patru mari categorii:
- mutare de date dintr-o locaţie în alta,
- executare de operaţii aritmetice şi logice asupra datelor,
- testarea unor condiţii, de exemplu "conţine celula 999 un 0?",
- modificarea secvenţei operaţiilor.
În computer instrucţiunile sînt reprezentate în cod binar, la fel ca şi toate celelalte date. De exemplu, codul pentru una din operaţiile de copiere pe un procesor fabricat de firma Intel este 10110000. Mulţimea de instrucţiuni implementate într-un computer se numeşte limbajul maşină al acelui computer.
Simplificat vorbind, dacă două calculatoare au CPU-uri care răspund la fel la acelaşi set de instrucţiuni, programele scrise pentru unul pot rula şi pe celălalt aproape fără modificări, dar de exemplu cu viteze diferite. Uşurinţa portabilităţii este o motivaţie pentru proiectanţii de computere ca ei să nu modifice radical design-urile existente, decît pentru motive serioase.
Programe
Programele de calculator sînt listele de instrucţiuni de executat de către un calculator. Acestea pot număra de la cîteva instrucţiuni, care îndeplinesc o sarcină simplă, pînă la milioane de instrucţiuni pe program (unele din ele executate repetat), plus tabele de date. Un calculator personal curent din anul 2006 din categoria 1.000 - 2.000 Euro este capabil să execute peste 4 miliarde de instrucţiuni pe secundă. Compunerea sau scrierea acestor programe este efectuată de către programatori profesionişti.
În practică, programele nu se mai scriu de mult în limbajul maşină al calculatorului. Scrierea în limbajul maşină este extrem de laborioasă şi erorile se pot strecura uşor, ceea ce ar provoca scăderea productivităţii la programare. Programele dorite sînt de obicei descrise într-un limbaj de programare de nivel mai ridicat (superior), care, înainte de a pute fi executat, este tradus automat în limbajul maşină de către programe specializate (interpretoare şi compilatoare).
Unele limbaje de programare sînt foarte strîns legate de limbajul maşină de la baza computerului, ca de ex. limbajul de asamblare, de aceea sînt numite limbaje de "nivel jos". La cealaltă extremă se situează limbajele de "nivel înalt", de ex. C++, Java, Lisp, Visual Basic ş.a. Acestea oferă programatorilor posibilitatea operării cu concepte foarte abstracte, complexe, a căror implementare concretă la nivelul de jos nu mai interesează (dacă interpretorul sau compilatorul funcţionează corect). Limbajul ales pentru o anume problemă depinde în primul rînd chiar de natura problemei, de competenţa profesională a programatorilor, de disponibilitatea uneltelor de proiectare precum şi de bugetul disponibil.
Programele mai sînt numite şi software; însă software-ul poate include, pe lîngă programele propriu-zise, şi material auxiliar, cum ar fi date grafice, în cazul unui joc pe calculator.
Instrumentele moderne de proiectare software precum şi tehnicile de programare ce pun accentul pe reutilizarea codului (de ex. programarea orientată pe obiecte) fac posibilă realizarea unor programe complexe, constituite din zeci de milioane de instrucţiuni; de exemplu browserul Firefox al organizaţiei Mozilla se compune din peste 2 milioane de linii de cod în limbajul C++. Gestiunea acestor programe complexe face obiectul unei ştiinţe numite ingineria programării.
Biblioteci şi sisteme de operare
Nu cu mult timp după dezvoltarea computerului s-a descoperit că aceleaşi rutine (părţi de programe cu scop bine definit) se pot uneori folosi în mai multe programe diferite; un exemplu fiind calcularea unor funcţii matematice. Din motive de eficienţă, versiunile standard ale acestor rutine au început să fie adunate în biblioteci de programe şi puse la dispoziţia tuturor celor interesaţi. Un alt set foarte necesar de rutine s-a dovedit a fi comunicarea cu diversele dispozitive de I/E.
În anii 1960, calculatoarele au început să fie folosite pe larg în industrie, iar un calculator putea fi folosit la executarea simultană a multor sarcini. Curînd a apărut şi software specializat în automatizarea planificării acestor sarcini. Combinaţia între un software gestionar al hardware-ului şi un software planificator de sarcini a devenit cunoscută sub numele de "sistem de operare" (engleză: operating system ). Un prim exemplu de sistem de operare a fost sistemul OS/360 al firmei IBM.
Următorul pas major a fost partajarea timpului (time sharing), prin care mai mulţi utilizatori pot folosi maşina simultan. Pentru aceasta programele fiecăruia se păstrează în memorie, executîndu-se pe rînd porţiuni din aceste programe pentru o perioadă scurtă de timp ("felie de timp"), astfel oferind fiecărui utilizator iluzia că lucrează pe un computer doar al său. Stocarea datelor a evoluat şi ea, apărînd conceptul de "sistem de fişiere" (file system), în care fişierele sînt stocate într-o structură ierarhică de "directoare" sau "dosare".
O adăugire majoră în domeniul sistemelor de operare a fost acum cîţiva ani interfaţa grafică cu utilizatorul (engleză: graphic user interface , GUI ).
În afara acestor funcţii de bază, sistemele de operare conţin deseori şi o trusă de unelte suplimentare, care parţial sînt extrem de funcţionale şi complicate/sofisticate.
Calculatoarele integrate vin cu sisteme de operare mult mai mici şi mai limitate în funcţiuni, unele chiar fără sistem de operare, întrucît programul foarte specializat care le conduce efectuează chiar el toate operaţiile necesare.
Utilizare
Roboţi controlaţi de computere, în producţia de automobile
Primele calculatoare electronice digitale, fiind foarte mari şi scumpe, erau folosite la calcule ştiinţifice complicate, de multe ori pentru scopuri militare. ENIAC-ul a fost proiectat pentru calculul tirurilor de artilerie, dar a fost folosit şi la calculul densităţilor transversale de neutroni, în proiectarea bombei cu hidrogen. Multe din supercomputerele contemporane sînt folosite pentru simulări de arme nucleare. Alte calculatoare au fost utilizate în criptanaliză, de exemplu primul computer electronic programabil, Colossus.
În ciuda concentrării de la început pe aplicaţii ştiinţifice şi militare, computerele au început repede să fie adoptate şi în alte domenii, precum cel al afacerilor. LEO, unul din primele computere bazate pe arhitectura von Neumann, era folosit la gestiunea stocurilor încă din anii 1950. O dată cu apariţia microprocesoarelor şi ieftinirea semnificativă a computerelor, acestea şi-au găsit aplicare în contabilitate, birotică, alcătuirea de previziuni meteo şi de altă natură, în calculele matematice repetitive precum şi în calcul tabelar.
În domeniul artelor, calculatoarele sînt întrebuinţate pentru generarea şi editarea de sunet, imagini şi video. Astăzi aceste activităţi sînt efectuate aproape exclusiv pe computer. De asemenea, industria jocurilor pe calculator este una foarte lucrativă.
Computerele au fost folosite pentru comanda mecanismelor din momentul în care au devenit suficient de mici şi de ieftine pentru acest scop. Primele aplicaţii majore pentru computerele integrate au fost ghidarea misiunilor Apollo şi a rachetelor Minuteman. Astăzi se întîlnesc din ce în ce mai rar echipamente mecanice care să nu fie comandate într-o formă sau alta de un computer. Unele din cele mai cunoscute asemenea echipamente sînt roboţii, maşini mai mult sau mai puţin asemănătoare omului şi aptitudinilor sale. Computerele sînt din ce în ce mai mult utilizate în domotică, pentru aplicaţii casnice de genul "dacă e cineva acasă deschide televizorul la 7 seara" sau "reduce căldura noaptea".
Roboţii industriali sînt o prezenţă obişnuită în producţia de masă, însă roboţii umanoizi încă nu au ajuns la nivelul la care sînt portretizaţi în literatura de anticipaţie science-fiction (SF), şi sînt astăzi doar jucării sau subiecte de cercetare. De asemenea, progresul inteligenţei artificiale în crearea unui computer cu "inteligenţă" electronică dar asemănătoare celei omului a fost pînă acum extrem de lent, deşi de-a lungul timpului s-au dezvoltat metode care permit calculatoarelor să îndeplinească bine sarcini care iniţial se bănuia că sînt prin excelenţă umane, cum ar fi jocul de şah sau citirea scrisului de mînă.
Reţele şi Internet
În anii 1970, inginerii de la institutele de cercetare militare din SUA au început să îşi interconecteze calculatoarele folosind tehnologia telecomunicaţiilor. Proiectul a fost sprijinit de către agenţia DARPA a ministerului apărării, iar reţeaua de calculatoare care a luat astfel naştere s-a numit Arpanet.
În timp, reţeaua s-a întins dincolo de scopul ei iniţial academic şi militar, şi a devenit cunoscută sub numele de Internet. Evoluţia reţelisticii a adus cu sine o redefinire a naturii şi limitelor unui computer. În cuvintele lui John Gage şi Bill Joy (de la firma Sun Microsystems), "the network is the computer" -- "reţeaua este calculatorul". Sistemele de operare şi aplicaţiile computerelor s-au modificat, incluzînd acum capacitatea de a defini şi accesa resurse de pe alte calculatoare din reţea (fie informaţii, fie dispozitive conectate la ele), ca extensii ale resurselor locale. Iniţial aceste facilităţi erau disponibile numai celor care lucrau în medii de înaltă tehnologie, însă din anii 1990, o dată cu răspîndirea aplicaţiilor ca de exemplu e-mail-ul sau World Wide Web, şi cu dezvoltarea tehnologiilor de reţelistică ieftine şi rapide, precum Ethernet sau ADSL, reţelele de calculatoare au pătruns peste tot.
Etimologie
Termenul "computer" este un sinonim pentru calculator electronic, preluat identic ca formă şi ca sens din limba engleză. El a intrat în limba română mai tîrziu decît ordinator, un alt sinonim pentru calculator electronic preluat din limba franceză.
Termenul "computer" apare pentru prima oară la pag. 215 din „Micul Dicţionar enciclopedic – Ed. enciclopedică Română, Bucureşti, 1972”, unde este definit ca sinonim pentru termenul "calculator electronic" şi "ordinator", însă el a intrat în circulaţie în limba vorbită şi scrisă înainte de această dată prin cursurile de la facultăţile de profil, revistele şi cărţile de specialitate (Ştiinţă şi tehnică, ş.a.) şi literatura ştiinţifico-fantastică, SF.
În engleză, substantivul computer s-a format din verbul englez to compute, preluat în 1631 din franceză (verbul computer), preluat la rîndul său din latină (verbul computare) care are înţelesul a calcula, a socoti.
0 comentarii:
Trimiteți un comentariu