Calculator

Desen al unui calculator personal.

Calculator portabil

Un calculator, numit și computer sau ordinator, este o mașina de prelucrare date și informații conform unei liste de instrucțiuni numita program. Calculatoarele care sunt programabile liber și pot, cel puțin in principiu, prelucra orice fel de date sau informații se numesc universale . Calculatoarele actuale nu sunt doar mașini de prelucrat informații, ci și dispozitive care faciliteaza comunicația intre doi sau mai mulți utilizatori, de exemplu sub forma de numere, text, imagini, sunet sau video, sau chiar toate deodata (multimedial).

Știința prelucrarii informațiilor cu ajutorul calculatoarelor se numește informatica. Tehnologia necesara pentru folosirea lor poarta numele Tehnologia Informației, prescurtat TI sau IT de la termenul englezesc Information Technology.

In principiu, orice calculator care deține un anumit set minimum de funcții (altfel spus, care poate emula o mașina Turing) poate indeplini funcțiile oricarui alt asemenea calculator, indiferent ca este vorba de un PDA sau de un supercalculator. Aceasta versatilitate a condus la folosirea calculatoarelor cu arhitecturi asemanatoare pentru cele mai diverse activitați, de la calculul salarizarii personalului unei companii pana la controlul roboților industriali sau medicali (calculatoare universale).

Calculatoarele de astazi vin in forme și prezentari diverse. Probabil cel mai familiar este calculatorul personal și varianta sa portabila denumita in engleza laptop sau notebook. Insa cea mai raspandita forma este acea a calculatorului integrat , adica inglobat complet in dispozitivul pe care il comanda. Multe mașini și aparate, de la avioanele de lupta pana la aparatele foto digitale, sunt controlate de calculatoare integrate. Un alt exemplu este calculatorul de bord al automobilelor.

Istoric

Istoria mașinilor de calcul

Cel mai vechi mecanism cunoscut care se pare ca putea funcționa ca o mașina de calculat se considera a fi mecanismul din Antikythira, datand din anul 87 i.e.n. și folosit aparent pentru calcularea mișcarilor planetelor. Tehnologia care a stat la baza acestui mecanism nu este cunoscuta.

O data cu revigorarea matematicii și a științelor in timpul Renașterii europene au aparut o succesiune de dispozitive mecanice de calculat, bazate pe principiul ceasornicului, de exemplu mașina inventata de Blaise Pascal. Tehnica de stocare și citire a datelor pe cartele perforate a aparut in secolul al XIX-lea. In același secol, Charles Babbage este cel dintai care proiecteaza o mașina de calcul complet programabila (1837), insa din pacate proiectul sau nu va prinde roade, in parte din cauza limitarilor tehnologice ale vremii.

In prima jumatate a secolului al XX-lea, nevoile de calcul ale comunitații științifice erau satisfacute de calculatoare analoage, foarte specializate și din ce in ce mai sofisticate. Perfecționarea electronicii digitale (datorata lui Claude Shannon in anii 1930) a condus la abandonarea calculatoarelor analogice in favoarea celor digitale (numerice), care modeleaza problemele in numere (biți) in loc de semnale electrice sau mecanice. Este greu de precizat care a fost primul calculator digital; realizari notabile au fost: calculatorul Atanasoff-Berry, mașinile Z ale germanlui Konrad Zuse - de exemplu calculatorul electromecanic Z3, care, deși foarte nepractic, a fost probabil cel dintii calculator universal, apoi calculatorul ENIAC cu o arhitectura relativ inflexibila care cerea modificari ale cablajelor la fiecare reprogramare, precum și calculatorul secret britanic Colossus, construit pe baza de lampi și programabil electronic.

Echipa de proiectare a ENIAC-ului, recunoscand neajunsurile acestuia, a elaborat o alta arhitectura, mult mai flexibila, care a ajuns cunoscuta sub numele de arhitectura von Neumann sau „arhitectura cu program memorat“. Aceasta sta la baza aproape tuturor mașinilor de calcul actuale. Primul sistem construit pe arhitectura von Neumann a fost EDSAC.

In anii 1960 lampile (tuburile electronice) au fost inlocuite de tranzistori, mult mai eficienți, mai mici, mai ieftini și mai fiabili, ceea ce a dus la miniaturizarea și ieftinirea calculatoarelor. Din anii 1970, adoptarea circuitelor integrate a coborat și mai mult prețul și dimensiunea calculatoarelor, permițand printre altele și apariția calculatoarelor personale de acum.

Circuite digitale (hardware)

Principiile de mai sus pot fi implementate cu o varietate de tehnologii - de ex. mașina lui Babbage era alcatuita din componente mecanice. Insa singura asemenea tehnologie care s-a dovedit suficient de practica este cea a circuitelor digitale (numerice), circuite electronice care pot efectua operații din algebra booleana și aritmetica binara. Dar primele „circuite” digitale foloseau relee electromecanice pentru a reprezenta starile '0' (blocat) și '1' (conducție), aranjate in porți logice. Releele au fost repede inlocuite cu lampi electronice - tuburi electronice cu vid, dispozitive 100% electronice, folosite pina atunci in electronica analoga pentru proprietațile lor de amplificare, dar care au putut fi utilizate și drept comutatoare (elemente de baza in construcția calculatoarelor) de stare, 1→0 sau 0→1.

Aranjind corect porți logice binare , se pot construi circuite care executa și funcții mai complexe, de exemplu sumatoare. Sumatorul electronic aduna doua numere folosind același procedeu (in termeni informatici, algoritm) invațat de copii la școala: se aduna fiecare cifra corespondenta, iar „transportul” este transmis catre cifrele din stinga. In consecința, reunind mai multe asemenea circuite, se pot obține o UAL și o unitate de control complete. CSIRAC, unul din primele calculatoare bazate pe arhitectura von Neumann și probabil cel mai mic asemenea calculator posibil, avea circa 2000 de lampi (tuburi) - deci chiar și pentru sisteme minimale e nevoie de un numar considerabil de componente.

Analiza: Aplicatii - nnmodel Referat: Tabele de dispersie

Lampile electronice erau caracterizate de citeva limitari severe in folosirea lor pentru construcția porților logice: erau scumpe, puțin fiabile, ocupau mult spațiu și consumau cantitați mari de curent. Deși erau incredibil de rapide fața de releele electromecanice, aveau și ele totuși o viteza de operare relativ limitata. Astfel ca incepind din anii 1960 lampile (tuburile electronice) au fost inlocuite cu tranzistori, dispozitive ce funcționau asemanator, insa erau mult mai mici, mai rapide, mai fiabile, mai puțin consumatoare de curent și mult mai ieftine.

Din anii 1960-'70, tranzistorul a fost și el inlocuit cu circuitul integrat, care conținea mai mulți tranzistori, și firele de interconectare corespunzatoare, pe o singura placuța de siliciu (numita cip). Din anii '70, UAL-urile combinate cu unitați de control (UC) au fost produse unitar ca circuite integrate, numite microprocesoare, sau CPU (Central Processing Unit/unitate de procesare centrala). In timp, densitatea tranzistorilor din circuitele integrate a crescut incredibil, de la citeva zeci, in anii 70, pina la peste 100 de milioane de tranzistoare pe circuit integrat, la procesoarele Intel și AMD din anul 2005.

Lampile electronice și tranzistorii pot fi folosite și pentru memorie - așa-numitele circuite flip-flop sau 'basculante bistabile' (CBB ), și chiar sint folosite pentru mici circuite de memorie de mare viteza, numite „cu acces direct” . Insa puține designuri de calculatoare au folosit bistabile pentru grosul nevoilor de memorie, memorii de amploare . Primele calculatoare foloseau tuburi Williams - in esența proiectind puncte pe un ecran TV și citindu-le din nou mai tirziu, sau linii de mercur, in care datele erau depozitate sub forma de unde sonore care parcurgeau tuburi cu mercur la viteza mica (comparativ cu viteza de operare a mașinii). Aceste metode destul de neproductive au fost inlocuite cu dispozitive de stocare (memorare) in mediu purtator magnetic, de exemplu memoria cu miezuri magnetice de forma inelara, in care un curent electric era folosit pentru a induce un cimp magnetic remanent (dar slab) intr-un material feros, care putea fi citit ulterior, dupa necesitate pentru a folosi datele. In cele din urma a aparut memoria dynamic random access memory , DRAM . DRAM-ul este format din banci (mulțimi grupate) de condensatori, componente electrice care pot reține o sarcina electrica pentru o anumita durata de timp. Scrierea informației intr-o astfel de memorie se face prin incarcarea condensatorilor cu o anumita sarcina electrica, iar citirea prin determinarea („masurarea”) sarcinii acestora (daca este incarcat sau descarcat).

Periferice de intrare/ieșire

„I/E” ('intrare-ieșire'), sau in engleza I/O (input/output), este termenul general pentru acele dispozitive prin care un calculator primește informații din lumea exterioara, inclusiv instrucțiuni despre ce sa faca, sau trimite inapoi (in afara) rezultatele calculelor pe care le-a efectuat. Rezultatele pot fi destinate oamenilor, sau pot fi folosite in dirijarea altor mașini; de exemplu in cazul unui robot industrial, cel mai important dispozitiv de ieșire (dispozitiv E) al calculatorului inglobat in el creeaza comenzile detailate necesare pentru toate operațiile (mișcarile) mecanice ale robotului propriu-zis.

Prima generație de calculatoare era echipata cu o gama de dispozitive I/E destul de limitata și cu viteza de execuție redusa; de exemplu, pentru introducerea datelor de calcul și a instrucțiunilor de program se folosea in principal un cititor de cartele perforate sau un dispozitiv asemanator, iar pentru afișarea rezultatelor se folosea o imprimanta, de obicei un teleimprimator modificat de tip 'telex'. De-a lungul timpului insa au aparut o imensa diversitate de dispozitive I/E. Pentru calculatorul personal de azi, cele mai comune modalitați de introducere directa a datelor sint tastaturile și mausurile, iar principalul mijloc prin care calculatorul prezinta informații catre utilizator sint monitoarele, deși imprimantele sau dispozitivele de generat sunet sint folosite și ele in mod obișnuit. Alte dispozitive sint specializate pentru numai anumite tipuri de intrari sau ieșiri, de exemplu aparatul foto digital și scanerul.

Doua categorii principale de dispozitive sunt:

• dispozitivele secundare de stocare: dischetele, unitațile CD, DVD, discurile dure și altele; capacitațile de stocare a datelor pot diferi foarte mult intre ele.
• precum și dispozitivele pentru conectarea la rețele de calculatoare. Posibilitatea de a interconecta calculatoarele pentru a transfera date și informații intre ele a deschis calea unei mulțimi de noi aplicații. Internetul, și aici in special World Wide Web, permit miliardelor de calculatoare de pe glob sa se lege unele cu altele pentru a transfera intre ele informații de toate tipurile.

Programe

Programele de calculator sunt listele de instrucțiuni de executat de catre un calculator. Acestea pot numara de la cateva instrucțiuni, care indeplinesc o sarcina simpla, pina la milioane de instrucțiuni pe program (unele din ele executate repetat), plus tabele de date. Un calculator personal curent din anul 2008 din categoria sub 1.000 euro este capabil sa execute peste 4 miliarde de instrucțiuni pe secunda. Compunerea sau scrierea acestor programe este efectuata de catre programatori profesioniști, numiți și „softiști”.

In practica, programele nu se mai scriu demult in limbajul mașina al calculatorului. Scrierea in limbaj-mașina era extrem de laborioasa și erorile se puteau strecura ușor, ceea ce putea provoca scaderea productivitații la programare. Actualmente programele dorite sint de obicei descrise/scrise intr-un limbaj de programare de nivel mai ridicat (superior), care, inainte de a putea fi executat, este tradus automat in limbaj-mașina de catre programe specializate (interpretoare și compilatoare), adica intr-o „limba” inteligibila mașinii de calcul (computerului).

Utilizare

Primele calculatoare electronice digitale, fiind foarte mari și scumpe, erau folosite la calcule științifice complicate, de multe ori pentru scopuri militare. ENIAC-ul a fost proiectat pentru calculul tirurilor de artilerie, dar a fost folosit și la calculul densitaților transversale de neutroni, in proiectarea bombei cu hidrogen. Multe din supercalculatoarele contemporane sunt folosite pentru simulari de arme nucleare. Alte calculatoare au fost utilizate in criptanaliza, de exemplu primul calculator electronic programabil, Colossus.

In ciuda concentrarii de la inceput pe aplicații științifice și militare, calculatoarele au inceput repede sa fie adoptate și in alte domenii, precum cel al afacerilor. LEO, unul din primele calculatoare bazate pe arhitectura von Neumann, era folosit la gestiunea stocurilor inca din anii 1950. O data cu apariția microprocesoarelor și ieftinirea semnificativa a calculatoarelor, acestea și-au gasit aplicare in contabilitate, birotica, alcatuirea de previziuni meteo și de alta natura, in calculele matematice repetitive precum și in calcul tabelar.

In domeniul artelor, calculatoarele sunt intrebuințate pentru generarea și editarea de sunet, imagini și video. Astazi aceste activitați sunt efectuate aproape exclusiv pe calculator (computer). De asemenea, industria jocurilor pe calculator este una foarte lucrativa.

Calculatoarele au putut fi folosite pentru comanda mecanismelor (dispozitivelor electromecanice) din momentul in care au devenit suficient de mici și de ieftine pentru acest scop. Primele aplicații majore pentru calculatoarelor integrate au fost ghidarea misiunilor Apollo și a rachetelor Minuteman. Astazi se intalnesc din ce in ce mai rar echipamente mecanice care sa nu fie comandate intr-o forma sau alta de un calculator. Unele din cele mai complexe asemenea echipamente sunt roboții industriali, mașini mai mult sau mai puțin asemanatoare omului și aptitudinilor sale. Calculatoarele sunt din ce in ce mai mult utilizate in domotica, pentru aplicații casnice de genul „daca cineva e acasa, computerul deschide televizorul la 7 seara“ sau „reduce caldura noaptea”.

Roboții industriali sunt o prezența obișnuita in producția de masa, insa roboții umanoizi inca nu au ajuns la nivelul la care sunt portretizați in literatura de anticipație SF și sunt astazi doar jucarii sau subiecte de cercetare. De asemenea, progresul inteligenței artificiale in crearea unui calculator cu „inteligența” electronica la nivelul celei omenești a fost pana acum extrem de lent, deși de-a lungul timpului s-au dezvoltat metode care permit calculatoarelor sa indeplineasca destul de bine sarcini despre care inițial se banuia ca ar fi prin excelența umane, cum ar fi jocul de șah sau citirea scrisului de mana (analogic).

Rețele de calculatoare și Internetul

In anii 1970 inginerii de la institutele de cercetare militare din SUA au inceput sa iși interconecteze in rețele calculatoarele folosind tehnologia telecomunicațiilor. O rețea de calculatoare are de regula un caracter coordonator-subordonator, adica structura respectiva are calculatoare „egale in drepturi” dar care sunt supuse controlului unui calculator principal, „dirijor”. Proiectul a fost sprijinit de catre agenția DARPA a ministerului apararii, iar rețeaua de calculatoare care a luat astfel naștere s-a numit Arpanet.

In timp, rețeaua s-a extins enorm, dincolo de scopul ei inițial academic și militar și a devenit cunoscuta sub numele de Internet. Evoluția rețelelor a adus cu sine o redefinire a naturii și limitelor unui calculator. In cuvintele lui John Gage și Bill Joy (de la firma Sun Microsystems), „the network is the computer“ — „rețeaua este calculatorul“. Sistemele de operare și aplicațiile computerelor s-au modificat, incluzand acum capacitatea de a defini și accesa resurse de pe alte calculatoare din rețea (fie informații, fie dispozitive conectate la ele), ca extensii ale resurselor locale. Inițial aceste facilitați erau disponibile numai celor care lucrau in medii de inalta tehnologie, insa din anii 1990, odata cu raspandirea aplicațiilor ca de exemplu e-mail sau World Wide Web, și cu dezvoltarea tehnologiilor de conectare in rețea ieftine și rapide precum Ethernet sau ADSL, rețelele de calculatoare au patruns peste tot, in toate domeniile vieții.