Capitolul 2

Despre calculator

Un calculator, numit și sistem de calcul, computer sau ordinator, este o mașină de prelucrat date și informații conform unei liste de instrucțiuni numită program. În zilele noastre calculatoarele se construiesc în mare majoritate din componente electronice și de aceea cuvântul „calculator” înseamnă de obicei un calculator electronic. Calculatoarele care sunt programabile liber și pot, cel puțin în principiu, prelucra orice fel de date sau informații se numesc universale (engleză general purpose, pentru scopuri generale). Calculatoarele actuale nu sunt doar mașini de prelucrat informații, ci și dispozitive care facilitează comunicația între doi sau mai mulți utilizatori, de exemplu sub formă de numere, text, imagini, sunet sau video sau chiar toate deodată (multimedia).
Știința prelucrării informațiilor cu ajutorul calculatoarelor se numește informatică (engleză Computer Science). Tehnologia necesară pentru folosirea lor poartă numele Tehnologia Informației, prescurtat TI sau IT (de la termenul englezesc Information Technology).
În principiu, orice calculator care deține un anumit set minimum de funcții (altfel spus, care poate emula o mașină Turing) poate îndeplini funcțiile oricărui alt asemenea calculator, indiferent că este vorba de un PDA sau de un supercalculator. Această versatilitate a condus la folosirea calculatoarelor cu arhitecturi asemănătoare pentru cele mai diverse activități, de la calculul salarizării personalului unei companii până la controlul roboților industriali sau medicali (calculatoare universale).

Istoric

Cel mai vechi mecanism cunoscut care se pare că putea funcționa ca o mașină de calculat se consideră a fi mecanismul din Antikythira, datând din anul 87 î.e.n. și folosit aparent pentru calcularea mișcărilor planetelor. Tehnologia care a stat la baza acestui mecanism nu este cunoscută.
O dată cu revigorarea matematicii și a științelor în timpul Renașterii europene au apărut o succesiune de dispozitive mecanice de calculat, bazate pe principiul ceasornicului, de exemplu mașina inventată de Blaise Pascal. Tehnica de stocare și citire a datelor pe cartele perforate a apărut în secolul al XIX-lea. În același secol, Charles Babbage este cel dintâi care proiectează o mașină 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 comunității științifice erau satisfăcute de calculatoare analoage, foarte specializate și din ce în ce mai sofisticate. Perfecționarea electronicii digitale (datorată lui Claude Shannon în anii 1930) a condus la abandonarea calculatoarelor analogice în favoarea celor digitale (numerice), care modelează problemele în numere (biți) în loc de semnale electrice sau mecanice. Este greu de precizat care a fost primul calculator digital; realizări 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 dintâi calculator universal, apoi calculatorul ENIAC cu o arhitectură relativ inflexibilă care cerea modificări ale cablajelor la fiecare reprogramare, precum și calculatorul secret britanic Colossus, construit pe bază de lămpi și programabil electronic.
Echipa de proiectare a ENIAC-ului, recunoscând neajunsurile acestuia, a elaborat o altă arhitectură, mult mai flexibilă, care a ajuns cunoscută sub numele de arhitectura von Neumann sau „arhitectură cu program memorat“. Aceasta stă la baza aproape tuturor mașinilor 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 eficienți, mai mici, mai ieftini și mai fiabili, ceea ce a dus la miniaturizarea și ieftinirea calculatoarelor. Din anii 1970, adoptarea circuitelor integrate a coborât și mai mult prețul și dimensiunea calculatoarelor, permițând printre altele și apariția calculatoarelor personale de acum.

Arhitectura von Neumann

Deși design-ul și performanțele calculatoarelor s-au îmbunătățit dramatic în comparație cu anii 1940, principiile arhitecturii von Neumann sunt în continuare la baza aproape tuturor mașinilor de calcul contemporane. Ea este denumită așa după renumitul matematician austro-ungar John von Neumann.
Această arhitectură descrie un calculator cu patru module importante: unitatea aritmetică-logică (UAL), unitatea de control (UC), memoria centrală și dispozitivele de intrare/ieșire (prescurtat I/E). Acestea sunt interconectate cu un mănunchi de fire numit magistrală pe care circulă datele de calcul și datele de program (instrucțiuni) și sunt conduse în tactul unui ceas (șir de impulsuri continuu).
Conceptual, memoria unui calculator poate fi văzută ca o mulțime de „celule“ numerotate. Fiecare celulă primește drept adresă un număr unic propriu; ele pot înmagazina o cantitate mică, prestabilită de informație. Informația poate fi ori o instrucțiune, ori date propriu-zise. Instrucțiunile spun calculatorului ce să facă, iar datele sunt acele informații care trebuie prelucrate conform cu instrucțiunile. În principiu orice celulă poate stoca (memora) atât instrucțiuni cât și date. Interesant este și cazul când una sau mai multe instrucțiuni, deja stocate în memorie, sunt privite de către alte instrucțiuni drept date de prelucrat/modificat și sunt deci ele însele modificate dinamic („în mers“), după necesitate.
Alte arhitecturi întrebuințate la calculatoarele de uz general sunt de exemplu arhitectura Harvard și arhitectura Dataflow.

Circuite digitale (hardware)

Principiile de mai sus pot fi implementate cu o varietate de tehnologii - de ex. mașina 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 electronice care pot efectua operații din algebra booleană și aritmetica binară. Dar primele „circuite” digitale foloseau relee electromecanice pentru a reprezenta stările "0" (blocat) și "1" (conducție), aranjate în porți logice. Releele au fost repede înlocuite cu lămpi electronice - tuburi electronice cu vid, dispozitive 100% electronice, folosite până atunci în electronica analogă pentru proprietățile lor de amplificare, dar care au putut fi utilizate și drept comutatoare (elemente de bază în construcția calculatoarelor) de stare, 1→0 sau 0→1.
Aranjând corect porți logice binare , se pot construi circuite care execută și funcții mai complexe, de exemplu sumatoare. Sumatorul electronic adună două numere folosind același procedeu (în termeni informatici, algoritm) învățat de copii la școală: se adună fiecare cifră corespondentă, iar „transportul” este transmis către cifrele din stânga. În consecință, 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 lămpi (tuburi) - deci chiar și pentru sisteme minimale e nevoie de un număr considerabil de componente.
Lămpile electronice erau caracterizate de câteva limitări severe în folosirea lor pentru construcția porților logice: erau scumpe, puțin fiabile, ocupau mult spațiu și consumau cantități mari de curent. Deși erau incredibil de rapide față de releele electromecanice, aveau și ele totuși o viteză de operare relativ limitată. Astfel că începând din anii 1960 lămpile (tuburile electronice) au fost înlocuite cu tranzistori, dispozitive ce funcționau asemănător, însă 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 înlocuit cu circuitul integrat, care conținea mai mulți tranzistori, și firele de interconectare corespunzătoare, pe o singură plăcuță de siliciu (numită cip). Din anii '70, UAL-urile combinate cu unități de control (UC) au fost produse unitar ca circuite integrate, numite microprocesoare, sau CPU (Central Processing Unit/unitate de procesare centrală). În timp, densitatea tranzistorilor din circuitele integrate a crescut incredibil, de la câteva zeci, în anii 70, până la peste 100 de milioane de tranzistoare pe circuit integrat, la procesoarele Intel și AMD din anul 2005.

Memorare de date

Lămpile electronice și tranzistorii pot fi folosite și pentru construirea de memorii - așa-numitele circuite flip-flop sau „basculante bistabile” (CBB), și chiar sunt folosite pentru mici circuite de memorie de mare viteză, numite „cu acces direct”. Însă puține designuri de calculatoare au folosit bistabile pentru grosul nevoilor de memorie, memorii de amploare.
Primele calculatoare foloseau tuburi Williams - în esență proiectând puncte pe un ecran TV și citindu-le din nou mai târziu, 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 mașinii). Aceste metode destul de neproductive au fost înlocuite cu dispozitive de stocare (memorare) în mediu purtător magnetic, de exemplu memoria cu miezuri magnetice de formă inelară, în care un curent electric era folosit pentru a induce un câmp magnetic remanent (dar slab) într-un material feros, care putea fi citit ulterior, după necesitate pentru a folosi datele. În cele din urmă a apărut memoria dynamic random access memory , DRAM. DRAM-ul este format din bănci (mulțimi grupate) de condensatori, componente electrice care pot reține o sarcină electrică pentru o anumită durată de timp. Scrierea informației într-o astfel de memorie se face prin încărcarea condensatorilor cu o anumită sarcină electrică, iar citirea prin determinarea („măsurarea”) sarcinii acestora (dacă este încărcat sau descărcat).

Periferice de intrare/ieșire

„I/E” („intrare-ieșire”), sau în engleză I/O (de la input/output), este termenul general pentru acele dispozitive prin care un calculator primește informații din lumea exterioară, inclusiv instrucțiuni despre ce să facă, sau trimite înapoi (în afară) rezultatele calculelor sau operațiilor logice pe care le-a efectuat. Rezultatele pot fi destinate ca informații oamenilor, sau pot fi folosite în mod direct (nemijlocit) drept decizii în dirijarea altor mașini; de exemplu în cazul unui robot industrial, cel mai important dispozitiv de ieșire (dispozitiv E) al calculatorului (de robot) înglobat în el creează comenzile detailate necesare pentru toate operațiile (mișcările) mecanice ale robotului propriu-zis.
Prima generație de calculatoare era echipată cu o gamă de dispozitive I/E destul de limitată și cu viteză de execuție redusă; de exemplu, pentru introducerea datelor de calcul și a instrucțiunilor de program se folosea în principal un cititor de cartele perforate sau un dispozitiv asemănător, iar pentru afișarea 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 calculatorul personal de azi, cele mai comune modalități de introducere directă a datelor sunt tastaturile și mausurile, iar principalul mijloc prin care calculatorul prezintă informații către utilizator sunt monitoarele, deși imprimantele sau dispozitivele de generat sunet sunt folosite și ele în mod obișnuit. Alte dispozitive sunt specializate pentru numai anumite tipuri de intrări sau ieșiri, de exemplu aparatul foto digital și scanerul.
Două categorii principale de dispozitive sunt:

Instrucțiuni (software)

Instrucțiunile interpretate de către unitatea de control și executate de UAL nu seamănă deloc cu limbajul uman. Calculatorul cunoaște prin construcție un set relativ mic de instrucțiuni elementare, care sunt simple, bine definite și neambigue. Exemple de instrucțiuni sunt: „copiază conținutul celulei de memorie 5 și plasează rezultatul în celula 10”, „adună conținutul celulei 7 cu conținutul celulei 13 și plasează rezultatul în celula 6”, „dacă conținutul celulei 999 este 0 (zero), următoarea instrucțiune de executat se găsește memorată în celula 30”, dacă nu, „se urmează secvența (șirul de instrucțiuni) mai departe”.
Instrucțiunile calculatorului se împart în patru mari categorii:

În calculator instrucțiunile „externe” sunt memorate și deci reprezentate în cod binar, la fel ca și toate celelalte date de calcul (numere, litere, simboluri). De exemplu, codul în limbaj-mașină pentru una din operațiile de copiere într-un microprocesor fabricat de firma Intel este 10110000, „1” și „0” fiind cele două valori logice binare „înțelese” de microprocesor (computer, mașină).

Programe

Programele de calculator sunt listele de instrucțiuni de executat de către un calculator. Acestea pot număra de la câteva instrucțiuni, care îndeplinesc o sarcină simplă, până 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 să execute peste 4 miliarde de instrucțiuni pe secundă. Compunerea sau scrierea acestor programe este efectuată de către programatori, care pot fi profesioniști, semiprofesioniști sau și amatori, în funcție de temele de rezolvat și mediul de dezvoltare.

Variante constructive de calculatoare

Calculatoarele de astăzi se produc în numeroase forme și prezentări:

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 densităților transversale de neutroni, în proiectarea bombei cu hidrogen. Multe din supercalculatoarele contemporane sunt folosite pentru simulări de arme nucleare. Alte calculatoare au fost utilizate în criptanaliză, de exemplu primul calculator electronic programabil, Colossus.
În domeniul artelor, calculatoarele sunt întrebuințate pentru generarea și editarea de sunet, imagini și video. Astăzi aceste activități sunt efectuate aproape exclusiv pe calculator (computer). De asemenea, industria jocurilor pe calculator este una foarte lucrativă.
Roboții industriali sunt o prezență obișnuită în producția de masă, însă roboții umanoizi încă nu au ajuns la nivelul la care sunt portretizați în literatura de anticipație SF și sunt astăzi doar jucării sau subiecte de cercetare.