ISTORIA CALCULATORULUI

ELEVI:GÎNDAC ALEXANDRU IONUȚ PARASCHIVESCU RAREȘ IOAN

PROFESOR COORDONATOR:MARCELA V. MIHAI

1. Istoric

2. Arhitectura von Neumann

3. Circuite Digitale (hardware)

4. Memorare de date

5. Periferice de intrare/iesire

6. Instructiuni (software)

6.1. Programe

6.2. Biblioteci si sisteme de operare

7. Variante constructive de calculatoare

8. Utilizare

8.1. Retele de calculatoare si Internetul

CUPRINS

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

O data cu revigorarea matematicii si a stiintelor in timpul Renasterii europene au aparut o succesiune de dispozitive mecanice de calculat, bazate pe principiul ceasornicului, de exemplu masina iventata de Blaise Pascal. Tehnica de stocare si citire a datelor pe cartele perforate a aparut in secolul al XIX-lea.

In acelasi secol Charles Babbage este cel diintai care proiecteaza o masina de calcul complet programabila (1837), insa din pacate proiectul sau nu va prinde roade, in parte din cauza limitarilor tehnologice ale vremii.

1. Istoric

In prima jumatate a secolului al XIX-lea,nevoile de calcul ale comunitatii stiintifice erau satisfacute de calculatoare analoage, foarte specializate si din ce in mai sofisticate. Perfectionarea electronicii digitale ( datorata lui Claude Shannon inanii 1930) a condus la abandonarea calculatoarelor analogicein favoarea celor (numerice),care modeleaza problemele in numere (biti) in loc de semnale electrice sau mecanice. Este greu de precizat care a fost primul calculator digital; realizari notabile au fost: calculatorul Atanasoff-Berry,masinile Z ale germanului Konrad Zuse - de exemplu calculatorul electromecanic Z3, care desi foarte nepractic, a fost probabil cel dintai calculator universal,apoi calculatorul ENIAC cu o arhitectura relativ inflexibila care cere modificari ale cablajelor la fiecare reprogramare, precum si calculatorul secret britanic Colossus, construit pe baza de lampi si 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 aprope tuturor masinilor de calcul actuale. Primul sistem construit pe arhitectura von Neumann a fost EDSAC.

In anii 1960 lampile (tuburile electromice) au fost inlocuite de tranzistori,mult mai eficienti,mai mici, mai ieftini si mai fiabili,ceea ce a dus la miniaturizarea si ieftinirea calculatoarelor.Din anii 1970, adoptarea circuitelor integrate a coborat si mai mult pretul si dimensiunea calculatoarelor, permitand printre altele si aparitia calculatoarelor personale de acum.

Desi design-ul si perfomantele calculatoarelor s-au inbunatatit dramatic in comparatie cu anii 1940,principiile arhitecturii von Neumann sunt in continuare la baza aprope tuturor masinilor de calcul contemporane. Ea este denumita asa dupa renumitul matematician austroungar John von Neumann

Aceasta arhitectura descrie un calculator cu patru module importante: unitatea aritmetica-logica (ULA), unitatea de control (UC), memoria centraala si dispozitivele de intrare/iesire (prescurtat I/E). Acestea sunt interconectate cu un manunchi de fire numit magistrala pe care circula datele de calcul si datele program (instructiuni) si sunt conduse in tactul unui ceas ( sir de impulsuri comtinu ).

2. Arhitectura von Neumann

Conceptul, memoria unui calculator poate fi vazuta ca o multime de "celule" numerotate. Fiecare celula primeste drept adresa un numar unic propriu:ele pot inmagazina o cantitate mica, prestabilita de informatie. Informatia poate fi ori o instructiune, ori date propriu-zise.Instructiunile spun calculatorului ce sa faca, iar datele sunt acele informatii care trebuie prelucrate conform cu instructiunile. In principiu orice celula poate stoca(memora) atat instructiuni cat si date. Interesant este si cazut una sau mai multe instructiuni, deja stocate in memorie, sunt privite de catre alte instructiuni drept date de prelucrat/modificat si sunt ele insele modificate dinamic ("in mers"),dupa necesitate.

Alte arhitecturi intrebuintate la calculatoarele de uz general sunt de exemplu arhitectura Harvard si arhitectura Dataflow.

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 șiaritmetica 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.

3. Circuite digitale (hardware)

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 dereleele electromecanice, aveau și ele totuși o viteză de operare relativ limitată.

Astfel că începând din anii 1960 lămpile (tuburile electronice) au fost înlocuite cutranzistori, 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

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.

4. Memorare de date

In 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).

„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.

5. Periferice de intrare/ieșire

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 șimausurile, 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:

• dispozitivele secundare de stocare: dischetele, unitățile CD, DVD, discurile dureși altele; capacitățile de stocare a datelor pot diferi foarte mult între ele.

• precum și dispozitivele pentru conectarea la rețele de calculatoare. Posibilitatea de a interconecta calculatoarele pentru a transfera date și informații între ele a deschis calea unei mulțimi de noi aplicații. Internetul, și aici în special World Wide Web, permit miliardelor de calculatoare de pe glob să se lege unele cu altele pentru a transfera între ele informații de toate tipurile.

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”.

6. Instrucțiuni (software)

Instrucțiunile calculatorului se împart în patru mari categorii:

1.mutare de date dintr-o locație în alta (instrucțiuni de transfer),

2.executare de operații aritmetice și logice asupra datelor (instrucțiuniaritmetice, instrucțiuni logice),

3.testare a unor condiții, de exemplu „conține celula de memorie nr. 999 un 0?” (instrucțiuni de testare sau de condiție),

4.modificare a secvenței (șirului) de operații (instrucțiuni de comanda propriu-zise).

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). În completarea exemplului de mai sus, se poate intui că o instrucțiune de adunare în respectivul Intel-microprocesor trebuie să fie reprezentată altfel decât cea de copiere, de exemplu 01001110. Mulțimea de instrucțiuni implementate într-un calculator (computer) formează și este numit limbajul mașină al acelui calculator.

Simplificat vorbind, dacă două calculatoare au CPU-uri (unități centrale de procesare) care răspund la fel la același set de instrucțiuni, programele (executabile) scrise pentru unul pot rula și pe celălalt aproape fără modificări, dar de exemplu cu viteze diferite. Ușurința portabilității este o motivație pentru proiectanții de calculatoare ca ei să nu modifice radical design-urile existente, decât pentru motive serioase.

• 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.

• În practică, programele nu se mai scriu demult în limbajul mașină al calculatorului. Scrierea în limbaj-mașină era extrem de laborioasă și erorile se puteau strecura ușor, ceea ce putea provoca scăderea productivității la programare. Actualmente programele dorite sunt de obicei descrise/scrise într-un limbaj de programare de nivel mai ridicat (superior), care, înainte de a putea fi executat, este tradus automat înlimbaj-mașină de către programe specializate (interpretoare și compilatoare), adică într-o „limbă” inteligibilă mașinii de calcul (computerului).

6.1. Programe