De la maimuţă la om şi de la om la Android…
Cel mai vechi mecanism cunoscut care se pare că putea funcţiona ca o maşină de calculat se consideră a fi mecanismul din Antikythira, datând din anul 87 î.e.n. 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 dintâi 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 calculatoare analoage, foarte specializate şi din ce în ce mai sofisticate. Perfecţionarea 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 (biţi) în loc de semnale electrice sau mecanice. Este greu de precizat care a fost primul calculator digital; realizări notabile au fost: calculatorul Atanasoff-Berry, maşinile Z ale germanlui Konrad Zuse - de exemplu calculatorul electromecanic Z3, care, deşi foarte nepractic, a fost probabil cel dintîi calculator 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, 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 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 calculatoarelor. Din anii 1970, adoptarea circuitelor integrate a coborât şi mai mult preţul şi dimensiunea calculatoarelor, permiţând printre altele şi apariţia calculatoarelor personale de acum.
- Funcţionarea arhitecturii von Neumann -
Deşi design-ul şi performanţele calculatoarelor s-au îmbunătăţit dramatic în comparaţie cu anii 1940, principiile arhitecturii von Neumann sunt în continuare la baza aproape tuturor maşinilor de calcul contemporane. Ea este denumită aşa 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 şi dispozitivele de intrare/ieşire (prescurtat I/E). Acestea sunt interconectate cu un mănunchi de fire numit magistrală pe care circulă datele de calcul şi datele de program (instrucţiuni) şi sunt conduse în tactul unui ceas (şir de impulsuri continuu). 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 spun calculatorului ce să facă, iar datele sunt acele informaţii care trebuie prelucrate conform cu instrucţiunile. În principiu orice celulă poate stoca (memora) atât instrucţiuni cât şi date. Interesant este şi cazul când una sau mai multe instrucţiuni, deja stocate în memorie, sunt privite de către alte instrucţiuni drept date de prelucrat/modificat şi sunt deci ele însele modificate dinamic („în mers“), după necesitate. UAL este din multe puncte de vedere „inima“ calculatorului. Aceasta este capabilă să efectueze mai multe tipuri de operaţii, de exemplu operaţii aritmetice (adunare, înmulţire ş.a.), operaţii de comparaţie, operaţii de manevrare a datelor (duplicare, mutare, trunchiere ş.a.). Sistemele de I/E sunt dispozitive prin care calculatorul preia informaţii din lumea exterioară şi raportează înapoi rezultatele. Într-un calculator personal obişnuit, dispozitive de intrare sunt de exemplu tastatura şi mausul, iar dispozitive de ieşire sunt monitorul şi imprimanta. Există şi dispozitive I/E combinate, atât pentru intrare cât şi pentru ieşire, de exemplu modemul, placa de reţea şi discul dur 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 (intrare/ieşire), să decodeze instrucţiunile, să ofere UAL (unităţii aritmetico-logice) date de intrare corecte conform cu instrucţiunea, să comande UAL ce anume operaţie să efectueze asupra intrărilor, precum şi să trimită (scoată afară) rezultatele, adică să "scrie" în memorie sau către dispozitivele de ieşire, „E”. O componentă cheie a unităţii de control este un contorul (numărătorul) de instrucţiuni. El conţine la orice moment adresa instrucţiunii curente din secvenţa de program în execuţie, şi numără instrucţiunile, fiind astfel în permanentă schimbare. Fizic, începînd din anii 1980, UAL şi unitatea de control se plasează unitar în acelaşi circuit integrat numit "unitate centrală de procesare", (central processing unit, CPU ) sau microprocesor sau şi procesor. Miniaturizarea continuă a dus printre altele şi la apariţia aşa numitelor unităţi grafice de procesare, (graphic processing unit, GPU), care comandă şi coordonează toate operaţiunile de afişare pe ecranul calculatorului - în locul plăcii de extensie pentru grafică. Pentru arhitectura calculatoarelor s-au adoptat numeroase 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 rapide pot avea înglobate mai multe procesoare, vezi şi articolul supercomputer. Fiecare procesor (CPU) include o unitate de control precum şi unul sau mai multe nuclee de proces logic-aritmetic, fiecare dispunînd de o UAL proprie.
- 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 electronice care pot efectua operaţii din algebra booleană şi aritmetica binară. Dar 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 electronice - tuburi electronice cu vid, dispozitive 100% electronice, folosite pînă atunci în electronica analogă pentru proprietăţile lor de amplificare, dar care au putut fi utilizate şi drept comutatoare (elemente de bază în construcţia calculatoarelor) de stare, 1→0 sau 0→1. Aranjînd corect porţi logice binare , 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 „transportul” este transmis către cifrele din stînga. În consecinţă, 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 (tuburi) - deci chiar şi pentru sisteme minimale e nevoie de un număr considerabil de componente. Lămpile electronice erau caracterizate de cîteva limitări severe în folosirea lor pentru construcţia porţilor logice: erau scumpe, puţin fiabile, ocupau mult spaţiu şi consumau cantităţi mari de curent. Deşi erau incredibil de rapide faţă de releele electromecanice, aveau şi ele totuşi o viteză de operare relativ limitată. Astfel că începînd din anii 1960 lămpile (tuburile electronice) 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 1960-'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 (numită cip). Din anii '70, UAL-urile combinate cu unităţi 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 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 electronice 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, numite „cu acces direct” . Însă puţine designuri de calculatoare au folosit bistabile pentru grosul nevoilor de memorie, memorii de amploare . Primele calculatoare 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 (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 cîmp 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 (mulţimi grupate) de condensatori, componente electrice care pot reţine o sarcină electrică pentru o anumită durată de timp. Scrierea informaţiei 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). (Sursa: Wikipedia.org)
