Evoluţia Sistemelor de Calcul [PDF]

Zitiervorschau

EVOLUŢIA SISTEMELOR DE CALCUL

I. ABACE SI SOCOTITOARE Acum 4.000 de ani a apărut abacul, primul dispozitiv de calcul, un cadru cu 9 bare pe care culisau 7 bile. Abacul a fost dispozitivul de calcul cu viata cea mai lungă, el fiind folosit încă în China şi Rusia la magazinele de la tară. Abacul roman avea două serii de opt baghete pe care culisau getoane sau bile găurite (abaculi), care arătau progresiv, de la dreapta la stânga, unciile (subunitățile), unitățile, zecile, sutele până la milioane.

Abacul chinezesc (suàn pán) este compus din două serii a câte 13 baghete pe care culisau biluțe găurite, 2 deasupra împărțirii (cu valoare de 5) și 5 dedesubt (cu valoare de 1). Prima baghetă de la stânga reprezenta unitatea, apoi, tot la stânga, zecile și tot așa mai departe conform sistemului zecimal. Abacul era în China deja din sec. al XIII-lea, răspândindu-se în uzul comun abia dup sec. al XIV-lea. Cheng Dawei a scris un manual de folosire a abacului în secolul al XVI-lea.

Abacul japonez (soroban), este compus din 25 de fire verticale a câte 5 bobițe împărțite în patru grupe, în plus mai are o tijă orizontală. Bobițele de sub tijă au valoare de 1, cele de deasupra au valoare de 5. Mutând bobițele cu valoare (report) semidecimală, pot fi efectuate toate operațiunile aritmetice și multe din operațiunile algebrice. Abacul japonez este cel mai rapid dintre toate abacele. Unul din scopurile finale este calculul mintal (fără un soroban în față) - ceea ce japonezii denumesc anzan, iar un utilizator antrenat face operațiuni complexe în minte extrem de rapid. Campionul Japoniei poate aduna mintal 10 numere de câte 5 cifre fiecare în numai 3 secunde. 1

În alte țări abacul este folosit numai ca instrument didactic pentru copii de pe la grădiniță și din primii ani de școală (Numărătoarea). Folosirea abacului în școală este, din punct de vedere pedagogic, recomandat și foarte potrivit întrucât îi ajută pe copii să acceadă la conceptul abstract al numerelor plecând de la obiecte concrete.

Adoptarea sistemului de numeraţie poziţional în locul sistemului de numeraţie nepoziţional roman a permis utilizarea în calcule a tabelelor de adunare şi a tabelelor de înmulţire, care au uşurat calculele aritmetice.

II. MAŞINILE DE CALCULAT MECANICE Matematicianul englez William Oughtred în 1633 a construit o riglă de calcul pentru efectuarea înmulţirilor şi împărţirilor, care apoi a fost perfecţionată de englezul Partridgi în 1662, care a adus-o practic la forma ei actuală.

Omul de știință german Wilhelm Schickard a construit primul calculator numeric mecanic în 1623. Întrucât calculatorul său folosea tehnici cum ar fi roțile dințate, dezvoltate inițial pentru ceasuri, acest calculator a fost denumit „ceas calculator”. 2

Prima maşină veritabilă de calcul ( Pascalina) a fost inventată de matematicianul Blaise Pascal în anul 1642, la varsta de 18 ani. Masina de calcul capabila sa efectueze adunari si scaderi cu numere de 6 cifre ( putea sa faca munca a 6 contabili ai vremii; a construit aceasta masina petru a-l ajuta pe tatal sau, colector de impozite). Pentru realizarea calculelor de adunare şi scădere era folosit un sistem de roţi dinţate, deci principiul de funcţionare era mecanic. Acest principiu de realizare a maşinii de calcul a fost generalizat în întreaga lume şi folosit până de curând. Pe clape se introduceau valorile ce intrau în calcul, iar în ferestrele masinii apareau cifrele rezultatului operatiunii. Principiul a stat la baza „masinii de marcat” a carei viata a fost de peste trei secole si cu o raspândire în întreaga lume.

In anul 1671 Gottfried Wilhelm Leibnitz s-a inspirit din masinaria lui Blaise Pascal si a creat un dispozitiv capabil sa faca toate cele patru operatii aritmetice (adunare, scadere, inmultire, impartire) si radacina patrata a unui numar. Acest dispozitiv era numit Stepped Reckoner.

In anul 1771 Philipp Matthäus Hann a facut un calculator mecanic portabil capabil sa efectueze cu success toate cele patru operatii matematice. Peste un an, Charles Stanhope a proiectat si construit un calculator asemanator cu cel al lui Leibniz, iar in 1786 inginerul J.H. Müller, a conceput idea unui motor diferential.

3

In anul 1801, Joseph Marie Jacquard a costruit un razboi de tesut automat bazat pe cartele perforate. Paşii care trebuiau urmaţi în procesul de ţesut erau determinaţi de modelul perforaţiilor executate pe cartele de hârtie. Acesta este primul automat dirijat de un program perfoarat pe cartele (un portret al inventatorului a fost produs cu ajutorul a 24000 de cartele perforate).

In anul 1820, Charles Xavier Thomas de Colmar a facut Aritmometrul lui, primul calculator produs in masa, vandut timp de 90 de ani.

In anul 1822, Charles Babbage a proiectat primul sau calculator mecanic. Matematicianul englez Charles Babbage, a enunţat o serie de idei moderne pentru organizarea unui calculator şi a introdus în maşina sa analitică şi un bloc de memorare care consta din perforaţii în cartelă şi care păstra datele care urmau să fie prelucrate şi respectiv datele de calcul intermediare.

4

Masina analitica putea sa pastreze rezultate intr-o memorie mecanica cu capacitatea de 1000 numere a cate 50 cifre zecimale. Structura anticipa 5 aspecte cruciale ale viitoarelor calculatoare:  un suport de intrare (Input)  modalitate de stocare a numerelor pentru procesare (Memory)  un procesor sau calculator pentru memorie (Processig)  unitate de control al actiunlor ce trebuie executate  unitate de iesire (Output) In America, în 1879 James Ritty a inventat prima maşină de marcat care calcula, înregistra şi controla vânzările, aceasta s-a perfecţionat ulterior şi a fost folosită în multe magazine. In anul 1885, Eugene Felt construieste „comptometrul” - prima masnia de calcul ce permitea introducerea numerelor prin apasare de taste. Ulterior ii adauga o imprimanta, si-l redenumeste comptograf.

In 1890, Herman Hollerith a folosit ideea reprezentării informaţiilor sub forma perforaţiilor în cartele de hârtie şi a realizat un mare calculator utilizat pentru înregistrarea şi prelucrarea datelor din recensământul din SUA, care a durat astfel doar 3 ani. Maşinile cu cartele perforate ale firmei Hollerith s-au perfecţionat şi producţia lor a crescut vertiginos, astfel că în 1924 după mai multe fuziuni a fost creată International Business Machines Corporation- IBM- fiind şi astăzi cea mai mare companie de calculatoare din lume căreia i se datorează deschiderea pieţei de computere personale (PC - IBM compatibile).

Aceste maşini erau caracterizate prin următoarele:

 Viteza de lucru era limitată, fiecare operaţie mai complicată durând câteva secunde.  Uzura maşinilor era destul de ridicată.  Antrenarea lor se făcea cu motoare mecanice, de obicei prin curele de transmiterea puterii.  Pentru fiecare operaţie trebuia dată o comandă manuală.  Introducerea datelor se făcea manual, prin intermediul unui sistem de clape.  Maşinile lucrau independent una de alta, fără să poată fi interconectate  Prin folosirea cartelelor, se puteau folosi rezultatele date de o maşină ca date de intrare pentru altă maşină.

5

III. MASINILE ELECTROMECANICE DE CALCULAT Maşinile electromecanice si-au făcut apariţia în 1920, o dată cu apariţia electricităţii, forţa motrice motoare a fost înlocuită cu forţa motrice electrică. Acestea au folosit mult mai uşor cartela perforată, uşor de citit şi perforat de către dispozitivele electromagnetice, astfel încât rezultatele obţinute de o maşină puteau fi folosite ca date de intrare pentru altă maşină. Astfel în perioada 1920..1930 au fost perfecţionate maşinile cu cartele perforate, ele prelucrând şi informaţii alfanumerice care cuprindeau statele de plată, fisele de magazie, etc. In anul 1928 Taushek a descoperit principiul tamburului magnetic pentru înregistrarea informaţiilor, principiu folosit şi azi la calculatoarele PC, pentru memoria externă cu dischete. Profesorul Howard Aiken de la Universitatea Havard împreună cu specialiştii firmei IBM Corporation, a construit în 1940 prima maşină electromecanică complexă de calculat, numită Mark 1. Această maşină folosea relee electromagnetice controlate electronic (avea 400 de relee electronice si 3 teleimprimatoare; putea inmulti 2 numere mari in 1 min) şi folosea sistemul de introducerea, stocarea şi prezentarea rezultatelor pe cartele perforate. Procesul de prelucrare putea fi modificat prin schimbarea pachetului de cartele perforate.

IV. PRIMELE MAŞINI DE CALCULAT ELECTRONICE Intre anii 1937-1941, John Atanasov şi asistentul său Clifford Berry aplică tehnologia lămpilor cu vid pentru a construi calculatoare digital integral electronice (folosea tuburi cu vid si circuite logice pentru calcule; efectua o adunare pe secunda).

. 6

In anul 1941, Konrad Zuse construieste Z3, primul calculator cu program inregistrat pe banda:  4 adunari pe secunda si o inmultire in 4 secunde  avea 2600 relee (1400 pentru memorie, 600 petru unitatea aritmetica si restul pentru diferite circute de control)  un cititor de benzi, o consola petru operator  putea stoca 64 numere de 22 biti  considerat de unii drept primul computer in sensul actual  a fost distrus in aprilie 1945, in timpul unui bombardament anglo-american

La cererea şi cu subvenţia armatei în SUA a apărut primul calculator electronic, ENIAC (Electronic Numeric Integrator and Computer). El a fost realizat la Universitatea din Pennsylvania sub conducerea savanţilor Mauchly şi Eckert, în perioada 1942…1945 şi a fost inaugurat la 16 februarie 1946, fiind în funcţiune până în anul 1955. Acest calculator a cântărit 30 tone, avea cca. 45 m lungime şi era construit din 50.000 de comutatoare şi 18.000 de tuburi electronice. Putea să execute 5.000 de adunări sau scăderi cu 10 cifre pe secundă, depăşind de 1.000 de ori rapiditatea celor mai performante maşini de calcul electromecanice. Din cauza tuburilor care se ardeau destul de des, comenzile erau realizate de două ori, cu întreruperi în care se introduceau date de test pentru depistarea tuburilor arse.

ENIAC avea un pupitru de comanda cu 40 panouri cu borne pentru fise cu cabluri de legatura. Programarea se facea manual prin introducerea fiselor cu cabluri în diferite borne (ca în centrale telefonice) si pozitionarea mai multor comutatoare pe panoul de comanda. Datele erau introduse pe cartele perforate. Acest calculator avea în componenta sa 18.000 de tuburi electronice, ocupa o suprafata de 160 metri patrati si avea o greutate de circa 30 tone. Viteza de calcul era de 1900 de adunari sau scaderi cu numere de 10 cifre, pe secunda, depasind de 1000 ori rapiditatea celor mai performante masini de calculat clasice. Consumul energetic era enorm iar pentru introducerea unui grup de comenzi era nevoie de mai multe ore si chiar zile. Verificarea dura alte câteva zile si 7

presupunea verificarea instalatiilor electronice de prelucrare, cât si aspectul logic al informatiei. Limbajul utilizat era în cod masina. In 1944 matematicianul John von Neumann a lansat ideea programului înregistrat, pentru care o maşină de calcul trebuie să fie dotată cu un dispozitiv de memorare a datelor şi comenzilor şi care trebuie să lucreze cu o viteză mare şi trebuie să permită înregistrarea simplă şi rapidă a informaţiilor. Astfel au apărut noţiunile de algoritm de rezolvare a unei probleme şi programul de prelucrare a algoritmului, a secvenţelor de comenzi şi memorare date. John von Neuman a recomandat constructorilor de calculatoare 3 principii care sa fie utilizate la realizarea unor calculatoare complexe şi rapide:  Programele şi datele trebuie să fie codificate sub formă binară;  Programele şi datele trebuie păstrate în memoria calculatorului;  Trebuie să existe o unitate centrală de prelucrare care trebuie să poată extrage, decodifica şi executa instrucţiunile programului. Pornind de la teoria lui Neumann a fost construit EDVAC (Electronic Discrete Variabile Computer)

Fizic, computerul a cuprins următoarele componente:  o banda magnetica cititor recorder  o unitate de control cu un osciloscop  o unitate de dispecer pentru a primi instrucţiuni de la memorie şi de control şi dirijarea lor către alte unităţi  o unitate de calcul pentru a efectua operaţii aritmetice pe o pereche de numere la un moment dat şi trimite rezultatul la memorie, după verificarea pe o unitate duplicat  un cronometru  o unitate de memorie dual constând din două seturi de 64 de mercur acustice linii de întârziere de opt capacităţii de cuvinte pe fiecare linie  trei rezervoare temporare de fiecare exploataţie un singur cuvant În 1949 John Von Neumann a avut ideea de a introduce în interiorul calculatorului, atât datele initiale cât si programul de calcul ceea ce a condus la crearea primului calculator cu program memorat care putea fi programat direct de catre operator. La începutul anilor 1950 a fost livrat primul calculator comercial UNIVAC (Universal Automatic Computer) primul calculator comercial si considerat reprezentantul generatiei a I-a de calculatoare. Aşa a început prima generaţie de calculatoare electronice. 8

În anul 1971 este produs si primul microcalculator MICRAL de catre firma R2E (Franta) care a utilizat microprocesorul 8008 produs în acelasi an de firma INTEL. La scurt timp INTEL realizeaza a doua generatie de microprocesoare reprezentata de microprocesorul I 8080. In anul 1976, Steve Jobs si Steve Wozniak costruiesc intr-un garaj primul microcalculator de succes: APPLE I (se putea conecta la televizor; era programabil in BASIC; memorie RAM de 8 kB; memoria ROM avea 256 octeti.

Apple II este primul computer care putea sa afiseze grafice color.

La sfârsitul anilor ’70 din secolul trecut (în 1978), apare microprocesorul I.8086, care marcheaza trecerea de la microprocesoarele de 8 biti la cele pe 16 biti. Capacitatea de memorare a crescut substantial, profilându-se folosirea memoriilor semiconductoare dinamice de foarte mare capacitate de azi, a memoriilor pe disc magnetic dur (hard disk) si a memoriilor optice. În anul 1982 apare microprocesorul I.80286 în componenta sa intrând si dispositive sistem precum si mecanisme de memorare virtuala, multitasking si de protectie. Aparitia microprocesorului 80386 în anul 1985 realizeaza trecerea la microprocesoarele pe 32 de biti. Fata de acesta, microprocesorul 80486 si urma -toarele (din seria Pentium) au coprocesorul matematic înglobat în acelasi circuit si viteze de calcul mult marite, lucrând la frecvente (ceas) de 100 ¸ 1000 MHz sau mai mari. Generatia a V-a, spre care se tinde, va fi dotata cu circuite integrate tri-dimensionale, cu retele neuronale, cu sisteme speciale de comanda si recunoastere a amprentei vocale, cu posibilitati de analiza, interpretare si decizie etc. 9