Ce este un calculator

Ceea ce indeparteaza oamenii de intelegerea computerelor este acel element de mister din jurul acestora. Pentru majoritatea, imaginea unui calculator este aceea a unei masini ganditoare, ceva mai "inteligenta" decat dumneavoastra si pe care nu o puteti pricepe. Unii vorbesc chiar de un "creier electronic" si prin urmare utilizarea unei asemenea masini (ca sa nu mai vorbim de programare) pare la fel de delicata si solicitanta ca si o operatie pe creier. Multi experti chiar sugereaza acest lucru si in plus ideea ca trebuie cu orice pret consultat un "guru" inaintea cumpararii si instalarii unui calculator, altminteri e mare nenorocire. Cu atata fragilitate in jur, absenta sfaturilor unui expert poate provoca un adevarat dezastru. Ceea ce este insa mai ciudat, e faptul ca dimensiunea "sfaturilor" este invers proportionala cu suma care va ramane in buzunar.

Realitatea este ca nici un calculator nu se apropie de gandirea umana mai mult decat o face o masina de spalat. El nu are emotii, sentimente, motivatii si nici vointa. Cu alte cuvinte, nu face nimic de la sine fara a fi instruit in prealabil si fara a i se specifica fiecare pas ce trebuie urmat. Impulsurile sale nu sunt altceva decat impulsuri electrice, desigur atent controlate.

Totusi calculatoarele sunt utile prin faptul ca va fac viata mai usoara si mai distractiva. Aceasta utilitate insa nu vine de la partea sa fizica, de la acea cutie de tabla pe care o aveti sub birou si pe care o vom numi de acum inainte hardware[1] ci de la partea logica, de la programele pe care le ruleaza si pe care le vom numi software. Fara nici un ajutor, un computer nu face nimic. Este ca un om fara minte. Departe de a-si folosi vasta inteligenta intr-un complot pentru preluarea controlului asupra lumii sau asupra timpului dumneavoastra liber, un computer nu este deloc imaginativ. El nu face decat sa va execute ordinele. In loc sa creeze noi idei, computerele va ajuta in schimb sa dati viata ideilor, sa va depasiti posibilitatile fizice. Intr-un cuvant, un computer este o unealta.

Evolutia sistemelor de calcul. Scurt istoric

Pentru a ne imagina imensul salt tehnologic la care asistam, consideram ca este utila o prezentare a sistemelor de numeratie, a evolutiei calculelor si implicit a masinilor de calcul.

Sistemul de numerotare folosit in mod curent de catre omenire, dupa cum stim, este sistemul zecimal, bazat pe cifrele de la 0 la 9. Numele "zecimal" provine din latinescul decem care inseamna zece. Stim bine ca acest sistem s-a impus in Europa in jurul secolului XIII si provine din sistemul de numerotare arab, care la randul sau a fost "importat" de la hindusi. Acest sistem se mai numeste si sistem in baza 10 sau sistem radix-10, unde termenul "radix" vine tot din latinescul cu acelasi nume si care semnifica radacina. In mod cert, sistemul zecimal a fost  universal adoptat datorita faptului ca avem zece degete. Daca am fi avut 8 sau 16 degete, probabil ca am fi folosit sistemul in baza 8 sau in baza 16 (si astfel ne-am fi apropiat mai mult de sistemul de numerotare al computerelor). Astfel, de ce sa nu recunoastem, primul instrument pe care oamenii l-au folosit pentru a calcula - iar unii il folosesc chiar si in zilele noastre - au fost propriile lor degete. Poate nu este o coincidenta faptul ca englezescul "digit" se refera atat la deget cat si la o expresie numerica.

Probabil ca, intre anii 30.000 - 20.000 IC, pentru a reprezenta numerele mai mari, primii oameni foloseau obiectele disponibile in imediata lor vecinatate, cum ar fi mici bucati de piatra. Avantajul acestei metode in comparatie cu numararea "pe degete" era acela ca rezultatul reprezentarii poate fi astfel stocat si puteau fi efectuate calcule (sigur, cu conditia sa nu miste nimeni pietrele). Din nou, nu este o coincidenta faptul ca termenul de "calcul" provine din latinescul similar calculum care inseamna bucata mica de piatra.

Cele mai vechi obiecte folosite pentru a reprezenta numere au fost oasele care prezentau crestaturi. Aceste oase, descoperite in Europa de Vest, dateaza din perioada Aurignaciana, acum 20.000-30.000 de ani, si corespund aparitiei "Omului de Cro-Magnon". Astfel, in anul 1937 a fost descoperit in Cehoslovacia un os de lup, vechi de peste 20.000 de ani si care prezenta crestaturi grupate cate 5[2].

Sistemul nostru zecimal este un sistem pozitional, adica semnificatia unui numar depinde de pozitia in care se afla si de semnificatia numarului insusi. De exemplu, numarul 3 pe prima pozitie inseamna pur si simplu 3; pe a doua pozitie inseamna 30 si asa mai departe. Astfel, un sistem de numerotare care se divide prin multe numere, in special mici, prezinta numeroase avantaje pentru operatiile aritmetice. Sistemul zecimal pozitional, provine de la babilonieni, care foloseau in jurul anului 1900 IC un sistem de numerotare pozitional in baza. 60, considerat ca fiind primul sistem pozitional aparut. Desi pare a fi o baza foarte mare, 60 este cel mai mic numar care se divide perfect cu 2, 3, 4, 5 si 6, permitand de asemenea lucrul in sub-bazele 6 si 10.

Tot legat de babilonieni, in perioada 1000 - 500 IC a aparut primul mecanism de calcul si anume abacul, desi unii experti considera ca acesta ar fi fost inventat de chinezi, in aceeasi perioada. Cuvantul abac provine din latina, care l-a preluat din grecescul abax venit prin filiera feniciana (abak) si care semnifica "nisip". Unii considera insa cuvantul de provenienta ebaica (abhaq) care semnifica "praf". Aproape sigur primul abac a fost format din mici pietre plasate pe linii desenate pe nisip. Ulterior acestea au fost inlocuite cu bete, sau bucati de piele insirate pe fire de par impletite. Au existat diferite variante de abac, insa cele mai populare au fost cele intr-un sistem de numerotatie dublu, in baza 2 si in baza 5, simulandu-se astfel sistemul zecimal. Abacul nu este considerat un calculator mecanic ci primul mecanism care ajuta la efectuarea calculelor.

Primele diagrame logice pentru a reprezenta conceptele si relatiile dintre ele dateaza din jurul anului 350 IC, moment in care Aristotel folosea structuri arborescente pentru a reprezenta relatiile si sub-relatiile dintre diferite elemente. Asemenea diagrame, intalnite si in operele medievale, sunt cunoscute sub denumirea de "Arborele lui Porphyry". Acest gen de reprezentari logice au ramas neschimbate pana in anul 1761 cand genialul matematician Leonhard Euler a introdus un sistem geometric care putea genera solutii la probleme urmandu-se o structura logica.

Conceptul de zero si conceptul de numar negativ au aparut cu mult dupa numerele naturale, deoarece oamenii nu erau capabili sa-l inteleaga. Primii care l-au folosit au fost tot babilonienii care reprezentau zero printr-un spatiu liber. Pentru ei, conceptul de zero semnifica doar absenta. Zero, aproximativ in acceptiunea de astazi, apare in India in jurul anului 600. Numerele negative insa apar mult mai aproape de zilele noastre, nefiind bine intelese pana prin perioada moderna. Multa vreme numerele negative, desi aparute in calculele unor matematicieni renumiti, au fost considerate ca fiind dincolo de infinit.

Primul om din istoria logicii formale care a folosit un dispozitiv mecanic pentru a genera concepte logice a fost teologul spaniol Ramon Lull care in 1274 a construit o serie de dispozitive numite discurile lui Lull, considerate primele dispozitive logice. Acestea contineau un numar diferit de cuvinte, cifre sau simboluri iar prin rotire se combinau in diferite forme rezultand expresii logice. Mai tarziu aceste idei ale lui Lull au aprins imaginatia multor savanti, cum ar fi Gottfried von Leibnitz.

In jurul anului 1300, filozoful si teologul englez William din Occam pune bazele unei logici speciale, care mai tarziu, peste aproximativ 500 de ani, va fi numita "transformarea DeMorgan", un set de concepte ce stau la baza aritmeticii in baza 2. Dealtfel, limbajul de programare OCCAM a fost denumit astfel in onoarea sa.

Cele mai multe surse il citeaza pe matematicianul Blaise Pascal ca fiind inventatorul primei masini de calculat din lume. Realitatea este insa aceea ca prima masina de calculat a fost gandita de Leonardo da Vinci cu aproape 150 de ani inaintea lui Blaise Pascal. Contributia sa in acest domeniu a ramas necunoscuta pana in 1967 cand au fost descoperite doua dintre carnetele sale de notite. Acestea contineau desenul unui calculator mecanic datat in jurul anului 1500[3]. Dupa aceasta descoperire, IBM a avut curiozitatea sa-l construiasca, rezultand un model perfect functional .

In 1600, matematicianul scotian John Napier, cunoscut pentru ca a pus bazele logaritmilor, a conceput un sistem de calcul numit "Zarurile lui Napier", fiind astfel initiatorul riglelor de calcul. Acest sistem nu era altceva decat o modalitate tabelara de calcul matematic, semiautomatizata[5]. William Oughtred a folosit in 1621 logaritmii lui Napier pentru a realiza riglele sale de calcul, instrumente extrem de performante care au rezistat peste 300 de ani, pana in zilele noastre.

Din nou Blaise Pascal este detronat de pe pozitia de prim inventator la unei masini de calculat, cu 50 de ani mai devreme, de catre astronomul si matematicianul german Wilhem Schickard care intr-o scrisoare catre Johanner Kepler afirma ca a inceput lucrul la masina sa de calculat. Acesta scria ca a construit o masina care ". calculeaza automat numerele introduse adunandu-le, scazandu-le, inmultindu-le si impartindu-le". Din pacate, nu exista nici un exemplar original al acestei masini, insa pe baza documentelor sale s-a construit o masina functionala.

In 1640, Blaise Pascal construieste prima masina mecanica de calculat, ajutat si finantat de tatal sau[6]. Modelul devine operational in 1642 iar in urmatorii 10 ani el construieste 50 de asemenea masini. Masina putea doar adauga si scadea numere iar inmultirea si impartirea se facea prin serii succesive de adunari respectiv scaderi. La un nivel mai avansat de analiza, masina de fapt stia doar sa adune numerele, deoarece scaderea era efectuata prin adunarea unui numar cu complementul celuilalt numar . Surprinzator, computerele moderne lucreaza exact dupa acelasi principiu.

In 1670, preluand ideea lui Pascal, Gottfried von Leibnitz a imbunatatit masina de calculat a lui Pascal integrand operatii de inmultire, impartire si extragere a radacinii patrate. Ca element informativ, Leibnitz a fost acceptat la studii universitare la varsta de 15 ani pe care le-a si absolvit doi ani mai tarziu fiind un sustinator al utilizarii sistemului binar de numeratie[8]. Masinile lui Pascal si Leibnitz sunt considerate a fi "stramosii" calculatoarelor de astazi, iar variante dupa asemenea dispozitive s-au produs pana la aparitia echivalentelor lor electronice, in jurul anilor 1970.

Cei care iau pentru prima data contact cu un computer se asteapta probabil ca tastele sa fie dispuse in ordine alfabetica. In realitate acestea sunt dispuse dupa frecventa utilizarii acestora si este interesant de stiut ca primul patent englezesc al unei masini de scris si implicit al unei tastaturi dateaza din 1714, obtinut fiind de catre inginerul Henry Mill. Din pacate, masina sa de scris nu a fost niciodata realizata.

In anul 1800, un tesator francez numit Joseph-Marie Jaquard a inventat o metoda de a controla automat procesul tehnologic prin inregistrarea pe o cartela perforata a unui sablon de proces. Ideea acestuia a stat la baza numeroaselor aplicatii automate in vremea respectiva precum redarea melodiilor de catre pianele automate iar mai tarziu a constituit una dintre primele forme de stocare a informatiei pentru computere[9].

Primul dispozitiv considerat a fi un computer in intelesul modern al termenului a fost conceput in 1822 de catre matematicianul englez Charles Babbage. In acea vreme, tabelele matematice precum logaritmii si functiile trigonometrice erau facute de echipe de matematicieni care lucrau in permanenta. Acestia se numeau calculatori ("computers" in engleza) si de aici provine si termenul, folosit initial pentru a descrie o profesie si nu o masina. Babbage a propus construirea unei masini, numita motor diferential, care sa calculeze automat aceste tabele. Ideea a stat la baza conceptiei unei masini mult mai complexe, numita "motor analitic". Abia peste 150 de ani de la conceptie masina a fost realizata pe baza schitelor originale. Aceasta avea peste 4000 de componente si cantarea 3 tone. Din 1830 si pana la moartea sa, Babbage a lucrat la "motorul analitic", o extensie mult mai sofisticata a ideii sale de baza. Motorul analitic folosea cartelele inventate de Jaquard pentru a controla deciziile, fiind prima masina care efectua calcule bazate pe rezultatele anterioare. Programul pentru aceasta masina a fost realizat de Augusta Ada Lovelace, fiica poetului englez Lord Byron, considerata ca fiind primul programator din istorie.

In perioada in care Babbage lucra la motorul sau analitic, un alt matematician, George Bool punea bazele unei alte forme de matematica, numita matematica in baza 2 care folosea doar doua cifre, 0 si 1. Algebra sa, numita si algebra booleana, a ramas accesibila doar filozofilor si logicienilor din acea perioada, pana in epoca moderna, cand un tanar student, numit Claude Shannon a descoperit, in 1938, importanta ei in designul electronic.

In 1857, la 20 de ani dupa inventarea telegrafului, Sir Charles Wheatstone realizeaza prima forma de stocare si transmisie a datelor sub forma benzilor de hartie care si-a gasit imediat aplicabilitate in telegrafie. Banda de hartie folosea doua randuri de orificii pentru a reprezenta punctele si liniile alfabetului Morse. Astfel, mesajele puteau fi pregatite, transmise si stocate. Bazandu-se pe aceasta idee, primii designeri de computere au sesizat importanta acestui procedeu pentru stocarea datelor. Astfel au aparut benzile pentru computer, cu 5 canale, fiecare linie reprezentand le la 1 la 32 de caractere. Odata cu necesitatea stocarii mai multor caractere, numarul canalelor a crescut la 6 si apoi la 8. Modelele ulterioare de cititoare pentru asemenea benzi foloseau un spot luminos si un senzor de lumina care sesiza prezenta sau absenta orificiilor, prin fata acestuia derulandu-se banda de hartie. Astfel se facea citirea datelor.

In 1874, Christopher Latham Sholes inventeaza prima tastatura ergonomica, in care dispunerea tastelor s-a facut in functie de frecventa utilizarii acestora. Astfel a aparut modelul de tastatura folosit si in prezent, tastatura QWERTY.

In 1937, George Rober Stibitz de la Bell Laboratories construieste primul calculator de numere complexe electromecanic, bazat pe relee, numit "Model K" cu care face in 1940 o spectaculoasa demonstratie la New Hampshire. Tot in acelasi an, Alan Turing, un genial matematician englez, proiecteaza conceptual un model teoretic al unui computer, numit "Masina Turing".

Era computerelor moderne incepe insa in perioada 1939-1944 cand a fost construit primul computer digital din lume IBM de catre Howard H. Aiken, computer numit Harvard Mark I.  Acesta avea peste 750.000 de componente, in mare parte electromecanice, cantarea aproximativ 5 tone. Era capabil sa lucreze cu numere de 23 de cifre pe care le aduna sau le scadea in 13 milisecunde, la inmultea in 4 secunde si le impartea in 10 secunde .

In 1943, un inginer german numit Konrad Zuse a inceput constructia unui calculator numit Z4. In realitate, Zuse construise primul calculator, numit Z3 in 1941, care astfel antedateaza Mark I, insa Z3 a fost distrus in timpul bombardamentelor. Masinile Z erau bazate tot pe principii electromecanice, fiind capabile sa utilizeze numere binare si numere in virgula mobila si foloseau pelicula veche de film pentru a stoca datele tot prin procedee optice.

In acelasi timp, Turing incepe constructia unei masini capabile sa decodifice codurile germane ("COLOSSUS"), masina care avea la baza tuburi electronice. Acest dispozitiv, construit pentru un scop precis, desi nu a fost considerat un computer, este totusi prima masina de calcul programabila care foloseste tuburi electronice.

La mijlocul anilor 1940 (1943-1946), s-au inlocuit releele si dispozitivele electromecanice cu tuburi electronice, mult mai rapide si silentioase, insa mai fragile, consumatoare de energie si scumpe. Astfel, intre 1943 si 1946 a fost construit la Universitatea din Pennsylvania de catre John William Mauchy si Presper Eckert Jr. ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer), un gigant tehnologic cu peste 70.000 de rezistori, 10.000 de condensatori si 18.000 de tuburi electronice, care cantarea aproximativ 30 de tone si consuma cam cat un mic oras. Principala problema a acestui computer era fiabilitatea sa. Peste 90% dintre defectiuni se datorau cedarii tuburilor electronice.

ENIAC nu avea insa nici o modalitate prin care sa stocheze datele si programele, astfel incat in vara anului 1944 Mauchly si Eckert propun constructia unei noi masini numita EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) care a devenit operational abia in 1952 si este considerat primul calculator cu memorie interna.

In 1944, John von Neumann pune bazele teoretice ale arhitecturii unui calculator, descriind memoria, unitatea de calcul si unitatea de control.

Din punct de vedere istoric, literatura de specialitate clasifica computerele in 5 generatii de computere in functie de tehnologia care a stat la baza fabricarii acestora:

Prima generatie de computere numita generatia de computere cu tuburi electronice, a aparut in perioada 1940-1956 si folosea tuburi electronice, pentru circuite si tambur magnetic pentru stocarea informatiei - ca suport de memorie. Aceste masini erau enorme ocupand camere intregi, consumau o cantitate foarte mare de energie elecrica, degajau foarte multa caldura, necesitand conditii speciale de utilizare, fiind in acelasi timp deosebit de sensibile la defectiuni si foarte greu de folosit. Introducerea datelor se facea prin cartele sau benzi de hartie iar iesirea era reprezentata de dispozitive de imprimare pe hartie.

Ca reprezentanti ai acestei generatii, mentionam computerul UNIVAC si ENIAC, UNIVAC fiind si primul computer comercial in 1951.

A doua generatie de computere este reprezentata de computerele cu tranzistoare aparute in perioada 1956-1963. Aparitia tranzistoarelor a determinat construirea de masini de calcul mult mai mici, mai fiabile si mai rapide. Consumau mai putina energie electrica si erau mai rezistente la defectiuni in comparatie cu computerele din prima generatie. Ca modalitati de introducere a datelor se foloseau inca benzile de hartie si cartelele perforate iar ca iesire era utilizata, in continuare, imprimanta pe hartie. Aceasta este perioada aparitiei inovatiilor in domeniul software. S-a trecut de la limbajul in cod masina la limbajul de asamblare si de asemenea au aparut primele limbaje de programare de nivel inalt precum COBOL si FORTRAN.

A treia generatie de computere apare in perioada 1964-1971 si cuprinde computerele bazate pe tehnologia circuitelor integrate. Tranzistoarele au fost miniaturizate si plasate pe pastile de siliciu denumite circuite integrate care au determinat o miniaturizare si o eficientizare fara precedent a masinilor de calcul. Acesta este momentul aparitiei tastaturii si a monitorului ca dispozitive de introducere si de afisare a datelor. La nivel software apare sistemul de operare ca modalitate mai eficienta de control a masinii.

Generatia a patra de computere incepe in anul 1971 si include computerele existente in prezent. Se mai numeste generatia computerelor bazate pe microprocesoare si este formata din sute de mii de circuite integrate incapsulate intr-o pastila de siliciu care formeaza microprocesorul - creierul calculatorului. Primul microprocesor a fost construit de corporatia Intel in 1971 si a fost denumit Intel 4004. De atunci a inceput o cursa a miniaturizarii si a cresterii puterii de calcul, cursa care continua si in prezent. IBM introduce pe piata in 1981 primul computer personal iar 3 ani mai tarziu, corporatia Apple lanseaza computerele Macintosh deschizand astfel publicului larg accesul la tehnica de calcul.

Generatia a cincia de calculatoare debuteaza in prezent si in mod cert se extinde in viitor, numindu-se si generatia computerelor bazate pe inteligenta artificiala. Cuprinde mai mult elemente software decat hardware si se refera la algoritmi de recunoastere a vocii si a figurilor, procesare paralela a informatiei, comunicare in limbaje naturale, capacitate de invatare si auto-organizare. Este greu de prezis cum vor evolua computerele din generatia a cincia. Cert este faptul ca aceastea vor fi miniaturizate la extrem, vor avea preturi din ce in ce mai mici si putere de calcul tot mai mare in tendinta de a face parte integranta din viata fiecaruia. Problemele de comunicare vor fi eliminate, oamenii reusind sa comunice unii cu altii din orice loc si in orice conditii, accesul la informatie va fi liber.

Analizand acest istoric observam ca de fapt marile realizari in domeniul computerelor au aparut in ultimii 30 de ani, odata cu generatia a patra de calculatoare. Ritmul de dezvoltare al tehnicii de calcul la care asistam face imposibil de prezis viitorul in acest domeniu. Cu toate acestea, principiile de baza ale functionarii masinilor de calcul au ramas aceleasi si probabil multa vreme nu vor fi schimbate.

Intrebari recapitulative si teme