BEVEZETÉS AZ INFORMATIKÁBA 2. rész TARTALOMJEGYZÉK

Átírás

1 BEVEZETÉS AZ INFORMATIKÁBA 2. rész TARTALOMJEGYZÉK BEVEZETÉS AZ INFORMATIKÁBA 2. RÉSZ...1 TARTALOMJEGYZÉK...1 A SZÁMÍTÓGÉP...2 A számítógép, mint információ-feldolgozó egység... 2 Út a számítógépig... 3 Az első generáció ( ) Neumann János és a Neumann-elvek Második generáció ( ) Harmadik generáció ( ) A negyedik generáció (1971-) Ötödik generáció A számítógép felépítése A központi feldolgozó egység Perifériák A számítógépek alapkonfigurációja A számítógépek programozása Programnyelvek kialakulása, fejlődése Gépi kódú programozás Szimbolikus programnyelvek Automatikus kódolású programnyelvek Algoritmikus programnyelvek KÓDOLÁSI ELJÁRÁSOK...35 Kódolás és dekódolás Szeparálható kódok Prefix kódrendszer Az egyértelmű dekódolás elégséges feltétele Szeparálható bináris kódrendszer Átlagos kódhossz Az entrópia és tulajdonságai Hatásfok Az egyértelmű dekódolás szükséges és elégséges feltétele Huffman-kódolás Shannon-Fano kódolás Shannon-féle bináris kódolás Összefoglaló feladatok IRODALOMJEGYZÉK

2 A számítógép A számítógép, mint információ-feldolgozó egység A számítógépek adatok és jelsorozatok feldolgozására szolgáló elektronikus műszaki berendezések. [4] Ez a megfogalmazás az, amely leginkább megközelíti azt a berendezést, amelyre a szó hallatán gondolunk, és amely legjobban leírja a ma használatos gépeket. Elsősorban digitális számítógépekről van szó, napjainkban az analóg számítógépek száma csekély a digitális számítógépekhez viszonyítva. Érdekesség, olvasmány Az analóg és a digitális számítógép összehasonlítására szolgál a következő táblázat: [1, 4] analóg számítógép Az információknak mindig valamilyen fizikai állapot vagy változás felel meg. A mért mennyiségek tetszőleges közbenső értékeket vehetnek fel folytonos jelek A számítások például kerekek elforgatásával, hosszúságmérésekkel, csigák, orsók, áttételek, ellenállások, kondenzátorok, erősítők használatával valósulnak meg. Egyedi feladatok megvalósítására készülnek. A megoldandó feladat változása a számítógép felépítésének, működésének változását is maga után vonhatja. Például különböző folyamatok modellezésére, vezérlésére használják. digitális számítógép Az információ ábrázolására egyedi, jól elkülönült állapotokat számokat használnak fel. Az egymás után következő értékek között mindig van minimális eltérés, közbülső értékek nincsenek diszkrét jelek A számítások a számértékektől függetlenül, az állapotokat leíró számokra vonatkozó műveleti szabályok alapján történik. Univerzális berendezés. A szoftver cseréjével ugyanaz a gép új feladat megoldására alkalmas. Elvileg bármilyen megoldható feladat megoldására alkalmasak. A számítógépek megegyeznek abban, hogy valamilyen beérkező adatok alapján műveleteket végez, melynek eredményét megjeleníti. A gép a külvilágból érkező jeleket érzékeli, belső állapotait ezek hatására megváltoztatja, végül kimenő jelek segítségével pedig közli a külvilággal az eredményt. Általánosan tehát mindenféle feladatmegoldást adatfeldolgozásnak tekinthetünk. [2] Bevitel Feldolgozás Eredmény A feladatok közé tartozik az adatok befogadásától kezdve, az adatok tárolásán, visszakeresésén, műveletek végzésén keresztül, az eredmények közléséig minden tevékenység. 2

3 Út a számítógépig Manapság hétköznapjainkhoz tartozik a számítógép használata. Azoknak, akik belenőnek a számítógépek világába, teljesen természetes ez, azonban még most is sokan vannak, akik félve közelítenek a csodamasinához. Nem szabad azonban, hogy számítástechnika a megismeréséről való lemondáshoz vezessen! A bonyolult hardver és szoftver megértésében nagy segítséget jelenthet kialakulásuk folyamatának, történetének ismerete. Számolás, számírás, számolási segédeszközök A számolás, a számfogalom az ősember által ismert dolog volt. Az ember valószínűleg az ujjait használta a számoláshoz, ezért volt kézenfekvő a tízes számrendszer használata A latin digitus szó jelentése: ujj. Ebből a szóból ered az angol digit, számjegy elnevezés is. Érdekesség, olvasmány A számok leírása, illetve az erre szolgáló külön jelek, a számjegyek kialakulása az írással egy időben történt. Szükségessége gazdasági okokra is visszavezethető: az időszámításunk előtti ötödik évezredben kezdődött el olyan nagy birodalmak, államok kialakulása, mint például Egyiptom, Mezopotámia, Babilónia, a Római Birodalom, ahol már volt kincstár, adó. Sokat kellett számolni, valamint az adatokat rögzíteni is kellett. Több nép is használta a számok írására az ábécéjük betűit (pl. ókori görögök, zsidók, grúzok). A babiloniak két legnagyobb érdeme a 60-as számrendszer és a helyiérték bevezetése. A hindu matematika legfontosabb vívmányai a tízes számrendszer és a helyiérték alkalmazása, a műveleti jelek és a zárójel bevezetése, valamint a nullának, mint számjegynek a használata. A hindu matematika eredményei arab közvetítéssel kerültek Európába. Az emberek mindig is törekedtek olyan eszközök készítésére, amely megkönnyíti a számolás hosszas és gyakorta bonyolult műveletét. A számoláshoz eleinte köveket, kavicsokat, csontokat használtak, a rögzítéshez pedig rovásokat készíttek fadarabba, csontba, alkalmaztak csomóba rakott köveket, fadarabokat, zsinegre kötött csomókat is. Mennyiségek rögzítésére sokáig használták Európa-szerte az úgynevezett rovásfákat. (Angliában egészen 1812-ig rováspálcán vezették az adózók által befizetett összeget.) A számolópálcák használatának az i.e. V. sz.-ból is van nyoma Kínában. Az abakusz ókori számolási segédeszköz. Rudakon vagy hornyokban mozgatható golyókat, kövecskéket tartalmaz. A kövecske latin neve calculus, innen származik a kalkulátor szó is. A rudak jelentették a helyiértékeket, a rudakon lévő golyók helyzete pedig a számjegyeket. Az összeadás és a kivonás igen egyszerűen és gyorsan elvégezhető vele, az eredményt könnyű volt leírni római számokkal. Az összeadás lépéseit mutatja a következő ábra: 3

4 Hasonló eszközt használnak még ma is a kínaiak és a japánok, az utóbbit szorobánnak nevezik. A szorzás elősegítésére a középkor kezdete táján széles körben elterjedt a gelosia-módszer (rácsos módszer), Európában a XIV. sz. elején vált ismertté. Az eszköz már az arab számok használatára épül. Érdekesség, olvasmány Az ábra egy szorzási feladat megoldását mutatja be. Az egyes négyzetekbe az adott oszlop tetején és az adott sor végén álló számjegy szorzatát írjuk, az átló fölé kerülnek a tízesek, az átló alá az egyesek. Ha a ferde sávok mentén összeadjuk a számjegyeket, megkapjuk a végeredményt. A jobb alsó sáv adja az eredmény legkisebb helyiértékű számjegyét, a bal felső sáv pedig a legnagyobbat. Ha egy sávban az összeg két számjegyű, akkor az első számjegyet a felette (és tőle balra lévő) sáv összegéhez adjuk. Ez a módszer megfelel annak, ahogy mi végezzük írásban a szorzást és a rész-szorzatokat egy-egy hellyel jobbra tolva írjuk le. A Napier-pálcák a gelosia-módszer egyszerűsítésére készültek. Az eszköz nevét kitalálójáról, John Napier ( ) skót tudósról kapta. A készlet tíz darab pálcából állt, egy pálcára egy számjegy többszörösei kerültek. Szorzás elvégzéséhez az egyik tényezőnek megfelelő pálcákat rakták egymás mellé, majd a másik tényezőnek megfelelő sorokból a gelosiamódszernél megszokott módon leolvasták a szorzatot. Érdekesség, olvasmány Gaspard Schott jezsuita szerzetes alkotta meg az eszközt a következő módon: henger alakú számolópálcákat készített, felületükre a teljes Napier-féle pálcakészlet tartalmát felírta. Ezeket egy keretbe erősítette úgy, hogy forgatni lehessen őket, így úgy nézett ki, mintha a Napier-pálcákat tették volna egymás mellé. A XVI. sz. vége felé Simon Stevin ( ) használta először a logaritmust. A logaritmustáblák alkalmazásával a műveleteket egyszerűsíteni, gyorsítani lehetett. Az első logaritmus-táblákat egymástól függetlenül készítette 1588-ban Jost Bürgi és 1594-ben John Napier. A tízes alapú logaritmust 1615-ben vezette be Henry Briggs. A logarléc hosszú életű számolási segédeszköz, használatát még ma is tanítják. 4

5 Érdekesség, olvasmány Már régebben is alkalmaztak összeadásra és kivonásra két azonos beosztású, egymáshoz képest eltolható vonalzót: két hosszúságot egymás után mértek, vagy egyiket visszamérték a másikból ben William Oughtred a vonalzókra logaritmusokat mért fel, de az eredeti számokat írta melléjük. Így a vonalzók elcsúsztatásával két szám logaritmusát tudta összeadni és kivonni, a vonalzóról viszont maga az eredmény, a két szám szorzata vagy hányadosa volt leolvasható ben készítette Pattridge az első olyan logarlécet, amelyben egy nyelv csúszik a léctestben. A logarlécre egyéb skálabeosztásokat is készítettek, pl. a hatványozás, gyökvonás, reciprok értékek és szögfüggvények leolvasására ben vezették be a csúsztatható ablakot, aminek segítségével több skálát is lehet egyszerre használni. Készültek speciális célokra alkalmas logarlécek is. Mechanikus számológépek A számolóeszközök fejlődésének lendületet adott a hajózás, az egyre pontosabb szárazföldi és tengeri térképek iránti igény. Mindezek elkészítéséhez komoly csillagászati ismeretekre és rengeteg számítási műveletet elvégzésére volt szükség ban egy csillagász, Wilhelm Schikard ( ) tübingeni professzor a négy alapművelet elvégzésére alkalmas számológépet készített. A gépről Kepler iratai között maradt egy vázlat. A gépezet magját az aritmetikai egység alkotta, amely az összeadást és a kivonást végezte. Érdekesség, olvasmány A számológép felső része hat darab függőlegesen elrendezett hengeres Napier-pálcát tartalmaz, amely hat darab tízes számrendszerbeli helyiértéknek felelt meg, így a gép hatjegyű számokkal való műveletvégzésre volt alkalmas. Az egyes számjegyeket a kerekek elforgatásával lehet beállítani. A számlálómű fogaskerekekből készült. A számolást végzőnek a leolvasott részeredményeket kézzel kellett bevinni a számlálóműbe, és azzal összeadni. A számlálómű képes volt az átvitelt kezelni: a következő nagyobb helyiértékre: az egyik kerék egy teljes körülfordulása egy külön fog segítségével a következő helyiértéknek megfelelő fogaskereket egy számjeggyel elforgatta. Az eredmény a gép alján jelent meg. Schikard olyan kerekeket is felszerelt, amelyekkel a részeredményeket is lehetett tárolni. A gép jelezte csengőhanggal, ha a hetedik helyiértékre túlcsordulás történt. Az eredeti gép eltűnt, a Kepler számára készített másodpéldány elégett, így nem maradt fenn működő változat. A vázlat alapján 1960-ban készítettek egy jól működő másolatot. Az első, sorozatban gyártott összeadógépet Blaise Pascal ( ) francia filozófus tervezte 1642-ben. Összesen hét példányt készített el. Az automatikus átvitelt megvalósító gép csak összeadni és kivonni tudott, és hatjegyű számokkal dolgozott. 5

6 Érdekesség, olvasmány A számokat a gép elején lévő kerekeken kell beállítani, az eredmény pedig a gép tetején lévő kis ablakokban látszik. Az eszköz tízfogú fogaskerekeket tartalmaz, a fogaskerekek minden foga egy-egy számjegynek felel meg 0-tól 9-ig. A számokat összeadni vagy kivonni a fogaskerekek megfelelő számú foggal történő elforgatásával lehet. A gépet apja munkájának megkönnyítésére készítette az akkor 19 éves Pascal. Gottfried Wilhelm Leibniz ( ) német filozófus és matematikus Pascal gépét fejlesztette tovább. Gépével már szorozni, osztani, és gyököt vonni is lehetett. Két részből állt: az összeadómű megegyezett Pascal megoldásával. Az újdonságot a szorzómű jelentette, és a bordás tengely alkalmazása tette lehetővé. Érdekesség, olvasmány A henger felületén kilenc darab, eltérő hosszúságú borda van, ezek úgy működnek, mintha széles fogaskerékfogak lennének. A hengerhez illeszkedő fogaskerék saját tengelye mentén elmozdítható, és megfelelő beállításával elérhető, hogy a bordás henger egy teljes körülfordulása során fogaiba pontosan 1, 2,... 9 számú borda akadjon be, és így ennyi foggal forduljon el a fogaskerék. A fogaskerék tengely menti eltolásával állítható be a szorzandó, a bordáshengert pedig annyiszor kell körbeforgatni, amennyi a szorzó, ekkor a fogaskerék a két szám szorzatának megfelelő számú foggal fordul el. A XIX. sz. végéig a bordás henger jelentette az egyetlen gyakorlatban is kivitelezhető mechanikus megoldást a szorzás gépesítésére, és alkotórésze maradt az összes mechanikus számológépnek még a XX. században is. Leibniz nevéhez még két olyan elméleti felfedezés is fűződik, aminek szerepe van az informatika fejlődésében ban bebizonyította, hogy egy számolási művelet egymás után elvégezhető egyszerűbb lépések sorozatára bontható, 1679-ben pedig ismertette a számítástechnikában alapvető fontosságú kettes számrendszert ban Charles-Xavier Thomas de Colmar Franciaországban készítette Arithrométre nevű gépét, mely egy Leibniz-féle bordás hengerrel működött. A számológép tökéletesítéséhez tartozott később a billentyűzet és a tengelyek forgatására a villamos meghajtás alkalmazása is ben készíti el az amerikai Stevens Borroughs ( ) az első billentyűvel és nyomtatóval ellátott összeadógépet ben készült el a svéd Theophil Witgold Odhner ( ) nevéhez fűződő tekerős számológép, melynek lelke a bordáshenger helyett a bütyköstárcsa. Minden helyiértéket egyegy ilyen tárcsán állítottak be, a bütykök száma pedig egy karral volt változtatható. Működése gyakorlatilag megegyezett a korábbi megoldásokkal ben készítették az első teljesen automatikus, gombnyomásra működő számológépet. A képen egy mechanikus számológép látható. Folyamatok vezérlésére már évszázadok óta alkalmaztak 6

7 különböző vezérlési módokat. Egy jellemző megoldás volt a tüskés henger, melynek kerülete szabta meg a program hosszát. A mintás szövés vezérlésére olyan módszer kellett, amivel hosszabb programot is meg lehet adni, és egyszerűen lehet a szövőszéket átprogramozni vagyis a mintát megváltoztatni. Joseph Marie Jacquard ( ) francia mérnök ben automatikus szövőszéket tervezett, amelynél fából készült vékony, megfelelően kilyuggatott lapok kártyák vezérelték a minták szövését. A képen a szövőszék tetején látható a lyukkártyás vezérlőszerkezet. A modern számítógépgyártás megalapozója Charles Babbage ( ) brit matematikus és feltaláló. A XIX. században kidolgozta a modern digitális számítógép alapelveit. Több új típusú gépet is kigondolt, ezek egyike a logaritmustáblázatok készítésére tervezett differenciagép (Difference Engine) volt. Érdekesség, olvasmány A differenciagép a számolás eredményét a tervek szerint pontozóval közvetlenül a nyomda által használható fémlemezbe írta volna. Nevét a gép onnan kapta, hogy bizonyos függvényértékek (négyzetek, harmadik hatványok, logaritmusok, stb.) sorozatának kiszámítását különbségek, differenciák összeadására vezeti vissza. A gép 20 jegyű számokkal dolgozott volna. Újabb számítógépében, az Analytical-Enginben 1000 tengelyen 50 helyiértékű számoknak megfelelő számkereket akart elhelyezni. Babbage csak a gép egyes részeit tudta elkészíteni, a munkát azonban nem tudta befejezni: részben anyagi okok miatt, részben pedig a kor technikai lehetőségei nem voltak elegendőek. Babbage felismerte, hogy a számolási folyamat során szükség van a részeredmények tárolására. Az el nem készült gépre Ada Byron (Lord Byron költő lánya) írt programokat, kiemelkedő matematikai tehetségének köszönhetően ő nevezhető az első programozónak. Babbage univerzális gépet tervezett, amely adatbeviteli és eredmény-kiviteli egységből, számolóműből és részeredmény-tárolóból állt volna. A képen a malom rész látható, amely a számítási műveletek elvégzését szolgálta volna. A gép lyukkártyákról olvasta volna be az információkat, tudott volna utasításokat és adatokat tárolni, matematikai műveleteket végrehajtani, és adatokat kinyomtatni. Lyukkártyák vezérelték volna a számítási folyamatokat is. Megjelent a feltételes vezérlésátadás ötlete. A tárolómű 200 részeredmény tárolására lett volna alkalmas, 1000 db, egyenként 50 fogaskereket tartalmazó oszlop formájában. A gép működési elvei miatt sok történész Babbage-et tartja a modern digitális számítógép feltalálójának ben megépítették az eredeti differenciagép egyszerűsített változatát Babbage részletes rajzai alapján. A gép négyezer alkatrészből áll, méretei 3,4 m 0,5 m 2,1 m. A berendezés tökéletesen működött: hibátlanul kiszámította a 7. hatványok táblázatának első száz értékét. Az első működő differenciagépet 1853-ban készítette el Pehr Scheutz és fia, Edvard Scheutz. Babbage készülékét egyszerűsítették: a gép csak 15 jegyű számokat és harmadrendű differenciákat kezelt. Differenciagépeket egészen az 1940-es évekig használtak matematikai táblázatok készítésére. George Boole ( ) és Augustus de Morgan ( ) dolgozták ki a formális logikát. Ekkor már régóta használták a bináris kapcsolásokat órák, automaták vezérlésére. A Boole-algebra számítógép logikai tervezéséhez és programozásához nyújt elméleti alapot. 7

8 Megjelenik az elektromosság A lyukkártya alkalmazásának másik úttörője Herman Hollerith ( ) német származású amerikai statisztikus volt. Az Egyesült Államok 1880-as népszámlálásán 55 millió ember adatait gyűjtötték össze. Az adatok feldolgozásához 500 ember munkájára volt szükség, 7 éven keresztül. Hollerith az 1890-es népszámlálás adatainak feldolgozásához szerkesztette meg rendezőgépét. Érdekesség, olvasmány Jacquard deszkalapjaihoz hasonló perforált kártyákat használt az adatfeldolgozásra. Egy kártyára egy ember adatait lyukasztotta. Az adatok feldolgozása során a lyukkártyák elektromos érintkezők között mentek át. Ahol a kártyán lyuk volt, az áramkör bezárult, így lehetett a lyukakat megszámolni. A népszámlálási adatatok feldolgozása ilyen módon mindössze négy hétig tartott! 1896-ban megalapította a Tabulating Machine Company nevű céget, amelyből aztán 1924-ben megalakult az IBM ben Leonardo Torres y Quevedo ( ) bevezette a lebegőpontos számábrázolást a számítástechnikában, és olyan programvezérlésű mechanikus számológépeket épített, amelyeknek kimeneti egysége írógép volt. Tőle származnak a programozási nyelvek első kezdeményezései is ben építette Konrad Zuse ( ) Németországban az első mechanikus tárolót tetszőleges adatok, elsősorban lebegőpontos számok tárolására. A tároló 24 bites adatokat tudott fogadni. Ő építette meg Z1 néven az első olyan szabadon programozható számítógépet, amely kettes számrendszerben működött és lebegőpontos számokkal dolgozott. Az első teljesen működőképes, szabadon programozható, programvezérlésű számítógépet, a Z3-at 1941-ben fejezte be. Érdekesség, olvasmány A Z1 esetében adatbevitelre billentyűzet szolgált, az adatkivitel pedig kettes számrendszerben egy világító tábla (fénymátrix) segítségével történt. A számolómű és a tároló telefonrelékből készült. A gép 24 bites szavakkal dolgozott, a memóriája 16 adat tárolását tette lehetővé. A gép tartalmazott decimális-bináris és bináris-decimális átalakítót is. Ilyen eszközt Zuse készített először. A Z2 már lyukfilmes adatbeviteli egységet tartalmazott. A Z3 22 bites szavakat használt és lebegőpontos számokkal dolgozott. A tárolóegység 1600 mechanikus reléből állt, 64 szám tárolására volt képes. A számolómű 400 relé felhasználásával készült. A műveletek jellemző végrehajtási ideje 3s. Zuse cége 1967-ig gyártott számítógépeket. Az 1956-ban bevezetett relés Z11-ből 50 db készült, a Z22 már elektroncsöves volt. A céget a Siemens vette át 1967-ben. Alan Mathison Turing ( ) 1936-ban írta le egy olyan számítógép matematikai modelljét, amely mint a lehető legegyszerűbb univerzális számítógép, bármilyen véges matematikai és logikai problémát meg tud oldani. Ez a ma Turing-gép néven ismert eszköz fontos lépcső volt a digitális számítógépek kifejlődésében. 8

9 Érdekesség, olvasmány A Turing-gép három részből áll: egy mindkét irányban végtelen tárolószalagból, egy vezérlőegységből és egy író-olvasó fejből. A szalag mezőkre oszlik, mindegyik mező egy adatot vagy utasítást tud tárolni. Csak a fej alatt elhelyezkedő egyetlen mező olvasható, illetve írható. A gép a következőképpen működik: Kezdetben a gép meghatározott állapotban van. Beolvassa a szalagról az éppen a fej alatt lévő jelet, ettől függően végrehajt valamilyen tevékenységet, és így új állapotba jut. Közben a szalagot is új mezőre pozícionálja. A fej beolvassa a szalagról a következő jelet, és így tovább. A folyamat akkor ér véget, amikor az olvasófej a STOP utasítást olvassa be. George Stibitz (1903-) 1937-ben építette meg Complex Number Calculator nevű gépét. A gép bináris aritmetikát használt, a tárolóegység relékből készült. Az adatbevitel távírógéppel történt. A gép egy változatát 1943-ban ballisztikai számításokra használták. Claude Shannon (1916-) 1943-ban fedezi fel az elektromos kapcsolások és a logika kapcsolatát. Érdekesség, olvasmány Eszerint ha egy áramkörben egy kapcsoló zárt állása az igaz logikai értéket jelképezi, a nyitott állása pedig a hamis értéket, akkor két kapcsoló soros kapcsolása az ÉS műveletet valósítja meg, két kapcsoló párhuzamos kapcsolása pedig a VAGY műveletet. A digitális számítógépek áramköreinek tervezésében az elmélet lényeges segítséget jelent. Shannon a matematikai információelmélet egyik megalapítója is. Howard Aiken ( ) vezetésével fejlesztették ki az első teljesen automatikusan működő általános célú digitális számítógépet az Egyesült Államokban, a Harvard egyetemen. Építését 1939-ben kezdték meg. A gép a Mark I nevet kapta. Relékből épült fel és fixpontos számokkal dolgozott. A memóriája a mechanikus számológépekhez hasonlóan fogaskerekekkel, tízes számrendszerben tárolta az adatokat. Az adatbevitel lyukkártyákkal történt. A programot lyukszalag tartalmazta, ez vezérelte a gép működését. Továbbfejlesztése a Mark II, amely 1948-ban készült el, és már lebegőpontos számokkal is tudott dolgozni. Érdekesség, olvasmány A Mark I 3304 db kétállású kapcsolót tartalmazott, összesen kb alkatrészből állt és 500 mérföld (800 km) huzalt használtak fel hozzá. A gép kb. 15 m hosszú és 2,4 m magas volt, memóriájában 72 db 23 jegyű számnak volt hely. A gépnek egy összeadáshoz 0,33, egy szorzáshoz 4, egy osztáshoz 11 másodpercre volt szüksége és gyakran meghibásodott. A tengeri tüzérség részére készítettek vele lőtáblázatokat. Ezt a számítógépet 1959-ig használták. 9

10 Az első generáció ( ) Az elektronikus működésű számítógépek megjelenésével kezdték el generációkba sorolni a számítógépeket, azonban az egyes generációk között nem húzható meg éles választóvonal. Az első generációs elektronikus számítógépek jellemző építőeleme az elektroncső. Az elektroncsövet már 1904-ben feltalálták ugyan, de később jöttek rá arra, hogy nemcsak erősítőként, hanem kapcsolóként is alkalmazható. Mivel azonban a csövek drágák, megbízhatatlanok és rövid életűek voltak, csak az 1940-es évektől használták őket számítógépek készítésére. Kezdetben a programozás gépi kódban történt, utána jelent meg az assembly nyelv és az ebben készült programok lefordításához szükséges assembler. A gépek működtetéséhez állandó műszaki felügyelet kellett, mert a számítógép bármikor meghibásodhatott, a hiba megkereséséhez és kijavításához pedig hozzáértő szakemberek kellettek. A leggyakoribb hiba ok egy-egy cső kiégése volt. Üzemeltetésük ráadásul rengeteg energiát igényelt ben az Egyesült Államokban építette meg John Atanasoff (1903-) és Clifford Berry ( ) az első elektronikus gépet. (Atanasoff-Berry Computer, ABC) Ezt a számítógépet lineáris egyenletrendszerek megoldására használták. Érdekesség, olvasmány Vita folyt arról, hogy melyik az első általános célú elektronikus digitális számítógép ban döntés született: ez a cím az Atanasoff-Berry Computert illeti meg. Angliában, 1943-ban tudósok és matematikusok egy csoportja létrehozta az első teljesen elektronikus digitális számítógépet, a Colossust. Rejtjelezett német rádióüzenetek megfejtésére használták Alan Turing vezetésével, a németek ENIGMA nevű rejtjelét is ezzel fejtették meg. Mivel a háború után is katonai célokat szolgált, egészen 1975-ig titokban tartották a létezését. Az első általános célú elektronikus digitális számítógép, az ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer). Ezt a számítógépet már szabadalmaztatták. Szintén katonai célokra kezdte tervezni John Presper Mauchly és John William Eckert a Pennsylvania egyetemen 1946-ban. 10

11 Érdekesség, olvasmány Az ENIAC elektroncsövet tartalmazott, több mint 100 kw elektromos energiát fogyasztott, 450 m 2 helyet foglalt el, tömege 30 tonna volt. Megépítése tízmillió dollárba került. A relés számítógépeknél három nagyságrenddel gyorsabb volt: az összeadást 0,2 ms, a szorzást 3 ms alatt végezte el. A programja fixen be volt drótozva a processzorba így csak többnapos munkával, csatlakozások átkötésével lehetett megváltoztatni. Memóriája 20 db tízjegyű előjeles decimális számot tudott tárolni, egy-egy számjegy tárolására 10 db elektroncsövekből épített flipflop szolgát. Az elektroncsövek megbízhatatlansága miatt a gép csak rövid ideig tudott folyamatosan működni. Ballisztikai és szélcsatorna-számításokra használták. Az a számítás, ami a gépnek 15 másodpercig tartott, egy szakképzett embernek asztali kalkulátorral 10 órás munka volt. A gépet 1956-ban bontották le, mert elavult. Az UNIVAC I. (UNIVersal Automatic Calculator) volt az első sorozatban gyártott univerzális számítógép, mely kereskedelmi forgalomban is kapható volt. Első volt abban is, hogy a számok mellett már szöveges információt is tudott kezelni, valamint háttértárként itt használtak először mágnesszalagot. Ezt a gépet is John Presper Eckert és John Mauchly tervezte, és ezt tekinthetjük az első generáció igazi kezdetének. Neumann János és a Neumann-elvek 1951-ben helyezték üzembe az EDVAC-ot (Electronic Discrete Variable Automatic Calculator), mely szintén Mauchly és Eckert vezetésével épült. Ez a gép már Neumann János ( ) magyar matematikus elvei alapján készült. A Neumann-elvek A ma használt számítógépek felépítését, működését nagyban meghatározta Neumann János munkássága ban a First Draft of a Report on the EDVAC by John von Neumann című jelentésében fogalmazta meg azokat az elveket, amelyek alapján a mai számítógépek is felépülnek. Ezek az elvek röviden a következők [5]: 1. A számítógép legyen teljesen elektronikus, külön vezérlő és végrehajtó egységgel rendelkezzen. 2. Kettes számrendszert használjon. 3. Az adatok és a programok ugyanabban a belső tárban, a memóriában legyenek. 4. A számítógép legyen univerzális. 5. Folyamatos emberi beavatkozás nélkül hajtsa végre a műveletsort, logikai döntéseket hozva feldolgozás közben. 11

12 A számítógépnek rendelkeznie kell egy belső a) C címezhető írható-olvasható tárral. Ez egy közös tároló abban az értelemben, hogy egyaránt tárolja a végrehajtandó program utasításait, és a feldolgozandó adatokat is. A memóriában az utasítások és az adatok ugyanolyan módon binárisan ábrázoltak. A gép vezérlése tehát tárolt program alapján történik: megjelenik a belső programvezérlés elve. A számítógépnek soros működésű, az utasítások végrehajtása szekvenciálisan történik. A processzor tartalmaz egy önálló egységet az aritmetikai és logikai műveletek elvégzésére. Az adatok és a program be- és kivitelére önálló egységek szolgálnak. Érdekesség, olvasmány A First Draftban leírt Neumann-elvű számítógép logikai felépítését mutatja a következő ábra. A nyilak az adatáramlás irányát jelzik. A rövidítések jelentése: CA: központi aritmetikai egység, CC: általános vezérlést ellátó egység, M: memória, R: külső rögzítő egység, I: beviteli egység, O: kiviteli egység. [7] Az EDVAC-nak volt egy elsődleges 1024 szavas higany-késleltetővonalas operatív tára és egy másodlagos, lassabb, 20 kilószó kapacitású mágnesdrótos tára. A tár és az aritmetikai-logikai egység is soros volt, bitenként dolgozta fel az adatokat. Adatbevitelre egy írógépszerű eszközt használtak, adatkivitelre egy nyomtatót. Egy program végrehajtásához előbb az egész programot és az adatokat be kellett táplálni a memóriába. Ez volt az első tárolt programú számítógép: egy új probléma megoldásához nem kellett a gépet áthuzalozni. Neumann János zsenialitását bizonyítja, hogy ő fogalmazta meg azokat az elveket, amelyek alapján a mai számítógépek is felépülnek. Érdekesség, olvasmány Neumann János életrajza december 28-án született Budapesten, jómódú családban. Apja Neumann Miksa bankár, anyja Kann Margit volt. Két öccse volt, egyikük orvos, másikuk jogász lett. Már egész kisgyermekként rendkívüli nyelvtehetségnek számított, és kivételesen jó emlékezőtehetsége volt. Hat éves korában már folyékonyan tudott ógörögül, apjával e nyelven viccelődött. Tudott latinul is, anyanyelvi szinten beszélt németül, és több ismerőse szerint németül is gondolkodott. Angolul úgy beszélt, hogy rendkívül gyorsan fordította a németül megfogalmazott gondolatait angolra. Mire leérettségizett, már matematikusnak számított. Fiatal korától érdeklődött a repülés és a technika más újdonságai iránt. Már ekkor gondolkodott kettes alapú elektromos számológép építésén. Mivel a matematika és a technika is érdekelte, párhuzamosan két egyetemet végzett. Göttingemben, a német matematika fellegvárában tartotta meg első előadását a társasjátékok elméletéről és 1933 között Amerikában és Európában is tanított. Meleg, emberséges személyiség volt, ily módon kiváló tanáregyéniséggé vált. Amikor Németországban győzött a fasizmus, letelepedett az Egyesült Államokban, 1937-ben kapta meg az amerikai állampolgárságot. Bekapcsolódott a nácizmus elleni katonai előkészületekbe: részt vett az atomenergia felszabadításában és háborús célú felhasználásában, majd a békés energiatermelés szolgálatába állításának irányításában is től 1957-ig a princetoni Elektronikus Számítógép projekt igazgatója. Ekkor már az emberi agy, valamint az idegrendszer működését utánzó gépek kötötték le figyelmét ben a cambridge-i egyetemen (Anglia) elkészült 12

13 az első elektronikus, tárolt programú számítógép, az EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Computer), mely már a Neumann-elvek alapján működött. A számítógép működéséhez a biológiát hívta segítségül: az emberi agy feladat megoldásainak mintájára megalkotta az algoritmust, s az agyat vette alapul a számítógépben való számítások elvégzésének megvalósításához. Érdemeinek elismeréseképpen az Amerikai Egyesült Államok elnöke kinevezte az USA Atomenergetikai Bizottságának elnökévé. Neumann mondta: a tudomány a jövőben inkább a szabályozás és vezérlés, programozás, adatfeldolgozás, kommunikáció, szervezés és rendszerek problémáival törődik majd. Felismerte, hogy egy rendszer biztonságát illetve hatékonyságát nem annyira az határozza meg, hogy milyen elemekből épül föl, hanem hogy hogyan van rendszerré szervezve, az elemek között milyen minőségű és mennyiségű információ megy át. Neumann János jól látta a fejődés további irányát, de életművét már nem fejezhette be. Eisenhower Hátralevő éveiben súlyos rákbetegségben szenvedett február 8-án halt meg Washingtonban, Amerikában. [23, 24, 25] elnök Szabadság Éremmel tüntette ki. Második generáció ( ) A tranzisztorok megjelenése nem csak a híradástechnikában, de a számítógépek világában is jelentős változásokat hozott. A tranzisztort 1947-ben fedezte William Shockley, aki ezért aztán 1956-ban Nobel-díjat is kapott. A tranzisztorokkal kisebb, gyorsabb és megbízhatóbb logikai áramköröket lehetett készíteni, mint az elektroncsövekkel. Ezek a gépek sokkal kevesebb energiát fogyasztanak és sokkal hosszabb életűek. Másodpercenként egymillió műveletet is el tudtak végezni amellett, hogy megbízhatóságuk nagyságrendekkel nagyobb lett. Egyúttal sokkal olcsóbbá is váltak a számítógépek, emiatt nőtt az eladások száma, egyre több cég kezdett számítógépgyártással foglalkozni. Az 1950-es években több forradalmi újítás is született. Jay W. Forrester kidolgozza a ferritgyűrűs memóriát, a második és harmadik generációs gépek jellegzetes operatív tárát. Kidolgozzák az amerikai John Backus vezetésével a FORTRAN nyelvet, majd az évtized végén az ALGOL programozási nyelv definíciójának első változatát, és 1960-ban publikálják a COBOL első változatát. A szoftver értéke a hardverhez képest egyre nőtt. Ebben az időszakban építették az első szuperszámítógépeket, melyek különlegesen gyorsak voltak. A gyorsabb műveletvégzés elérésére fejlesztették ki az egy időben végrehajtható tevékenységek számának növelését. Az első teljesen tranzisztorizált számítógép, az RCA 501-es 1959-ben készül el. Input-output processzorokat vezettek be az adatbevitel és kivitel felügyeletére, így a CPU-t sok időigényes tevékenységtől és várakozástól szabadították meg. Jellemzővé vált a mágnesdobos és a ferritgyűrűs operatív tár használata, háttértárolóként mágnesszalagot és újdonságként mágneslemezt használtak. 13

14 Érdekesség, olvasmány Jelentős szerepet játszottak a számítástechnikai oktatás, kutatás és az alkalmazásfejlesztés fejlődésében Magyarországon a 70-es években az ODRA számítógépek. Ezeken a gépeken már tanítani lehetett az ALGOL- 60 magas szintű algoritmikus programozási nyelvet is (pontosabban ennek az ODRA-1204 számítógépes változatát, az ALGOL-1204-et), amelyben sokkal egyszerűbben és elegánsabban lehetett programozni, mint gépi kódban. Az ODRA-1204 típusú, második generációs, közép-teljesítményű digitális számítógépet francia licence alapján a lengyel ELWRO cég fejlesztett ki 1967-ben. Az ODRA-1204 jellemzése: vezérlő pult; konzol írógép (ROBOTRON) a gép irányítására, de be/kimenethez is használni lehetett; a központi egység 6 µs ciklusidejű, ferritgyűrűs operatív memóriája db bites ún. "gépi szó" kapacitású 8 csatornás lyukszalagos be/kimeneti egység; 80 karakter széles (DATA PRODUCT) sornyomtató; 32 kiló-szavas (1 szó 24 bit) 96 Kbájt-os ferritgyűrűs operatív memória; 4 db 64 kiló-szavas fix mágnesdob háttértár (kapacitás ~ 768 Kbájt) Programozása: Vezérlőrendszere nem volt, különböző kezelőprogramokat kellett használni, melyek bináris lyukszalagon voltak, ezek bevitele a memóriába a BINO elnevezésű fixen beépített bináris beolvasóval történt; az utasítások végrehajtását mikroprogramok generálták, melyek 512 szavas tárban voltak; assembler (JAS); autókód ( MOST-2); algoritmikus nyelvek (Algol-1204, FORTRAN); a programok lyukszalagra rögzített szövegét különböző kezelő kétlépcsős fordító) programokkal közvetlenül a memóriába, vagy bináris szalagra fordítottuk, s a futtatáshoz is szükség volt úgynevezett segédprogramok (PP) bevitelére (I/O eljárások, függvények, eljárások). A működtetéséhez a vezérlőpult már nem játszott olyan nagy szerepet, hanem a segédprogramokkal a konzol írógépet használva az operátor kommunikálhatott, ezzel irányítva minden tevékenységet. ODRA 1013 ODRA 1204 Az ODRA-1204 központi egysége A korszak másik jellemző gépe: az R-30 [30, 31, 32, 33] 14

15 Harmadik generáció ( ) A harmadik generációs számítógépek jellegzetes építőeleme az integrált áramkör, IC, melyet 1958-ban fedezett fel a texasi Jack S. Kilby. Az első integrált áramköröket tartalmazó számítógépek 1964-ben kerültek kereskedelmi forgalomba. Az integrált áramkörök tovább csökkentették a számítógépek árát, méretét és meghibásodási gyakoriságát. Mindezen tulajdonságok vonzóvá tették a számítógépet, a 70-es években több mint nagyszámítógépet és ugyancsak több mint miniszámítógépet helyeztek üzembe. A könnyű kezelhetőséget segítette elő, hogy megjelent a monitor és a billentyűzet, valamint az első valódi operációs rendszerek. Ezekkel az olcsó gépekkel a számítástechnika kisebb cégek számára is elérhetővé vált. A Gene Amdahl tervei szerint készült IBM System/360-as megjelenése 1965-ben mérföldkőnek mondható: ez egy egész gépcsalád volt, amely hat különböző teljesítményű egymással kompatibilis modellből állt. Így lehetővé vált egy felhasználó számára, hogy bővíthesse a memóriát, nagyobb teljesítményűre cserélje a gépet, vagy más perifériát válasszon a gépéhez tetszés szerint úgy, hogy a már kész programjait használhatta az új gépen is. A képen egy IBM 360-as számítógép látható. A terem közepén a két nagy szekrényben van a számítógép. Az operátori konzolírógépen keresztül lehetett parancsokat adni az operációs rendszernek, és az üzeneteket is ide írta ki a gép. Elöl vannak a mágneslemezes egységek, a háttérben mágnesszalag-meghajtók, valamint egy sornyomtató látható. 15

16 A negyedik generáció (1971-) A hetvenes évektől kezdődően a számítógépek fejlődésében robbanásszerű változás történt. Ennek oka az igen nagy integráltságú (VLSI, Very Large Scale Integration) félvezető áramkörök megjelenése volt. Általánossá válik a félvezetős, integrált áramkörökből készült memória is. A mikroprocesszor megjelenése lehetőséget ad a személyi számítógép rohamosan terjedésének; elsősorban szövegszerkesztésre, táblázatkezelésre, grafikára, adatbáziskezelésre, játékra alkalmazzák. Az új technológiának köszönhetően tovább csökken a hardver ára, egyúttal megfigyelhető a szoftverek árának további növekedése a hardver árához képest. A számítógépek programozása szinte kizárólag magas szintű nyelveken történik ban Nicklaus Wirth elkészíti a Pascal programozási nyelvet, amely a negyedik generációs számítógépeken arat sikert. Seymour Papert 1971-ben alkotja meg a teknőcgrafikával kiegészített LOGO nyelvet, amelynek pedagógiai érdemei elévülhetetlenek. E korszakra jellemző az is, hogy lehetővé válik a számítógépek összekapcsolódása hálózaton keresztül. Érdekesség, olvasmány Az első mikroprocesszor, 1971-ben készült, Ted Hoff tervezte, és az Intel készítette. Egy 7 mm oldalhosszúságú négyzet alakú szilíciumlapkán 2300 tranzisztort tartalmazott. A processzor 4 bites volt, azaz 4 bitet tudott párhuzamosan feldolgozni. Összesen 45 utasításból állt az utasításkészlete. Egyre több cég állította elő a saját mikroprocesszorait, megjelentek a 8, 16, 32, majd a 64 bites mikroprocesszorok. Az 1973-ban megjelent 8 bites Intel 8080-as mikroprocesszor meghatározó volt az újabb processzorok fejlesztésében és a személyi számítógépek gyártásában. 16 címvonala volt, így 64 kilobájt memóriát tudott megcímezni, a műveleteket azonban 8 bites adatokon tudta elvégezni. Az aritmetikai áramkörök fixpontos bináris és decimális számok összeadását és kivonását tudták elvégezni, a szorzást, osztást és a lebegőpontos műveleteket külön programozni kellett ban az R2E nevű francia cég bemutatja az első mikroszámítógépet, a MICRAL-t ben forgalomba kerül az első programozható zsebszámológép, a Hewlett-Packard által gyártott HP-65. Ugyanebben az évben megjelenik az első személyi számítógép, az Altair 8800, melyet összeszereletlen készlet formájában árusítottak, hihetetlen olcsón. Ez volt az első, kimondottan személyes felhasználásra tervezett asztali számítógép, és ez a gép indította el a számítógépes elektronika máig tartó forradalmát. A mikroszámítógépkészlet iránt hirtelen olyan nagy kereslet alakult ki, amire senki sem számított. Egyre több cég kezdett számítógépek gyártásával foglakozni, közük Tandy Corporation. Gépük billentyűzettel és katódsugárcsöves monitorral rendelkezett, az információ tárolására pedig mágneskazettás egység állt rendelkezésre. Stephen Wozniak és Steven Jobs Apple Computers néven alapított számítógépgyártó céget. Újítások közé tartozott a tárolására szolgáló olcsó lemezmeghajtó és a színes grafika, valamint az egér megjelenése. Áttörést jelentett az 1979-ben megjelenő VisiCalc, az első táblázatkezelő program, hiszen ezzel már a programozásban gyakorlatilag teljesen járatlan emberek is tudták a számítógépet használni 1981-ben lépett a színre IBM PC az IBM cég mikroszámítógépe. A PC bizonyította be, hogy a mikroszámítógép üzleti élet szükséges eszköze. Operációs rendszere a DOS. Ugyanebben az évben készült el az első hordozható mikroszámítógép, mely Adam Osborne műve volt. A gép 11 kg-ot nyomott ban üzembe helyezik az első Cray-1 szuperszámítógépet, amely alkotójáról, Seymour Crayről kapja nevét. Kereskedelmi forgalomba is került, mivel azonban hétmillió dollárba került, csak igen nagy cégek tudták megvenni. Ez volt az első olyan számítógép, amely képes volt másodpercenként több mint százmillió lebegőpontos 16

17 műveletet végrehajtani, az alapműveletek végrehajtási ideje 12,5 ns. Az áramköröket freonnal hűtött függőleges lapokra szerelték. Azóta építettek ugyan gyorsabb számítógépeket is, de a Cray-1-et azóta is használják! A 80-as évek sok újdonságot hoztak. Ezek egyike a nagyteljesítményű 32 bites mikroprocesszorok megjelenése volt, melyek alkalmasak voltak fejlett többfelhasználós és multitaszkos operációs rendszerek futtatására. Egy másik újítás felhasználóbarát grafikus felhasználói felület (graphical user interface, GUI) bevezetése. Ma már beszédvezérlésű gépek is léteznek. A 90-es évekre a számítógépgyártás vált a világ leggyorsabban fejlődő iparágává, a világon eladott több százmillió (!) személyi számítógép jelentős hányadát pedig már magánemberek vásárolják. Ötödik generáció Ennek az új generációnak egyik fontos alkotóeleme a mesterséges intelligencia lesz: olyan intelligens számítógép létrehozása a cél, amelyik lát, hall, beszél és gondolkodik, képes asszociálni, tanulni, következtetéseket levonni és dönteni. Érdekesség, olvasmány Egy elképzelhető fejlődési irány 1993-ban Leon O. Chua és Roska Tamás jelentették be egy forradalmian új számítógép feldolgozási egységének kifejlesztését. Folytonosan működő, kicsi analóg számítógépek ezreit működtetik összekapcsolva, szemben az eddig elterjedt néhány komplex, digitálisan működő processzorral. A celluláris neutrális hálózat egy chipen belül megközelítőleg tízezer piciny feldolgozó egység együttes munkájával oldja meg a feladatokat, szédületes sebességgel: másodpercenként egy trillió művelet elvégzésével. Hasznosítása a képfeldolgozás és alakfelismerés területén óriási változásokat idézett elő. [5] A Roska Tamás akadémikus vezette kutatócsoport több, mint tízévi, amerikaispanyol együttműködésben végzett munka eredményeként a jelenleg alkalmazott számítógépek működési elvétől gyökeresen eltérő konstrukcióval dolgozó analogikai számítógépet fejlesztett ki. Az elnevezés az analóg és a logikai működés egyesítésére utal. Roska Tamás szerint a digitális technika ismert fizikai alapjainak és működési módjainak átgondolása igencsak időszerű volt. Az optikai érzékelők - így például a kamerák - ontják az analóg jeleket, ezek digitálisra konvertálása pedig nem megy olyan könnyen, lassú és energiaigényes folyamat. Azokon a területeken - mondja Roska -, ahol Roska Tamás változó jelek tömegével kell dolgozni, olyan számítógép válhat be, amelyben közel kerül egymáshoz az érzékelés és a feldolgozás. Az analóg módon működő és logikai műveletekre képes komputer, az analogikai számítógép lelkét, a CNN csipet Leon Chua, a Berkeleybeli University of California kínai származású amerikai professzora és tanítványa, L. Yang találta fel 1988-ban. A CNN egy Cellurális Neurális/Nemlineáris hálózat. Olyan processzorsereg, amelyben az egyes processzorok (cellák) egy négyzetrács csúcspontjaiban foglalnak helyet. Mindegyik cella a közvetlen környezetében lévővel van összeköttetésben, azoktól hatást kap, illetve azokra hat. Ezek a hatások alakítják ki a CNN működését. Erre építve 1992-ben Roska és Chua megalkotta az úgynevezett CNN Univerzális Gépet, amely egy kétdimenziós rácson több ezer CNN elemi processzort tartalmaz. A CNN csip maga egy vizuális mikroprocesszor, amelyben minden egyes tranzisztor fényérzékelő optikával rendelkezik. 17

18 Az analogikai számítógépben a jelek folytonosak, érzékszerveinkből mintegy hullámszerűen terjednek tovább az idegrendszerben. Ezért a tudósok ezt a modellt hullámszámítógépnek is hívják. Egy új számítógépfajta jelent meg: vizuális mikroprocesszorként (látócsipként) már működő példányokat is lehet vásárolni. A számítógép alapelvét agykutatók, Hámori József, Frank Werblin és mások munkái inspirációjára alkotta meg Roska Tamás és Leon Chua. Ma már megszületett az új retinamodellnek a vizuális mikroprocesszoron történő részleges megvalósítása is, Bálya Dávid fiatal magyar kutató jóvoltából március 2-án a Bolyai-díjat RoskaTamás vehette át Mádl Ferenc köztársasági elnöktől. [26, 27] Feladat 1. Nézz utána, hogyan lehet abakusszal számolni! Készíthetsz számoló asztalt a lenti rajz alapján egy nagyobb kartonlapra. Gyűjts össze a számok ábrázolásához 50 darab közel egyforma kavicsot! Kellő gyakorlás után rendezhettek versenyt is! 2. Milyen számokat ábrázolnak az abakuszok? 3. Figyeld meg a következő ábrákon az összeadás lépéseit. Készítsetek hasonló feladatokat a számolóasztalon! + = + = 4. Gyűjts képeket régebbi és mai számítógépekről! Ragaszd be a képeket füzetedbe! A képek forrásai számítástechnikai folyóiratok, újságok lehetnek. Internetről is tölthetsz le képeket! 5. Nézz utána, hogy a következő magyar vagy magyar származású személyek, milyen szerepet játszottak vagy játszanak ma is a számítástechnika fejlődésében! Neumann János, Kozma László, Kalmár László, Nemes Tihamér, Tarján Rezső, Roska Tamás, Halassy Béla, George Kemeny, Charles Simonyi. 18

19 A számítógép felépítése A számítógép eredményes működéséhez számos berendezés, egység összehangolt tevékenységére van szükség. Hardvernek nevezzük a számítógép kézzel fogható részeit, pontosabban mechanikus és elektronikus építőelemeinek, alkatrészeinek összességét. Szoftver nélkül azonban nem tudjuk a számítógépet használni. A szoftver a számítógép működtetéséhez, valamint a feladatok megoldásához használt programok összességét jelenti. Mindezen erőforrások együttes működése biztosítja a számítógépes feladatmegoldás lehetőségét. A számítógép logikai felépítését mutatja be a következő ábra: Input egység Központi feldolgozó egység Output egység Háttértárak A ma használt számítógépek felépítését, működését nagyban meghatározzák a Neumannelvek. A külvilágból az adatok, információk a számítógép input egységén keresztül jutnak a központi egységbe, ahol a feldolgozás történik. A háttértárakon adatok és programok tárolását végzi a gép, a feldolgozás eredményét pedig az output egységen keresztül közli a külvilággal. A központi feldolgozó egység Központi feldolgozó egység Input egység Processzor CU ALU Memóriák ROM RAM Output egység Háttértárak 19

20 A központi feldolgozó egység (Central Processing Unit, CPU) két fő alkotóeleme a processzor és a memóriák, de valójában még tartalmaz ún. regisztereket is, melyek kis tárolókapacitású, de rendkívül gyors elérésű tárolók, gyakran használt adatok, illetve részeredmények tárolására szolgálnak. A CPU feladatai közé tartozik a gép irányítása, a feldolgozási folyamat vezérlése, az adatok feldolgozása, a külvilágból érkező illetve a külvilág felé küldött adatforgalom irányítása. Az egyes résztevékenységeket a CPU-n belül önálló részek végzik. Az egyik ilyen egység a processzor, amely a vezérlőegységből (Control Unit, CU) és az aritmetikai-logikai egységből (Arithmetical Logical Unit, ALU) áll, valamint tartalmaz gyors elérésű adattárolókat, regisztereket is. A processzor alkotóelemeit egyetlen áramköri lapon, chipen állítják elő. Az integráltsági fok egy ilyen lapkán óriási, több millió elektronikai alkotóelem zsúfolódik össze egyetlen cm 2 -en. A vezérlőegység feladata a parancsok (a parancs a legkisebb munkafolyamat a processzoron belül, melynek lépései az utasítások) feldolgozási sorrendjének meghatározása. Kapcsolatban áll az ALU-val és az operatív memóriával, feladata tehát az ezekkel való kapcsolattartás, valamint a parancsok értelmezése, és végső soron a számítógép egységeinek vezérlése mindezen információk alapján. Az ALU feladata a nevében van: aritmetikai és logikai műveletek végrehajtására szolgál. Egyszerű logikai áramkörökből épül fel, melyek összehasonlítani, léptetni, invertálni és összeadni tudnak. A processzoron belül az információ- és adatcsere ún. buszokon (vagy síneken) keresztül zajlik. A címbuszon keresztül történik a megfelelő tárolócella kijelölése, az adatbusz az adatok továbbítását látja el, a vezérlőbusz pedig vezérlőjeleket továbbít. A folyamatok időbeli ütemezését egy órajel-generátor végzi. Az órajel frekvencia a processzor, így a számítógép működési sebességének jellemző adata. A mai számítógépek esetén GHz nagyságrendű. A CPU másik fontos egysége az operatív tár vagy memória. Itt tárolódnak az adatok a processzor számára, ezek olyan adatok, amelyek a feldolgozáshoz éppen szükségesek, és gyorsan rendelkezésre is állnak. Alapvetően kétféle típusú memóriát különböztethetünk meg: ezek a ROM és a RAM. A RAM (Random Acces Memory, közvetlen hozzáférésű memória) olvasható, törölhető, újraírható tár. Csak áramellátás esetén őrzi meg tartalmát, mely a számítógép kikapcsolásakor, vagy akár áramszünet esetén elvész. A ROM (Read Only Memory, csak olvasható memória) adatai gyártáskor kerülnek fixen a tárba, így a felhasználó csak olvasni tudja (illetve a számítógép felhasználja 20

21 működéséhez) ezeket az adatokat, de törölni, írni nem. A ROM tartalma áramellátás nélkül is megmarad, így nem változó adatok, programok kerülnek ide. Az input és output egységeket, valamint a háttértárakat közös néven perifériáknak nevezzük. A központi egység a perifériákkal az adatcsatornákon keresztül tartja a kapcsolatot. Perifériák A számítógép központi egysége és a külvilág közötti adatcserét megvalósító eszközöket be- és kiviteli (input-output, I/O) eszközöknek nevezzük. Az adatforgalom szempontjából a következő csoportokba sorolhatjuk ezeket: 1) Adatbeviteli vagy input egységek: az adatok, programok, vezérlőjelek ezeken keresztül jutnak a számítógépbe. Leggyakrabban a billentyűzetet és az egeret szoktuk használni. A billentyűzeten betűket, számokat, speciális jeleket, egyszóval karaktereket vihetünk be. Az egér mutatóeszköz, mellyel a parancsok begépelését válthatjuk ki rámutatással és kattintással. A sokféle egyéb eszköz közül néhány, a teljesség igénye nélkül: botkormány, scanner (lapbeolvasó), mikrofon, botkormány (joystick), trackball ( hanyattegér ), vonalkód leolvasó, fényceruza, virtuális valóság kesztyű, stb. 2) Adatkiviteli vagy output egységek: Az információkat, a feldolgozás eredményeit ezeken az eszközökön keresztül jeleníti meg a számítógép. A leggyakrabban alkalmazott eszközök a képernyő (monitor) és a nyomtató (printer), de számos más berendezés is használatos, például hangszóró, rajzgép (plotter), mikrofilm, virtuális valóság sisak, stb. 3) Be- és kivitelre egyaránt alkalmas eszközök: Ide tartoznak a háttértárak, melyek adatok tárolására szolgáló eszközök. Tartalmukat áramellátás nélkül is megőrzik, így hosszú távú tárolásra alkalmasak. Adathordozóik szerint egyfajta csoportosításuk lehet a következő: A háttértárak lényeges jellemzői a tároló típusa, kapacitása, elérési ideje. a) Mágneses tárak Működési elvük: az adathordozó felületén lévő mágneses réteg alkalmas arra, hogy kétállapotú jeleket rögzítsen. Az elektromos áram mágneses mezőt hoz létre maga körül, mellyel az adatok rögzítésekor megváltoztathatjuk a felület mágnesezettségét. Olvasáskor a mágneses térben levő vezetőben áram keletkezik, így visszakaphatjuk azokat az elektromos jeleket (adatokat), amiket rögzítettünk. 21