6. évfolyam informatika órai jegyzet 1
Tartalomjegyzék 1. A számítástechnika története 3 1.1. A kezdetek................................... 3 1.2. Mechanikus gépek............................. 7 1.3. Elektromechanikus gépek.......................... 9 1.4. Elektronikus gépek............................. 10 1.5. Neumann János és a Neumann elvek.................... 12 1.6. Számítógép generációk........................... 15 1.6.1. I. generáció 1943-1958....................... 15 1.6.2. II. generáció 1958-1965...................... 16 1.6.3. III. generáció 1965-1972...................... 16 1.6.4. IV. generáció 1972-1990...................... 18 1.6.5. V. generáció 1991-????....................... 19 1.7. Számítógép típusok............................. 19 2. Operációs rendszerek 23 2.1. Alapfogalmak................................ 23 2.2. A számítógép blokkvázlatos felépítése................... 25 2.3. Háttértárak................................. 25 2.4. Monitorok.................................. 26 2.5. Nyomtatók................................. 27 2.6. Operációs rendszerek története, fogalma, feladatai............. 28 3. A windows operációs rendszer 32 3.1. Mappa műveletek.............................. 34 4. Algoritmusok 38 4.1. Az algoritmus szó eredete.......................... 38 4.2........................................ 39
1. fejezet A számítástechnika története 1.1. A kezdetek... A számolást segítő eszközök története gyakorlatilag egyidős az emberiség történetével. Már az ősember is számolt, természetesen nem a mai értelemben és módon. A számolást a kornak megfelelő eszközökkel végezte, ilyen eszköz volt a saját ujja, amely mindig könnyen elérhető volt. Az ujjak a mai óvodásoknál és az alsó tagozatos osztályokban is hasznos számolási segédeszköznek bizonyulnak. A saját ujján kívül az ősember használt még köveket, fonalakat, pálcákat, fadarabokat, csontokat és használati eszközöket. Használati eszköz lehetett az edény vagy kéziszerszám. A felsorolt eszközök azt bizonyítják, hogy az ősember okos volt, hiszen felhasznált mindent a számoláshoz, ami a környezetében volt. 1.1. ábra. Ősember Érdekes megállapítás, hogy az ősember kezdetben nem tudott a mai értelemben számolni, csak az egyet, a kettőt és a sokat különböztette meg. Később alakultak ki a további számok. A nullát nem ismerték (a számok történetében azonban jelentős szerepe van a nullának, sokáig nélküle számoltak). A "0" szám fogalma csak sokkal később alakult ki. Talán sokan elgondolkoztak azon a kérdésen, hogy mi szüksége volt a számolásra az ősembernek? A számolásnak fontos gyakorlati haszna volt. Egy példa rá: a vadászatra tartó családfőnek pontosan tudni kellett, hogy mennyi vadat kell elejteni ahhoz, hogy családja ne maradjon éhen. 3
A meglévő számolási eszközökkel műveleteket is végzett az ősember. Az +(összeadás) műveletét a 1.2. ábra szemlélteti: 1.2. ábra. Kavicsok Tehát a számolás módja az volt, hogy kettő vagy több kupac követ egy kupacba rakott és így elvégezte az +(összeadás) műveletét. Hasonló módon végezte a kivonást is. A szorzást, osztást vagy magasabb rendű műveleteket még nem tudott elvégzni. A számok rögzítésének ősi módja a megfelelő számú rovás készítése fadrabba, csontba. A számrendszer fogalma. A számrendszerben különböző alapszámok vannak, amelyekből "felépíthetünk" egy "nagyobb" számot. Példa erre a hétköznapi életben használt számrendszer, a 10-es számrendszer. Ebben a számrendszerben a számjegyek a következők: 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9, azaz 10 db számjegy. A 2-es számrendszer számjegyei a 0 és az 1. Meg lehet találni a nyomait az ötös Dél-Amerika hatos Északnyugat-Afrika, finnugor népek hetes héberek, ugorok tizenkettes germán nyelvek huszas maják, kelták hatvanas Babilon számrendszereknek is. A magyarok kezdetben hatos, később 7-es, majd a középkorban 10-es számrendszert használtak. A nagyobb számértékek megjelenésével szükséges volt valmi segédeszköz, hogy el lehessen végezni a műveleteket (+(összeadás), -(kivonás)). Kezdetben tovább fejlesztették a kövek, pálcikák módszerét, kupacokba rakták a köveket és ezekkel jegyezték meg a nagyságrendi váltásokat(például 100-asnál, 1000-resnél). Ez a módszer egy idő után azonban túl bonyolult volt és túlságosan lassúvá tette a műveletvégzést. Az első számolásra készített eszköz az abakusz (1.3. ábra) volt. Az abakusz ókori (valószínűleg mezopotámiai) eredetű egyszerű számolási segédeszköz. Rudakon, drótokon mozgatható golyókat tartalmaz. Az egy rúdon lévő golyók helyzete egy-egy számjegyet, a rudak egy-egy helyiértéket jelentenek. Így egy 6 rudat tartalmazó abakuszon a legagyobb ábrázolható szám a 999 999. Az összeadás és kivonás igen egyszerűen és gyorsan elvégezhető az abakusszal, az osztás és szorzás már nehezebb. Hasonló eszközt használtak a számolásra japánban, ahol 4
soroban (1.4. ábra) néven ismerték. Kínában ugyanez az eszköz Szuan-pan (1.5. ábra) néven vált ismertté. 1.3. ábra. Abakusz 1.4. ábra. Soroban 1.5. ábra. Szuan-pan Az abakusz és az abakusz változatok mellett megjelent egy másik számolási eszköz, a kipu (1.6. ábra). A kipu egy fonalas számolási eszköz. Az inka birodalomban volt elterjedt. Használták szöveges információ tárolására és számolásra is. A számolás során a fonálra csomókat kötöttek a helyiértéknek megfelelően. Az egyes helyiértékekre annyi csomót kötöttek, ahány darab volt az adott helyiértéken. Létezik egy fonalas és több fonalas kipu is. A kipu legnagyobb előnye a helyiértékes számolás. 5
1.6. ábra. Kipu A számolás történetében a tényleges áttörést a logaritmus megjelenése jelentette. John Napier (1550-1617) skót tudós kis rudacskákat készített. Ez az eszköz már az arab (0,1,2...) számok használatára épült. A készlet tíz darab pálcából (1.7. ábra) állt (Napier-pálcák), mindegyik számjegynek külön pálca volt. Egy pálcára egy számjegy többszöröseit írták. Az egyes pálcákon négyzetrácsok voltak. Az egyik számot a legfelső sorba kellett írni, a másikat pedig a jobb szélső oszlopba (a legnagyobb helyiérték felülre, a legkisebb alulra kerül). A pálcákon a maradék részen a négyzeteket átlósan kétfelé kellett osztani. Az egyes négyzetekbe a számok úgy kerültek be, hogy a tizeseket az átló fölé, az egyeseket az átló alá írták. Az eszköz alkalmas volt mind a négy alapművelet elvégzésére (+(összeadás, -(kivonás), *(szorzás), /(osztás)). A Napier-pálca utóda a logarléc. A XVII. században a 1.7. ábra. Napier-pálcák hajózási és csillagászati térképek készítése, és az ehhez szükséges számítások elvégzése hosszadalmas és idegörlő munkát jelentett. Wilhelm Schikard (1592-1635) tübingeni professzor a Napier-pálcák felhasználásával a négy alapművelet elvégzésére alkalmas számológépet (1.8. ábra) készített. A gép elkészítésére a késztetést valószínűleg a Keplerrel fogytatott beszélgetései jelentették. A számológépe egymáshoz kapcsolódó fogaskerekeből állt. Ezen az eszközön elvégezhető volt mind a négy alapművelet, így megkönnyítette a sok számolást igénylő műveletek elvégzését. A számolás eredménye a gép alján jelent meg. 6
1.2. Mechanikus gépek 1.8. ábra. Schickard számológépe Blaise Pascal (1623-1662) készítette az első, egységes egészként működő összeadógépet (1.9. ábra) 1642-ben. Összesen 7 darab készült a gépből. A munkát Schikardtól függetlenül végezte és a gépe nem is volt olyan fejlett, mint Schikardé. A gépet 19 éves korában készítette, hogy megkönnyítse apja adóbeszedői munkáját, tehát gyakorlati haszna volt a gép megépítésének. A számokat a gép tetején kell beállítani és az eredmény a gép tetején lévő kis ablakokon látszik. A kor technikai szintjének megfelelően óraalkatrészekből (többnyire fogaskerekből) építette meg a szerkezetet. A fogaskerekek minden foga egy-egy számjegynek felel meg 0-tól 9-ig. Minden helyiértéknek egy-egy fogaskerék felelt meg. A gép nagy újdonsága az automatikus átviel megoldása. (Páldául ha a 8-at és a 9-et akarom összeadni papíron, akkor úgy végzem el az összeadást, hogy leírom a 7-et, az 1-et pedig átviszem a következő helyiértékre. A gép ismerte az "átviszem a következő helyiértékre" műveletet.) A számológéppel csak az összeadást és a kivonást lehetett elvégezni, osztást, szorzást nem. Így ez a gép visszalépést jelentett Schikard készülékéhez képest. 1.9. ábra. Pascal számológépe 7
Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716) német filozófus és matematikus 1672-ben továbbfejlesztette Pascal gépét. Leibniz gépe (1.10. ábra) a négy alapműveleten kívűl a gyökvonás műveletét is el tudta végezni. Ez volt az első olyan gép, amellyel mind a négy alapműveletet el lehetett végezni hiba nélkül (Schichkard gépe nem volt tökéletes). Az összeadó része teljesen megegyezett Pascal elgondolásával, a szorzás tartalmazott új megoldást. A tökéletesítés Pascal gépéhez képest a bordás henger alkalmazása jelentette. A henger felületén 9 db (a számoknak megfeleően), eltérő hosszúságű borda van, ezek széles fogaskerék-fogként működnek. A bordáshengerhez illeszkedett a fogaskerék. 1.10. ábra. Leibniz gépe Folyamatok vezérlésére már évszázadok óta alkalmaztak különböző vezérlési módokat. Zenegépekben pl. a tüskés henger volt a jellemző megoldás. A henger mérete természetesen megszabta a program hosszát: a henger minden körülfordulása ugyanazt a tevékenységet idézte elő. A mintás szövés vezérlésére viszont olyan módszer kellett, amivel egyrészt hosszabb programot is meg lehet adni, másrészt pedig viszonylag egyszerűen lehet a mintát megváltoztatni, a szövőszéket "átprogramozni". Joseph Marie Jacquard (1752-1834) francia feltaláló a vezérlést tökéletesítette. 1810-ben olyan automatikus szövőszéket (1.11. ábra) tervezett, amelynél fából készült vékony, megfelelő kilyuggatott lapok ("kártyák")(1.12. ábra) vezérelték a bonyolult minták szövését. A lyukkártyát láncra fűzte, ezzel lehetővé tette a minták gyors és könnyű megváltoztatását. A XIX. században Charles Babbage (1792-1871) brit matematikus és feltaláló kidolgozta a modern digitális számítógép alapelveit. Több új típust is kigondolt. Ilyen volt a Differenciagép (1.13. ábra), amit logíritmustáblázatok készítésére tervezett az 1820-as évek elején. A differenciagép bizonyos függvények sorozatának kiszámítását különbségek, differenciák összeadására vezeti vissza. 1833-ban a differciagép elveinek továbbfejlesztésével tervezte meg Babbage az analitikus (1.14. ábra) gépet. A gép elkészítéséhez a kormánytól kapott 17000 font támogatást, de saját tőkéjéből is ráköltött mintegy 20000 fontot. A gép teljes egészében sohasem épült meg, pedig a modern számítógépek sok sajátságával rendelkezett. Babbage univerzális gépet tervezett, amely adatbeviteli és eredmény-kiviteli egységből, számolóműből és részeredmény-tárolóból állt volna. A gép lyukkártyáról olvasta volna be az információkat, tudott volna utasításokat és adatokat tárolni, matematikai műveleteket végrehajtani és kinyomtatni. Haláláig ezen a gépen dolgozott, bár az építése kezdetben megakadt: a kor finommechanikai lehetőségeivel ezt a gépet nem lehetett elkészíteni. Ha megépült volna, akkor egy futballpálya területét foglalta volna el és öt gőzgép energiája kellett volna a 8
1.11. ábra. Jacquard szövőgépe működtetéséhez. Az Egyesül Államok 1880-as népszámlálásán 55 millió ember adatait gyűjtötték össze. Az adatokat 500 ember összesítette 36 szempont szerint 7 éven keresztül. Herman Hollericht (1860-1929) német származású amerikai statisztikus ennek láttán találta ki, hogy Jacquard deszkalapjaihoz hasonló perforált kártyákat (1.15. ábra) adatfeldolgozásra is lehet használni. Egy kártyára egy ember adatait lyukasztotta. Maga a lyukasztás kézi munkával történt. Ezzel a módszerrel az 1890-es népszámlálás adatait mindössze 4 hét alatt elvégezte. 1.3. Elektromechanikus gépek A XX. században az elektromosság terjedésével motorok kerültek a számológépekbe. A mechanikus alkatrészeket felváltották az elektromos jelfogók. Az első nagy sikerű, jelfogókkal működő, mechanikus rendszerű számítógépet Konrad Zuse (1910-1995) berlini mérnök alkotta meg. Németországban a háború előtt a fegyverek előállítása kapcsán jelentősen megnőtt a számítási igény. 1939-ben készült el Zuse első jelfogókkal működő, mechanikus rendszerű számítógépe, a Z1 (1.16). ábra). A gépet 1936-38 között építette otthon, szülei lakásának a nappalijában. A gép kettes számrendszerben működött és lebegőpontos számokkal számolt. Az adatbevitelre billentyűzet szolgált, az adatkivitel pedig kettes számrendszerben egy világító tábla (fénymátrix) segítségével történt. Külön helyezkedett el benne a tár és az aritmetikai egység. A következő modella a Z2, amely már lyukfilemes adatbeviteli egységet tartalmazott. Ez a gép 16 bites fixpontos adatokkal dolgozott és 16 szavas tárolója volt. Az első teljesen működőképes, szabadon programozható, programvezérlésű számítógépet, a Z3-at 1941-ben fejezte be Zuse. Ez a gép 22 bites szavakat használt és lebegőpontos számokkal dolgozott. 9
1.12. ábra. Lyukkártya 1.13. ábra. Differencia gép Az első teljesen automatikusan működő, általános célú, digitális számítógépet az Egyesült Államokban, a Harvard egyetemen fejlesztették ki Howard Aiken vezetésével. A tervezéshez az IBM 5 millió dollárral járult hozzá. Ez a gép volt a Mark I (1.17). A gép fixpontos számokkal dolgozott. Relékből épült fel, 3304 db kétállású kapcsolót tartalmazott, összesen kb. 760000 alkatrészből állt. A gép kb. 15 méter hosszú és 2,4 méter magas volt. A memóriája tizes számrendszerben tárolta az adatokat, 72 db 23 számjegynek volt benne hely. A gépet egy papírszalagra sorosan felvitt utasítássorral lehetett vezérelni. A készülék kb. százszor volt gyorsabb, mint egy jó kézi számolókészülék, egy nap alatt 6 hónapnyi munkát volt képes feldolgozni. 1.4. Elektronikus gépek Az elektronikus gépek általános jellemzői az elektromechanikus gépek után: 1. A teljes számítógép vezérlést a CPU végezte. Ez azt jelentette, hogy a perifériák és a memória között minden egyes szó átvitelét a CPU intézte. 10
1.14. ábra. Analitikus gép 1.15. ábra. Hollericht gépe 2. A gép szolgáltatásait egyszerre egy programozó használta. 3. Kezdetben a programozás gépi kódban történt, utána jelent meg az assembly nyelv. 4. A gépek bármikor meghibásodhattak, a hiba megkereséséhez és kijavításához pedig hozzáértő szakemberek kellettek. A leggyakoribb hiba egy-egy cső kiégése volt. A második világháború sürgette a hadiipar fejlődését. A lövedékek röppályszámítására építették meg 1943 és 1946 között az első tisztán elektronikus számítógépet kezdetben Aberdeenben, majd Philadelphiában, a Pennsylvania Egyetemen. A gép neve ENIAC (1.18). ábra), azaz Electronic Numerical Integrator and Calculator. Megalkotói J.P Eckert, J.W.Mauchly és H.H.Goldstien. Az első általános célú, elektronikus, digitális számítógép volt. Ezt a gépet már szabadalmaztatták. Az ENIAC 17468 elektroncsövet tartalmazott, több mint 100 kw elektromos energiát fogyasztott és 450 m 2 helyet foglalt el (tornaterem méretű). A gép tömege 30 tonna volt, megépítése tízmillió dollárba került. Három nagyságrenddel gyorsabb volt, mint a relés számítógépek: az összeadást 0,2 ms, a szorzást 3 ms alatt végezte el. A programja azonban fixen be volt "drótozva" a processzorba és csak mintegy kétnapos kézi munkával, villamos csatlakozások átkötésével lehetett megváltoztatni. A gép memóriája 20 db tízjegyű előjeles decimális számot tudott tárolni. Mindegyik számjegy tárolására 10 db elektroncsövekből épített segédalkatrész szolgált. A számokat egy IBM kártyaolvasóval összekapcsolt ún. konstans átviteli egységgel lehetett bevinni. Az eredményeket egy IBM kártyalyukasztóval kártyára lyukasztva adta ki. A gépet 1956-ban lebontották, mert elavult (már elkészültekor elavult volt). Jelenleg egy olcsó zsebszámológép is nagyobb teljesítményű, de az ENIAC technikatörténeti érdemei vitathatatlanok. Az ENIAC elkészültének 50. évfordulójára egy japán középiskolás könnyedén el tudta készíteni az eredeti tervrajzok alapján a chipet, amely azonos tudású az eredeti készülékkel. 11
1.16. ábra. Zuse Z1 gépe 1.17. ábra. Mark I 1.5. Neumann János és a Neumann elvek Neumann János (1.19. ábra) 1903.12.28.-án született Budapesten. Apja Neumann Miksa bankár, anyja Kann Margit. Két testvére született: Mihály és Miklós. 1913-tól a fasori főgimnáziumban tanult. Magyarországon akkoriban ez az iskola volt a legjobb középiskola. Az 1917/18-as tanévben elnyerte az V. osztály legjobb matematikusa címet, 1920-ban pedig az ország legjobb matematikus-diákja kitüntetést. Mire leérettségizett, már matematikusnak számított. 1921-ben beiratkozott a budapesti tudományegyetem bölcsészkarára. Fő tárgya a matematika volt, melléktárgyai a fizika és kémia. Ezenkívűl a Pázmány Péter Tudományegyetemhez kötötte formális kapcsolat. 1926-ban fogadták doktorrá. 1929- ben a Princeton Univerity hívta vendégprofesszornak, így került az Egyesült Államokba. 1943-ban nevezték ki tanácsadónak az atombomba készítésénél. 1944-ban bekapcsolódik tanácsadóként az ENIAC gép építésébe. Neumann elvek: A számítógép olyan matematikai problémák megoldására szolgál, amelyekre az ember önállóan is képes lenne. A cél a műveletek végrehajtási idejének meggyorsítása. Ennek érdekében minden feladatot összedások sorozatára kell egyszerűsíteni, ezután következhet a számolás mechanizálása. 12
1.18. ábra. ENIAC 1.19. ábra. Neumann János 1. Soros működésű, teljesen elektronikus, automatikus gép Nemumann János rámutatott a mechanikus eszközök lassúságára és megbízhatatlanságára, helyettük kizárólag elektronikus megoldások használatát javasolta. A gép a műveleteket nagy sebességgel, egyenként hajtja végre, melynek során a numerikusan megadott adatokból - az utasításoknak megfelelően - emberi beavatkozás nékül kell működnie, és az eredményt rögzítenie. 2. Kettes számrendszer használata A kettes számrendszer használatának alapja az a tapasztalat, hogy az elektronikus működést könyebb, hatékony, kétállapotú eszközökkel megvalósítani. Ehhez elegendő egy olyan rendszer használata, mely két értékkel (igen/nem) dolgozik. A kettes számrendszer számjegyei: 0,1. A 0-át könnyen lehet azonosítani azzal, hogy nincs feszültség, az 1-et pedig azza, hogy van feszültség egy elektromos áramkör adott pontján. A tízes számrendszert a kettessel felváltva az aritmetikai műveletek egyszerűsödnek, nő a sebesség, csökken a tárolási igény, így az alkatrészek száma is, megoldandó feladat marad viszont a folyamatos átváltás. 13
3. Megfeleljen az univerzális Turing-gépnek Az univerzális gép elvi alapjai A. M. Turing (1912-1954) elméleti munkásságának eredménye, aki bebibizonyította, hogyha egy gép el tud végezni néhány alapműveletet, akkor bármilyen számításra képes. Ez az aritmetikai egység beiktatásával érhető el, amelynek az összes számítási és logikai művelet végrehajtása a feladata. A műveleti sebesség fokozása érdekében került alkalmazásra a központi vezérlőegység, amely meghatározza a program soron következő utasításait, szabályozzaa műveletek sorrendjét, és ennek megfelelően vezérli a többi egység működését. Turing kutatása megteremtette a programozható számítógép matematikai modelljét és a digitális számítások elméleti alapját. 4. Belső program- és adattárolás, a tárolt program elve A legfontosabb újjítás a belső program- és adattárolás elve, melynek segítségével a műveletek automatikusan következnek egymás után, lassú emberi beavatokozás nélkül. A külső tárolás és szakaszos betöltés helyett az adatok és a programok egy helyen a belső memóriában kerülnek tárolásra. Innen veszi a központi egység a végrehajtandó utasításokat és az azokhoz szükséges adatokat, valamint ide helyezi vissza az eredményt is, így a műveletvégzés sebessége nagyságrendekkel nőhet. 5. Külső rögzítőközeg alkalmazása A számítógépnek a bemeneti (input) és kimeneti (output) egységeken kersztül befelé és kifelé irányuló kapcsolatot kell fenntartani a - lehetőleg - elektronikus vagy mágneses tárolóeszközökkel. A bemenő egység a külső tárolóeszközről beolvassa a memóriába a szükséges adatokat, majd a műveletvégzések után a kiemnő egység átviszi az eredményeket egy leolvasható tárolóközegre. Neumann idejében a programtárolás és végrehajtás mechanikus úton - például lyukkártyák vagy tárcsák segítségével - történt. Az elektronikus programtárolás és végrehajtás, valamint a kettes számrendszer használatának bevezetése áttörést jelentett mind a sebesség, mind pedig a felhasználási lehetőségek tekintetében. Egy Neumann elvű számítógép blokkvázlata: 1.20. ábra. Neumann elvű számítógép 14
1.6. Számítógép generációk A digitális számítógépeket a bennük alkalmazott logikai (kapcsoló) áramkörök fizikai működési elve és integráltsági foka (technológiai fejlettsége) szerint is osztályozhatjuk. Ilyen értelemben különböző számítógép generációkról beszélhetünk. A továbbiakban a számítógépek fejlődésének főbb állomásait mutatjuk be. 1.6.1. I. generáció 1943-1958 Az ötvenes években a Neumann-elveket felhasználva kezdték építeni az első generációs számítógépeket. Az első elektronikus digitális számítógép az ENIAC. Itt kell megemlítenünk az EDVAC és UNIVAC (6.1. ábra) gépeket is. A gépek általános jellemzői: működésük nagy energiafelvételű elektroncsöveken alapult terem méretűek voltak gyakori volt a meghibásodásuk műveleti sebességük alacsony, néhány ezer elemi művelet volt másodpercenként üzemeltetésük, programozásuk mérnöki ismereteket igényelt 1.21. ábra. Az UNIVAC gép A II. világháború alatt tudósok és matematikusok egy csoportja létrehozta (Londontól északra) az első teljesen digitális számítógépet, a Colossust (6.2. ábra). A gép 1943 decemberére készült el és 1500 elektroncsövet tartalmazott. Rejtjelezett német rádióüzenetek megfejtésére használták. A németek ENIGMA nemű rejtjelét is ezzel fejtették meg. A számítástechnika korszaka hivatalosan 1951 június 5.-én kezdődött, amikor az első UNIVAC-ot (Universal Automatic Computer) leszállították az Egyesült államok Népszámlálási Hivatala számára. Ez volt az első kereskedelemi forgalomban elérhető számítógép. 15
1.6.2. II. generáció 1958-1965 1.22. ábra. A Colossus gép A tranzisztor feltalálása az ötvenes évek elején lehetővé tette a második generációs számítógépek kifejlesztését. Tulajdonságaik: az elektroncsövet jóval kisebb méretű és energiaigényű tranzisztorokkal helyettesítették helyigényük szekrény méretűre zsugorodott üzembiztonságuk ugrásszerűen megnőtt kialakultak a programozási nyelvek, melyek segítségével a számítógép felépítésének részletes ismerete nélkül is lehetőség nyílt programok készítésére tárolókapacitásuk és műveleti sebességük jelentősen megnőtt A gépek megbízhatósága kb. az ezerszeresére nőtt az első generációhoz képest. Kisebbek lettek az alkatrészek és a számítógépgyártással foglalkozó cégek is. Ezzel egyidőben megjelentek a magasabb szintű programozási nyelvek is (pl.: FORTRAN) Egy jellemző második generációs számítógép az IBM 7094 (6.3. ábra) volt. A gép 36 bites szavakat használt, mindegyik szó egy ficpontos számot, egy lebegőpontos számot vagy egy utasítást tartalmazott. A CPU az azonos funkciójú regisztereket azonos módon jelölte. A gép utasításkészlete több, mint 200 utasításból állt. A perifériákkal való adatforgalom lebonyolítására a gépnek külön input-output processzorai voltak. 1.6.3. III. generáció 1965-1972 Az ötvenes évek végén a technika fejlődésével lehetővé vált a tranzisztorok sokaságát egy lapon törmöríteni, így megszületett az integrált áramkör, más néven IC (Integrated Circuit). A hetvenes évek számítógépei már az IC-k felhasználásával készültek. Tulajdonságaik: jelentősen csökkent az alkatrészek mérete és száma, így a gépek nagysága már csak asztal méretű volt 16
1.23. ábra. Az IBM 7094-es gép megjelentek az operációs rendszerek a programnyelvek használata általánossá vált megjelentek a magas szintű programnyelvek (COBOL) műveleti sebességűk megközelítette az egymillió elemi műveletet másodpercenként csökkenő áruk miatt egyre elterjedtebbé váltak, megindult a sorozatgyártás Az IBM 360-as egy jellemző harmadik generációs számítógép. Maga a számítógép a két nagy szekrényben a terem közepén látható (6.4. ábra). Az egyik oldalán a korábbi generációkból örökölt vezérlőpult, amin egyes regiszterek állapotát lehetett leolvasni és beállítani. A kép közepén van az operátori ún. konolírógép. A konzolírógép segítségével lehetett parancsokat adni az operációs rendszernek és az üzeneteket is ide írta ki a gép. Balra elöl mágneslemezes egységek láthatók, háttérben mindkét oldalon mágnesszalagmeghajtók, jobb oldalt hátul pedig egy sornyomtató. 1.24. ábra. Az IBM 360-as gép 17
1.6.4. IV. generáció 1972-1990 A hetvenes évek elején az integrált áramkörök továbbfejlesztésével megszületett a mikrochip és a mikroprocesszor, melyet elsőként az Intel cég mutatott be 1971-ben. Ez lehetővé tettte a negyedik generációs személyi számítógépek létrehozását. Ebbe a csoportba tartoznak a ma használatos számítógépek is. Tulajdonságaik: asztali és hordozható változatban is léteznek hatalmas mennyiségű adat tárolására képesek műveleti sebességük másodpercenként több milliárd is lehet alacsony áruk miatt szinte bárki számára elérhetőek megjelentek a negyedik generációs programnyelvek (ADA, PASCAL) 1974-ben egy Micro Instrumentation Telemetry System nevű cég piacra dobta az Altair 8800 (6.5. ábra) nevű személyi számítógépet egy összeszereletlen gép formájában. A készlet nem egészen 400 dollárba került. Az információ bevitelére nem billentyózete volt, hanem csak egy kapcsolótáblája. Ez volt az első kimondottan személyes felhasználásra tervezett asztali számítógép. 1982-ben jelenik az IBM XT, majd 1984 az IBM AT 1.25. ábra. Az Altair 8800-as gép típusú gép (6.6. ábra). Kifejlesztik az első, számítógépekből álló hálózatokat. Hajlékony mágneslemezes tárolók jelennek meg, elterjed a PC az irodákban. 1989-ben megjelennek az első számítógépvírusok is. Az 1980-as években a számítógépek rohamléptekkel váltak egyre kisebbé, jobbá és olcsóbbá. A nagyobb teljesítményű hardver összetettebb, könnyebben kezelhető programok készítését tette lehetővé. Ezért a számítógépek egyre gyorsabb processzorokkal, egyre nagyobb háttértárakkal és egyre nagyobb memóriával készültek. 18
1.6.5. V. generáció 1991-???? 1.26. ábra. Az IBM XT gép Az ötödik generációs számítógépek létrehozására irányuló fejlesztési kísérletek a nyolcvanas évek elején Japánban kezdődtek meg. Tulajdonságaik: mesterséges intelligencia megjelenése felhasználó-orientált kommunikáció Egy mai számítógép használatakor a felhasználó feladata "megérteni" a végrehajtandó műveletsort, addig az ötödik generációs számítógépek hagyományos emberi kommunikáció révén fogják megérteni és végrehajtani a feladatokat. Ezen gépek működési elve úgynevezett neurális hálók használatával valósítható meg, amely a hagyományos rendszerek gyökeres ellentéte. Az ötödik generációs számítógépek fejlesztése még kezdeti stádiumban van, ezért piacon való megjelenésükre a közeljövőben nem számíthatunk. Az egyik jelenlegi fejlesztés a robotika fejlődését célozza meg (6.7. ábra). 1.27. ábra. Egy robot gép 1.7. Számítógép típusok A számítógép kifejezést többféle számítógéptípus általános megjelölésére használjuk. Tekintsük át néhány gyakrabban használt kategóriát és azok jellemzőit. 19
Szuperszámítógép: Seymour Cray (1925-1996) nevéhez fűződik leginkább e géposztály. A sorozatban gyártott CRAY-2 szuperszámítógép 2GB-os memóriájával és 250 millió művelet/másodperc sebességgel egy igen erőteljes képviselője a géposztálynak. Ez a típus a leggyorsabb és egyben legdrágább számítógéptípus. A szuperszámítógépek olyan eredetileg épített célszámítógépek, amelyeket egy adott, általában nagy számításigényű program lehető leggyorsabb végrehajtására használnak. Ilyen gépeket használnak például időjárás előrejelzés készítéséhez (7.1. ábra), nukleáris robbantások szimulálásához, illetve mozifilmek csúcsminőségű animációinak, effektjeinek elkészítéséhez. 1.28. ábra. Az Országos Meterológiai Szolgálat szuperszámítógépe Mainframe számítógép: Nagy mennyiségű adat feldolgozására és több, terminálokon keresztül kapcsolódó felhasználó kiszolgálására használt központi gép (7.2. ábra). Az egyszerű fájlszerverekkel ellentétben itt a feldolgozás is a központi gépen folyik. Ezek a számítógépek képesek egy időben nagyon sok program gyors futtatására. Klimatizált termekben helyezik el őket és többnyire univerzális felhasználásúak. Akár több ezer felhasználó kiszolgálására is képesek. 1.29. ábra. Egy mainframe számítógép E rendszerek használata általában nagyvállalati környezetben jellemző, ahol például az adott vállalat adatbázisait, központilag menedzselt elektronikus levelezését valósítják meg mainframe gépek segítségével. Egy mainframe rendszer kialakítási költsége, teljesítményigénytől függően megközelítheti egy szuperszámítógép gyártási költségeit is. 20
Miniszámítógép: Feladataiban és elérési módjában hasonló a mainframe számítógépekéhez, teljesítménye azonba kisebb. Ilyen számítógépeket használnak például a kis- és középvállalatok, ahol maximum 100-200 felhasználó kiszolgálása szükséges. Kisebb teljesítménye miatt a miniszámítógép lényegesen olcsóbb a mainframe rendszereknél. Asztali számítógép: Egyidejűleg egyetlen felhasználó kiszolgálására alkalmas számítógép vállalati vagy otthoni környezetben is használható, használati céljainak megfelelően különféle perifériák kezelésére képes. Elfogadható árszintje miatt a mindennapi életben leginkább elterjedt számítógép-kategória (7.3. ábra). 1.30. ábra. Egy asztali számítógép Hordozható személyi számítógép: Olyan személyi vagy ipari célra kialakított személyi számítógép, amelyet méretének és súlyának csökkentésével hordozhatóvá alakítottak ki (7.4. ábra). Általában folyadékkristályos - LCD - kijelzővel, illetve annak egy továbbfejlesztett változatával, az úgynevezett TFT megjelenítővel kerülnek gyártásra. A hordozható számítógépek teljesítményükben megegyeznek az asztali számítógépekkel, de különleges kialakításuk miatt általában drágábbak. Kompakt megvalósításuk és csökkenő áruk révén azonban egyre elterjedtebbé válnak az üzletemberek és magánfelhasználók körében is. 1.31. ábra. Egy hordozható asztali számítógép Plamtop, kézi számítógép: Olyan kézi eszközök, melyek számítógépes, telefonos, fax, va- 21
lamint hálózati szolgáltatásokat nyújtanak a felhasználó számára. Ilyen például a mobiltelefon. A plamtop eszközöket gyakran hívják zsebszámítógépnek vagy PDA-nak. 1.32. ábra. Egy PDA számítógép Hálózati számítógép: Minimális memória-, processzor- és hátttértárkapacitású számítógép, mely a programok végrehajtására és az adatok feldolgozására, tárolására elsősorban a számítógép-hálózaton keresztól elért szerver erőforrásait veszi igénybe. Egy ilyen számítógépekből összeállított rendszer összességét tekintve olcsóbb egy személyi számítógépekből álló hálózat kiépítésénél, és egyszerűbbé válik a rendszer központi adminisztrációja is. Egyes esetekben személyi számítógépek is elláthatnak a hálózati számítógéphez hasonló funkciókat. Ilyen gépeket elsősorban vállalati környezetben alkalmaznak. 22
2. fejezet Operációs rendszerek A témakör elején néhány alapfogalommal ismerkedünk meg pl.: hardver, szoftver,... Az alapfogalmak megismerése után áttekintjük a számítógép részeit, mint például a merevlemezeket, nyomtatókat vagy monitorokat. A bevezető után megismerkedünk az operációs rendszer fogalmával, történetével. Áttekintjük a jelentősebb típusokat: DOS, Linux, OS/2, Windows. 2.1. Alapfogalmak Hardver: A számítógép kézzel fogható részeit hardvernek nevezzük. Pl.: egér, billentyűzet, monitor. Szoftver: A számítógép nem kézzel fogható részei, vagyis a számítógépet működtető programok és adatok összessége. (2.1. ábra) 2.1. ábra. Egy népszerű szoftver Program: A számítógépnek adott utasítás sorozat. Adat: Olyan információ, amelyet a program dolgoz fel. (2.2. ábra) Bit: Az információ legkisebb egysége. Értéke 0 vagy 1 lehet (kettes számrendszer). 23
2.2. ábra. Egy adatokat megjelnítő szoftver Bájt: Az adat legkisebb egysége. 8 bit = 1 bájt. 1 bájt kell ahhoz, hogy 1 karaktert (pl.: A betűt) letudjunk tárolni. A következő táblázat megadja az egyes mértékegységeket és a mértékegységek közti váltószámokat: 8 bit 1 bájt 1024 bájt 1 kb 1024 kb 1 MB 1024 MB 1 GB 1024 GB 1 TB 1024 TB 1 PB Fájl: Az információ logikailag összetartozó, de önálló egységként kezelt részeit fájlnak nevezzük. Kétféle fájltípust különböztetünk meg adatfájl és programfájl. (2.3. ábra) 2.3. ábra. Egy fájl tartalma 24
2.2. A számítógép blokkvázlatos felépítése A számítógép működésének megértéséhez szükséges, hogy ismerjük a hardver felépítését, és tisztában legyünk a hardverelemek funkcióival. A következő ábra a számítógép részeinek vázlatos felépítését mutatja. A 2.4. ábra a számítógép részeinek vázlatos felépítését mutatja. A CPU (Central Processing Unit) vagy más néven Központi Vezérlőegység a fő 2.4. ábra. A számítógép blokkvázlatos felépítése része a blokkvázlatnak. A vezérlő egység az utasításokat adja ki, az aritmetikai és logikai egység pedig a műveletvégzésért és a logikai számításokért felelős. A CPU-nak van egy bemenete, amit fel kell dolgoznia, az eredményt pedig a kimenetre tenni. A CPU-hoz szorosan tartozik a memória, ahol a részszámítások tárolódnak. A CPU-hoz ezen kívül még be- és kimeneti egységek is csatlakoznak (pl.: monitor, billentyűzet...). 2.3. Háttértárak A háttértárak nagy mennyiségű adat tárolására alkalmas ki- és bemeneti perifériák. A használaton kívüli programok és adatok tárolása mellett fontos szerepük van az adatarchiválásban, de például a számítógépes rendszerek biztonságos üzemvitele érdekében további háttértárakon helyezkedik el a rendszerek biztonsági másolatát is. Öt fő típust különítunk el a háttértárak között: 1. Floppy: 1,44 Mb (2.5. ábra) 2. Merevlemez: 20 MB - 500 GB 3. PenDrive: 32 MB - 16 GB 4. CD lemez: 650-700 MB 5. DVD lemez: 4,7 GB (2.6. ábra) 25
2.5. ábra. Floppy lemez 2.6. ábra. DVD lemez 2.4. Monitorok A legfontosabb kimeneti eszköz a monitor. A monitoron megjelenő képek képpontokból (pixel) állnak. A monitor minősége a megjelenített képpontok sűrűségétől és méretétől függ. A monitorokat három fő szempont szerint lehet csoportosítani: 1. Katódsugárcsöves (2.7. ábra) 2. LCD (2.8. ábra) 3. Érintőképernyős (2.9. ábra) 26
2.7. ábra. Katódsugárcsöves monitor 2.5. Nyomtatók 2.8. ábra. LCD monitor A nyomtató a legegyszerűbb eszköz arra, hogy munkák eredményét papíron is viszontláthassuk. A nyomtatókat több ismérv alapján csoportosíthatjuk. A karakterek megjelenítési módja szerint beszélhetünk teljes karaktert író és pontokat író típusú. A nyomtatott kép minőségét az egységnyi nyomtatási területre eső képpontok maximális száma, azaz a képfelbontás határozza meg, melynek mértékegysége a DPI (Dot Per Inch). Jó minőségű nyomtatáshoz minimum 300 dpi felbontást kell használnunk. A három legelterjedtebb nyomtatótípus: 1. Mátrix (2.10. ábra) 2. Tintasugaras (2.11. ábra) 3. Lézer (2.12. ábra) 27
2.9. ábra. Érintőképernyős monitor 2.10. ábra. Mátrix nyomtató 2.6. Operációs rendszerek története, fogalma, feladatai Történet: Az operációs rendszerek története szorosan kapcsolódik a számítástechnika történetéhez. A számítógépeknek kezdetben nem volt operációs rendszerük (pl.: ENIAC). A gépek működtetéséhez szakember kellett, aki tudott "kommunikálni" a számítógéppel. Először a III. generációs számítógépeknél (1.6.3 fejezet) jelent meg az operációs rendszer fogalma. A részletes történeti áttekintés helyett jelenleg egy szűkebb részt vizsgálunk át. Az operációs rendszereket két csoportra lehet osztani felhasználói szemszögből: Parancssoros (pl.: DOS, OS/2, Unix, stb...) Grafikus (pl.: Windows, Linux, OS/2 WARP) A parancssoros operációs rendszerek használatához precíz munka kell. A hibamentes működéshez pedig alaposan kell ismerni az operációs rendszert. Nagy előnye ennek a típusnak, hogy nem kíván jelentősebb erőforrást (pl.: "nagy" merevlemezt vagy "nagy" memóriát). A grafikus felületű viszont sokkal jobban igénybe veszi a gép hardverét, mint a másik típus. A grafikus felület előnye, viszont abban van, hogy sugallja a felhasználónak, hogy mit csináljon. Így nem kell teljes mértékben ismerni az operációs rendszert ahhoz, hogy egy-egy feladat elvégzésére rábírjuk. Ma az utóbbi típus terjedt el. Időrendileg elsőnek a parancssoros orperációs rendszerek jelentek meg. A DOS a Microsoft cég egyik jellemző operációs rendszer terméke (parncssoros). Különböző verziók 28
2.11. ábra. Tintasugaras nyomtató 2.12. ábra. Lézernyomtató jelentek meg, az utolsó verzió a 6.22-es. A DOS parancssoros képernyője után következett a Windows 1.0 (2.13. ábra), grafikus felületű), de egészen a 3.11-es verzióig még a DOS operációs rendszerre épült. Ez azt jelentette, hogy aki Windows-t akart telepíteni, annak szüksége volt egy működő DOS-ra is. Az első valódi, önálló operációs rendszer a Windows 95, amely magában foglalja a DOS-t (DOS ablak menüből még elérhető). A Windows 95 után következett a Windows 98, Windows Me, Windows XP, Windows Vista és a jelenleg legújabb verzió a Windows 7. Az IBM és a Microsoft az 1980-as évek közepén fejlesztették ki közösen az OS/2 operációs rendszert (parancssoros). A Windows-t tulajdonképpen azért fejlesztették (Microsoft) ki, hogy kedvet szerezzenek az OS/2-nek, de a Windows 3.0 eladási statisztikái után változott a helyzet. A Microsoft bejelentette, hogy felhagy az OS/2 fejlesztésével és helyette egy újabb Windows verzióba fekteti erőforrásait. Ezzel kezdetét vette a két cég szétválása... Az OS/2-nek jelentek meg újabb és újabb verziói is grafikus felülettel (pl.: OS/2 Warp), de a hardver gondok miatt sokan a Windows-t részesítették előnyben. Az OS/2-t (2.15. ábra) ma már nagyon kevesen használják és a fejlesztés ütemének csökkentése mitatt tudása elmarad Windows-os társáétól. A Unix/Linux (2.14. ábra) operációs rendszernek stbilabb verziói jelentek meg, mint a Windowsnak (a Linux szinte soha "nem fagy le" és gyorsabb is mint a Windows), de a Windows üzleti stratégiájának köszönhetően nem terjdt el. Sok hardver gyártó kinál drivereket (illesztőprogramot) saját termékéhez, amelyek mind Windows operációs rendszerre készültek. A szoftvergyártók többsége is Windows operációs rendszerre tervezi felhasználói programjai, játékjait, stb... (bár ma megfordulni látszik a folyamat). A Linux azonban mind a mai napig egy stabilabb operációs rendszer, mint a Windows. 29
2.13. ábra. Windows 1.0 2.14. ábra. Linux Operációs rendszer fogalma: Az operációs rendszer egy olyan speciális szoftver, amely a számítógépet működteti. A gép indulásakor mindig betöltődik a memóriába, összehangolja és vezérli a számítógépen futó programokat. Az operációs rendszer viszont nem végez a felhasználó számára fontos dolgokat pl.: képrajzolás, szövegszerkesztés, stb. Operációs rendszer feladata: Az operációs rendszer legfontosabb feladata, hogy biztosítsa az ember és a számítógép közötti hatékony "kommunikációt". Kezelnie kell a számítógép erőforrásait, perifériáit. Ellenőriznie kell a számítógép működését. Parancsokat kell tudjon végrehajtani. 30