Рачунар

Из Википедије, слободне енциклопедије
Рачунар
Acer Aspire 8920 Gemstone.jpg Columbia Supercomputer - NASA Advanced Supercomputing Facility.jpg Intertec Superbrain.jpg
2010-01-26-technikkrempel-by-RalfR-05.jpg Thinking Machines Connection Machine CM-5 Frostburg 2.jpg G5 supplying Wikipedia via Gigabit at the Lange Nacht der Wissenschaften 2006 in Dresden.JPG
DM IBM S360.jpg Acorn BBC Master Series Microcomputer.jpg Dell PowerEdge Servers.jpg
Рачунари и рачунарски уређаји из различитих епоха

Рачунар или компјутер (енгл. computer, од лат. computare: сабирати, рачунати) сложени је уређај који служи за извршавање математичких операција или контролних операција које се могу изразити у нумеричком или логичком облику. Рачунари су састављени од компонената које обављају једноставније, јасно одређене функције. Комплексна интеракција тих компонената резултира способношћу рачунара да обрађује информације.

Конвенционално, компјутер се састоји од бар процесорског елемента, типично централне процесорске јединице (CPU), и неке форме меморије. Процесорски елемент изводи аритметичке и логичке операције, а секвенцирајућа и контролна јединица могу да промене редослед операција у респонсу на сачувану информацију. Периферни уређаји омогућавају повраћај информације из спољашњих извора, те они извршавају записивање и читање.

Механички аналогни рачунари су почели да се појављују у првом веку и касније су коришћени у средњем веку за астрономске прорачуне. Током Другог светског рата, механички аналогни рачунари су коришћени за специјализоване војне намене. Током тог времена развијени су први електронски дигитални рачунари. Оригинално они су били величине велике собе, конзумирајћи количину енергије једнаку количини неопходној за напајање неколико стотина модерних персоналних рачунара (PC).[1]

Способности модерних рачунара базираних на интегрисаним колима су милионима или милијардама пута веће од раних машина, и они заузимају малу фракцију простора неопходног за смештају раних рачунара.[2] Једноставни рачунари су довољно мали да се сместе у мобилне уређаје, и мобилни рачунари се могу напајати малим батеријама. Лични рачунари у њиховим различитим формама су иконе информационог доба и они су оно што већина људи сматра „рачунарима“. Међутим, уграђени рачунари присутни у многим уређајима од MP3 плејера до борбених авиона и од играчака до индустријских робота су најбројнији.

Етимологија[уреди]

Прва позната употреба речи „компјутер“ долази из 1613. године из књиге зване „The Yong Mans Gleanings“ енглеског писца Ричарда Брајтвајта: „I have read the truest computer of Times, and the best Arithmetician that ever breathed, and he reduceth thy dayes into a short number.“ Она се односи на особу која врши прорачуне, или израчунавања. Реч је задржала то значење до средине 20. века. Од краја 19. века реч је почела да поприма њено познатије значење, машина која врши прорачуне.[3]

Основни принципи[уреди]

Рад рачунара може бити заснован на кретању механичких дијелова, електрона, фотона, квантних честица или неке друге физичке појаве. Иако се рачунари могу изградити на многим постојећим технологијама, готово сви данашњи модели садрже у себи електроничке компоненте.

Код већине данашњих рачунара задати проблеми се у бити решавају претварањем свих релевантних информација у математичке релације кориштењем бинарног система (нула и један). (Међутим, рачунари не могу решити све математичке проблеме.)

Након што рачунар изврши израчунавање задатог проблема, резултат се приказује на кориснику (човеку) приступачан начин; преко сигналних лампи, LED дисплеја, монитора, штампача и др.

Почетници у раду са рачунарима, нарочито деца, често не могу схватити чињеницу да су рачунари само уређаји и да не могу „мислити“ односно „разумети“, чак ни оно што прикажу као резултат свог „рада“. Слике, боје, ријечи и др. које видимо на екрану рачунарског монитора су само програмирани прикази које људски мозак препознаје и даје им значење и смисао. Рачунар просто манипулира токовима електрона којима, на својој основној разини функционисања - транзистору, додељује логичке вредности нула или један, односно, стању „нема напона“ или „има напона“. До сада нам није познат начин којим би се успјешно имитирало људско размишљање или самосвјесност.

Велики централни рачунари (мејнфрејмови)[уреди]

Мејнфрејм рачунар IBM 704 из педесетих година 20. века

Готово истовремено су уведени удаљени (тзв. „глупи“) терминали који су имали монитор и тастатуру за унос података у једном кућишту али се обрада података и даље обављала у главном (и једином) рачунару (енгл. Mainframe).

Касније су се појавили и „интелигентни“ терминали који су део операција могли да обављају сами. Википедија, данас, је у електронском смислу организована на сличан начин - главни рачунар је у САД а интелигенти терминали (PC рачунари) код корисника. Интернет има улогу „мреже“.

Битне одреднице за конструктивна рјешења[уреди]

Бинарни или децимални?[уреди]

Важан корак напријед у развоју дигиталног рачунарства било је увођење бинарног система за унутрашње нумеричке процесе. Овим је престала потреба за комплексним извршним механизмима које су рачунари засновани на другим нумеричким системима, нпр. децималном или хексадецималном, захтијевали. Усвајање бинарног система резултирало је поједностављењем конструктивних рјешења код имплементације аритметичких функција и логичких операција, значи, и поједностављењем склопова и компонената самог рачунара.

Могућност програмирања[уреди]

Могућност да се рачунар програмира, тј. опреми низом извршних инструкција без потребе за физичко-конструктивним изменама, основна је функционална карактеристика већине рачунара. Ова особина је значајно унапређена њиховим развојем до степена на којем су били способни контролирати редослед извршавања инструкција на основу података добијених током самог вршења одређеног програма. Ово конструктивно унапређење је још више поједностављено увођењем (в. претходну целину) бинарне аритметике којом се могу представити различите логичке операције.

Похрана података[уреди]

Током рачунских операција често је потребно похранити међу-вредности („два пишем а један памтим“) које ће се употребити у даљем рачунању. Перформансе неког рачунара су најчешће ограничене брзином којом се вредности читају/записују из/у меморију и њеним капацитетом. Првобитно је замишљено да се меморија користи само за поменуте међу-вредности, међутим, убрзо су се и сами програми почели похрањивати на овај начин и то се увелико примењује код данашњих компјутера.

Принцип рада[уреди]

Иако се технологија израде рачунара значајно изменила од времена првих електроничких модела саграђених 1940-их, још увек је већина данашњих решења заснована на фон Нојмановој архитектури. Рачунар као склоп састављен од три главна дела:

  1. Микропроцесор заједно са аритметичко-логичком јединицом
  2. меморија,
  3. I/O (енг. Input and output system) улазни и излазни склопови.

Ови дијелови су међусобно повезани мноштвом жица - „bus“; магистрала/сабирница. Сви су обично погоњени временским уређајем (тајмер, сат, генератор такта), мада и други „догађаји“ могу погонити контролне склопове.

Меморија[уреди]

Овде подразумевамо да је меморија низ обројчених/нумерисаних ћелија, од којих свака садржи делић информације. Информација може бити инструкција којом се рачунару задаје неки задатак. Ћелија може садржавати и податак који је потребан рачунару да би извршио неку инструкцију. У сваком случају, било која од ћелија може садржавати делић информације који у датом тренутку може представљати податак а већ у следећем - инструкцију. Значи, садржај меморијских ћелија се непрестано мења.

Величина сваке ћелије и њихов број, разликује се од рачунара до рачунара а и технологије израде током њиховог развоја су биле битно различите. Тако смо имали електромеханичке меморије - релеје, цеви испуњене живом у којима су се стварали звучни пулсеви, матрице сталних/трајних магнета, појединачних транзистора, све до интегралних кола са више милиона дискретних и активних елемената.

Микропроцесор, микрочип[уреди]

Артиметичко-логичка јединица врши основне аритметичке операције (сабирање, одузимање и др.), логичке операције (I, ILI, NE) и упоређивање, нпр. да ли се садржај два бајта подудара. У овој јединици се заправо „одрађује главни посао“.

Контролна јединица води рачуна о томе који бајтови у меморији садрже инструкцију коју рачунар тренутно обрађује, одређује које операције ће ALU извршавати, налази информације у меморији које су потребне за те операције и преноси резултате на одговарајућа меморијска места. Када је то обављено, контролна јединица иде на наредну инструкцију (обично смештену на следећем меморијском месту) уколико инструкција не говори рачунару да је следећа инструкција смештена негде друго. Када се позива на меморију, дата инструкција може на различите начине одредити одговарајућу меморијску адресу. Уз то, неке матичне плоче подржавају два или више процесора. Такве обично налазимо код сервера/послужитеља.

Улаз и излаз[уреди]

Путем улаза и излаза (I/O), рачунар добија информације из вањског света и шаље резултате натраг. Постоји широк спектар I/O уређаја; од обичних тастатура, преко мишева, монитора, дискетних погона, CD/DVD (оптичких) погона, штампача, све до скенера и камера.

Заједничка особина свих улазних јединица је да претварају информације одређене врсте у податке који даље могу бити обрађени у дигиталном систему рачунара. Насупрот томе, излазне јединице претварају податке у информације које корисник рачунара може разумети. У овом случају, дигитални систем рачунара представља систем за обраду података.

Инструкције[уреди]

Рачунарске инструкције нису богате као што је људски језик. Рачунар познаје само ограничен број јасно дефинираних и једноставних инструкција. Ево неколико примера: „копирати садржај ћелије 7 у ћелију 19“, „ако је садржај ћелије 999 већи од 1, слиједећа инструкција се налази у ћелији 100“, „садржај ћелије 6 одузети садржају ћелије 33 а резултат уписати у ћелију 50“.

Инструкције су у рачунару представљене бинарним системом бројева. Операција „копирај“ је, нпр. код Интелових микропроцесора у бинарном систему представљена овако: 10110000. Одређени низ инструкција које одређени компјутер може разумети назива се машински језик. У стварности, људи не стварају инструкције директно у машинском језику већ користе програмске језике које се преводе у машински језик путем посебних рачунарских програма „преводилаца“ и компајлера. Неки програмски језици су веома блиски машинском језику, као што је Асемблер а други, као Пролог, су засновани на апстрактним принципима који имају мало сличности са стварним операцијама унутар рачунара.

Архитектура[уреди]

Код данашњих рачунара, аритметичко-логичка и контролна јединица смјештени су на једном интегралном колу којег називамо централна процесорска јединица (CPU - central processing unit). Меморија рачунара смјештена је на неколико малих интегралних кола поред централног процесора. Несразмерно велики дио укупне масе рачунара заправо је садржан у систему напајања електричном енергијом - напојна јединица и I/O уређајима.

Неки од већих рачунара разликују се од горе описаног модела углавном по већем броју процесора и контролних јединица који раде симултано. Додајмо овоме да и неки рачунари, чија је искључива намјена научно истраживање и рачунање, имају сасвим другачију архитектуру и због другачијег, нестандардизираног начина програмирања, нису нашли ширу комерцијалну примјену.

Дакле, у бити, принцип функционисања рачунара је прилично једноставан; код сваког такта, рачунар повлачи инструкције и податке из своје меморије, извршава инструкције, похрањује резултате и понавља циклус. Понављање се врши све до наиласка на инструкцију "стоп".

Програми[уреди]

Рачунарски програми је заправо низ инструкција које рачунар треба извршити, некад укључујући и табеле података. Много рачунарских програма садржи милионе инструкција и много њих се непрекидно понавља. Типични модерни персонални рачунар (PC - personal computer) може извршити неколико милијарди инструкција у секунди. Рецимо и то да изванредне способности рачунара нису последица извршавања сложених инструкција већ милиона једноставних које програмери уобличавају у сврсисходне функције. Добар програмер, например, изради низ инструкција којим се извршава неки једноставан задатак као што је исцртавање једне тачке на екрану и тај низ затим учини доступним другим програмерима.

Садашњи рачунари су у стању извршавати неколико програма истовремено. У стварности, одређено кратко време процесор извршава инструкције једног програма а затим се пребацује на други програм и извршава дио његових инструкција. То одређено кратко вриеме често називамо временски исечак. Овај начин рада ствара илузију извршавања неколико програма истовремено а у стварности се ради о томе да програми деле процесорско „радно време“. Оперативни систем је програм који најчешће има улогу контролирања оваквог дељења процесорског времена.

Оперативни систем[уреди]

Да би рачунар радио, барем један програм мора бити непрестано у функцији. Под нормалним условима, тај програм је оперативни систем (OS - operating system). Оперативни систем одлучује који ће програм у датом тренутку бит извршаван, колико и којих ресурса ће му бити додељено (меморија, I/O) и сл. OS такође обезбеђује такозвани апстрактни омотач око хардвера и програмима дозвољава приступ преко сервиса као што су кодови (управљачки програми - „драјвери“ од енгл. driver) који омогућавају програмерима писање програма без потребе за познавањем интимних детаља о свим прикљученим уређајима.

Рачунарске мреже и Интернет[уреди]

Визуализација порције рута на Интернету

Компутери су кориштени за координирање информације између вишеструких локација од 1950-их година. Амерички војни SAGE систем је био први пример таквог система на великој скали, што је довело до развоја бројних комерцијалних система специјалне намене као што је Sabre.[4]

Током 1970-их година, рачунарски инжењери у истраживачким институцијама широм САД су почели да повезују рачунаре користећи телекомуникациону технологију. Иницијативу је финансирала ARPA (данас DARPA), а рачунарска мрежа која је произашла се звала ARPANET.[5] Технологије које омогућиле постојање Арпанета су се прошириле и еволуирале.

Временом се мрежа проширила изван академских и војних институција и постала је позната као Интернет. Појава умрежавања је била праћена редефинисањем природе и граница рачунара. Рачунарски оперативни системи и апликације су модификовани како би обухватили способност дефинисања и приступа ресурсима других рачунара на мрежи, као што су периферни уређаји, записане информације, и слично, као облик проширења ресурса појединачних рачунара. Иницијално су инсталације биле доступне само људима који су радилу у високо техничким окружењима, док током 1990-тих ширење апликација попут имејла и World Wide Web, у комбинацији са развојом јефтине, брзе мрежне техонологије попут Етернета и ADSL није омогућило свеприсутност рачунара. Заправо, број умрежених рачунара и даље доживљава феноменални раст. Веома велика порција персоналних рачунара се регуларно повезује за Интернет ради комуникације и пријема информације. „Бежично“ умрежавање, које често користи мреже мобилних телефона, је омогућило да рачунарско умређавање постане свеприсутно и у мобилном рачунарском окружењу.

Парадигми компјутерске архитектуре[уреди]

Постоје бројни типови рачунарскских архитектура:

Од свих тих апстрактних машина, квантни рачунар вероватно највише обећава да ће револуционизирати рачунарство.[6]

Лигичке капије су честа апстракција која се може применити код већине дигиталних и аналогних парадигама.

Способност записивања и извршавања листе инструкције званих програми чини рачунаре екстремно свестраним, и чини их различитим од калкулатора. Тјурингова теза је математички израз те свестраности: сваки рачунар са минималном способношћу (који је Тјуринг-комплетан), у принципу, има способност извршавања истих задатака које било који други рачунар може да изврши. Стога, сваки тип рачунара (нетбук, суперрачунар, целуларни аутоматон, етц.) има способност извршавања истих рачунарских задатака, ако се дозволи довољно времена и капацитета меморије.

Референце[уреди]

  1. In 1946, ENIAC required an estimated 174 kW. By comparison, a modern laptop computer may use around 30 W; nearly six thousand times less. „Approximate Desktop & Notebook Power Usage”. University of Pennsylvania. Приступљено 20. 6. 2009. 
  2. Early computers such as Colossus and ENIAC were able to process between 5 and 100 operations per second. A modern “commodity” microprocessor (as of 2007) can process billions of operations per second, and many of these operations are more complicated and useful than early computer operations. „Intel Core2 Duo Mobile Processor: Features”. Intel Corporation. Приступљено 20. 6. 2009. 
  3. „computer, n.. Oxford English Dictionary (2 изд.). Oxford University Press. 1989. Приступљено 10. 4. 2009. 
  4. Hughes (2000). стр. 161.
  5. „A Brief History of the Internet”. Internet Society. Приступљено 20. 9. 2008. 
  6. II, Joseph D. Dumas (2. 11. 2005). Computer Architecture: Fundamentals and Principles of Computer Design. CRC Press. стр. 340. ISBN 978-0-8493-2749-0. 

Литература[уреди]

Спољашње везе[уреди]