Un calculator digital este conceput pentru a prelucra date în formă numerică (vezi circuit digital); circuitele sale efectuează direct operațiile matematice de adunare, scădere, înmulțire și împărțire. Numerele pe care operează un calculator digital sunt exprimate în sistemul binar; cifrele binare, sau biți, sunt 0 și 1, astfel încât 0, 1, 10, 11, 100, 101 etc., corespund la 0, 1, 2, 3, 4, 5 etc. Cifrele binare sunt ușor de exprimat în circuitele de calculator prin prezența (1) sau absența (0) unui curent sau a unei tensiuni. O serie de opt biți consecutivi se numește octet; octetul de opt biți permite 256 de combinații diferite on-off. Astfel, fiecare octet poate reprezenta unul dintre cele 256 de caractere alfanumerice, iar un astfel de aranjament se numește set de caractere cu un singur octet (SBCS); standardul de facto pentru această reprezentare este setul de caractere ASCII extins. Unele limbi, cum ar fi japoneza, chineza și coreeana, necesită mai mult de 256 de simboluri unice. Cu toate acestea, utilizarea a doi octeți, sau 16 biți, pentru fiecare simbol permite reprezentarea a până la 65.536 de caractere sau ideograme. Un astfel de aranjament se numește set de caractere cu doi octeți (DBCS); Unicode este standardul internațional pentru un astfel de set de caractere. Unul sau mai mulți octeți, în funcție de arhitectura calculatorului, se numește uneori cuvânt digital; acesta poate specifica nu numai mărimea numărului în cauză, ci și semnul său (pozitiv sau negativ) și poate conține, de asemenea, biți redundanți care permit detectarea automată și, în unele cazuri, corectarea anumitor erori (a se vedea cod; teoria informației). Un calculator digital poate stoca rezultatele calculelor sale pentru utilizare ulterioară, poate compara rezultatele cu alte date și, pe baza acestor comparații, poate modifica seria de operații pe care le efectuează. Calculatoarele digitale sunt utilizate în prezent pentru o gamă largă de scopuri personale, de afaceri, științifice și guvernamentale, de la jocuri electronice, e-mail, rețele de socializare și aplicații de procesare a datelor și a textelor până la desktop publishing, videoconferințe, prognoze meteorologice, simularea testelor cu arme nucleare, criptografie și multe alte scopuri.
Operațiile unui calculator digital sunt efectuate de circuite logice, care sunt circuite digitale a căror ieșire unică este determinată de condițiile intrărilor, de obicei două sau mai multe. Diferitele circuite care procesează date în interiorul calculatorului trebuie să funcționeze într-o manieră foarte sincronizată; acest lucru se realizează prin controlul lor cu ajutorul unui oscilator foarte stabil, care acționează ca ceas al calculatorului. Ratele tipice ale ceasului unui calculator personal variază în prezent între câteva sute de milioane de cicluri pe secundă și câteva miliarde. Funcționând la aceste viteze, circuitele digitale ale calculatoarelor sunt capabile să efectueze sute de miliarde de operații aritmetice sau logice pe secundă, dar supercomputerele sunt capabile să efectueze operații de peste 1 milion de ori mai rapide; astfel de viteze permit rezolvarea rapidă a unor probleme care ar fi imposibil de rezolvat manual de către un om. Pe lângă circuitele aritmetice și logice și o serie de registre (locații de stocare care pot fi accesate mai rapid decât memoria principală, sau memoria, și care sunt utilizate pentru a păstra rezultatele intermediare ale calculelor), inima calculatorului?numită unitate centrală de procesare, sau CPU?conține circuitele care decodifică setul de instrucțiuni, sau programul, și face ca acesta să fie executat.
Asociată cu CPU se află stocarea principală, sau memoria, unde rezultatele sau alte date sunt stocate pentru perioade de timp care variază de la o mică fracțiune de secundă până la zile sau săptămâni înainte de a fi recuperate pentru procesare ulterioară. Alcătuită odinioară din tuburi cu vid și, mai târziu, din mici nuclee feromagnetice în formă de gogoașă înșirate pe o matrice de sârmă, memoria principală constă acum în circuite integrate, fiecare dintre acestea putând conține miliarde de dispozitive semiconductoare. În timp ce fiecare tub cu vid sau nucleu reprezenta un bit și memoria totală a calculatorului era măsurată în mii de octeți (sau kiloocteți, KB), cipurile de memorie ale calculatoarelor moderne reprezintă sute de milioane de octeți (sau megaocteți, MB), iar memoria totală atât a calculatoarelor personale, cât și a celor centrale este măsurată în miliarde de octeți (gigabytes, GB) sau mai mult. Memoria numai pentru citire (ROM), în care nu se poate scrie, își păstrează conținutul în permanență și este utilizată pentru a stoca informațiile de control ale computerului. Memoria cu acces aleatoriu (RAM), care poate fi atât citită, cât și scrisă, se pierde de fiecare dată când calculatorul este oprit. Calculatoarele moderne includ acum memorie cache, pe care unitatea centrală de procesare o poate accesa mai rapid decât memoria RAM, dar mai lent decât registrele; datele din memoria cache se pierd, de asemenea, atunci când calculatorul este oprit.
Programele și datele care nu sunt utilizate în acel moment în memoria principală pot fi salvate în memoria auxiliară sau secundară. Deși benzile de hârtie perforată și cărțile perforate serveau cândva în acest scop, principalele materiale utilizate în prezent sunt benzile și discurile magnetice și dispozitivele de memorie flash, toate acestea putând fi citite și scrise pe ele, precum și două tipuri de discuri optice, discul compact (CD) și succesorul său, discul digital versatil (DVD). În comparație cu memoria RAM, acestea sunt mai puțin costisitoare (deși memoria flash este mai scumpă decât celelalte două), nu sunt volatile (adică, datele nu se pierd atunci când se oprește alimentarea cu energie a computerului) și pot oferi o modalitate convenabilă de a transfera date de la un computer la altul. Astfel, instrucțiunile de operare sau datele ieșite de la un calculator pot fi stocate și pot fi utilizate ulterior fie de același calculator, fie de un alt calculator.
Într-un sistem care utilizează bandă magnetică, informațiile sunt stocate de un reportofon special conceput, oarecum similar cu cel utilizat pentru înregistrarea sunetului. Banda magnetică este acum utilizată în mare parte pentru stocarea în afara sediului a unor volume mari de date sau pentru copii de rezervă ale sistemelor majore. În sistemele de discuri magnetice și optice, principiul este același; suportul magnetic sau optic se află pe o traiectorie, sau pistă, pe suprafața unui disc. Unitatea de disc conține, de asemenea, un motor pentru a roti discul și unul sau mai multe capete magnetice sau optice pentru a citi și a scrie datele pe disc. Unitățile de disc au mai multe forme, cea mai importantă diferență fiind dacă discul poate fi îndepărtat din ansamblul unității. Dispozitivele de memorie flash, cum ar fi unitățile flash USB, cardurile de memorie flash și unitățile cu stare solidă, utilizează memorie nevolatilă care poate fi ștearsă și reprogramată în blocuri.
Discurile magnetice detașabile fabricate din mylar închis într-un suport de plastic (versiunile mai vechi aveau suporturi de hârtie) sunt acum în mare parte depășite. Aceste dischete au capacități diferite, dischetele de foarte mare densitate deținând 250 MB?mai mult decât suficient pentru a conține o duzină de cărți de mărimea cărții Anna Karenina a lui Tolstoi. Discurile magnetice interne și externe, sau hard disk-urile, sunt fabricate din metal și dispuse în straturi distanțate. Acestea pot conține mult mai multe date decât dischetele sau discurile optice și pot citi și scrie date mult mai rapid decât dischetele. Pe măsură ce prețul discurilor dure a scăzut, acestea au fost incluse din ce în ce mai mult ca componente ale calculatoarelor personale și au înlocuit dischetele ca suport standard pentru stocarea sistemelor de operare, a programelor și a datelor.
Discurile compacte pot conține sute de megaocteți și au fost folosite, de exemplu, pentru a stoca informațiile conținute într-o întreagă enciclopedie în mai multe volume sau într-un set de lucrări de referință. DVD este o tehnologie de stocare optică îmbunătățită, capabilă să stocheze de până la zece ori mai multe date decât poate stoca tehnologia CD. Discurile CD?Read-Only Memory (CD-ROM) și DVD?Read-Only Memory (DVD-ROM) pot fi doar citite?discurile sunt imprimate cu date din fabrică, dar odată scrise nu pot fi șterse și rescrise cu date noi. În a doua parte a anilor 1990 au fost introduse noi tehnologii de stocare optică: CD-R-Recordable (CD-R) și DVD-Recordable (DVD-R, DVD+R), discuri optice pe care computerul poate scrie pentru a crea un CD-ROM sau un DVD-ROM, dar care pot fi scrise o singură dată; și CD-ReWritable (CD-RW), DVD-ReWritable (DVD-RW și DVD+RW) și DVD?Random Access Memory (DVD-RAM), discuri pe care se poate scrie de mai multe ori.
Dispozitivele de memorie flash, o dezvoltare și mai recentă, sunt o dezvoltare a memoriei numai de citire programabile cu ștergere electrică. Deși este mai scumpă decât tehnologiile de stocare magnetică și optică, memoria flash poate fi citită și scrisă mult mai rapid, permițând timpi de pornire mai scurți și accesarea și stocarea mai rapidă a datelor. Deoarece memoria flash este, de asemenea, rezistentă la șocuri mecanice și a devenit din ce în ce mai compactă, o unitate flash USB permite stocarea externă ușoară și portabilă a unor cantități mari de date. Unitățile cu stare solidă sunt mai ușor de accesat și de scris decât hard disk-urile magnetice și consumă mai puțină energie, devenind astfel comune în cazul calculatoarelor portabile ușoare și de înaltă performanță. Memoria flash este, de asemenea, utilizată în tablete și smartphone-uri. Unitățile hibride, care combină o cantitate mai mică de memorie flash cu un hard disk magnetic de mari dimensiuni, permit stocarea economică a unor cantități mari de date, beneficiind în același timp de un acces mai rapid la fișierele sistemului de operare și ale programelor utilizate frecvent, dar modificate doar ocazional.
Datele sunt introduse în calculator, iar datele prelucrate sunt puse la dispoziție prin intermediul dispozitivelor de intrare/ieșire, numite și periferice. Toate dispozitivele de stocare auxiliare sunt utilizate ca dispozitive de intrare/ieșire. Timp de mulți ani, cel mai popular mijloc de intrare/ieșire a fost cardul perforat. Cele mai populare dispozitive de intrare sunt terminalul de calculator și hard disk-urile magnetice interne, iar cele mai populare dispozitive de ieșire sunt ecranul de afișare al calculatorului asociat cu un terminal (care afișează, de obicei, ieșirea care a fost procesată de o unitate de procesare grafică) și imprimanta. Ființele umane pot comunica direct cu calculatorul prin intermediul terminalelor de calculator, introducând instrucțiuni și date cu ajutorul unor tastaturi asemănătoare celor de pe mașinile de scris, utilizând un dispozitiv de indicare, cum ar fi un mouse, o bilă de urmărire sau un touchpad, sau vorbind într-un microfon conectat la un calculator care rulează un software de recunoaștere vocală. Rezultatul introducerii datelor poate fi afișat pe un ecran cu cristale lichide, diode emițătoare de lumină sau tub catodic sau pe o imprimantă. Un alt dispozitiv de intrare/ieșire important al calculatoarelor moderne este placa de rețea, care permite calculatorului să se conecteze la o rețea de calculatoare și la internet prin intermediul unei conexiuni cu fir sau radio (fără fir). Unitatea centrală de procesare, memoria principală, memoria auxiliară și dispozitivele de intrare/ieșire alcătuiesc în mod colectiv un sistem cumputer.
În general, cele mai lente operații pe care trebuie să le efectueze un calculator sunt cele de transfer de date, în special atunci când datele sunt primite de la sau livrate unei ființe umane. Procesorul central al calculatorului este inactiv în cea mai mare parte a acestei perioade, astfel că se folosesc două tehnici similare pentru a utiliza mai bine puterea acestuia.
Părtajarea timpului, utilizată la calculatoarele de mari dimensiuni, permite mai multor utilizatori de la terminale diferite să utilizeze un singur calculator în același timp. Calculatorul execută o parte dintr-o sarcină pentru un utilizator, apoi suspendă acea sarcină pentru a executa o parte dintr-o altă sarcină pentru un alt utilizator, și așa mai departe. Fiecare utilizator folosește computerul doar pentru o fracțiune de timp, dar comutarea sarcinilor este atât de rapidă încât majoritatea utilizatorilor nu sunt conștienți de acest lucru. Majoritatea zecilor de milioane de calculatoare din lume sunt dispozitive autonome, cu un singur utilizator, cunoscute sub numele de calculatoare personale sau stații de lucru. Pentru acestea, multitasking-ul implică același tip de comutare, dar pentru un singur utilizator. Acest lucru permite unui utilizator, de exemplu, să tipărească un fișier și să încarce un altul pe un site internet, în timp ce editează un al treilea într-o sesiune de procesare a textului și ascultă o înregistrare transmisă pe internet. Calculatoarele personale pot fi, de asemenea, conectate între ele într-o rețea, în care fiecare calculator este conectat la altele, de obicei prin cablu de rețea, coaxial sau de fibră optică sau prin semnale radio (fără fir), permițând tuturor să împartă resurse precum imprimante, dispozitive de stocare pe hard-disk și o conexiune la internet. Cloud computing este o altă formă de partajare a resurselor. Oferind acces atât la hardware, cât și la software prin intermediul unei rețele, cel mai adesea internetul, cloud computing este conceput pentru a permite multor persoane și organizații care utilizează o gamă largă de dispozitive atât accesul facil la resursele de calcul, cât și flexibilitatea în ceea ce privește schimbarea tipului și volumului resurselor la care au acces.
Până când un calculator poate fi utilizat într-un anumit scop, trebuie mai întâi să fie programat, adică pregătit pentru utilizare prin încărcarea unui set de instrucțiuni, sau program. Diferitele programe prin care un calculator controlează anumite aspecte ale operațiunilor sale, cum ar fi cele pentru traducerea datelor dintr-o formă în alta, sunt cunoscute sub denumirea de software, spre deosebire de hardware, care reprezintă echipamentul fizic care compune instalația. În cazul majorității calculatoarelor, controlul momentan al mașinii se află într-un program software special numit sistem de operare sau supervizor. Alte forme de software includ asamblatoarele și compilatoarele pentru limbajele de programare și aplicațiile pentru uz comercial și casnic (a se vedea program de calculator). Software-ul are o mare importanță; utilitatea unui ansamblu foarte sofisticat de hardware poate fi limitată de lipsa unui software adecvat.
Care instrucțiune din program poate fi un pas simplu, unic, care spune calculatorului să efectueze o anumită operație aritmetică, să citească datele dintr-o anumită locație din memorie, să compare două numere sau să efectueze o altă acțiune. Programul este introdus în memoria calculatorului exact ca și cum ar fi date, iar la activare, mașina este dirijată să trateze acest material din memorie ca instrucțiuni. Alte date pot fi apoi citite și calculatorul poate executa programul pentru a finaliza sarcina respectivă.
Din moment ce calculatoarele sunt concepute pentru a opera cu numere binare, toate datele și instrucțiunile trebuie să fie reprezentate în această formă; limbajul mașinii, în care calculatorul operează în interior, constă din diversele coduri binare care definesc instrucțiunile împreună cu formatele în care sunt scrise instrucțiunile. Deoarece pentru un programator este costisitor și anevoios să lucreze în limbajul mașinii propriu-zis, pentru scrierea majorității programelor se folosește un limbaj de programare sau un limbaj de nivel înalt, conceput pentru confortul programatorului. Calculatorul este programat să traducă acest limbaj de nivel înalt în limbaj de mașină și apoi să rezolve problema inițială pentru care a fost scris programul. Multe limbaje de programare de nivel înalt sunt acum universale, variind puțin de la o mașină la alta.
- Introducere
- Calculatoare analogice
- Calculatoare digitale
- Dezvoltarea calculatoarelor
- Bibliografie
.