Ηλεκτρονικός υπολογιστής

Το «Υπολογιστής» ανακατευθύνει εδώ. Για άλλες χρήσεις, δείτε: Υπολογιστής (αποσαφήνιση).

Ο ηλεκτρονικός υπολογιστής είναι μια μηχανή κατασκευασμένη περισσότερο από ηλεκτρονικά, ηλεκτρικά αλλά και μερικά μηχανικά συστήματα με σκοπό να υπολογίζει. Ο ηλεκτρονικός υπολογιστής είναι ένα αυτοματοποιημένο ηλεκτρονικό ψηφιακό επαναπρο­γραμ­ματιζόμενο σύστημα γενικής χρήσης το οποίο μπορεί να επεξεργάζεται δεδομένα βάσει ενός συνόλου προκαθορισμένων οδηγιών – εντολών που ονομάζονται πρόγραμμα.

Κάθε υπολογιστικό σύστημα, όσο μεγάλο ή μικρό κι αν είναι, αποτελείται από το υλικό μέρος ή υλισμικό (hardware) και το λογισμικό μέρος (software). Τα βασικά στοιχεία του υλικού μέρους του υπολογιστή είναι η κεντρική μονάδα επεξεργασίας (ΚΜΕ, αγγλ. CPU, Central Prossesing Unit), η κεντρική μνήμη (RAM & ROM-BIOS), οι μονάδες εισόδου - εξόδου (πληκτρολόγιο, ποντίκι, οθόνη κ.α.), οι περιφερειακές συσκευές (σκληρός δίσκος, δισκέτα, CD-ROM, εκτυπωτής, σαρωτής, μόντεμ κ.α.).

Υπάρχουν διάφοροι τύποι υπολογιστών οι οποίοι διαφέρουν κατά το μέγεθος, τις δυνατότητες (επεξεργαστική ισχύς), αλλά και τον τρόπο που τα βασικά τους μέρη συνδέονται και συνεργάζονται μεταξύ τους, έχουν δηλαδή διαφορετική αρχιτεκτονική. Στην πιο διαδεδομένη κατηγορία υπολογιστών ανήκουν οι μικροϋπολογιστές. Στους μικροϋπολογιστές τα βασικά εξαρτήματα όπως, ο επεξεργαστής, η μνήμη κ.ά. βρίσκονται τοποθετημένα σ' ένα τυπωμένο κύκλωμα που ονομάζεται μητρική πλακέτα (αγγλ. Motherboard ή MoBo). Εκτός από τον επεξεργαστή και τη μνήμη, πάνω στη μητρική βρίσκονται οι θέσεις επέκτασης στις οποίες τοποθετούνται οι διάφορες κάρτες γραφικών, ήχου κ.λπ.). Στη μητρική επίσης βρίσκονται υποδοχές για τη σύνδεση διαφόρων άλλων συσκευών.

Το λογισμικό του υπολογιστή αποτελείται από τα απαραίτητα προγράμματα που δίνουν τις κατάλληλες εντολές, για να εργάζεται το υλικό μέρος. Συνίσταται δε από το Λειτουργικό Σύστημα (βασικές οδηγίες για τη λειτουργία του Η/Υ καθώς και για την επικοινωνία του με τον άνθρωπο) και το Λογισμικό Εφαρμογών (Πακέτα εφαρμογών, Γλώσσες Προγραμματισμού, Εκπαιδευτικό Λογισμικό, προγράμματα – εργαλεία κ.α.).

Μερικά ιστορικά στοιχεία

Τί είναι όμως στη πραγματικότητα ο Η/Υ; Οι άνθρωποι επινόησαν διάφορες συσκευές για να μετρούν τον χρόνο (όπως ήταν οι κλεψύδρες) ή για να μετρούν τις φαινόμενες μετακινήσεις των αστεριών ως βοήθημα στα θαλάσσια ταξίδια τους (όπως ήταν ο Μηχανισμός των Αντικυθήρων) ή για άλλες χρήσεις. Πολλές από τις εφευρέσεις χάθηκαν, (π.χ. οι πολεμικές μηχανές του [[Αρχιμήδης]).

Με την πρόοδο των μαθηματικών έγινε προσπάθεια από κάποιους ανθρώπους να κατασκευάσουν μηχανές υπολογισμών.

• Ο Τζον Ναπίρ (John Napier) το [1614] επινόησε μηχανή για υπολογισμό λογαρίθμων.
• Ο Γουίλλιαμ Ότρεντ (William Oughtred) το 1625 επινόησε τον λογαριθμικό κανόνα.
• Ο Μπλεζ Πασκάλ (Blaise Pascal) το 1642 κατασκεύασε μηχανή για προσθαφαιρέσεις.
• Ο Ζοζέφ Μαρί Ζακάρ (Josheph Marie Jackard), Γάλλος μηχανικός, επινόησε το 1801 μια υφαντική μηχανή με διάτρητες μεταλλικές κάρτες, που καθοδηγούσαν την μηχανή να πλέκει διάφορα σχέδια, και τα ρούχα που γίνονται με αυτό τον τρόπο ύφανσης φέρουν μέχρι σήμερα το όνομά του. Με αλλαγή των μεταλλικών καρτών άλλαζε το σχέδιο της πλέξης.
• Το 1848 ο Τζορτζ Μπουλ (George Boole) επινόησε την άλγεβρα που φέρει το όνομά του: Άλγεβρα Μπουλ. Εφαρμογές της βρίσκουμε στα ψηφιακά κυκλώματα, στους λογικούς συλλογισμούς και πρακτικά σε κάθε πρόγραμμα Η/Υ.
• Ο Βρετανός μαθηματικός Τσαρλς Μπάμπατζ (Charles Babbage) το 1871 σχεδίασε την Αναλυτική μηχανή του. Η μηχανή δεν μπορούσε να κατασκευαστεί με τα εργαλεία εκείνης της εποχής επειδή απαιτούσε πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια αλλά, όπως εξήγησε η κόρη του Λόρδου Βύρωνα, η προικισμένη μαθηματικός και πρώτη προγραμματίστρια υπολογιστών Άντα Λάβλεϊς (Ada Lovelace), ήταν τόσο πολυδύναμη μηχανή που θα είχε ανυπολόγιστη αξία αργότερα.
• Το 1890 ο Αμερικανός μηχανικός Χέρμαν Χόλεριθ (Herman Hollerith) σκέφθηκε να χρησιμοποιήσει χάρτινες διάτρητες κάρτες, χρησιμοποιώντας την ιδέα του Ζακάρ, με διατρήσεις που να συμβολίζουν γράμματα και αριθμούς, για να επιτύχει μικρότερους χρόνους επεξεργασίας της κρατικής απογραφής των Η.Π.Α., με μεγάλη επιτυχία.
• Ο Βάνεβαρ Μπους (Vannevar Bush) το 1930 έφτιαξε τον διαφορικό αναλυτή που χρησιμοποιήθηκε κατά τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο.
• Η μηχανή Ζ3, που έφτιαξε ο Γερμανός μηχανικός Κόνραντ Τσούζε (Konrad Zuse) το 1941, ήταν η πρώτη που χρησιμοποιούσε το δυαδικό σύστημα αρίθμησης.

Οι διάφορες ηλεκτρομηχανικές κατασκευές έλυναν αποτελεσματικά κάποια συγκεκριμένα προβλήματα. Υπήρχαν βέβαια τα προβλήματα του όγκου και του κόστους. Αυτά μάλλον ώθησαν το 1943 τον Τόμας Ουότσον (Thomas Watson), διευθυντή της εταιρείας I.B.M., να δηλώσει Νομίζω ότι στην παγκόσμια αγορά χρειάζονται το πολύ πέντε υπολογιστές.

Το επόμενο βήμα ήταν η επινόηση μιας μηχανής γενικού σκοπού που θα μπορούσε να λύνει προβλήματα διαφόρων ειδών. Εδώ εμφανίστηκε ο Ούγγρος μαθηματικός Τζον φον Νόιμαν, μια εργασία του οποίου δημοσιεύτηκε τον Ιούνιο του 1945 με τίτλο Προσχέδιο έκθεσης για τον EDVAC, όπου περιέγραφε την λογική λειτουργία μιας υπολογιστικής μηχανής που χρησιμοποιούσε το δυαδικό σύστημα και αποθήκευε στην μνήμη της το πρόγραμμά της. Μετά από αυτή την εργασία οι σημερινοί υπολογιστές λέγονται και μηχανές αρχιτεκτονικής φον Νόιμαν. Περιγράφοντας με αδρές γραμμές μια μηχανή φον Νόιμαν, λέμε ότι έχει

• μια (τουλάχιστον) Μονάδα Εισόδου, από την οποία πληροφορείται η ΚΜΕ (CPU) ποιο είναι το πρόγραμμα και τα δεδομένα του,
• μια Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (ΚΜΕ) του προγράμματος και των δεδομένων, η οποία ρυθμίζει και την γενικότερη λειτουργία του Η/Υ,
• μια Κεντρική Μνήμη, όπου αποθηκεύει η ΚΜΕ τα εισαγόμενα, τα ενδιάμεσα στοιχεία και τα δημιουργούμενα αποτελέσματα
• μια (τουλάχιστον) Μονάδα Εξόδου στην οποία εξάγονται τα αποτελέσματα που η ΚΜΕ σχημάτισε στην Κεντρική Μνήμη.

Αναφερόμαστε και με συλλογικό όνομα στις Μονάδες Εισόδου / Εξόδου και λέμε ότι είναι τα περιφερειακά μηχανήματα του Η/Υ.

Πολύ σημαντική ιστορική στιγμή ήταν η ανακάλυψη του τρανζίστορ το 1947. Παρόμοια στιγμή ήταν η παρουσίαση, στις 12 Σεπτεμβρίου 1958, του πρώτου ολοκληρωμένου κυκλώματος σε μορφή μικροτσίπ (microchip) από τους Ρόμπερτ Νόις (Robert Noyce) και Τζακ Κίλμπι (Jack Kilby). Με τα νέα υλικά οι Η/Υ άρχισαν να κατασκευάζονται μικρότεροι, οικονομικότεροι, ταχύτεροι. Χρησιμοποιήθηκαν για μετεωρολογικές μελέτες και πρόβλεψη καιρού, για επιχειρησιακές εργασίες, για έρευνα φυσικής υψηλών ενεργειών, για αναζήτηση κοιτασμάτων πετρελαίου, για ιατρικές εφαρμογές και για πάμπολλες άλλες χρήσεις.

Από το 1946 που κατασκευάστηκε σε ένα πανεπιστήμιο της Πενσιλβανίας ο πρώτος αριθμητικός ηλεκτρονικός υπολογιστής (Η/Υ) με το όνομα ENIAC (που είχε μεγάλο όγκο, είχε περίπου 18000 λυχνίες που καίγονταν πολύ συχνά, δούλευε με ρελέδες κάνοντας τρομακτικό θόρυβο, και κατανάλωνε πολλή ενέργεια) μέχρι την εποχή μας (που οι υπολογιστές είναι μικροσκοπικοί, πολύ ισχυροί, δεν καταναλώνουν πολλή ενέργεια και βρίσκονται στα κινητά μας τηλέφωνα, στα ψηφιακά ρολόγια μας, στα αυτοκίνητά μας, στις τηλεοράσεις και σε άλλες οικιακές συσκευές, και σε πολλά άλλα σημεία σπιτιών και επιχειρήσεων) έχουν περάσει ουσιαστικά ελάχιστα χρόνια!

Η εξέλιξη στον τομέα της πληροφορικής είναι ραγδαία!

Ταξινόμηση των υπολογιστών

Οι ακόλουθες ενότητες περιγράφουν ταξινομήσεις των υπολογιστών ως προς διάφορα κριτήρια.

Ταξινόμηση ως προς την προβλεπόμενη χρήση τους

• Υπερυπολογιστές (supercomputers)
• Μικροί υπερυπολογιστές
• Κεντρικός υπολογιστής (mainframes)
• Εξυπηρετητής (server)
• Σταθμός εργασίας (Workstation)
• Προσωπικός υπολογιστής (PC)
  • Επιτραπέζιος υπολογιστής (desktop PC)
  • Φορητός υπολογιστής (Laptop)
  • Υπολογιστής παλάμης (Palmtop)
  • Προσωπικός ψηφιακός βοηθός (PDA)

Ταξινόμηση ως προς την τεχνολογία υλοποίησης

Ένας λιγότερο διφορούμενος τρόπος ταξινόμησης των υπολογιστών είναι ως προς την τεχνολογία υλοποίησης. Οι πρώτοι υπολογιστές ήταν καθαρά μηχανικοί. Την δεκαετία του 1930 ηλεκτρομηχανικά μέρη χρησιμοποιήθηκαν στις τηλεπικοινωνίες και το 1940 ο πρώτος καθαρά ηλεκτρονικός υπολογιστής κατασκευάστηκε με λυχνίες. Από την δεκαετία του 1950 οι λυχνίες σταδιακά αντικαταστάθηκαν με τρανζίστορ και στα τέλη της δεκαετίας του 1960 και στις αρχές της δεκαετίας του 1970 άρχισαν να χρησιμοποιούνται τα ολοκληρωμένα κυκλώματα από ημιαγωγούς με τα οποία έγιναν και οι μικροϋπολογιστές και αποτελούν μέχρι σήμερα την κυρίαρχη τεχνολογία δημιουργίας υπολογιστών.

Στις μέρες μας γίνονται έρευνες προς άλλες τεχνολογίες υλοποίησης που στοχεύουν στην δημιουργία οπτικών υπολογιστών και κβαντικών υπολογιστών.

Ταξινόμηση ως προς χαρακτηριστικά σχεδίασης

Μερικά από τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά σχεδίασης και υλοποίησης υπολογιστών είναι τα παρακάτω.

Μηχανικός έναντι Ηλεκτρονικού

Έχουν επικρατήσει οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές. Υπερέχουν σε κάθε σύγκριση ταχύτητας, όγκου, κόστους, κλπ.

Ψηφιακός έναντι Αναλογικού

Δύο είναι οι σημαντικοί τύποι υπολογιστών: οι [ψηφιακοί] και οι αναλογικοί. Άλλοι τύποι όπως οι κβαντικοί είναι ακόμα σε πειραματικό στάδιο.

Στους ψηφιακούς υπολογιστές η πληροφορία κωδικοποιείται με ακολουθίες δυαδικών ψηφίων. Δηλαδή η τιμή της τάσης που διαπερνά τα ολοκληρωμένα κυκλώματα έχει δύο αυστηρά διακριτές τιμές. Αντίθετα στους αναλογικούς υπολογιστές, η πληροφορία από τον έξω κόσμο κωδικοποιείται μέσα στον υπολογιστή σαν ένα σήμα συνεχές, που σαν ηλεκτρικό ρεύμα θα είχε άπειρες πιθανές τιμές τάσης μέσα σε κάποια όρια.

Από την δεκαετία του 1940 οι αναλογικοί υπολογιστές υπερκεράστηκαν από τους ψηφιακούς για λόγους ευκολίας και απόδοσης, με αποτέλεσμα στην καθημερινότητα όταν μιλάμε για υπολογιστή να εννοούμε ψηφιακό υπολογιστή μόνο.

Δυαδικός έναντι δεκαδικού

Μια σημαντική σχεδιαστική εξέλιξη στους ψηφιακούς υπολογιστές ήταν η εισαγωγή του δυαδικού συστήματος ως τρόπου αναπαράστασης πληροφορίας στο εσωτερικό του υπολογιστή το 1941. Αυτή η εξέλιξη απάλλαξε τους υπολογιστές από την ανάγκη χρήσης πολύπλοκων μηχανισμών που απαιτούνταν για την επεξεργασία πληροφοριών κωδικοποιημένων με άλλα αριθμητικά συστήματα όπως το Δεκαδικό σύστημα. Η υιοθέτηση του δυαδικού συστήματος απλοποίησε την διαδικασία σχεδίασης ενός υπολογιστή μέσω της χρήσης της άλγεβρας Μπούλ. Το δυαδικό σύστημα ταίριαξε τέλεια με την τεχνολογία ηλεκτρονικών στοιχείων που λειτουργούσαν σε δύο διακριτές καταστάσεις.

Δυνατότητα Προγραμματισμού

Η ικανότητα του να προγραμματίσεις έναν υπολογιστή προμηθεύοντάς τον με ένα σύνολο εντολών προς εκτέλεση, χωρίς να χρειαστεί να αναδιαμορφώσεις την φυσική διάταξή του (όπως γινόταν με τις καλωδιώσεις των πρώτων υπολογιστών), είναι ένα θεμελιώδες σχεδιαστικό στοιχείο των σύγχρονων υπολογιστών. Αυτό το χαρακτηριστικό επεκτάθηκε όταν οι υπολογιστές μπόρεσαν να ελέγξουν δυναμικά την ροή της εκτέλεσης των εντολών ενός προγράμματος βασιζόμενοι σε ενδιάμεσα αποτελέσματα του υπολογισμού.

Αποθήκευση

Κατά την διάρκεια εκτέλεσης ενός υπολογισμού, είναι συχνά χρήσιμο να αποθηκεύσουμε ενδιάμεσα αποτελέσματα για τα χρησιμοποιήσουμε μετά σε άλλους υπολογισμούς. Η απόδοση πολλών υπολογιστών καθορίζεται σημαντικά από την ταχύτητα με την οποία μπορούν να διαβάσουν τιμές από την μνήμη και να γράψουν τιμές σ' αυτήν, καθώς και από την συνολική της χωρητικότητα. Αρχικά η μνήμη χρησιμοποιούνταν μόνο για την αποθήκευση ενδιάμεσων τιμών κατά την εκτέλεση ενός υπολογισμού αλλά κατά την δεκαετία του 1940 εφαρμόσθηκε η ιδέα ότι και το ίδιο το πρόγραμμα θα μπορούσε να αποθηκευτεί στην μνήμη. Αυτή η εξέλιξη οδήγησε στην ανάπτυξη του πρώτου υπολογιστή με αποθηκευμένο πρόγραμμα, που είναι και ο τύπος του σύγχρονου υπολογιστή.