Komputer – maszyna licząca; urządzenie elektroniczne służące do przetwarzania informacji (danych), które da się zapisać w formie ciągu cyfr lub sygnału ciągłego.
Sygnał analogowy to sygnał fizyczny zmieniający się w sposób ciągły. Jego wartości mogą zostać określone w każdej chwili czasu.
Sygnał cyfrowy to sygnał fizyczny, w którym rozróżnia się tylko dwa stany odpowiadające cyfrom dwójkowym: 0 i 1. Jego dziedzina i zbiór wartości są dyskretne. Jego cechą jest podawanie wartości w określonych momentach czasu.
Generacje komputerów to umowny podział komputerów ze względu na typ konstrukcji wykorzystanych w nich układów logicznych. Podział ten odpowiada okresom rozwoju techniki komputerowej.
Komputery zerowej generacji to maszyny konstruowane do 1944 r., przed pojawieniem się uniwersalnych, elektronicznych maszyn cyfrowych, o możliwościach dzisiejszych prostych i średnich kalkulatorów programowanych. Ich podstawową cechą jest brak aktywnych elementów elektronicznych (lamp i tranzystorów). Budowane były na elementach mechanicznych lub elektromagnetycznych.
Podstawowe cechy:
brak elementów elektronicznych
oddzielne pamięci programu i danych o różnej organizacji i formacie
pamięć szybka i pojemności kilku do kilkudziesięciu słów, czasem ograniczona do samych rejestrów
pamięć pomocnicza na papierowej taśmie perforowanej
pamięć stała w postaci przełączników lub okablowania
arytmetyka dziesiętna lub dwójkowa
szybkość do kulki rozkazów na sekundę
programowanie w języku maszynowym.
Komputery pierwszej generacji to komputery zbudowane na lampach elektronowych w latach 1945-1956.
Komputery drugiej generacji to komputery, w których do budowy elementów logicznych wykorzystano elementy półprzewodnikowe; konstruowane w latach 1957-1963. Charakteryzowały się mniejszymi wymiarami, większą bezawaryjnością i mniejszym poborem prądu.
Komputery trzeciej generacji to komputery zbudowane na układach scalonych małej i średniej skali integracji, lata 1964-1978.
Komputery czwartej generacji to komputery zbudowane na układach scalonych wielkiej skali integracji (np. PC); lata 1978-1989.
Komputery piątej generacji niewiele różnią się od komputerów generacji czwartej (1990-?).
2600 r. p.n.e. – abakus (pierwsze mechaniczne liczydło)
ENIAC – komputer skonstruowany w latach 1943-1945. Ważył ponad 27 ton, zawierał ok. 18000 lamp elektronowych i zajmował powierzchnię ok. 140 m2. Nie posiadał pamięci operacyjnej i początkowo programowany był przez przełączanie wtyków kablowych, później za pomocą kart perforowanych. Był używany głównie do obliczeń związanych z balistyką, wytwarzaniem broni jądrowej, prognozowaniem pogody itd. Maszyna pobierała 150 kW mocy. Jej system wentylacyjny miał wbudowane dwa silniki Chryslera o łącznej mocy 24 KM.
Układ scalony to zminiaturyzowany układ elektroniczny zawierający w swym wnętrzu od kilku do setek milionów podstawowych elementów elektronicznych takich jak tranzystory, diody, rezystory, kondensatory.
Skala integracji – miara upakowania dużej liczby tranzystorów w jednym układzie scalonym. Wyróżniamy układy scalone o:
małej skali integracji (SSI)
średniej skali integracji (MSI)
dużej skali integracji (LSI)
wielkiej skali integracji (VLSI)
ultrawielkiej skali integracji (ULSI)
Procesor – urządzenie cyfrowe sekwencyjne potrafiące pobierać dane z pamięci, interpretować je i wykonywać rozkazy. Wykonywane są zwykle jako układy scalone zamknięte w hermetycznej obudowie, często posiadającej złote wyprowadzenia. Ich sercem jest monokryształ krzemu, na który naniesiono szereg warstw półprzewodnikowych tworzących, w zależności od zastosowania, sieć od kilu tysięcy do kilkuset milionów tranzystorów. Jedną z podstawowych cech procesora jest długość (liczba bitów) słowa, na którym wykonywane są podstawowe operacje obliczeniowe.
Komputer kwantowy to układ fizyczny do opisu którego wymagana jest mechanika kwantowa. Dane w komputerach kwantowych są reprezentowane przez aktualny stan kwantowy układu stanowiącego komputer. Jego ewolucja odpowiada procesowi obliczeniowemu.
Komputer DNA (biokomputer) to komputer, w którym obliczenia zachodzą dzięki reakcjom chemicznym między cząsteczkami DNA. W komputerze DNA informacja jest zakodowana. Podobnie jak zwykłe komputery, składa się z bramek logicznych, te jednak są oparte na enzymach. Enzymy te powodują reakcje chemiczne między łańcuchami, a ich wynik stanowi nową informację. Komputer taki jest probabilistyczny – wynik każdego działania otrzymujemy jedynie z pewnym podobieństwem.
Neurokomputer to komputer, którego konstrukcja jest wzorowana na biologicznej strukturze układu nerwowego człowieka, przeprowadzający obliczenia w sposób zbliżony do zasad działania mózgu.
Prawo Moore’a to sformułowane w 1965 roku przez Gordona Moore’a prawo, które w obecnej formie mówi, że liczba tranzystorów w układzie elektrycznym podwaja się co 18-24 miesiące. W pierwotnej wersji prawo Moore’a mówiło o 12 miesiącach. 10 lat później Gordon Moore zrewidował swoje prawo mówiąc, że liczba tranzystorów podwaja się co 2 lata. Obecnie jest ono stosowane do określania praktycznie każdego postępu technologicznego. Podobne sformułowania odnoszą się między innymi do mocy obliczeniowych procesorów, pojemności dysków twardych, rozmiarów pamięci RAM, przepustowości łącz internetowych itp. Prawo Moore’a ma jednak pewne ograniczenia. Obecnie procesory konstruowane są w technologii 90, 65 i 45 nm, rozmiary te nie mogą jednak zmniejszać się w nieskończoność, ponieważ nie mogą być mniejsze od atomu. Kolejną barierą jest prędkość światła, która jest nieprzekraczalną granicą minimalnego czasu potrzebnego na przesłanie danych pomiędzy komponentami komputera.
System liczbowy to inaczej zbiór reguł, jednolitego zapisu i nazewnictwa liczb. Najbardziej prymitywnym systemem liczbowym jest jedynkowy system liczbowy, w którym występuje tylko jeden znak. W systemie tym kolejne liczny są tworzone przez proste powtarzanie tego znaku. Np. 3 w systemie jedynkowym jest równe 111, a 5 11111. Kiedy, w przypadku większych liczb, zaczyna się grupować symbolem, np. po 5 (cztery równoległe kreski przekreślone piątą), mamy do czynienia z przejściem do addytywnego systemu liczbowego. W tym systemie liczby tworzy się przed dodawanie kolejnych symboli i stąd jego nazwa. Systemem addytywnym dziesiątkowym był system egipski, w którym używano oddzielnych hieroglifów dla potęg dziesiątki (aż do siódmej włącznie). Innym przykładem addytywnego systemu jest rzymski system liczbowy z podstawowymi wielokrotnościami 10 i 5. Pozycyjny system liczbowy posiada symbole (cyfry) tylko dla kilku najmniejszych liczb naturalnych: 0, 1, 2…, g-1, gdzie g to tzw. podstawa systemu, która może być dowolną liczbą naturalną większą niż 1. Cyfry te są kolejno umieszczane w ściśle określonych pozycjach i są mnożone przez potęgę g. w sytuacji, gdy dana potęga nie jest potrzebna do zapisu danej liczby, zostawia się puste miejsce w zapisie, lub częściej specjalny symbol. Współcześnie jest to cyfra 0. Zaletą systemów addytywnych jest możliwość zapisu nawet dużych liczb (pod warunkiem, że są okrągłe) za pomocą jednego znaku, a wadą złożoność, kłopoty interpretacyjne i zbyt wielka liczba cyfr przy mało okrągłych liczbach, oraz bardzo skomplikowany sposób dokonywania za ich pomocą prostych operacji arytmetycznych, wymagający zapamiętywania długich tabel. Zaletą systemów pozycyjnych jest ich klarowność, łatwość dokonywania nawet złożonych operacji arytmetycznych oraz możliwość zapisu dowolnie dużej liczby, jednak do zapisu bardzo dużych liczb (nawet okrągłych) jest potrzebna duża ilość cyfr. Współcześnie powszechnie używany jest system dziesiątkowy. W informatyce czasem stosowany jest system dwójkowy (binarny), system ósemkowy i system szesnastkowy (heksadecymalny).
Z racji reprezentacji liczb w pamięci komputerów za pomocą bitów, najbardziej naturalnych systemem w informatyce jest dwójkowy system liczbowy. Podstawą tego systemu jest liczba 2. Do zapisu liczb potrzebne są tylko dwie cyfry: 0 i 1. Liczby zapisuje się jako ciągi cyfr, z których każda jest mnożnikiem kolejnej potęgi podstawy systemu. Np. liczba zapisana w dziesiętnym systemie liczbowym jako 10 w systemie dwójkowym przybiera postać 1010, gdyż:
1 • 23 + 0 • 22 + 1 • 21 + 0 • 20 = 8 + 2 = 10
Liczby w systemach niedziesiętnych oznacza się indeksem dolnym zapisanym w systemie dziesiętnym, a oznaczającym podstawę danego systemu. W systemie dwójkowym można przedstawić również liczby rzeczywiste. Np. ułamki dziesiętne dają się zapisać jako:
0, 62510 = 0, 1012 = 0 • 20 + 1 • 2−1 + 0 • 2−2 + 1 • 2−3
Dodawanie w systemie dwójkowym:
Operacja jest podobna do dodawania w systemie dziesiętnym. Wystarczy zapamiętać, że 1 i 1 dają wynik 0 i 1 „w pamięci”. Wszystkie pozostałe operacje, jakie można spotkać przy takim dodawaniu, zawierają dodawanie 0.
Mnożenie i dzielenie w systemie dwójkowym wykonuje się podobnie jak w systemie dziesiętnym.
W okresie pionierskich czasów komputeryzacji ważną rolę odgrywał system ósemkowy. Jego podstawą jest cyfra 8. Czasem nazywany jest systemem oktalnym. Do zapisu liczb używa w nim się 8 cyfr, od 0 do 7.
System dziesiętny został wprowadzony dopiero wraz z powstaniem języków programowania wyższego poziomu, których celem było jak największe ułatwienie w korzystaniu z komputerów. Podstawą tego systemu (nazywanego także systemem decymalnym lub arabskim) są kolejne potęgi liczby 10. Do zapisu liczb potrzebne jest więc w nim 10 cyfr: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 i 0. Dziesiętny system liczbowy jest obecnie na świecie podstawowym systemem stosowanym niemal we wszystkich krajach. Od XVI wieku stosowano go obok systemu rzymskiego, w nauce, księgowości oraz tworzącej się właśnie bankowości, gdyż system ten znacznie upraszcza operacje arytmetyczne.
Ze względu na specyfikę architektury komputerów, gdzie często najszybszy dostęp jest do adresów parzystych albo podzielnych przez 4, 8 i 16, często używany jest szesnastkowy system liczbowy (heksadecymalny). Jego podstawą jest liczba 16. Do zapisu w tym systemie potrzebnych jest 16 znaków. Poza cyframi dziesiętnymi od 0 do 9 używa się pierwszych liter alfabetu łacińskiego: A, B, C, D, E, F.
Wartość pojedynczego bajta można opisać używając tylko dwóch cyfr szesnastkowych i odwrotnie – dowolne dwie cyfry szesnastkowe można zapisać jako bajt. W ten sposób kolejne bajty można łatwo przedstawić w postaci ciągu cyfr szesnastkowych. Jednocześnie zapis 4 bitów można prosto przełożyć na jedną cyfrę szesnastkową. System szesnastkowy sprawdza się szczególnie przy zapisie dużych liczb, takich jak adresy pamięci, zakresy parametrów itp.