Computador
Computador é uma máquina que pode ser programada para realizar automaticamente sequências de operações aritméticas ou lógicas (computação). Os computadores eletrônicos digitais modernos podem executar conjuntos genéricos de operações conhecidos como programas, que permitem que os computadores executem uma ampla gama de tarefas. Os termos sistema de computador ou sistema computacional podem se referir a um computador nominalmente completo que inclui hardware, sistema operacional, software e equipamento periférico necessário e usado para operação completa; ou a um grupo de computadores vinculados e que funcionam juntos, como uma rede de computadores ou cluster de computadores.
Um computador não precisa ser eletrônico, nem mesmo ter processador, nem memória RAM, nem mesmo disco rígido. Embora o uso popular da palavra "computador" seja sinônimo de computador eletrônico pessoal, uma definição moderna típica de computador é: " Um dispositivo que computa, especialmente uma máquina eletrônica programável [geralmente] que executa alto desempenho. acelerar operações matemáticas ou lógicas ou que reúna, armazene, correlacione ou de outra forma processe informações”. De acordo com esta definição, qualquer dispositivo que processe informações é qualificado como um computador.
Os primeiros computadores móveis eram pesados e funcionavam com energia elétrica. O IBM 5100 de 23 quilos era um dos primeiros exemplos. Portáteis posteriores, como o Osborne 1 e o Compaq Portable, eram consideravelmente mais leves, mas ainda precisavam ser conectados. Os primeiros laptops, como o Grid Compass, eliminaram esse requisito ao incorporar baterias - e com a contínua miniaturização dos recursos de computação e os avanços na vida útil da bateria portátil, os computadores portáteis cresceram em popularidade na década de 2000. Os mesmos desenvolvimentos dos computadores móveis permitiram que os fabricantes integrassem recursos de computação em telefones celulares no início dos anos 2000. Esses smartphones e tablets funcionam em diversos sistemas operacionais e recentemente se tornaram o dispositivo de computação dominante no mercado. Eles são alimentados por SoCs.
Pré-século XX
Dispositivos têm sido usados para auxiliar em processos de contagem há milhares de anos, principalmente usando correspondência um-a-um com os próprios dedos. O primeiro dispositivo de contagem era provavelmente uma forma de bastão de contagem. Mais tarde, os auxílios para manutenção de registros em todo o Crescente Fértil incluíam cálculos (esferas de argila, cones, etc.) que representavam contagens de itens, provavelmente gado ou grãos, selados em recipientes ocos de argila não cozidos. O uso de varetas de contagem é um exemplo. Acredita-se que o mecanismo de Anticítera seja o mais antigo computador analógico mecânico conhecido, de acordo com Derek J. de Solla Price. Ele foi projetado para calcular posições astronômicas. Foi descoberto em 1901 nos destroços de Anticítera, na ilha grega de Anticítera, entre Citera e Creta, e foi datado de aproximadamente 100 a.C.. Dispositivos de complexidade comparável ao mecanismo de Anticítera só reapareceriam no século XIV.
Primeiro computador
Charles Babbage, engenheiro mecânico e polímata inglês, originou o conceito de computador programável. Considerado o “pai do computador”, ele conceituou e inventou o primeiro computador mecânico no início do século XIX. Depois de trabalhar em seu motor diferencial, ele anunciou sua invenção em 1822, em um artigo para a Royal Astronomical Society, intitulado "Nota sobre a aplicação de máquinas ao cálculo de tabelas astronômicas e matemáticas", ele também o projetou para auxiliar em cálculos de navegação. Em 1833 ele percebeu que um projeto muito mais geral, um motor analítico, era possível. A entrada de programas e dados deveria ser fornecida à máquina por meio de cartões perfurados, método utilizado na época para direcionar teares mecânicos. Para saída, a máquina teria uma impressora, um plotter de curvas e uma campainha. A máquina também seria capaz de perfurar números em cartões para serem lidos posteriormente. Incorporava também uma unidade lógica aritmética, controle de fluxo na forma de ramificações e loops condicionais e memória integrada, tornando-o o primeiro projeto de um computador de uso geral que poderia ser descrito em termos modernos como Turing completude.
Máquina de calcular eletromecânica
Em sua obra Essays on Automatics publicada em 1914, o espanhol Leonardo Torres Quevedo escreveu uma breve história dos esforços de Babbage na construção de uma máquina diferencial mecânica e uma máquina analítica. O artigo contém o projeto de uma máquina capaz de calcular fórmulas como a x ( y − z ) 2 {\displaystyle a^{x}(y-z)^{2}} , para uma sequência de conjuntos de valores. Toda a máquina deveria ser controlada por um programa somente leitura, completo com provisões para ramificação condicional. Ele também introduziu a ideia da aritmética de vírgula flutuante. Em 1920, para comemorar o 100º aniversário da invenção do aritmômetro, Torres apresentou em Paris o Aritmômetro Eletromecânico, que permitia ao usuário inserir problemas aritméticos por meio de um teclado, calcular e imprimir os resultados, demonstrando a viabilidade de um motor analítico eletromecânico.
Computadores analógicos
Durante a primeira metade do século XX, muitas necessidades de computação científica foram atendidas por computadores analógicos cada vez mais sofisticados, que usavam um modelo mecânico ou elétrico direto do problema como base para a computação. No entanto, estes não eram programáveis e geralmente careciam da versatilidade e precisão dos computadores digitais modernos. O analisador diferencial, um computador analógico mecânico projetado para resolver equações diferenciais por integração usando mecanismos de roda e disco, foi conceituado em 1876 por James Thomson, o irmão mais velho do mais famoso Sir William Thomson. Em 1927, o equipamento foi construído por H. L. Hazen e Vannevar Bush no MIT. Isto se baseou nos integradores mecânicos de James Thomson e nos amplificadores de torque inventados por H. W Nieman.. Uma dúzia desses dispositivos foram construídos antes de sua obsolescência se tornar óbvia. Na década de 1950, o sucesso dos computadores eletrônicos digitais significou o fim da maioria das máquinas de computação analógicas, mas os computadores analógicos permaneceram em uso durante a década de 1950 em algumas aplicações especializadas, como educação (régua de cálculo) e aeronaves (sistemas de controle).
Computadores digitais
Em 1938, a Marinha dos Estados Unidos desenvolveu um computador eletromecânico analógico pequeno o suficiente para ser usado a bordo de um submarino. Este foi o Torpedo Data Computer, que utilizou trigonometria para resolver o problema de disparar um torpedo contra um alvo em movimento. Durante a Segunda Guerra Mundial, dispositivos semelhantes também foram desenvolvidos em outros países. Os primeiros computadores digitais eram eletromecânicos ; interruptores elétricos acionavam relés mecânicos para realizar o cálculo. Esses dispositivos tinham uma velocidade operacional baixa e acabaram sendo substituídos por computadores totalmente elétricos muito mais rápidos, originalmente usando tubos de vácuo. O Z2, criado pelo engenheiro alemão Konrad Zuse em 1939 em Berlim, foi um dos primeiros exemplos de computador eletromecânico.
Computadores modernos
O princípio do computador moderno foi proposto por Alan Turing em seu artigo seminal de 1936, On Computable Numbers, onde descreveu um dispositivo simples que chamou de "máquina de computação universal" e que hoje é conhecido como máquina de Turing universal. Ele provou que tal máquina é capaz de computar qualquer coisa que seja computável executando instruções (programa) armazenadas em fita, permitindo que a máquina seja programável. O conceito fundamental do projeto de Turing é o programa armazenado, onde todas as instruções de computação são armazenadas na memória. Von Neumann reconheceu que o conceito central do computador moderno se deveu a este artigo. As máquinas de Turing são até hoje um objeto central de estudo na teoria da computação. Exceto pelas limitações impostas por seus armazenamentos de memória finitos, os computadores modernos são considerados Turing-completos, ou seja, possuem capacidade de execução de algoritmos equivalente a uma máquina de Turing universal.
Os computadores podem ser classificados de várias maneiras diferentes, incluindo:
Mesmo que a tecnologia utilizada nos computadores digitais tenha mudado dramaticamente desde os primeiros computadores da década de 1940 (veja história do hardware), quase todos os computadores atuais ainda utilizam a arquitetura de von Neumann proposta por John von Neumann. Seguindo a arquitetura, os computadores possuem quatro sessões principais, a unidade lógica e aritmética, a unidade de controle, a memória e os dispositivos de entrada e saída. Essas partes são interconectadas por barramentos. A unidade lógica e aritmética, a unidade de controle, os registradores e a parte básica de entrada e saída são conhecidos como a CPU. Alguns computadores maiores diferem do modelo acima em um aspecto principal - eles têm múltiplas CPUs trabalhando simultaneamente. Adicionalmente, poucos computadores, utilizados principalmente para pesquisa e computação científica, têm diferenças significativas do modelo acima, mas eles não tem grande aplicação comercial.
Processamento
O processador (ou CPU) é uma das partes principais do hardware do computador e é responsável pelos cálculos, execução de tarefas e processamento de dados. A velocidade com que o computador executa as tarefas ou processa dados está diretamente ligada à velocidade do processador. As primeiras CPUs eram constituídas de vários componentes separados, mas desde meados da década de 1970 as CPUs vêm sendo manufaturadas em um único circuito integrado, sendo então chamadas microprocessadores. A unidade lógica e aritmética (ULA) é a unidade central do processador, que realmente executa as operações aritméticas e lógicas entre dois números. Seus parâmetros incluem, além dos números operandos, um resultado, um comando da unidade de controle, e o estado do comando após a operação. O conjunto de operações aritméticas de uma ULA pode ser limitado a adição e subtração, mas também pode incluir multiplicação, divisão, funções trigonométricas e raízes quadradas. Algumas podem operar somente com números inteiros, enquanto outras suportam o uso de ponto flutuante para representar números reais (apesar de possuírem precisão limitada).
Memória
A memória é um dispositivo que permite ao computador armazenar dados por certo tempo. Atualmente o termo é geralmente usado para definir as memórias voláteis, como a RAM, mas seu conceito primordial também aborda memórias não voláteis, como o disco rígido. Parte da memória do computador é feita no próprio processador; o resto é diluído em componentes como a memória RAM, memória cache, disco rígido e leitores de mídias removíveis, como disquete, CD e DVD. Nos computadores modernos, cada posição da memória é configurado para armazenar grupos de oito bits (chamado de um byte). Cada byte consegue representar 256 números diferentes; de 0 a 255 ou de -128 a +127. Para armazenar números maiores pode-se usar diversos bytes consecutivos (geralmente dois, quatro ou oito). Quando números negativos são armazenados, é utilizada a notação de complemento para dois. A memória do computador é normalmente dividida entre primária e secundária, havendo também pesquisadores que afirmam haver a memória "terciária".
Entrada e saída
Os dispositivos de entrada e saída (E/S) são periféricos usados para a interação homem-computador. Nos computadores pessoais modernos, dispositivos comuns de entrada incluem o mouse (ou rato), o teclado, o digitalizador e a webcam. Dispositivos comuns de saída incluem a caixa de som, o |monitor e a impressora. O que todos os dispositivos de entrada têm em comum é que eles precisam codificar (converter) a informação de algum tipo em dados que podem ser processados pelo sistema digital do computador. Dispositivos de saída por outro lado, descodificam os dados em informação que é entendida pelo usuário do computador. Neste sentido, um sistema de computadores digital é um exemplo de um sistema de processamento de dados. Processo este, que consiste basicamente em três fases: Entrada, Processamento e Saída. Entendemos por entrada todo o procedimento de alimentação de informações, que por sua vez serão processadas (fase de processamento) e após isso, são repassadas as respostas ao usuário (saída). Podemos ter dispositivos que funcionam tanto para entrada como para saída de dados, como o modem e o drive de disquete. Atualmente, outro dispositivo híbrido de dados é a rede de computadores.
Barramentos
Para interligar todos esses dispositivos existe uma placa de suporte especial, a placa-mãe, que através de barramentos, fios e soquetes conecta todos os dispositivos. Sua função inclui também a conexão de placas auxiliares que subcontrolam os periféricos de entrada e saída, como a placa de som (conecta-se com a caixa de som), a placa de vídeo (conecta-se com o monitor), placa de rede (conecta-se com a LAN) e o fax-modem (conecta-se com a linha telefônica). Nota-se que o barramento entre os componentes não constitui uma conexão ponto a ponto; ele pode conectar logicamente diversos componentes utilizando o mesmo conjunto de fios. O barramento pode utilizar uma interface serial ou uma interface paralela. Outros equipamentos adicionais usados em conjunto com a placa-mãe são o dissipador, um pequeno ventilador para resfriar o processador, e a fonte de energia, responsável pela alimentação de energia de todos os componentes do computador.
Instruções
A principal característica dos computadores modernos, o que o distingue de outras máquinas, é que pode ser programado. Isto significa que uma "lista de instruções personlizadas" pode ser armazenada na memória e executadas posteriormente, de acordo com o usuário. As instruções executadas na ULA discutidas acima não são um rico conjunto de instruções como a linguagem humana. O computador tem apenas um limitado número de instruções bem definidas. Um exemplo típico de uma instrução existente na maioria dos computadores é "copie o conteúdo da posição de memória 123 para a posição de memória 456", "adicione o conteúdo da posição de memória 510 ao conteúdo da posição 511 e coloque o resultado na posição 507" e "se o conteúdo da posição 012 é igual a 0, a próxima instrução está na posição 678". Instruções são representadas no computador como números - o código para "copiar" poderia ser 007, por exemplo. O conjunto particular de instruções que um computador possui é conhecido como a linguagem de máquina do computador. Na prática, as pessoas não escrevem instruções diretamente na linguagem de máquina mas em uma linguagem de programação, que é posteriormente traduzida na linguagem de máquina através de programas especiais, como interpretadores e compiladores. Algumas linguagens de programação se aproximam bastante da linguagem de máquina, como o assembly (linguagem de baixo nível); por outro lado linguagens como o Prolog são baseadas em princípios abstratos e se distanciam bastante dos detalhes da operação da máquina (linguagens de alto nível).
Programas
A característica definidora dos computadores modernos que os distingue de todas as outras máquinas é que eles podem ser programados. Isso quer dizer que algum tipo de instrução (o programa) pode ser dada ao computador, e ele irá processá-las. Os computadores modernos baseados na arquitetura de von Neumann geralmente possuem código de máquina na forma de uma linguagem de programação imperativa. Em termos práticos, um programa de computador pode consistir apenas em algumas instruções ou estender-se a muitos milhões de instruções, como fazem os programas para processadores de texto e navegadores web, por exemplo. Um típico computador moderno pode executar bilhões de instruções por segundo (gigaflops) e raramente comete erros ao longo de muitos anos de operação. Grandes programas de computador que consistem em vários milhões de instruções podem levar anos para serem escritos por equipes de programadores e, devido à complexidade da tarefa, quase certamente contêm erros. O design de programas pequenos é relativamente simples e envolve a análise do problema, coleta de entradas, uso de construções de programação dentro de linguagens, elaboração ou uso de procedimentos e algoritmos estabelecidos, fornecimento de dados para dispositivos de saída e soluções para o problema, conforme aplicável. À medida que os problemas se tornam maiores e mais complexos, são encontrados recursos como subprogramas, módulos, documentação formal e novos paradigmas, como programação orientada a objetos. Grandes programas envolvendo milhares de linhas de código requerem metodologias formais de software. A tarefa de desenvolver grandes sistemas de software apresenta um desafio intelectual significativo. Produzir software com uma confiabilidade aceitavelmente alta dentro de um cronograma e orçamento previsíveis tem sido historicamente difícil; a disciplina acadêmica e profissional de engenharia de software concentra-se especificamente neste desafio.
Sistema operacional
Um computador sempre precisa de no mínimo um programa em execução por todo o tempo para operar, que é chamado de sistema operacional (ou sistema operativo), que determina quais programas vão executar, quando, e que recursos (como memória e E / S) ele poderá utilizar. O sistema operacional também fornece uma camada de abstração sobre o hardware, e dá acesso aos outros programas fornecendo serviços, como programas gerenciadores de dispositivos ("drivers") que permitem aos programadores escreverem programas para diferentes máquinas sem a necessidade de conhecer especificidades de todos os dispositivos eletrônicos de cada uma delas.
Os computadores têm sido usados para coordenar informações entre vários locais desde a década de 1950. O sistema SAGE das forças armadas dos Estados Unidos foi o primeiro exemplo em grande escala de tal sistema, o que levou a uma série de sistemas comerciais para fins especiais, como o Sabre. Na década de 1970, engenheiros de computação de instituições de pesquisa nos Estados Unidos começaram a conectar seus computadores usando tecnologia de telecomunicações. O esforço foi financiado pela ARPA (agora DARPA e a rede de computadores resultante foi chamada de ARPANET. As tecnologias que tornaram possível a Arpanet se espalharam e evoluíram. Com o tempo, a rede se espalhou para além das instituições acadêmicas e militares e ficou conhecida como Internet. O surgimento das redes envolveu uma redefinição da natureza e dos limites do computador. Os sistemas operacionais e aplicativos de computador foram modificados para incluir a capacidade de definir e acessar os recursos de outros computadores na rede, como dispositivos periféricos, informações armazenadas e similares, como extensões dos recursos de um computador individual. Inicialmente estas facilidades estavam disponíveis principalmente para pessoas que trabalhavam em ambientes de alta tecnologia, mas na década de 1990 a disseminação de aplicações como o e-mail e a World Wide Web, combinada com o desenvolvimento de tecnologias de rede rápidas e baratas como Ethernet e ADSL viu as redes de computadores tornarem-se quase onipresentes. Na verdade, o número de computadores conectados em rede está crescendo fenomenalmente. Uma grande proporção de computadores pessoais conecta-se regularmente à Internet para comunicar e receber informações. As redes “sem fio”, muitas vezes utilizando redes de telefonia móvel, significam que as redes estão se tornando cada vez mais onipresentes, mesmo em ambientes de computação móvel.
Há pesquisas ativas para criar computadores não clássicos a partir de muitos novos tipos promissores de tecnologia, como computadores ópticos, computadores de DNA, computadores neurais e computadores quânticos. A maioria dos computadores são universais e são capazes de calcular qualquer função computável, e são limitados apenas pela sua capacidade de memória e velocidade de operação. No entanto, diferentes designs de computadores podem proporcionar desempenhos muito diferentes para problemas específicos; por exemplo, computadores quânticos podem quebrar alguns algoritmos de criptografia modernos (por fatoração quântica) muito rapidamente. De todas essas máquinas abstratas, um computador quântico é a mais promissora para revolucionar a computação.
