A számítógép (#13)

Miről szól ez a cikk?
Lépjünk közelebb a számítógépekhez, nézzük meg, hogy a mai számítógépek belső felépítésében hogyan tükröződnek a Neumann-elvek! A belső felépítés megértéséhez szükség van több alapfogalom, úgymint számítógép, program, adat, információ, hardver, szoftver, és integrált áramkör megismerésére is.

Számítógépnek (computer) nevezzük azokat az eszközöket, amelyek valamilyen program által vezérelve adatok befogadására, tárolására, visszakeresésére, feldolgozására, és az eredmény közlésére, megjelenítésére alkalmasak.

Egészítsük ki a fenti definíciót a Neumann-elvek által megnevezett részegységekkel: Számítógépnek nevezzük azokat a binárisan digitális elektronikus eszközöket, amelyek valamilyen program által vezérelve adatok befogadására (bemenet), tárolására, visszakeresésére (memória), feldolgozására (műveletvégző egység), és az eredmény (kimenet) információ közlésére, megjelenítésére alkalmasak.

A fenti definíció más szavakkal: a számítógép az adatfeldolgozás eszköze, a bevitt adatokon a programnak megfelelő műveleteket elvégezve szolgáltatja azok eredményét, vagyis az információt.

Nagyon fontos kritérium a számítógéppel szemben, hogy ugyanazon bemenő adatok feldolgozását követően mindig ugyanazon kimenetet szolgáltassa – nagyon leegyszerűsítve, az 1+1 eredménye mindig 2 legyen.

A fenti kritérium a determinisztikus, magyarul az előre meghatározott működés definíciója, amely működés minden gép sajátja (azért készítünk gépeket, hogy azok a kívánt kezdeti állapotból a kívánt végeredményt szolgáltassák, vagyis általunk meghatározottan, előírtaknak megfelelően működjenek).

A fentiek könnyebb megértéséhez nézzük meg az 1. ábrát, amely egyfajta blokkdiagramként ábrázolja a számítógép definíciójában szereplő fogalmakat:

Az ábra közepén a számítógépet megtestesítő téglalap látszik, amely tartalmazza a definícióban szereplő fogalmakat, vagyis az adatot fogadó BEMENET-et, az adatot, a programot és az eredményt használat közben tároló MEMÓRIÁ-t, az adatot feldolgozó és az eredményt szolgáltató MŰVELETVÉGZŐ EGYSÉG-et, és az eredményt szolgáltató KIMENET-et. A bemenő ADAT feldolgozását követően INFORMÁCIÓ a végeredmény. A téglalapon, vagyis a számítógépen belül elhelyezett sárga színű nyilak az adatáramlás irányát mutatják.
1. ábra: A számítógép blokkvázlata

Az ábra közepén a számítógépet megtestesítő téglalap látszik, amely tartalmazza a definícióban szereplő fogalmakat, vagyis az adatot fogadó BEMENET-et, az adatot, a programot és az eredményt használat közben tároló MEMÓRIÁ-t, az adatot feldolgozó és az eredményt szolgáltató MŰVELETVÉGZŐ EGYSÉG-et, és az eredményt szolgáltató KIMENET-et. A bemenő ADAT feldolgozását követően INFORMÁCIÓ a végeredmény. A téglalapon, vagyis a számítógépen belül elhelyezett sárga színű nyilak az adatáramlás irányát mutatják.

Mivel a számítástechnikában használt fogalmak többnyire angolszász eredetűek, jó néhány szónak ismernünk illik az angol megnevezését is. Éppen ezért a 2. ábrán az 1. ábrát látjuk viszont az angol megnevezésekkel.

Az ábra közepén a számítógépet megtestesítő téglalap látszik, amely tartalmazza a definícióban szereplő fogalmakat, vagyis az adatot fogadó INPUT-ot, az adatot, a programot és az eredményt használat közben tároló MEMORY-t, az adatot feldolgozó és az eredményt szolgáltató CENTRAL PROCESSING UNIT-Ot, és az eredményt szolgáltató OUTPUT-ot. A bemenő DATA feldolgozását követően INFORMATION a végeredmény. A téglalapon, vagyis a számítógépen belül elhelyezett sárga színű nyilak az adatáramlás irányát mutatják.
2. ábra: A számítógép blokkvázlata az angol szavakkal

Az ábra közepén a számítógépet megtestesítő téglalap látszik, amely tartalmazza a definícióban szereplő fogalmakat, vagyis az adatot fogadó INPUT-ot, az adatot, a programot és az eredményt használat közben tároló MEMORY-t, az adatot feldolgozó és az eredményt szolgáltató CENTRAL PROCESSING UNIT-Ot, és az eredményt szolgáltató OUTPUT-ot. A bemenő DATA feldolgozását követően INFORMATION a végeredmény. A téglalapon, vagyis a számítógépen belül elhelyezett sárga színű nyilak az adatáramlás irányát mutatják.

A Neumann-elvek és a fenti definíció ismeretében egy másik ábrát is készítettünk a számítógép elvi felépítésének bemutatására. Ezen már megneveztük a műveletvégző egység részeit, a be- és kimeneti perifériákat és a háttértárat is.

Az ábrán az BEMENET-et lecseréltük BEMENTI PERIFÉRIÁK-ra, a KÖZPONTI MŰVELETVÉGZŐ EGYSÉG-et szétbontottuk VEZÉRLŐEGYSÉG-re és ARITMETIKAI LOGIKAI EGYSÉG-re, a KIMENET-et pedig lecseréltük KIMENETI PERIFÉRIÁK-ra. A PERIFÉRIA szó helyett használhatjuk az ESZKÖZ szót is.
3. ábra: A számítógép részletesebb blokkvázlata

Az ábrán az BEMENET-et lecseréltük BEMENTI PERIFÉRIÁK-ra, a KÖZPONTI MŰVELETVÉGZŐ EGYSÉG-et szétbontottuk VEZÉRLŐEGYSÉG-re és ARITMETIKAI LOGIKAI EGYSÉG-re, a KIMENET-et pedig lecseréltük KIMENETI PERIFÉRIÁK-ra. A PERIFÉRIA szó helyett használhatjuk az ESZKÖZ szót is.

Végül a 3. ábra angol elnevezésekkel:

Az ábrán az INPUT-ot lecseréltük INPUT PERIPHERALS-ra, a CENTRAL PROCESSING UNIT-ot szétbontottuk CONTROL UNIT-ra és ARITHMETIC LOGIC UNIT-ra, az OUTPUT-ot pedig lecseréltük OUTPUT PERIPHERALS -ra.
A PERIPHERALS szó helyett használhatjuk a DEVICE szót is.
4. ábra: A számítógép részletesebb blokkvázlata angolul

Az ábrán az INPUT-ot lecseréltük INPUT PERIPHERALS-ra, a CENTRAL PROCESSING UNIT-ot szétbontottuk CONTROL UNIT-ra és ARITHMETIC LOGIC UNIT-ra, az OUTPUT-ot pedig lecseréltük OUTPUT PERIPHERALS -ra.
A PERIPHERALS szó helyett használhatjuk a DEVICE szót is.

1. Az adat és az információ fogalma

De mit is értünk adaton, amit beadunk, és információn, amit kapunk?

Adatnak (data) nevezünk minden rögzített információt. Az adat az információ fizikai megjelenési, értelmezési formája.

Az információ (information) olyan jelsorozat által hordozott hír, mely egy rendszer (címzett, befogadó) számára új ismeretet jelent, jelentéssel bír.
Más megfogalmazásban az információ olyan hír, közlés, ismeret, amely a címzett számára jelentéssel bír.

Tehát, azért adunk adatot a számítógépnek, hogy feldolgozást követően az eredmény információ lehessen a számunkra.

2. Az adat megjelenési formái

Az adat fizikai megjelenési formái a történelem során a következők voltak: jelbeszéd, hang, írás, szöveg, kép. Először a jelbeszéddel (nem verbális, nem szóbeli), majd a beszéd és nyelv kialakulásával hang útján történő (szóbeli, verbális) közvetlen adatcserére nyílt lehetőség.

A technika fejlődése magával hozta a közvetett, tehát valamilyen tároló, továbbító, megjelenítő eszközzel történő adatcsere lehetőségét: először az írás (rajzolás), majd a nyomtatás, végül a fejlett elektronikus eszközök, a távíró, a rádió, a televízió, a fényképezőgép, a mozgókép rögzítő és vetítő, a magnó, a lemezjátszó, végül a számítógép megjelenésével.

3. A hardver és a szoftver fogalma

A számítógép és az azt kezelő program is kapott angol elnevezést: hardware és software. E két fogalom a számítógépek elterjedése előtt a magyar nyelvben ismeretlen volt. Azonban használatuk a hazai szlengben olyannyira elterjedt, hogy ma már fonetikusan meghonosodtak nyelvünkben, így lett belőlük hardver és szoftver.

A hardver szó eredeti angol jelentése „vasáru”, ez a számítógépet fizikailag alkotó, kézzelfogható eszközök összefoglaló neve, a számítógép elektronikus áramköreit, részegységeit, kábeleit, csatlakozásait és külső kiegészítőit (perifériáit) nevezzük így.

A szoftver szó eredeti angol jelentése „puha áru”, a számítógépet működtető és a számítógépen futtatható programok összességét jelenti. Az angol software kifejezést John W. Tukey 1958-ban alkotta (az USA-beli Princetoni Egyetem statisztikusa és matematikusa).

A hardver tehát a számítógép mint programvezérelt berendezés egyedi, fizikai része, míg a szoftver a szellemi része. Ha van kettő darab, mindenben azonos felépítésű számítógépünk, amit ugyanaz a szoftver működtet, akkor kimondhatjuk, hogy a két darab számítógép fizikailag kettő darab különálló gép, míg a szoftver egy és ugyanaz, pusztán másolatokként léteznek.

4. Számológép és cél- vagy beágyazott számítógép

A neumanni-elveken alapuló, cserélhető programokkal működtethető, univerzális Turing-gépként használható számítógépet tekintjük valódi számítógépnek. Természetesen a különféle igények kielégítésére számos alkalmazási területre készítenek célszámítógépeket, vagy más néven beágyazott számítógépeket, amelyek belső felépítésüket tekintve megfelelnek a Neumann-elveknek, de, ahogy nevük utal rá, nem általános célúak, nem tekinthetők Turing-gépnek, tehát csak az adott célra használhatók.

A célszámítógépekben egy erre alkalmas elektronikus áramkör, ún. EPROM vagy EEPROM típusú memória tartalmazza azt a szoftvert, ami a célfeladatot ellátja. A bemeneti perifériák a kezelőszervek, érzékelők, a kimeneti perifériák pedig jelzőlámpák, más eszközöket vezérlő áramkörök stb. lehetnek. A környezetünkben egyre több ilyen célszámítógép, mai szóhasználattal okos- vagy dolgok internete (internet of things) eszköz található (okoslámpa, automata háztartási eszközök stb.).

Álljunk meg egy szóra!
Az EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory) olyan, csak olvasható memória, amelybe a kívánt tartalmat (adatokat és szoftvert) a gyártás során elektronikus eszközzel „beégetik”. A tartalom csak speciális eszközzel törölhető teljesen, és törlést követően írható csak újra.
Az EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) abban tér el elődjétől, hogy a törlés is elektronikusan végezhető.

A számológép (calculator) a fentiek alapján célszámítógépnek tekinthető, hiszen nem univerzális, más feladatra nem használható, nem számítógép, nem Turing-gép. Bemeneti perifériája a számbillentyűzet, kimeneti perifériája pedig a kijelző.

5. Az integrált áramkör

A Neumann-elvről szóló cikkben említettük, hogy Neumann János felismeréseinek egy részét az akkori technikai színvonalnak köszönhette. A számítógép elektronikus működését előírva már tudta, hogy az elektronika forradalmasítani fogja a gépgyártást, a számítástechnikai eszközöket, a számítógépek belső felépítését.

Az első elektronikus alkatrészek, mint az ellenállás, a tekercs, a dióda, a tranzisztor és társaik még apró, de kézzelfogható alkatrészek voltak. Később feltalálták az áramköri lapot, amely az alkatrészeket forrasztással rögzítve, vagyis beültetve, a közöttük lévő vezetékeket pedig az áramköri lapon vegyi úton, fémes vezetősínként kialakítva tartalmazta. Előre látható volt, hogy a gyártástechnológia fejlődésével ezen alkatrészek és vezetők mérete egyre kisebbé válik majd. Közben tipikus feladatokra ugyanolyan áramkörök születtek.

Mindezek vezettek 1965-től az ún. integrált (beépített, összekapcsolt) áramkörök (integrated circuit, röviden IC) kialakulásához, amelyek tulajdonképpen egy négyszögletű tokban elhelyezett céláramkörök, a külvilággal történő csatlakozáshoz két vagy mind a négy oldalukon kivezetésekkel, többnyire tűlábakkal. Az integrált áramkörök kis méretük miatt hamar megkapták a chip (ejtsd: csip, szilánk) nevet.

Ma már a számítógép alkatrészei, a perifériák és más elektronikus eszközök nagy része integrált áramkörökből áll. A legbonyolultabb számítógépes chipek közé tartozik a processzor (CPU, Central Processing Unit, Központi Műveletvégző Egység) és a grafikai megjelenítésért felelős grafikai processzor (GPU, Graphical Processing Unit, Grafikus Műveletvégző Egység) a többmilliárdos alkatrészszámukkal, az ezernél több kivezetésükkel, mindössze hüvelykujjkörömnyi felületen. Ez csak úgy lehetséges, ha az alkatrészek mérete, a vezetők közötti távolság a nanométeres nagyságrendbe esik, és maga az áramköri lap is sok-sok rétegből áll, hogy elférhessenek az alkatrészek és megteremthető legyen közöttük a kapcsolat.

Tipp: Ahhoz, hogy értékeljük, micsoda technikai bravúr a mai chipek gyártástechnológiája, ízlelgessük ezeket a tényeket: 1 nm 10-9 méter, a méter milliárdod része (1/1.000.000.000). Az emberi hajszál tipikusan 80000nm, vagyis 80𝜇m (mikrométer) vastagságú, az atomok mérete, elektronhéjuk számától függően, 0,1-0,5nm…tehát lassan atomi méretekhez közelítenek az alkatrészek és vezetők.
A mai számítógép processzorok gyártástechnológiája 7nm-es ún. csíkszélességgel dolgozik, vagyis ekkora távolságra vannak egymástól az alkatrészek.

Miről szólt ez a cikk?
A korábbi cikkekhez képest már több szakkifejezéssel ismerkedtünk meg. A legfontosabbak a következők voltak:
A számítógép az adatfeldolgozás eszköze, a bevitt adatokon a programnak megfelelő műveleteket elvégezve szolgáltatja azok eredményét.
Az adat az információ fizikai megjelenési, értelmezési formája.
Az információ olyan hír, közlés, ismeret, amely a címzett számára jelentéssel bír.
A hardver a számítógépet fizikailag alkotó, kézzelfogható eszközök összefoglaló neve.
A szoftver a számítógépet működtető és a számítógépen futtatható programok összessége.
A ma számítógépét alkotó részegységek számos miniatűr elektronikus alkatrészből, integrált áramkörből épülnek fel. Egy IC külsőre néhány négyzetcentiméteres vagy annál kisebb méretű, négyszögletű, fekete színű tok, sok-sok érintkezővel, bennük nanométeres méretű, sokmillió, milliárd alkatrésszel.
Végül soroljuk fel a megismert angol szakkifejezéseket: binary, data, calculator, central processing unit – CPU, chip, computer, device, graphical processing unit – GPU, hardware, information, input, integrated circuit – IC, memory, output, peripheral, program, software, storage.