História dos Computadores Desde a Calculadora Manual até Computadores Quantum

Computador

Computador é uma máquina capaz de variados tipos de tratamento automático de informações ou processamento de dados. Um computador pode possuir inúmeros atributos, dentre eles armazenamento de dados, processamento de dados, cálculo em grande escala, desenho industrial, tratamento de imagens gráficas, realidade virtual, entretenimento e cultura.

Exemplo de um Computador

Nesta página vamos falar da história dos computadores desde a primeira calculadora até ao atual, também iremos falar de diversos temas relacionados com o nível de comprimento de instruções, estrutura de execução, etc.

História dos computadores

Ábaco

Há muito tempo atrás, os humanos necessitavam de um aparelho que ajuda-se os matemáticos a calcular mais depressa, por isso, o ábaco foi inventado em ( segundo muitos historiadores ) Mesopotâmia, onde depois os chineses e os romanos o aperfeiçoaram.

Exemplo de Ábaco Chinês

O Ábaco é declarado a primeira calculadora do mundo, uma calculadora manual feita normalmente de madeira constituída por duas secções horizontais com varas na vertical, em cada um dessas varas estão 7 contas ( 2 na primeira fila e 5 na segunda fila ).

Funcionamento

Com este calculador binário efectuam-se as operações de adição e subtração mediante uma técnica apropriada em que são utilizados o polegar, o indicador e o dedo médio. As contas da secção inferior são movidas para cima com o polegar e para baixo com o indicador; o dedo médio apenas move as contas da secção superior. Por exemplo, para adicionar 6 + 2 o dedo médio baixa uma conta na secção superior e o polegar move para cima na secção inferior, da mesma coluna, uma conta; está assim "memorizado" o número 6. Movendo para cima na secção inferior, da mesma coluna, duas contas obtém-se o resultado 8 por leitura direta da posição das contas na coluna. Utilizando o ábaco é também possível efectuar multiplicações e divisões.

Um Ábaco representando o número 6302715408.

Régua de Calculo

Durante vários séculos, o ábaco foi sendo desenvolvido e aperfeiçoado e tornando-se a principal ferramenta de cálculo por muito tempo. Entretanto, os principais intelectuais da época do Renascimento precisavam descobrir maneiras mais eficientes de efetuar cálculos. Logo, em 1638, um padre inglês chamado William Oughtred, criou uma tabela muito interessante para a realização de multiplicações muito grandes. A base de sua invenção foram as pesquisas sobre logaritmos, realizadas pelo escocês John Napier.

Exemplo de uma Régua de Calculo

Até o momento, a multiplicação de números muito grandes era algo muito trabalhoso e demorado de ser realizado. Porém, Napier descobriu várias propriedades matemáticas interessantes e deu a elas o nome de logaritmos. Após o facto, multiplicar valores tornou-se uma tarefa mais simples.

O mecanismo consistia em uma régua que já possuía uma boa quantidade de valores pré-calculados, organizados de forma que os resultados fossem gerados automaticamente. Uma espécie de ponteiro indicava o resultado do valor desejado.

Máquina de Pascal

Apesar da régua de cálculo de William Oughtred ser útil, os valores presentes nela ainda eram pré-definidos, o que não funcionaria para calcular números que não estivessem presentes na tábua. Pouco tempo depois, em 1642, o matemático francês Bleise Pascal desenvolveu o que pode ser chamado de primeira calculadora mecânica da História, a Máquina de Pascal.

Exemplo de Máquina de Pascal

É o calculador decimal conhecido com maior longevidade, continha como elemento essencial uma roda dentada construída com 10 "dentes". Cada "dente" correspondia a um algarismo, de 0 a 9. A primeira roda da direita corresponde às unidades, à sua esquerda corresponde às dezenas, a seguinte às centenas e assim sucessivamente, um mecanismo muito simples construído com uma "garra" resolvia o problema do transporte. Cada vez que numa das rodas o algarismo passa de nove a zero a roda vizinha é arrastada e desloca-se um dente.

O calculador permitia efectuar as operações de adição e subtração - método do complemento. Embora a operação fosse demorada podiam efectuar-se multiplicações e divisões pelo método das adições sucessivas e subtracções sucessivas, respectivamente.

Tear de Jacquard

Em 1801, Joseph Marie Jacquard desenvolveu uma maneira rápida e eficiente de padronizar os desenhos nos tecidos de sua fábrica. Ele introduziu nos tear's um sistema de cartões perfurados que representavam justamente os desenhos pretendidos. Jacquard ficou tão satisfeito com os resultados obtidos que se viu tentado a despedir vários funcionários logo depois da implementação do sistema – coisa que fez tempos depois.

Desenho do Tear

O sistema era construído com um conjunto de cartões metálicos perfurados ligados uns aos outros por aros, também metálicos, constituindo uma "fita" continua (visível à esquerda no desenho) que avançava, cartão a cartão, sobre uma "estação de leitura".

Na "estação de leitura" um conjunto de agulhas metálicas caía sobre os cartões. A combinação de agulhas que passavam através de uma perfuração e as que eram impedidas de o fazer por não existir a perfuração correspondente constituía um código binário para execução de uma operação.

Aritmómetro de Thomas

Em 1818 o francês Charles Xavier Thomas de Colmar inventou um calculador que permitia efectuar cálculos complexos, por pessoas pouco experientes, num intervalo de tempo reduzido.

A máquina de calcular foi concebida e desenhada de acordo com a Máquina de Pascal e os aperfeiçoamentos que lhe foram introduzidos por Leibnitz e podia efectuar as quatro operações aritméticas: adição, subtracção, multiplicação e divisão.

Exemplo de Aritmómetro

As dimensões da máquina: 47 cm de comprimento, 18 cm de largura e 9 cm de altura permitiam que fosse utilizada em cima do tampo de uma secretária. A caixa era construída em madeira de roble (Quercus petraea) e o mecanismo era construído em latão.

Pelo posicionamento de uma alavanca o calculador era preparado para adicionar/multiplicar ou subtrair/dividir.

Difference Engine

Em 1820, Charles Babbage, inicia a construção de uma máquina que é a primeira aproximação de um computador. A Difference Engine era uma máquina construída para calcular os valores do polinómio x^2 + 3x + 20 com uma precisão de seis décimais. Parte da máquina ficou concluída em 1832 e foi exposta ao "público" na casa de Babbage em Dorset Street - Marylebone.

Exemplo de uma Difference/Analytical Engine

Entre 1833 e 1834, Babbage concebe uma outra máquina denominada Analytical Engine.

A Analytical Engine seria uma máquina para aplicação generalizada, efectuaria as quatro operações base - multiplicação, divisão, adição e subtracção - e a sua finalidade seria calcular o valor de qualquer expressão matemática para a qual podesse ser determinado um algoritmo.

A máquina seria programável, com recurso à utilização de cartões perfurados em que a disposição dos furos materializaria o programa. A máquina executaria a iteração (estrutura de programação repetitiva) e selecionaria a via a seguir em função de uma condição (estrutura de programação alternativa). A arquitectura física e lógica da máquina, que era totalmente mecânica, compreendia um "armazém" (memória) e um "moinho" (processador).

Teoria de Boole

Se Babbage é o avô do computador do ponto de vista de arquitectura de hardware, o matemático George Boole pode ser considerado o pai da lógica moderna. Boole desenvolveu, em 1847, um sistema lógico que reduzia a representação de valores através de dois algarismos: 0 ou 1.

Em sua teoria, o número “1” tem significados como: ativo, ligado, existente, verdadeiro. Por outro lado, o “0” representa o inverso: não ativo, desligado, não existente, falso. Para representar valores intermediários, como “mais ou menos” ativo, é possível usar dois ou mais algarismos (bits) para a representação. Por exemplo:

00 – desligado; 01 – carga baixa; 10 – carga moderada; 11 – carga alta.

Todos os sistemas lógicos dos computadores atuais, até mesmo o que usas para ler isto, usa a teoria de Boole de forma prática.

Tabuladora Hollerith

Utilizando o princípio descoberto por Jacquard para comando automático de tear's, Hermann Hollerith - funcionário do United States Census Bureau - inventou, em 1880, uma máquina para realizar as operações de recenseamento da população. A máquina "lia" cartões "de papel" perfurados em código BCD (Binary Coded Decimal) e efectuava contagens da informação referente à perfuração respectiva. O sistema foi patenteado em 1884.

Exemplo de uma Tabuladora Hollerith

Cada cartão era dividido em zonas respeitantes ao sexo, idade, morada, data de nascimento, raça e nacionalidade. A perfuração era realizada utilizando um perfurador operado manualmente que dispunha de um teclado. A informação perfurada no cartão era "lida" numa Tabuladora que dispunha de uma "estação de leitura" equipada com um "pente" metálico em que cada "dente" estava conectado a um circuito eléctrico.

Cada cartão era colocado sobre uma taça que continha mercúrio e que estava conectada também ao mesmo circuito eléctrico do "pente". Quando o "pente" era colocado sobre o cartão os dentes que atravessavam as perfurações fechavam o circuito eléctrico que accionava os contadores respectivos. O contador visualizava o resultado da acumulação pela deslocação de um ponteiro sobre um mostrador.

Teletipo de Friden

Em 1902, jovem engenheiro Frank Pearn solicitou a Joy Morton - Director da Morton Salt - um financiamento para a construção de um sistema telegráfico com capacidade de impressão. Após um ano de experiências mal sucedidas Pearne abandonou o projecto e decidiu iniciar uma carreira decente.

Charles Krum - vice presidente da Western Cold Storage Company - continuou o trabalho desenvolvido por Pearne e em 1903 começou a solicitar o registo de patentes de vários dispositivos relacionados com o projecto. Em 1908 tinha conseguido construir um telégrafo impressor que foi experimentado, com sucesso, numa linha telegráfica normal.

Este teletipo - teletypewriter - tinha sido construído a partir de uma máquina de escrever em que a parte eléctrica - relays, contactos, magnet's e cabos de ligação - estava montada em cima de uma secretária.

O sistema foi aperfeiçoado de modo a que o teletipo tivesse um teclado e sistema de impressão próprio. Krum também descobriu um sistema de sincronização para a transmissão, denominado "start-stop", ainda hoje utilizado nas denominadas comunicações assíncronas. Mais tarde foi acoplado ao sistema um leitor e um perfurador mecânicos de fita de papel que permitiam que ele funcionasse em modo semi-automático.

Exemplo de um Teletipo

Differencial Analyser

Foi um dos últimos Computadores Analógicos construído. Num Computador Analógico uma variação contínua de uma variável é representada por uma quantidade física de variação também continua.

A concepção inicial do Differential Analyzer foi realizada por William Thompson (Lord Kelvin) em 1876 e destinava-se a resolver equações diferenciais. Vannevar Bush e outros colegas do MIT - Massachusetts Institute of Technology, Boston, USA - construíram, em 1930, um Computador Analógico mecânico que resolvia equações diferenciais.

Exemplo de um Differencial Analyser

A estrutura básica era constituída por uma enorme mesa onde um conjunto de discos e rodas metálicos eram combinados de tal modo que os seus eixos podiam ser acoplados de vários modos. Cada problema obrigava a um longo trabalho de conexões e ajustamentos. Assim que o sistema estava ajustado, podiam-se obter as várias soluções para um mesmo problema durante uma hora.

Adicionador de Stibitz

No final do ano de 1937, George Stibitz - investigador na Bell Laboratories - utilizou excedentes de "relais", tiras de latas de estanho, lâmpadas de "flash" e uma tábua de cozinha para cortar pão para construir um calculador digital que efectuava a adição de dois bit. Stibitz denominou este protótipo "Model K" em que o K significava "Kitchen table" - tábua de cozinha -.

Stibitz junto do seu Adicionador

Stibitz e a sua equipa começaram a trabalhar em Abril de 1939, na Bell Labs, na construção de um calculador binário a "relais" baseado mo seu "Model K". No dia 8 de Janeiro de 1940 o primeiro destes calculadores, denominado Complex Number Calculator, começou a funcionar.

Z1

Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Berlin - Creator of the first functioning, freely programmable, and fully automatic computer -. ( Criador do primeiro computador automático funcional e programável )

Em 1936 Konrad Zuse, com a ajuda de vários amigos, começou a construir um calculador mecânico, na "sala de estar" do apartamento dos seus pais em Berlim. Este calculador utilizava um sistema binário constituído por "pinos" cravados numa régua metálica onde podiam ocupar duas posições. Esta técnica era diferente da usada nos calculadores mecânicos da época que utilizavam engrenagens com 10 "dentes".

Exemplo de Z1

O computador digital mecânico ficou pronto em 1938. Denominado V-1 (Versuchsmodell-1), Zuse mudou a sua designação, após o fim da guerra, para Z1 a fim de evitar confusões com a denominação dos foguetões construídos pelo seu amigo Werner von Braun. O Z1 nunca chegou a funcionar na prática. Antes de terminar o Z1, Zuse começou a trabalhar num outro computador com componentes electromecânicos (relais) e válvulas.

Mais tarde fui desenvolvido o Z2, Z3 e Z4... para mais informações, clique no "info".

Apartir de agora, vamos entrar na Era da Informática, onde os computadores tiveram grande evolução e participação em eventos humanos. Nesta época, os computadores dividem-se em gerações para se distinguirem uns dos outros.

Primeira Geração (1946 — 1954)

A primeira geração de computadores modernos tinha com principal característica o uso de válvulas electrónicas, possuindo dimensões enormes. Eles utilizavam quilómetros de fios, o que chegava a atingir temperaturas muito elevadas, o que frequentemente causava problemas de funcionamento. Normalmente, todos os programas eram escritos diretamente na linguagem de máquina. Existiram várias máquinas dessa época, contudo, vamos focar no ENIAC, que foi a mais famosa de todas.

ENIAC

J.P. Eckert e John Mauchly, da Universidade da Pensilvânia, inauguraram o novo computador em 14 de fevereiro de 1946.

O ENIAC era mil vezes mais rápido do que qualquer máquina anterior, resolvendo 5 mil adições e subtrações, 350 multiplicações ou 50 divisões por segundo. As suas dimensões eram: capaz encher 40 gabinetes com 100 mil componentes, incluindo cerca de 17 mil válvulas electrónicas. Pesava 27 toneladas e media 5,50 x 24,40 m e consumia 150 kW.

Mulheres a operar o ENIAC

Apesar de seus inúmeros ventiladores, a temperatura ambiente chegava às vezes aos 67 graus centígrados. Executava 300 multiplicações por segundo, mas, como foi projetado para resolver um conjunto particular de problemas, sua reprogramação era muito lenta. Tinha cerca de 19.000 válvulas substituídas por ano.

Em 1943, antes da entrada em operação do ENIAC a Inglaterra já possuía o Colossus, máquina criada por Turing para decifrar os códigos secretos alemães. Possuía 2.000 válvulas, coincidentemente o mesmo número proposto por Zuse alguns anos antes.

Primeiro Bug

A palavra bug (inseto em inglês) é empregada atualmente para designar um defeito, geralmente de software. Mas sua utilização com este sentido remonta a esta época. Conta a história que um dia o computador apresentou defeito. Ao serem investigadas as causas, verificou-se que um inseto havia prejudicado seu funcionamento. A foto abaixo, supostamente, indica a presença do primeiro bug.

Uma nota feita provando a existência do bug

Segunda Geração (1955-1964)

A segunda geração de computadores foi marcada pela substituição da válvula pelo transístor. O transístor revolucionou a electrónica em geral e os computadores em especial. Eles eram muito menores do que as válvulas a vácuo e tinham outras vantagens: não exigiam tempo de pré-aquecimento, consumiam menos energia, geravam menos calor e eram mais rápidos e confiáveis. No final da década de 50, os transístores foram incorporados aos computadores.

Exemplos de computadores de segunda geração ( IBM-7030 na esquerda, PDP-8 na direita )

Na segunda geração o conceito de Unidade Central de Procedimento (CPU), memória, linguagem de programação e entrada e saída foram desenvolvidos. O tamanho dos computadores diminuiu consideravelmente. Outro desenvolvimento importante foi a mudança da linguagem de máquina para a linguagem assembly, também conhecida como linguagem simbólica. A linguagem assembly possibilita a utilização de mnemónicos para representar as instruções de máquina.

Terceira Geração (1964-1977)

A terceira geração de computadores é marcada pela utilização dos circuitos integrados, feitos de silício. Também conhecidos como micro-chips, eles eram construídos integrando um grande número de transístores, o que possibilitou a construção de equipamentos menores e mais baratos.

Exemplo de Micro-Chip ( Esquerda ) e de Circuito Integrado ( Direita )

Mas o diferencial dos circuitos integrados não era o apenas o tamanho, mas o processo de fabricação que possibilitava a construção de vários circuitos simultaneamente, facilitando a produção em massa. Este avanço pode ser comparado ao advento da impressa, que revolucionou a produção dos livros.

Os circuitos integrados são categorizados de acordo com a quantidade de integração que eles possuem:

- LSI (Large Scale Integration - 100 transístores): computadores da terceira geração; - VLSI (Very Large Scale Integration - 1.000 transístores): computadores da quarta geração; - ULSI (Ultra-Large Scale Integration - milhões de transístores): computadores da quinta geração.

Nesta geração, também apareceram os primeiros computadores pessoais, um dos que teve maior excito foi o Apple I.

Exemplo de Apple I ( Esquerda ) e o que contêm dentro (Direita )

Também foi na terceira geração onde apareceram as primeiras linguagens de alto nível. Uma linguagem é considerada de alto nível quando ela pode representar ideias abstratas de forma simples, diferente da linguagem de baixo nível que representa as próprias instruções de máquina. A linguagem mais usada nesta época era o BASIC.

Quarta Geração (1977-1991)

A quarta geração é conhecida pelo advento dos micro processadores e computadores pessoais, com a redução drástica do tamanho e preço das máquinas. As CPUs atingiram o incrível patamar de biliões de operações por segundo, permitindo que muitas tarefas fossem implementadas.

Os computadores da quarta geração são reconhecidos pelo surgimento dos processadores — unidade central de processamento. Os sistemas operacionais como MS-DOS, UNIX, Apple’s Macintosh foram construídos. Linguagens de programação orientadas a objeto como C++ e Smalltalk foram desenvolvidas. Discos rígidos eram utilizados como memória secundária. Impressoras matriciais, e os teclados com os layouts atuais foram criados nesta época.

Eis aqui alguns exemplos de computadores da 4º Geração:

Em cima - IBM PC (Personal Computer) (1981); Esquerda - Macintosh (1984); Direita - Altair 8800 (1975)

Quinta Geração (1991 — dias atuais)

As aplicações exigem cada vez mais uma maior capacidade de processamento e armazenamento de dados. Sistemas especialistas, sistemas multimédia (combinação de textos, gráficos, imagens e sons), banco de dados distribuídos e redes neurais, são apenas alguns exemplos dessas necessidades.

Uma das principais características dessa geração é a simplificação e miniaturização do computador, além de melhor desempenho e maior capacidade de armazenamento. Tudo isso, com os preços cada vez mais acessíveis. A tecnologia VLSI está a ser substituída pela ULSI (Ultra Large Scale Integration).

Os computadores da quinta geração usam processadores com milhões de transístores. Nesta geração surgiram as arquiteturas de 64 bits, os processadores que utilizam tecnologias RISC e CISC, discos rígidos com capacidade superior a 600GB, pen-drives com mais de 1GB de memória e utilização de disco ótico com mais de 50GB de armazenamento.

A quinta geração está a ser marcada pela inteligência artificial e por sua conectividade. A inteligência artificial pode ser verificada em jogos e robôs ao conseguir desafiar a inteligência humana. A conectividade é cada vez mais um requisito das indústrias de computadores. Hoje em dia, queremos que os nossos computadores se conectem ao telemóvel, a televisão e a muitos outros dispositivos como câmaras de segurança.

CONJUNTO DE INSTRUÇÕES

Para esta parte do site, foi-se criado um video para falar sobre este tópico:

E prontos, é tudo, obrigado pelo TEU tempo!

Trabalho realizado por: Nuno Nunes Nº17 11ºGEI

Credits:

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