Rekenaar

'n Rekenaar is 'n masjien wat geprogrammeer kan word om reekse rekenkundige of logiese operasies outomaties uit te voer; dit is dus enige toestel wat gebruik word om data volgens 'n goed gedefinieerde prosedure te verwerk. Die term word tans algemeen gebruik om na digitale rekenaars te verwys. Moderne digitale elektroniese rekenaars kan algemene stelle operasies uitvoer wat programme genoem word, wat hulle in staat stel om 'n wye verskeidenheid take te verrig. Die term rekenaarstelsel kan verwys na 'n nominaal volledige rekenaar wat die hardeware, die bedryfstelsel, die sagteware en die randapparatuur insluit wat vir volle werking nodig is, of na 'n groep rekenaars wat verbind is en saam funksioneer, soos 'n rekenaarnetwerk.

Waar daar in die 1930's net 'n paar was, is rekenaars vandag alomteenwoordig in 'n wye reeks industriële en verbruikersprodukte wat rekenaars as beheerstelsels gebruik. Die prys, die grootte en die ingewikkeldheid van rekenaars kan strek van eenvoudige enkeldoeltoestelle soos sleutelhouers, mikrogolfoonde en afstandbeheerders tot superrekenaars en fabrieke wat industriële robotte gebruik. Rekenaars is die kern van algemenedoeltoestelle soos persoonlike rekenaars en mobiele toestelle soos slimfone, en hulle dryf die Internet aan, wat miljarde rekenaars en gebruikers verbind.

Die woord het vroeër verwys na iemand (komptometris) wat met of sonder meganiese hulpmiddels somme maak, maar die woord is later na die hulpmiddels oorgedra. Aanvanklik was die inligtingverwerking amper uitsluitlik op wiskundige probleme gemik, maar hedendaagse rekenaars word vir verskeie ander take gebruik.

Die wye definisie sluit dinge soos die skuifliniaal in, benewens verskeie meganiese rekenaars beginnend by die abakus, asook alle hedendaagse elektroniese rekenaars.

Vroeë rekenaars was bedoel om slegs vir berekeninge gebruik te word. Eenvoudige handinstrumente soos die abakus het mense sedert die oudheid met berekeninge gehelp. Vroeg in die Industriële Revolusie is sommige meganiese toestelle gebou om lang, vervelige take te outomatiseer, soos die bestuur van patrone vir weefmasjiene, en meer gesofistikeerde elektriese masjiene het in die vroeë 20ste eeu gespesialiseerde analoogberekeninge gedoen. Vroeë digitale elektroniese rekenmasjiene is gedurende die Tweede Wêreldoorlog ontwikkel, beginnende met elektromeganiese masjiene (1930's), termioniese buise (1930's), halfgeleiertransistors (1940's), die MOS-transistor (1950's) en uiteindelik monolitiese geïntegreerde stroombane (1950's en later). Elke tegnologiese vooruitgang het kleiner, doeltreffender stroombaanontwerpe meegebring wat tot die mikroverwerker en die mikrorekenaarrewolusie van die 1970's gelei het. Sedertdien het die spoed, die rekenkrag en die veelsydigheid van rekenaars dramaties toegeneem, met transistorgetalle wat vinnig gestyg het – Moore se wet het opgemerk dat dié getalle elke twee jaar verdubbel – wat tot die digitale rewolusie van die laat 20ste en die vroeë 21ste eeu gelei het.

Konvensioneel bestaan 'n moderne rekenaar uit minstens een verwerkingselement, tipies 'n sentrale verwerkingseenheid in die vorm van 'n mikroverwerker, saam met 'n soort rekenaargeheue, tipies halfgeleiergeheuetjips. Die verwerkingselement voer die rekenkundige en logiese operasies uit, en 'n volgorde- en beheereenheid kan die orde van die operasies verander na aanleiding van gestoorde inligting. Randapparate sluit invoertoestelle (sleutelborde, muise, stuurstokke), uitvoertoestelle (skerms, drukkers) en toestelle wat albei funksies verrig, soos raakskerms, in.

Etimologie

'n Menslike "rekenaar" met mikroskoop en rekenmasjien, 1952

Dit was eers in die middel van die 20ste eeu dat die Engelse woord computer sy moderne betekenis gekry het. Volgens die Oxford English Dictionary is die eerste bekende gebruik van die woord in 'n ander sin: in 'n boek van 1613, The Yong Mans Gleanings deur die Engelse skrywer Richard Brathwait, waar dit na 'n mens verwys wat berekeninge uitvoer. Die woord het dieselfde betekenis behou tot in die middel van die 20ste eeu. Gedurende die laaste deel van dié tydperk is vroue dikwels as "rekenaars" in diens geneem omdat hulle minder as hulle manlike ewekniee betaal kon word, en teen 1943 was die meeste menslike rekenaars vroue.

Die Online Etymology Dictionary gee die eerste opgeteken gebruik van computer in die 1640's, met die betekenis "iemand wat bereken". Volgens dieselfde woordeboek dateer die gebruik van die term vir 'n "rekenmasjien" (van enige soort) uit 1897, en die "moderne gebruik" – 'n programmeerbare digitale elektroniese rekenaar – uit 1945, met die teoretiese sin wat uit 1937 as Turingmasjien dateer.

Funksie

Die meeste moderne rekenaars funksioneer volgens die Von Neumann-argitektuur. Dit bestaan gewoonlik uit die volgende vier komponente:

• geheue (hier word programme en inligting gestoor)
• beheereenheid (voer die programme uit en hanteer die gestoorde data)
• rekene-/logiese eenheid (verwerk rekene en logiese terme)
• invoer-/uitvoereenheid (ontvang seine van invoertoestelle byvoorbeeld van 'n sleutelbord of vertoon die beeld op 'n skerm)

Dus gaan alle inligting deur die SVE (sentrale verwerkingseenheid, bestaande uit die beheereenheid en die rekene-/logiese eenheid). As die busstelsel (wat die data tussen die geheue en SVE beweeg) egter te stadig is, word die hele stelsel daardeur vertraag. Dit staan as die sogenaamde "Von Neumann-bottelnek" bekend.

Soorte rekenaars

• Analoogrekenaar
• Meganiese rekenaar
• Digitale rekenaar
• Kwantumrekenaar
• Sakrekenaar of 'sompompie', soos die Sharp PC-1500
• Palmrekenaar, rekenaartjie wat in die hand pas
• Tafelrekenaar, 'n persoonlike rekenaar
• Skootrekenaar, draagbare rekenaar wat op die skoot gebruik kan word
• Netboek, 'n ligte en kompakte skootrekenaar
• Tabletrekenaar, soos 'n Apple iPad of 'n Samsung Galaxy Tab

Benewens die soorte hierbo kan rekenaars op 'n aantal verskillende maniere geklassifiseer word, onder meer volgens argitektuur en volgens grootte, vorm en doel.

Volgens argitektuur

• Hibriede rekenaar
• Harvard-argitektuur
• Von Neumann-argitektuur
• Rekenaar met 'n komplekse instruksiestel (CISC)
• Rekenaar met 'n verminderde instruksiestel (RISC)

Volgens grootte, vorm en doel

• Superrekenaar
• Hoofraamrekenaar
• Minirekenaar en middelklasrekenaar
• Bediener (rakbediener, lemmetjiebediener, toringbediener)
• Persoonlike rekenaar
  • Werkstasie
  • Mikrorekenaar en tuisrekenaar (terme wat in onbruik verval het)
  • Toring-, slanklyn- en alles-in-een-tafelrekenaar, tuisteaterrekenaar en dun kliënt
  • 2-in-1-rekenaar, ultraboek en Chromebook
  • Mobiele rekenaar, waaronder die slimfoon
  • Draagbare rekenaar (slimhorlosie, slimbril)
• Enkelbordrekenaar
• Programmeerbare logiese beheerder
• Stelsel-op-'n-tjip
• Mikrobeheerder

Onkonvensionele rekenaars

'n Rekenaar hoef nie elektronies te wees nie, en hoef ook nie 'n verwerker, geheue of 'n hardeskyf te hê nie. Hoewel die gewone gebruik van die woord "rekenaar" sinonies is met 'n persoonlike elektroniese rekenaar, is 'n tipiese moderne definisie van 'n rekenaar: "'n toestel wat bereken, veral 'n programmeerbare (gewoonlik elektroniese) masjien wat wiskundige of logiese operasies teen hoë spoed uitvoer of wat inligting saamstel, stoor, korreleer of andersins verwerk". Volgens dié definisie kwalifiseer enige toestel wat inligting verwerk as 'n rekenaar.

Geskiedenis

Die ENIAC was die eerste algemeen doelgerigte elektroniese rekenaar.

EDSAC was een van die eerste rekenaars wat kon onthou nadat dit afgeskakel en weer aangeskakel is.

Die geskiedenis van die rekenaar begin by die geskiedenis van berekening. Die mens wou nog altyd van hulpmiddels gebruik maak vir groter en meer komplekse berekeninge. Kerfstokke en teltoue is hulpmiddels wat lank reeds bestaan het. Die abakus word al vir eeue gebruik as rekenkundige hulpmiddel. Later is van hulptabelle en skuifliniale gebruik gemaak.

Die Tweede Wêreldoorlog het die motivering vir baie navorsing in rekenaartegnologie verskaf, veral wat toepassings in kriptografie betref. Van die eerste rekenaars is inderdaad tydens oorlogtoestande gebruik om geheime kodes te ontrafel. Na die oorlog is rekenaars toenemend vir staats- en korporatiewe dataverwerking gebruik om inligting voort te bring.

Aanvanklike werking van die rekenaar was moeisaam as gevolg van die gebruik van ponskaarte en onbetroubare vakuumbuise. Tegnologiese deurbrake wat hierdie probleme oorbrug het is magnetiese stoormedia en transistors. Die gebruik van geïntegreerde stroombane het verdere vooruitgang moontlik gemaak.

Die einde van die 20ste eeu is deur vooruitgang in netwerktegnologie gekenmerk, en die mate waartoe dit (en in besonder die Internet) algemeen in gebruik gestel is.

Voor die 20ste eeu

Die Chinese suanpan. Die getal wat op hierdie abakus verteenwoordig word, is 6 302 715 408.

Toestelle is al duisende jare lank gebruik om berekening te help, meestal met behulp van 'n een-tot-een-verhouding met die vingers. Die vroegste teltoestel was heel waarskynlik 'n vorm van kerfstok. Latere hulpmiddels vir rekordhouding in die Vrugbare Halfmaan het onder meer kleiballetjies en -keëltjies ingesluit wat getalle van items – waarskynlik vee of graan – verteenwoordig het en in hol, ongebakte kleihouers verseël is. Die gebruik van telstokkies is nog 'n voorbeeld.

Die abakus is aanvanklik vir rekenkundige take gebruik. Die Romeinse abakus is uit toestelle ontwikkel wat reeds so vroeg as 2400 v.C. in Babilonië gebruik is, en sedertdien is baie ander vorme van rekenborde en -tabelle uitgevind. In 'n Middeleeuse Europese rekenkamer is 'n geblokte doek op 'n tafel gelê en merkers volgens sekere reëls daarop rondbeweeg as hulpmiddel om geldsomme te bereken.

Die Antikythera-meganisme, wat uit die antieke Griekeland van omstreeks 200–80 v.C. dateer, word volgens Derek J. de Solla Price as die vroegste bekende meganiese analoogrekenaar beskou. Dit is ontwerp om astronomiese posisies te bereken en is in 1901 in die Antikythera-skeepswrak by die Griekse eiland Antikythera gevind. Toestelle van vergelykbare ingewikkeldheid sou eers weer in die veertiende eeu verskyn.

Baie meganiese hulpmiddels vir berekening en meting is vir astronomiese en navigasiegebruik gebou. Die planisfeer was 'n sterrekaart wat Abū Rayhān al-Bīrūnī in die vroeë 11de eeu uitgevind het, en die astrolabium is in die Hellenistiese wêreld in die 1ste of 2de eeu v.C. uitgevind, dikwels aan Hipparchus toegeskryf. As kombinasie van die planisfeer en die dioptra was die astrolabium in werklikheid 'n analoogrekenaar wat verskeie soorte probleme in die sferiese sterrekunde kon oplos. 'n Astrolabium met 'n meganiese kalenderrekenaar en ratwiele is in 1235 deur Abi Bakr van Isfahan in Persië uitgevind, en al-Bīrūnī het omstreeks 1000 n.C. die eerste meganiese, geratte maansonkalender-astrolabium uitgevind.

'n Skuifliniaal

Die sektor, 'n rekeninstrument wat gebruik is om probleme in verhouding, trigonometrie, vermenigvuldiging en deling op te los, is in die laat 16de eeu ontwikkel en het toepassing in die artillerie, landmeetkunde en navigasie gevind. Die planimeter was 'n handinstrument om die oppervlakte van 'n geslote figuur te bereken deur dit met 'n meganiese verbinding na te trek.

Die skuifliniaal is omstreeks 1620–1630 deur die Engelse geestelike William Oughtred uitgevind, kort ná die publikasie van die begrip van die logaritme. Dit is 'n handbediende analoogrekenaar vir vermenigvuldiging en deling. Namate die skuifliniaal ontwikkel het, is skale bygevoeg vir omgekeerdes, kwadrate en kwadraatwortels, kubusse en kubuswortels, sowel as transendente funksies soos logaritmes en eksponente en die sirkel- en hiperboliese trigonometrie. Skuifliniale met spesiale skale word steeds gebruik om roetineberekeninge vinnig te doen, soos die E6B-sirkelskuifliniaal vir tyd- en afstandberekeninge in ligte vliegtuie.

In die 1770's het Pierre Jaquet-Droz, 'n Switserse horlosiemaker, 'n meganiese pop gebou wat met 'n veerpen kon skryf. Deur die getal en die orde van sy binneste wiele te verander, kon verskillende letters en dus verskillende boodskappe voortgebring word; in werklikheid kon dit meganies "geprogrammeer" word om instruksies te lees. Die pop is saam met twee ander ingewikkelde masjiene in die Musée d'Art et d'Histoire van Neuchâtel in Switserland en werk steeds.

In 1831–1835 het die wiskundige en ingenieur Giovanni Plana 'n ewige-kalendermasjien ontwerp wat deur 'n stelsel van katrolle en silinders die ewige kalender vir elke jaar van 0 n.C. tot 4000 n.C. kon voorspel en van skrikkeljare en wisselende daglengtes rekenskap kon gee. Die gety-voorspellingsmasjien wat die Skotse wetenskaplike sir William Thomson in 1872 uitgevind het, was van groot nut vir navigasie in vlak waters: dit het 'n stelsel van katrolle en drade gebruik om die voorspelde getyvlakke vir 'n bepaalde tydperk op 'n bepaalde plek outomaties te bereken.

Die differensiaalontleder, 'n meganiese analoogrekenaar wat ontwerp is om differensiaalvergelykings deur integrasie op te los, het wiel-en-skyfmeganismes gebruik om die integrasie uit te voer. Sir William Thomson het al in 1876 die moontlike bou van sulke rekenaars bespreek, maar is deur die beperkte uitsetwringkrag van die bal-en-skyfintegreerders gefnuik; die wringkragversterker was die vooruitgang wat dié masjiene laat werk het. Van die 1920's af het Vannevar Bush en ander meganiese differensiaalontleders ontwikkel.

In die 1890's het die Spaanse ingenieur Leonardo Torres Quevedo 'n reeks gevorderde analoogmasjiene begin ontwikkel wat werklike en komplekse wortels van polinome kon oplos; dit is in 1901 deur die Paryse Akademie van Wetenskappe gepubliseer.

Die eerste rekenaar

Charles Babbage

Charles Babbage, 'n Engelse meganiese ingenieur en veelsydige geleerde, het die begrip van 'n programmeerbare rekenaar bedink. Hy word as die "vader van die rekenaar" beskou en het die eerste meganiese rekenaar in die vroeë 19de eeu bedink en uitgevind.

Nadat hy aan sy verskilenjin gewerk het, het hy sy uitvinding in 1822 in 'n referaat aan die Koninklike Sterrekundige Vereniging aangekondig. In 1833 het hy besef dat 'n veel algemener ontwerp, 'n analitiese enjin, moontlik was. Die invoer van programme en data sou deur middel van ponskaarte aan die masjien verskaf word, 'n metode wat destyds gebruik is om meganiese weefmasjiene soos die Jacquard-weefmasjien te bestuur. Vir uitvoer sou die masjien 'n drukker, 'n kurweteller en 'n klok hê, en dit sou ook getalle op kaarte kon stans om later gelees te word. Die enjin sou 'n rekenkundig-logiese eenheid, beheervloei in die vorm van voorwaardelike takke en lusse, en geïntegreerde geheue insluit, wat dit die eerste ontwerp maak vir 'n algemenedoel-rekenaar wat in moderne terme as Turing-volledig beskryf kan word.

Die masjien was omtrent 'n eeu voor sy tyd. Al die onderdele moes met die hand gemaak word, wat 'n groot probleem was vir 'n toestel met duisende dele, en die projek is uiteindelik ontbind toe die Britse regering besluit het om die befondsing te staak. Babbage se onvermoë om die analitiese enjin te voltooi, kan hoofsaaklik aan politieke en finansiële probleme toegeskryf word, sowel as aan sy begeerte om 'n al hoe meer gesofistikeerde rekenaar te ontwikkel en vinniger vorentoe te beweeg as wat enigiemand anders kon volg. Sy seun Henry Babbage het nietemin in 1888 'n vereenvoudigde weergawe van die analitiese enjin se rekeneenheid voltooi en in 1906 'n suksesvolle demonstrasie van die gebruik daarvan gelewer om tabelle te bereken.

Elektromeganiese rekenmasjiene

In sy werk Essays on Automatics van 1914 het Leonardo Torres Quevedo 'n kort geskiedenis van Babbage se pogings om 'n meganiese verskilenjin en analitiese enjin te bou, geskryf. Die referaat bevat die ontwerp van 'n masjien wat formules vir 'n reeks stelle waardes kon bereken. Die hele masjien sou deur 'n leesalleenprogram beheer word, volledig met voorsiening vir voorwaardelike takke, en hy het ook die gedagte van wisselpuntrekenkunde ingevoer. In 1920, om die 100ste herdenking van die uitvinding van die aritmometer te vier, het Torres in Parys die Elektromeganiese Aritmometer aangebied, wat 'n gebruiker in staat gestel het om rekenkundige probleme deur 'n sleutelbord in te voer en wat die uitslae bereken en gedruk het – 'n demonstrasie van die haalbaarheid van 'n elektromeganiese analitiese enjin.

Analoogrekenaars

Gedurende die eerste helfte van die 20ste eeu is baie wetenskaplike rekenbehoeftes deur al hoe meer gesofistikeerde analoogrekenaars bevredig, wat 'n direkte meganiese of elektriese model van die probleem as grondslag vir die berekening gebruik het. Dié masjiene was egter nie programmeerbaar nie en het oor die algemeen die veelsydigheid en die akkuraatheid van moderne digitale rekenaars ontbreek. Die eerste moderne analoogrekenaar was 'n gety-voorspellingsmasjien wat sir William Thomson (later lord Kelvin) in 1872 uitgevind het. Die differensiaalontleder is in 1876 deur James Thomson, die ouer broer van die bekender sir William, bedink.

Die kuns van meganiese analoogberekening het sy hoogtepunt bereik met die differensiaalontleder wat Vannevar Bush in 1931 by die Massachusetts Institute of Technology voltooi het. Teen die 1950's het die sukses van digitale elektroniese rekenaars die einde vir die meeste analoogrekenmasjiene beteken, hoewel analoogrekenaars in die 1950's steeds in sommige gespesialiseerde toepassings, soos die onderwys (die skuifliniaal) en vliegtuie (beheerstelsels), gebruik is.

Digitale rekenaars

Elektromeganies

Claude Shannon se meestersgraadverhandeling van 1937 het die grondslag van die digitale berekening gelê: sy insig om die Boolse algebra op die ontleding en die sintese van skakelstroombane toe te pas, is die basiese begrip wat onder alle elektroniese digitale rekenaars lê.

Teen 1938 het die Amerikaanse vloot die Torpedodatarekenaar ontwikkel, 'n elektromeganiese analoogrekenaar vir duikbote wat trigonometrie gebruik het om die probleem op te los om 'n torpedo op 'n bewegende teiken af te vuur. Gedurende die Tweede Wêreldoorlog is soortgelyke toestelle in ander lande ontwikkel.

Vroeë digitale rekenaars was elektromeganies: elektriese skakelaars het meganiese relês gedryf om die berekening uit te voer. Dié toestelle het 'n lae werkspoed gehad en is uiteindelik deur veel vinniger volelektriese rekenaars vervang, wat oorspronklik van vakuumbuise gebruik gemaak het. Die Z2, wat die Duitse ingenieur Konrad Zuse in 1939 in Berlyn gebou het, was een van die vroegste voorbeelde van 'n elektromeganiese relêrekenaar.

In 1941 het Zuse sy vroeëre masjien met die Z3 opgevolg, die wêreld se eerste werkende elektromeganiese, programmeerbare, volledig outomatiese digitale rekenaar. Die Z3 is met 2 000 relês gebou en het 'n woordlengte van 22 bis geïmplementeer wat teen 'n klokfrekwensie van omtrent 5 tot 10 Hz gewerk het. Programkode is op gestansde film verskaf, terwyl data in 64 woorde geheue gestoor of van die sleutelbord verskaf kon word. Dit was in sommige opsigte heel soortgelyk aan moderne masjiene en het talle vooruitgange, waaronder wisselpuntgetalle, ingelui. Deur 'n binêre stelsel eerder as die moeiliker implementeerbare desimale stelsel (wat Babbage se vroeëre ontwerp gebruik het) te gebruik, was Zuse se masjiene makliker om te bou en potensieel betroubaarder met die tegnologie wat destyds beskikbaar was. Die Z3 was self nie 'n universele rekenaar nie, maar kon uitgebrei word om Turing-volledig te wees.

Zuse se volgende rekenaar, die Z4, het die wêreld se eerste kommersiële rekenaar geword; ná aanvanklike vertraging weens die Tweede Wêreldoorlog is dit in 1950 voltooi en aan die ETH Zürich gelewer. Die rekenaar is deur Zuse se eie maatskappy, Zuse KG, vervaardig, wat in 1941 as die eerste maatskappy met die uitsluitlike doel om rekenaars te ontwikkel in Berlyn gestig is. Die Z4 het as inspirasie gedien vir die bou van die ERMETH, die eerste Switserse rekenaar en een van die eerstes in Europa.

Vakuumbuise en digitale elektroniese stroombane

Die Colossus, die eerste elektroniese digitale programmeerbare rekentoestel, is gebruik om Duitse syfers gedurende die Tweede Wêreldoorlog te breek. Hier word dit in 1943 by Bletchley Park gebruik.

Suiwer elektroniese stroombaanelemente het gou hulle meganiese en elektromeganiese ekwivalente vervang, terselfdertyd as wat digitale berekening die analoogberekening vervang het. Die ingenieur Tommy Flowers, wat in die 1930's by die Britse Poskantoor se Navorsingstasie in Londen gewerk het, het die moontlike gebruik van elektronika vir die telefoonsentrale begin ondersoek; die eksperimentele toerusting wat hy in 1934 gebou het, is vyf jaar later in gebruik gestel en het 'n gedeelte van die telefoonnetwerk in 'n elektroniese dataverwerkingstelsel met duisende vakuumbuise omgeskakel. In die Verenigde State het John Vincent Atanasoff en Clifford E. Berry van die Iowa State University in 1942 die Atanasoff–Berry-rekenaar ontwikkel en getoets, die eerste "outomatiese elektroniese digitale rekenaar"; dié ontwerp was ook volelektronies en het omtrent 300 vakuumbuise gebruik, met kapasitors wat in 'n meganies roterende trom vasgesit is as geheue.

Gedurende die Tweede Wêreldoorlog het die Britse kodebrekers by Bletchley Park 'n aantal suksesse behaal met die breek van geënkripteerde Duitse militêre kommunikasie. Die Duitse enkripsiemasjien, Enigma, is eers met die hulp van die elektromeganiese bombes aangeval, wat dikwels deur vroue bedryf is. Om die meer gesofistikeerde Duitse Lorenz SZ 40/42-masjien, wat vir hoëvlak-leërkommunikasie gebruik is, te kraak, het Max Newman en sy kollegas Flowers opdrag gegee om die Colossus te bou. Hy het van vroeg in Februarie 1943 elf maande lank aan die ontwerp en die bou van die eerste Colossus gewerk; ná 'n funksionele toets in Desember 1943 is die Colossus na Bletchley Park gestuur, waar dit op 18 Januarie 1944 gelewer is en op 5 Februarie sy eerste boodskap aangeval het.

Die Colossus was die wêreld se eerste elektroniese digitale programmeerbare rekenaar. Dit het 'n groot aantal buise gebruik, het papierbandinvoer gehad en kon opgestel word om 'n verskeidenheid Boolse logiese operasies op sy data uit te voer, maar dit was nie Turing-volledig nie. Nege Mk II-Colossi is gebou. Die Colossus Mark I het 1 500 termioniese buise bevat, maar die Mark II met 2 400 buise was sowel vyf keer vinniger as eenvoudiger om te bedryf, wat die dekoderingsproses aansienlik versnel het.

Die ENIAC was die eerste elektroniese, Turing-volledige toestel en het ballistiese trajekberekeninge vir die Amerikaanse leër uitgevoer.

Die ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) was die eerste elektroniese programmeerbare rekenaar wat in die Verenigde State gebou is. Hoewel die ENIAC soortgelyk aan die Colossus was, was dit veel vinniger, buigsamer en Turing-volledig. Soos by die Colossus is 'n "program" op die ENIAC deur die toestande van sy koppelkabels en skakelaars bepaal, ver verwyder van die gestoorde-programmasjiene wat later gekom het: sodra 'n program geskryf is, moes dit meganies in die masjien ingestel word deur proppe en skakelaars met die hand te herstel. Die programmeerders van die ENIAC was ses vroue, wat dikwels gesamentlik as die "ENIAC-meisies" bekend staan.

Die ENIAC het die hoë spoed van elektronika gekombineer met die vermoë om vir baie komplekse probleme geprogrammeer te word. Dit kon 5 000 keer per sekonde optel of aftrek, 'n duisend keer vinniger as enige ander masjien, en het ook modules gehad om te vermenigvuldig, te deel en die kwadraatwortel te bereken. Die hoëspoedgeheue was tot 20 woorde (omtrent 80 grepe) beperk. Die masjien is onder leiding van John Mauchly en J. Presper Eckert aan die Universiteit van Pennsilvanië gebou; die ontwikkeling en die bou daarvan het van 1943 tot volle werking aan die einde van 1945 geduur. Die masjien was enorm: dit het 30 ton geweeg, 200 kilowatt elektriese krag gebruik en meer as 18 000 vakuumbuise, 1 500 relês en honderdduisende weerstande, kapasitors en induktors bevat.

Moderne rekenaars

Die begrip van die moderne rekenaar

In sy toonaangewende referaat van 1936, On Computable Numbers, het Alan Turing die beginsel van die moderne rekenaar voorgestel. Turing het 'n eenvoudige toestel voorgestel wat hy 'n "universele rekenmasjien" genoem het en wat nou as 'n universele Turingmasjien bekend staan. Hy het bewys dat so 'n masjien in staat is om enigiets te bereken wat berekenbaar is, deur instruksies (die program) uit te voer wat op band gestoor is, wat die masjien programmeerbaar maak. Die grondbegrip van Turing se ontwerp is die gestoorde program, waar al die instruksies vir die berekening in die geheue gestoor word. John von Neumann het erken dat die sentrale begrip van die moderne rekenaar aan dié referaat te danke is. Behalwe vir die beperkings wat hulle eindige geheue oplê, word van moderne rekenaars gesê dat hulle Turing-volledig is, dit wil sê dat hulle 'n vermoë tot algoritme-uitvoering het wat aan dié van 'n universele Turingmasjien gelykstaan.

Gestoorde programme

'n Gedeelte van die herboude Manchester Baby, die eerste elektroniese gestoorde-programrekenaar

Vroeë rekenmasjiene het vaste programme gehad; om hulle funksie te verander, het herbedrading en herbou van die masjien geverg. Met die voorstel van die gestoorde-programrekenaar het dit verander. So 'n rekenaar sluit van ontwerp af 'n instruksiestel in en kan 'n stel instruksies (die program) wat die berekening uiteensit, in die geheue stoor. Die teoretiese grondslag daarvoor is deur Turing in sy referaat van 1936 gelê. In 1945 het Turing by die Britse Nasionale Fisiese Laboratorium aangesluit en aan die ontwikkeling van 'n elektroniese gestoorde-program-digitale rekenaar begin werk; sy verslag van 1945, "Proposed Electronic Calculator", was die eerste spesifikasie vir so 'n toestel. John von Neumann van die Universiteit van Pennsilvanië het in 1945 ook sy First Draft of a Report on the EDVAC versprei.

Die Manchester Baby was die wêreld se eerste gestoorde-programrekenaar. Dit is aan die Universiteit van Manchester in Engeland deur Frederic C. Williams, Tom Kilburn en Geoff Tootill gebou en het sy eerste program op 21 Junie 1948 uitgevoer. Dit is as proefbank vir die Williams-buis, die eerste ewetoeganklike digitale stoortoestel, ontwerp. Hoewel die rekenaar in 'n terugblik van 1998 as "klein en primitief" beskryf is, was dit die eerste werkende masjien wat al die elemente bevat het wat vir 'n moderne elektroniese rekenaar noodsaaklik is. Sodra die Baby die haalbaarheid van sy ontwerp gedemonstreer het, is 'n projek aan die universiteit begin om dit tot 'n prakties nuttige rekenaar, die Manchester Mark 1, te ontwikkel.

Die Mark 1 het op sy beurt gou die prototipe geword vir die Ferranti Mark 1, die wêreld se eerste kommersieel beskikbare algemenedoel-rekenaar. Dit is deur Ferranti gebou en in Februarie 1951 aan die Universiteit van Manchester gelewer. Minstens sewe van dié latere masjiene is tussen 1953 en 1957 gelewer, een daarvan aan Shell se laboratoriums in Amsterdam. In Oktober 1947 het die direkteure van die Britse spysenieringsmaatskappy J. Lyons & Company besluit om 'n aktiewe rol in die bevordering van die kommersiële ontwikkeling van rekenaars te speel; Lyons se LEO I-rekenaar, wat noue op die Cambridge se EDSAC van 1949 gemodelleer is, het in April 1951 in werking gekom en die wêreld se eerste roetine-kantoorrekenaartaak uitgevoer.

Transistors

Die begrip van 'n veldeffektransistor is in 1925 deur Julius Edgar Lilienfeld voorgestel. John Bardeen en Walter Brattain het, terwyl hulle onder William Shockley by Bell Labs gewerk het, in 1947 die eerste werkende transistor – die puntkontaktransistor – gebou, gevolg deur Shockley se bipolêre aansluitingstransistor in 1948. Van 1955 af het transistors die vakuumbuise in rekenaarontwerpe vervang, wat die "tweede geslag" rekenaars voortgebring het. In vergelyking met vakuumbuise het transistors baie voordele: hulle is kleiner, verg minder krag en gee dus minder hitte af. Aansluitingstransistors was veel betroubaarder as vakuumbuise en het 'n langer, onbepaalde diensleeftyd gehad, en getransistoriseerde rekenaars kon tienduisende binêre logiese stroombane in 'n betreklik kompakte ruimte bevat. Vroeë aansluitingstransistors was egter betreklik lywige toestelle wat moeilik op massaproduksiegrondslag vervaardig kon word, wat hulle tot 'n aantal gespesialiseerde toepassings beperk het.

Aan die Universiteit van Manchester het 'n span onder leiding van Tom Kilburn 'n masjien ontwerp en gebou wat van die nuut ontwikkelde transistors in plaas van buise gebruik gemaak het. Hulle eerste getransistoriseerde rekenaar, en die eerste ter wêreld, was teen 1953 in werking, en 'n tweede weergawe is daar in April 1955 voltooi. Die masjien het egter steeds buise gebruik om sy klokgolfvorms van 125 kHz voort te bring en in die stroombane om op sy magnetiese tromgeheue te lees en te skryf, sodat dit nie die eerste volledig getransistoriseerde rekenaar was nie; daardie eer kom die Harwell CADET van 1955 toe.

Die metaaloksied-halfgeleier-veldeffektransistor (MOS-transistor) is tussen 1955 en 1960 by Bell Labs uitgevind en was die eerste werklik kompakte transistor wat vir 'n wye verskeidenheid gebruike geminiaturiseer en in massa vervaardig kon word. Met sy hoë skaalbaarheid en veel laer kragverbruik en hoër digtheid as bipolêre aansluitingstransistors het die MOSFET dit moontlik gemaak om hoëdigtheid-geïntegreerde stroombane te bou. Benewens dataverwerking het dit ook die praktiese gebruik van MOS-transistors as geheueselle moontlik gemaak, wat tot die ontwikkeling van MOS-halfgeleiergeheue gelei het, wat die vroeëre magnetiesekerngeheue in rekenaars vervang het. Die MOSFET het tot die mikrorekenaarrewolusie gelei en is die mees gebruikte transistor in rekenaars sowel as die grondboublok van die digitale elektronika.

Geïntegreerde stroombane

Die kiem van 'n MOS 6502, 'n mikroverwerker van die vroeë 1970's wat 3 500 transistors op 'n enkele tjip integreer

Die volgende groot vooruitgang in rekenkrag het met die koms van die geïntegreerde stroombaan gekom. Die gedagte daarvan is die eerste keer deur Geoffrey W.A. Dummer, 'n radarwetenskaplike wat vir die Britse Koninklike Radarinrigting gewerk het, bedink; Dummer het die eerste openbare beskrywing van 'n geïntegreerde stroombaan op 7 Mei 1952 in Washington gelewer.

Die eerste werkende geïntegreerde stroombane is deur Jack Kilby by Texas Instruments en Robert Noyce by Fairchild Semiconductor uitgevind. Kilby het sy aanvanklike gedagtes daaroor in Julie 1958 opgeteken en op 12 September 1958 die eerste werkende voorbeeld suksesvol gedemonstreer. Kilby se uitvinding was egter 'n hibriede geïntegreerde stroombaan eerder as 'n monolitiese tjip, en dit het uitwendige draadverbindings gehad wat massaproduksie bemoeilik het.

Noyce het 'n halfjaar ná Kilby met sy eie gedagte oor 'n geïntegreerde stroombaan gekom. Sy uitvinding was die eerste werklike monolitiese tjip en het baie praktiese probleme opgelos wat Kilby se een nie kon nie. Dit is by Fairchild Semiconductor vervaardig en van silikon gemaak, terwyl Kilby se tjip van germanium gemaak is. Noyce se monolitiese stroombaan is met die vlakproses vervaardig, wat sy kollega Jean Hoerni vroeg in 1959 ontwikkel het.

Moderne monolitiese geïntegreerde stroombane is oorwegend MOS-stroombane wat uit MOS-transistors gebou is. Die vroegste eksperimentele MOS-stroombaan wat vervaardig is, was 'n tjip met 16 transistors wat Fred Heiman en Steven Hofstein in 1962 by RCA gebou het, en General Microelectronics het in 1964 die eerste kommersiële MOS-stroombaan bekend gestel. Ná die ontwikkeling van die selfgerigte-hek-MOS-transistor by Bell Labs in 1967 is die eerste silikonhek-MOS-stroombaan met selfgerigte hekke in 1968 deur Federico Faggin by Fairchild Semiconductor ontwikkel.

Die ontwikkeling van die MOS-geïntegreerde stroombaan het tot die uitvinding van die mikroverwerker gelei en 'n ontploffing in die kommersiële en persoonlike gebruik van rekenaars ingelui. Hoewel dit omstrede is watter toestel presies die eerste mikroverwerker was, is dit grotendeels onbetwis dat die eerste enkeltjip-mikroverwerker die Intel 4004 was, wat deur Federico Faggin met sy silikonhek-MOS-tegnologie saam met Ted Hoff, Masatoshi Shima en Stanley Mazor by Intel ontwerp en verwesenlik is. In die vroeë 1970's het MOS-tegnologie die integrasie van meer as 10 000 transistors op 'n enkele tjip moontlik gemaak.

Stelsels-op-'n-tjip is volledige rekenaars op 'n mikrotjip so groot soos 'n munt. Hulle kan al dan nie geïntegreerde ewetoeganklike geheue en flitsgeheue hê nie; indien nie geïntegreer nie, word die geheue gewoonlik direk bo of onder die tjip geplaas om die dataoordragsnelheid te verbeter, aangesien die datasein dan nie ver hoef te reis nie. Sedert die ENIAC in 1945 het rekenaars enorm gevorder: moderne stelsels-op-'n-tjip is so groot soos 'n munt terwyl hulle honderdduisende kere kragtiger as die ENIAC is, miljarde transistors integreer en net 'n paar watt krag verbruik.

Mobiele rekenaars

Die eerste mobiele rekenaars was swaar en het van netkrag gewerk; die IBM 5100, wat omtrent 23 kg geweeg het, was 'n vroeë voorbeeld. Later draagbare rekenaars soos die Osborne 1 en die Compaq Portable was aansienlik ligter maar moes steeds ingeprop word. Die eerste skootrekenaars, soos die Grid Compass, het dié vereiste weggeneem deur batterye in te sluit, en met die voortgaande miniaturisering van rekenhulpbronne en verbeterings in draagbare batterylewe het draagbare rekenaars in die 2000's gewild geword. Dieselfde ontwikkelinge het vervaardigers in staat gestel om teen die vroeë 2000's rekenhulpbronne in sellulêre mobiele telefone te integreer.

Hierdie slimfone en tabletrekenaars werk met 'n verskeidenheid bedryfstelsels en het onlangs die dominante rekentoestel op die mark geword. Hulle word deur stelsels-op-'n-tjip aangedryf.

Geskiedenis van tuisrekenaars

Rekenaars was groot en duur, en slegs groot maatskappye kon dit aankoop. Een van die eerste persoonlike rekenaars, wat die mikrorekenaarrewolusie help ontketen het, was die Altair 8800 wat in 1975 vervaardig is en eers die PE-8 genoem is, voor dit later deur Les Soloman van Popular Electronics-tydskrif tot die Altair herdoop is. Sy dogter het naamlik na ‘n Star Trek-episode gekyk waarin hulle na ‘n plek met die naam Altair gereis het, en was van mening dat dit ‘n meer aantreklike naam vir die PE-8 was. Die prys was $395 vir ‘n doen-dit-selfstel of $498 vir ‘n volledige stelsel, wat ‘n billike prys was vir ‘n deursnee-rekenaarfanatikus. Die Altair was redelik primitief met slegs 256 grepe (bytes) geheue. Geen sleutelbord, skerm of drukker was egter deel daarvan nie. Skakelaars op die voorpaneel is gebruik om inligting in rekenaarkode in die vorm van 0’e en 1’e in te voer. Flikkerende ligte op die voorpaneel het die uitslag van die program gewys. Vergeleke met latere rekenaars was dit dus besonder verbruikeronvriendelik.

Alhoewel die aanwending daarvan baie beperk was, het “hackers” (soos rekenaarentoesiaste destyds genoem is) dit spoedig aangekoop. Twee seuns wat pas hoërskool voltooi het, naamlik Bill Gates en Paul Allen, het 'n voorstel aan die vervaardiger, Ed Roberts, gemaak dat hulle ‘n program sou skryf wat menslike inset in rekenaarkodes omskakel. Dit het ‘n klein maatskappy nl. Microsoft tot gevolg gehad.

Steve Wozniak, 'n werknemer van Hewlett-Packard, het ook aan ‘n prototipe gewerk wat hy na die Homebrew Computing Club, ‘n groep jong rekenaargeesdriftiges in Kalifornië geneem. Steve Jobs wat vir die rekenaarspeletjiemaatskappy, Atari, gewerk het, het van Wozniak se prototipe gehou en ‘n paar aanbevelings gemaak. Die twee het toe hul kragte saamgesnoer en die Apple 1 in Wozniak se motorhuis vervaardig. 1 April 1976 stig Steve Wozniak en Steve Jobs die Apple-rekenaarmaatskappy. Hulle vervaardig die Apple 2 in 1977 met ‘n kleurmonitor, klank en speletjiepedaal. Teen ‘n prys van $1,300 het dit 4 KB geheue en ‘n slapskyfdryf ingesluit. Vir die Apple 2 was daar 'n woordverwerker, 'n spreiblad-program (spreadsheet) en talle speletjies beskikbaar. Die Apple 3 het in 1980 verskyn.

Kompetisie vir die Applerekenaar was die Commodore PET 2001 en Tandy RadioShack se TRS-80 met ‘n swart-en-witskerm en 4 KB geheue. Die Osborne-maatskappy het in April 1981 die eerste draagbare rekenaar bekend as die Osborne 1 vrygestel, met ‘n 13 cm skerm en 64 KB geheue, twee slapskyfdrywe, en voorafgeïnstalleerde sagteware. Die prys was ‘n hoë $1 795.

Steve Wozniak ontwerp in 1978 die Disk II-aandrywer vir die 5,25-duim-slapskyf om inligting gemaklik te stoor.

Apple was eerste met hul grafiese bedryfstelsel. Microsoft het die Microsoft Disc Operating System (MS-DOS) met ‘n spyskaart geskryf. Later het Microsoft die Microsoft Windows grafiese bedryfstelsel geskryf, met Windows 1 in die 1980’s, gevolg deur Windows 2, en later Windows 3.1, en Windows 95 in 1995, Windows 98 en 98SE in 1998, Windows Millenium in 2000 asook Windows 2000 vir ondernemings, en Windows XP in 2001, gevolg deur Windows Vista, Windows 7, Windows 8, en 8.1, en Windows 10. Ander bedryfstelsels soos die Linux-reeks, Unix, en Novell is ook gewild.

Die Amerikaanse Departement van Verdediging het ‘n rekenaarnetwerk begin om inligting spoedig oor die wêreld te stuur, maar vanweë sekuriteitsoorwegings het hulle dit nie meer gebruik nie. Dit is wel verder uitgebrei tot waar die internet daaruit ontstaan het. Met die koms van Windows 95 het Netscape ‘n webprogram “webbrowser” ontwikkel, Netscape Navigator, om op die internet na webblaaie te soek. Dit is ook later uitgebrei deur Microsoft se Internet Explorer, Mozilla se Firefox, asook programme soos Opera, Safari, Google Chrome, ensomeer.

E-pos is ook deur die skep van ‘n internasionale netwerk moontlik gemaak en briewe kon nou binne sekondes dwarsoor die wêreld gestuur word. Programme wat vir e-pos gebruik word is Microsoft Mail, Microsoft Outlook, Mozilla Thunderbird, en etlike ander programme.

Hardeware

Die hoofartikel vir hierdie afdeling is: Rekenaarhardeware.

Die dele van 'n rekenaar is deur busse, dikwels bestaande uit groepe drade, met mekaar verbind. Binne elkeen van dié dele is duisende tot triljoene klein elektriese stroombane wat met behulp van 'n elektroniese skakelaar af- of aangeskakel kan word. Elke stroombaan verteenwoordig een bis inligting, sodat dit 'n "1" verteenwoordig wanneer die stroombaan aan is en 'n "0" wanneer dit af is. Die stroombane word in logiese hekke gerangskik sodat een of meer van die stroombane die toestand van een of meer van die ander stroombane kan beheer.

Invoertoestelle

Invoertoestelle is die middele waarmee die werking van 'n rekenaar beheer word en waarmee dit van data voorsien word. Voorbeelde is die sleutelbord, die digitale kamera, die grafiese tablet, die skandeerder, die stuurstok, die mikrofoon, die muis, die rolbal, die raakskerm en die ligpen.

Uitvoertoestelle

Uitvoertoestelle is die middele waarmee 'n rekenaar die uitslae van sy berekeninge in 'n vorm gee wat vir die mens toeganklik is. Voorbeelde is die rekenaarskerm, die drukker, die luidspreker, die projektor, die klankkaart en die grafikakaart.

Beheereenheid

Die beheereenheid, wat dikwels 'n beheerstelsel of sentrale beheerder genoem word, bestuur die rekenaar se verskillende dele: dit lees en interpreteer (dekodeer) die programinstruksies en skakel hulle om in beheerseine wat ander dele van die rekenaar aktiveer. Beheerstelsels in gevorderde rekenaars kan die orde waarin sommige instruksies uitgevoer word verander om die werkverrigting te verbeter.

'n Sleutelkomponent wat aan alle sentrale verwerkingseenhede gemeen is, is die programteller, 'n spesiale geheuesel (register) wat byhou uit watter plek in die geheue die volgende instruksie gelees moet word. Die beheerstelsel se werking is soos volg, vereenvoudig gestel:

1. Lees die kode vir die volgende instruksie uit die sel wat die programteller aanwys.
2. Dekodeer die numeriese kode vir die instruksie in 'n stel bevele of seine vir elk van die ander stelsels.
3. Vermeerder die programteller sodat dit na die volgende instruksie wys.
4. Lees watter data die instruksie ook al benodig uit selle in die geheue (of moontlik uit 'n invoertoestel).
5. Verskaf die nodige data aan 'n rekenkundig-logiese eenheid of 'n register.
6. Indien die instruksie 'n rekenkundig-logiese eenheid of gespesialiseerde hardeware verg, gee die hardeware opdrag om die gevraagde operasie uit te voer.
7. Skryf die uitslag terug na 'n geheueplek, 'n register of moontlik 'n uitvoertoestel.
8. Spring terug na stap 1.

Aangesien die programteller konseptueel bloot nog 'n stel geheueselle is, kan dit deur berekeninge in die rekenkundig-logiese eenheid verander word. Om 100 by die programteller te tel, sou veroorsaak dat die volgende instruksie uit 'n plek 100 plekke verder in die program gelees word. Instruksies wat die programteller verander, staan dikwels as "spronge" bekend en maak lusse (instruksies wat deur die rekenaar herhaal word) en dikwels ook voorwaardelike instruksie-uitvoering moontlik.

Die reeks operasies waardeur die beheereenheid 'n instruksie verwerk, is self soos 'n kort rekenaarprogram, en in sommige meer komplekse ontwerpe is daar inderdaad 'n verdere, nog kleiner rekenaar – 'n mikrovolgordebepaler – wat 'n mikrokodeprogram uitvoer wat al dié gebeure laat plaasvind.

Sentrale verwerkingseenheid

Die beheereenheid, die rekenkundig-logiese eenheid en die registers staan gesamentlik as die sentrale verwerkingseenheid bekend. Vroeë sentrale verwerkingseenhede was uit baie afsonderlike komponente saamgestel; sedert die 1970's word hulle tipies op 'n enkele MOS-geïntegreerde-stroombaantjip gebou wat 'n mikroverwerker genoem word.

Rekenkundig-logiese eenheid

Die rekenkundig-logiese eenheid kan twee klasse operasies uitvoer: rekenkundige en logiese. Die stel rekenkundige operasies wat 'n bepaalde eenheid ondersteun, kan tot optel en aftrek beperk wees, of kan vermenigvuldiging, deling, trigonometriese funksies soos sinus en kosinus, en kwadraatwortels insluit. Sommige kan slegs op heelgetalle werk, terwyl ander wisselpunt gebruik om reële getalle te verteenwoordig, hoewel met beperkte presisie. Enige rekenaar wat net die eenvoudigste operasies kan uitvoer, kan egter geprogrammeer word om die meer komplekse operasies in eenvoudige stappe op te breek; enige rekenaar kan dus geprogrammeer word om enige rekenkundige operasie uit te voer, al sal dit langer neem as sy rekenkundig-logiese eenheid die operasie nie direk ondersteun nie. So 'n eenheid kan ook getalle vergelyk en Boolse waarhede terugstuur na aanleiding daarvan of die een gelyk aan, groter as of kleiner as die ander is. Logiese operasies behels die Boolse logika: EN, OF, XOF en NIE.

Superskalêre rekenaars kan verskeie rekenkundig-logiese eenhede bevat, wat hulle in staat stel om verskeie instruksies gelyktydig te verwerk. Grafikaverwerkers en rekenaars met SIMD- en MIMD-vermoëns bevat dikwels eenhede wat rekenkunde op vektore en matrikse kan uitvoer.

Geheue

Magnetiesekerngeheue was in die 1960's die voorkeurgeheue van rekenaars, totdat dit deur halfgeleiergeheue vervang is.

'n Rekenaar se geheue kan as 'n lys selle beskou word waarin getalle geplaas of gelees kan word. Elke sel het 'n genommerde adres en kan 'n enkele getal stoor. Die rekenaar kan opdrag gekry word om "die getal 123 in die sel met nommer 1357 te plaas" of om "die getal in sel 1357 by die getal in sel 2468 te tel en die antwoord in sel 1595 te plaas". Die inligting wat in die geheue gestoor word, kan feitlik enigiets verteenwoordig: letters, getalle en selfs rekenaarinstruksies kan met dieselfde gemak in die geheue geplaas word. Aangesien die sentrale verwerkingseenheid nie tussen verskillende soorte inligting onderskei nie, is dit die sagteware se verantwoordelikheid om betekenis te gee aan wat die geheue as niks anders as 'n reeks getalle sien.

In byna alle moderne rekenaars is elke geheuesel opgestel om binêre getalle in groepe van agt bis (genoem 'n greep) te stoor. Elke greep kan 256 verskillende getalle verteenwoordig, óf van 0 tot 255 óf van −128 tot +127. Om groter getalle te stoor, kan verskeie opeenvolgende grepe gebruik word – tipies twee, vier of agt. Wanneer negatiewe getalle nodig is, word hulle gewoonlik in tweekomplementnotasie gestoor. Moderne rekenaars het miljarde of selfs triljoene grepe geheue.

Die sentrale verwerkingseenheid bevat 'n spesiale stel geheueselle wat registers genoem word en wat veel vinniger gelees en geskryf kan word as die hoofgeheue. Daar is tipies tussen twee en honderd registers, afhangende van die soort verwerkingseenheid. Registers word vir die data gebruik wat die meeste nodig is, om te vermy dat die hoofgeheue elke keer bereik moet word wanneer data nodig is; aangesien daar voortdurend aan data gewerk word, verhoog dit die rekenaar se spoed aansienlik.

Die hoofgeheue van 'n rekenaar kom in twee hoofsoorte voor: ewetoeganklike geheue en leesalleengeheue. Ewetoeganklike geheue kan gelees en geskryf word wanneer die verwerkingseenheid ook al opdrag gee, terwyl leesalleengeheue voorafgelaai is met data en sagteware wat nooit verander nie, sodat die verwerkingseenheid slegs daaruit kan lees. Leesalleengeheue word tipies gebruik om die rekenaar se aanvanklike aanskakelinstruksies te stoor. In die algemeen word die inhoud van ewetoeganklike geheue uitgewis wanneer die krag na die rekenaar afgeskakel word, maar leesalleengeheue behou sy data onbepaald. In 'n persoonlike rekenaar bevat die leesalleengeheue 'n gespesialiseerde program, die BIOS, wat die laai van die rekenaar se bedryfstelsel van die hardeskyf na die ewetoeganklike geheue orkestreer wanneer die rekenaar aangeskakel of herstel word. Sagteware wat in leesalleengeheue gestoor word, word dikwels fermware genoem. Flitsgeheue verdoesel die onderskeid tussen die twee soorte, aangesien dit sy data behou wanneer dit afgeskakel is maar ook herskryfbaar is; dit is egter tipies veel stadiger, sodat die gebruik daarvan tot toepassings beperk is waar hoë spoed nie nodig is nie.

In meer gesofistikeerde rekenaars kan daar een of meer kasgeheues wees, wat stadiger as registers maar vinniger as die hoofgeheue is. Rekenaars met so 'n kas is oor die algemeen ontwerp om die data wat die meeste nodig is outomaties na die kas te skuif, dikwels sonder dat die programmeerder hoef in te gryp.

Invoer en uitvoer

Invoer en uitvoer is die middele waarmee 'n rekenaar inligting met die buitewêreld uitruil. Toestelle wat invoer of uitvoer aan die rekenaar verskaf, word randapparate genoem. Op 'n tipiese persoonlike rekenaar sluit die randapparate invoertoestelle soos die sleutelbord en die muis, en uitvoertoestelle soos die skerm en die drukker, in. Hardeskywe, slapskyfdrywers en optieseskyfdrywers dien as sowel invoer- as uitvoertoestelle, en netwerke is nog 'n vorm van invoer en uitvoer. Invoer- en uitvoertoestelle is dikwels in eie reg komplekse rekenaars met hulle eie verwerkingseenheid en geheue: 'n grafikaverwerker kan vyftig of meer klein rekenaars bevat wat die berekeninge doen wat nodig is om driedimensionele grafika te vertoon.

Multitaakverwerking

Hoewel 'n rekenaar beskou kan word as 'n masjien wat een reusagtige program uitvoer wat in sy hoofgeheue gestoor is, is dit in sommige stelsels nodig om die voorkoms te gee dat verskeie programme gelyktydig uitgevoer word. Dit word bereik deur multitaakverwerking, dit wil sê deur die rekenaar vinnig tussen die uitvoer van elke program om die beurt te laat wissel.

Een manier om dit te doen, is met 'n spesiale sein wat 'n onderbreking genoem word, wat die rekenaar van tyd tot tyd kan laat ophou om instruksies uit te voer waar dit was en in plaas daarvan iets anders laat doen. Deur te onthou waar dit voor die onderbreking uitgevoer het, kan die rekenaar later na daardie taak terugkeer. As verskeie programme "op dieselfde tyd" loop, kan die onderbrekingsgenerator etlike honderde onderbrekings per sekonde veroorsaak, wat elke keer 'n programwisseling meebring. Aangesien moderne rekenaars instruksies tipies etlike ordes van grootte vinniger uitvoer as wat die mens kan waarneem, kan dit lyk asof baie programme gelyktydig loop, al is net een op enige gegewe oomblik aan die uitvoer. Dié metode word soms "tyddeling" genoem, aangesien elke program om die beurt 'n "sny" tyd toegewys word.

Voor die era van goedkoop rekenaars was die hoofgebruik van multitaakverwerking om baie mense dieselfde rekenaar te laat deel. Dit sou skynbaar 'n rekenaar wat tussen verskeie programme wissel stadiger laat werk, in direkte verhouding tot die aantal programme wat dit uitvoer, maar die meeste programme bestee baie van hulle tyd daaraan om te wag dat stadige invoer- en uitvoertoestelle hulle take voltooi. As 'n program wag dat die gebruiker met die muis klik of 'n sleutel druk, neem dit nie 'n tydsny nie totdat die gebeurtenis waarop dit wag, plaasgevind het. Dit maak tyd vrywillig vir ander programme om uit te voer, sodat baie programme sonder onaanvaarbare spoedverlies gelyktydig kan loop.

Multiverwerking

Sommige rekenaars is ontwerp om hulle werk oor verskeie sentrale verwerkingseenhede in 'n multiverwerkingsopstelling te versprei, 'n tegniek wat vroeër net in groot en kragtige masjiene soos superrekenaars, hoofraamrekenaars en bedieners gebruik is. Multiverwerker- en multikern-persoonlike en skootrekenaars is nou algemeen beskikbaar en word toenemend ook in die laer marksegmente gebruik.

Superrekenaars het dikwels hoogs unieke argitekture wat aansienlik van die basiese gestoorde-programargitektuur en van algemenedoel-rekenaars verskil. Hulle beskik dikwels oor duisende verwerkingseenhede, doelgemaakte hoëspoedverbindings en gespesialiseerde rekenhardeware. Sulke ontwerpe is geneig om net vir gespesialiseerde take nuttig te wees weens die groot skaal van programorganisasie wat nodig is om die meeste van die beskikbare hulpbronne gelyktydig te gebruik. Superrekenaars word gewoonlik vir grootskaalse simulasie, grafikaverwerking en kriptografie gebruik, sowel as vir ander take wat maklik parallel verwerk kan word.

Sagteware

Die hoofartikel vir hierdie afdeling is: Sagteware.

Sagteware bestaan uit die gekodeerde inligting wat 'n rekenaar se werking bepaal, soos data of instruksies oor hoe om die data te verwerk. In teenstelling met die fisiese hardeware waaruit die stelsel gebou is, is sagteware onstoflik. Sagteware sluit rekenaarprogramme, programbiblioteke en verwante nie-uitvoerbare data soos aanlyn dokumentasie of digitale media in. Dit word dikwels in stelselsagteware en toepassingsagteware verdeel. Sowel sagteware as hardeware is sleuteldele van 'n moderne rekenaar.

Programme

Die kenmerkende eienskap van moderne rekenaars wat hulle van alle ander masjiene onderskei, is dat hulle geprogrammeer kan word: 'n soort instruksies (die program) kan aan die rekenaar gegee word en dit sal hulle verwerk. Moderne rekenaars wat op die Von Neumann-argitektuur gegrond is, het dikwels masjienkode in die vorm van 'n imperatiewe programmeertaal. In die praktyk kan 'n rekenaarprogram net 'n paar instruksies wees of tot baie miljoene instruksies strek, soos die programme vir woordverwerkers en webblaaiers. 'n Tipiese moderne rekenaar kan miljarde instruksies per sekonde uitvoer en maak selde 'n fout oor baie jare se werking. Groot rekenaarprogramme wat uit etlike miljoene instruksies bestaan, kan spanne programmeerders jare neem om te skryf, en bevat weens die ingewikkeldheid van die taak byna sekerlik foute.

Gestoorde-programargitektuur

In die meeste gevalle is rekenaarinstruksies eenvoudig: tel een getal by 'n ander, skuif data van een plek na 'n ander, stuur 'n boodskap na 'n eksterne toestel, en so meer. Dié instruksies word uit die rekenaar se geheue gelees en oor die algemeen in die orde uitgevoer waarin hulle gegee is. Daar is egter gewoonlik gespesialiseerde instruksies om die rekenaar te sê om vorentoe of agtertoe na 'n ander plek in die program te spring en van daar af verder uit te voer; dit word "sprong"-instruksies (of takke) genoem. Sprongistruksies kan voorts voorwaardelik laat plaasvind word, sodat verskillende reekse instruksies gebruik kan word afhangende van die uitslag van 'n vroeëre berekening of 'n eksterne gebeurtenis. Baie rekenaars ondersteun subroetines direk deur 'n soort sprong te verskaf wat die plek "onthou" waarvandaan dit gespring het, en 'n verdere instruksie om na die instruksie ná daardie sprong terug te keer.

Die uitvoering van 'n program kan met die lees van 'n boek vergelyk word: hoewel 'n mens normaalweg elke woord en reël in orde lees, kan hy soms na 'n vroeëre plek in die teks terugspring of afdelings oorslaan wat nie van belang is nie. Net so kan 'n rekenaar soms teruggaan en die instruksies in 'n gedeelte van die program oor en oor herhaal totdat 'n interne voorwaarde bevredig is. Dit word die beheervloei binne die program genoem en dit is wat die rekenaar in staat stel om take herhaaldelik sonder menslike ingryping uit te voer.

Ter vergelyking kan iemand wat 'n sakrekenaar gebruik 'n basiese rekenkundige operasie soos die optel van twee getalle met net 'n paar knoppiedrukke uitvoer. Om egter al die getalle van 1 tot 1 000 saam te tel, sou duisende knoppiedrukke en baie tyd verg, met 'n byna sekerheid dat 'n fout gemaak sal word. 'n Rekenaar kan daarteenoor geprogrammeer word om dit met net 'n paar eenvoudige instruksies te doen, waarna dit die herhalende optelwerk sonder verdere menslike ingryping sal verrig, byna nooit 'n fout sal maak nie en die taak in 'n fraksie van 'n sekonde sal voltooi.

Masjienkode

In die meeste rekenaars word individuele instruksies as masjienkode gestoor, met elke instruksie wat 'n unieke getal (die operasiekode) kry. Die bevel om twee getalle saam te tel sou een operasiekode hê, die bevel om hulle te vermenigvuldig 'n ander, en so meer. Die eenvoudigste rekenaars kan enige van 'n handjievol verskillende instruksies uitvoer; die meer komplekse rekenaars het etlike honderde om uit te kies, elk met 'n unieke numeriese kode. Aangesien die rekenaar se geheue getalle kan stoor, kan dit ook die instruksiekodes stoor. Dit lei tot die belangrike feit dat hele programme (wat bloot lyste van dié instruksies is) as lyste getalle verteenwoordig kan word en self binne die rekenaar op dieselfde wyse as numeriese data hanteer kan word. Die grondbegrip om programme saam met die data waarop hulle werk in die rekenaar se geheue te stoor, is die kern van die Von Neumann- of gestoorde-programargitektuur. In sommige gevalle kan 'n rekenaar 'n deel of die geheel van sy program in geheue stoor wat van die data geskei is; dit word die Harvard-argitektuur genoem, na die Harvard Mark I-rekenaar. Moderne Von Neumann-rekenaars toon in hulle ontwerpe sommige eienskappe van die Harvard-argitektuur, soos in die kasgeheues van die verwerkingseenheid.

Hoewel dit moontlik is om rekenaarprogramme as lang lyste getalle (masjientaal) te skryf, en hoewel dié tegniek by baie vroeë rekenaars gebruik is, is dit uiters vervelig en potensieel foutgevoelig om dit in die praktyk te doen, veral vir ingewikkelde programme. In plaas daarvan kan elke basiese instruksie 'n kort naam kry wat op sy funksie dui en maklik is om te onthou – 'n geheuesteun soos ADD, SUB, MULT of JUMP. Dié geheuesteune staan gesamentlik as 'n rekenaar se samestellertaal bekend. Die omskakeling van programme wat in samestellertaal geskryf is na iets wat die rekenaar werklik kan verstaan (masjientaal), word gewoonlik deur 'n rekenaarprogram gedoen wat 'n samesteller genoem word.

Programmeertaal

'n Programmeertaal is 'n notasiestelsel om die bronkode te skryf waaruit 'n rekenaarprogram voortgebring word. Programmeertale bied verskillende maniere om programme te spesifiseer wat rekenaars moet uitvoer. Anders as natuurlike tale is programmeertale ontwerp om geen dubbelsinnigheid toe te laat nie en om bondig te wees. Hulle is suiwer geskrewe tale en is dikwels moeilik om hardop te lees. Hulle word oor die algemeen óf deur 'n samesteller of 'n samesteltaalomsetter in masjienkode omgeskakel voordat hulle uitgevoer word, óf tydens uitvoering direk deur 'n vertolker omgeskakel; soms word programme deur 'n hibriede metode van die twee tegnieke uitgevoer.

Daar bestaan duisende programmeertale. Sommige is vir algemene programmering bedoel, ander is net vir hoogs gespesialiseerde toepassings nuttig. Onder die algemeen gebruikte samestellertale tel ARM, MIPS en x86; onder die algemeen gebruikte hoëvlaktale tel Ada, BASIC, C, C++, C#, COBOL, Fortran, Java, Lisp en Pascal; en onder die algemeen gebruikte skriftale tel JavaScript, Python, Ruby, PHP en Perl.

Programontwerp

Die ontwerp van klein programme is betreklik eenvoudig en behels die ontleding van die probleem, die insameling van invoere, die gebruik van die programmeerkonstruksies binne tale, die bedink of gebruik van gevestigde prosedures en algoritmes, en die verskaffing van data aan uitvoertoestelle. Namate probleme groter en meer kompleks word, kom eienskappe soos subprogramme, modules, formele dokumentasie en nuwe paradigmas soos objekgeoriënteerde programmering ter sprake. Groot programme wat duisende reëls kode en meer behels, verg formele sagtewaremetodologieë. Die taak om groot sagtewarestelsels te ontwikkel, bied 'n beduidende intellektuele uitdaging: om sagteware met 'n aanvaarbaar hoë betroubaarheid binne 'n voorspelbare tydskedule en begroting voort te bring, was histories moeilik, en die akademiese en professionele dissipline van sagteware-ingenieurswese konsentreer spesifiek op dié uitdaging.

Foute

Die werklike eerste rekenaargogga, 'n mot wat vasgevang is op 'n relê van die Harvard Mark II-rekenaar

Foute in rekenaarprogramme word "goggas" (Engels bugs) genoem. Hulle kan goedaardig wees en nie die nut van die program raak nie, of net subtiele uitwerkings hê. In sommige gevalle kan hulle egter veroorsaak dat die program of die hele stelsel "hang" en nie meer op invoer soos muisklikke of sleuteldrukke reageer nie, heeltemal misluk of ineenstort. Andersins goedaardige foute kan soms vir kwaadwillige doeleindes aangewend word deur 'n gewetenlose gebruiker wat 'n uitbuiting skryf – kode wat ontwerp is om 'n fout te misbruik en 'n rekenaar se behoorlike werking te ontwrig. Foute is gewoonlik nie die rekenaar se skuld nie: aangesien rekenaars bloot die instruksies uitvoer wat aan hulle gegee word, is foute byna altyd die gevolg van 'n programmeerderfout of 'n oorsig in die program se ontwerp. Admiraal Grace Hopper, 'n Amerikaanse rekenaarwetenskaplike en ontwikkelaar van die eerste samesteller, word krediet gegee dat sy die term bugs die eerste keer in die rekenaarwese gebruik het nadat 'n dooie mot in September 1947 gevind is waar dit 'n relê in die Harvard Mark II-rekenaar kortgesluit het.

Netwerke en die internet

Die hoofartikel vir hierdie afdeling is: Rekenaarnetwerk.

Rekenaars word sedert die 1950's gebruik om inligting tussen verskeie fisiese plekke te koördineer. Die Amerikaanse weermag se SAGE-stelsel was die eerste grootskaalse voorbeeld van so 'n stelsel, wat tot 'n aantal spesialedoel-kommersiële stelsels soos Sabre gelei het.

In die 1970's het rekenaaringenieurs by navorsingsinstellings oor die hele Verenigde State hulle rekenaars met behulp van telekommunikasietegnologie begin verbind. Die poging is deur ARPA (nou DARPA) befonds, en die rekenaarnetwerk wat daaruit ontstaan het, is die ARPANET genoem. Die vermoë om lyste instruksies – programme – te stoor en uit te voer, maak rekenaars uiters veelsydig en onderskei hulle van rekenmasjiene. Die Church–Turing-tese is 'n wiskundige stelling van dié veelsydigheid: enige rekenaar met 'n minimumvermoë (dit wil sê wat Turing-volledig is) is in beginsel in staat om dieselfde take uit te voer as wat enige ander rekenaar kan uitvoer. Enige soort rekenaar – 'n netboek, 'n superrekenaar, 'n sellulêre outomaat – kan dus dieselfde rekentake uitvoer, gegewe genoeg tyd en stoorvermoë.

Kunsmatige intelligensie

In die 20ste eeu was stelsels van kunsmatige intelligensie oorwegend simbolies: hulle het kode uitgevoer wat uitdruklik deur sagteware-ontwikkelaars geprogrammeer is. Masjienleermodelle het daarteenoor 'n stel parameters wat gedurende die afrigting aangepas word, sodat die model leer om 'n taak op grond van die verskafte data uit te voer. Die doeltreffendheid van masjienleer – en veral van neurale netwerke – het vinnig verbeter met vooruitgang in hardeware vir parallelle berekening, hoofsaaklik grafikaverwerkers. Sommige groot taalmodelle kan rekenaars of robotte beheer. Vooruitgang in kunsmatige intelligensie kan tot die skepping van algemene kunsmatige intelligensie lei, 'n soort kunsmatige intelligensie wat feitlik enige intellektuele taak minstens so goed as die mens sou kon verrig.

Beroepe en organisasies

Namate die gebruik van rekenaars deur die samelewing versprei het, is daar 'n toenemende aantal loopbane wat met rekenaars te doen het. Beroepe wat met die hardeware verband hou, sluit elektriese ingenieurswese, elektroniese ingenieurswese, rekenaaringenieurswese, telekommunikasie-ingenieurswese, optiese ingenieurswese en nano-ingenieurswese in; dié wat met die sagteware verband hou, sluit rekenaarwetenskap, rekenaaringenieurswese, tafelblaadpublisering, mens-rekenaar-interaksie, inligtingstegnologie, inligtingstelsels, berekeningswetenskap, sagteware-ingenieurswese, die videospeletjiebedryf en webontwerp in.

Die behoefte dat rekenaars goed saam moet werk en inligting moet kan uitruil, het die behoefte aan baie standaardorganisasies, klubs en verenigings van sowel formele as informele aard laat ontstaan. Onder die standaardgroepe tel ANSI, die IEC, die IEEE, die IETF, die ISO en die W3C; onder die professionele verenigings tel die ACM, die AIS, die IET, die IFIP en die BCS; en onder die groepe vir vrye en oopbronsagteware tel die Free Software Foundation, die Mozilla-stigting en die Apache Software Foundation.

Die moderne rekenaar

'n Rekenaarstelsel bestaan tipies uit die volgende komponente:

• Rekenaarkas
• Kragpak
• Moederbord
• SVE's
• Geheue
• Hardeskyf
• Magnetiese skyfaandrywer**
• Optiese aandrywer (CD/DVD aandrywer, intern of ekstern)
• Sleutelbord
• Skermkaarte* met 'n skerm
• Klankkaart* en luidsprekers
• Modem
• Netwerkkaart*
• Rugsteunbattery

- Items met 'n * aangedui mag ook al op die Moederbord geïntegreer wees.
- Items met 'n ** aangedui het by huidige moderne rekenaars oorwegend in onbruik verval.

Bronnelys

• Copeland, Jack (2006). Colossus: The Secrets of Bletchley Park's Codebreaking Computers (in Engels). Oxford: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-284055-4.
• Evans, Claire L. (2018). Broad Band: The Untold Story of the Women Who Made the Internet (in Engels). New York: Portfolio/Penguin. ISBN 978-0-7352-1175-9.
• Lavington, Simon (1998). A History of Manchester Computers (in Engels) (2de uitg.). Swindon: The British Computer Society. ISBN 978-0-902505-01-8.
• Light, Jennifer S. (1999). "When Computers Were Women". Technology and Culture (in Engels). 40 (3): 455–483. doi:10.1353/tech.1999.0128.
• Randell, Brian (1982). "From Analytical Engine to Electronic Digital Computer: The Contributions of Ludgate, Torres, and Bush" (PDF) (in Engels). Besoek op 24 Augustus 2026.
• Smith, Erika E. (2013). "Recognizing a Collective Inheritance through the History of Women in Computing". CLCWeb: Comparative Literature and Culture (in Engels). 15 (1): 1–9. doi:10.7771/1481-4374.1972.

Eksterne skakels

Wiki-webtuistes

---

• Wikimedia Commons het meer media in die kategorie Rekenaar.

Geskiedenis

---

• CHM Computer History Museum, Mountain View, CA: Timeline of Computer History