all'Abaco al Personal Computer, una Crescita Espon

ITIS “Othoca” Oristano

Alessandro Muntoni

5^H Informatica “Abacus”

Anno scolastico 2008/2009

Dall'abaco al Personal Computer: una crescita esponenziale 1

Indice

Pagina Argomento Pagina Argomento

4 Introduzione 26 L'EDVAC

5 Capitoli 27 Il Whirlwind

5 Prima dell'Abaco 27 UNIVAC

5 L'Abaco 28 Il LEO

6 La Macchina di Anticitera 28 Il SAGE

6 I Bastoncini di Nepero 29 L'IBM 650

7 La Pascaline 30 2° Generazione di Computer: il Transistor

8 Il Regolo Calcolatore 30 L'IBM 702

8 La macchina di Leibniz e il Sistema Binario

10 Il Telaio di Jacquard 31 La CEP

11 La Macchina Differenziale di Babbage

31 Il Circuito Integrato

13 L'Aritmometro 32 L'UNIVAC LARC

13 La Macchina Analitica di Babbage 33 Il PDP-1

14 George Boole e l'algebra Booleana 33 Il PDP-8

15 Hollerith e la nascita dell'IBM 34 L'Olivetti Programma 101

17 L'invenzione della Valvola Termoionica

34 L'invenzione del Mouse

18 Il Comptometer 35 La nascita del Floppy Disk

19 L'Analizzatore Differenziale di Bush

35 3° Generazione di Computer: i Circuiti Integrati

19 Il Memex 35 La nascita di UNIX

20 La Macchina di Turing 35 ARPANET

21 Lo Z1 35 Intel 4004

21 L'Atanasoff Berry Computer 36 Intel 8008

22 Lo Z3 36 Lo Xerox Alto

23 Il Mark I 38 Intel 8080

23 1° Generazione di Computer: la Valvola

38 Il Motorola 6800

23 Il Colossus 38 4° Generazione di Computer: i Microprocessori

24 ENIAC, il primo Calcolatore Elettronico

38 MITIS Altair 8800

25 L'invenzione del Transistor 39 Zilog Z80 2

Pagina Argomento Pagina Argomento

40 Il Primo Personal Computer: l'Apple II

65 Intel Pentium II

41 Il Tandy Radio Shack TRS-80 65 AMD K6

41 Il Commodore PET 66 AMD K6 2

42 Intel 8086 66 Windows 98

43 Gli Atari 400 e 800 67 AMD K6 3

44 Il Commodore VIC-20 67 Intel Pentium III

45 Il Sinclair ZX80 67 AMD Athlon

46 Il BBC Micro 68 Intel Pentium 4

47 Il Sinclair ZX81 69 AMD Athlon XP

47 Intel i286 70 Windows XP

48 Il Sinclair ZX Spectrum 70 Il Cray X1

49 Il Commodore 64 71 Intel Pentium M

50 Il Cray X-MP 71 AMD Athlon 64

51 L'Apple Macintosh 72 Linux Ubuntu

51 Il Motorola 68020 73 Cray XD1

52 Il Commodore Amiga 1000 73 Intel Pentium D

53 Intel i386 74 AMD Athlon 64X2

53 L'Atari ST 74 Windows Vista

54 Microsoft Windows 1.0 76 Conclusioni

55 Motorola 68030 77 Bibliografia

55 Il Cray Y-MP 78 Sitografia

56 Intel i486

56 Microsoft Windows 3.0

56 Motorola 68040

57 AMD AM 386

58 Il World Wide Web

59 Il Cray C90

59 Linux

60 AMD AM 486

60 Intel Pentium

61 Netscape

61 Windows 95

63 Java

64 IBM Deep Blue 3

Introduzione

La scelta dell'argomento trattato in questa tesi non è stata facile. Inizialmente ero molto indeciso. La storia dei computer è sempre stato l'argomento di tesi che pensavo di sviluppare, ma non mi convinceva. Forse perché troppo comune, troppo scontato per il corso di studi che sto frequentando. Cercavo qualche argomento più particolare, ma non mi veniva in mente niente. Ho passato tanto tempo a pensare quale sarebbe stato l'argomento ideale per una tesi interessante.

Avevo pensato di parlare dei sintetizzatori, vista la mia passione per la musica, e spiegare magari come un sintetizzatore creava suoni grazie alla somma di segnali sinusoidali. Ma non mi convinceva. E allora avevo deciso di parlare della storia dei computer, non trovando nient'altro che mi convincesse.

Poi però ho pensato di fare una cosa molto più particolare. Ricordo ancora quando mi dissero che i primi computer erano grandissimi, occupavano intere stanze, e la loro potenza di calcolo non superava quella di una moderna calcolatrice tascabile. I primi computer, quindi, erano fatti apposta per eseguire calcoli matematici.

Questo fatto mi fece venire l'idea di non parlare della storia dei computer, ma della storia dei calcolatori. Non partendo dall'ENIAC, il primo computer della storia, ma dall'abaco, il primo calcolatore della storia. L'idea mi piacque parecchio, anche perché il corso di studi che sto frequentando si intitola “Abacus”, termine latino che significa abaco.

Poi ho scelto il titolo: “Dall'Abaco al Personal Computer: Una Crescita Esponenziale”. È ovvio che è stata una crescita esponenziale. Il grafico di un esponenziale è il seguente:

Se consideriamo l'asse delle ascisse come il tempo (partendo quindi dal 2000 a. C.) e l'asse delle ordinate come l'evoluzione tecnologica dei calcolatori, il grafico rispecchia perfettamente la storia dei calcolatori. Infatti, dal 2000 a.C. fino ai primi anni al 1600 l'evoluzione è stata praticamente 0. tra il 1600 e il 1900 è avanzata, ma non tantissimo come invece succederà dopo il 1900. Tutta la tecnologia che utilizziamo oggi, come i computer, è nata dopo il 1900.

Ho deciso di scrivere la tesi in modo molto approfondito, descrivendo al meglio tutti gli argomenti di cui ho parlato. Alessandro Muntoni

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Capitoli

1. Prima dell'Abaco

Il primo strumento usato dall'uomo per contare è stata senza dubbio la mano. Grazie alle mani gli egiziani riuscirono a rappresentare tutti i numeri sino a 9.999 ed erano in grado di eseguire addizioni, sottrazioni, moltiplicazioni e anche calcoli più complessi.

Il termine inglese “digit” (cifra), oggi tanto usato, deriva proprio dalla parola latina digitus (dito). Ma, prima di arrivare a questa conquista, c'è voluto molto tempo. L'uomo che viveva diecimila anni fa, sapeva contare solo fino a due. Ancora oggi, presso i popoli primitivi, il sistema di numerazione parlato o mimico è il più diffuso. Spesso addirittura la parola che significa “due” deriva da quella che significa “braccia”; la parola “cinque” da quella che significa “mano”; la parola “venti” da quella che significa “uomo intero”, e così via.

Quando l'uomo primitivo cominciò a indicare il totale degli animali abbattuti durante la caccia per mezzo di un insieme di “tacche”, aveva praticamente imparato a fare piccole somme. Quantità di oggetti oltre la cinquantina generalmente venivano stimate a occhio, con buona approssimazione.

Quando l'uomo cominciò a praticare l'agricoltura, si trovò nella necessità di segnare i confini dei campi e di misurarli. Al principio la lunghezza di un lato del campo veniva misurata col piede. Per ovviare al problema della diversa lunghezza dei piedi, egli si mise alla ricerca di un'unità di misura fissa e la trovò in una serie di nodi su una fune, posti alla medesima distanza l'uno dall'altro.

Circa 4.000 anni fa gli egizi utilizzavano ancora le funi coi nodi per misurare gli edifici. Essi, per esempio, sapevano che se, con una di queste funi divisa in 12 segmenti uguali, si delineava un triangolo, i cui lati misurassero 3, 4 e 5 unità di misura (distanza tra un nodo e l'altro), i due lati minori definivano un angolo retto.

2. L'Abaco (2000 a. C.)

Nell'antichità solitamente i calcoli venivano fatti con bastoncini, pietruzze, aste con tacche, cordicelle con nodi, eccetera. Pochissimo conosciuti sono sempre stati i numeri frazionari: non arrivavano mai oltre 1/2. I Sumeri, che vivevano in Babilonia, furono i primi a creare un modo di scrivere i numeri in cui il valore della cifra era determinato anche dalla sua posizione. Ancora oggi questo metodo viene usato negli orologi, per contare il tempo. Tuttavia, mentre il nostro sistema di calcolo e misurazione è a base 10, per i Sumeri era a base 60 (di qui peraltro la nostra divisione delle ore in 60 minuti e dei minuti in 60 secondi).

L'evoluzione dei calcolatori inizia nel 2000 a. C. con l'abaco, che rimarrà per più di 3.000 anni il più importante strumento per fare calcoli matematici.

L'abaco era formato da diverse scanalature parallele che indicavano le unità, le decine, le centinaia, eccetera. Nelle scanalature erano presenti dei pallini, che indicavano il numero di unità, decine e centinaia, che permettevano quindi di rappresentare il numero. Oltre che per eseguire addizioni e sottrazioni, l'abaco veniva usato anche per eseguire moltiplicazioni e divisioni, vedendole come somme e differenze ripetute. 5

La parola deriva dal latino “abacus”, che proviene dall'ebraico ābāq. Fu inventato in Cina intorno al 2.000 a. C., ed ereditato poi dai Greci e dai Romani. Nel medioevo si diffuse una versione dell'abaco che conteneva, oltre alle scanalature normali, anche una scanalatura per le potenze di 10.

In Europa questo strumento cessò di essere utilizzato intorno al XVII secolo, mentre in molti paesi orientali, come la Corea e il Giappone, fu utilizzato fino alla metà del XX secolo. Oggi l'abaco viene usato come gioco e come strumento per imparare a contare per i bambini delle scuole materne ed elementari.

3. La Macchina di Anticitera (87 a. C.)

Il più antico calcolatore a ingranaggi lo conosciamo col nome di Macchina di Anticitera, ed è dell'87 a. C. Anticitera era una piccola isola presso Creta; la macchina fu trovata tra i resti di una nave affondata. Probabilmente fu realizzato tra il 150 e il 100 a. C. nell'isola di Rodi.

Alla sua progettazione partecipò probabilmente Ipparco, uno dei maggiori astronomi dell'epoca. Meccanismi simili appaiono di nuovo nella Bisanzio del V secolo e nell'islam medievale, ma bisogna dire che tutta la tecnologia del II secolo a. C. andò perduta e non venne trasmessa alle generazioni successive (per esempio la ruota dentata dovette essere inventata due volte). Il meccanismo misurava 18x15 cm. Prevedeva il moto della luna lungo lo zodiaco (tenendo conto dell'orbita ellittica del satellite), i movimenti del sole, le fasi lunari e le eclissi, sia solari che lunari. In tutto aveva 37 ingranaggi, tra ruote dentate, perni e lancette. Si trattava di un complesso planetario, mosso da vari ingranaggi a ruote dentate, che serviva per calcolare il sorgere del sole, le fasi lunari, i movimenti dei cinque pianeti allora conosciuti, gli equinozi, i mesi e i giorni della settimana. La funzione di alcuni quadranti non è stata ancora ben chiarita.

Per farlo funzionare bastava girare una piccola manovella. Con pochissime modifiche avrebbe potuto funzionare come un calcolatore matematico. Infatti, la sua logica di funzionamento, che era di molto superiore a quella degli orologi automatici ad acqua di quel tempo, sarà la stessa dei calcolatori meccanici che verranno costruiti prima di quelli elettronici.

Dal punto di vista tecnologico, sono due le caratteristiche salienti del meccanismo. La prima è la complessità degli ingranaggi, che producono il rapporto desiderato, con l'impiego di una ventina di ruote dentate. La seconda caratteristica è la più notevole ed è la presenza di un differenziale, cioè di un meccanismo che permette di ottenere una rotazione di velocità pari alla somma o alla differenza di due rotazioni date. La funzione del differenziale era quella di mostrare, oltre ai mesi lunari siderali, le lunazioni, ottenute sottraendo il moto solare al moto lunare siderale.

4. I Bastoncini di Nepero (1614)

Nel 1617, un matematico scozzese di nome John Napier, pubblicò un articolo dove descriveva l'uso di bastoncini d'avorio contrassegnati.

Nepero è il nome, in italiano, di questo famosissimo teologo inglese (1550 - 1617) inventore dei logaritmi. Essi permettono di eseguire moltiplicazioni e divisioni semplicemente come somme o differenze, e radici con semplici rapporti. Il logaritmo in base b del numero a è l'esponente da attribuire alla base b per ottenere una potenza con risultato il numero a:

n

  =a

log ba=n b 6

Come detto prima, alcune delle proprietà più importanti dei logaritmi sono queste:

 a

log am⋅n=loga mlog n

m

 =log a n

log a a m−log

n

Nepero, creando delle tavole logaritmiche, permise di fare moltiplicazioni e divisioni eseguendo semplicemente addizioni e sottrazioni tra logaritmi, semplificando lunghi calcoli che a quei tempi erano molto scomodi da eseguire a mano.

A Nepero si attribuiscono anche i famosi bastoncini detti: “Ossi di Nepero” con cui si possono eseguire le moltiplicazioni come somme di numeri. Essi furono utilizzati per circa un secolo.

Per capirne bene il funzionamento, si può osservare l'esempio a lato. Nell'esempio si esegue la moltiplicazione 8 · 36. Il funzionamento e la logica è abbastanza semplice e al tempo stesso geniale.

5. La Pascaline (1640)

Nel XVII secolo, quando il complesso di regole per il calcolo cominciò ad avere una certa completezza, prese il corpo l'idea della calcolatrice meccanica.

Si deve a Blaise Pascal, matematico, filosofo e scienziato francese, l'invenzione e la costruzione della prima macchina calcolatrice funzionante ad ingranaggi. La macchina di Pascal, presto denominata “pascaline” era in grado di eseguire le quattro operazioni attraverso la rotazione di ingranaggi e, cosa innovativa, di tenere conto dei riporti e dei prestiti. Le moltiplicazioni erano delle addizioni ripetute. Le sottrazioni venivano eseguite come complemento al 10 (principio che fu utilizzato anche da molte calcolatrici meccaniche fino a pochi anni fa). 7

Per capirlo facciamo un esempio: eseguiamo la sottrazione 5-3. Poiché il complemento di 3 è 7 (10-3=7) possiamo sommare 7+3=12, che senza riporto da 2. Quindi si può dire che 5-3=5+7-10, quindi 5-3=5+(-3). Si può, perciò, anche affermare che la pascaline faceva le sottrazioni come somma di numeri negativi utilizzando il metodo del complemento a dieci del sottraendo.

Naturalmente l'operatore non doveva calcolare il complemento e poi eseguire una addizione, ma era la macchina stessa, attraverso il procedimento per la sottrazione, ad eseguire questo calcolo.

Lo scopo per cui progettò questa calcolatrice fu quello di aiutare il padre nel calcolo della riscossione delle tasse. Pensò che la macchina potesse essere utile anche ad altri, la fece brevettare e ne costruì anche un certo numero di esemplari (circa 50).

6. Il Regolo Calcolatore (1650)

Nel 1650 fu inventato uno strumento con un funzionamento per certi versi semplice ma geniale, il Regolo Calcolatore. Fu inventato dal matematico inglese Edmond Gunter. Serviva ad eseguire moltiplicazioni e divisioni (ma anche quadrati, radici e tante altre operazioni) attraverso la somma o la differenza su scale logaritmiche. Ebbe una diffusione vastissima e fu usato da tecnici e ingegneri fino a quando non comparvero le calcolatrici tascabili (anni '60 circa), che ne decretarono la fine.

È composto da tre parti:

un corpo su cui si trovano delle scale fisse, un'asta scorrevole con delle scale mobili, alcune davanti, altre dietro, e un cursore con una o più linee di riferimento. Ce n'erano di diversi tipi e con diverse scale, in base al diverso utilizzo che se ne doveva fare. Fu utilizzato durante i primi viaggi spaziali dagli astronauti per eseguire i calcoli durante la missione, in quanto ancora non esistevano le calcolatrici.

Per capirne il funzionamento possiamo osservare i seguenti grafici che spiegano come venne usato per eseguire addizioni e sottrazioni.

7. La Macchina di Leibniz e il Sistema Binario (1674)

W. Leibniz nacque a Lipsia nel 1647. Si laureò, ventenne, in giurisprudenza a Norimberga. Si dedicò alle scienze e alla filosofia, frequentò le maggiori sedi universitarie europee e fu direttore dell'Accademia Prussiana delle Scienze. Il sistema binario da lui inventato è il sistema che viene usato tuttora dai computer. Non solo inventò il sistema binario, ma ne descrisse compiutamente le regole aritmetiche. 8

Il sistema numerico binario è un sistema numerico posizionale in base 2, cioè che utilizza 2 simboli, tipicamente 0 e 1, invece dei 10 del sistema numerico decimale tradizionale. Di conseguenza, la cifra in posizione N (da destra) si considera moltiplicata per 2^N (anziché per 10^N come avverrebbe nella numerazione decimale). Quindi se dobbiamo trasformare un numero da base 2 a base 10 dobbiamo moltiplicare la cifra binaria per 2 elevato la posizione N, e sommare tutti i risultati. Esempio:

→1*(2^0)+0*(2^1)+0*(2^2)+0*(2^3)+1*(2^4)+1*(2^5)+0*(2^6)+1*(2^7)=177

10110001₂

Se invece dobbiamo trasformare un numero da decimale a binario si usa il metodo delle divisioni ripetute per 2, si calcolano i resti e infine si mettono in ordine dall'ultimo resto calcolato al primo.

Esempio:

26₁₀ → 26/2=13 (R:0): 2 = 6 (R 1) : 2 = 3 (R 0) : 2 = 1 (R 1) : 2 = 0 (R 1)=11010

Ma perché proprio il binario? È inizialmente difficile lavorare coi numeri in base due, se si è abituati a lavorare in base 10. Ma da questa affermazione può nascere una nuova domanda: perché proprio la base 10? La risposta è semplice: è una convenzione dovuta al fatto che noi abbiamo 10 dita. Se i primitivi avessero contato, oltre che con le dita delle mani, anche con le dita dei piedi, non ci sarebbe stato niente di strano se adesso avremmo a che fare con la base 20, e quindi con 20 cifre diverse, 20 simboli. E in sostanza non sarebbe cambiato niente, solo la base. Noi usiamo la base 10 semplicemente perché abbiamo l'esigenza di poter fare i calcoli con le dita, esattamente come fa un bambino quando sta imparando a contare. Eppure, anche senza rendercene conto, non usiamo solamente la base 10.