Bilgisayar Nedir? Donanım ve Yazılım

Bilgisayarların Gelişimi ve Tarihsel Süreci

En basit tanımıyla bilgisayar, aritmetiksel ve mantıksal işlemler yapabilen, programlanabilir bir elektronik cihazdır. Art arda ya da eş zamanlı olarak pek çok işlemi hızlı biçimde gerçekleştirebilen bu cihazlar, insan hayatını dönüştüren en önemli teknolojik buluşlar arasında yer almaktadır. Başlangıçta yalnızca hesaplama işlemlerini hızlandırmak amacıyla geliştirilen bilgisayarlar, internet teknolojilerinin yaygınlaşmasıyla birlikte bilginin üretildiği, paylaşıldığı ve dağıtıldığı kapsamlı bir platforma dönüşmüştür.

Bilgisayarların gelişim çizgisi, basit bir hesap aracı olan abaküsten günümüz tablet bilgisayarlarına uzanan köklü bir teknolojik dönüşümü yansıtmaktadır. Tarihteki ilk bilgisayar, 1946 yılında Amerika Birleşik Devletleri'nde kamuoyuna tanıtılan ENIAC'tır. Modern bilgisayarların tarihi beş ana nesil çerçevesinde ele alınır:

Birinci nesil (1940–1956): Vakum tüplerinin kullanıldığı bu dönemde ENIAC, en önemli temsilci olarak öne çıkar. İkinci Dünya Savaşı sırasında geliştirilen ENIAC, yaklaşık 30 ton ağırlığında, 18.000 vakum tüpü kullanan ve 167 metrekare yer kaplayan devasa bir makinedir. Eşitlikleri karşılaştırabilmesi, dört işlem yapabilmesi ve kare kök hesaplayabilmesi nedeniyle ilk bilgisayar olarak kabul görmüştür. Veri girişi delikli kartlar ve kağıt şeritler aracılığıyla yapılmış; sonuçlar yazılı çıktı olarak alınmıştır. Bu dönemin en belirgin sorunları makinelerin aşırı büyüklüğü, yüksek elektrik tüketimi ve üretilen ısı miktarıdır.

İkinci nesil (1956–1963): 1947 yılında Bell Laboratuvarları'nda John Bardeen, Walter Brattain ve William Shockley tarafından icat edilen transistörün bilgisayar teknolojisine uyarlanmasıyla bu nesil başlamıştır. Transistörü geliştiren bilim insanları 1956 yılında Nobel Fizik Ödülü'ne layık görülmüştür. Vakum tüplerine kıyasla çok daha küçük, ekonomik ve güvenilir olan transistörler, bilgisayarların fiziksel boyutunu küçülterek elektrik tüketimini önemli ölçüde azaltmıştır. IBM, Honeywell ve Control Data gibi firmalar bu nesle ait bilgisayarlar üretmiştir. Aynı dönemde makine dilinden çevirici dile geçilmiş, COBOL ve FORTRAN programlama dillerinin ilk sürümleri hazırlanmış; bilgisayar programcısı, sistem uzmanı ve program analisti gibi meslekler ortaya çıkarak yazılım endüstrisinin temelleri atılmıştır.

Üçüncü nesil (1964–1971): 1958 yılında Jack Kilby tarafından geliştirilen tümleşik devrenin kullanıma girmesiyle bu nesil başlamıştır. Yarı iletken silikon malzemeden üretilen tümleşik devreler, tek bir yüzey üzerine binlerce transistörün yerleştirilmesine olanak tanımış; böylece bilgisayarlar hem küçülmüş hem de ucuzlamıştır. IBM 360, IBM 370 ve PDP serileri bu neslin başlıca örnekleridir. Söz konusu dönemde işletim sistemi mimarisi oluşturulmuş, birden fazla programın aynı anda çalışması sağlanmış, veri girişinde delikli kartların yerini klavye almış ve monitörler yaygınlaşmıştır.

Dördüncü nesil (1971–günümüz): Amerikalı bilim insanı Ted Hoff'un 1971 yılında ürettiği, yaklaşık 2.300 transistör barındıran Intel 4004 işlemcisiyle birlikte mikroişlemci çağı başlamıştır. Bu gelişme daha hızlı, daha küçük ve daha ucuz bilgisayarların yapılmasına zemin hazırlamıştır. İlk kişisel bilgisayar 1981 yılında IBM tarafından piyasaya sürülmüş, bunu Apple'ın Macintosh ürünü izlemiş ve iki firma arasında büyük bir rekabet doğmuştur. Kullanıcı grafik ara yüzleri, avuç içi cihazlar ve fareler geliştirilmiş; yerel ağların birbirine bağlanmasıyla internet kavramı ortaya çıkmıştır. Intel'in kurucularından Gordon Moore, 1965 yılındaki makalesinde transistör sayısının her iki yılda bir iki katına çıkacağını öngörmüş; bu öngörü bilişim dünyasında Moore Yasası olarak adlandırılmaktadır.

Beşinci nesil (günümüz–yakın gelecek): Yapay zekâ teknolojileriyle donatılan bu nesil bilgisayarlar, ses tanıma yöntemlerini kullanarak komutları algılayabilmekte ve gerekli yanıtları verebilmektedir. İnsan zekâsına yakın makineler geliştirmeyi hedefleyen çalışmalar sürmektedir.

Bilgisayar Mimarisi ve Von Neumann Modeli

Bilgisayarın temel işlevsel yapısına ve tasarımına bilgisayar mimarisi adı verilir. Farklı kullanım alanları için farklı tasarımlar geliştirilmiş olsa da modern bilgisayarların tamamı ortak bir mimari yapıyı esas alır. Bu yapı, Amerikalı bilim insanı John von Neumann tarafından 1945 yılında ortaya konulan Von Neumann Modelidir.

İşlemci ile belleğin birbirinden ayrıldığı bu modelde üç temel bileşen tanımlanmıştır:

• Girdi/Çıktı Birimleri: Kullanıcı ile bilgisayar arasındaki iletişimi sağlayan birimlerdir. Kullanıcı komutlarının sisteme iletilmesi ve işlem sonuçlarının kullanıcıya sunulması bu birimlerce gerçekleştirilir.
• Merkezi İşlem Birimi: Verilerin işlenmesinden ve programların çalıştırılmasından sorumlu bileşendir.
• Bellek: Bilgisayar tarafından işlenecek verilerin, programların ve komutların saklandığı veri deposudur.

Bileşenler arasındaki iletişim elektronik sinyaller aracılığıyla sağlanır; bu sinyaller veri yolu adı verilen kablo sistemiyle taşınır. Von Neumann Modelini kullanan ilk bilgisayar, John von Neumann ve ekibi tarafından Princeton Üniversitesi'nde geliştirilen IAS adlı makinedir.

Modelin önemli bir kısıtlaması da mevcuttur: İşlemci ile bellek arasındaki veri transfer hızı, bellek kapasitesine ve işlemci hızına kıyasla oldukça düşük kalmaktadır. Bu durumdan kaynaklanan gecikme Von Neumann Engeli olarak adlandırılır. Engelin etkisini azaltmak amacıyla ön bellek kullanımı, paralel işleme, çoklu işleme ve küme hâlinde işleme gibi yöntemler geliştirilmiştir.

Donanım Bileşenleri

Bilgisayarın fiziksel ve elektronik yapısını oluşturan bileşenlerin tümüne donanım adı verilir. İşletilebilir bir bilgisayar sistemi kurabilmek için bu parçaların belirli bir düzen içinde bir araya getirilmesi gerekir. Modern bilgisayarları oluşturan beş temel donanım bileşeni şöyle sıralanır:

Merkezi İşlem Birimi (CPU): Bilgisayarın beyni olarak tanımlanan bu birim, programların çalışmasını ve veri işlemlerinin yürütülmesini sağlar. Modern bilgisayarlarda merkezi işlem birimi olarak mikroişlemciler kullanılmaktadır. Mikroişlemcinin üç ana parçası vardır: Kontrol Birimi, Aritmetik ve Mantık Birimi ile Yazmaçlar.

Ana Bellek: Bilgisayarın çalışma anında kullandığı geçici depolama alanıdır. Yürütülen programın kendisi ve ilgili veriler ana bellekte tutulur. Rastgele erişimli bellek (RAM) olarak da bilinen bu bellekte işlemler kalıcı değildir; bilgisayar kapatıldığında veya elektrik kesildiğinde içerik silinir. Günümüz kişisel bilgisayarlarında ana bellek kapasitesi gigabyte (GB) cinsinden ölçülmektedir.

İkincil Depolama Aygıtları: Verinin uzun süre kalıcı biçimde saklanmasına olanak tanıyan bu aygıtlar, bilgisayar kapatıldığında dahi içeriği korur. Programlar ve önemli veriler ikincil depolama aygıtlarında tutulur; ihtiyaç halinde ana belleğe aktarılarak kullanılır. En yaygın türü sabit diskler olan bu aygıtların kapasitesi günümüzde terabyte (TB) düzeyine ulaşmıştır. Harici disk, CD, DVD, manyetik teyp ve USB bellek de sıkça kullanılan ikincil depolama araçları arasındadır.

Girdi Aygıtları: Kullanıcılardan veya farklı cihazlardan bilgisayara iletilen her türlü veri girdi olarak tanımlanır. Bu verilerin toplanması ve sisteme aktarılması girdi aygıtları tarafından gerçekleştirilir. Klavye, fare, mikrofon, dijital kamera, tarayıcı ve barkod okuyucu en yaygın girdi araçlarıdır.

Çıktı Aygıtları: Bilgisayarın kullanıcılar ya da diğer cihazlar için ürettiği verilerin belirli bir formata dönüştürülerek sunulması çıktı aygıtları aracılığıyla yapılır. Monitör, yazıcı, hoparlör, kulaklık ve projektör en sık kullanılan çıktı araçlarıdır.

Yazılım: Sistem Yazılımları ve Uygulama Yazılımları

Bilgisayar sistemini oluşturan donanım bileşenlerini yönetmek ve kullanıcı işlemlerini gerçekleştirmek için gerekli komutlar topluluğuna yazılım denir. Bir bilgisayarın açılışından kapanışına kadar gerçekleşen her işlem bir yazılım kontrolü altında yürütülür. Yazılımlar iki ana kategoride incelenir:

Sistem Yazılımları, bilgisayarın temel işlevlerini sürdürmesine ve donanımın yönetilmesine olanak tanır. Üç alt gruba ayrılır:

• İşletim Sistemleri: Bilgisayarda işlem yapılabilmesini, bağlı birimlerin kontrolünü ve programların kullanılabilmesini sağlayan yazılımlardır. Windows Vista, Windows 7, Mac OS X, Fedora ve Ubuntu günümüzdeki popüler işletim sistemleri arasında sayılabilir.
• Hizmet Programları: Bilgisayar sistemini desteklemek amacıyla kullanılan yazılımlardır. Dosya sıkıştırma, virüs tarama, virüs temizleme ve veri yedekleme gibi özel işlemleri yürütürler.
• Yazılım Geliştirme Araçları: Yazılım geliştirme, test etme ve güncelleme amaçlarıyla programcılar tarafından kullanılır. Derleyiciler, çeviriciler ve yorumlayıcılar başlıca yazılım geliştirme araçlarıdır.

Uygulama Yazılımları, bilgisayarları günlük yaşamın vazgeçilmez bir parçası haline getiren, kullanıcılara geniş bir işlem yelpazesi sunan yazılımlardır. Kelime işlemciler, resim düzenleme programları, web tarayıcıları, e-posta yöneticileri ve video oyunları bu kategorinin örnekleri arasında yer alır.

Programlama Dilleri ve Temel Özellikleri

Yazılımcıların belirli bir algoritmayı ifade etmek için kullandığı, yapılacak işlemi bilgisayara aktarmaya yarayan standart gösterimlere programlama dili denir. Programlama dillerinin temeli algoritmaya dayanır; bir algoritmanın adımları açık, düzenli ve sıralı biçimde tanımlanmalıdır. Bilgisayar programlama tarihinde yüzlerce dil geliştirilmiş ve kullanılmıştır. Günümüzde yaygın olarak kullanılan programlama dilleri arasında C, C++, Python, Java, PHP, JavaScript ve Ruby sayılabilir.

Bir programlama dilinin başarılı kabul edilebilmesi için yazılımda üç temel hedefi karşılaması beklenir:

Güvenilirlik: Kullanıcıların yazılıma güven duyması ve çalışma sırasında programdan kaynaklanan hatalarla karşılaşmaması öncelikli hedeftir. Bu hedefe ulaşmak için programlama dilinin okunabilir, tutarlı ve hata yakalamayı destekler nitelikte olması beklenir.

Sürdürülebilirlik: Zamanla büyüyen ve değişen sistemlerde yazılımın bakım ve güncelleme maliyetini düşük tutmak sürdürülebilirliğin temelini oluşturur. İyi okunabilirlik ve modüler yapı bu hedefe hizmet eder.

Verimlilik: Yazılımın işlemci ve bellek gibi sistem kaynaklarını verimli kullanması hedeflenir. Derleme ve çalışma zamanı optimizasyonları bu hedefi destekler.

Önemli Noktalar

• Bilgisayar, aritmetiksel ve mantıksal işlemler yapabilen programlanabilir bir elektronik cihazdır; modern bilgisayarların tarihi vakum tüpleri, transistörler, tümleşik devreler, mikroişlemciler ve yapay zekâ olmak üzere beş nesil çerçevesinde ele alınır.
• İlk modern bilgisayar ENIAC (1946), 30 ton ağırlığında ve 18.000 vakum tüplü dev bir makineydi; günümüz işlemcileri milyarlarca transistörü birkaç cm² yüzeye sığdırabilmektedir.
• Von Neumann Modeli, 1945'ten bu yana tüm modern bilgisayarların temelini oluşturur; girdi/çıktı birimleri, merkezi işlem birimi ve bellek olmak üzere üç ana bileşenden oluşur.
• Donanım, bilgisayarın fiziksel bileşenlerini (CPU, RAM, depolama, girdi/çıktı aygıtları) ifade eder; yazılım ise bu donanımı yöneten ve kullanıcı işlemlerini gerçekleştiren komutlar topluluğudur.
• Yazılımlar; sistem yazılımları (işletim sistemi, hizmet programları, geliştirme araçları) ve uygulama yazılımları olmak üzere iki ana kategoride incelenir.

Temel Kavramlar

Başvurulabilecek Kaynaklar

• Watt, D.A. (2004). Programming Language Design Concepts. New York: Wiley and Sons.
• Stallings, W. (2006). Computer Organization and Architecture. New Jersey: Prentice Hall.
• Matick, R.E. (1977). Computer Storage Systems and Technology. New York: Wiley.
• Wempen, F. (2015). Computing Fundamentals: Introduction to Computers. New York: Wiley.
• Petzold, C. (2000). Code: The Hidden Language of Computer Hardware and Software. Washington: Microsoft Press.
• Brookshear, J.G. (2011). Computer Science: An Overview. Addison-Wesley.