Bilgisayar Mühendisliğinin Temelleri. Yrd. Doç. Dr. Fatih KOCAMAZ

Transkript

1 Bilgisayar Mühendisliğinin Temelleri Yrd. Doç. Dr. Fatih KOCAMAZ 1

2 Bilgisayar Bilimi Tarihine Kısa bir Bakış Bilgisayar bilimi, genç bir bilim olarak bilinmesine rağmen, kökleri eski çağlara uzanan ve günümüzde kendisini hayatın her alanında yoğun bir şekilde hissettiren bir bilim dalıdır.

3 Bilgisayar Bilimi Tarihine Kısa bir Bakış İlk önce bilgisayar biliminin temellerinin nasıl oluştuğu, ilk çağlardan itibaren tarihsel gelişiminin nasıl gerçekleştiği hakkında bilgi vermeye çalışacağız.

4 BİLGİSAYAR NEDİR? Giriş birimleri ile dış dünyadan aldıkları veriler üzerinde aritmetiksel ve mantıksal işlemler yaparak işleyen ve bu işlenmiş bilgileri çıkış birimleri ile bize ileten, donanım (Hardware) ve yazılım (Software) dan oluşan elektronik bir makinedir. 4

5 BİLGİSAYARIN TARİHİ Bilgisayarlar, bir program temelinde işlemleri yerine getiren elektronik aygıtlardır. Bilgisayarın tarihi insanoğlunun aritmetik ve matematik alanındaki çalışmalara paralel olarak gelişmiştir. İnsanoğlunun kullandığı ilk hesaplama aracı olan abaküs, bilgisayarın (computer) atası sayılır. Daha sonra bu alanda yapılmış çok sayıda mekanik aygıt bilgisayarın bugünkü haline gelmesine neden olmuştur. 5

6 6

7 Antikythera Mekanizması bu araçlara diğer bir örnek olarak Yunanlıların M.Ö. 100'lü yıllarda yaptığı ve onlar tarafından gezegenlerin hareketlerinin incelenmesinde kullanıldığı varsayılan Antikythera Mekanizması verilebilir.

8 Antikythera Mekanizması Bilgisayarların atası Bu mekanizmanın işlevinin ne olduğu zamanın arkeologları tarafından anlaşılamamış, ancak daha sonra astronomik hesaplamalarda kullanıldığı anlaşılmıştır. Yapıldığı tarihten sonraki 1000 yıllık süre içinde bile en karmaşık makine olarak kabul edilen bu mekanizma aynı zamanda tarihin ilk analog bilgisayarı olarak görülmektedir.

9 Pingala ikilik sayma Ayrıca M.Ö. 300'lü yıllarda yaşayan Hintli matematikçi Pingala tarihte ilk kez ikili sayma sistemini öne sürmüş ve bu sistem ile alakalı yaptığı çalışmalar ile Mors alfabesine benzer bir ikili kod sistemi geliştirmiştir.

10 Doğu Ülkeleri İlk ve orta çağlarda ise pozitif bilimlerde altın çağını yaşayan Doğu ülkelerinde matematik alanında yapılan çalışmalar, bilgisayar biliminin temellerine önemli katkı sağlamıştır.

11 Brahmagupta Bunlara örnek olarak 7. yüzyılda Hintli matematikçi Brahmagupta ( ) 'nın Hint-Arap sayı sistemine getirdiği açıklamalar ve sıfırın onluk basamak olarak kullanması ile,

12 El-Harezmi 825 yılında İranlı matematikçi El- Harezmi ( )'nin yazdığı Hint Sayı Sisteminde Hesaplamalar Üzerine adlı kitap örnek olarak gösterilebilir. Matematiğin babası olarak bilinir. Algoritmayı matematiğe kazandırmıştır.

13 Blaise Pascal 1642 yılında Fransız matematikçi ve filozof Blaise Pascal ( ) ilk mekanik hesap makinesi Pascaline'i geliştirdi. Bu hesap makinesi sadece toplama ve çıkarma işlemleri yapabiliyordu.

14 14

15 Stepped Reckoner 1703 yılına gelindiğinde ise döneminin ünlü bilim adamı ve filozofu Alman Gottfried Wilhelm von Leibniz ( ) Stepped Reckoner matematiksel anlamda bir mantık sistemi geliştirdi, bu sistemde birler doğru değerleri, sıfırlar ise yanlış değerleri ifade etmektedir. Ayrıca bu sisteme dayanarak Pascal'ın icat ettiği hesap makinesine çarpma ve bölme işlemleri yapma yeteneğini kazandırarak Stepped Reckoner'i icat etmiştir.

16 George Boole Leibniz'den ancak bir asır sonra, bilgisayar biliminin temelini oluşturan doğruluk değerlerinin mantıksal olarak hesaplanmasını bulmak (Boolean Cebiri), İngiliz matematikçi George Boole( )'ın başarısı olacaktır.

17 George Boole George Boole ile Modern Mantık ortaya atıldıktan sonra, kurmuş olduğu cebir onun adıyla anılacak ve ona Boole Cebiri denilecektir. Bu cebirin kuruluşunun temeli iki değerli mantığa dayandığından, bu cebire ait sayı sistemi de iki tabanlı (binary) sayı sistemi olacaktır.

18 George Boole Bu konu giderek kuramsal halde incelenecek, içinden yeni konular üretecektir. Bunlar sonunda geliştirilerek, bir teknolojik sürecin matematiğini oluşturacaklardır. Bu da Lojik Devreler olarak adlandırılan mantık devrelerinin bilimsel yorumlarını sağlayacaktır.

19 George Boole Hatta bununla yetinmeyip ciddi hesap ortamı yaratacak ve pek çok işlemin matematik kavramlarla çözümlenmesini sağlamış olacaktır. Böylece Lojik Devrelerin Sentezi ne ulaşılacaktır.

20 George Boole Lisede matematik öğretmenliği yaparken Modern Mantığın kurucularından biri olan De MORGAN ve İrlanda'nın yetiştirdiği en ünlü matematikçilerden William Rowan HAMILTON arasındaki bir çekişmeyi The Mathematical Analysis Of Logic (Mantığın Matematiksel Çözümlemesi) adını verdiği kitabınıyla (tezini) De MORGAN ın haklılığını kanıtlar.

21 George Boole Bu eser ve George Boole kısa süre içinde ünlü olmuş ve hemen ertesi yıl Boole'e Üniversiteden teklif gelmiştir. Boole Cebiri' nin de kuruluşunu içeren An Investigation of the Laws of Thought on Which Are Founded the Mathematical Theories of Logic and Probabilites (Mantık ve Olasılıkların Matematiksel Kuramlarının Dayandığı Düşünce Yasaları Hakkında bir Araştırma) adını taşıyan eseriyle ilkinden daha da ünlü oluyor ve yepyeni bir mantığın ve cebirin müjdesini veriyordu.

22 George Boole O güne kadar düşünce ve tartışma ötesine geçemeyen Modern Mantık ya da Sembolik Mantık olarak adlandırılan bu mantık, artık bir tamlık içinde gerçek olarak kurulmuş oluyor ve bilimin hizmetine sunuluyordu. İşte bunun şerefi önce De Mogan'a sonra da ve esas olarak G.Boole'e nasip olmuştur. Boole, İki-değerli Aristoteles mantığını matematiksel temellere oturtan simgesel mantığı yaratmışttı.

23 Aristoteles mantığını Mantık biliminin kurucusu Aristoteles tir. Bu mantığa klasik mantık adı da verilir. Organon adlı altı kitapta mantık konularını incelemiştir. Altı kitap: 1)Kategoriler, 2)Önermeler, 3)Birinci analitikler, 4)İkinci analitikler, 5)Topikler, 6)Sofistik deliller.

24 Aristoteles mantığını Aristo mantığının 3 ilkesi vardır. 1- Özdeşlik ilkesi. Bir şey kendisine özdeştir. Başka bir şeye eşit ya da özdeş olamaz. 2- Çelişmezlik ilkesi. Bir şey ya siyahtır ya beyazdır. Ya açıktır, ya kapalıdır. 3- Üçüncü durumun olmazlığı ilkesi. Ara durum yoktur. 2. maddede sözü edilen ilkenin ortası yoktur. George Bush un ya bizdensiniz ya da teröristsiniz demesinin sebebi bu mantıktır. Ya gecedir ya gündüzdür. Alacakaranlık kuşağı yoktur.

25 Aristoteles mantığını Klasik mantık üç alana ayrılır: 1)Kavramlar mantığı, 2)Önermeler mantığı, 3)Çıkarımlar mantığı ( Tasım)

26 Charles Babbage Boole ile aynı dönemde İngiliz matematikçi, mühendis ve mucit Charles Babbage ( ) Pascal ve Leibniz'in makinelerini daha da geliştirerek ilk mekanik bilgisayar olarak da kabul edilen Fark Makinesi'ni tasarlamış, fakat bu tasarısını tam olarak hayata geçirememiştir.

27 27

28 Charles Babbage Fark makinesinin tasarımından sonra Babbage, bundan çok daha karmaşık olan Analitik makine'nin tasarımına başlamıştır. Öldüğü 1871 yılına kadar bu makinenin üzerinde çalışmıştır.

29 Charles Babbage İki makine arasındaki önemli farklardan birisi, Analitik makinenin, o zamana kadar henüz duyulmamış bir şey olan delikli kartları (punch card) kullanabilmesidir. Kullanıcıların programları önceden yapabilmesinin bir ihtiyaç olduğunu ve programları makineye iletebilmek için de uygun ortamın delikli kartlar olduğu düşüncesine varmıştır. Babbage, makineyi birden fazla işlevi ardışık olarak yapabilecek şekilde tasarlanmaya çalışmıştır.

30 30

31 31

32 Ada Lovelace Augusta Ada King, Lovelace Kontesi ( ), İngiliz matematikçi ve yazardır. Esas olarak Charles Babbage'in erken dönem mekanik genel amaçlı bilgisayarı Analitik Makina üzerindeki çalışmaları ile bilinir. Makina hakkındaki notları, bir makine tarafından işlenmek üzere yazılan ilk algoritmayı içerir. Bundan dolayı genel kanıya göre dünyanın ilk bilgisayar programcısı olduğu kabul edilir.

33 Ada Lovelace yılları arasında, İtalyan ordu mühendisi Luigi Menabrea nın makina üzerine makalesini kendi ayrıntılı notlarıyla destekleyerek çevirdi. Bu notlar birçok insanın bir makine tarafından yapılması tasarlanan ilk bilgisayar programı olarak düşündüğü algoritimayı içerir. Lovelace ın notları bilgisayar başlangıç tarihinde çok önemlidir.

34 34

35 35

36 Kurt Gödel 1931 yılında Avusturyalı matematikçi Kurt Gödel ( ) matematiksel işlemlere dayanan küresel bir biçimsel dil kuramı hakkında bir yazı yazmıştır, Gödel'in bu yazısından çıkan sonuçlar bilgisayar biliminin teorik temellerini oluşturur.

37 Kurt Gödel Eksiklik Teoremi Kurt Gödel'in 1931 yılında doktorasında verdiği "Principia Mathematica Gibi Dizgelerin Biçimsel Olarak Karar Verilemeyen Önermeleri Üzerine" başlıklı makalesinde sezgisel olarak matematikte belitlere (aksiyom) dayanan her sistemin tutarlı olması dahilinde eksik olması gerektiğini bildirir.

38 Kurt Gödel Eksiklik Teoremi Bu önermeyi biraz açacak olursak, tutarlı biçimsel bir dizge (sistem) kurallara ve belitlere dayanıyorsa bu dizge kesinlikle karar verilemeyen (ne doğru ne de yanlış olduğu kanıtlanabilen) önermeler içerecektir. Bu karar verilemeyen önermeler için en çok bilinen örnekler; (sayılar kuramında) Seçim Beliti, (geometride) Pararlellik Beliti, (mantıkta) Eubulides Paradoksu, vs...

39 Kurt Gödel Eksiklik Teoremic En çarpıcı ve yalın olanı Eublides Paradoksu'dur. "Bu önerme yanlıştır" önermesi karar verilemez bir önermedir. Önerme yanlış olduğu varsayılırsa doğru olduğunu ama doğru olduğu varsayılırsa yanlış olduğunu gösteriyor. Bu tür kendi hakkında konuşan önermelere "kendine-göndergeli önerme" terimi ilk Douglas R. Hofstadter 1989'da Türkiye'de Kabalcı yayınlarından çıkan "Gödel, Escher, Bach" kitabında kullanmıştır.

40 Kurt Gödel 1936 yılına gelindiğinde büyük bilgisayar bilimcisi Alan Mathison Turing, Gödel'in sonuçlarını yeniden formüle ederek hesaplanabilir sayılar (computable numbers) hakkında bir rapor hazırlamıştır. Ayrıca bu dönemde birçok bilim adamının matematik alanında yaptığı çalışmaların, gerçek anlamda bilgisayar biliminin doğmasına ve ilk dijital bilgisayarın oluşturulmasında çok önemli katkıları olmuştur.

41 Alan Mathison Turing Alan Mathison Turing İngiliz matematikçi, bilgis ayar bilimcisi ve kriptologdur. Bilgisayar biliminin kurucusu sayılır. Geliştirmiş oldugu Turing testi ile makinaların ve bilgisayarların düşünme yetisine sahip olup olamayacakları konusunda bir kriter öne sürmüştür.

42 Alan Mathison Turing 2. dünya savaşı sırasında Alman şifrelerinin kırılmasında çok önemli bir rol oynadığı için savaş kahramanı sayılmıştır. Ayrıca Manchester Üniversitesi'nde çalıştığı yıllarda, Turing makinesi denilen algoritma tanımı ile modern bilgisayarların kavramsal temelini atmıştır.

43 Alan Mathison Turing 1936 da Hesaplanabilir Sayılar: Karar Verme Probleminin bir Uygulaması adlı çok önemli bir makalesinde, Kurt Gödel'in 1931'de evrensel aritmetiktabanlı biçimsel diliyle hazırladığı hesaplama ve kanıtın sınırları ispat sonuçlarını yeniden formüle ederek, onun yerine şimdi Turing makineleri diye andığımız, daha basit ve formel usullere dayanan ispatı ortaya attı.

44 Alan Mathison Turing Eğer bir algoritma ile temsil edilmesi mümkün ise düşünülmesi mümkün olan her türlü matematiksel problemin böyle bir çesit makine kullanılarak çözülebileceğini ispat etmiş oldu.

45 Alan Mathison Turing Ayrıca bu dönemde birçok bilim adamının matematik alanında yaptığı çalışmaların, gerçek anlamda bilgisayar biliminin doğmasına ve ilk dijital bilgisayarın oluşturulmasında çok önemli katkıları olmuştur.

46 46

47 47

48 48

49 49

50 50

51 Claude Elwood Shannon Claude Elwood Shannon ( ), ABD'li matematikçi, elektronik mühendisi ve kriptograficidir. Bilgi kuramının babası olarak da bilinmektedir.

52 Claude Elwood Shannon 1932 yılında 16 yaşındayken Michigan Üniversitesi'ne başladı ve 1936'da elektronik mühendisi ve matematikçi olarak çift ana dal ile mezun oldu.

53 Claude Elwood Shannon 1937'de 21 yaşındayken Massachusetts Institute of Technology'de yüksek lisans tezi olarak yazdığı "Röle ve Anahtarlama Devrelerinin Sembolik Analizleri" adlı çalışmasında elektromanyetik rölelerin Boole cebiri kullanarak basitleştirebileceğini gösterdi.

54 Claude Elwood Shannon Bu sayede günümüzde kullanılan dijital bilgisayarların yapı taşı olan elektrik anahtarlarının kullanılmasının temelini attı. Makalesine Google Scholar'a göre yaklaşık 28000'de fazla kez atıfta bulunuldu. Ayrıca bu çalışması tüm zamanların en iyi tezi olarak da anılmaktadır. Bu tezinin yayınlanmasından sonra 1940'ta Alfred Noble Amerikan Enstitüsü Amerikan Mühendisleri Ödülü'nü aldı

55 Claude Elwood Shannon II. Dünya Savaşı yıllarında Bell LaboratVuarları'na katılan Shannon, yangınkontrol sistemleri ve kriptografi üzerine çalışmaya başladı. 1943'te İngiliz kriptanalist ve matematikçi Alan Turing ve Turing Makinesi ile tanıştı. Bunun üzerine Turing ile görüşüp çalışmaya başladı.

56 56

57 57

58 58

59 59

60 60

61 61

62 Öğr.Gör. Murat TUNA 62

63 63

64 64

65 BİLGİSAYAR DONANIM YAZILIM Girdi Birimleri Çıktı Birimleri Merkezi İşlem Birimi Bellek Birimleri İşletim Sistemi Uygulama Programları DİĞER DONANIM ELEMANLARI 65