Kalkulaator

Kalkulaator ehk taskuarvuti on väike elektrooniline arvutusvahend matemaatiliste tehete sooritamiseks. Iseseisva seadmena valmistatud arvutusriist on tuntud ka taskuarvutina. Samasuguste arvutusvõimalustega tarkvaralised kalkulaatorid on olemas ka arvutites ja nutitelefonides.

Kuna iga kalkulaator on veidi erinev teisest, siis on tavaliselt kalkulaatorit ostes kaasas ka juhend, kus näidatakse ära erinevate klahvide kasutamine ja nende funktsioonid. Samuti leiab kalkulaatori juhendeid veebist, sisestades mudeli otsingumootorisse.

Esimese elektroonilise kalkulaatori valmistas 1967. aastal ettevõte Texas Instruments. Esimene kalkulaator kaalus 1,5 kg, mistõttu sobis see vaid laual kasutamiseks. Kalkulaatori mikroprotsessoreid hakkas tootma Intel 1971. aastal. Tänu mikroprotsessori tootmisele hakati 1972. aastal müüma ka taskusse mahtuvaid kalkulaatoreid.

Teaduskalkulaator aastast 1976 (vaakumfluorestsentsnäidikuga)

Casio teaduskalkulaator

Liigid

• Lihtkalkulaator: põhitehted (+, −, ×, ÷), ruutjuur (√), arvu ruut (x²), protsendid (%), pöördväärtus (1/x).
• Teaduskalkulaator: lisaks nurgafunktsioonid, logaritmid, statistika- jm funktsioonid. Nurgaühikute tähised: GRAD – kraad (ingl DEG degree), RAD − radiaan.
• Programmeeritav kalkulaator: võimalik teha korduvalt arvutusi kasutaja sisestatava arvutiprogrammi järgi.
• Tarkvaraline kalkulaator: võimaldab teha numbrilisi, kui ka mittenumbrilisi arvutusi ning leida lahenduskäik kindlatele probleemidele.
• Graafiline kalkulaator: näitab funktsioone ka graafiliselt.

Lihtkalkulaatori klahvid

MC MR M- M+ C ± % √ 7 8 9 ÷ 4 5 6 × 1 2 3 − 0 . = +

AC või C All Clear tühjenda kõik *CE Clear (last) Entry kustuta viimane sisestis MC või CM Memory Clear tühjenda mälu MR või RM Memory Recall võta mälust M+ Memory Addition lisa mällu (liida uus arv salvestatud arvule) M- Memory Subtraction lahuta mälust (lahuta uus arv salvestatud arvust) ± muuda arvu märki . kümnendpunkt (meil vastavalt koma)

Tarkvaraline kalkulaator

Tarkvaraline kalkulaator

Kalkulaator on arvuti ja mobiiltelefoni operatsioonisüsteemiga kaasatulev rakendus. Samas avaneb võimalus füüsikaliste suuruste väärtusi eri mõõtühikutes väljendada.

Aritmeetikatehteid on võimalik alustada ka otse Google'i otsinguaknast, kasutades tavalisi tehtemärke (+, -, /, korrutusmärgina *). Nt kui kirjutada aknasse 9+9 ja vajutada Enter-klahvi, näeme allpool tulemust. Ühtlasi avaneb lihtne klaviatuur edasisteks arvutusteks.

Sisestusloogika

Olenevalt kalkulaatori liigist ja tootjast, toimub arvutamine erinevas järjekorras.

• Järjestikune arvutamine – tehe toimub kohe tehtemärgi ja arvu sisestamise järel:

3 × 8 + 2 = annab tulemuseks 26, kuid 2 + 8 × 3 = annab 30.

• Algebraline arvutamine – tehted toimuvad algebras kindlaksmääratud järjestuses:

Nii 3 × 8 + 2 = kui ka 2 + 8 × 3 = annavad ühesuguse tulemuse 26, sest algebralises avaldises tehakse korrutus- (ja jagamis-) tehe enne liitmis- (ja lahutamis-) tehet.

• Otsesisestusloogika – avaldise elemendid sisestatakse loomulikus järjestuses:

nt avaldis ${\frac {2+3\times 8}{{\sqrt {9}}-\sin 30^{\circ }}}$ kujul ( 2 + 3 × 8 ) / ( √ 9 – sin 30 ).

Disain

Korpus

Citizen SR-260N sensorplaat koos väärtustega

Enamik kalkulaatori korpusi on tehtud akrüülbutadieenstüreenist (ABS), mõned kallima hinnaklassi kalkulaatorid roostevabast terasest, messingust kui ka alumiiniumist.

Klahvistik

Kalkulaatorite klahvif on enamasti tehtud pehmest plastist või kummist. Väärtusteks numbrid, tähised ja erinevad funktsioonid. Mõningatel kalkulaatoritel on olemas lisaklahvid suurte arvude tekitamiseks nagu "00" ja ka erinevad konstandid nagu π.

Klahvide all on tavaliselt üks PCB-sensorplaat, mis tuvastab, millist klahvi parajasti vajutati. Tavaliselt on sensorplaadil ka märgitud, mis väärtus kindlal klahvil on.

Ekraan

Sisestusinfot kuvatakse LCD (ingl k liquid crystal display) ekraanil ehk vedelkristallekraanil, LED- (ingl light emitting diode) ekraanil ehk valgusdioodekraanil või VFD (ingl vacuum fluorescent display) ekraanil ehk vaakumfluorestsentsekraanil.

Mõningate murdarvutuste puhul võivad tekkida lõpmatud murrud, mistõttu ümardatakse lõpmatut murdu nõnda, et seda oleks võimalik kuvaril näidata.

Mälu

Citizen SR-281 (vasakul) ning Citizen SR-260N (paremal) lahtivõetuna

Kalkulaatoritel on võimalik salvestada sisestatud tehteid või arve enda mällu. Mõningatel spetsiifilistel kalkulaatoritel saab tekitada muutujaid ning nende teha võrrandeid, mida saab samuti salvestada kalkulaatori sisemällu.

Toiteallikas

Taskuarvutite peamisteks toiteallikateks on patareid, väikesed päikeseelemendid ning vanemate kalkulaatorite puhul ka võrgupingega. Kalkulaatorit saab sisse ja välja lülitada toitenupuga, pikema aja möödumisel lülitub kalkulaator automaatselt välja.

Riistvara

Lihtkalkulaatoritel on järgmised komponendid:

• Toiteallikas (nt patarei, päikeseelement, võrgupinge)
• Klahvistik (sisend seade) – koosneb mitmetest erinevatest klahvidest, milledel on kindel väärtus nagu näiteks numbrid, trigonomeetrilised käsud, tehete märgid, astendamis- ja juuremärgid.
• Ekraan – näitab kasutaja sisestatud numbreid, käske, vastuseid, konstante. LED kuvar kasutab töötamiseks 7-segmendilist süsteemi, mõned rohkem arenenud kalkulaatorid kasutavad ka dot matrix süsteemi sisestuste kuvamiseks.
• Protsessorikivi – elektrooniline komponent kalkulaatoris, kus käib kasutaja poolt sisestatud tehte arvutamine.

Komponent	Funktsioon
Skaneerimisseade/sisestusseade	Tuvastab ära klahvivajutused sisselülitatud kalkulaatorilt ning seejärel edastab klahvivajutusel elektrilise signaali kodeerimisüksusele
Kooder	Muudab numbrid, funktsioonid ümber kahendkoodi, et infot oleks lihtsam töödelda. Seejärel salvestatakse kahendkoodi arvutused X-ja Y-registritesse.
X-register ja Y-register	Need on kohad, kus hoitakse numbreid ajutiselt samal ajal, kui tehakse arvutusi. Kõigepealt liiguvad kõik numbrid läbi X-registri. X-registris olevad numbrid kuvatakse kuvaril.
Olekuregister	Koht, kus hoitakse erinevaid funktsioone, näiteks korrutamine, jagamine, liitmine, lahutamine
Püsimälu (ROM)	Sisse ehitatud funktsioonide jaoks nagu trigonomeetria, juured ja protsendid on vaja juhendeid, mis salvestatakse alalisse mällu. Neid juhendeid nimetatakse teisisõnu programmideks, mida ei saa kustudada.
Muutmälu (RAM)	Kasutaja mällu salvestatakse need numbrid, mida kasutaja ise sisestas. Sealne info võib olla ajutine ning muudetav kui ka kustutatav.
Aritmeetika-loogikaplokk (ALU)	Aritmeetika-loogika üksus lahendab lõpuks ära kasutaja poolt sisestatud tehte, mis on kodeeritud kahendkoodi ja väljastab vastuse samuti kahendkoodis dekodeerimis üksusesse.
Kahendkoodi dekooder	Siin muudetakse kahendkood ümber kümnendkoodiks nõnda, et seda saaks kuvada kuvaril.

Protsessori kiibi taktsagedus näitab millisel sagedusel see töötab. See tavaliselt viitab protsessori kiirusele, mida mõõdetakse ühikus takti sekundi kohta või siis hertsides (Hz). Lihtsamate kalkulaatorite puhul varieeruvad kiirused mõnesajast hertsist kuni kilohertsini.

Näide kalkulaatori tööst

Et sooritada arvutust 30 + 10, tuleks kalkulaatoril vajutada järgmisi klahve selles järjekorras: | 3 | | 0 | | + | | 1 | | 0 | | = |

• Kui on sisestatud | 3 | | 0 |, siis skaneerimis üksus salvestab need ning edastab arvu 30 kodeerimisüksusesse ning sealt edasi X-registrisse.
• Kui vajutatakse klahvi | + | , siis see samuti kodeeritakse kahendkoodi ning saadetakse oleku registrisse, kus leitakse juhend liitmise kohta.
• Teine arv 10 samuti kodeeritakse kahendkoodi ning saadetakse X-registrisse. Kuna arv 30 on juba sisestatud, siis see tõstetakse Y-registrisse ümber ning kalkulaatori kuvatakse ainult arvu 10.
• Nüüd arvud X- ja Y-registritest saadetakse aritmeetika-loogikaplokki, kus arvutatakse väärtus järgides juhendit, mille saab püsimälust, kuhu on salvestatud oleku registrist tulnud info.
• Vastuseks on arv 40, mis tõstetakse tagasi X-registrisse. Sealt edasi liigub see arv kahendkoodi dekoodrisse, kus siis kahendkoodis olev arv teisendatakse kümnendkoodi ning seejärel kuvatakse ekraanil.

Ajalugu

Mehaaniline kalkulaator

Pascali kalkulaator (ingl k Pascaline)

Mehaaniline kalkulaator on seade, millega saab teha lihtsaid aritmeetilisi tehteid automaatselt. Nende suurus on võrreldav mõne väiksema lauaarvutiga

Esimesed mehaanilised valmisid 17. sajandi esimesel poolel, renessansi ajal. Esimesena üritas leiutada mehaanilist kalkulaatorit Wilhelm Schickard, kuid oli edutu ning lõpetas projekti 1624. aastal.

1642. aastal otsustas Blaise Pascal lahendada probleemid Wilhelm Schickardi masina juures ning muuta see kalkulaator selliseks, et sellega oleks võimalik teha suurtes kogustes aritmeetilisi tehteid. Seetõttu hakati seda kalkulaatorit nimetama Pascali kalkulaatoriks.

Elektrooniline kalkulaator

Anita Mk 8 sisemuses olevad komponendid

1957. aastal leiutas arvutifirma Casio esimese täiselektrilise kalkulaatori Model 14-A, mis küll polnud elektrooniline, kuna see põhines relee-tehnoloogial.

Esimese täiselektroonilise lauakalkulaatori leiutas briti firma Bell Punch aastal 1961. Kalkulaatori nimeks sai ANITA (ingl k A New Inspiration To Arithmetic/Accounting). See masin kasutas dekatrone ja transistore arvutuste läbiviimiseks ning külmkatoodhuumlampe selleks, et kasutajale numbreid kuvada.

Esimese kaasaskantava kalkulaatori leiutas ettevõte Texas Instruments projekti "Cal-Tech" raames. Seda küll toideti võrgupingega, ent see oli piisavalt väike ja kerge, mistõttu oli seda mugav kaasas kanda.

Programmeeritav kalkulaator

Programmeeritavad kalkulaatorid loodi selleks, et oleks võimalik salvestada kasutaja poolt tekitatud arvutusprogramme ning neid siis kasutada kui vaja. Esimese programmeeritava kalkulaatori leiutas firma IBM aastal 1949. IBM hakkas enda kalkulaatorit kutsuma IBM CPC (ingl k Card-Programmed Electronic Calculator) ehk kaart-programmeeritavaks elektrooniliseks kalkulaatoriks. Kalkulaatori nimi tulenes sellest, et erinevad programmid tehti sellele masinale paberiga, kuhu tuli augud sisse teha, teisisõnu nimetatakse neid pabereid ka löökkaartideks. Auke lugedes sai masin täpsed juhised arvutamise jaoks.

Programmeerimiskeeles FORTRAN löökkaart

20. sajandi teises pooles tekkisid sellised programmeeritavad kalkulaatorid, mida sai programmeerida nii masina siseselt kui ka laadides personaalarvutist kalkulaatorisse. Seejuures hakati kasutama programmeerimiskeeli nagu baitkood, BASIC, RPL, assemblerkeel. Kalkulaatoritele sai veebist alla laadida personaalarvutisse vajalikud programmid või ise teha. Et programmid saada kalkulaatorisse võis tõsta need mälukaardile, mida sai kalkulaatorisse panna või ühendada arvuti ja kalkulaator spetsiaalse kaabliga või kasutada juhtmevaba infrapunaühendust.

Teaduslik kalkulaator

HP-35 sisemuses olev plaat koos komponentide ja ühendustega

Üks esimestest teaduskalkulaatoritest oli Hewlett-Packardi (HP) HP-9100A, mis leiutati 1968. aastal ning esimene taskuarvuti HP-35 leiutati samuti HP poolt aastal 1972. Nende kahe juures kasutati peamiselt varasemaid põhimõtteid programmeeritavatest kalkulaatoritest, mida HP ise oli ka tootnud. Teaduskalkulaatoritele lisandusid näiteks trigonomeetriliste arvutuste jaoks siinus, koosinus, tangens, samuti logaritm-, juur- ja astendamisarvutuste klahvid. Lisaks oli võimalik teisendada arve teistesse arvsüsteemidesse nagu kuueteistkümnendsüsteem, kahendsüsteem.

HP-35 kasutati LED-ekraani, mis suutis kuvada kümnekohalisi arve koos tema märgiga ning kahekohalist eksponent arvu koos märgiga. Kuvari juures kasutati multipleksimislahendust, kus siis kuvati ühte valgusdioodi segmenti selle asemel, et kuvada tervet arvu. HP-35 oli laetava akuga kalkulaator, mis tähendas seda, et kalkulaator sai töötada ka ainult võrgupinge pealt kui sellelt aku(d) seest ära võtta.

Kaasaegsematel kalkulaatoritel on võimalik leida erinevaid konstante, näidata graafikud, lahendada maatrikseid, determinante ning teha arvutusi muutujatega.

Päikeseelemendiga toidetav kalkulaator

Päikeseelemendiga lihtkalkulaator Teal Photon

Esimesed päikeseelemendid ilmusid lihtkalkulaatoritele, kuna need ei tarbinud nii palju energiat kui teaduskalkulaatorid. Esimesed lihtkalkulaatorid, mis töötasid päikeseelemendi abil olid Royal Solar 1, Sharp EL-8026 ning Teal Photon. Kuna Sharpi kalkulaatoril oli päikeseelement teisel pool, siis tuli kalkulaatorit esmalt laadida, et seda saaks kasutada, teistel oli päikeseelement kuvariga samal poolel ning kasutamise ajal laadis kalkulaator ennast. Kalkulaatorite juures kasutati polükristallilist räni selleks, et sees olevaid akusid laadida ning toita. Mõned aastad hiljem hakati ka teaduskalkulaatoritele päikeseelemente paigaldama, et neid sarnasel viisil töötama panna.

Tarkvaraline kalkulaator

1940.–1950. aastatel oli tarkvaralisi kalkulaatoreid võimalik nimetada arvutiteks, kuna sel ajal olid arvutid mõeldud ainult arvutamisteks, ent veidi mugandatud ja kindlate juhiste järgi töötama pandud.

Esimene tarkvaraline kalkulaator, mis arvutitele loodi, oli kalkulaator VisiCalc, mis oli mõeldud tabelarvutusteks ning eelkäija Microsoft Excelile.

VisiCalci tabelarvutuskalkulaator

Esimesed füüsiliste kalkulaatorite järgi tehtud tarkvaralised kalkulaatorid jõudsid turule 1980. aastatel, kui leiutati Macintosh ja Windows operatsioonisüsteemid.

Internetiühenduse saabudes oli võimalik teha ka kalkulaatoreid veebikeskkondades ning nendega oli võimalik teha erinevaid näiteks joonestada graafikuid, mängida arvutimänge. Enam-jaolt olid need kalkulaatorid kasutaja poolt muudetavad kasutajale käepärasemaks.

Mõned näited tarkvaralistest kalkulaatoritest on näiteks sudoku ja Rubiku kuubiku kalkulaator, mis aitavad leida lahenduse mängule. Lisaks veel on olemas tarkvaralised lahendused toetamaks ehitus- ja tootmissektoreid, kus simuleeritakse läbi kindlad tsenaariumid, et vältida nende tegevuste juures vigu ja olla võimalikult täpne.