Тема 1. Коротка історія обчислювальної техніки. Покоління ПЕОМ. Типи процесорів та їх характеристики
Коротка історія обчислювальної техніки
Перший рахунковий прилад, - абак. До V в. до н.е. він одержав широке поширення в Єгипті, Греції, Римі. Абак - це дошка з жолобками, у яких по позиційному принципу розміщали камінці, кісточки і т.п.
У Древньому Римі абак називали abaculi або calculi. Латинське слово calcules означає камінчик, галька. Від нього і утворилося надалі слово calculator-перекладати камінці, підраховувати.
Згодом абак був удосконалений - дошка була замінена рамкою, камінці - кулькамиабодисками, нанизаними на нитки або прутики. І утворилися рахівниця, що і в даний час ще використовуються (наприклад, у магазинах.).
Лише в XVIII сторіччі нашої ери починають з'являтися машини, що заміняють ручну працю. З їх допомогою стали прясти шерсть, виробляти тканини, обробляти дерево і метал.
Втім, подивіться: XIX сторіччя. Француз Жозеф Жаккар побудував машину, що вміла робити шовкові тканини зі складним візерунком. Нею управляла не людина, а маленька платівка з пробитими в ній отворами. Різноманітні відстані отворів указували частинам ткацького верстата, у якому порядку вплітати нитки різних кольорів.
Але всі ці й інші машини заміняли лише руки людини. А вчені вже давно замислювалися над тим, як і обчислювальну роботу перекласти на плечі механічних пристроїв. Перший вдалий крок у створенні "мислячих машин" зробив Леонардо да Вінчі.У 1867 р. серед неопублікованих рукописів Леонардо да Вінчі був знайдений ескіз пристрою, який міг додавати, але це був тільки ескіз.
Повернемося у 1642 рік. 19-літній математик Блез Паскаль та обчислювальна машина! Вона виконує дві дії: додавання і віднімання. Її він зробив з метою полегшення роботи свого батька-інтенданта м. Руана, який багато часу проводив за розрахунками. Машину назвали "Паскаліна".
1673 рік Готфрид Вільгельм фон Лейбниць створив механічний помножувач, який вже вміє додавати, віднімати, множити та ділити.
Перше застосування обчислювальних машин з метою навчання датується 1751 роком. Виходець із Португалії Х. Р. Перейра сконструював і виготовив рахункову машину, призначену для навчання людей рахунку, які позбавлені слуху.
Нагадаємо також, що став хрестоматійним факт, про російського математика П. Л. Чебишева який також виявив цікавість до обчислювальної техніки. У 1878 році ним був сконструйований арифмометр. Але всі ці машини були механічними машинами, тобто працювали в ручну. Отже,
Думка про створення автоматичної обчислювальної машини, що працювала б без участі людини, уперше була висловлена англійським математиком Чарльзом Беббіджем на початку XIX сторіччя. Він усе життя працював над кресленнями універсальної обчислювальноїмашини(він назвав її аналітичною), але складність розробки чисто механічногопристрою і фінансові труднощі не дозволили йому виготовити працюючий примірник. Програми у свою чергу повинні були кодуватися і переноситися на перфокарти. Ідею використання перфокарт Беббідж запозичив у французького винахідника Жозефа Жаккара. Жаккар навіть не міг припустити, що його ідея буде згодом використана для опрацювання інформації за допомогою комп'ютера.
Його помічницею була леді Ада Августа Лавлейс - дочка англійського поета лорда Байрона. Вона по праву вважається першою жінкою програмістом і, саме в її честь, одна із мов програмування названа АДА.
1930 рік - американський вчений Ваневер Буш з гордістю демонструє свою обчислювальну машину. Це перший у світі аналоговий комп'ютер.
Машина Буша виявилася спроможною швидко вирішувати складні математичні задачі. Вона приводилася в дію електрикою, а для збереження інформації в ній використовувалися електронні лампи, подібні тим, що застосовувалися в ті часи в радіоприймачах. Вона була величезною і важила 3000 тонн. Але ця машина не перша ЕОМ, тому що була частково електронною.
З початком другої світової війни уряди різних країн почали розробляти обчислювальні машини, усвідомлюючи їхню стратегічну роль у веденні війни. Збільшення фінансування в значній мірі стимулювало розвиток обчислювальної техніки. У 1941 році німецький інженер Конрад Цузе розробив обчислювальну машину Z2, що виконувала розрахунки, необхідні при проектуванні літаків і балістичних снарядів. У 1943 році англійські інженери завершили створення обчислювальної машини для дешифрування повідомлень німецької армії, названої "Колос". Однак ці пристрої не були універсальними обчислювальними машинами, вони призначалися для рішення конкретних задач.
У 1944 році американський інженер Говард Эйкен за підтримкою фірми ІBM сконструював комп'ютер для виконання балістичних розрахунків. Цей комп'ютер, названий "Марк І", по площі займав приблизно половину футбольного поля і включав більш 600 кілометрів кабелю. У комп'ютері "Марк І" використовувався принцип електромеханічного реле, що полягає в тім, що електромагнітні сигнали переміщали механічні частини. "Марк І" був досить повільною машиною: для того щоб зробити одне обчислення було потрібно 3-5 с. Однак, незважаючи на величезні розміри і повільність, "Марк І" став більш універсальним обчислювальним пристроєм, чим машина Цузе чи "Колос". "Марк І" керувався за допомогою програми, що вводилася з перфострічки. Це дало можливість, змінюючи програму, що вводиться, вирішувати досить широкий клас математичних задач.
У 1946 році американські вчені Джон Мокли і Дж, Преспер Эккерт сконструювали електронний обчислювальний інтегратор і калькулятор (ЭНИАК) - комп'ютер, у якому електромеханічні реле були замінені на електронні вакуумні лампи. Застосування вакуумних ламп дозволило збільшити швидкість роботи ЭНИАК у 1000 разів у порівнянні з "Марк І". ЭНИАК складався з 18 000 вакуумних ламп, 70 000 резисторів, 5 мільйонів сполучних спайок і споживав 160 квт електричної енергії, що по тим часам було досить для освітлення великого міста. Тим часом, ЭНИАК став працюючим прообразом сучасного комп'ютера. По-перше, ЭНИАК був заснований на цілком цифровому принципі обробки інформації. По-друге, ЭНИАК став дійсно універсальною обчислювальною машиною, він використовувався для розрахунку балістичних таблиць, розрахунків в області атомної енергетики, аеродинаміки, вивчення космосу.
Істотний внесок у створення ЕОМ вніс американський математик Джон фон Нейман, що приймав участь у створенні ENIAC. Його назвали "теоретичним батьком" ЕОМ. Саме він запропонував ідею збереження програми в пам'яті ЕОМ.
Перша ЕОМ із збереженою програмою, тобто пам ¢ яттю, одержала назву EDSAC.
Ця машина була створена в Кембріджському університеті в 1949 році. З тих пір усі ЕОМ є комп'ютерами зі збереженою програмою.
У нашій країні перша ЕОМ була побудована в 1950 році в Києві під керівництвом академіка С. А. Лебедєва. Вона називалася МЕОМ - мала електронно-обчислювальна машина. У 1952 році з'явилася серійно що випускається машина ШЕОМ - швидкодіюча електронно-обчислювальна машина.
Такі комп'ютери, як ENIAC, UNIVAC, EDSAC тощо є лише першими моделями ЕОМ. Проте через якийсь час з'явилися ще більш досконалі машини, які лишили далеко позаду ці ЕОМ.
Саметому, говоримо про "покоління" комп'ютерів. Гігантські комп'ютери на електролампах склали перше покоління ЕОМ.
Друге покоління комп'ютерів веде відлік з 1960 року, коли на зміну електролампам прийшли транзистори. Завдяки маненькому транзистору такі приймачі мали набагато менші габарити і вагу, чим приймачі на електролампах. Але самою надзвичайною спроможністю транзистора є те, що він один може працювати за 40 електронних ламп і при цьому працювати з більшою швидкістю, чим вони. У результаті швидкодія машин другого покоління зросло в 10 разів, обсяг пам'яті також збільшився.
Подібно тому як застосування транзисторів призвело до створення другого покоління ЕОМ, поява інтегральних схем ознаменувало собою новий етап у розвитку обчислювальної техніки народження машин третього покоління.
Поява інтегральних схем означало справжню революцію в обчислювальній техніці. Адже одна інтегральна схема спроможна замінити тисячі транзисторів, кожний із який у свою чергу вже замінив 40 електроламп. Іншими словами, один маненький, але складний кристал має такі ж обчислювальні можливості, як і 30-тонний ENIAC!
Швидкодія ЕОМ третього покоління зросла в 100 разів, а габарити значно зменшилися.
Третє покоління цікаво ще і тим, що з появою дисплея і магнітного диска, воно подарувало світу персональний комп'ютер.
Перший персональний комп'ютер з'явився в 1975 р. у США. Його сконструював Стів Джобс. Проучившись один семестр у коледжі, він закинув навчання, і зайнявся розробкою комп'ютерних ігор у компанії Atari. Незабаром у нього з'явилася щаслива ідея створити простий і зручний для користувача настільний комп'ютер. Разом із Стівом Возняком вони зібрали в гаражі першу модель персонального комп'ютера і потім відчинили власну фірму Apple Computer,Inc. З 1976 р. фірма початку випускати комп'ютер Apple-I, а потім Apple-II, більш удосконалену модель, що увібрала в себе новітні досягнення мікропроцесорної техніки.
Ви вже знаєте, що механічні деталі рахункових машин поступилися місцем електролампам, що у свою чергу поступилися місцем транзисторам, а останні - інтегральним схемам. Могло створитися враження, що технічні можливості удосконалювання ЕОМ вичерпані.
У 70-е роки була почата спроба з'ясувати, чи можна на однім кремнієвому кристалі розмістити більше однієї інтегральної схеми. Розвиток мікроелектроніки призвело до створення можливості розміщати на одним-єдиному кристалі тисяча інтегральних схем.
Розвиток ЕОМ продовжується
Покоління ПЕОМ
Перше покоління комп'ютерів (1945-1956 роки)
Важливий крок в удосконалюванні обчислювальної техніки зробив американський математик Джон фон Нейман. Ранні обчислювальні машини могли виконувати тільки команди, що надходять зовні, причому команди виконувалися по черзі. Хоча використання перфокарт дозволяло спростити процес введення команд, проте, часто процес настроювання обчислювальної машини і введення команд займав більше часу, чим власне рішення поставленої задачі. Фон Нейман запропонував включити до складу комп'ютера для збереження послідовності команд і даних спеціальний пристрій - пам'ять. Крім того, Джон фон Нейман запропонував реалізувати в комп'ютері можливість передачі керування від однієї програми до іншої. Можливість зберігати в пам'яті комп'ютера різні набори команд (програми), припиняти виконання однієї програми і передавати керування інший, а потім повертатися до вихідного значно розширювала можливості програмування для обчислювальних машин. Іншою ключовою ідеєю, запропонованою фон Нейманом, став процесор (центральний пристрій), що повинний був керувати усіма функціями комп'ютера. У 1945 році Джон фон Нейман підготував звіт, у якому визначив наступні основні принципи роботи й елементи архітектури комп'ютера:
1. Комп'ютер складається з процесора (центрального пристрою опрацювання інформації), пам'яті і зовнішніх пристроїв.
Єдиним джерелом активності (не вважаючи стартового чи аварійного втручання людини) у комп'ютері є процесор, що, у свою чергу, керується програмою, що знаходиться в пам’яті.
2. Пам'ять комп'ютера складається з комірок, кожна з яких має свою унікальну адресу.
3. Кожна комірка зберігає команду програми чи одиницю оброблюваної інформації, причому і команда і інформація мають однакове представлення.
4. У будь-який момент процесор виконує одну команду програми, адреса якої знаходиться в спеціальному регістрі процесора - лічильнику команд.
5. Обробка інформації відбувається тільки в регістрах процесора. Інформація в процесор надходить з пам'яті від зовнішнього пристрою.
6. У кожній команді програми зашифровані наступні розпорядження: з яких осередків взяти оброблювану інформацію; які операції зробити з цією інформацією; у які комірки пам'яті направити результат; як змінити вміст лічильника команд, щоб знати, відкіля взяти наступну команду для виконання.
7. Процесор виконує програму команда за командою відповідно до зміни вмісту лічильника команд доти , поки не одержить команду зупинитися.
Надалі архітектура фон Неймана незначно змінювалася і доповнювалася, але вихідні принципи керування роботою комп'ютера за допомогою програм, що зберігаються в пам'яті, залишилися недоторканими. Переважна більшість сучасних комп'ютерів побудовано саме по архітектурі фон Неймана.
У 1951 році був створений перший комп'ютер, призначений для комерційного використання, - УНІВАК (універсальний автоматичний комп'ютер), у якому були реалізовані всі принципи архітектури ФОН Неймана. У 1952 році за допомогою УНІВАК був спрогнозований результат виборів президента США. Роботи зі створення обчислювальних машин велися й у СРСР. Так, у 1950 році в Інституті електроніки Академії наук України під керівництвом академіка Сергія Олексійовича Лебедєва була розроблена і введена в експлуатацію МЕСМ (мала електронна рахункова машина). МЕСМ стала першою вітчизняною універсальною ламповою обчислювальною машиною в СРСР. У 1952-1953 роках МЕСМ залишалася самою, швидкодіючою (50 операцій у секунду) обчислювальною машиною в Європі. Принципи побудови МЕСМ були розроблені С. А. Лебедєв незалежно від аналогічних робіт на Заході.
У комп'ютерах першого покоління використовувалася машинна мова - спосіб запису програм, що допускає їхнє безпосереднє виконання на комп'ютері. Програма машинною мовою являє собою послідовність машинних команд, припустимих для даного комп'ютера. Процесор безпосередньо сприймає і виконує команди, виражені у виді двійкових кодів. Для кожного комп'ютера існувала своя власна машинна мова. Це також обмежувало область застосування комп'ютерів першого покоління.
Поява першого покоління комп'ютерів стала можливо завдяки трьом технічним нововведенням: електронним вакуумним лампам, цифровому кодуванню інформації і створенню пристроїв штучної пам'яті на електростатичних трубках. Комп'ютери першого покоління мали невисоку продуктивність: до декількох тисяч операцій у секунду. У комп'ютерах першого покоління використовувалася архітектура ФОН Неймана. Засобу програмування і програмне забезпечення ще не були розвиті, використовувалася низкоурівнева машинна мова. Область застосування комп'ютерів була обмежена.