Kompiuterių raida
Pirmuosius mechaninius skaičiavimo įrenginius dar antikos laikais naudojo
matematikai, inžinieriai bei prekeiviai. Kinijoje ir Japonijoje prieš
keletą tūkstančių metų iki Kristaus gimimo jau buvo naudojami
skaičiuotuvai, padaryti iš karoliukų, pritvirtintų prie specialaus rėmo
(karoliukai vadinosi kalkulėmis, iš čia ir kilo terminai “kalkuliuoti” ir
“kalkuliatorius”. Ant siūlo suvertų kalkulių pozicija atitiko tam tikrą
skaičių.
Vieną iš tobulesnių mechaninių kalkuliatorių 1642 metais sukūrė prancūzų
mokslininkas Blezas Paskalis. Šį įrenginį, pavadintą “Paskalina”,sudarė
ratukai, ant kurių buvo užrašyti skaičiai nuo 0 iki 9. Apsisukęs vieną
kartą, ratukas užkabindavo gretimą ratuką ir pasukdavo jį per vieną
skaičių.
Pagrindinė “Paskalinos” yda – labai sudėtingas įvairių operacijų, išskyrus
sudėtį, atlikimas. Pirmąją mašiną, kuria lengvai atliekami visi keturi
veiksmai , 1673 metais sukūrė vokietis Gotfrydas Vilhelmas Leibnicas.
Anglų matematikas Čarlzas Babidžas, sugalvojęs dvi reikšmingiausias
mechanines skaičiavimo mašinas, dažnai vadinamas šiuolaikinės technikos
“tėvu”. Pirmąją mašiną, skirtą matematiniu lentelių sudarymui ir tikrinimui
(skaičiuojant skaičių skirtumą), Č. Babidžas sukūrė 1822 metais. Ji
vadinosi skirtuminė mašina. 1833 m. jis nutarė sukurti universalią
skaičiavimo mašiną ir pavadino ją “analizine mašina”. Tačiau realizuoti
analizinę mašiną buvo labai problematiška – galiausiai ji būtų buvusi ne
mažesnė už garvežį. Todėl ši mašina nebuvo sukurta. Č. Babidžas nepateikė
nė vieno išsamaus jos aprašymo. Tačiau aprašymas buvo išsuogotas jo
bendradarbės, grafienės, Augustos Ados Bairon-Lavleis dėka. Grafienė Ada
Lavleis vadinama pirmąja programuotoja. Jos garbei viena iš programavimo
kalbų pavadinta Ada.
Č. Babidžo nuopelnas yra tas, kad analizinėje mašinoje jis pritaikė
komponentus, kurie yra svarbiausi ir šiuolaikiniame kompiuteryje. Jis
pirmasis suprato, kad skaičiavimo mašiną turi sudaryti penki pagrindiniai
komponentai:
1. Įvesties įrenginys,
2. Atmintis,
3. Aritmetinis įrenginys,
4. Valdymo įrenginys,
5. Išvesties įrenginys.
Amerikietis Hermanas Holeritas 1890 metais laimėjo efektyvaus gyventojų
surašymo duomenų apdovanojimo konkursą. Jis taip pat naudojo perfokoltas.
H. Holerito tabuliatorius tapo pirmąja skaičiavimo mašina, veikiančia ne
mechaniniu procesų pagrindu. Ji pasirodė esanti labai efektivi, ir tai
leido įsteigti firmą, gaminančią tokius tabuliatorius. Nuo 1924 metų iki
dabar ji vadinasi IBM (International Business Machines) ir yra viena
stambiausių kompiuterius gaminančių firmų.
Vokiečių inžinierius Konradas Cūzė paekperimentavęs su dešimtaine
skaičiavimo sistema, vis dėlto pasirinko dvejetainę. Nors ir nesusipažino
su anglų matematiko Džordžo Būlio logika, leidžiančia atlikti elementarius
veiksmus su dvejetainiais skaičiais, K. Cūzė 1936 metais sukūrė skaičiavimo
mašiną Z – 1, kurioje buvo pritaikyti Dž. Būlio algebros principai.
Vėlesniame modelyje Z – 2 vietoje mechaniniu jungiklių jungiklių jis
panaudojo elektromechanines reles, o informacijai įvesti pritaikė
perforuotą 35 mm pločio fotojuostą (vėliau ją pakeitė popierine).
1941 metų pabaigoje, JAV įstojus į karą, IBM firmos prezidentas pasiūlė
Amerikos prezidentui savo paslaugas ir 1944 metais firma pagamino gana
galingą kompiuterį “Mark – 1”, turintį apie 750 tūkstančių dalelių, tarp jų
3304 elektromechanines reles.
1943 metų pabaigoje Anglijoje ėmė veikti didelė skaičiavimo mašina
“Colossus – 1”, skirta vokiečių šifrogramoms dešifruoti.
Berlyne K. Cūzė sukonstravo Z – 3 ir pradėjo projektuoti Z – 4, kurioje
vietoj elektromechaninių relių turėjo būti panaudotos vakuuminės
elektroninės lempos. Tai būtų leidę gerokai padidinti mašinos greitį.
Tačiau A. Hitleris nepalaikė šio projekto, tikėdamasis labai greitai
nugalėti.
Nors pirmosios elektroninės skaičiavimo mašinos projektą sukūrė JAV
mokslininkas Džonas Atanosovas dar 1939 metais, tačiau tik 1945 metų
pabaigoje JAV buvo sukurta galinga, grynai elektroninė mašina ENIAC
(Electronic Numerical Integrator, Analyser and Calculator), kurioje
sumontuotos 17468 elektroninės lempos.
1947 metais Kembridže Morisas Vilksas sukonstravo mašiną EDSAC
(Electronic Delay Storge Automatic Calculator). Skirtingai negu kitos, ji
rėmėsi nauja programavimo aprūpinimo strategija, taigi naudojo
standartines, dažnai skaičiavimams taikomas programas ir įrangą programų
klaidoms aptikti.[1,2]
Kompiuterių kartos
Pirmoji karta. Vakuuminės lempos. ENIAC kompiuteris
Kompiuteris ENIAC – elektronis skaitmeninis integratorius ir
skaičiuotuvas {Electronics Numerical Integrator And Computer} buvo sukurtas
vadovaujant Džonui Makliui (John Mauchly) ir Džonui Ekertui (John Presper
Eckert) Pensilvanijos universitete (JAV) ir yra pirmasis pasaulyje
bendrosios paskirties elektroninis skaitmeninis kompiuteris.
Šis projektas – atsakas į JAV poreikius antrojo pasaulinio karo metu.
JAV karinių pajėgų Balistikos tyrimų laboratorijai (BTL), atsakingai už
trajektorijų lentelių naujiesiems ginklams rengimą, buvo labai sunku
tiksliai ir per trumpą laiką jas parengti. Be jų naujieji ginklai
kariškiams buvo beverčiai. BTL samdydavo daugiau kaip 200 žmonių,
daugiausia moterų, šie staliniais mechaniniais kalkuliatoriais spręsdavo
įvairias balistikos lygtis. Tam tikro ginklo lentelei parengti vienas
žmogus dirbdavo daug valandų ir net dienų.
Pensilvanijos universiteto elektrotechnikos profesorius Dž. Maklis ir
vienas iš jo doktorantų Dž. Ekertas pasiūlė BTL tikslams iš elektroninių
lempų sukurti bendrosios paskirties kompiuterį. 1943 m. šis pasiūlymas JAV
kariuomenės buvo priimtas, ir prasidėjo ENIAC kūrimo darbai. Sukurtoji
mašina priminė monstrą – svėrė 30 tonų, užėmė 1600 m2 patalpos, joje buvo
per 18 000 vakuuminių elektroninių lempų. Ji išeikvodavo apie 140 KW
elektros galios, tačiau veikė žymiai sparčiau už bet kurį elektromechaninį
kompiuterį – galėjo atlikti 5000 sudėties operacijų per sekundę.
ENIAC – dešimtainė, o ne dvejetainė mašina. Skaičiai joje buvo
pateikiami dešimtaine forma ir taikoma dešimtainė aritmetika. Jos atmintį
sudarė 20 vadinamųjų kaupiklių {accumulator}, kiekvienas jų galėjo saugoti
iki 10 dešimtainių skaičių. Kiekvienam skaičiui atvaizduoti naudotas žiedas
iš 10 vakuuminių lempų. Tam tikru momentu tik viena iš lempų būdavo įjungta
ir būdavo atvaizduojamas vienas iš 10 skaitmenų. Pagrindinis trūkumas tai,
kad ENIAC kompiuterį programuodavo rankiniu būdu jungdami arba išjungdami
jungiklius ir perjungdami kontaktus laidžiais trumpikliais.
ENIAC pagamintas 1946-aisiais metais – per vėlai, kad būtų panaudotas
kare. Tad pirmasis jo uždavinys – sudėtingų skaičiavimų serija, kuri padėjo
nustatyti principinę vandenilinės bombos pagaminimo galimybę. ENIAC
kompiuterio taikymas kitiems, nei buvo numatyta, tikslams įrodė jo
bendrosios paskirties pobūdį. 1946-ieji – tai įžengimas į naują –
elektroninių kompiuterių erą. ENIAC, veikęs BTL iki 1955-ųjų, buvo
išmontuotas.
1.3.2. Noimano (skaičiavimo) mašina
Programų įvedimas arba jų modifikavimas ENIAC kompiuteryje buvo
nuobodus ir varginantis procesas. Programavimą galima buvo palengvinti tik
pačią programą pateikiant patogiu atmintyje kartu su duomenimis saugoti
pavidalu, instrukcijas kompiuteriui teikiant juo pačiu – jam skaitant iš
atminties, o programas įvedant arba keičiant atminties fragmentuose
nustatant tam tikras reikšmes.
Ši idėja, žinoma kaip įsimenamos programos koncepcija {stored-program
concept}, dažniausiai siejama su ENIAC kompiuterio kūrėjais, ypač su
matematiku Džonu von Noimanu (John von Neumann), ENIAC projekto
konsultantu. Ją maždaug tuo pačiu laiku plėtojo ir Tiūringas (Turing).
Žinią apie šios idėjos pritaikymą (Electronic Discrete Variable Computer –
EDVAC kompiuteryje) pirmą kartą viešai paskelbė Noimanas 1945 m.
1946 m. Noimanas kartu su savo kolegomis Prinstono pažangiųjų studijų
institute (Princeton Institute for Advanced Studies) ėmėsi kurti naują
kompiuterį IAS pavadinimu. Šis kompiuteris buvo baigtas tik 1952 m. ir yra
visų vėlesnių bendrosios paskirties kompiuterių prototipas.
1.7 pav. pateikta IAS kompiuterio apibendrinta struktūra. Pagrindinės
komponentės:
• Pagrindinė atmintis, sauganti ir duomenis, ir instrukcijas;
• Aritmetinis ir loginis įrenginys (ALĮ), galintis operuoti dvejetainiais
skaičiais.
• Valdymo įrenginys, interpretuojantis atmintyje esančias instrukcijas ir
kontroliuojantis jų vykdymą.
• Įvesties ir išvesties (Į/I) įrenginys, kurio veikimą taip pat
kontroliuoja valdymo įrenginys.
Ši struktūra Noimano pasiūlyta anksčiau ir jos apibūdinimą čia verta
pacituoti [1]:
Pirma: Kadangi įrenginys (kompiuteris) visų pirmą yra skaičiuotuvas
{computer}, jis turi gebėti atlikti dažniausiai pasitaikančias elementarias
aritmetines operacijas, t. y. sudėties, atimties, daugybos ir dalybos: +,
–, ´, ¸. Todėl labai naudinga, kad jame būtų specializuoti šias operacijas
atliekantys organai.
Nepaisant to, kad kol kas šis principas tėra tik tuščias garsas,
specifiniam būdui, kuriuo jis bus įgyvendintas, reikia skirti daugiau
dėmesio… Bet kuriuo atveju centrinė aritmetinė {Central Arithmetic – CA}
dalis įrenginyje turėtų būti. Taigi deklaruotina jo (kompiuterio) pirmoji
specifinė dalis – CA.
Antra: Įrenginio (kompiuterio) veikimo logiką, t. y. tikslų jo
operacijų nuoseklumą, efektyviausiai gali valdyti centrinis valdymo
organas. Jeigu įrenginio (kompiuterio) veikimas pasižymės lankstumu, t. y.
kompiuteris atitiks visas įmanomas paskirtis, tuomet reikės atskirti
specifiškas instrukcijas, numatytas specialioms užduotims spręsti, nuo
bendrųjų valdymo organų, kurie šias instrukcijas gauna ir vykdo
nesigilindami, kas jos iš esmės yra. Minėtos instrukcijos turi būti tam
tikru būdu įsimenamos, o valdymo organai yra įrenginio (kompiuterio) tam
tikros veikiančios dalys. Taigi centriniu valdymu {Central Control – CC}
vadinsime tik šias pastarąsias funkcijas atliekančius organus, ir jie
sudaro antrąją specifinę dalį – centrinį valdymą – CV.
Trečia: Kiekvienas įrenginys, atliekantis ilgas ir sudėtingas
operacijų sekas (ypač skaičiavimus), turi turėti pakankamai atminties…
a) Instrukcijoms, kurios valdo sudėtingą uždavinį, būtina daug
informacinės medžiagos, ypač tada, kai kodas yra labai išsamus (detalus, o
taip dažniausiai ir būna daugelyje uždavinių). Ši medžiaga turi būti
įsimenama…
Bet kuriuo atveju atminties būtinumas lemia trečiąją įrenginio specifinę
dalį – atmintį – A {Memory – M}.
Trys specifinės dalys – CA, CV ir A atitinka asociatyvųjį žmogaus
nervųsistemos neuroną. Dar liko neaptarti sensorinių arba jautriųjų ir
motorinių, arba varomųjų neuronų ekvivalentai. T. y. įrenginio
(kompiuterio) įvesties ir išvesties organai…
Turi būti užtikrinti įrenginio įvesties ir išvesties (sensoriniai ir
motoriniai) kontaktai su tam tikra specifine išorine aplinka. Ši aplinka
gali būti vadinama įrenginio išorine įrašymo terpe – R {Recording medium –
R}…
Ketvirta: Įrenginys turi turėti organus, transformuojančius
informaciją iš R terpės į jo specifines CA, CV ir A dalis. Šie organai
formuoja jo įvestį {input}, ketvirtąją specifinę dalį – Į {input – I}.
Atrodo natūralu, kad geriausia visas transformacijas daryti iš R (taikant
Į) į A ir niekada tiesiogiai į CA ar CV …
Penkta. Įrenginys turi turėti organus, transformuojančius informaciją
iš jo specifinių CA, CV ir A dalių į R. Šie organai formuoja jo išvestį.
Tai penktoji specifinė dalis – I {Output – O}. Ir vėl turėtų būti natūralu,
kad geriausia visas transformacijas daryti iš A (taikant I) į R, ir niekada
tiesiogiai iš CA ar CV.
[pic]
Su labai reta išimtimi visų šiuolaikiškų kompiuterių apibendrinta
struktūra ir funkcionavimas yra tokie patys (jie ir vadinami Noimano
mašinomis), tad labai naudinga išnagrinėti IAS kompiuterio veikimą [2]. Kad
būtų aiškiau nūdienos vartotojams, Noimano terminologija pakeista.
IAS kompiuterio atmintį sudaro 1000 saugojimo ląstelių, vadinamų
žodžiais {words}, kiekvienas – po 40 dvejetainių skaitmenų (bitų).
Atmintyje kartu saugomi ir duomenys, ir instrukcijos. Taigi ir skaičiai, ir
instrukcijos turi būti pateikti dvejetaine forma. 1.8 pav. pavaizduoti
abudu šie formatai. Kiekvienas skaičius pateikiamas ženklo bitu ir 39-iais
reikšmės bitais. Žodis taip pat gali būti sudarytas iš dviejų 20-ies bitų
instrukcijų. Kiekviena instrukcija sudaryta iš 8 bitų operacijos kodo
{opcode}, kuris apibūdina vykdomą operaciją, ir 12 bitų adreso, kuriuo
galima nurodyti tam tikrą žodį atmintyje (nuo 0 iki 999, nors 212 = 4096).
[pic]
Valdymo įrenginys kontroliuoja IAS kompiuterį išrenkant instrukcijas
iš atminties ir jas vykdant tuo pačiu metu be delsos. Tai paaiškinti
reikalinga detalesnė struktūrinė schema (1.9 pav.). Ir valdymo įrenginys,
ir ALĮ turi saugojimo įtaisus, vadinamuosius registrus (žr. pav.), kurie,
apibūdinami taip:
[pic]
• Atminties buferinis registras (ABR) – jame esti žodis, kuris turi būti
išsaugomas atmintyje (įrašytas į atmintį) arba nuskaitytas iš atminties;
• Atminties adreso registras (AAR) nurodo adresą atmintyje, kur žodis
turi būti įrašytas iš ABR arba į jį nuskaitytas.
• Instrukcijų registras (IR) saugo vykdomos instrukcijos 8 bitų
operacijos kodą.
• Instrukcijų buferinis registras (IBR) laikinai saugo dešiniąją
instrukciją iš atminties žodžio.
• Programinis skaitiklis (PS) saugo kitos instrukcijų poros, kuri turi
būti išrinkta iš atminties, adresą.
• Akumuliatorius (AK) ir sandaugos koeficientas (SK) laikinai saugo
operandus ir ALĮ veiksmų rezultatus. Pavyzdžiui, dviejų 40 bitų skaičių
sandauga bus 80 bitų; aukštesnieji 40 bitai saugomi AK, o žemesnieji – SK.
IAS kompiuteris veikia pagal begalinį algoritmą, vykdant instrukcijos
ciklą {instruction cycle} (1.10 pav.). Kiekvieną instrukcijos ciklą sudaro
du subciklai. Per išrankos ciklą {fetch cycle} kitos instrukcijos
operacijos kodas įkeliamas į IR, o atitinkamas adresas talpinamas į AAR.
Ši instrukcija gali būti imama iš IBR arba iš atminties, žodį šiuo atveju
talpinant į ABR ir toliau siunčiant jį į IBR, IR ir AAR.
Kodėl ne tiesiogiai? Taip yra todėl, kad visos šios operacijos
kontroliuojamos elektroninių schemų, todėl naudojami elektriniai duomenų
keliai. Elektroninei daliai supaprastinti, skaitymui ir rašymui į atmintį
bei duomenims siųsti arba priimti naudojama tik po vieną adresų registrą.
Kai operacijos kodas jau yra IR, prasideda vykdymo ciklas. Valdymo
schemos interpretuoja operacijos kodą ir, generuodamos atitinkamus valdymo
signalus, nurodinėja, kad būtų siunčiami duomenys arba kad būtų atliktos
ALĮ operacijos, vykdo pasirinktą instrukciją.
IAS kompiuteryje buvo numatyta 21 instrukcija. Jas galima sugrupuoti
taip:
• Duomenų siuntimas. Vykdoma duomenų kaita tarp atminties ir ALĮ registrų
arba tarp dviejų ALĮ registrų {LOAD #, STOR #}.
• Besąlyginis šakojimasis. Valdymo įrenginys paprastai operacijas vykdo
nuosekliai iš atminties. Tačiau šį nuoseklumą gali pakeisti šakojimosi
instrukcijos. Tuomet galima vykdyti ciklines operacijas {JUMP #}.
• Sąlyginis šakojimasis. Šakojimasis gali būti daromas pagal tam tikrą
sąlygą. Tokiu būdu į programas įvedami šakojimosi (perėjos) taškai {JUMP
#}.
• Aritmetinės operacijos. Vykdomos ALĮ {ADD #, SUB #, MUL #…}.
• Adresų modifikacija. Suteikia galimybę adresus skaičiuoti ALĮ ir juos
įterpti į atmintyje saugomas instrukcijas. Programos įgyja adresavimo
lankstumo.
1.10 pav. parodyti keli valdymo įrenginio instrukcijų vykdymo
pavyzdžiai. Pažymėtina, kad kiekvienai operacijai atlikti reikia kelių
žingsnių. Kai kurios iš jų gana sudėtingos. Daugybos operacijai būtina 39
suboperacijos – kiekvienai bito pozicijai po vieną, išskyrus ženklo bito.
1.3.3. Antroji kompiuterių karta. Tranzistoriai
Pirmasis esminis elektroninių kompiuterių keitimasis įvyko, kai
vakuumines lempas pakeitė tranzistoriai. Tranzistoriai mažesni, pigesni ir
išskiria mažiau už vakuumines lempas šilumos, tuo pat metu kompiuteriuose
gali vykdyti tas pačias funkcijas.
Tranzistorius sukurtas ,,Bell Labs“ kompanijoje 1947 m., tačiau tik 6-
ojo dešimtmečio pabaigoje pagaminti pirmieji tranzistoriniai kompiuteriai.
Pirmuosius komercinius tranzistorinius kompiuterius pristatė NCR bei RCA
kompanijos ir šiek tiek vėliau IBM – 7000-ąją kompiuterių šeimą.
Tranzistorių taikymas būdingas antrosios kompiuterių kartos bruožas.
Kompiuterius priimta klasifikuoti į kartas pagal fundamentines techninės
įrangos {hardware} technologijas (1.1 lentelė). Kiekvienai naujajai kartai
būdinga didesnė sparta, talpesnė atmintis ir mažesni matmenys.
1.1 lentelė. Kompiuterių kartos
|Kar|Apytikrės |Technologija |Sparta (operacijų per |
|ta |datos | |sekundę) |
|1-o|1946–1957 |vakuuminės lempos |40 000 |
|ji | | | |
|2-o|1958–1964 |tranzistoriai |200 000 |
|ji | | | |
|3-o|1965–1971 |mažos ir vidutinės integracijos |1 000 000 |
|ji | |mikroschemos | |
|4-o|1972–1977 |didelės integracijos mikroschemos|10 000 000 |
|ji | | | |
|5-o|1978– |labai didelės integracijos |100 000 000 |
|ji | |mikroschemos | |
Be technologijų, yra ir kitų pokyčių. Antroji kompiuterių karta
pasižymėjo sudėtingesniais aritmetikos ir logikos bei valdymo įrenginiais,
aukšto lygio programavimo kalbų taikymu ir tuo, kad su kompiuteriais buvo
teikiama programinė įranga.
Antroji kompiuterių karta taip pat siejama su ,,Digital Equipment
Corporation“ (DEC) įkūrimu 1957 m. Tais metais DEC pristatė PDP-1
kompiuterį, kuris iš esmės buvo pirmas minikompiuteris ir trečiosios
kompiuterių kartos pirmtakas.
IBM 7094 kompiuteris
Pradedant 700-osios serijos (1952 m.) ir baigiant paskutiniuoju 7000-
osios serijos (1964 m.) modelių IBM kompanijos kompiuteriais akivaizdi
būdinga kompiuterių evoliucija. Šių kompiuterių raida apibūdinama
kompiuterių pajėgumo didėjimu, galimybių plėtra arba kainos mažėjimu.
Kaip matyti iš 1.2 lentelės, pagrindinės atminties (organizuotos iš 36
bitų žodžių) talpa padidėjo nuo 2K (1K = 210) iki 32K žodžių, o kreipties į
vieną žodį atmintyje trukmė (atminties ciklo trukmė) sumažėjo nuo 30 ms
iki 1,4 ms. Operacijų kodų padaugėjo nuo 24 iki 185. Paskutiniame 1.2
lentelės stulpelyje pateikta santykinė CPĮ sparta. Ji padidėjo patobulinus
elementinę bazę (tranzistoriai spartesni už lempas) ir pagerinus (tapo
sudėtingesnė) schemotechniką. Pavyzdžiui, IBM 7094 kompiuteryje pritaikytas
atsarginės instrukcijos registras {Instruction Backup Register – IBR},
kuris atlieka kitos išrenkamos instrukcijos buferio funkciją. Per išrankos
ciklą valdymo įrenginys iš atminties nuskaito du greta esančius žodžius.
Tai reiškia, kad, išskyrus šakojimosi {branch} instrukcijas, kurios
pasitaiko ganėtinai retai, valdymo įrenginys vienai instrukcijai pasirinkti
eikvoja tik pusę instrukcijos ciklo. Dėl šios išankstinės išrankos žymiai
mažėja vidutinis instrukcijos ciklas.
1.11 pav. pateikta IBM 7094 kompiuterio su labai išvystyta periferija
konfigūracija (būdinga antrajai kartai). Joje pastebimi keli esminiai
skirtumai, palyginti su IAS kompiuteriu, svarbiausias – duomenų kanalų
{data channels} taikymas. Duomenų kanalas – nepriklausomas Į/I modulis su
savu procesoriumi ir instrukcijomis. Kompiuterizuotoje sistemoje su tokiais
įrenginiais CPĮ nevykdo detaliųjų Į/I pobūdžio instrukcijų. Šios
instrukcijos saugomos pagrindinėje atmintyje ir vykdomos specialios
paskirties procesoriaus pačiame duomenų kanale. CPĮ inicijuoja Į/I
mechanizmą siųsdamas valdymo signalą į duomenų kanalą, jam (kanalui)
nurodant, kad būtina atlikti instrukcijų, esančių atmintyje, seką. Duomenų
kanalas šią užduotį atlieka nepriklausomai nuo CPĮ ir ,,informuoja“
pastarąjį apie operacijos įvykdymą. Taigi žymiai sumažėja CPĮ apkrova.
1.2 lentelė. IBM 700/7000 serijų kompiuterių kreipties parametrai
[pic]
Kita naujovė – multiplekseris, kuris atlieka centrinio skirstytuvo
tarp duomenų kanalų, CPĮ ir atminties funkciją. Multiplekseris tvarko
kreiptis į atmintį iš CPĮ ir duomenų kanalų, suteikdamas galimybę šiems
įrenginiams veikti nepriklausomai.
1.3.4. Trečioji kompiuterių karta. Integrinės schemos
Pavienius tranzistorius vadina diskrečiaisiais elementais. XX a. 5-
ajame dešimtmetyje ir 6-ojo pirmoje pusėje elektroninė aparatūra buvo
montuojama iš diskrečiųjų elementų – tranzistorių, rezistorių,
kondensatorių ir pan. Visas gamybos procesas nuo tranzistoriaus pagaminimo
iki spausdintos plokštės surinkimo buvo labai brangus ir ilgai trukdavo.
Dėl to kompiuterių industrijoje kilo problema. Pirmuosiuose antrosios
kartos kompiuteriuose buvo apie 1000 tranzistorių. Vėliau jų padaugėjo iki
šimtų tūkstančių ir kėlė dar daugiau problemų gaminant naujausius ir
pajėgiausius kompiuterius.
1958 m. išrasta integrinė mikroschema padarė revoliucinį perversmą
visoje elektronikoje. Ji apibūdina trečiosios kartos kompiuterius. Šiame
poskyryje aptarsime du labai svarbius trečiosios kartos modelius: IBM
kompanijos System/360 ir DEC kompanijos PDP-8 kompiuterius.
IBM System/ 360 kompiuteris
Iki 1964 m. IBM kompanija gamino ir pardavinėjo 7000-osios serijos
kompiuterius. Tais metais IBM pristatė System/360 – naują kompiuterių
šeimą. Paskelbimas nebuvo didelė staigmena, tik trikdė kelios anų laikų IBM
produktų vartotojams nemalonios ,,naujienos“: System/360 linijos produktai
nesuderinami su ankstesniais IBM kompiuteriais. Tai buvo nepopuliarus IBM
kompanijos žingsnis, tačiau norint atsikratyti kai kurių 7000-osios serijos
architektūros trūkumų jį reikėjo vieną kartą žengti ir pereiti prie naujos
integrinių schemų technologijos. System/360 kompiuterių konstrukcija
pasirodė labai tobula ir IBM perėmė apie 70% visos kompiuterijos rinkos.
Atlikus tam tikras modifikacijas ir išplėtus System/360 architektūra
dideliuose IBM kompiuteriuose išliko iki šiol.
System/360 – pirmoji suplanuotoji kompiuterių šeima, kurioje buvo
labai įvairaus našumo ir kainų modelių. 1.3 lentelėje pateikti 1965 m.
kompiuterių modelių parametrai. Visi modeliai suderinami programiškai,
t. y. programa sudaryta vieno modelio kompiuteriui, veikia ir kito modelio
kompiuteryje, skiriasi tik jos vykdymo trukmė. Pagrindiniai kompiuterių
šeimos bruožai:
Panašios arba identiškos instrukcijos. Tam tikrą griežtai apibrėžtą
kompiuterinių (mašininių) instrukcijų rinkinį turi visi šeimos modeliai.
Taigi programa, sukurta vienam kompiuteriui, veiks ir bet kuriame kitame.
Tam tikrais atvejais žemesniojo lygio šeimos modeliams tenka nepilnas
instrukcijų rinkinys, o aukštesniojo lygio – pilnas. Taigi programinis
suderinamumas esti ,,iš viršaus“ ,,žemyn“, bet ne atvirkščiai.
Panašios arba identiškos operacinės sistemos. Visuose šeimos modeliuose
taikomos tos pačios operacinės sistemos arba aukštesnio lygio modeliuose –
išplėstų galimybių operacinės sistemos.
Didėjanti sparta. Instrukcijų atlikimo sparta pereinant nuo žemesniojo prie
aukštesniojo modelių lygio didėja.
Į/I prievadų {ports} skaičiaus didėjimas pereinant nuo žemesniojo prie
aukštesniojo modelių lygio.
Atminties talpos didėjimas pereinant nuo žemesniojo prie aukštesniojo
modelių lygio.
1.3 lentelė. IBM System/360 kompiuterių šeimos pagrindiniai parametrai
|Duomenų iš atminties siuntimo sparta |0,5 |0,8 |2,0 |8,0 |16,0 |
|(Mbaitais/s) | | | | | |
|Procesoriaus ciklo trukmė (ms) |1,0 |0,625 |0,5 |0,25 |0,2 |
|Santykinė sparta |1 |3,5 |10 |21 |50 |
|Duomenų kanalų didžiausiasis skaičius |3 |3 |4 |6 |6 |
|Didžiausioji duomenų siuntimo sparta |250 |400 |800 |1250 |1250 |
|kanale (Kbaitais/s) | | | | | |
Šeimos koncepcija įgyvendinama įvairiais būdais. Pavyzdžiui,
instrukcijų vykdymą galima spartinti taikant sudėtingesnę ALĮ
schemotechniką, suteikiančią galimybę kelias smulkias operacijas vykdyti
vienu metu. Kitas būdas – išplėsti duomenų magistralę tarp CPĮ ir
atminties, pvz., IBM System/360 Model 30 kompiuteryje iš atminties tam
tikru momentu galima buvo gauti tik 1 baitą duomenų, o Model 70
kompiuteryje – 8 baitus.
System/360 kompiuterių šeima turėjo įtakos ne tik IBM kompiuterių
raidai, bet ir visai kompiuterių industrijai. Nemažai šios šeimos elementų
tapo standartiniais kituose dideliuose {mainframe} kompiuteriuose.
DEC PDP-8 kompiuteris
Tais pačiais metais, kai IBM pradėjo prekiauti System/360
kompiuteriais, kita kompanija – DEC pasiūlė rinkai PDP-8 kompiuterio
modelį. Vidutiniams kompiuteriams reikėjo specialių kondicionuojamų
patalpų, o PDP-8 kompiuteris (pagal industrinę klasifikaciją –
supaprastintas minikompiuteris) galėjo būti išdėstomas ant laboratorinio
stalo arba įmontuotas į tam tikrą kitą techninę įrangą. Jis neatliko tiek
daug įvairių uždavinių kaip didelis {mainframe} kompiuteris, tačiau
palyginti nedidelė jo kaina – 1600$ buvo prieinama net techninėms
laboratorijoms (IBM System/360 kompiuteris tuomet kainavo šimtus tūkstančių
dolerių).
PDP-8 kompiuterio kaina ir nedideli matmenys suteikė galimybę kitiems
gamintojams integruoti PDP-8 į kompleksines sistemas ir jas perpardavinėti.
Šiuos gamintojus vadina originalios įrangos gamintojais {Original Equipment
Manufactures – OEM}.
PDP-8 kompiuterių šeima (1.4 lentelė) užėmė rinkos sektorių, anksčiau
priklausiusį IBM kompiuteriams, ir suteikė DEC kompanijai galimybę būti
antroje vietoje tarp kompiuterių gamintojų greta IBM.
1.4 lentelė. PDP-8 kompiuterių evoliucija
[pic]
Priešingai nei IBM 700/7000 ir System/360 architektūroje su centriniu
skirstytuvu (1.11 pav.) vėlesniuose PDP-8 modeliuose pradėta taikyti
struktūra, kuri dabar tapo standartine mini- ir mikrokompiuteriuose –
struktūra su sistemine magistrale (1.12 pav.). PDP-8 sisteminę magistralę
(tiesiogiai išvertus PDP-8 kūrėjų pavadinta autobusu – {Omnibus}) sudaro 96
laidininkai, kuriais siunčiami valdymo, adresų ir duomenų signalai. Visos
kompiuterio sistemos komponentės kolektyviai {share} ,,naudojasi“ bendra
signalinių laidininkų visuma, taigi jų taikymas turi būti valdomas CPĮ.
Tokia architektūra labai lanksti ir suteikia galimybę kurti įvairias
kompiuterio konfigūracijas.
1.3.5. Vėlesnės kompiuterių kartos
Po trečiosios kompiuterių kartos vis sunkiau prieinama bendro
susitarimo dėl kompiuterių klasifikavimo pagal kartas. 1.1 lentelėje
matyti, kad yra ir ketvirtoji, ir penktoji kompiuterių kartos, pagrįstos
integrinių schemų technologija. Didelės integracijos schemose viename
integrinės schemos {Large-Scale-Integration – LSI} luste galima suformuoti
per 1 000 elementų. Labai didelės integracijos schemose {Very-Large-Scale-
Integration – VLSI} išdėstoma daugiau nei 10 000 elementų, o dabartiniuose
VLSI lustuose jų galima suformuoti per milijoną.
Sparčiai besivystant gamybos technologijoms, dažnai atsirandant naujų
produktų, didėjant programinės įrangos ir telekomunikacijų svarbai,
kompiuterių klasifikavimas pagal kartas tampa netikslus ir mažiau svarbus.
Galima teigti, kad naujovės, įdiegtos kompiuterijoje praeito amžiaus 8-
ajame dešimtmetyje, turi įtakos iki šiol. Čia paminėsime tik dvi iš šių
naujovių.
Puslaidininkinė atmintis
XX a. 6-ajame ir 7-ajame dešimtmečiuose kompiuterių pagrindinė
atmintis būdavo konstruojama iš mažų (skersmuo neviršijo 2 mm)
feromagnetinių žiedelių (šerdelių). Šerdeles įnerdavo į plonų vielučių
tinklelį – suformuodavo atminties matricą. Ji buvo talpinama į magnetinį
ekraną ir išdėstoma kompiuteryje. Žiedelis {core}, įmagnetintas viena
kryptimi, atitikdavo vienetą; įmagnetintas priešinga kryptimi – nulį.
Magnetinė atmintis buvo palyginti sparti – bito skaitymas iš atminties
trukdavo trumpiau nei 1 ms, tačiau brangi, griozdiška, taikyta destruktyvus
skaitymo mechanizmas: kreiptis į šerdelę sunaikindavo jame esančius
duomenis. Todėl taikyta specialios schemos, atstatančios perskaitytuosius
duomenis.
1970 m. ,,Fairchild“ kompanija pagamino pirmą palyginti talpią
atminties mikroschemą. Lustas, kurio matmenys neviršijo vienos šerdelės
matmenų, galėjo saugoti 256 bitus. Skaitymas nebuvo destruktyvus ir vyko
daug sparčiau nei magnetinėje atmintyje. Bito skaitymas trukdavo apie 15
ns. Tačiau vienas bitas atsiėjo daugiau nei atminčiai esant iš šerdelių
(„korinė“ atmintis).
Puslaidininkinės atminties gamybos technologija nuolat tobulėjo, ir
1974 m. puslaidininkinės atminties vienas bitas tapo pigesnis nei
magnetinės atminties.
Nuo 1970 m. puslaidininkinės atminties raidoje pasikeitė aštuonios
kartos: 1K, 4K, 16K, 64K, 256K, 1M, 4M, ir dabar esti 16M bitų viename
luste. Kiekviena nauja karta keturgubino atminties talpą, mažino vieno bito
kainą ir kreipties trukmę.
Mikroprocesoriai
Didėjant elementų tankiui atminties mikroschemose, didėjo elementų
tankis ir procesoriaus lustuose. Laikui bėgant vis daugiau elementų buvo
išdėstoma viename luste ir vis mažiau lustų reikėjo kompiuterio
procesoriaus konstrukcijoje.
Lemiamas lūžis įvyko 1971 m., kai ,,Intel“ kompanija sukūrė i4004
mikroschemą. i4004 – pirmas lustas, kuriame buvo išdėstytos visos CPĮ
komponentės – sukurtas mikroprocesorius.
I4004 mikroprocesorius galėjo sudėti du 4 bitų skaičius, o daugyba
buvo atliekama atitinkamai kartojant sudėties operaciją. Pagal dabartinius
reikalavimus i4004 mikroprocesorius labai primityvus, tačiau juo prasidėjo
mikroprocesorių evoliucija.
Mikroprocesorių evoliucija akivaizdžiausia pagal bitų, kuriuos
procesorius gali vienu metu apdoroti, skaičių. Šio skaičiaus tikslaus mato
nėra, tačiau galbūt geriausiai tai atspindi procesoriaus išorinės
magistralės plotis. Kitu matu gali būti akumuliatoriaus arba bendrosios
paskirties registrų bitų skaičius. Kartais šie skaičiai sutampa, bet ne
visada. Pavyzdžiui mikroprocesorius gali operuoti 16 bitų skaičiais, tačiau
vienu metu nuskaityti arba įrašyti tik 8 bitus.
1972 m. ,,Intel“ sukūrė pirmąjį 8 bitų mikroprocesorių i8008, beveik
du kartus sudėtingesnį nei i4004. Ir i4004, ir i8008 buvo specialiosios
paskirties mikroprocesoriai (taikomi specialiais atvejais). Bendrosios
paskirties mikroprocesorių i8080 ,,Intel“ sukūrė 1974 m. Tai irgi 8 bitų
procesorius, tačiau spartesnis, su platesniu instrukcijų rinkiniu ir
tobulesniu adresavimu (1.5 lentelė).
1.5 lentelė. ,,Intel“ mikroprocesorių evoliucija
|Charakteristikos |Mikroprocesoriaus tipas |
|Instrukcijų skaičius |66 |111 |133 |154 |235 |
|Adresų magistralės |8 |16 |20 |32 |32 |
|plotis | | | | | |
|Duomenų magistralės |8 |8 |16 |32 |32 |
|plotis | | | | | |
|Vyksmaženklių {flag} |4 |5 |9 |14 |14 |
|skaičius | | | | | |
|Registrų skaičius |8 |8 |16 |8 |8 |
|Adresuojamosios |16 KB |64 KB |1 MB |4 GB |4 GB |
|atminties talpa | | | | | |
|Į/I prievadų {I/O |24 |256 |64 K |64 K |64 K |
|ports} skaičius | | | | | |
|Magistralės pralaidumas|– |0,75 MB/s|5 MB/s |32 MB/s |32 MB/s |
|Registrų turinio |– |1,3 ms |0,3 ms |0,125 ms|0,06 ms |
|sumavimo trukmė | | | | | |
Pramoninių asmeninių kompiuterių istorija prasidėjo 1971 metais, kai du
amerikiečiai Stivenas Džobsas ir Stivas Vozniakas garaže surinko
kompiuterį, kurį pavadino “Apple”. (Taip pat 1971 metais buvo sukurtas
pirmasis asmeninis kompiuteris “Kenbat – 1”, kurio parduota tik 40
vienetų.) Tuoj pat tokių kompiuterių įsigeidė Džobso ir Vozniako draigai.
Vaikinai įkūrė firmą, ir jau 1976 metais rinkoje pasirodė pirmasis
pramoninis asmeninio kompiuterio variantas “Apple – 2”.
Populiariausi iš jų yra IBM PC asmeniniai kompiuteriai. Firma IBM,
anksčiau gaminusi dideles skaičiavimo mašinas, 1981 metais išleido asmeninį
kompiuterį IBM PC, kuris ir tapo pirmuoju populiariausiu profesiniu
asmeniniu kompiuteriu. Plėtojantis mokslui ir technikai, firmos IBM
pirmtaką PC keitė kiti, tobulesni, modeliai: IBM PC/XT (1983 metai),
kuriame pirmą kartą įmontuotas kietasis 10 MB atminties diskas; IBM PC/AT
(1984 metai), PS/2 serijos modeliai 30, 60, 70, 80, … (1987 metai). Nuo
1993 metų gaminamas kompiuteris su “Pentium” procesoriumi (AT586). 1985
metų sukurtos grafinės vartotojo sąsajos priemonės “MS Windows”. Dabar
plačiai taikomi didelės talpos optiniai kompaktiniai diskai (CD ROM ) ir
daugialypė terpė.
Lietuvoje kompiuteriai pasirodė baigiantis šeštajam dešimtmečiui. Jie
buvo lempiniai, labai dideli, nepatikimi, be to, sudėtinga ir brangi jų
eksploatacija. 1960 metais pirmąjį kompiuterį įsigijo Mokslų Akademijos
Fizikos ir Matematikos institutas. 1963 metais Vilniaus universitete ir
Kauno politechnikos institute (dabar KTU) ėmė veikti kompiuteriai “Minsk –
14”, o nuo 1971 metų – “Minsk – 22”. 1964 metais Vilniaus skaičiavimo
mašinų gamykla pradėjo gaminti pirmuosius lietuviškus kompiuterius “Rūta”.
1986 metais “Nuklonas” pradėjo gaminti buitinius ir mokyklinius
mikrokompiuterius BK 0010Š. Tais pačiais metais Kauno politechnikos
institute kartu su Kauno radijo matavimų technikos MTI mokslininkais
sukurtas pirmasis originalus lietuviškas asmeninis kompiuteris
“Santaka”.[3]
Kompiuterių istorija yra vienas ilgas pasakojimas apie nuolat gerėjančius
jų veikos parametrus. Tuo pat metu pradedama suprasti, kad egzistuoja ribos
to, ką dar galima išspausti iš puslaidininkių. Karts nuo karto pasirodo
naujo tipo kompiuterių, naudojančių kitus kvantų fizikos principus ar
optinius komponentus, pasiūlymai. Bet, bent jau artimiausioje ateityje,
galime būti tikri, kad kasmet maždaug padvigubės ir puslaidininkiais
besiremiančių dabartinių kompiuterių galimybės. Mikroschemų raštas darosi
vis smulkesnis, atsiranda daugelį sluoksnių turinčios integrinės schemos,
todėl kompiuteriai tampa spartesni. Nauja, gudriau suplanuota kompiuterių
architektūra leidžia jiems vienu metu apdoroti daugiau uždavinių.
Tikėkimės, jog tokie galingi asmeniniai kompiuteriai greitai stovės ant
stalo ir daugelyje Lietuvos namų.[4]
LITERATŪRA
1. G. Leonavičius, R. Ališauskas, A. Balvočius, T. Balvočienė, V.
Brazdeikis, V. Gudonienė, A. Miežinienė “Informatikos skaitiniai” Kaunas
“Šviesa” 1996
2. A. Balčytienė, G. Leonavičius “Informatika 1” Vilnius “Baltic ECO” 1997
3. http://www.el.vtu.lt/distancija/ivadas3.htm
4. http://www.rtn.lt/mi/ssi/kompiuteris.html