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