Сучасній людині сьогодні важко уявити своє життя без електронно-обчислювальних машин (ЕОМ). В даний час будь-який бажаючий, у відповідності зі своїми запитами, може зібрати у себе на робочому столі повноцінний обчислювальний центр. Так було, звичайно, не завжди. Шлях людства до цього досягнення був важкий і тернистий. Багато століть тому люди хотіли мати пристосування, які допомагали б їм вирішувати різноманітні завдання. Багато з цих завдань вирішувалися послідовним виконанням деяких рутинних дій, або, як прийнято говорити зараз, виконанням алгоритму. З спроби винайти пристрій, здатний реалізувати найпростіші з цих алгоритмів (додавання і віднімання чисел), все і почалося ...
Блез Паскаль
Точкою відліку можна вважати початок XVII століття (1623 рік), коли вчений В. Шикард створив машину, яка вміє додавати і віднімати числа. Але першим арифмометром, здатним виконувати чотири основних арифметичних дії, став арифмометр знаменитого французького вченого і філософа Блеза Паскаля . Основним елементом у ньому було зубчасте колесо, винахід якого вже саме по собі стало ключовою подією в історії обчислювальної техніки. Хотілося б відзначити, що еволюція в області обчислювальної техніки носить нерівномірний, стрибкоподібний характер: періоди накопичення сил змінюються проривами в розробках, після чого настає період стабілізації, під час якого досягнуті результати використовуються практично і одночасно накопичуються знання і сили для чергового ривка вперед. Після кожного витка процес еволюції виходить на новий, більш високий щабель.
Густав Лейбніц
У 1671 році німецький філософ і математик Густав Лейбніц також створює арифмометр на основі зубчастого колеса особливій конструкції - зубчасті колеса Лейбніца. Арифмометр Лейбніца, як і арифмометри його попередників, виконував чотири основних арифметичних дії. На цьому даний період закінчився, і людство протягом майже півтора століття копіло сили і знання для наступного витка еволюції обчислювальної техніки. XVIII і XIX століття були часом, коли бурхливо розвивалися різні науки, в тому числі математика і астрономія. У них часто виникали завдання, що вимагають тривалих і трудомістких обчислень.
Чарльз Беббідж
Ще однією відомою людиною в історії обчислювальної техніки став англійський математик Чарльз Беббідж . У 1823 році Беббідж почав працювати над машиною для обчислення поліномів, але, що більш цікаво, ця машина повинна була, крім безпосереднього виробництва обчислень, видавати результати - друкувати їх на негативній пластині для фотодруку. Планувалося, що машина буде приводитися в дію паровим двигуном. Через технічні труднощі Беббіджу до кінця не вдалося реалізувати свій проект. Тут вперше виникла ідея використовувати деяку зовнішню (периферійне) пристрій для видачі результатів обчислень. Відзначимо, що інший учений, Шойц, в 1853 році все ж реалізував машину, задуману Беббіджем (вона вийшла навіть менше, ніж планувалася). Напевно, Беббіджу більше подобався творчий процес пошуку нових ідей, ніж втілення їх в щось матеріальне. У 1834 році він виклав принципи роботи чергової машини, яка була названа їм «Аналітичної». Технічні труднощі знову не дозволили йому до кінця реалізувати свої ідеї. Беббідж зміг довести машину лише до стадії експерименту. Але саме ідея є двигуном науково-технічного прогресу. Чергова машина Чарльза Беббіджа була втіленням наступних ідей:
- Управління виробничим процесом. Машина керувала роботою ткацького верстата, змінюючи узор створюваної тканини в залежності від поєднання отворів на спеціальній паперовій стрічці. Ця стрічка стала попередницею таких знайомих нам всім носіїв інформації, як перфокарти і перфострічки.
- Програмованість. Роботою машини також керувала спеціальна паперова стрічка з отворами. Порядок проходження отворів на ній визначав команди і оброблювані цими командами дані. Машина мала арифметичний пристрій і пам'ять. До складу команд машини входила навіть команда умовного переходу, що змінює хід обчислень в залежності від деяких проміжних результатів.
У розробці цієї машини брала участь графиня Ада Августа Лавлейс, яку вважають першою в світі програмістом.
Ідеї Чарльза Беббіджа розвивалися і використовувалися іншими вченими. Так, в 1890 році, на рубежі XX століття, американець Герман Холлерит розробив машину, що працює з таблицями даних (перший Excel?). Машина управлялася програмою на перфокартах. Вона використовувалася при проведенні перепису населення в США в 1890 році. У 1896 році Холлерит заснував фірму, яка з'явилася попередницею корпорації IBM. Зі смертю Беббіджа в еволюції обчислювальної техніки настав чергову перерву аж до 30-х років XX століття. Надалі все розвиток людства стало немислимим без комп'ютерів.
У 1938 році центр розробок ненадовго зміщується з Америки в Німеччину, де Конрад Цузе створює машину, яка оперує, на відміну від своїх попередниць, що не десятковими числами, а двійковими. Ця машина також була все ще механічної, але її безсумнівним гідністю було те, що в ній була реалізована ідея обробки даних в двійковому коді. Продовжуючи свої роботи, Цузе в 1941 році створив електромеханічну машину, арифметичний пристрій якої було виконано на базі реле. Машина вміла виконувати операції з плаваючою точкою.
За океаном, в Америці, в цей період також йшли роботи по створенню подібних електромеханічних машин. У 1944 році Говард Ейкен спроектував машину, яку назвали Mark-1 . Вона, як і машина Цузе, працювала на реле. Але через те, що ця машина явно була створена під впливом робіт Беббіджа, вона оперувала з даними в десяткового формі.
Природно, через велику питому вагу механічних частин ці машини були приречені. Потрібно було шукати нову, більш технологічну елементну базу. І тоді згадали про винахід Фореста, який в 1906 році створив трьох електродний вакуумну лампу, названу тріодом. В силу своїх функціональних властивостей вона стала найбільш природною заміною реле. У 1946 році в США, в університеті міста Пенсільванія, була створена перша універсальна ЕОМ - ENIAC . ЕОМ ENIAC містила 18 тис. Ламп, важила 30 тонн, займала площу близько 200 квадратних метрів і споживала величезну потужність. У ній все ще використовувалися десяткові операції, і програмування здійснював вісь шляхом комутації роз'ємів і установки перемикачів. Природно, що таке «програмування» тягло за собою появу безлічі проблем, викликаних, перш за все, невірної установкою перемикачів. З проектом ENIAC пов'язане ім'я ще однієї ключової фігури в історії обчислювальної техніки - математика Джона фон Неймана. Саме він вперше запропонував записувати програму і її дані в пам'ять машини так, щоб їх можна було при необхідності модифікувати в процесі роботи. Цей ключовий принцип, був використаний в подальшому при створенні принципово нової ЕОМ EDVAC (1951 рік). У цій машині вже при змінюється двоичная арифметика і використовується оперативна пам'ять, побудована на ультразвукових ртутних лініях затримки. Пам'ять могла зберігати 1024 слова. Кожне слово складалося з 44 двійкових розрядів.
Після створення EDVAC людство усвідомило, які висоти науки і техніки можуть бути досягнуті тандемом людина-комп'ютер. Дана галузь стала розвиватися дуже швидко і динамічно, хоча тут теж спостерігалася деяка періодичність, пов'язана з необхідністю накопичення певного багажу знань для чергового прориву. До середини 80-х років процес еволюції обчислювальної техніки прийнято ділити на покоління. Для повноти викладу дамо цим поколінням короткі якісні характеристики:
Перше покоління ЕОМ (1945-1954 рр.) У цей період формується типовий набір структурних елементів, що входять до складу ЕОМ. До цього часу у розробників вже склалося приблизно однакове уявлення про те, з яких елементів повинна складатися типова ЕОМ. Це - центральний процесор (ЦП), оперативна пам'ять (або оперативно запам'ятовуючий пристрій - ОЗП) і пристрої введення-виведення (УВВ). ЦП, в свою чергу, повинен складатися з арифметико-логічного пристрою (АЛП) і керуючий пристрій (КП). Машини цього покоління працювали на лампової елементної бази, через що поглинали величезну кількість енергії і були дуже НЕ ненадійні. З їх допомогою, в основному, вирішувалися наукові завдання. Програми для цих машин вже можна було складати не на машинній мові, а на мові асемблера.
Друге покоління ЕОМ (1955-1964 рр.). Зміну поколінь визначило появу нової елементної бази: замість громіздкої лампи в ЕОМ стали застосовуватися мініатюрні транзистори, лінії затримки як елементи оперативної пам'яті змінила пам'ять на магнітних сердечниках. Це в кінцевому підсумку призвело до зменшення габаритів, підвищенню надійності і продуктивності ЕОМ. В архітектурі ЕОМ з'явилися індексні регістри і апаратні засоби для виконання операцій з плаваючою точкою. Були розроблені команди для виклику підпрограм.
З'явилися мови програмування високого рівня - Algol, FORTRAN, COBOL, - створили передумови для появи стерпного програмного забезпечення, що не залежить від типу ЕОМ. З появою мов високого рівня виникли компілятори для них, бібліотеки стандартних підпрограм і інші добре знайомі нам зараз речі.
Важливе нововведення, яке хотілося б відзначити, - це поява так званих процесорів вводу-виводу. Ці спеціалізовані процесори дозволили звільнити центральний процесор від управління введенням-виведенням і здійснювати введення-виведення за допомогою спеціалізованого пристрою одночасно з процесом обчислень. На цьому етапі різко розширилося коло користувачів ЕОМ і зросла номенклатура вирішуваних завдань. Для ефективного управління ресурсами машини стали використовуватися операційні системи (ОС).
Третє покоління ЕОМ (1965-1970 рр.). Зміна поколінь знову була обумовлена оновленням елементної бази: замість транзисторів в різних вузлах ЕОМ стали використовуватися інтегральні мікросхеми різного ступеня інтеграції. Мікросхеми дозволили розмістити десятки елементів на пластині розміром в декілька сантиметрів. Це, в свою чергу, не тільки підвищило продуктивність ЕОМ, але і знизило їх габарити і вартість. З'явилися порівняно недорогі і малогабаритні машини - Міні-ЕОМ. Вони активно використовувалися для управління різними технологічними виробничими процесами в системах збору та обробки інформації.
Збільшення потужності ЕОМ зробило можливим одночасне виконання декількох програм на одній ЕОМ. Для цього потрібно було навчитися координувати між собою одночасно виконуються дії, для чого були розширені функції операційної системи.
Одночасно з активними розробками в області апаратних і архітектурних рішень зростає питома вага розробок в області технологій програмування. У цей час активно розробляються теоретичні основи методів програмування, компіляції, баз даних, операційних систем і т. Д. Створюються пакети прикладних програм для самих різних галузей життєдіяльності людини.
Тепер вже стає недозволеною розкішшю переписувати всі програми з появою кожного нового типу ЕОМ. Спостерігається тенденція до створення сімейств ЕОМ, тобто машини стають сумісні знизу вгору на програмно-апаратному рівні. Перша з таких родин була серія IBM System / 360 і наш вітчизняний аналог цього комп'ютера - ЄС ЕОМ.
Четверте покоління ЕОМ (1970-1984 рр.). Чергова зміна елементної бази привела до зміни поколінь. У 70-ті роки активно ведуться роботи зі створення великих і надвеликих інтегральних схем (ВІС і НВІС), які дозволили розмістити на одному кристалі десятки тисяч елементів. Це спричинило подальше істотне зниження розмірів і вартості ЕОМ. Робота з програмним забезпеченням стала більш дружньою, що спричинило за собою зростання кількості користувачів.
В принципі, при такому ступені інтеграції елементів стало можливим спробувати створити функціонально повну ЕОМ на одному кристалі. Відповідні спроби були зроблені, хоча вони і зустрічалися, в основному, недовірливою посмішкою. Напевно, цих посмішок стало б менше, якби можна було передбачити, що саме ця ідея стане причиною вимирання великих ЕОМ за якихось півтора десятка років.
Проте на початку 70-х років фірмою Intel був випущений мікропроцесор (МП) 4004. І якщо до цього в світі обчислювальної техніки були тільки три напрямки (супер ЕОМ, великі ЕОМ (мейнфрейми) і міні-ЕОМ), то тепер до них додалося ще одне - мікропроцесорний. У загальному випадку під процесором розуміють функціональний блок ЕОМ, призначений для логічної і арифметичної обробки інформації на основі принципу мікропрограмного управління. За апаратної реалізації процесори можна розділити на мікропроцесори (повністю інтегровані всі функції процесора) і процесори з малої і середньої інтеграцією. Конструктивно це виражається в тому, що мікропроцесори реалізують всі функції процесора на одному кристалі, а процесори інших типів реалізують їх шляхом з'єднання великої кількості мікросхем.
Intel 4004
Отже, перший мікропроцесор 4004 був створений фірмою Intel на рубежі 70-х років. Він представляв собою 4-розрядний паралельний обчислювальний пристрій, і його можливості були сильно обмежені. 4004 міг виробляти чотири основні арифметичні операції і застосовувався спочатку тільки в кишенькових калькуляторах. Пізніше сфера його застосування була розширена за рахунок використання в різних системах управління (наприклад, для управління світлофорами). Фірма Intel, правильно вгадавши перспективність мікропроцесорів, продовжила інтенсивні розробки, і один з її проектів в кінцевому підсумку привів до великого успіху, визначити майбутнє шлях розвитку обчислювальної техніки.
Intel 8080
Ним став проект по розробці 8-розрядного процесора 8080 (1974 г.). Цей мікропроцесор мав досить розвинену систему команд і вмів ділити числа. Саме він був використаний при створенні персонального комп'ютера Альтаїр, для якого молодий Біл Гейтс написав один зі своїх перших інтерпретаторів мови BASIC. Напевно, саме з цього моменту слід вести відлік 5-го покоління.
П'яте покоління ЕОМ (1984 г. - наші дні) можна назвати мікропроцесорним. Зауважте, що четверте покоління закінчилося тільки на початку 80-х, тобто батьки в особі великих машин і їх швидко дорослішаючої і набирає сили «чадо» Протягом майже 10 років відносно мирно існували разом. Для них обох це час пішло тільки на користь. Проектувальники великих комп'ютерів накопичили величезний теоретичний і практичний досвід, а програмісти мікропроцесорів зуміли знайти свою, хай спочатку дуже вузьку, нішу на ринку.
Intel 8086
У 1976 році фірма Intel закінчила розробку 16-розрядного процесора 8086. Він мав досить велику розрядність регістрів (16 біт) і системної шини адреси (20 біт), за рахунок чого міг адресувати до 1 Мбайт оперативної пам'яті.
У 1982 році був створений 80286. Цей процесор був поліпшений варіант 8086. Він підтримував вже кілька режимів роботи: реальний, коли формування адреси вироблялося за правилами i8086, і захищений, який апаратно реалізовував багатозадачність і управління віртуальною пам'яттю. 80286 мав також велику розрядність шини адреси - 24 розряду проти 20 у 8086, і тому він міг адресувати до 16 Мбайт оперативної пам'яті. Перші комп'ютери на базі цього процесора з'явилися в 1984 році. За своїми обчислювальним можливостям цей комп'ютер став зіставимо з IBM System / 370. Тому можна вважати, що на цьому четверте покоління розвитку ЕОМ завершилося.
Intel 80286
У 1985 році фірма Intel представила перший 32-розрядний мікропроцесор 80386, апаратно сумісний знизу вгору з усіма попередніми процесорами цієї фірми. Він був набагато могутніше своїх попередників, мав 32-розрядну архітектуру і міг прямо адресувати до 4 Гбайт оперативної пам'яті. Процесор 386 став підтримувати новий режим роботи - режим віртуального 8086, який забезпечив не тільки велику ефективність роботи програм, розроблених для 8086, але і дозволив здійснювати паралельну роботу декількох таких програм. Ще одне важливе нововведення - підтримка сторінкової організації оперативної пам'яті - дозволило мати віртуальний простір пам'яті розміром до 4 Тбайт.
Intel 80386
Процесор 386 БУВ дере мікропроцесором, в якому вікорістовувалася паралельна обробка. Так, одночасно здійснювалися: доступ до пам'яті і пристроїв введення-виведення, розміщення команд в черзі для виконання, їх декодування, перетворення лінійної адреси в фізичний, а також сторінкове перетворення адреси (інформація про 32-х найбільш часто використовуваних сторінках містилася в спеціальну кеш пам'ять).
Intel 80486
Незабаром після процесора 386 з'явився 486. У його архітектурі отримали подальший розвиток ідеї паралельної обробки. Пристрій декодування і виконання команд було організовано у вигляді п'ятиступінчастого конвеєра, на другому в різній стадії виконання могло перебувати до 5 команд. На кристал була поміщена кеш-пам'ять першого рівня, яка містила часто використовувані код і дані. Крім цього, з'явилася кеш-пам'ять другого рівня ємністю до 512 Кбайт. З'явилася можливість будувати багатопроцесорні конфігурації. У систему команд процесора були додані нові команди. Всі ці нововведення, поряд із значним (до 133 МГц) підвищенням тактової частоти мікропроцесора, значно дозволили підвищити швидкість виконання про грам.
З 1993 року стали випускатися мікропроцесори Intel Pentium. Їх поява, початку запаморочилось помилкою в блоці операцій з плаваючою крапкою. Ця помилка була швидко усунена, але недовіра до цих мікропроцесорах ще деякий час залишалося.
Intel Pentium
Pentium продовжив розвиток ідей паралельної обробки. У пристрій декодування і виконання команд був доданий другий конвеєр. Тепер два конвеєра (званих u і v) разом могли виконувати дві інструкції за такт. Внутрішній кеш був збільшений вдвічі - до 8 Кбайт для коду і 8 Кбайт для даних. Процесор став більш інтелектуальним. У нього була додана можливість передбачення розгалужень, в зв'язку з чим значно зросла ефективність виконання нелінійних алгоритмів. Незважаючи на те що архітектура системи залишалася все ще 32-розрядної, усередині мікропроцесора стали використовуватися 128 і 256-розрядні шини передачі даних. Зовнішня шина даних була збільшена до 64 біт. Продовжили свій розвиток технології, пов'язані з багатопроцесорної обробкою інформації.
Поява мікропроцесора Pentium Pro розділило ринок на два сектори - високопродуктивних робочих станцій і дешевих домашніх комп'ютерів. У процесорі Pentium Pro були реалізовані самі передові технології. Зокрема був доданий ще один конвеєр до наявних двох у процесора Pentium. Тим самим за один такт роботи мікропроцесор став виконувати до трьох інструкцій.
Intel Pentium II
Більш того, процесор Pentium Pro дозволив здійснювати динамічну дію команд (Dynamic Execution). Суть його в тому, що три пристрої декодування команд, працюючи паралельно, ділять команди на більш дрібні частини, звані мікрооперацій. Далі ці мікрооперації можуть виконуватися паралельно п'ятьма пристроями (двома цілочисельними, двома з плаваючою точкою і одним пристроєм інтерфейсу з пам'яттю). На виході ці інструкції знову збираються в первісному вигляді і порядку. Міць Pentium Pro доповнюється вдосконаленою організацією його кеш-пам'яті. Як і процесор Pentium, він має 8 Кбайт кеш-пам'яті першого рівня і 256 Кбайт кеш-пам'яті другого рівня. Однак за рахунок схемних рішень (використання архітектури подвійної незалежної шини) кеш-пам'ять другого рівня розташували на одному кристалі з процесором, що значно підвищило продуктивність. В Pentium Pro реалізували 36-розрядну адресну шину, що дозволило адресувати до 64 Гбайт оперативної пам'яті.
Процес розвитку сімейства звичайних процесорів Pentium теж не стояв на місці. Якщо в процесорах Pentium Pro паралелізм обчислень був реалізований за рахунок архітектурних і схемотехнічних рішень, то при створенні моделей процесора Pentium пішли іншим шляхом. У них включили нові команди, для підтримки яких дещо змінили програмну модель мікропроцесора. Ці команди, що отримали назву MMX-команд (MultiMedia eXtention - мультимедійне розширення системи команд), дозволили одночасно обробляти кілька одиниць однотипних даних.
Intel Pentium III
Наступний випущений в світло процесор, названий Pentium II, об'єднав в собі всі технологічні досягнення обох напрямків розвитку архітектури Pentium. Крім цього він мав нові конструктивні особливості, зокрема, його корпус виконаний відповідно до новою технологією виготовлення корпусів. Не забутий і ринок портативних комп'ютерів, в зв'язку з чим процесором підтримуються кілька режимів енергозбереження.
Процесор Pentium III. Традиційно він підтримує всі досягнення своїх попередників, головне (��, можливо, єдине ?!) його гідність - наявність нових 70 команд, Ці команди доповнюють групу MMX-команд, але для чисел з плаваючою точкою. Для підтримки цих команд в архітектуру процесора був включений спеціальний блок.
?, можливо, єдине ?