Історія розвитку обчислювальної техніки

У 1623 – 1624 рр. професор Тюбінгського університету Вільгельм Шиккард у листах до Йоганна Кеплера описав конструкцію обчислювальної системи, в якій були механізовані операції додавання та віднімання, а операції множення та ділення – напівмеханізовані. У 1642 р. французький математик і фізик Блез Паскаль створив першу модель обчислювальної машини, котра могла виконувати всі чотири арифметичні дії (до наших днів збереглося вісім машин Паскаля).

Особливу роль у розвитку обчислювальної техніки відіграли роботи англійського вченого Чарльза Беббіджа. У 1823 р. він проектує так звану "різницеву" автоматичну машину для обчислення значень многочленів без втручання людини в процес рахунку, тобто автоматично. У період з 1833 по 1871 роки Ч. Беббідж розробляє схему "аналітичної" машини, де реалізовані принципи, які лежать в основі і сучасних комп`ютерних систем, а саме: принцип програмного управління та принцип програми, що запам`ятовується машиною для розв`язання задачі. У цей час дочка Джорджа Гордона Байрона леді Ада Лавлейс створює перші програми для машини Ч. Беббіджа.

Ще одним важливим етапом на шляху створення ЕОМ стали роботи англійського математика Джорджа Буля "Математичний аналіз логіки" (1847 р.) та "Закони мислення" (1854 р.), в яких були викладені основи алгебри логіки (інші назви: алгебра висловлювань, булева алгебра). На основі булевої алгебри ґрунтується теорія релейно-контактних схем та практика конструювання складних дискретних автоматів, що використовуються й у сучасній обчислювальній техніці.

Початком ери ЕОМ вважають 1945–1946 рр., коли американські вчені Проспер Еккерт і Джон Моучлі сконструювали в Пенсільванському університеті першу ЕОМ "ENIAC" (Electronic Numerical Integrator and Computer). "ENIAC" мала 1800 електронних ламп, 150000 електромеханічних реле, а її потужність становила 150 кВт. Зрозуміло, що ця машина була дуже громіздкою, складною в управлінні (у ній навіть не застосовувався принцип змінної програми: щоб поміняти програму, необхідно було перепаювати схему), ненадійною в роботі, мала ряд інших недоліків.

Але ж це – перша електронно-обчислювальна машина!

У 1945 р. американський математик Джон фон Нейман запропонував концепцію ЕОМ, у пам`ять якої вводились як дані, для опрацювання, так і програма їх опрацювання. За цією концепцією у 1949 р. у Кембриджському університеті (Англія) під керівництвом професора Моріса Уїлкса була створена машина "EDSAC", що мала всі необхідні компоненти сучасної ЕОМ.

У нашій країні розробки ЕОМ починаються також у 40-х роках ХХ сторіччя. У 1951 р. у Києві під керівництвом професора С.А. Лебедєва вводиться в експлуатацію ЕОМ, яку назвали "МЭСМ" (російською мовою "малая электронно-счётная машина").

П`ятдесяті та наступні роки стали періодом бурхливого розвитку обчислювальної техніки і за кордоном, і в нашій країні. Так, у 1951 р. з`являються перші серійні ЕОМ в Англії (комп`ютер "UNIVAC-1"), у США (комп`ютери фірми ІВМ), а в 1952–1953 рр. і в нашій країні (ЕОМ "БЭСМ", "Стрела", М-2). У середині шістдесятих років кількість комп`ютерів у світі становила близько 40 тисяч, на початку сімдесятих ця цифра досягла 140 тисяч, у середині вісімдесятих – майже 500 тисяч, а в кінці дев`яностих – декілька мільйонів штук.

ЕОМ "ЕNIAC" (1945 р.) призначалася для розв`язання задач балістики, а також для науково-технічних розрахунків, подібних до відповідних задач балістики. Через 20 років американський журнал "Computer's and Automation" назвав понад 600 галузей застосування комп`ютерів. У 1973 р. цей журнал нарахував майже 2500 професій комп`ютера. У наш час не існує сфери людської діяльності, в якій не застосовували б комп`ютери.

У розвитку ЕОМ існує своєрідна періодизація: прийнято говорити про покоління ЕОМ.

Перше покоління (1945 р. – середина 50-х років) – це машини з швидкодією 10 – 20 тис. операцій в секунду (ІВМ, "БЭСМ-1,-2", "Мінськ - 1, -12", М – 20, "Урал – 2, - 4"). Характерні риси ЕОМ першого покоління: громізкість; велике споживання енергії; низька швидкодія; елементна база – електронні лампи; розділення пам`яті машини на швидкодіючу оперативну обмеженого обсягу на магнітних осередях та повільнодіючу неоперативну значно більшого обсягу на магнітних барабанах; уведення даних із перфострічок та перфокарт.

Першим кроком до зменшення розмірів ЕОМ став винахід транзисторів – мініатюрних пристроїв, що замінили електронні лампи. Транзистори виготовлялися кожен окремо, і, збираючи, їх треба було об`єднати і запаяти. У 1958 році Джек Кілбі придумав, як на одній пластині напівпровідника отримати декілька транзисторів. У 1959 році Роберт Нойс (майбутній засновник фірми Інтел) винайшов більш досконалий метод, який дозволяв не тільки розмістити на одній пластині потрібні транзистори, але й відповідно їх об`єднати. Ці електронні схеми отримали назву інтегральних схем, або чіпів.

Друге покоління (50-ті–60-ті роки ХХ століття) – це ЕОМ на базі дискретних напівпровідників з швидкодією в декілька сотень тис. операцій в секунду ("ATLAS" виробництво Англії, "Streth" – США, "БЭСМ-6", "Наири", "Наири - 2", "Промінь", "Урал – 11" - СРСР). Зменшилися розміри машин, споживання енергії, поліпшилася структура.

Комп`ютери третього покоління (середина 60-х – початок 70-х років ХХ століття) працювали зі швидкодією в декілька мільйонів операцій за секунду. Це досягалося застосуванням у них інтегральних схем. У складі цих ЕОМ з`явилися пристрої (вони отримали назву каналів), які забезпечували обмін даними між оперативною пам`яттю та іншими блоками ЕОМ. Представниками цих ЕОМ були комп`ютери типу ІВМ – 360 та ЄС "Ряд – 1".

У 1970 році фірма Інтел почала продавати інтегральні схеми пам`яті. У цьому ж році була сконструйована інтегральна схема, аналогічна за своїми функціями центральному процесорові великої ЕОМ, яку назвали мікропроцесором.

Перший комп`ютер ІВМ РС був запропонований користувачам у 1981 році. Він вигідно відрізнявся від усіх попередників тим, що будувався за принципом відкритої архітектури. Тобто фірма зробила його не єдиною системою, як раніше, а забезпечила можливість його збирання аналогічно до дитячого конструктора. Одначе, саме це досягнення й не дало можливості фірмі ІВМ користуватися результатами власного успіху.

Фірма ІВМ розраховувала, що відкритість архітектури дозволить незалежним виробникам розробляти різні додаткові пристрої, завдяки чому зросте популярність комп`ютера. Але відразу ж з`явилося багато виробників більш дешевших комплектуючих, повністю аналогічних тим, які застосовувалися в комп`ютері IBM PC.

Найбільше виграли користувачі, отримавши можливість збирати комп`ютер на свій розсуд, не обмежуючись досягненнями будь-якої однієї фірми.

В ЕОМ четвертого покоління (70-і – початок 80-х років ХХ століття) за рахунок використання великих інтегральних схем швидкодія досягла десятків мільйонів операцій за секунду. Ці ЕОМ мали в своєму складі декілька центральних процесорів, а це забезпечувало одночасне розв'язання декількох завдань (власне, такі ЕОМ уже належали до обчислювальних систем). Представниками цих ЕОМ були комп`ютери типу ІВМ-370 та ЄС "Ряд – 2, - 3".

Комп`ютери п`ятого покоління (початок 80-х років ХХ сторіччя – по наш час) працюють на надвеликих інтегральних схемах зі швидкодією в сотні мільйонів операцій за секунду. Представниками цих ЕОМ є персональні комп`ютери типу ІВМ РС та типу Macintosh, ІВМ РС – сумісні ПК, міні ЕОМ (DEC, Hewlett – Packard, Sun та ін.), великі ЕОМ (мейнфрейми, найбільшим виробником яких залишається фірма IВM) та супер-ЕОМ (Gray Research, Hitachi тощо). До складу комп`ютерів п`ятого покоління входять різноманітні термінали (дисплеї, сканери, накопичувачі на магнітних та компакт-дисках, лазерні кольорові принтери, апаратні засоби для прискорення процесів тривимірного моделювання, анімації тощо).

Покоління процесорів x86

Сімейство x86 нараховує 7 поколінь процесорів:

Перше покоління (процесори 8086, 8080 і математичний сопроцесор 8087) заклало архітектурну основу – набір нерівноправних 16-розрядних регістрів, сегментну систему адресації пам’яті у межах 1Мбайт з великим різноманіттям режимів, систему команд, систему переривань та ін. В процесорах застосовувалась „мала” конвеєризація – поки одні вузли виконували поточну інструкцію, блок попередньої вибірки вибирав з пам’яті наступну. На виконання інструкції було потрібно в середньому 12 тактів процесорного ядра.

Друге покоління (80286 із сопроцесором 80287) принесло захищений режим, що дозволяє задіяти віртуальну пам’ять розміром до 1Гбайт для кожної задачі, користуючись адресованою фізичною пам’яттю у межах 16Мбайт. Захищений режим є основою для побудови багатозадачних операційних систем, в яких жорстко регламентуються взаємовідношення задач з пам’яттю. На виконання інструкції – в середньому 4,5 тактів.

Третє покоління (386/387 DX і SX) – перехід до 32-розрядної архітектури IA-32. Збільшився об’єм адресованої пам’яті (до 4Гбайт реальної, 64Тбайт віртуальної). В систему команд введено можливість переключення розрядності адресації і даних. На виконання інструкції – ті самі 4,5 тактів, але тактова частота досягла 40МГц.

Четверте покоління (486 DX і SX) у видиму архітектурну модель великих змін не внесло, але було прийнято ряд заходів для збільшення продуктивності. Значно ускладнений виконавчий конвеєр – основні операції виконує RISC-ядро, „завдання” для якого готуються з вхідних CISC-інструкцій. На виконання інструкції – в середньому 2 такти. Введено швидкодіючий первинний кеш об’ємом 8-16 Кбайт. Відмовились від зовнішнього математичного сопроцесора: тепер він розміщується на одному кристалі з центральним (FPU – Floating-Point Unit), або відсутній взагалі. Тактова частота досягла 100МГц (Intel) і 133МГц (AMD).

П’яте покоління (Intel Pentium, AMD K5) привнесло суперскалярну архітектуру. Після блоків попередньої вибірки і першої стадії декодування інструкцій є два конвеєра, U-конвеєр і V-конвеєр. Кожен з них має ступіні кінцевого декодування, виконання інструкцій і буфер запису результатів. На виконання інструкції – в середньому 1 такт. Застосовується блок передбачення розгалужень. Для швидкого забезпечення конвеєрів інструкціями і даними з пам’яті шина даних процесорів є 64-розрядною. З’являється розширення MMX (Multimedia Extensions), яке застосовує принцип SIMD: одна інструкція виконує дії одразу з декількома (2, 4 або 8) комплектами операндів.

Шосте покоління процесорів Intel (мікроархітектура P6: Pentium Pro, Pentium II, Pentium III, Celeron, Xeon). Характерна риса – динамічне виконання, під котрим розуміється виконання інструкцій не в тому порядку (out of order), як передбачено програмним кодом, а в тому, як „зручно” процесору. Інструкції, які поступають на конвеєр, розбиваються на мікрооперації μ-ops, які надалі виконуються суперскалярним процесорним ядром у порядку, зручному процесору. Результати „невпорядкованого” виконання операції збираються в упорядкувальному буфері та в коректному порядку записуються в пам’ять (і порти в/в). Застосовується апаратне перейменування регістрів. Реалізовано виконання по припущенню. Середня кількість тактів на інструкцію (Pentium Pro) скоротилося до 0,5. Введено подвійну незалежну шину (DIB), яка зв’язує процесор із вторинним кешем, що знаходиться в одній упаковці з процесором. AMD у своїх процесорах 6-го покоління (K6) реалізувала невпорядковане виконання, а подвійна шина з’явилася лише в K6-III. Шосте покоління отримало потокове розширення 3DNow! (AMD) і SSE – Streaming SIMD Extension (Intel).

Сьоме покоління (у AMD) почалося з процесора Athlon, в якому суперскалярність і суперконвеєрність охопили блок FPU. Intel розпочала 7 покоління процесором Pentium 4.