05 - Архітектура персонального комп'ютераТема 1 - Історія розвитку комп’ютерної техніки Стислий конспект

Ключові терміни:

біологічний комп'ютер, електронна лампа, елементарна операція комп'ютера, квантовий комп'ютер, молекулярний комп'ютер, мікропроцесор, нейрокомп'ютер, оптоелектронний комп'ютер, транзистор, інтегральна схема, інформаційна революція

1.1 Ручні і механічні засоби обчислень раннього періоду

Одним з перших пристроїв (V-IV ст. до н.е.), що полегшують обчислення, можна вважати спеціальну дошку, названу згодом абак. В Греції абак існував вже в V ст. до н.е., у японців він називався «серобаян», у китайців - «суанпан». В Древній Русі для рахунків застосовувався пристрій, схожий на абак, - «російський щот». У XVII ст. цей прилад знайшов вид звичних російських рахунків.

Французький математик і філософ Блез Паскаль у 1642 р створив першу машину, що «підсумовує» - Паскалін. Механічний пристрій у вигляді ящика з багатьма шестернями окрім складання виконувала і віднімання. Числа вводилися в машину за допомогою повороту набірних коліщат, які відповідали числам від 0 до 9. Відповідь з'являлась у верхній частині металевого корпусу.

У 1673 році Готфрід Вільгельм Лейбніц створив механічний лічильний пристрій (ступінчастий обчислювач Лейбніца - Колесо Лейбніца), який не тільки складав і віднімав, а ще множив, ділив і обчислював квадратний корінь.

Англійський математик Чарльз Беббідж розробив пристрій, який не тільки виконував арифметичні дії, але і відразу ж друкував результати. У 1832 була побудована десятикратно зменшена модель з двох тисяч латунних деталей, що важила три тонни, але здатна виконувати арифметичні операції з точністю до шостого знака після коми і обчислювати похідні другого порядку. Ця обчислювальна машина стала прообразом справжніх комп'ютерів, називалась вона диференціальна машина.

Автоматизована обробка даних з'явилася в кінці минулого століття в США. Герман Холлеріт створив пристрій - Табулятор Холлеріта - в якому інформація, нанесена на перфокарти, розшифровувалася електричним струмом.

У 1936 році молодий вчений з Кембриджу Алан Тьюринг придумав уявний рахунковий апарат-комп'ютер, який існував тільки на папері. Його «розумна машина» діяла за певним заданим алгоритмом. В залежності від алгоритму, уявна машина могла застосовуватися для самих різноманітних цілей. Однак на той час це були суто теоретичні міркування та схеми, котрі послужили прототипом програмованого комп'ютера, як обчислювального пристрою, що обробляє дані у відповідності з певною послідовністю команд.

В історії розвитку цивілізації відбулося кілька інформаційних революцій - перетворень соціальних суспільних відношеь в наслідок змін в області обробки, зберження та передачі інформації.

Перша революція пов'язана з винаходом писемності, що привело до гігантського якісного і кількісного стрибка. З'явилася можливість передачі знань від покоління до поколінь.

Друга (середина XVI ст.) революція викликана винаходом друкарства, яке радикально змінило індустріальне суспільство, культуру, організацію діяльності.

Третя (кінець XIX ст.) революція зумовлена відкриттям електрики, завдяки чому з'явилися телеграф, телефон, радіо, які дозволяють оперативно передавати і накопичувати інформацію в будь-якому обсязі.

Четверта (70-і рр.. XX ст.) революція пов'язана з винаходом мікропроцесорної технології і появою персонального комп'ютера. На мікропроцесорах та інтегральних схемах створюються комп'ютери, комп'ютерні мережі, системи передачі даних (інформаційні комунікації).

1.3 Історія розвитку комп'ютерної техніки

Історія розвитку комп'ютерної техніки налічує близько п'яти десятиліть. За цей змінилося кілька поколінь ЕОМ. Кожне наступне покоління відрізнялося новими елементами (електронні лампи, транзистори, інтегральні схеми), технологія виготовлення яких була принципово іншою. В даний час існує загальноприйнята класифікація поколінь ЕОМ:

1-е покоління (1946 - початок 50-х рр..). Елементна база - електронні лампи. ЕОМ відрізнялися великими габаритами, великим споживанням енергії, малим швидкодією, низькою надійністю, програмуванням в кодах.
2-е покоління (кінець 50-х - початок 60-х рр..). Елементна база - напівпровідникові елементи. Покращилися в порівнянні з ЕОМ попереднього покоління всі технічні характеристики. Для програмування використовуються алгоритмічні мови.
3-е покоління (кінець 60-х - кінець 70-х). Елементна база - інтегральні схеми, багатошаровий друкований монтаж. Різке зниження габаритів ЕОМ, підвищення їх надійності, збільшення продуктивності. Доступ з віддалених терміналів.
4-е покоління (з середини 70-х - кінець 80-х). Елементна база - мікропроцесори, великі інтегральні схеми. Покращились технічні характеристики. Масовий випуск персональних комп'ютерів. Напрямки розвитку: потужні багатопроцесорні обчислювальні системи з високою продуктивністю, створення дешевих мікроЕОМ.
5-е покоління (з середини 80-х рр..). Почалася розробка інтелектуальних комп'ютерів, поки не увінчалася успіхом. Впровадження в усі сфери комп'ютерних мереж та їх об'єднання, використання розподіленої обробки даних, повсюдне застосування комп'ютерних інформаційних технологій.

Разом зі зміною поколінь ЕОМ змінювався і характер їх використання. Якщо спочатку вони створювалися і використовувалися в основному для вирішення обчислювальних завдань, то в подальшому сфера їх застосування розширилася. Сюди можна віднести обробку інформації, автоматизації управління виробничо-технологічними та науковими процесами і багато іншого.

Ідея про можливість побудови автоматизованого рахункового апарату прийшла в голову німецькому інженеру Конраду Цузе (Konrad Zuse) і в 1934 р. Цузе сформулював основні принципи, на яких мають працювати майбутні комп'ютери:

двійкова система числення;
використання пристроїв, що працюють за принципом «так/ні» (логічні 1/0);
повністю автоматизований процес роботи обчислювача;
програмне управління процесом обчислень;
підтримка арифметики з плаваючою комою;
використання пам'яті великої ємкості.

Цузе першим в світі визначив, що обробка даних починається з біта (біт він називав «статусом так/ні», а формули двійкової алгебри - умовними судженнями), першим ввів термін «машинне слово» (Word), першим об'єднав в обчислювачі арифметичні і логічні операції, зазначивши, що «елементарна операція комп'ютера - перевірка двох двійкових чисел на рівність. Результатом буде теж двійкове число з двома значеннями (так само, не дорівнює)».

Першими комп'ютерами слід вважати британський Colossus (1943) і американський ENIAC (Electronic Numeric Integrator, Analyzer and Computer, 1945).

Colossus I - перша обчислювальна машина на лампах, створена англійцями в 1943 р., для розкодування німецьких військових шифрів; складалася з 1800 електронних ламп - пристроїв для зберігання інформації - і була одним з перших програмованих електронних цифрових комп'ютерів.

UNIVAC (Universal Automatic Computer) представляла собою електронний пристрій з програмами, що зберігалися у памяті, які вводилися туди вже не з перфокарт, а з допомогою магнітної стрічки; це забезпечувало високу швидкість читання і запису інформації, а, отже, і більш високу швидкодію машини в цілому . Одна стрічка могла утримувати мільйон символів, записаних в двійковій формі. Стрічки могли зберігати і програми, і проміжні дані.

1.3.3. Друге покоління - ЕОМ на транзисторах.

Транзистори прийшли на зміну електронним лампам на початку 60-х років. Транзистори (які діють як електричні перемикачі), споживаючи менше електроенергії і виділяючи менше тепла, займають і менше місця. Об'єднання кількох транзисторних схем на одній платі дає інтегральну схему (chip - «тріска», «стружка» буквально, пластинка). Транзистори це лічильники двійкових чисел. Ці деталі фіксують два стани - наявності струму і відсутність струму, і тим самим обробляють інформацію, подану їм саме в такому двійковому вигляді.

Один з перших комп'ютерів на транзисторах - Atlas Guidance Computer - був запущений в 1957 р. і використовувався при управлінні запуском ракети Atlas.

Вітчизняні комп'ютери того часу можна охаректиризувати так: за архітектурними, схемним та функціональних рішень вони відповідали своєму часу, але їхні можливості були обмежені через недосконалість виробничої та елементної бази. Найбільшою популярністю користувалися машини серії БЕСМ. Серійне виробництво, досить незначне, почалося випуском ЕОМ «Урал-2» (1958), БЕСМ-2, «Мінськ-1» і «Урал-3» (усі - 1959). У 1960 р. пішли в серію «М-20» і «Урал-4». Максимальною продуктивністю в кінці 1960 р. розташовувався «М-20» (4500 ламп, 35 тис. напівпровідникових діодів, ОЗП на 4096 комірок) - 20 тис. операцій у секунду. Перші комп'ютери на напівпровідникових елементах («Раздан-2», «Мінськ - 2», «М-220» і «Дніпро») перебували ще в стадії розробки.

У 50-х - п. 60-х років збірка електронного устаткування представляла трудомісткий процес, який сповільнювався зростаючою складністю електронних схем. Так, наприклад, комп'ютер типу CD1604 (1960 р., Control Data Corp.), містив близько 100 тис. діодів і 25 тис. транзисторів.

В 1959 р. американці Джек Сент Клер Кілбі (фірма Texas Instruments) і Роберт Н. Нойс (фірма Fairchild Semiconductor) незалежно один від одного винайшли інтегральну схему (ІС) - сукупність тисяч транзисторів, розміщених всередені мікросхеми .

Виробництво комп'ютерів на ІС (мікросхемами їх стали називати пізніше) було набагато дешевше, ніж на транзисторах. Завдяки цьому багато організацій змогли придбати і освоїти такі машини. А це, у свою чергу, призвело до зростання попиту на універсальні ЕОМ, призначені для вирішення різних завдань. У ці роки виробництво комп'ютерів набуло промислового розмаху.

В цей же час з'являється напівпровідникова пам'ять, яка і до цього дня використовується в персональних комп'ютерах.

1.3.5. Четверте покоління - персональні комп'ютери на мікропроцесорах.

Народження персональних комп'ютерів (ПК, PC) з повною підставою пов'язують з процесорами Intel. Корпорація була заснована в середині червня 1968 року, з тих пір Intel перетворилася на найбільшого в світі виробника мікропроцесорів з числом співробітників понад 64 тисяч. Метою Intel було створення напівпровідникової пам'яті і, щоб вижити, фірма стала брати і сторонні замовлення на розробку напівпровідникових пристроїв.

У 1971 р. Intel отримала замовлення на розробку набору з 12 мікросхем для програмованих мікрокалькуляторів, але інженерам Intel створення 12 спеціалізованих чіпів здалося громіздким і неефективним. Завдання скорочення номенклатури мікросхем була вирішена шляхом створення «спарки» з напівпровідникової пам'яті і виконавчого пристрою, здатного працювати за командами, що зберігається в ній. Це був прорив у філософії створення обчислювальних засобів: універсальний логічний пристрій у вигляді 4-розрядного центрального процесорного пристрою i4004, пізніше названий мікропроцесором, представляв собою набір з 4 чіпів, в числі яких був один чіп, керований командами, що зберігалися в напівпровідниковій внутрішній пам'яті .

Як комерційна розробка, мікрокомп'ютер (так тоді називалася мікросхема) з'явився на ринку 11 листопада 1971 під назвою 4004: 4-бітний, 2300 транзисторів, тактова частота 60 кГц, вартість - $200. У 1972 р. компанія Intel випустила восьмі бітний мікропроцесор 8008, в 1974 р. - його удосконалену версію Intel -8080, яка до кінця 70-х років стала стандартом для мікрокомп'ютерної індустрії. Вже в 1973 році у Франції з'являється перший комп'ютер на базі мікропроцесора 8008 – Micral (рис. 1.11 а). З різних причин цей процесор не мав успіху в Америці (у Радянському Союзі він був скопійований і випускався довгий час під назвою 580ВМ80). Тоді ж група інженерів, що пішла з Intel утворила фірму Zilog. Найбільш гучним її продуктом є Z80, що має розширений набір команд 8080 і, що забезпечило його комерційний успіх для побутових приладів, одним напругою живлення 5В. На його основі був створений, зокрема, комп'ютер ZX-Spectrum (іноді його називають по імені творця - Sinclair), що став практично прообразом Home PC середини 80-х. У 1981 р. Intel випускає 16-розрядний процесор 8086 і 8088 - Аналог 8086, за винятком зовнішньої 8-бітної шини даних (вся периферія тоді була ще 8-бітної).

Відмінні риси V-го покоління:

Нові технології виробництва.
Відмова від традиційних мов програмування таких, як Кобол і Фортран на користь мов з підвищеними можливостями маніпулювання символами і з елементами логічного програмування (Пролог і Лісп).
Акцент на нові архітектури (наприклад, на архітектуру потоку даних).
Нові способи введення-виведення, зручні для користувача (наприклад, розпізнавання мови і образів, синтезу мови, обробка повідомлень на природній мові)
Штучний інтелект (тобто автоматизація процесів вирішення завдань, отримання висновків, маніпулювання знаннями)

Саме на рубежі 80-90-х сформувався альянс Windows-Intel. Коли на початку 1989 р. Intel випустила мікропроцесор 486, виробники комп'ютерів не стали чекати прикладу з боку IBM або Compaq. Почалася гонка, в яку вступили десятки фірм. Але всі нові комп'ютери були надзвичайно схожі один на одного - їх об'єднувала сумісність з Windows і мікропроцесори від Intel.

У 1989 р. був випущений процесор i486. Він мав вбудований математичний співпроцесор, конвеєр і вбудований кеш першого рівня.

Нейрокомп'ютери - це ПК, які складаються з безлічі працюючих паралельно простих обчислювальних елементів, які називають нейронами. Нейрони утворюють так звані нейромережі Висока швидкодія нейрокомп'ютерів досягається саме за рахунок величезної кількості нейронів. Нейрокомп'ютери побудовані за біологічним принципом: нервова система людини складається з окремих клітин - нейронів, кількість яких в мозку досягає 1012, при тому, що час спрацювання нейрона - 3 мс. Кожен нейрон виконує досить прості функції, але так як він пов'язаний в середньому з 1 - 10 тис. інших нейронів, такий колектив успішно забезпечує роботу людського мозку.

В оптоелектронних комп'ютерах носієм інформації є світловий потік. Електричні сигнали перетворюються в оптичні і назад. Оптичний комп'ютер розміром з ноутбук може дати користувачеві можливість розмістити в ньому чи не всю інформацію про світ, при цьому комп'ютер зможе вирішувати завдання будь-якої складності.

Біологічні комп'ютери - це звичайні ПК, тільки засновані на ДНК-обчисленнях. Реально показових робіт у цій галузі так мало, що говорити про суттєві результати не доводиться.

Молекулярні комп'ютери - це ПК, принцип дії яких заснований на використанні зміні властивостей молекул в процесі фотосінтезу. У процесі фотосинтезу молекула приймає різні стани, так що вченим залишається лише присвоїти певні логічні значення кожному стану, тобто "0" або "1". Використовуючи певні молекули, вчені визначили, що їх фотоцикл складається всього з двох станів, "перемикати" які можна змінюючи кислотно-лужний баланс середовища. Останнє дуже легко зробити за допомогою електричного сигналу. Сучасні технології вже дозволяють створювати цілі ланцюжки молекул, організовані подібним чином. Таким чином, дуже навіть можливо, що і молекулярні комп'ютери чекають нас "не за горами".

Квантові комп'ютери - обчислювані пристрої, які працюють на основі квантової механіки. Повномасштабний квантовий комп'ютер - гіпотетичний пристрій, можливість побудови якого пов'язана з серйозним розвитком квантової теорії в області багатьох частинок і складних експериментів; ця робота лежить на краї сучасної фізики. Обмежені квантові комп'ютери вже існують; елементи квантових комп'ютерів можуть застосовуватися для підвищення ефективності обчислень на вже існуючій приладовій базі.