Історія створення комп'ютера

Сучасній людині сьогодні важко представити своє життя без комп’ютера.

У цей час будь-який бажаючий, у відповідності зі своїми запитами, може зібрати в себе на робочому столі повноцінний обчислювальний центр. Так було, звичайно, не завжди. Шлях людства до цього досягнення був важкий і тернистий. Багато століть назад люди хотіли мати пристосування, які допомагали б їм вирішувати різноманітні завдання. Багато із цих завдань вирішувалися послідовним виконанням деяких рутинних дій, або, як прийнято говорити зараз, виконанням алгоритму. Зі спроби винайти пристрій, здатне реалізувати найпростіші із цих алгоритмів (додавання й віднімання чисел), отак все й почалося …

Блез Паскаль

Точкою відліку можна вважати початок XVII століття (1623 рік), коли вчений В. Шикард створив машину, що вміє складати й віднімати числа. Але першим арифмометром, здатним виконувати чотири основних арифметичних дії, став арифмометр знаменитого французького вченого й 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 нагромадження сил переміняються проривами в розробках, після чого наступає період стабілізації, під час якого досягнуті результати використовуються практично й одночасно накопичуються знання й сили для чергового ривка вперед. Після кожного витка процес еволюції виходить на нову, більш високу ступінь.

Програмування

Роботою машини також управляла спеціальна паперова стрічка з отворами. Порядок проходження отворів на ній визначав команди й оброблювані цими командами дані. Машина мала арифметичний пристрій і пам’ять. До складу команд машини входила навіть команда умовного переходу, яка змінює хід обчислень залежно від деяких проміжних результатів.

У розробці цієї машини брала участь графиня Ада Августа Лавлейс, яку вважають першим у світі програмістом.

Ідеї Чарльза Беббіджа розвивалися й використовувалися іншими вченими. Так, в 1890 році, на рубежі XX століття, американець Герман Холлеріт 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. В 1896 році Холлеріт заснував фірму, яка стала попередницею корпорації IBM. Зі смертю Беббіджа в еволюції обчислювальної техніки наступила чергова перерва аж до 30-х років XX століття. Надалі весь розвиток людства став немислимим без комп’ютерів.

В 1938 році центр розробок ненадовго зміщається з Америки в Німеччину, де Конрад Цузе створює машину, що оперує, на відміну від своїх попередниць, не десятковими числами, а двійковими. Ця машина також була все ще механічною, але її безсумнівним достоїнством було те, що в ній була реалізована ідея обробки даних у двійковому коді. Продовжуючи свої роботи, Цузе в 1941 році створив електромеханічну машину, арифметичний пристрій якої було виконано на базі реле. Машина вміла виконувати операції із плаваючою крапкою.

В Америці, у цей період також ішли роботи зі створення подібних електромеханічних машин. В 1944 році Говард Ейкен спроектував машину, що 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 десятковій формі.

Природно, через велику питому вагу механічних частин ці машини були приречені. Потрібно було шукати нову, більше технологічну елементну базу. І тоді згадали про винахід Фореста, що в 1906 році створив трьох електродну вакуумну лампу, названу тріодом. У силу своїх функціональних властивостей вона стала найбільш природною заміною реле. В 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 усе ще використовувалися десяткові операції, і програмування здійснювалось шляхом комутації з'єднувачів і установки перемикачів. Природно, що таке «програмування» спричиняло появу безлічі проблем, викликаних, насамперед, невірною установкою перемикачів. Із проектом ENIAC пов’язане ім'я ще однієї ключової фігури в історії обчислювальної техніки — математика Джона фон Неймана. Саме він уперше запропонував записувати програму і її дані у пам’ять машини так, щоб їх можна було при необхідності модифікувати в процесі роботи. Цей ключовий принцип, був використаний надалі при створенні принципово нової ЕОМ EDVAC (1951 рік). У цій машині вже застосовується двійкова арифметика й 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 й техніки можуть бути досягнуті тандемом людина-комп'ютер. Дана галузь стала розвиватися дуже швидко й динамічно, хоча тут теж спостерігалася деяка періодичність, пов’язана з необхідністю нагромадження 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 р.) У цей період формується типовий набір структурних елементів, що входять до складу ЕОМ. До цього часу в розробників уже зложилося приблизно однакове уявлення про те, з яких елементів повинна складатися типова ЕОМ. Це — центральний процесор (ЦП), оперативна пам’ять (або оперативно запам’ятовувальний пристрій — ОЗП) і пристрою введення-виводу (ПВВ). ЦП, у свою чергу, повинен складатися з арифметико-логічного пристрою (АЛП) і керуючого пристрою (КП). Машини цього покоління працювали на ламповій елементній базі, через що поглинали величезну кількість енергії й були дуже не ненадійні. З їхньою допомогою, в основному, вирішувалися наукові завдання. Програми для цих машин уже можна було складати не машинною мовою, а мовою асемблера.

Друге покоління комп’ютерів ЕОМ (1955;1964 р.). Зміну поколінь обумовило поява нової елементної бази: замість громіздкої лампи в ЕОМ сталі застосовуватися мініатюрні транзистори, лінії затримки як елементи оперативної пам’яті перемінила пам’ять на магнітних сердечниках. Це в остаточному підсумку привело до зменшення габаритів, підвищенню надійності й продуктивності ЕОМ. В архітектурі ЕОМ з’явилися індексні регістри й апаратні засоби для виконання операцій із плаваючою крапкою. Були розроблені команди для виклику підпрограм.

З’явилися мови програмування високого рівня — Algol, FORTRAN, COBOL, — передумови, що створили, для появи переносного програмного забезпечення, що не залежить від типу комп’ютера. З появою мов високого рівня виникли компілятори для них, бібліотеки стандартних підпрограм і інші добре знайомі нам зараз речі.

Важливе нововведення, що хотілося б відзначити, — це поява так званих процесорів виводу-вводу. Ці спеціалізовані процесори дозволили звільнити центральний процесор від керування уведенням-виводом і здійснювати уведення-вивід за допомогою спеціалізованого пристрою одночасно із процесом обчислень. На цьому етапі різко розширилося коло користувачів ЕОМ і зросла номенклатура розв’язуваних завдань. Для ефективного керування ресурсами машини стали використовуватися операційні системи (ОС).

Третє покоління комп’ютерів ЕОМ (1965;1970 р.). Зміна поколінь знову була обумовлена оновленням елементної бази: замість транзисторів у різних вузлах ЕОМ стали використовуватися інтегральні мікросхеми різного ступеня інтеграції. Мікросхеми дозволили розмістити десятки елементів на пластині розміром у кілька сантиметрів. Це, у свою чергу, не тільки підвищило продуктивність комп’ютерів, але й знизило їхні габарити й вартість. З’явилися порівняно недорогі й малогабаритні машини — Міні-ЕОМ. Вони активно використовувалися для керування різними технологічними виробничими процесами в системах збору й обробки інформації.

Збільшення потужності ЕОМ уможливило одночасне виконання декількох програм на одній ЕОМ. Для цього потрібно було навчитися координувати між собою одночасно виконувані дії, для чого були розширені функції операційної системи.

Одночасно з активними розробками в області апаратних і архітектурних рішень росте 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 всіляких галузей життєдіяльності людини.

Тепер уже стає недозволенною розкішшю переписувати всі програми з появою кожного нового типу ЕОМ. Спостерігається тенденція до створення сімейств ЕОМ, тобто машини стають сумісні знизу нагору на програмно-апаратному рівні. Перша з таких сімейств була серія IBM System/360 і наш вітчизняний аналог цього комп’ютера — ЄС ЕОМ.

Четверте покоління ЕОМ (1970;1984 р.). Чергова зміна елементної бази спричинила зміну поколінь. В 70-ті роки активно ведуться роботи зі створення великих і надвеликих інтегральних схем, які дозволили розмістити на одному кристалі десятки тисяч елементів. Це спричинило подальше істотне зниження розмірів і вартості ЕОМ. Робота із програмним забезпеченням стала більш дружньою, і це спричинило ріст кількості користувачів.

У принципі, при такому ступені інтеграції елементів стало можливим спробувати створити функціонально повну ЕОМ на одному кристалі. Відповідні спроби були початі, хоча вони й зустрічалися, в основному, недовірливою посмішкою. Напевно, цих посмішок стало б менше, якби можна було передбачати, що саме ця ідея стане причиною вимирання великих ЕОМ через яких-небудь півтора десятка років.

Проте на початку 70-х років фірмою Intel був випущений мікропроцесор (МП) 4004. І якщо до цього у світі обчислювальної техніки були тільки три напрямки (супер ЕОМ, великі ЕОМ (мейнфрейми) і міні-ЕОМ), те тепер до них додалося ще одне — мікропроцесорні. У загальному випадку під процесором розуміють функціональний блок ЕОМ, призначений для логічної й арифметичної обробки інформації на основі принципу мікро програмного керування. По апаратній реалізації процесори можна розділити на мікропроцесори (повністю інтегровані всі функції процесора) і процесори з малою й середньою інтеграцією. Конструктивно це виражається в тому, що мікропроцесори реалізують усі функції процесора на одному кристалі, а процесори інших типів реалізують їх шляхом з'єднання великої кількості мікросхем.

Отже, перший мікропроцесор 4004 був створений фірмою Intel на рубежі 70-х років. Він являв собою 4-розрядний паралельний обчислювальний пристрій, і його можливості були сильно обмежені. 4004 міг робити чотири основні арифметичні операції й застосовувався спочатку тільки в кишенькових калькуляторах. Пізніше сфера його застосування була розширена за рахунок використання в різних системах керування (наприклад, для керування світлофорами). Фірма Intel, правильно вгадавши перспективність мікропроцесорів, продовжила інтенсивні розробки, і один з її проектів в остаточному підсумку привів до великого успіху, що визначили майбутній шлях розвитку комп’ютерів та обчислювальної техніки вцілому.

Їм став проект по розробці 8-розрядного процесора 8080 (1974 р.). Цей мікропроцесор мав досить розвинену систему команд і вмів ділити числа. Саме він був використаний при створенні персонального комп’ютера Альтаір, для якого молодий Білл Гейтс написав один зі своїх перших інтерпретаторів мови BASIC. Напевно, саме із цього моменту варто вести відлік 5-го покоління.

П’яте покоління ЕОМ (1984 р.) можна назвати мікропроцесорним. Помітьте, що четверте покоління закінчилося тільки на початку 80-х, тобто батьки в особі великих машин і їх розвинене чадо, яке набирає сили. Протягом майже 10 років відносно мирно існували разом. Для них обох цей час пішов тільки на користь. Проектувальники великих комп’ютерів нагромадили величезний теоретичний і практичний досвід, а програмісти мікропроцесорів зуміли знайти свою, нехай спочатку дуже вузьку, нішу на ринку.

В 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.

В 1982 році був створений 80 286. Цей процесор являв собою поліпшений варіант 8086. Він підтримував уже кілька режимів роботи: реальний, коли формування адреси вироблялося за правилами i8086, і захищений, котрий апаратно реалізовував багатозадачність і керування віртуальною пам’яттю. 80 286 мав також велику розрядність шини адреси — 24 розряду проти 20 в 8086, і тому він міг адресувати до 16 Мбайт оперативної пам’яті. Перші комп’ютери на базі цього процесора з’явилися в 1984 році. По своїх обчислювальних можливостях цей комп’ютер став порівнянний з IBM System/370. Тому можна вважати, що на цьому четверте покоління розвитку ЕОМ завершилося.

В 1985 році фірма Intel представила перший 32-розрядний мікропроцесор 80 386, апаратно сумісний знизу нагору з усіма попередніми процесорами цієї фірми. Він був набагато могутніше своїх попередників, мав 32-розрядну архітектуру й міг прямо адресувати до 4 Гбайт оперативної пам’яті. Процесор 386 став підтримувати новий режим роботи — режим віртуального 8086, що забезпечив не тільки велику ефективність роботи програм, розроблених для 8086, але й 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.

Процесор 386 був першим мікропроцесором, у якому використовувалася паралельна обробка. Так, одночасно здійснювалися: доступ до пам’яті й пристроїв уведення-висновку, розміщення команд у черзі для виконання, їхнє декодування, перетворення лінійної адреси у фізичний, а також сторінкове перетворення адреси (інформація про 32-х найбільше часто використовувані сторінки містилася в спеціальну кеш-пам'ять).

Незабаром після процесора 386 з’явився 486. У його архітектурі одержали подальший розвиток ідеї паралельної обробки. Пристрій декодування й виконання команд було організовано у вигляді п’ятиступеневого конвеєра, на другому в різній стадії виконання могло перебувати до 5 команд. На кристал була поміщена кеш-пам'ять першого рівня, що 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 зі значним (до 133 Мгц) підвищенням тактової частоти мікропроцесора, дозволили значно підвищити швидкість виконання програм.

З 1993 року стали випускатися мікропроцесори Intel Pentium. Їхня поява, початку захмарилося помилкою в блоці операцій із плаваючою крапкою. Ця помилка була швидко усунута, але недовіра до цих мікропроцесорів ще якийсь час залишалася.

Pentium продовжив розвиток ідей паралельної обробки. У пристрій декодування й виконання команд був доданий другий конвеєр. Тепер два конвеєри (називаних u і v) разом могли виконувати дві інструкції за такт. Внутрішній кеш був збільшений удвічі - до 8 Кбайт для коду й 8 Кбайт для даних. Процесор став більш інтелектуальним. У нього була додана можливість пророкування розгалужень, у зв’язку із чим значно зросла ефективність виконання нелінійних алгоритмів. Незважаючи на те що архітектура системи залишалася усе ще 32-розрядною, 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 із багатопроцесорною обробкою інформації.

Поява мікропроцесора Pentium Pro розділила 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 ще двох у процесора Pentium. Тим самим за один такт роботи мікропроцесор став виконувати до трьох інструкцій.

Більш того, процесор Pentium Pro дозволив здійснювати динамічне виконання команд (Dynamic Execution). Суть його в тім, що три пристрої декодування команд, працюючи паралельно, ділять команди на більш дрібні частини, названі мікро операціями. Далі ці мікрооперації можуть виконуватися паралельно п’ятьма пристроями (двома цілочисельними, двома із плаваючою крапкою й одним пристроєм інтерфейсу з пам’яттю). На виході ці інструкції знову збираються в первісному виді й порядку. Міць Pentium Pro доповнюється вдосконаленою організацією його кеш-пам'яті. Як і процесор Pentium, він має 8 Кбайт кеш-пам'яті першого рівня й 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 мікропроцесором, 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 по іншому шляху. У них включили нові команди, для підтримки яких трохи змінили програмну модель мікропроцесора. Ці команди, що одержали назву MMX-Команд (MultiMedia eXtention — мультимедійне розширення системи команд), дозволили одночасно обробляти кілька одиниць однотипних даних.

Наступний випущений у світ процесор, названий Pentium II, об'єднав у собі всі технологічні досягнення обох напрямків розвитку архітектури Pentium. Крім цього він мав нові конструктивні особливості, зокрема, його корпус виконаний відповідно до нової технології виготовлення корпусів. Не забутий і ринок портативних комп’ютерів, у зв’язку із чим процесором підтримуються кілька режимів енергозбереження.

Процесор Pentium III. Традиційно він підтримує всі досягнення своїх попередників, головне (і, можливо, єдине?!) його достоїнство — наявність нових 70 команд, Ці команди доповнюють групу MMX-Команд, але для чисел із плаваючою крапкою. Для підтримки цих команд в архітектуру процесора був включений спеціальний блок.

Сьогодні ми працюємо із багатоядерними комп’ютерами, і майже зовсім забули, що зовсім нещодавно процесори в наших годинниках були недосяжною мрією програмістів величезних підприємств.