Лабораторна робота №1 Тема: Розвиток комп'ютерної архітектури

Огляд ключових історичних моментів розвитку обчислювальної техніки підсумовано в табл. 1.1.

1. Таблиця 1.1. Основні етапи розвитку комп'ютерів

Рік випуску	Назва комп'ютера	Будівник	Примітки
1834	Аналітична машина	Бебідж	Перша спроба побудувати цифровий комп'ютер
1936	Z1	Зус	Перша релейна обчислювальна машина
1943	COLOSSUS	Британський уряд	Перший електронний комп'ютер
1944	MARK I	Айкен	Перший американський багатоцільовий комп'ютер
1946	ENIAC I	Екерт/Моушлі	Початок історії сучасних комп'ютерів
1949	EDSAC	Уілкс	Перший комп'ютер з програмами, що зберігаються у пам'яті
1951	Wirlwind I	MTI	Перший комп'ютер реального часу
1952	IAS	Фон Нейман	Цей проект використовується в більшості сучасних комп'ютерів
1960	PDP-1	DEC	Перший міні-комп'ютер (було продано 50 екземплярів)
1961	1401	IBM	Дуже популярний маленький комп'ютер
1962	7094	IBM	Дуже популярна невелика обчислювальна машина
1963	B5000	Burroughs	Перша машина, яку розробили для мови високого рівня
1964	360	IBM	Перше сімейство комп'ютерів
1964	6600	CDC	Перший суперкомп'ютер для наукових розрахунків
1965	PDP-8	DEC	Перший міні-комп'ютер масового спожитку (було продано 50000 екземплярів)
1970	PDP-11	DEC	Домінуючий міні-комп'ютер на ринку 70-х років
1974	8080	Intel	Перший універсальний 8-бітний комп'ютер на мікросхемі
1974	CRAY-1	Cray	Перший векторний суперкомп'ютер
1978	VAX	DEC	Перший 32-бітний супермінікомп'ютер
1981	IBM PC	IBM	Початок ери сучасних персональних комп'ютерів
1985	MIPS	MIPS	Перший комп'ютер RISC
1987	SPARC	Sun	Перша робоча станція RISC
1990	RS6000	IBM	Перший суперскалярний комп'ютер

Нульове покоління — механічні комп'ютери (1642-1945)

Перша обчислювальна машина розроблена Блезом Паскалем (1642) - механічна, із шестірнями і ручним приводом - могла виконувати тільки операції додавання і віднімання.

1673 - Готфрид Вільгельм Лейбніц побудував механічну машину, що крім додавання і віднімання могла виконувати операції множення і діління.

1822 - Чарльз Бебідж розробив і сконструював різницеву машину. Ця механічна машина, як і машина Паскаля, могла тільки складати і віднімати, підраховувала таблиці чисел для морської навігації. У машину був закладений тільки один алгоритм — метод кінцевих різниць з використанням поліномів. Результати видавлювалися сталевим штампом на мідній дощечці, що передбачило більш пізні засоби вводу-виводу — перфокарти і компакт-диски.

1849 - Бебідж удосконалив пристрій, розробивши аналітичну машину. В ній було 4 компоненти: запам'ятовуючий пристрій (пам'ять), обчислювальний пристрій, пристрій введення (для зчитування перфокарт), пристрій висновку (перфоратор і друкувальний пристрій). Пам'ять складалася з 1000 слів по 50 десяткових розрядів, кожне з яких містило змінні і результати. Обчислювальний пристрій приймав операнди з пам'яті, потім виконував операції додавання, віднімання, множення чи діління і повертав отриманий результат назад у пам'ять. Як і різницева машина, цей пристрій був механічним.

Оскільки ця аналітична машина програмувалася на асемблері, їй було необхідно програмне забезпечення. Щоб створити це програмне забезпечення, Бебідж найняв Аду Августу Ловлейс, дочку знаменитого британського поета Байрона. Ада Ловлейс була першим у світі програмістом. У її честь названа сучасна мова програмування Ada.

1944 - Говард Айкен створив релейний комп'ютер “Mark I”. Комп'ютер містив 72 слова по 23 десяткових розряда кожне і міг виконати будь-яку команду за 6 секунд. Для вводу-виводу використовувалася перфострічка.

Перше покоління — електронні лампи (1945-1955)

1943 - перший електронний комп'ютер (COLOSSUS, Велика Британія). У створенні цієї машини брав участь знаменитий математик Алан Тьюрінг.

1946 - перший електронний комп'ютер в США (ENIAC, Джон Моушлі). Він складався з 18 000 електровакуумних ламп і 1500 реле. ЕNІАС важив 30 тонн і споживав 140 кіловат електроенергії. У машини було 20 регістрів, кожний з який міг містити 10-розрядне десяткове число.

Коли закінчилася Друга Світова війна, першим робочим комп'ютером став EDSAC (Моріс Уілкс, Кембріджський університет, 1949). Далі - JОHNІАС — у корпорації Rand, ILLIAC — в Університеті Іллінойсу, MANIAC — у лабораторії Лос-Аламоса і WEIZAC — в Інституті Вайцмана в Ізраїлі.

У вересні 1944 року видатний математик Джон фон Нейман отримав дозвіл ознайомитися із проектом ENIAC. Результатом його співпраці у проекті став звіт, в якому він описав логічну організацію власної обчислювальної машини (1945). Основні положення цього звіту:

• закінчений пристрій повинен включати органи арифметики, пам'яті, керування та зв'язку з оператором;

• машина повинна запам'ятовувати не тільки цифрову інформацію, потрібну для обчислень, але й команди, які керують програмою обчислень;

• орган пам'яті можна використовувати не тільки для збереження чисел, а також і команд.

Він також відзначив, що десяткова арифметика, використовувана в ENIAC, де розряд був представлений 10 електронними лампами, повинна бути замінена бінарною арифметикою. Схема архітектури цієї машини дана на мал. 1.1.

Пам'ять включала 4096 слів, кожне слово містило 40 бітів. Кожне слово містило чи 2 команди по 20 бітів, чи ціле число зі знаком на 40 бітів. 8 бітів указували на тип команди, а інші 12 бітів визначали одне з 4096 слів. Усередині арифметико-логічного пристрою знаходився особливий внутрішній регістр у 40 бітів, так званий акумулятор. Типова команда додавала слово з пам'яті до акумулятора або зберігала вміст акумулятора в пам'яті.

Хоча фірма IBM частково фінансувала проект Айкена, вона тільки в 1953 році побудувала перший комп'ютер IBM-701. Він став першим комп'ютером, що лідирував на ринку протягом десяти років. Через три роки з'явився IBM-704, у якого було 4 К пам'яті на магнітних сердечниках, команди по 36 бітів і процесор із плаваючою крапкою.

Друге покоління — транзистори (1955-1965)

Транзистор був винайдений співробітниками лабораторії Bell Laboratories Джоном Бардіном, Уолтером Братейном і Вільямом Шоклі. Перший комп'ютер на транзисторах був побудований у лабораторії МТІ. Він містив слова з 16 бітів. Комп'ютер називався ТХ-0 (Transistorized eХperimental computer 0 — експериментальна транзисторна обчислювальна машина 0) і призначався для тестування машини ТХ-2.

Один з інженерів з цієї лабораторії, Кенет Ольсен, у 1957 році заснував компанію DEC (Digital Equipment Corporation — корпорація по виробництву цифрової апаратури), щоб розробити серійну машину, подібну до ТХ-0. Ця машина, PDP-1, з'явилася в 1961 році. У неї було 4 К слів по 18 бітів і вона мала час циклу 5 мікросекунд. Цей параметр був у два рази менше, ніж у IBM-7090, транзисторного аналога IBM-709. PDP-1 був самим швидким комп'ютером у світі на той час. PDP-1 коштував $120000, a IBM-7090 коштував мільйони. Одну з перших машин моделі PDP-1 віддали в МТІ, де вона відразу привернула увагу молодих дослідників. Одним з нововведень PDP-1 був дисплей з розміром 512 на 512 пікселів. Незабаром студенти МТІ склали спеціальну програму для PDP-1, щоб грати в “Війну світів” — першу у світі комп'ютерну гру.

Через кілька років DEC розробив модель PDP-8, 12-бітний комп'ютер. PDP-8 коштував $ 16000. Головне нововведення — одна шина (Omnibus) (мал. 1.2). Шина — це набір паралельно з'єднаних проводів для зв'язку компонентів комп'ютера. Це нововведення сильно відрізняло PDP-8 від фон-нейманівської машини. З тих пір така структура використовується у всіх комп'ютерах. Компанія DEC продала 50 000 комп'ютерів моделі PDP-8 і стала лідером на ринку міні-комп'ютерів.

Як уже було сказано, з винаходом транзисторів компанія IBM побудувала транзисторну версію ІВМ-709 — IBM-7090, а пізніше — IBM-7094. У неї час циклу складав 2 мікросекунди, а пам'ять складалася з 32К слів по 16 бітів. IBM-7090 і IBM-7094 були останніми комп'ютерами типу ENIAC, але вони широко використовувалися для наукових розрахунків у 60-х роках минулого століття. Компанія IBM також випускала комп'ютери IBM-1401 для комерційних розрахунків. Ця машина могла зчитувати і записувати магнітні стрічки і перфокарти і роздруковувати результат так само швидко, як і IBM-7094, але при цьому коштувала дешевше. Для наукових обчислень вона не підходила, але була дуже зручна для ведення ділових записів. У IBM-1401 не було регістрів і фіксованої довжини слова. Пам'ять містила 4 К слів по 8 бітів (4 Кбайт). Кожен байт містив символ у 6 бітів, адміністративний біт і біт для вказівки кінця слова.

У 1964 році компанія CDC (Control Data Corporation) випустила машину 6600, що працювала майже на порядок швидше, ніж IBM-7094. Секрет високої швидкості роботи полягав у тім, що усередині ЦП (центрального процесора) знаходилася машина з високим ступенем паралелізму. У неї було декілька функціональних пристроїв для додавання, множення і ділення, і усі вони могли працювати одночасно. Можна було скласти програму так, щоб машина виконувала 10 команд одночасно.

Третє покоління — інтегральні схеми (1965-1980)

Винахід кремнієвої інтегральної схеми в 1958 році (Роберт Нойс) дав можливість розміщувати десятки транзисторів на одній невеликій мікросхемі. Комп'ютери на інтегральних схемах були меншого розміру, працювали швидше і коштували дешевше, ніж їхні попередники на транзисторах.

Компанія IBM випустила серію комп'ютерів, System/360, що були призначені і для наукових, і для комерційних розрахунків. Це було ціле сімейство комп'ютерів з тією самою мовою (асемблером). В табл.1.2 наведені деякі параметри моделей сімейства ІВМ-360.