1.2. Покоління сучасних комп’ютерів

Розвиток обчислювальної техніки прийнято розглядати з точки зору зміни поколінь комп’ютерів. Кожне покоління комп’ютерів на початковий момент розвитку характеризується якісним стрибком у зростанні основних характеристик комп’ютера, викликаним зазвичай переходом на нову елементну базу, а також відносною стабільністю архітектурних і технологічних рішень.

Розбиття поколінь комп’ютерів по роках дуже умовне. В той час коли починалося активне використання комп’ютерів одного покоління, створювалися передумови для виникнення наступного. Окрім елементної бази і часового інтервалу використовуються наступні показники розвитку комп’ютерів одного покоління: швидкодія, архітектура, програмне забезпечення, рівень розвитку зовнішніх пристроїв. Іншим важливим якісним показником є широта сфери застосування комп’ютерів.

1.2.1. Перше покоління комп’ютерів (1945–1954 рр.).З початком другої світової війни уряду різних країн почали розробляти обчислювальні машини, усвідомлюючи їхню стратегічну роль у веденні війни. Збільшення фінансування значною мірою стимулювало розвиток обчислювальної техніки. У 1941 році німецький інженер Конрад Цузе розробив обчислювальну машину Z2, що виконувала розрахунки, необхідні npи проектуванні літаків і балістичних снарядів. У 1943 році англійські інженери завершили створення обчислювальної машини для дешифрування повідомлень німецької армії, названої “Колос ІІ”. Проте ці пристрої не були універсальними обчислювальними машинами, вони призначалися для вирішення конкретних завдань.

У 1944 році американський інженер Говард Ейкен за підтримки фірми IBМ сконструював комп’ютер для виконання балістичних розрахунків. Цей комп’ютер, названий “Марк I”, за площею займав приблизно половину футбольного поля і включав більше 600 км кабелю. У комп’ютері “Марк I” використовувався принцип електромеханічного реле, що полягає в тому, щоб електромагнітні сигнали переміщали механічні частини. “Марк I” був досить повільною машиною: для того, щоб зробити одне обчислення, було потрібно 3–5 с. Проте, незважаючи на величезні розміри і повільність, “Марк I” став більш універсальним обчислювальним пристроєм, ніж машина Цузе або “Колос ІІ”. Керували пристроєм “Марк I” за допомогою програми, яка вводилася з перфострічки. Це дало можливість, змінюючи програму, що вводиться, вирішувати досить широкий клас математичних завдань.

У 1946 році американські учені Джон Мокнулі і Дж. Преспер Еккерт сконструювали електронний обчислювальний інтегратор і калькулятор (ЕНІАК) – комп’ютер, в якому електромеханічні реле були замінені на електронні вакуумні лампи. Застосування вакуумних ламп дозволило збільшити швидкість роботи ЕНІАК у 1000 разів порівняно з “Марк I”. ЕНІАК складався з 1800 вакуумних ламп, 70000 резисторів, 5 мільйонів сполучних спайок і споживав 160 кВт електричної енергії, що на ті часи було достатньо для освітлення великого міста. Між тим, ЕНІАК став працюючим прообразом сучасного комп’ютера. По-перше, ЕНІАК був заснований на принципі повністю цифрової обробки інформації. По-друге, ЕНІАК став дійсно універсальною обчислювальною машиною, він використовувався для розрахунку балістичних таблиць, прогнозів погоди, розрахунків в області атомної енергетики, аеродинаміки, вивчення космосу.

Наступний важливий крок у вдосконаленні обчислювальної техніки зробив американський математик Джон фон Нейман. Ранні обчислювальні машини могли виконувати тільки команди, що надходять ззовні, причому команди виконувалися по черзі. Хоча використання перфокарт дозволяло спростити процес введення команд, проте, часто процес налаштування обчислювальної машини, введення команд займали більше часу, ніж власне розв’язування поставленої задачі. Фон Нейман запропонував включити до складу комп’ютера для зберігання послідовності команд і даних спеціальний пристрій – пам’ять. Крім того, Джон фон Нейман запропонував реалізувати в комп’ютері можливість передачі управління від однієї програми до іншої. Можливість зберігати в пам’яті комп’ютера різні набори команд (програми), припиняти виконання однієї програми і передавати управління інший, а потім повертатися до початкової значно розширювала можливості програмування для обчислювальних машин. Іншою ключовою ідеєю, запропонованою фон Нейманом, став процесор (центральний оброблювальний пристрій), який повинен був управляти усіма функціями комп’ютера. У 1945 році Джон фон Нейман підготував звіт, в якому визначив наступні основні принципи роботи і елементи архітектури комп’ютера (рис. 1):

1. Комп’ютер складається з процесора (центрального оброблювального пристрою), пам’яті і зовнішніх пристроїв.

2. Єдиним джерелом активності (не враховуючи стартового або аварійного втручання людини) в комп’ютері є процесор, який, у свою чергу, управляється програмою, що знаходиться в пам’яті комп’ютера.

3. Пам’ять комп’ютера складається з чарунок, кожна з яких має свою унікальну адресу. Кожна чарунка зберігає команду програми або одиницю оброблюваної інформації. Причому і команда, і інформація мають однакове представлення.

4. У будь-який момент процесор виконує одну команду програми, адреса якої знаходиться в спеціальному регістрі процесора – лічильнику команд.

5. Обробка інформації відбувається тільки в регістрах процесора. Інформація в процесор поступає з пам’яті або від зовнішнього пристрою.

6. У кожній команді програми зашифровані наступні приписи: з яких чарунок узяти оброблювану інформацію; які операції зробити з цією інформацією; у які елементи пам’яті направити результат; як змінити вміст лічильника команд, щоб знати, звідки узяти наступну команду для виконання.

7. Процесор виконує програму команда за командою відповідно до зміни утримуваного лічильника команд до тих пір, поки не отримає команду зупинитися.

Рис. 1. Архітектура ЕОМ, побудованої на принципах фон Неймана. (Суцільні лінії із стрілками вказують напрямок потоків інформації, пунктирні – керуючих сигналів від процесора до інших вузлів ЕОМ).

Надалі архітектура фон Неймана трохи змінювалася і доповнювалася, але початкові принципи управління роботою комп’ютера за допомогою програм, що зберігаються в пам’яті, залишилися незайманими. Переважна більшість сучасних комп’ютерів побудована саме за архітектурою фон Неймана. У 1951 році був створений перший комп’ютер, призначений для комерційного використання, – УНІАК (універсальний автоматичний комп’ютер), в якому були реалізовані усі принципи архітектури фон Неймана. У 1952 році за допомогою УНІАК був передбачений результат виборів президента США.

У Академії наук України під керівництвом академіка Сергія Олексійовича Лебедева була створена (1948-1951 рр.) перша вітчизняна і перша на європейському континенті ЕОМ (мала електронно-рахункова машина - МЕРМ). Принципи побудови МЕРМ були розроблені Сергіїм Олексійовичем  Лебедевим незалежно від ходу аналогічних робіт на Заході. У 1952–1953 роках “МЕРМ”залишалася самою швидкодіючою (50 операцій/с) обчислювальною машиною в Європі. До середини 50-х років швидкодію “МЕРМ” вдалося підвищити до кількох десятків тисяч операцій/с. Колектив співробітників, який створив МЕРМ, став ядром організованого на базі лабораторії С.О. Лебедева Обчислювального центру НАН України, а з часом - Інституту кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України. У 1952-1953 рр. МЕРМ була єдиною ЕОМ в Європі, яка регулярно експлуатувалася. У той період за допомогою цієї машини вирішувалися найважливіші завдання у сфері ядерної енергетики, космічних досліджень, далеких електропередач, механіки, математичної статистики та ін. Це був безумовний зліт науки в Україні у сфері обчислювальної техніки і її застосування.

Машинна мова, що застосовувалася в першому поколінні комп’ютерів, була вкрай незручна для сприйняття людиною. Числове кодування операцій, адрес чарунок і оброблюваної інформації, залежність виду програми від її місця в пам’яті не давали можливості стежити за змістом програми. Для подолання цих незручностей була придумана мова асемблер. Для запису кодів операцій і оброблюваної інформації в асемблері використовуються стандартні позначення, що дозволяють записувати числа і текст в загальноприйнятій формі, а для кодів команд – прийняті мнемонічні позначення. Для позначення величин, що розміщуються в пам’яті, можна застосовувати будь-які імена, що відповідають змісту програми. Після введення програми асемблер сам замінює символічні імена на адреси пам’яті, а символічні коди команд на числові. Використання асемблера зробило процес написання програм наочнішим.

У кінці 50-х – початку 60-х років комп’ютери другого покоління стали інтенсивно використовуватися державними організаціями і великими компаніями для вирішення різних завдань. До 1965 року велика частина великих компаній обробляла фінансову інформацію за допомогою комп’ютерів. Поступово вони придбавали риси сучасного нам комп’ютера. Так, в цей період були сконструйовані такі пристрої, як графічний пристрій і принтер, носії інформації на магнітній стрічці і магнітних дисках та ін.

Розширення сфери застосування комп’ютерів вимагало створення нових технологій програмування. Програмне забезпечення, написане на мові асемблер для одного комп’ютера, було непридатне для роботи на іншому комп’ютері. З цієї причини, зокрема, не вдавалося створити стандартну операційну систему – основну управляючу програму комп’ютера, оскільки кожен виробник комп’ютерів розробляв свою операційну систему на своєму асемблері.

У комп’ютерах першого покоління використовувалася машинна мова – спосіб запису програм, що уможливлює безпосереднє виконання їх на комп’ютері. Програма на машинній мові є послідовністю машинних команд, допустимих для цього комп’ютера. Процесор безпосередньо сприймає і виконує команди, виражені у вигляді двійкових кодів. Для кожного комп’ютера існувала своя власна машинна мова. Це також обмежувало сферу застосування комп’ютерів першого покоління.

Поява першого покоління комп’ютерів стала можлива завдяки трьом технічним нововведенням: електронним вакуумним лампам, цифровому кодуванню інформації і створенню пристроїв штучної пам’яті на електростатичних трубках. Комп’ютери першого покоління мали невисоку продуктивність: до декількох тисяч операцій в секунду. У комп’ютерах першого покоління використовувалася архітектура фон Неймана. Засоби програмування і програмне забезпечення ще не були розвинені, використовувалася низькорівнева машинна мова. Сфера застосування комп’ютерів була обмежена.