Elektronski računalnik

Iz MaFiRaWiki

Vsebina

Prvi elektronski računalnik


Elektromehanski stroji, s katerimi so bile po 100 letih uresničene Babbageve zamisli, so postali zastareli takoj po svojem rojstvu. Njihova doba se je končala, še preden se je dobro začela. Razlog za to je uporaba elektronike, ki je odpravila dve veliki pomanjkljivosti elektromehanskih strojev:

  • Hitrost računanja je bila zaradi vztrajnosti gibajočih delov omejena.
  • Zanesljivost delovanja je bila slaba zaradi velikega števila mehanskih delov, kot so zobniki in vzvodi.

Zakaj razlika v hitrosti?

Odgovor je preprost. Čas, potreben za preklop elektromehanskega releja, je veliko daljši, saj se pri preklopu premakne kovinski del, ki ima svojo vztrajnost - časa za premik ni mogoče bistveno zmanjšati. V elektronskih računalnikih pa se premikajo samo elektroni, zato je čas veliko krajši in se z razvojem računalnikov še zmanjšuje.

Eden prvih delujočih elektronskih računalnikov ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) je bil razvit leta 1945 na University of Pennsylvania. Denar zanj je zagotovila ameriška vojska in eden od glavnih motivov je bila potreba po računanju in tiskanju balističnih tabel, za kar je bila hitrost elektromehanskih računalnikov bistveno premajhna. ENIAC je bil desetiški stroj in je uporabljal aritmetiko s fiksno vejico. Imel je ukaze za seštevanje (0,2 milisekunde), odštevanje, množenje (3 milisekunde), deljenje (30 milisekund) in računanje kvadratnega korena. Bil je 1000 krat hitrejši od elektromehanskega Mark I. vendar manj natančen, saj je bila natančnost le 10-mestna. Imel je pomnilnik velikosti 20 10-mestnih desetiških števil. Programiranje (ta izraz se je prvič uporabil prav pri ENIACu) je bilo ročno s postavljanjem stikal in povezovanjem kablov. Med ukazi so bili tudi pogojni skoki. Pri ENIACu ni obstajal trak z ukazi (kot pri elektromehanskih Z3 in Mark I.), zato je bilo programiranje počasno (znani so primeri, ko je programiranje trajalo več dni, računanje pa le nekaj deset minut) , slabost pa je bila tudi v tem, da se programi niso ohranili (razen kot zapis na papirju). Za vnos podatkov je služil čitalnik luknjanih kartic, rezultati pa so se izpisovali na tiskalnik ali na luknjalnik kartic.

Zgradba ENIACA

Slika:ZgradaEniaca.jpg

ENIAC je bil ogromen stroj. Dolg je bil več kot 30 m, visok 3 m in širok 1 m (pokrival je 167 kvadratnih metrov). Njegova teža je presegala 30 ton. Ker je življenjska doba elektronk razmeroma kratka, niso vedeli ali bo čas med dvema napakama sploh dovolj dolg za praktično delo. S posebnimi ukrepi so dosegli, da se v povprečju na teden niso pokvarile več kot 3 elektronke (od skupno preko 18.000). V uporabi je bil do leta 1955 in je shranjen v Smithsonian muzeju v Washingtonu.

Slika:ENIAC.jpg

Hitrost ENIACa je bila bistveno večja od vseh do tedaj narejenih strojev in je vzbujala vsesplošno občudovanje. Povsem nekaj drugega pa je bilo njegovo programiranje. Ljudje, ki so sodelovali pri razvoju, so zato iskali drugačno rešitev. Pri tem se je pojavila ideja o shranjenem programu, ki je bistveno vplivala na nadaljevanje razvoja računalnikov.

Elektronski računalnik s shranjenim programom


Ideja o računalniku s shranjenim programom je bila prvič objavljena leta 1945 v predlogu za nov elektronski računalnik EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer). Predlog je napisal ameriški matematik madžarskega rodu John von Neumann, ki je bil svetovalec pri razvoju ENIACa. Ni zanesljivo, da je von Neumann v resnici avtor ideje o shranjenem programu; gotovo pa je, da je nastala v skupini, ki je razvijala ENIACa, čeprav pri njem ni bila uporabljena. Njegov pristop do programiranja se imenuje "Von Neumannov model" in je še vedno temelj vsem modernim računalnikom.

V čem je pravzaprav napredek?

Program se prestavi v notranjost stroja, in to ne v obliki žičnih povezav, temveč v obliki v pomnilniku shranjene informacije, ki preko električnih impulzov vodi stroj. Nastavljanje stikal in povezovanje z žicami torej ni več potrebno in dostop do ukazov je hiter. Takrat je bila ideja o od znotraj vodenemu stroju nekako v nasprotju z izkušnjami in zdravo pametjo. Navsezadnje so se vsi stroji vedno vodili od zunaj z gumbi, vzvodi, tipkami ipd. Zagovarjati idejo, da naj se stroj vodi od znotraj, s pomočjo za človeka nevidno shranjene informacije, je pomenilo narediti velik intelektualni skok.

Delo na razvoju EDVACa se je začelo kmalu po po objavi von Neumannovega predloga, vendar je bil zaradi razpada njegove razvojne skupine dokončan šele leta 1951 in ga je prehitel v angleškem Cambridgu leta 1949 narejeni EDSAC, ki nosi naslov prvega delujočega računalnika s shranjenim programom. EDVAC je bil dvojiški stroj in je kot računalnik s shranjenim programom potreboval in imel veliko večji glavni pomnilnik od vseh do sedaj opisanih.

Slika:EDVAC.jpg

Razvoj po letu 1950


Po letu 1950 se je število računalnikov pričelo hitro povečevati. Državno financiranje je zamenjal komercialni interes, ki je pripeljal do serijske proizvodnje in nižje cene.

Leta 1948 so v laboratorijih podjetja Bell Telephone ameriški fiziki Walter Houser Brattain, John Bardeen in William Bradford Shockey izumili tranzistor, ki je neke vrste elektronsko stikalo. Tranzistor je imel izreden učinek na razvoj računalnikov. Nadomestil je drage, energetsko neučinkovite in nezanesljive vakumske elektronke.

Slika:Bell.jpg

V poznih 60 letih so integrirana vezja (čipi) v računalnikih nadomestila posamezne tranzistorje. V 70-ih pa so izboljšave v tehnologiji integriranih vezij privedle do razvoja modernih mikroprocesorjev - to so integrirana vezja s tisoči tranzistorjev. Moderni mikroprocesorji vsebujejo celo več kot 60 milijonov tranzistorjev. S pojavom mikroprocesorjev pa se je število računalnikov pričelo povečevati še hitreje.

Slika:tranzistor.jpg

Ted Hoff, Intel 4004, 1971

Srce današnjih računalnikov je mikroprocesor. Beseda mikroprocesor je bila prvič uporabljena leta 1972. Danes pod pojmom mikroprocesor pojmujemo centralno procesno enoto na enem samem silicijevem substratu.

Pobuda za razvoj prvega mikroprocesorja je prišla iz Japonske. Sredi leta 1969 je firma Busicom, ki je izdelovala namizne kalkulatorje in je kasneje propadla, ponudila firmi Intel pogodbo za razvoj družine integriranih vezij. Ta integrirana vezja naj bi uporabili pri izdelavi nove serije programabilnih kalkulatorjev.

Za pregled in oceno zahtev Busicoma je bil določen Ted Hoff, ki se je leto pred tem pridružil firmi Intel kot njen dvanajsti zaposleni. Hoff je po analizi zahtev prišel od sklepa, da so Busicomovi načrti prezahtevni, da bi jih bilo mogoče dovolj poceni realizirati po takrat običajni poti.

Hoff je razmišljal, da bi tak procesor (ki mu takrat še niso pravili mikroprocesor) lahko na široko uporabljali zgolj s spreminjanjem v pomnilniških elementih. To razmišljanje se nam danes zdi tako samoumevno, da le težko razumemo, kako da Hoffovi sodobniki v začetku nad njim niso bili posebno navdušeni. Za osnutek 4-bitnega procesorja, ki ga je pripravil Hoff, Busicom v začetku ni pokazal zanimanja. Ker pa je Intel iskal nova tržišča in ker je njihovo vodstvo ocenilo, da bi tak element lahko povečal prodajo njihovih pomnilniških elementov, so Hoffu dovolili, da nadaljuje z delom.

V novembru 1971 se je v reviji Electronic News pojavila prva reklama za Intel 4004.



Leta 1965 je pionir v uporabi polprevodnikov Gordon Moore predvidel, da se bo število tranzistorjev na enem čipu podvojilo vsako leto. Ta izjava se sedaj imenuje Moorov zakon in se je izkazala za precej natančno. Število tranzistorjev in hitrost računanja mikroprocesorjev se trenutno podvoji približno v 18 mesecih. Komponente se zmanjšujejo in postajajo hitrejše, cenejše in vsestranske.


Slika:mikroprocesor.jpg



Leta 1977 je podjetje "Commodore" začelo s prodajo računalnika "PET" - to je bil prvi "Personal Computer" (PC)za javno uporabo.


Slika:PC1.jpg

VIR


www.robptuj.si SERŠ Maribor

Osebna orodja