Počítače 1. generace

1. GENERACE POČÍTAČŮ (1944 - 1956)

• První generace počítačů přichází s objevem elektronky, jejímž vynálezcem byl Lee De Forest. Vakuová elektronka dovolovala odstranění pomalých a nespolehlivých mechanických cívkových relé
• Tyto počítače byly konstruovány podle von Neumannova schématu a je pro ně charakteristický tzv. diskrétní režim práce, to znamená, že při tomto zpracování je do paměti počítače zaveden jen jeden program a data, se kterými tento program pracuje. Poté je spuštěn výpočet a již není možné s počítačem v průběhu tohoto výpočtu komunikovat. Po skončení výpočtu musí operátor do počítače zavést další program a data a vše se opět opakuje. Diskrétní režim práce se v budoucnu ukazuje jako nevhodný z důvodu plýtvání strojového času. Mezi další důvody také patří pomalý operátor, který zavádí programy a data. V tomto okamžiku počítač nepracuje a čeká na operátora.
• K rozvoji počítačů první generace došlo především za druhé světové války a to nejen ve Spojených státech a Velké Británii, ale i v nacistickém Německu.
• Jelikož v této době neexistují vyšší programovací jazyky, neexistují ani operační systémy v důsledku složitosti a náročnosti vytváření těchto programů, případně operačních systémů.
  
  

Konfigurace: desítky skříní
Operační rychlost: stovky až tisíce (100 – 10 000) operací za sekundu
Programové vybavení: strojový kód, autokód, assembler, podprogramy, strojové jazyky
Oblast použití: vědecko-technické výpočty (VTV), zpracování hromadných dat (ZHD)
Součástky: elektronky, relé se nahradilo bistabilním spínacím prvkem (klopný obvod) složeným z elektronek
Technické vybavení: děrné pásky, děrné štítky, magnetické bubny, tiskárny
Vnitřní paměť: 1 - 2 KB

ENIAC (1944)

• Roku 1944 byl na univerzitě v Pensylvánii spuštěn první elektronkový počítač zvaný ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer). U zrodu ENIACu stáli v USA John W. Mauchly (1907 - 1980) a John Presper Eckert (1919 - 1995).

• Jednalo se o obrovský počítač o hmotnosti 30 až 40 tun, který zaujímal plochu 150 až 167 m2 (30 m délka, 3 m výška a 1 m šířka). Byl tvořen převážně kombinací elektronek a relé. Musel se chladit proudem vzduchu ze dvou leteckých motorů Rolse Royce.

• Byl velmi pomalý. Vědci předpovídali, že vydrží sotva pár minut, neboť při tak obrovském počtu součástek, které obsahoval, hrozilo, že každou chvíli se něco přepálí. Ve skutečnosti vydržel v provozu až několik hodin, pak se musel opravit a mohlo se opět "počítat".

• Měl původně sloužit pro výpočet balistických drah raket středního doletu. I když ho armáda USA nakonec skutečně používala, do druhé světové války již nijak nezasáhl. Byl totiž dokončen příliš pozdě.

• V konečném stádiu se skládal z 18 000 elektronek, 10 000 kondenzátorů, 7 000 rezistorů a 1 300 relé.

• Tento počítač se považoval ještě v roce 1988 za první elektronkový počítač na světě, protože armáda spojených států zamlčovala všechny ostatní vojenské počítače angažované ve druhé světové válce.

MANIAC (1945)

• Během krátkého klidu po druhé světové válce se v amerických armádních laboratořích (USA) v roce 1945 podařilo postavit týmu, pod vedením Johna von Neumanna (1903 - 1957), počítač MANIAC (Mathematical Analyser Numerical Integrator And Computer). Byl určen pro atomovou laboratoř v Los Alamos a výrazně přispěl k vyvinutí vodíkové bomby.

Von Neumannovo schéma:

• Toto schéma navrhl roku 1945 americký matematik maďarského původu John von Neumann. Jedná se o model samočinného počítače, který v podstatě zůstal zachován dodnes.

• Podle tohoto schématu se počítač skládá z těchto částí:

- Operační paměť - Slouží k uchování zpracovávaného programu, dat a výsledků.
- ALU (Arithmetic- Logic Unit = aritmetickologická jednotka) - Samotné jádro počítače, které provádí veškeré aritmetické výpočty i logické operace.
- Řadič - Řídící jednotka, která řídí činnost všech ostatních částí počítače. Řízení je prováděno pomocí řídících signálů. Stav jednotlivých modulů a jejich reakce jsou zasílány zpět pomocí tzv. stavových signálů.
- Vstupní zařízení - Zařízení určená pro vstup programu a dat.
- Výstupní zařízení - Zařízení určená pro výstup programu a dat.
- Sběrnice - Slouží ke komunikaci mezi jednotlivými moduly. Rozlišujeme sběrnici datovou, adresovou a řídící.

Spojení řadiče a ALU se někdy nazývá procesor. Procesor spolu s operační pamětí je pak tzv. CPU - Central Processor Unit.

Princip činnosti:

- Do operační paměti se pomocí vstupních zařízení přes ALU umístí program, který bude provádět výpočet.
- Stejným způsobem se do operační paměti umístí data, která bude program zpracovávat.
- Proběhne vlastní výpočet, jehož jednotlivé kroky provádí ALU. Tato jednotka je v průběhu výpočtu spolu s ostatními moduly řízena řadičem počítače. Mezivýsledky výpočtu jsou ukládány do operační paměti.
- Po skončení výpočtu jsou výsledky poslány přes ALU na výstupní zařízení.

Základní odlišnosti dnešních počítačů od von Neumannova schématu:

- Podle von Neumannova schématu počítač pracuje vždy nad jedním programem. Toto vede k velmi špatnému využití strojového času. Je tedy obvyklé, že počítač zpracovává paralelně více programů zároveň - tzv. multitasking
- Počítač může disponovat i více než jedním procesorem
- Počítač podle von Neumannova schématu pracoval pouze v tzv. diskrétním režimu.
- Existují vstupní / výstupní zařízení I/O devices, která umožňují jak vstup, tak výstup dat (programu)
- Program se do paměti nemusí zavést celý, ale je možné zavést pouze jeho část a ostatní části zavádět až v případě potřeby

• Většina univerzálních mikroprocesorů respektuje koncepci von Neumanna a většina mikrokontrolerů je navrhována podle Harvardské koncepce - jedná se o mikrokontrolery obsažené např. v televizích, tiskárnách, klávesnicích počítačů, ale i např. v tachometrech na jízdní kola atd.

Harvardská architektura:

• Tato architektura byla navržena Howardem Aikenem v třicátých letech minulého století na Harvardské univerzitě ve Spojených státech při vývoji reléového počítače HARVARD MARK I. Dále byla využita na Pensylvánské univerzitě pro elektronkový počítač ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator). Již tehdy byla moderní koncepcí, ale technické prostředky v té době neumožnily její realizaci, a proto byla zavržena a byla převzata koncepce von Neumannova. Později asi po čtyřiceti letech dosáhla technologie výroby integrovaných obvodů takového stupně, že mohla být tato koncepce realizována.

Základní principy harvardské architektury jsou:

- Paměť je rozdělena na paměť programu a dvě paměti dat tak, aby současně mohly do ALU vstupovat dva operandy.
- Součin dvou operandů v jednom instrukčním cyklu provede hardwarová násobička a výsledek součinu je přičten k akumulátoru (operace typu MAC - Multiply And Accumulate).
- Pro zvýšení výpočetní výkonnosti se používá pipelining (zřetězené zpracování instrukcí).
- Je zvýšen počet samostatných datových a adresových sběrnic a přímý přístup do paměti je prováděn vícenásobným kanálem DMA (Direct Memory Access - způsob rychlého přenosu dat mezi systémovou pamětí RAM a přídavnými deskami).
- Řízení jádra procesoru je odděleno od řízení vstupních a výstupních jednotek a architektura typu 1X a 2X znamená, že jedna instrukce je provedena v jednom nebo ve dvou hodinových cyklech (taktech).

Otázky k opakování z referátů mikroprocesorové techniky TVY
--Arni 27. 5. 2010, 13:53 (UTC)