Arhitectura calculatoarelor

I. Arhitectura calculatoarelor

1. Scurt istoric

Momentul iniţial al istoriei calculatoarelor este, de obicei legat de numele matematicianului englez Charles Babbage. El a propus în anul 1830 o Maşină Analitică care a anticipat în mod fascinant structura calculatoarelor actuale. Ideile sale au devansat cu peste 100 de ani posibilităţiile tehnologice ale vremii sale. Înainte au mai fost încercări în acest domeniu, ale lui Leibnitz şi Pascal (sec. al XVII-lea).

Următorul moment de referinţă este anul 1937, când Howard Aiken, de la Universitatea Harvard a propus Calculatorul cu secvenţă de Comandă Automată, bazat pe o combinaţie între ideile lui Babbage şi calculatoarele electromecanice, produse de firma IBM. Construcţia acestuia a început în anul 1939 şi s-a terminat în anul 1944, fiind denumit Mark I. El a fost în principal primul calculator electromecanic, fiind alcătuit din comutatoare şi relee.

Înlocuirea releelor cu tuburi electronice a constituit un important pas înainte. Rezultatul a fost concretizat în calculatorul ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer), primul calculator electronic digital. El conţinea circa 18.000 de tuburi electronice şi executa 5.000 de adunări pe secundă, având o memorie de 20 de numere reprezentate în zecimal. Programarea sa se realiza prin poziţionarea a circa 6.000 de comutatoare, cu mai multe poziţii. O semnificaţie aparte o are faptul că în arhitectura calculatoarelor Mark I şi ENIAC, intrau mai multe elemente de calcul, ce lucrau în paralel la o problemă comună, fiind dirijate de o singură unitate de comandă. Această soluţie a fost aleasă datorită vitezei reduse a fiecărei unităţi de calcul în parte. La versiunea următoare s-a renunţat la această structură paralelă de calcul, deoarece s-a considerat că viteza unei unităţi de calcul, realizată cu circuite electronice, este suficientă. Soluţia prelucrării paralele a fost reluată ulterior după anii 80’ pentru mărirea performanţelor unui sistem de calcul; astfel în 1996 Firma INTEL a realizat un supercalculator ce foloseşte peste 7000 de procesoare PENTIUM utilizând tehnica „de calcul masiv” (utilizat pentru simularea testelor nucleare, în cercetări genetice, spaţiale, meteorologice).

De remarcat că la realizarea primelor calculatoare, în calitate de consultant al echipei, a lucrat şi matematicianul John von Neumann, unul dintre matematicienii importanţi ai secolului XX. De altfel, la realizarea calculatorului EDVAC (primul calculator cu circuite electronice) el a stabilit 5 caracteristici principale ale calculatorului cu program memorat :

1. Trebuie să posede un mediu de intrare, prin intermediul căruia să se poată introduce un număr nelimitat de operanzi şi instrucţiuni .

2. Trebuie să posede o memorie, din care să se citească instrucţiunile şi operanzii şi în care să se poată memora rezultatele.

3. Trebuie să posede o secţiune de calcul, capabilă să efectueze operaţii aritmetice şi logice, asupra operanzilor din memorie.

4. Trebuie de asemenea să posede un mediu de ieşire, prin intermediul căruia un număr nelimitat de rezultate să poată fi obţinute de către utilizator.

5. Trebuie să aibă o unitate de comandă, capabilă să interpreteze instrucţiunile obţinute din memorie şi capabilă să selecteze diferite moduri de desfăşurare a activităţii calculatorului pe baza rezultatelor calculelor .

Date Date Rezultate Rezultate

şi instrucţiuni şi instrucţiuni

Stări

Comenzi Stări

Stări Instrucţiuni

Adrese

Comenzi Rezultate/Comparaţii

Comenzi

*Figura reprezintă organizarea unui calculator numeric*

Primul calculator comercializat a fost UNIVAC (Universal Automatic Computer) realizat pe structura calculatorului EDVAC, în anul 1951. În anii următori, dezvoltarea calculatoarelor a devenit explozivă, la mai puţin de zece ani intervenind câte o schimbare care a fost interpretată drept apariţia unei noi generaţii de calculatoare. Ele pot fi clasificate astfel :

Generaţia I (1946-1956) caracterizată prin :

• Hardware: relee, tuburi electronice ;

• Software: programe cablate, cod maşină, limbaj de asamblare ;

• Capacitate de memorie : 2 Kocteţi ;

• Viteză de operare : 10.000 de operaţii/sec. ;

• Calulatoare : ENIAC, UNIVAC, IBM ;