SZÁMÍTÓGÉP GENERÁCIÓK

1. Lecke

A kezdet kezdete

Történeti áttekintés

A számolást segítő eszközök története gyakorlatilag egyidős az em­be­ri­ség történetével. Az ősember a szá­mo­lás­hoz eleinte az ujjait, később köveket, fonalda­rabokat használt, az eredményt a barlang falába, csont­ba vagy falap­okba vésve rögzítette.

A nagyobb számértékek megjelenésével kialakult az átváltásos rend­szerű számábrázolás, a tízes, tizenkettes, majd a hatvanas számrend­szer. Az egyik első eszköz, amely lehetővé tette az egyszerűbb műve­letvégzést, az abakusz volt. Az abakuszt némileg módosítva a XVI. szá­zadig a legfontosabb számolást segítő eszközként használták, egye­te­men tanították a vele való szorzás és osztás műveletsorát.

Az abakusz, más néven soroban mai európai formája a golyós szá­mo­ló­tábla.

A számolás történetében a tényleges áttörést a logaritmus megjele­nése jelentette. John Napier (1550–1617) leírta a logaritmusfüggvényt, a szorzás összeadásra való visszaveze­tésének módszerét és eszkö­zét. A tíz számjegynek 1–1 pálca felelt meg, és a rajtuk lévő rovások azok többszöröseit jelölték. Ez az eszköz Napier-pálcák néven vált el­ter­jedtté, utóda a logarléc.

A XVII. században a hajózási és csillagászati térképek készí­tése, és az eh­hez szükséges számítások elvégzése hosszadal­mas és idegőrlő munkát jelentett. A németországi Herrenbergben született Wilhelm Schickard thübingeni csilla­gász professzor 1623-ban egy  egymáshoz illeszkedő fogaske­rekekkel működő számológépet ter­vezett. Ezen a mai fordulat­számlálókhoz hasonló elvű gépen elvégez­hető volt mind a négy alapművelet, amely megkönnyítette a sok számolást igénylő mű­veletek elvégzését.

mechanikus gépek

Az első „szériában gyártott” számológépet 1642–1644 között Blaise Pascal (1623–1662) készítette el, összesen hét példány­ban. A kor tech­nikai szintjének megfelelően óraalkatrészekből építette meg a szer­ke­ze­tet. A gép újdonsága, alapötlete az automatikus átvitel­kép­zés megol­dá­sa volt. A számológéppel csak az összeadást és a ki­vo­nást le­hetett el­vé­gezni, a nem line­áris műveleteket – a szorzást és az osz­tást – nem. Így ez visszalépést jelentett Schickard készülékéhez ké­pest.

Pascal számológépét Gottfried Wilhelm Leibnitz (1646–1716) fej­lesztette tovább. Ez a gép volt az első, amely közvetlenül vé­gezte el az osztást és a szorzást, valamint kiegészítő művelet nélkül a kivo­nást. Az általa megépített összeadó-szorzó gép a szorzást visszave­zette az összeadásra.

1833-ban Charles Babbage (1791–1871) belekezdett fő műve, az ana­litikus gép elkészítésébe.

A lyukkártya alkalmazásának amerikai úttörője Herman Hollericht (1860–1929) volt, aki egy adatrendező gépet dolgo­zott ki, melyet nép­számláláshoz használt. Minden adathoz egy lyukat, így minden polgár­hoz egy lyukkombinációt rendelt.

elektRo-mechanikus gépek

A németországi számítógépgyártás meghatározó egyénisége volt Konrad Zuse (1910–1995) mérnök, aki kezdetben jelfogós gépek épí­tésével foglalkozott. Németor­szágban a háború előtt a fegyverek elő­ál­lítása kapcsán jelentősen megnőtt a számítási igény. 1939-ben készült el Zuse első nagy sikerű, jelfogókkal működő, mechanikus rend­szerű számítógépe, a Z1. Ez az első gép, amely már a bináris szám­rend­szerre épült. Külön helyezke­dett el benne a tár és az aritmetikai egy­ség, az utasítások bevi­telére mikronyelvet alkalmazott. Ezt követte a Z2, mely igazolta a Zuse programvezérlési elgondolásainak he­lyessé­gét. A Z2 to­vábbfejlesztésének ered­mé­nye­képpen megszületett a Z3.

Az 1900-es években a számítógépek fejlődésének meghatározó sze­mé­lyei közé soroljuk Wallace J. Eckert (1902–1971), vala­mint Howard Hathaway Aikent (1900–1973). Aiken kutatása a számítógépekben al­kalmazott aritmetikai elemek számának je­lentős növelésén keresztül a lyukkártyás gépek hatékonyságá­nak növelésére irányult. Aiken és az IBM 1939-ben megállapo­dást kötött a közös fej­lesztő munkára, amelynek er­ed­mé­nyekép­pen 1944-ben elkészült az elektromechani­kus elven mű­ködő Mark-I.

A gépet egy papírszalagra sorosan felvitt utasítássorral lehetett vezé­relni. A készülék kb. százszor volt gyorsabb, mint egy jó kézi számoló­ké­szülék, megállás nélkül dolgozott, egy nap alatt hat hónapi munkát végzett el.

A Bessel-függvények értékeit számították ki vele táblázatos for­mában, de más területen – mint például közönséges és par­ci­ális differenciál­egyenletek megoldására – nem alkalmazták.

elektronikus gépek

A háború alatt a haditechnika fejlődésével felmerült az igény a számí­tások precizitásának növelésére. Több gépet is kifejlesz­tettek, de ezek egyike sem bírta felvenni a versenyt a náluk kb. 500-szor gyor­sabb ENIAC-kel (Electronic Numerical Integrator and Com­puter). A gép 30 egységből állt, minden egység egy meghatározott funkciót végzett el. A főleg aritmetikai műve­letek végrehajtására terve­zett egységek között 20, úgynevezett akkumulátor volt található az összeadáshoz és a ki­vo­nás­hoz, to­vábbá egy szorzó, egy osztó és egy négyzetgyökvonó egy­ség is. A számokat egy IBM kártyaolvasóval összekapcsolt ún. kons­tans átviteli egységgel lehetett bevinni. Az eredményeket egy IBM kár­tya­lyu­kasz­tóval kártyára lyu­kaszt­va adta ki.

NEUMANN-ELVEK

A mai értelemben vett számítógépek működési elveit a haditechniká­ban megszerzett tapasztalatok felhasználásával Neumann János (1903–1957), magyar származású tudós dol­gozta ki. 1945. június 24-re készült el az a kivonat – First Draft of a Report on the EDVAC (Az EDVAC-jelentés első vázlata) cím­mel –, amely teljes elemzését adta az EDVAC tervezett szerke­zetének. Tartalmazta a számítógép ja­vasolt felépítését, a részegységek megépítéséhez szükséges logikai áram­kö­röket és a gép kódját. A legtöbb számítógépet nap­ja­in­kban is a jelen­tésben meg­fo­gal­mazott elvek alapján készítik el. Fő téte­leit ma Neu­mann-elvekként ismerjük.

Alapelvek

A számítógép olyan matematikai problémák megoldására szol­gál, ame­lyekre az ember önállóan is képes lenne. A cél a műveletek végrehaj­tási idejének meggyorsítása. Ennek érde­kében minden feladatot ös­szeadá­sok sorozatára kell egyszerű­síteni, ezután következhet a szá­molás me­chanizálása.

Soros működésű, teljesen elektronikus, automatikus gép

Neumann János rámutatott a mechanikus eszközök lassúságára és meg­bízhatatlanságára, helyettük kizárólag elektronikus meg­oldások hasz­nálatát javasolta.

A gép a műveleteket nagy sebességgel, egyenként hajtja végre, amely­nek során a numerikusan megadott adatokból az utasításoknak meg­fe­­le­lően emberi beavatkozás nélkül kell működnie, és az ered­ményt rög­zí­tenie.

Kettes számrendszer használata

A kettes számrendszer használatának alapja az a tapasztalat, hogy az elektronikus működést könnyebb hatékony, kétálla­potú eszközökkel megvalósítani. Ehhez elegendő egy olyan rendszer használata, mely két értékkel (igen/nem) dolgozik.

A tízes számrendszert a kettessel felváltva az aritmetikai műve­letek egyszerűsödnek, nő a sebesség, csökken a tárolási igény, így az al­kat­­részek száma is, megoldandó feladat marad viszont a folyamatos át­vál­tás.

Megfeleljen az univerzális Turing-gépnek

Az univerzális gép elvi alapja A. M. Turing (1912–1954) elméleti mun­kásságának eredménye, aki bebizonyította, hogyha egy gép el tud vé­gezni néhány alapműveletet, akkor bármilyen számí­tásra képes. Ez arit­metikai egy­ség beiktatásával érhető el, amelynek az összes számí­tá­si és logikai mű­velet végrehajtása a feladata.

A műveleti se­bes­ség foko­zása érdekében került al­kalmazásra a központi vezér­lő­egy­­ség, amely megha­tározza a program soron kö­vet­­kező utasítását, szabá­lyozza a műveletek sorrendjét, és ennek meg­felelően vezérli a többi egység műkö­dését. Turing kutatása meg­te­rem­tette a programozható számí­tógép mate­matikai modelljét és a digitális számítások elméleti alapját.

Belső program- és adattárolás, a tárolt program elve

A legfontosabb újítás a  belső program- és adattárolás elve, melynek segít­ségével a műveletek automatikusan következnek egymás után, lassú emberi beavatkozás nélkül. A külső tárolás és szakaszos betöl­tés he­lyett az adatok és a programok egy helyen, a belső memóriában kerülnek tárolásra. Innen veszi a központi egység a végrehajtandó uta­sításokat és az azokhoz szükséges adatokat, valamint ide helyezi vissza az eredményt is, így a műveletvégzés sebessége nagyságren­dekkel nő­het.

Külső rögzítőközeg alkalmazása

A számítógépnek a bemeneti (input) és kimeneti (output) egysé­geken keresztül befelé és ki­felé irányuló kapcsolatot kell fenn­tartani a – le­hetőleg – elektronikus vagy mág­neses tárolóeszkö­zökkel. A bemenő egység a külső tárolóeszközről be­olvassa a memóriába a szükséges a­da­tokat, majd a műveletvégzések után a kimenő egység átviszi az ered­ményeket egy leolvasható tárolóközegre.

Neumann idejében a programtárolás és -végrehajtás mechani­kus úton – például lyukkártyák vagy tárcsák segítségével – történt. Az elekt­roni­kus programtárolás és ‑végrehajtás, valamint a kettes számrendszer használatának bevezetése áttörést je­lentett mind a sebesség, mind pedig a felhasználási lehetőségek tekintetében.

Az elektronikus gépek fejlődésének állomásai

A Neumann-elvek alapján készült el az EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Calculator). Az EDVAC volt az első olyan elektro­nikus digitális számítógép, amely megfelelt a belső programtárolási koncepciónak. Az EDVAC-ot – az ENIAC-hez hasonlóan – a Moore School of Electrical Engineering munkatár­sai tervezték. A két gép kö­zötti legfontosabb eltérés, hogy az EDVAC elkészítésekor már a tárolt program elvét alkalmazták.

Az 1950-es évekre az EDVAC mintájára elkészítették az UNIVAC-ot (Universal Automatic Computer).

1956-ra az USA-ban egyre több inté­zet és még több iparvállalat fej­lesztett ki elektroncsöves számítógépe­ket. Ekkorra már az IBM sem elégedett meg a lyukkártyás egységek és nyomta­tók gyártásával, ha­nem belefogott számítógépesítési program­jába, ami legalább 50 évre biz­to­sí­totta vezető szerepét. Megin­dult a számí­tógépek sorozatgyár­tása.

IBM PC: 1981. augusztus 12-én mutatták be, 256 KB memóriá­val, az Intel cég 8088-as mikroprocesszorával és a Microsoft cég DOS ope­rá­ciós rendszerével. Nem volt benne merev­lemez.

IBM XT: 1983-ban került piacra, 640 KB memóriával, az Intel 8086-os processzorával és 10 MB-os merevlemezzel.

IBM AT 286: 1984-ben jelent meg, az Intel 80286-os processzo­rával. Memóriája 1 MB-os, de 16 MB-ig bővíthető volt. Ettől kezdve minden újabb IBM számítógép AT-nek számít, és a processzor sorszámában el szokták hagyni a '80' előtagot.

Ettől kezdve a piacon számos konkurens gyártó – például az AMD, a Cyrix, a Texas Instruments és a Centaur – által ké­szített klón­pro­cesszorokra épülő számítógép jelent meg, komoly versenyt teremtve a számítógéppiacon.

A 386-os generációt lényegesen fejlettebb processzorarchitektúra és na­gyobb órajelsebesség jellemzi. Másik fontos tulajdonsága, hogy a 386-os számítógépek egyes típusaiba a ma­te­ma­ti­kai műveletek el­vég­zését gyorsító társpro­cesszort is beépítettek.

A 486-os generáció belső működése és felépítése jelentős op­ti­ma­li­zá­lá­son esett át, a 386-os processzorokhoz képest jóval magasabb óra­jelen működtek, valamint matematikai segédpro­cesszoruk is tovább­fej­lesz­tésre került. Újdonságként megjelent az úgynevezett belső gyor­sító tár (cache), amely a processzor belső művelet­vég­zé­sé­nek meg­gyor­sí­tá­sára szolgáló, viszonylag kis méretű, de nagyon nagy sebes­ségű memória.

A 486-os típusú processzorok után a processzorok fejlődési üteme to­vább gyorsult. A gyártók innentől kezdve egyedi márka­nevekkel vé­dik új generációs processzoraikat. A legjelentősebb processzor­gyár­tó, az Intel processzorait Pentium márkanév alatt dobja piacra. Ennek leg­is­mertebb változatai a Pentium, Pentium Pro, illetve a Pentium II, III, IV.

Egyes változatokkal párhuzamo­san Celeron márkanév alatt ol­csóbb, ki­sebb teljesítményű, ott­honi felhasználásra szánt pro­cesszo­ro­kat is gyár­tanak.

Az Intel mellett az AMD is a piac meghatározó szereplőjévé nőtte ki magát. Az AMD napjainkban K6, K7, Athlon és Athlon XP márkanevű processzoraival teremt a Pentiumoknak erős konkurenciát. E gyártó ol­csó kategóriás processzorai Duron néven kerülnek forgalomba.

Ma Magyarországon a személyi számítógépek nagy részét Intel és AMD processzorok működtetik.

Az előbbiekben ismertetett valamennyi processzort összetett utasítás-végrehajtási eljárásuk alapján CISC (Complex Instruction Set Computer) processzoroknak nevezzük.

A számítógépek másik csoportja csökkentett utasításkészletű RISC (Reduced Instruction Set Computer) processzorokkal mű­ködik. Ezek rendkívül nagy sebességű processzorok, melyeket több gyártó is fel­használ gépeiben. Például RISC-ek működtetik a SUN vagy Silicon Graphics számítógépeket, illetve az Apple által fejlesztett Macintosh személyi számítógé­peket is.

Ezeket a gépeket speciális, nagy szá­mí­tás­igényű feladatok megoldá­sára használják, például filmtrükkök elő­ál­lí­tá­sára vagy televí­ziós vágó­stúdiók vezérlésére. A SUN gépek egyes tí­pusai a világ leg­erősebb hálózati kiszolgáló gépei közé tartoznak. A RISC processzorok legna­gyobb gyártója a SUN és a Motorola.

számítógépgenerációk

A digitális számítógépeket a bennük alkalmazott logikai (kapcsoló) áramkörök fizikai működési elve és integráltsági foka (technológiai fej­lettsége) szerint is osztályozhatjuk. Ilyen érte­lemben különböző szá­mítógép-generációkról beszélünk. A továbbiakban a számítógépek fej­lődésének főbb állomásait mutatjuk be.

Első generáció

Az ötvenes években a Neumann-elveket felhasználva kezdték építeni az első generációs számítógépeket. Az első elektronikus digitális szá­mítógép az ENIAC. Itt kell megemlítenünk az EDVAC és UNIVAC gé­peket is.

Tulajdonságaik:

működésük nagy energiafelvételű elektroncsöveken ala­pult,

terem méretűek voltak,

gyakori volt a meghibásodásuk,

műveleti sebességük alacsony, néhány ezer elemi műve­let volt má­sodpercenként,

üzemeltetésük, programozásuk mérnöki ismereteket igé­nyelt.

Második generáció

A tranzisztor feltalálása az ötvenes évek elején lehetővé tette a máso­dik generációs számítógépek kifejlesztését.

Tulajdonságaik:

az elektroncsöveket jóval kisebb méretű és energiaigényű tran­zisztorokkal helyettesítették,

helyigényük szekrény méretűre zsugorodott,

üzembiztonságuk ugrásszerűen megnőtt,

kialakultak a programozási nyelvek, melyek segítségével a szá­mítógép felépítésének részletes ismerete nélkül is lehető­ség nyílt programok készítésére,

tárolókapacitásuk és műveleti sebességük jelentősen meg­nőtt.

harmadik generáció

Az ötvenes évek végén a technika fejlődésével lehetővé vált a tran­zisz­torok sokaságát egy lapon tömöríteni, így megszületett az integrált áramkör, más néven IC (Integrated Circuit). A hetvenes évek szá­mí­tó­gépei már az IC-k felhasználásával ké­szültek.

Tulajdonságaik:

jelentősen csökkent az alkatrészek mérete és száma, így a gé­pek nagysága már csak asztal méretű volt,

megjelentek az operációs rendszerek,

a programnyelvek használata általánossá vált,

megjelentek a magas szintű programnyelvek (FORTRAN, COBOL),

műveleti sebességük megközelítette az egymillió elemi mű­vele­tet másodpercenként,

csökkenő áruk miatt egyre elterjedtebbé váltak, megindult a soro­zatgyártás.

negyedik generáció

A hetvenes évek elején az integrált áramkörök továbbfejleszté­sével megszületett a mikrochip és a mikroprocesszor, melyet el­sőként az In­tel cég mutatott be 1971-ben. Ez tette lehetővé a ne­gyedik generá­ciós személyi számítógépek létrehozását. Ebbe a cso­port­ba tar­toznak a ma használatos számítógépek is.

Tulajdonságaik:

asztali és hordozható változatban is léteznek,

hatalmas mennyiségű adat tárolására képesek,

műveleti sebességük másodpercenként több milliárd is le­het,

alacsony áruk miatt szinte bárki számára elérhetőek,

megjelentek a negyedik generációs programnyelvek (ADA, PASCAL).

ötödik generáció

Az ötödik generációs számítógépek létrehozására irányuló fej­lesztési kísérletek a nyolcvanas évek elején Japánban kezdőd­tek meg.

Tulajdonságaik:

a mesterséges intelligencia megjelenése,

felhasználó-orientált kommunikáció.

Míg egy mai számítógép használatakor a felhasználó feladata „megér­tetni” a végrehajtandó műveletsort, addig az ötödik gene­rációs számí­tógépek hagyományos emberi kommunikáció révén fogják megérteni és végrehajtani a feladatokat. Ezen gépek mű­ködési elve úgynevezett neurális hálók használatával valósítható meg, amely a hagyományos rendszerek gyökeres ellentéte.

Az ötödik generációs számítógépek fejlesztése még kezdeti stá­dium­ban van, ezért piacon való megjelenésükre a közeljövőben nem szá­mítha­tunk.

A következő táblázatban a számítógép-generációk legfontosabb tulaj­donsá­gait foglaltuk össze:

1. FELADAT

Pótold a hiányzó neveket, kifejezéseket!

Az első négyműveletes számológépet készítette.

A tárolt program elve nevéhez fűződik.

Az első generációs számítógépek működése
a/az alapult.

A tranzisztor feltalálása lehetővé tette a  számítógépek kifejlesz­tését.

2. FELADAT

Válaszd ki azokat a tudósokat, akik számítástechnikával foglalkoztak!

A)     Babbage

B)     Isaac Newton

C)    Morse

D)    Kemény János

E)     Pascal

F)     Bell

G)    Bernhard Bolzano

H)    Ganz Ábrahám

I)        Chappe fivérek

J)      Neumann János

Számítástechnikával foglalkoztak: