A számítástechnika története a kezdetektől napjainkig

A számítástechnika története a kezdetektől napjainkig

TARTALOMJEGYZÉK 1. Bevezetés............................................................................................................... 3 2. A számítástechnika kialakulása, fejlődése Neumannig .......................................... 4 2.1. Számolási segédeszközök ............................................................................... 4 2.2. Mechanikus számológépek .............................................................................. 8 2.3. Elektromechanikus számítógépek .................................................................. 16 2.4. Az I. generáció: Elektroncsöves számítógépek (1945-60).............................. 23 3. Neumann hatása a számítástechnikára ............................................................... 28 4. A számítástechnika fejlődése napjainkig .............................................................. 29 4.1. Az I. generáció : Elektroncsöves számítógépek (folytatás)............................. 29 4.2. A II. generáció: Félvezető alapú gépek (1959 - 64) ........................................ 37 4.3. A III. generáció: Integrált áramkörös gépek (1965 - 71) ................................. 39 4.4. A IV. generáció: Magas integráltsági fokú áramkörök, a mikroprocesszorok elterjedése (1971 - ) .............................................................................................. 43 4.5. Az analóg és a digitális elven működő gépek közötti különbség .................... 51 5. A számítástechnika fejlődésének jövőbeni kilátásai ............................................. 53 Irodalomjegyzék ....................................................................................................... 55

2

1. Bevezetés Mint, ahogy a cím is mutatja a számítógép kialakulásának történetét igyekeztem feldolgozni az egyszerű számolási segédeszközöktől egészen a mai modern asztali számítógépekig. Én inkább a digitális számítógépekre helyeztem a hangsúlyt. Bevezetésként leírnám Makkai László gondolatait és megpróbálnám átültetni a számítástechnika kialakulásának történetére. Makkai László megpróbálta képlet formájában leírni a technika fejlődésének lépéseit : I-T-E-D-R Ebben az I a szerszám (instrumentum), a T az erőátvitel (transzmisszió), az E az energia, a D a vezérlés (ductor) és az R az emberi értelem (ratio) jele. Makkai a sémát a kalapács használatának kialakulására ültette át. Először az öklöt a marokra fogott kő (I), azt a nyelezett kalapács (T), ezt a gőzkalapács követi (E), ennek munkáját pedig algoritmus által determinált programmal lehet vezérelni

(D).

Ha

ezt

megpróbálom

átültetni

a

számítógép

technikai

fejlődésére, akkor ilyen lehet a sorrend, de ez nem biztos. Először az ember tíz ujját váltották ki a számolólécek vagy számolópálcák (I); majd jött az abakusz (T); utána következtek a különböző mechanikus számológépek (E); ezeket később

felváltották

az

elektromechanikus

már

valamilyen

szinten

programozható számítógépek (D); az utolsó lépcső a tisztán elektronikus, szabadon programozható számítógépek (R). A munka bonyolultabb volt mint látszik hiszen néha az egyik forrás munka homlok egyenesen mást írt mint a másik adott esemény kapcsán. A dolgozatom felosztását fejezetekre így gondoltam ahogy olvasható, de más felosztás is lehetséges.

3

2. A számítástechnika kialakulása, fejlődése Neumannig 2.1. Számolási segédeszközök A számolás igénye már az ősidőkben felmerült; valószínűleg a tulajdon megjelenésével egy időben jelentkezett ez az igény is. A számoláshoz segédeszközökre volt szükség. Eleinte elegendő volt a legkézenfekvőbb segédeszköz, az emberi kéz tíz ujja. Feltételezhetően ezért alakult ki a tízes számrendszer. Ugyanakkor más számrendszerek is kialakultak: a tizenkettes, a tizenhatos és a kettes. A kettes számrendszert már az ősidőkben is használták egyes területeken, ez az ember testrészeinek párosságából adódott. Később, amikor a tulajdonban lévő tárgyak és állatok megszámlálására, nyilvántartására már nem volt elegendő a tíz ujj, más segédeszközöket kellett alkalmazni a számolás megsegítésére: például kavicsokat, vesszőket. Nagy számok esetén szükségessé vált a segédeszközök fejlesztése. A fejlődés első fokát jelentették a számolólécek és a számolópadok. A

tíznél

nagyobb

számjegyek

összeadását

könnyítették

meg

a

számolólécek. A legrégebbi kínai számjelek jól észrevehetően még erre a segédeszközre utalnak. A másik, a fejlődés első fokát jelentő segédeszköz a számolópad (számolódeszka), amelynek a felülete sorokra és oszlopokra volt beosztva. A számolódeszka minden sora a számolópfenniggel megjelölt szám oszlopának egy-egy sokszorosát jelölte. A kereskedők útjaikra számolódeszka helyett ugyanilyen elven működő számolókendőt vittek magukkal. A

Püthagorasz-féle

számolódeszka

az

ókori

Görögországban

kifejlesztett számolási segédeszköz, a már említett számolópadok egyik tovább fejlesztett változata volt. A gyakran szükséges számításokat táblázatba foglalta, amelyből az eredményeket egyszerűen leolvashatták. A Phütagoraszféle számolódeszka a matematikai táblázatok ősének tekinthető. A fejlődés következő állomása az abakusz volt. Valószínűleg kínai eredetű, és a XIII. sz.-ban az egész világon elterjedt és még napjainkban is használják. Kínában: szuan-pan -nak, Japánban szorobán -nak hívják. Japánban még ma is használják és gyorsabban képesek elvégezni vele a négy alapműveletet, mint más egy zsebszámológéppel. Ez a szerkezet rudakon, drótokon vagy hornyokon ide-oda mozgatható golyókat tartalmaz. A golyók 4

helyzete a rudakon számokat, a rudak pedig egy-egy helyi értéket jelentenek. Az abakusz legegyszerűbb változatán minden rúdon tíz golyó található. Az elválasztó lécet is tartalmazó abakusz esetén az elválasztó léc alatti részen öt (egyeseket jelölő), a felső részen pedig kettő (ötösöket jelölő) golyó elegendő a számok ábrázolására. Ennél is kevesebb golyót tartalmaz a (4+1) -es abakusz, amely azt használja ki, hogy minden számjegy ábrázolásához csak 1 ötösöket és 4 egyeseket jelölő golyóra van szükség, a kerethez ütköző golyó pedig mindig nulla helyzetet jelöl (lásd 1. ábra). Az összeadás és a kivonás az abakusszal egyszerűen elvégezhető, viszont a szorzás és az osztás több gyakorlatot és időt igényel.

7

0

2

5

1

3 1. ábra

A szorzás és az osztás elvégzéséhez egy külön segédeszköz vagyis inkább módszer is elterjedt. Az abakusszal párhuzamosan. Ez módszer a gelosia-módszer (rácsos módszer, lásd 2. ábra). A középkor kezdete óta széles körben alkalmazták. Először Indiában, Perzsiában, Kínában és az arab kultúrában jelent meg. Európában a 14. sz. elején vált ismertté. A felépítése és a használata a következő: Függőleges és vízszintes vonalak egy mátrixot alkotnak. Minden mezőt egy átló két részre oszt. A szorzáshoz a szorzandó számjegyeit oszlopról oszlopra haladva a legfelső sorba , a szorzó számjegyeit pedig a legkülső oszlop egymás utáni kockáiba kell írni. A felhasználó a mátrix minden egyes mezejét a hozzátartozó oszlop és sor szorzatát jelentő számmal

5

kell, hogy kitöltse. Az egyeseket az alsó, a tízeseket a felső háromszögbe írva. A teljes szorzatot úgy kapja meg, hogy a jobb alsó saroktól indulva a bal felső sarok felé haladva összeadja a felrajzolt, egymással szomszédos átlókon elhelyezkedő számokat. Ha valamelyik átlós összeg kétjegyű szám, annak első jegyét a felette álló átlós összeghez adja. Az eljárás nemcsak szorzásra, hanem osztásra is alkalmazható, de nagyon sok írást igényel.

2. ábra A technikai eszközök fejlődését elősegítette a matematika, az elmélet fejlődése. Az egyik ilyen fontos lépés a XVI. században John Napier (1550-1617), latinosan Neper, skót tudós és matematikus felfedezése a logaritmusfüggvény, amely lehetővé tette, hogy a szorzást összeadásra lehessen visszavezetni. 1594-ben elkészítette az első logaritmus táblázatot. Emellett a nagyszerű matematikai felfedezés mellet számolópálcákkal egyszerűsítette a rácsos

6

módszert. A pálcákat Neper-pálcáknak vagy Neper-csontoknak is nevezik, mivel a tartósabb darabok csontból készültek. Minden pálca a rácsos (gelosia-) módszer mátrixának egy lehetséges oszlopát, tehát egy számjegy egész számú

többszöröseit

ábrázolja

(lásd

3.

ábra).

A

számolópálcákat

a

misszionáriusok még Napier életében egészen Kínáig terjesztették el.

3. ábra Napier kutatásait - a logaritmus terén - felhasználva alkotta meg William Oughtred (1574-1660) tiszteletes a logarléc ősét 1622 -ben, amelyet 1650-ben tökéletesítették, és a közelmúltig segítette a számolást végző ember munkáját.

7

2.2. Mechanikus számológépek A XVII. században az órásmesterség, és a mechanika fejlődése, illetve a különböző matematikai és csillagászati táblázatok elkészítésének igénye az embereket mechanikus számológépek megszerkesztésére késztette. Az első mechanikus számológépek szerkesztői között említjük Wilhelm Schickard, Blaise Pascal és Leibniz nevét. Az első számológépet 6 évvel Napier halála után készítette el egy tübingeni professzor és sokoldalú zseni Wilhelm Schickard (1592-1635) a harmincéves háború alatt. A Neper-pálcák segítségével egy olyan gépet épített 1623-ban Württembergben, amely automatikusan összeadott, kivont, szorzott és osztott. A készülék összeállítására valószínűleg a híres csillagásszal, Johannes Keplerrel folytatott beszélgetései és levelezése ösztönözte. Az első levél 1623. szept. 20-án kelt, amelyben leírta, hogy a gép „az adott számokkal automatikusan számol: összead, kivon, szoroz és oszt. Bizonyára örülne, ha látná, hogyan gyűjti össze a gép a tízes és százas maradékokat, vagy kivonáskor hogyan vesz el belőlük ...”

A második levelében, amely

1624. február 25-én kelt, arról tájékoztatja Keplert, hogy a számára épített gép a műhelyben kitört tűzben elégett. A gépnek egyetlen példánya sem maradt fenn, de a levélbeli információk alapján 1960-ban sikerült egy jól működő konstrukciót létrehozni:

A számológép felső része függőlegesen elrendezett

hengeres, forgatható Neper-pálcákat tartalmaz. Ezeken legfeljebb hatjegyű számokat

lehet

beállítani.

Alatta

fogaskerekekből

készített

számolómű

található. A felhasználó a Neper-pálcákról leolvasott részeredményeket kézzel viszi át a számolóműbe. A végeredmény a készülék alján lévő kis nyílásokban jelenik meg. A gép alapzatában elhelyezett számlapok hatjegyű szám tárolását teszik lehetővé, valószínűleg azért, hogy a felhasználónak ne kelljen a részeredményeket

külön

leírnia

(lásd

4.

ábra).

Az

összeadást

végző

számolóműben a szomszédos számjegyek fogaskerekei közé elhelyezett egy járulékos fogaskereket, amely elvégzi a kétjegyű összeg első jegyének átvitelét a következő helyértékre. A számjegyek fogaskerekeinek minden teljes körbefordítása után egy külön beépített fog a járulékos fogaskereket 36 fokkal

8

elfordítja, ami viszont a következő számjegy fogaskerekét eggyel magasabb számértéknek megfelelő helyzetbe fordítja tovább. A számolómű működésének következtében Schickard hat jegyre korlátozta számológépét. Határesetben, pl. 999999 + 1 összeadásakor ugyanis az egyes számjegyhez kapcsolódó egyetlen fogaskerékfognak kellene a teljes számolóművet mechanikus úton átfordítania. Schickard gépe volt az első, amely a számolási tartomány túllépését (azaz az overflow -t) is jelezte a felhasználónak (Csengővel). A zseniális szerkezet létezéséről annak idején nem szerezhetett tudomást a világ, mert Schickard és családja elpusztult egy pestisjárványban. így soha nem tudhatjuk meg, hogy hogyan befolyásolta volna ez a találmány Pascalt és Leibnizet.

4. ábra

A számítástechnika történetének következő nagy alakja Blaise Pascal

(1623-1662).

1642-43

között

húszéves

korában

tervezett és épített egy kicsi és egyszerű gépet (lásd 5. ábra). A szorzást és az osztást nem tudta elvégezni, így Schickard gépéhez

képest

visszalépés

volt.

Pascal

gépe

tízes

számrendszerbeli számjegyekkel számol. Az egyes számjegyek 0-tól 9-ig fogaskerekek

meghatározott

beállításának

felelnek

meg.

A

számok

ábrázolásához annyi, azonos tengelyen elhelyezett fogaskerékre van szükség, ahány számjegyből áll a szám. Az egy fogaskerék foggal történő elfordítás a

9

forgási iránytól függően az egy hozzáadását vagy kivonását jelenti. A 9-ről a következő 0-ra való átmenet során a gép a legközelebbi helyértéken álló számot automatikusan eggyel megnöveli, ez a folyamat a tízes-átvitel.

5. ábra Körülbelül tíz évvel Pascal halála után Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716) - aki minden idők legnagyobb polihisztora volt - szerkesztett egy eszközt, amely Leibniz-kerék néven ismeretes. megoldja

Ez két

tulajdonképpen szám

egy

osztását

bordáshenger,

és

szorzását

amely

egyetlen

körülfordulással (lásd 6. és 7. ábra). A Leibniz -kereket még századunk közepéig is használták asztali mechanikus számológépekben. A gépet először Londonban láthatták 1673-ban. Az 1670 -es években megépíti gépének harmadik

példányát

is

Nagy

Péter

számára.

Leibniz

megelőzte

kora

gondolkodóit, ennek ellenére mikor 1716-ban meghalt csak a titkára gyászolta, aki így írt erről: „ Sokkal inkább úgy temették el, mint egy rablót, semmint azt, aki valójában volt : hazájának ékessége. ” Számítógépét még ma is őrzik, inkább kuriózumként, sem mint a modern számítógépek korai előfutáraként. Leibniz két elmélettel is hozzájárult a számítástechnika fejlődéséhez: 1666-ban bebizonyította, hogy minden bonyolult számolási művelet lebontható elemi lépések sorozatára, ezzel megteremtette az algoritmizálás alapjait. 1679-ben pedig ismertette a kettes számrendszert. Továbbá Leibniz írta le először azt a gondolatot, hogy: „ ... Kiváló emberekhez valóban nem méltó, hogy rabszolga módra órákat vesztegessenek el olyan számítások elvégzésével, amelyeket bárkire nyugodtan rá lehetne bízni, ha gépet használna.”

10

6. ábra

7. ábra Charles Babbage (1791-1871) vallotta magáénak elsőként Leibniz gondolatát, az unalmas, de egyszerű feladatok automatizálásával kapcsolatban. A róla írt életrajz címe: „ A lobbanékony géniusz ” szintén kulcs a jelleméhez. Felsőközéposztálybeli angol családban született, mindazzal az intellektuális és társadalmi előnnyel, amelyet az ilyen háttér általában biztosít. Az egyetemi évei alatt került kapcsolatba a csillagászattal, és egyik alapító tagja lett a Royal Astronomical Society-nek (Királyi Csillagászati Társaságnak), és őt tüntetik ki elsőnek a Társaság aranyérmével az Observations on the Application of Machinery to the Computation of Mathematical Tables (Gépek matematikai táblázatok kiszámításánál való alkalmazásának tapasztalatai) című munkájáért. Az aritmetikai táblázatok kiszámítására tervezte gépét - a differencia gépet - Babbage, de ez a gép még mindig nem volt, olyan gyors és főleg pontos, hogy forradalmasítsa a táblázatok készítésével kapcsolatos számításokat. A technika még nem volt, olyan fejlett, hogy a tárcsákat, fogaskerekeket a szükséges pontossággal lehessen elkészíteni és legyártani.

11

Tehát a differenciagép (lásd 8. ábra) nem számolt több nagyságrenddel gyorsabban mint az ember, viszont sosem fáradt el és állandó sebességgel tudott számolni. A gépet 1823-ban kezdte el építeni állami támogatásból, de 1833-ban végleg abbahagyta. A gép úgy ahogy Babbage abbahagyta a délkensingtoni Természettudományi Múzeumban található. Pehr Georg Scheutz nevű svéd nyomdász megépítette a differenciagépet és 1854-ben Londonban be is mutatta. A gép a következő táblázathoz hasonló táblázatok készítését tette lehetővé : N

N 2 +N+41

0

41

1

43

2

2

47

4

2

3

53

6

2

4

61

8

2

5

71

10

2

6

83

12

2

7

97

14

2

8

113

16

2

131

18

2

9

D1

D2

2

A D 1 oszlop az N +N+41 jelzésű oszlop egymás után következő elemeinek különbségeit tartalmazza. A D2 oszlop a D 1 oszlop egymás utáni elemeinek különbségéből áll. Miután a D2 oszlop minden eleme azonos így könnyen lehet folytatni a táblázatot. Nézzük meg például a N=10 esetre. Tudjuk, hogy a D2 oszlopban megint csak 2-es szám lesz, a D 1 oszlopba tehát 18+2=20 fog kerülni. Az N 2 +N+41 jelzésű oszlop következő eleme tehát 131+ 20 = 151 ; ezt úgy lehetett kiszámolni, hogy közben egyetlen osztást vagy szorzást sem kellett elvégeznünk, csak összeadást. A

fent

kiszámolt

értékek

pontosságát

alátámasztja

Karl

W.

T.

Weierstrass berlini professzor tétele. Ez a tétel kimondja, hogy bármely folytonos

függvény

egy

adott

intervallumon

megközelíthető

tetszőleges

mértékben polinommal. A polinom egy a+bx+cx2 + ... +dxn alakú kifejezés. Minden polinom fölépíthető differenciál táblázatok segítségével. Akárhányad fokú polinomnak van olyan differencia oszlopa, amely már konstans, és így a polinom fölépíthető összeadások egymásutánjával. A harmadfokú polinom 12

esetén

a

D3,

negyedfokúnál

a

D4

oszlop

lesz

konstans.

Babbage

differenciagépe hatodfokú a+ bN+ cN 2 + +dN3 + eN 4 +fN5 +gN6 polinomok kezelésére készült.

8. ábra 1833-ban amikor a differenciagép fejlesztésével felhagyott, Babbage kigondolta főművét az analitikus gépet. Ez elvileg egy általános célú számítógép volt, majdnem modern értelemben. Ez a gép életcéljává vált, és egészen 1871-ben bekövetkezett haláláig dolgozott rajta. Halála után fia dolgozott rajta, és maga építette meg a gép egyes darabjait, és a londoni Természettudományi Múzeumnak ajándékozta őket. A gép alapötletét a Jacquard féle szövőszék működéséből merítette. Jacquard egy kártya sorozat segítségével automatizálta a szövés folyamatát. A kártyákon lyukak vannak elhelyezve, mégpedig úgy, hogy azok a kívánt mintát rajzolják ki. Az analitikus gép ugyanezt a folyamat irányítási módszert használta fel. Az analitikus gép két részből állt: 1.

A

tárolóból,

ahol

azok

a

változók

helyezkednek

el,

amelyekkel

műveleteket kell végezni, illetve a műveletek eredményei.

13

2. A malomból, amelybe mindig azokat a mennyiségeket visszük be, amelyeken éppen valamilyen műveletet kell végezni. A

gép

felépítéséből

következően

két

kártyacsomag

van:

az

első

a

végrehajtandó műveleteket határozza meg - ezek a műveleti kártyák, a másik meghatározza azokat a speciális változókat, amelyeken az előzőeknek a műveleteket végre kell hajtani - ez utóbbiak a változókártyák. Ha bármilyen formulát ki akarunk számítani, a műveleti kártya csomagját úgy kell egymás után elhelyezni, hogy azok a műveleteket olyan sorrendben tartalmazzák, ahogy a formulában előfordulnak. Ezután egy másik kártyacsomagot kell összeraknunk, amely a változókat behívja a malomba, abban a sorrendben, ahogy dolgozni kívánunk velük. További három kártyára is szükség van: kettő azokat a változókat és konstansokat, ill. ezek numerikus értékeit tartalmazza, amelyekre az előző műveleti kártya hatással van, a harmadik jelzi azt a változót, amelyben a művelet számszerű eredményeit el kell helyezni. Az eddigiekből látszik, hogy az analitikus gép rendkívül általános jellegű. Bármilyen

formula

értékét

ki

lehet

vele

számítani,

ha

már

egyszer

összeállítottuk a kártyacsomagokat, akkor azokat később még egyszer felhasználhatjuk más értékekkel. A számológépek fejlődésével egy időben fejlődött a matematika illetve a csillagászat. A matematika fejlődéséhez járult hozzá a formális logika atya: George Boole (1815-1864). Az ő nevéhez fűződik a formális logika kialakítása és fejlesztése. 1848-ban kiadott egy könyvecskét „ The Mathematical Analysis of Logic ” (A logika matematikai elemzése) címmel, amely 1854-ben kiadott nagy művét készíti elő, amelynek címe az „ An Investigation of the Laws of Thought, on which are founded the Mathematical Theories of Probabilities ”

Logic and

(A gondolkodás törvényeinek kutatása, amelyen a logika és a

valószínűség matematikai elmélete alapul). E műveiben a logikát precíz matematikai

formába

öntötte,

és

elsőként

állított

fel

axiómákat,

és

posztulátumokat a logika számára. Ezeket hívjuk összefoglaló néven Boolealgebrának. Akkoriban ennek az új logikának nem tulajdonítottak akkora jelentőséget, ez inkább később vált fontos tényezővé, mind a matematika, mind a számítástechnika területén. A csillagászatnak fontos szerepe volt a számítástechnika fejlődésének ezen időszakában, mert ez volt az egyik vezető tudományág, mégpedig a 14

kereskedelem, ezen belül is a hajózás fejlődése miatt. A hajózás fejlődése egyre

tökéletesebb

térképeket,

illetve

egyre

tökéletesebb

navigálási

módszereket igényelt, és egyre tökéletesebb helyzet meghatározást is,

ami

természetesen szorosan kapcsolódott a csillagok, égitestek helyzetéhez (konkrétan a Hold pozíciójáról kellett egy pontos táblázat) . így egyre tökéletesebb csillagászati táblázatokra volt szükség, ehhez viszont egyre tökéletesebb és gyorsabb számológépekre. Ebből következően a Leibniz-kerék elvén alapuló több más feltaláló által tervezett gép is megjelent, és ezek egyre tökéletesedtek. Az egyik feltaláló Philipp Matth ä us Hahn (1739-1790) volt, aki 1770-ben a bordáshengereket egy központi tengely körül kör alakban helyezte el. Ez a számolómalom megbízhatóan dolgozott és hamarosan széles körben elterjedt. Az előbbi példát kivéve általában a 17., 18. században épített számológépek drágák és megbízhatatlanok voltak. A helyzet csak 1820-ban változott meg Charles-Xavier Thomas de Colmar "Arithrometre" nevű gépével, amely egy Leibniz-féle bordáshengerrel működött. Pontos összeadásra, kivonásra, osztásra, szorzásra és gyökvonásra is képes volt. Az első 50 évben 1500 darab került forgalomba. De nem csak a csillagászatnak voltak nagy számolás igényű feladatai, hanem egyre inkább a közigazgatáshoz és az államapparátus fenntartásához is szükség volt komoly számításokra. Konkrétan a népszámlálás adatainak feldolgozásának esetenkénti 3 - 4 évét kellett kiváltani valamilyen gyorsabb eljárással.

Az

Egyesült

Államok

Belügyminisztériumának

Népszámlálási

Hivatala 1880-as években lépett fel azzal az igénnyel, hogy a népszámlálás adatainak feldolgozását legalább részben automatizálni kéne.

15

2.3. Elektromechanikus számítógépek Herman

Hollerith

(1860-1929)

aki

a

Columbia

Egyetem

bányászati szakán szerzett diplomát, a szakdolgozatában egy saját maga szerkesztette táblázatkészítő rendszert ismertetett. 1879-től 1883-ig a Népszámlálási Hivatalnál dolgozott. Ez alatt az idő alatt érlelődött meg benne a lyukkártyán alapuló számláló berendezés terve, amelyet 1889-ben már szabadalmaztatott is (lásd 9. ábra). A gépet az 1890-es népszámláláson már használták. A gép megtervezésének gondolata részben John Shaw Billingsé volt, aki az 1880-as népszámlálás felügyelője volt. A gép működése a kártyákon alapult. A kártyán minden lyuk egy-egy adatot jelentett. A kártyák érintkezőkefék alatt futottak el, amelyek akkor zárták az áramkört ha lyukat találtak. A záródott áramkörök azután számlálókat aktivizáltak, amelyek minden egyes észlelt lyuk esetén egy pozícióval előbbre léptek. A számlálókat elektromechanikus jelfogók (1844-ben találta fel William Fardely és tőle függetlenül Samuel Morse) működtették. Hollerith rájött, hogy a kártyákat egy adott szempontnak megfelelően sorba lehet rendezni, ez felmérhetetlen jelentőségű volt, ugyanis lehetővé vált annak megállapítása, hogy egy adott populációban hányan rendelkeznek az A, B, C jellemzőkkel és hányan nem. A kártyák mérete egy dolláros bankjegy méretének (6 5/8-szor 3 1/4 hüvelyk = 16,5 cm-szer 8,2 cm) feleltek meg, és 288 helyen lehetett kilyukasztani őket. Az 1890-es népszámlálás sikere után, más országokban is bevezették Hollerith gépeit. 1896-ban Hollerith létre hozta a Tabulating Machine Companyt (az adatrendező gépeket gyártó társaságot), ahol gépeket és kártyákat gyártottak. Ebből a társaságból lett később 1924 ben az International Business Machine Company, azaz az IBM. Térjünk

vissza

a

lyukkártyás

gépektől

és

nézzük

meg

milyen

változásokat okozott a tudomány és a műszaki élet területén az elektromosság széleskörű elterjedése. Hiszen már Hollerith is elektromechanikus jelfogókat használt gépéhez. Így a XX. sz. elejére a mechanikus számológépeket felváltották az elektromechanikus számítógépek. Ezeket azért nevezték elektromechanikusnak, mert tartalmaztak reléket (=elektromechanikus jelfogó). A

relék

olyan

mechanikus

szerkezetek

voltak,

amelyeket

egyenáram 16

segítségével lehetett működtetni, lényegében egy elektromos úton vezérelhető kétállású kapcsolót jelentettek.

. 9. ábra Az I. és a II. világháború alatt ugrásszerűen megnőtt az érdeklődés a számítógépek tervezése és felhasználása iránt. Az I. és II. világháború alatt főleg a ballisztika, ezen belül a nagy távolságú ballisztika területén történik változás.

Ez

a

tudomány

a

lövedék

mozgását

vizsgálja

az

ágyúcső

elhagyásától a célba csapódás pillanatáig. A ballisztika egyik központi problémája volt, hogy hogyan határozzuk meg a levegő közegellenállását a sebesség függvényében. E probléma megoldására két csoport is alakult az egyiket Forest Ray Moulton vezette, akit 1918-ban bízták meg a Hadianyagellátási Főnökség ballisztikai részlegénél lévő csoport vezetésével. A másikat, amely Aberdeeni Kísérleti Lőtérre helyezett csoport volt, Oswald Veblen 17

irányította. E két csoport a ballisztikai kutatások terén fontos eredményeket ért el, de mégsem ezért fontos ez a két csoport, hanem a vezetőik miatt. Ugyanis a két vezető később a számítástechnika történetében fontos szerepet játszó két különböző társaság vezetője lett. Forest Ray Moulton 1937 -ben az AAAS (American

Association

for

the

Advencment

of

Science

-

a

természettudományok fejlődésének elősegítésére alakult amerikai szövetség) állandó titkára lett. Ez szövetség később még fontos szerepet fog betölteni a számítógép fejlesztés területén. Oswald Veblent és Albert Einsteint 1932-ben nevezik ki a Princetonban 1930. május 20-án megalapított Institute for Advanced Study =IAS (Felsőfokú Tanulmányok Intézete) első professzorainak. Többek között ebben az intézetben dolgozott Neumann János is 1930-tól és ebben az intézetben építették meg Neumann tervei alapján az IAS vagy princentoni gépet. De ezekről az intézetekről majd később bővebben is lesz szó. A

mai

számítógépek

kettes

számrendszerben

dolgoznak

illetve

lebegőpontos számábrázolást használnak. A lebegőpontos számábrázolást 1914 -ben Leonardo Torres y Quevedo vezette be a számítógép - építésben. Ő volt

az

első

aki

1893

-ban

Babbage

ötletének

(analitikus

gép)

elektromechanikus úton történő megvalósítására tett javaslatot. Egy kis kitérőt kell tennem Németországba ahol dolgozott egy nagyon tehetséges mérnök Konrad Zuse (1910- ), aki az első jelentős sikerű jelfogókkal működő, mechanikus rendszerű számítógépet alkotta meg. Az első gépe még mechanikus volt, ez a Z1, A második a Z2 már jelfogókkal is el volt látva. Az 1941- ben készült Z3 már tisztán jelfogókkal működött. Most részletesen a Z1 -ről. A Z1 az első szabadon programozható számítógép, kettes számrendszerben lebegőpontos ábrázolású számokkal (Leonardo Torres y Qevedo 1914 -ben vezette be a lebegőpontos számábrázolást a számítógép építésben.) működött. Az adatbevitelre billentyűzet szolgált, az adatkivitel kettes számrendszerben egy világító tábla segítségével történt. A számolómű és a tároló telefonrelékből készült. A Z2 lyukfilmes adatbeviteli egységet tartalmazott. 1941-ben fejezte be az első teljesen működőképes, szabadon programozható, programvezérlésű számítógépet a Z3-at. A Z3 lebegőpontos számábrázolást használt, 1600 relét a tároló egységben és 400-at a

18

számolóműben. 1945 elején mutatta be a Z4 nevű számítógépét, amely 1950től a Zürichi Műszaki Egyetemen működött mint Európa egyetlen számítógépe. Térjünk

vissza

Amerikába,

ahol

Babbage

elképzelését

egymástól

függetlenül két kutató csoport is megvalósította, de ennek történetéről később lesz szó még. Egyelőre térjünk vissza Hollerith lyukkártyás gépéhez, illetve a csillagászat fejlődéséhez ugyanis ez a kettő szorosan összefüggött az 1800 -as évek végén 1900 -as évek elején. A csillagászat fontos kérdés volt a XVIII. században, de fontos kérdés maradt a XIX. - XX. sz. -ban is. Egyre pontosabb és bonyolultabb képleteket, egyenleteket dolgoztak ki a bolygók (főleg a Hold) mozgásával kapcsolatban. E mellett rájöttek arra, hogy Hollerith gépét nem csak a népszámlálásnál lehet használni hanem a különböző csillagászati táblázatok készítésénél is. Hollerith gépeit 1928-ban kezdték széles körben alkalmazni csillagászati táblázatok készítéséhez. Ez a fejlesztés az új-zélandi Leslie John Comrie (1893-1950) nevéhez fűződik, aki 1928-ban a Hollerith-féle géppel a Hold pozíciójáról készített táblázatokat. Ez nagy áttörést jelentett, hiszen kiderült, hogy az eddig csak statisztikai és üzleti célokra használt lyukkártyás készülék alkalmasnak, sőt szükségesnek bizonyult magasabb tudományos célokra is. Ez a számítógépek intenzív fejlesztését indította el. Ennek fejlesztésnek nagy vezéregyénisége volt Wallace J. Eckert (1902-1971), aki 1926 -tól kezdve a Columbia Egyetemen egy nagy számítástechnikai laboratórium létrehozásán, illetve fejlesztésén dolgozott. 1937 -ben létrejött Eckert munkásságának eredményeképpen a Csillagászati Számítási Iroda (Astronomical Computing Bureau). Ez volt az első olyan laboratórium, amelyben

lyukkártyás

és

egyéb

gépeket

használtak

fel

csillagászati

számításokra. Itt természetesen számítógép fejlesztés is folyt. Angliában is foglalkoznak ezekben az években a számítástechnika kérdésével. Egyike a nagy

angol gondolkodóknak Alan M. Turing (1912 -

1954), aki 1936 -ban leírta egy olyan számítógép matematikai modelljét,

amely

mint

legegyszerűbb

lehetséges

univerzális

számítógép-automata véges matematikai és logikai problémákat tud megoldani. A Turing-gép három részből áll: egy mindkét oldalon végtelen hosszúságú munkatárszalagból, egy vezérlő egységből és egy olvasó/írófejből. A szalag olyan mezőkre oszlik, amelyek csak egy jelet képesek 19

befogadni. Csak a fej alatt elhelyezkedő mező olvasható vagy írható. A gép működése a következő: Kezdetben a gép meghatározott kiindulási állapotban van. A beolvasott jelektől függően végrehajt valamilyen eljárást, ezután a gép új állapotba jut. A fej a következő jelre kerül, beolvassa azt, és így tovább, egészen addig, amíg az olvasófej alatt a "stop" utasítás jelenik meg. Ilyen módon elvileg minden algoritmus kivitelezhető. Ezen az elméleten kívül fontos azt megemlíteni, hogy Turingtól származik a computer (számítógép) kifejezés. Turing elméletét fejlesztette tovább Neumann János. 1937-re az Egyesült Államokban két további emberben is érdeklődés alakult ki az elektromechanikus digitális számítógépek iránt. Howard Aikenben, aki akkoriban a Harvard Egyetem továbbképzős fizikus hallgatója volt, illetve George R. Stibitzben aki ekkor a Bell Telephone Laboratories munkatársa volt (mint matematikus). Aiken 1937 -ben írott memorandumában kifejti a számítógéppel kapcsolatos nézeteit. Ebben leírja, hogy négy fő különbség van a

lyukkártyás

könyvelő

gépek

és

a

tudományos

célokra

alkalmas

számológépek között. A tudományos számológéppel szembeni követelmények:

1. Legyen képes a pozitív és negatív számok kezelésére. 2. Működése legyen teljesen automatikus. 3. Használjon különböző matematikai függvényeket. 4. Egy számítást a matematikai műveletek természetes sorrendjében végezzen el. Szerinte ezt a négy követelményt figyelembe véve kell átalakítani a lyukkártyás IBM gépeket és akkor egy általános célú számítógépet kapunk. Ez az elképzelése megtetszett Eckertnek és munkatársainak illetve az IBM -nek. így egy mérnök csoport alakult Aiken illetve az IBM munkatársa Clair D. Lake vezetésével. Fejlesztő munka indult meg a Harvard Egyetem laboratóriumában. 1939-ben kezdődik és 1944-ben fejeződik be az Automatic Sequence Controlled Calculator (Automatikus Sorosan Vezérelt Számológép) építése. Ez a gép a MARK I. (lásd 10. ábra). Ez az elektromechanikus gép a számok tárolására

72

darab

számlálót

tartalmazott,

ezek

mindegyike

23

tizesszámrendszerbeli számjegyet és egy előjelet tudott tárolni. 60 további regiszter is volt benne az állandók tárolására, ezeket kézi vezérlésű kapcsolókkal lehetett beállítani. A gép körülbelül hat másodperc alatt hajtott végre egy szorzást, és mintegy tizenkettő alatt egy osztást. További három 20

egység tartozott hozzá ezekkel a logaritmus-, az exponenciális és szinuszfüggvény értékeit lehetett kiszámítani. A gépet egy papírszalag segítségével lehetett vezérelni, amelyre sorosan vitték fel a gépnek szóló utasításokat vagy parancsokat. Minden utasítás három részből állt: az első azt mutatta, hol található az az adat, amelyen a műveletet el kell végezni ; a második azt, hogy az eredményt hol kell tárolni; a harmadik, hogy milyen műveletet kell elvégezni. Továbbfejlesztett

változatai

számábrázolással;

a

:

Mark

a III

Mark

II

1948-ban,

1950-ben

pedig

már már

lebegőpontos elektroncsövek

felhasználásával készült. Ezek a gépek már későn épültek ahhoz, hogy nagy változást hozzanak, hiszen a Mark II és a Mark III előtt már elkészült az ENIAC. A másik csoport a Bell Telephone Laboratories munkatársai alkotta csoport. George R. Stibitz (1903- ) és a Bell Telephone Laboratories munkatársai

1940

-ben

és

utána

több

jelfogós,

digitális

működésű

számítógépet építettek. Ilyen volt a Relay Interpolator vagyis a „ jelfogós interpolátor ” , amelynek fő részei 500 darab telefonjelfogó és egy fajta távíróberendezés voltak. A következő megépült gép a „ Ballisztikus számítógép ” (Ballistic Computer) volt. 1300 jelfogót tartalmazott, de működését tekintve hasonló volt a jelfogós interpolátorhoz. Viszont a Harvardon és a Bell Telephone Laboratoriesban kifejlesztett gépek már időben annyira közel estek az ún. ENIAC -hoz, az első elektronikus számítógéphez, hogy valójában már nagy áttörést nem jelentettek. Miközben a reneszánszukat élték az elektromechanikus számítógépek (Z3, Z4, MARK I, MARK II., stb.), közben 1918- ban már megjelent a tömeggyártásban az elektroncső (1906-ban Lee De Forest szabadalmaztatta az

elektroncsövet.),

amely

sokkal

gyorsabb

és

pontosabb

működésű

számítógépek létrehozását tette lehetővé. Az első tisztán elektronikus úton működő, speciális feladatra tervezett (lineáris egyenletrendszerek megoldása) számítógépet 1940- ben Angliában John Atanasoff és Clifford Berry építették meg. Ez a gép még csak kísérleti példány volt, de mégis csak úttörő szerepet töltött be. Ezt a gépet ABC (Atanasoff Berry Computer) gépnek is hívták. A gép alapműveletei az összeadás és a kivonás, a szorzást és az osztást ezekből öszzeállítva végezte el. Az adatbevitel, és az adatkivitel lyukkártyákon történt. A gép a kettes számrendszerben dolgozott. Az ötven szavas tárolóegységet 21

egy kondenzátorokkal felszerelt forgó dob alkotta. A gép sosem vált a számítások komoly segédeszközévé, ennek ellenére a jövőbe tett hatalmas lépésnek tekinthetjük. Mégpedig azért mert nagy hatást gyakorolt egy másik fizikus John W. Mauchlynak a gondolkodására. Mauchly egy kis Philadelphia melletti főiskolán oktatott és 1941 -ben egy hetes látogatást tett Atanasoffnál. A látogatás alatt a két férfi nyilván meglehetősen részletesen megvitatta Atanasoff ötletét. Ez a beszélgetés nagyban befolyásolta Mauchlyt, rajta keresztül pedig az elektronikus számítógépek egész történetét. Még a tényekhez tartozik, hogy Mauchly ebben az időben foglalt el egy állást a Pennsylvania Egyetem Moore Villamosmérnöki Intézetében.

22

2.4. Az I. generáció: Elektroncsöves számítógépek (1945-60) A II. világháború hatása váltotta ki a Ballisztikai Kutató Laboratórium megalakítását, amelyet 1938 -ban hoztak létre különböző ballisztikai problémák megoldására. Ezeknek a problémáknak a megoldása rengeteg számolást igényelt és természetesen ez magával hozta egy számítógép kifejlesztését. Ez volt az első teljesen elektronikus általános célú számítógép az ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Calculator). 1946-ban készült el és 1955ig működött. Az Egyesült Államokban készült a Pennsylvania Egyetem Moore Intézetében, tervezői : John Mauchly és John Eckert (lásd 11. ábra). Természetesen nem véletlen, hogy pont itt készült el az ENIAC hiszen itt dolgozott Mauchly is aki az Atanasofftól szerzett gondolatait használta fel a gép tervezésénél. A Ballisztikai Kutatólaboratórium számára fejlesztették ki. A gépet ballisztikai és szélcsatornaszámítá- sokra használták. Az ENIAC párhuzamos működésű volt. A gép egy 40 panelből álló, nagy, U alakú építmény, e panelek mintegy 18000 elektroncsövet és 1500 jelfogót tartalmaznak. A panelekből 30 egységet alakítottak ki, amelyek mindegyike egy automatikus számítógéptől megkövetelhető funkciók közül lát el egyet vagy többet. A főként aritmetikai műveletek végrehajtására tervezett egységek között 20 akkumulátor található (az összeadáshoz és a kivonáshoz), továbbá egy szorzó- és egy kombinált osztó- és négyzetgyökvonó egység. Ezekben az akkumulátorokban kerülnek tárolásra azok a számok amelyekkel műveleteket végzünk. A számokat az ENIAC -ba egy ún. konstans átviteli egységgel lehet bejuttatni, amely egy IBM kártyaolvasóval összekapcsolva működik. Az olvasó szabvány lyukasztott kártyákat tapogat le (a kártyák legfeljebb 80 számjegyet és 16 jelet tartalmazhatnak), és a leolvasott adatokat a konstans átviteli egységben elhelyezett jelfogókkal tárolja. A konstans átviteli egység ezeket a számokat

bármikor

elérhetővé

teszi,

amikor

szükség

van

rájuk.

Az

eredményeket hasonlóképpen kártyára lyukasztja az ENIAC nyomtatója, amely egy IBM kártyalyukasztóval összekapcsolva működik. A kártyákról egy IBM nyomtató segítségével lehet automatikusan táblázatokat nyomtatni. Három

23

függvénytábla-egység

tárolja

a

táblázatok

adatait.

Mindegyik

egy-egy

hordozható kapcsolókkal ellátott függvénymátrixszal van kapcsolatban, ezeken egy független változó 104 értékének mindegyikét 12 számjeggyel és 2 előjellel be lehet állítani. A számítások során kapott és később még szükséges számok akkumulátorokban tárolhatók. Ha e számok mennyisége meghaladja az akkumulátorok kapacitását, kártyákra lehet lyukasztani őket, és később a kártyaolvasó és a konstans átviteli egység segítségével újra be lehet vinni a gépbe.

11. ábra

24

Az ENIAC számlálói mind gyűrűsszámlálók voltak, ami egyszerűen annyit jelent, hogy az első és az utolsó hely megfelelő összekapcsolása révén a számláló, ha az utolsó állapotban volt és áramimpulzust kapott, ismét visszatért az első állapotba, azaz az utolsó hely után az első következett. Az ENIAC decimális gép volt azaz tízes számrendszerben számolt. 10-jegyű előjeles számokkal tudott dolgozni, minden akkumulátor 10 darab 10-fokozatú és egy 2-fokozatú gyűrűsszámlálót tartalmazott, ez utóbbit a szám előjelének jelzésére. A 10-fokozatú számláló állapotai feleltek meg rendre a 0, 1,. . ., 9 számjegyeknek. Valamennyi akkumulátorban átviteli áramkörök kötötték össze a számlálókat úgy, hogy ha valamelyik számláló a 9. fokozatról visszaváltott a 0-ra, a következő tőle balra elhelyezett számláló egy áramimpulzust kapott, jelezve, hogy maradékátvitel történt. A számokat áramimpulzusok sorozatával lehetett bevinni. Egy adott d jegyet (0 ≤ d ≥ 9) a megfelelő vezetéken át a gépbe

küldött

d

számú

áramimpulzusból

álló

sorozat

jelentette.

Az

előjelvezetéken nem küldtek impulzust a pozitív, 9 impulzust küldtek a negatív előjel jelzésére. A gép egy összeadást vagy kivonást 200 μs alatt végez el, egy osztást pedig 3 ms alatt. A gépet igen bonyolult módon lehetett egy adott feladat elvégzésére utasítani. Ez az egyik oka annak, hogy a gépből nem készült több. A felhasznált irodalomban

a négyzetszámokat tartalmazó

táblázat elkészítését hozták fel példának így én is azt teszem, de nem a teljes példát ismertetem mert az elég bonyolult és hosszú lenne. Kezdetnek föltételezzük, hogy az 1. akkumulátor n-et tartalmaz, a 2. pedig n 2 -et, és megmutatom, hogyan alakítható ki ebből n+1 és (n+1) 2 . Ez a folyamat látható az alábbi 12. ábrán.

12. ábra

25

Egy gomb lenyomására az indítóegység egy olyan áramimpulzust küld, amelynek hatására az 1. akkumulátor kétszer egymás után átviszi tartalmát, a 2. akkumulátor pedig kétszer egymás után befogadja azt. E művelet végrehajtását követően a 2. akkumulátor n 2 +2n-et fog tartalmazni, az 1. akkumulátor pedig kibocsát egy jelet, amelynek hatására a konstans átviteli egység kiad egy 1-est, és mindkét akkumulátor befogadja azt. Ily módon az 1. akkumulátorban n+1 van, a 2. akkumulátor pedig n 2 +2n+1=(n+1) 2 -t fog tartalmazni.

E

ponton

a

program

leáll,

további

vezérlő

impulzusok

kibocsátására nem kerül sor.

13. ábra Beállítják az ENIAC kapcsolóit.

26

Mielőtt folytatnám az elektronikus digitális számítógépek történetét. Neumann Jánosról kell írnom részletesen, hiszen a számítógépek további fejlődése szorosan kapcsolódik a személyéhez.

27

3. Neumann hatása a számítástechnikára Neumann János (1903 - 1957) magyar-amerikai matematikus, vegyészmérnök és feltaláló volt. 1903. December 28 -án született Budapesten.

Már érettségi bizonyítványának megszerzésekor

hivatásos matematikusként tartották számon, mégis berlini és zürichi egyetemi évei után 1925-ben vegyészmérnöki oklevelet szerzett. Majd 1926-ban Budapesten matematikából doktorált Fejér Lipótnál. 1927-től a hamburgi, 1929-től a berlini egyetemen oktatott. 1930-ban hívták meg Princetonba, az Egyesült Államokba. 1937 -ben kapta meg az amerikai állampolgárságot. 1944-től foglalkozott a számítógépek fejlesztésével. Az ENIAC tervezésébe és építésébe 1945-ben csatlakozik, és az ENIAC hibái alapján elkészíti a First Draft of Report on the EDVAC by John von Neumann (Az EDVAC-ról szóló jelentés első vázlata) című munkáját, amelyben leírja a mai modern számítógép felépítésével illetve a működésével szembeni követelményeket :

1. Teljesen elektronikus számítógép. 2. Kettes számrendszer alkalmazása. 3. Aritmetikai egység alkalmazása (univerzális Turing-gép). 4. Központi vezérlőegység alkalmazása. 5. Belső program- és adattárolás. Ezek az elvek új fejezetet nyitottak a számítástechnika történetében. Neumann elvei alapján készülnek a mai modern számítógépek is. Az első Neumann elvei alapján működő számítógép az EDSAC volt, amelyet az angliai Cavendish Laboratóriumban építettek. Ezt követte az EDVAC.

28

4. A számítástechnika fejlődése napjainkig 4.1. Az I. generáció : Elektroncsöves számítógépek (folytatás) Mielőtt rátérnék Neumannak az EDVAC -kal kapcsolatos munkásságára, még el kell magyaráznom mi az a késleltető művonal, és hogy lehet ezt felhasználni egy elektronikus számítógépben. Ez nagy jelentőségű eszköz volt, ugyanis nagyban hozzájárult a számítógép méretének csökkentéséhez. Ezek olyan eszközök voltak, amelyek bizonyos előre meghatározott hosszúságú idővel tudták késleltetni az elektromos jeleket. Ezek működhetnek ultrahangos alapon. Ezek az ultrahangos eszközök úgy működnek, hogy a késleltetni kívánt elektromos

jelet

ultrahangjellé

alakítják

át ;

ezt

valamilyen

folyadékon

keresztülvezetik, majd ismét visszaalakítják elektromos jellé. A késés abból a tényből fakad, hogy a jelek a folyadékon sokkal lassabban haladnak át, mint az elektromosság a vezetéken. Higanyban például egy ilyen jel sebessége 1450 m/s, míg az elektromos jel sebessége a vezetékben a fény 3 · 108 m/s-os sebességéhez áll közel. Ha tehát megfelelően választjuk meg a folyadékot tartalmazó edény hosszát, akkor előre meghatározott nagyságú késleltetés érhető el. Higany Bemeneti kristály

Kimeneti kristály

Piezo kristályok A működése a következő: ha a cső elején elhelyezett kristályt elektromos impulzus éri , a kristály rezgésbe jön, ennélfogva hanghullámokat küld a higanyon keresztül, másodpercenként 1450 méteres sebességgel. Ha e hanghullám megérkezik a cső másik végére, ott nyomást gyakorol a kimeneten levő kristályra, amire az elektromos jelet bocsát ki. Ez a bemenő jel d/1450 másodperccel késleltetett pontos másolata, ahol a d a cső méterben kifejezett hossza.

29

Az a kérdés, hogy ez hogyan használható információk tárolására. Képzeljük el, hogy a bemenő és kimenő vezeték össze van kötve. Ekkor elvileg bármilyen

hangminta

periodikusan

ismétlődik

a

higanyban.

Ez

abból

következik, hogy a kimeneti kristályt elérve a hangminta átalakul megfelelő elektromos jellé és ekként ismét megjelenik a bemeneti kristályon, ahol visszaalakul eredeti hangmintává. Azonban ez a modell irreális, minthogy a vezetékben és a higanyban fellépő veszteség megakadályozza, hogy a készülék időtlen időkig működjék. Az energiaveszteség pótlására szükség van egy erősítőre (tíz elektroncsőből áll). Ez a rendszer látható a következő ábrán. Késleltető művonal Erősítők Kimenet

stb.

Bemenet

Tegyük fel, hogy az 1-es bináris számjegyet egy 0,5 μs -os jel képviseli, a 0-t pedig egy szünet. Egy 1,45 m hosszú cső ezek szerint ezer bináris számjegyet tartalmazhat, és képes mindaddig tárolni, amíg az áram be van kapcsolva. Az EDVAC (Electronic Discrete Variable Calculator : diszkrét változós elektronikus számítógép) volt az egyike első gépeknek amely az adatokat és a programokat is maga tárolta. Az ENIAC-kal ellentétben nem párhuzamos hanem soros működésű volt, és kettes számrendszerben dolgozott. Minden utasítás két részből állt: a memória vagy az aritmetikai egység egyik pozíciójából és annak jelzéséből, hogy melyik műveletet kell végrehajtani. A memóriapozíciókat a 0, 1, 2,… számokkal lehet megjelölni, a műveleteket úgyszintén. Egy utasítás ennélfogva kifejezhető egy számmal, amely tehát éppúgy tárolható a memóriában, mint bármilyen más numerikus adat. így a Neumann-féle tárolt program elve megvalósult. Az EDVAC végül 1948-ra készült el. Hogy jobban érthető legyen az ENIAC és az EDVAC kapcsolata, ahhoz mindenképpen világosnak kell lennie annak, hogy a két gép tervezése és építése szinte egy időben zajlott. Miközben az ENIAC épült már tisztában voltak a hibáival és a hiányosságaival. Ezért Neumann gondolatai és tervei

30

alapján, már el kezdték tervezni az EDVAC -ot, mind ez a Moore Intézetben folyt a Pennsylvaniai Egyetemen. 1946- ban John Eckert és John Mauchly (Részt vettek az ENIAC és az EDVAC tervezésében) elhagyták a Moore Intézetet és együtt vállalatot alapítottak Philadelphiában az Electronic Control Co. -t, és szinte azonnal hozzáfogtak a BINAC (Binary Automatic Computer- automatikus bináris számítógép) számítógép

elnevezésű,

higanyos

megtervezéséhez

és

késleltető

művonalakkal

kifejlesztéséhez.

1950

-ben

működő helyezték

üzembe. Majd 1951- ben elkészül az EDVAC mintájára az UNIVAC (Universal Automatic Computer - univerzális automatikus számítógép), ez az első kereskedelemben is kapható számítógép. 1948 -ban Wallace Eckert megépítette az SSEC -et (Selective Sequence Electronic Calculator - szelektív soros, elektronikus számológép) az IBM részére. 23000 jelfogót és 13000 rádiócsövet (elektroncsövet) tartalmazott. Az aritmetikai műveleteket az elektroncsövek segítségével végezte el és így 100 szor gyorsabb volt, mint a MARK I. Hierarchikus memóriaelrendezése volt : volt egy kis kapacitású, elektroncsövekkel működő, nagy sebességű tárolója ; egy nagyobb kapacitású, amely jelfogókat használt ; és egy rendkívül nagy, ahol az információk

tárolására

80-oszlopos

papírszalagokon

történt.

A

gép

14

tizedesjegyű számokat 20 ms alatt szorzott össze. E két kiváló tudós távozása (Eckert és Mauchly) a Moore Intézetből és az, hogy Neumann is visszatért a Felsőfokú Tanulmányok Intézetébe, e két esemény megpecsételte a Moore Intézet sorsát abból a szempontból, hogy elveszítette a vezető szerepét a számítógép fejlesztés területén. Ezt a szerepet a princetoni Felsőfokú Tanulmányok Intézete (Institute for Advanced Study =IAS) vette át. Itt épült meg Neumann vezetésével az IAS számítógép (lásd 14. ábra). Hívták még princetoni gépnek vagy Neumann féle gépnek. A gép 1952 re készült el. A gépnek négy fő része volt : az aritmetikai egység, a memória, egy vezérlőegység és egy be-, ill. kiviteli egység. A memória hierarchikus felépítésű volt. A legbelső(központi) egy elektronikus sebességű memória, amelyben 1000 darab 40 digitális jegyből álló számot lehetett tárolni. A második szintű egy sokkal nagyobb kapacitású mágnesdobos memória (1933 ban G. Tauschek osztrák mérnök szabadalmaztatta) volt. A harmadik szintű pedig a lyukszalag vagy lyukkártya volt. 31

14. ábra Neumann János (balra) és J. Robert Oppenheimer a Felsőfokú Tanulmányok Intézetében épült számítógép felavatásán 1952 -ben A

vezérlőegység

létrehozása

volt

a

legnehezebb.

Illetve

a

gép

kódrendszerének kidolgozása is okozott gondokat. Olyan kódra volt szükség, amelynek tartalmaznia kellett minden elemi aritmetikai művelethez egy utasítást, és létezniük kellett olyan utasításoknak, amelyek a memória és az aritmetikai egység közötti összeköttetést biztosították. Biztosítani kellet az információ átvitelének két módját : az egyik a teljes, amikor egy számot átviszünk a memóriába ; a másik a részleges, amely lehetővé teszi, hogy a berendezés módosítsa saját utasításait. Szükség volt még vezérlésátadó utasításokra. Ez kétféle lehet: feltételes vagy feltétel nélküli. Végül létezniük kellett

olyan

utasításoknak,

amelyek

a

be-,

ill.

kiviteli

egységet

a

berendezéshez csatlakoztatják. A gép kettes számrendszert használt, amely természetesen nem jelentette azt, hogy az adatokat kettes számrendszerben kellett begépelni, hanem a gép automatikusan átváltotta a tízes számrendszerű számokat kettesbe. A számok tárolása párhuzamosan történt, vagyis ez azt jelenti, hogy a szám számjegyeit egy-egy párhuzamosan elhelyezett tárolóeszközben tárolták. így az IAS egy párhuzamos működésű gép volt.

32

Minden utasítás csak egy memóriapozíció sorszámát, azaz címét tartalmazta. Így egy összeadáshoz legfeljebb három különböző utasításra volt szükség. Először egy mennyiséget át kellett vinni az egyik címről az aritmetikai egységbe, másodszor el kellett hozni egy mennyiséget egy másik címről és hozzáadni ahhoz, amelyik már az aritmetikai egységben volt, harmadszor pedig az eredményt egy harmadik címen kellett tárolni. A

memória

nem

késleltető

művonalas

volt

hanem,

Williams

katódsugárcsöveiből épült fel. Ezek a következőképpen voltak felhasználhatók információ tárolás céljára. Pontosan annyi cső volt ahány bináris jegyből állt egy szó. Valamennyi cső eltérítő rendszerét párhuzamosan kapcsolták össze, így az elektronnyaláb minden csőben ugyanarra a pozícióra irányult. Ily módon egy szót úgy tároltak a memóriában, hogy annak egy - egy jegyét az egyes csövek megfelelő pozíciójára írták fel. Ha az információt egy fluoreszkáló ernyőn elektromos töltés formájában tároljuk, az fokozatosan elszivárog. Ha viszont az információt bizonyos időközönként ismételten kiolvassuk aztán újra tároljuk, akkor az lényegében örökké megmarad. Ezt a folyamatot meg lehetett szakítani és a gépet hasznos munkára utasítani. IAS gép ezen az elven felépülő memóriája 60-szor gyorsabb tárolási műveleteket tett lehetővé mint, az EDVAC típusú gépek memóriája. A Williams csöveknek voltak elég komoly hibái is, ilyen volt például, hogy ha egy adott pont kiolvasására vagy beírására túl sokszor került sor anélkül, hogy annak egész környezetét regenerálni kellett volna, előfordulhatott, hogy eltévedt elektronok átszivárogtak a szomszédos pontokra és azok bináris állapotát a helyesről hibásra változtatták át. A Williams -féle csöveket Jay Wright Forrester találmánya a ferritgyűrűs memória szorította ki. A ferrit egy mágnesezhető kerámia anyag. Egy aprócska (0,25 - 0,5 - 2 mm, lásd 15. ábra) gyűrű ebből az anyagból egy bitet tud tárolni, amelyet ha a mágnesezett állapota az egyik irányba mutat, akkor egynek, ha a másik irányba, akkor pedig nullának értékelik. A ferritgyűrűs tároló működési elve a következő: minden bináris szónak egy ferritgyűrűkből álló mátrix felel meg, amelynek száma a címszóhosszal egyenlő. A gyűrűket sakktáblaszerű koordinátahálóba rendezték. Minden egyes sor valamennyi gyűrűjén keresztül egy-egy közös drótszál húzódik, hasonlóan minden egyes oszlop valamennyi gyűrűjén is egy közös drótszál vezet keresztül. Végezetül még egy külön drótot hurkolnak át valamennyi gyűrűn. Ha például az első sor és a második oszlop 33

kereszteződésénél levő gyűrűbe az egy információt kell beírni, akkor az első sorvezetéken

és

a

második

oszlopvezetéken

is

a

gyűrű

mágneses

telítettségének az eléréséhez szükséges áram felét folyatják át. Amennyiben most majd az ebben a gyűrűben tárolt információt kell kiolvasni, akkor mindkét vezetéken az előbbivel azonos nagyságú, de ellentétes irányú (negatív) áramokat kell átfolyatni. Ezáltal a gyűrűben átmágneseződés történik, ami a valamennyi gyűrűn áthaladó vezetékben áramlökést indukál. E vezetékszál végén egy jel keletkezik, ami a tárolt értéket egynek mutatja. Ha a gyűrűt negatívan (fordított irányban) mágnesezték, akkor a negatív áram nem vált ki átmágneseződést, ez nem okoz áramindukciót, következésképpen a közös drótszál kimenetén a nulla jelet (nincs áram) eredményezi. Egy tároló gyűrű kiolvasása törli annak információ tartalmát. Ezért gondoskodni kell az újra írásról, természetesen akkor, ha szükségünk van még arra az információra. A ferritgyűrűs memóriák elsősorban bonyolult és nem automatizálható szerelési technológiájuk,

javíthatatlanságuk,

viszonylag

nagy

méretük,

valamint

korlátozott írási-olvasási sebességük miatt a 70-es években eltűntek a számítógépekből. Ugyancsak ezekben az években váltotta fel a lyukszalagot és a lyukkártyát, mint perifériás tároló eszközt, a mágnesszalag. Ez az új eszköz gyorsabb kapcsolatot tesz lehetővé a számítógép és a perifériás tároló eszköz között.

34

15. ábra Mágneses tárolók ferritgyűrűi összehasonlítva egy ceruzával

35

Az ipari gyártás kezdetei: A most következő rész nem egy külön álló fejezet hanem csak egy kitekintés, hogy az 1950-es években, milyen kapcsolatban állt az ipar és a számítástechnika. Ezekig az évekig aki számítógépet akart, az épített magának, de ezekben az években már megjelentek az eladásra gyártott számítógépek. Ilyen volt az UNIVAC sorozat, és az ERA 1101. Az IBM kezdetben csak számológépeket gyártott, ilyen volt 603 -as modell és a 604-es, amelyből 195 -ben 2500-nál többet gyártottak. Az ERA 1101 1950ben készült el. Ez volt az első mágnesdobbal működő számítógépek egyike. Aszinkron működésű, bináris gép volt. Ezt követte az ERA 1102, az ERA 1103 és a 1103A modell. Az ERA 1103 és az ERA 1103A vetélytársa lett az IBM által gyártott IBM 701 -es modell. Az ERA 1103 1953-ban készült el, 1024 szavas Williams-csöves memóriával rendelkezett és egy 16384 szavas mágnesdobbal ; az ERA 1103A 4096 szavas ferritgyűrűs memóriával épült. 1955-re 10 ilyen berendezést gyártottak és szereltek fel. Az IBM 701-et 1953. áprilisában helyezték üzembe. Ezeknek a gépeknek a megjelenésével egy időben, már komoly igény mutatkozik egységes programozási nyelvek kidolgozására. Különösen akkor, amikor az IBM forgalomba hozza a 650-es mágnesdobos gépét, amelyhez 1000 vagy 2000 szavas dob, egy 60-szavas ferritgyűrűs memória és mágnesszalagos egységek tartoztak. Megjelenésével lényeges fordulat állt be az

amerikai

egyetemeken

a

számítástechnika

területén.

E

rendszer

kifejlesztése előtt az egyetemek maguk építették saját gépeiket. A 650-es megjelenése után ez megváltozott. 1955 decemberére már 120 működött, és további 750 -re adtak fel megrendelést. Első ízben fordult elő, hogy a felhasználóknak egy nagyobb csoportja többé-kevésbé azonos rendszerrel dolgozott. Ilyen nagy méretű közösség létrejötte most már lehetővé,

sőt kívánatossá tette közös programok,

programozási technikák stb. kidolgozását. Az első magas szintű programozási nyelv az IBM által finanszírozott FORTRAN, a FORmula TRANslating System (formulafordító rendszer) volt, 1954-ben. Ezt az IBM egyik munkatársa John Backust tervezte. Ezt követte az ALGOL58 (ALGOrithmic Language), és az ALGOL60 1958-ban. Mindkét nyelv célirányosan a tudományos problémák megoldására készült. 36

4.2. A II. generáció: Félvezető alapú gépek (1959 - 64) Amikor még csak a Hollerith-gép csillagászatban való felhasználásával kísérleteztek, akkor már a tranzisztor elvet elméletben felismerték (Julius Lilienfeld német fizikus, 1928.). Tehát a tranzisztor elvi működését már meglepően korán felfedezték. De mire az elméletből gyakorlat lett addig hosszú időnek kellett eltelnie. Egészen 1934-ig, amikor O. Heil német fizikus szabadalmaztatja a térvezérlésű tranzisztort. Majd még 14 évre van szükség, amíg 1948-ban a tranzisztor áramköri építőelem lett. Ettől az évtől kezdve még kb. tíz év kell ahhoz, hogy ezeket számítógépekben is felhasználják. Tehát a tranzisztor elvtől kb. 30 évnek kell eltelnie ahhoz, hogy a tranzisztort a számítógép építésben is felhasználják. Ezek a gépek diódákból és tranzisztorokból épültek fel. Ezek a félvezető elemek megbízhatóbbak, olcsóbbak, kisebb energia igényűek és sokkal kisebb méretűek mint az eddig felhasznált elektroncsövek. Az első teljesen tranzisztorokból felépülő számítógép 1955. márc. 19-én készült el az USA-ban a Bell Laboratories -nál. A gépet J. H. Felker készítette, a gép a TRADIC nevet kapta. De igazi elterjedésük 1958-59-től ment végbe. A tranzisztoros gépekről általában elmondható volt, hogy kisebb méretűek, csekély mértékű meghibásodásúak, alacsony áramigényűek és olcsóak voltak. A tranzisztoros gépek már elérték az 50-100 ezer művelet/másodpercet, s a térfogatuk egy köbméter alá csökkent. A tranzisztor itt csak mint kapcsoló elem szerepel,

ugyanúgy

elektromechanikus külső

tároló

mint

az

elektromechanikus

számítógépekben.

eszközként

Memóriaként

mágnesszalagot,

majd

jelfogó

azaz

ferritgyűrűs később

relé

az

memóriát,

mágneslemezt

használtak. Rendszertechnikailag jelentős változást jelentett a központi egységtől független, azzal párhuzamosan működő önálló csatorna. A csatornák a be-, ill. kimeneti egységek szerepét vették át. A számítógép struktúrája memória-centrikussá vált. Megjelentek a gépcsaládok. Ezek különböző teljesítményű, azonos módon

programozható,

azonos

perifériákat

használó

kompatíbilis

számítógépeket jelentenek. A legismertebb az IBM 360-as gépcsalád volt. De ezekben az években nem csak a számítógépek fejlődtek, hanem a hozzájuk kapcsolódó perifériás eszközök is. Ilyen eszköz volt az első scanner

37

(lásd 16. ábra) vagy elektronikus képletapogató. Ezt 1955-ben készítették Angliában, az EMI cégnél. A letapogatásnál a vizsgálandó, tárolandó képet fény- vagy elektronsugár soronként végigpásztázza. Eközben egy érzékelővel, pl. egy fotocellával minden sorban pontról pontra meghatározzák a visszavert sugár erősségének változását, és azt a számítógép tárolójában rögzítik. A kapott adatokat ott tovább feldolgozhatják.

16. ábra A

tranzisztorok

feltalálásával

és

a

számítástechnikában

való

alkalmazásával út nyílik a miniatürizálás felé. A cél az, hogy a különböző félvezető és egyéb elektronikai elemek összekapcsolása után minél tömörebb áramkört kapjunk. A nyomtatott áramkört már 1949-ben feltalálják. Az első integrált áramkörre (IC = Integrated Circuit) azonban 1958-ig kell várni, amikor Jack S. Kilby az amerikai Texas Instruments cégnél elkészíti az első jól működő chipet. Négy hónappal első chip-je után Kilby szabadalmat jelentett be a találmányára, de ezt azonnal megtámadják, mert időközben az amerikai Robert Noyce (az Intel cég megalapítója) egy új eljárást talál fel amivel még

38

egyszerűbben lehet integrált félvezetős áramköröket létrehozni. Ezek az IC-k kezdetben 16, majd 64 bit tárolására képes memóriaként jelentek meg.

4.3. A III. generáció: Integrált áramkörös gépek (1965 - 71) Az első integrált áramkörös gépek az IBM 360-as (pl.: IBM System-360, lásd 17. ábra), majd 370 -es sorozata. Ezek a gépek elérték az 1 millió művelet/s-ot, de ezek a gépek nem vagy csak részben hasonlítanak a ma is használatos személyi számítógépekre. Hiszen a számkijelző LED-ekből állt, és monitorokat használtak a kijelzéshez, az információ megjelenítéséhez. A később megjelenő zsebszámológépek kijelzője is LED-ekből állt. Ezeknek a gépeknek a fejlődésével vált lehetővé, az első integrált áramkörös asztali számítógép megépítése. Az angol Norman Kitz építette meg az első asztali gépet, az Anita Mark-8-at 1967-ben. Ez a gép, és az ehhez hasonló gépek alig tudnak többet a négy alapműveletnél. Azonban hamarosan megjelennek a kereskedelemben, olyan készülékek, amelyekben magasabb matematikai függvények - gyökvonás, exponenciális függvények, logaritmusok, szögfüggvény - is be vannak programozva. Ezek a gépek hamar elterjednek széles körben, így lehetővé válik a tömeges gyártásuk, ami hozza magával az árcsökkenést. Ez a generáció az előző generációhoz képest ismét nagy sebesség növekedést, méret- és teljesítmény felvétel csökkenést jelentett. Az olcsó áramkörök a kisszámítógépek (mini computer) gyártásának és alkalmazásának elterjedését eredményezte. Felépítésükre jellemző a funkcionális egységeket összekötő egységes sín-busz rendszer, és általánossá válik a nagy kapacitású, olcsó félvezető tárak alkalmazása.

39

17. ábra Ezekben az években, pontosabban 1966-ban találják fel úgynevezett buborék memóriákat. Ezek a memóriák a későbbi generáció számítógépeiben fontos szerepet fognak betölteni. A buborék memória olyan információtároló egység, amely a következőképpen épül fel: 1 μm vastagságú, vassal szennyezett gránátrétegből áll, amelyet nem mágneses tulajdonságú gránátra visznek fel. Ebben a rétegben (a vassal szennyezett gránát réteg) külső mágneses

mező

hatására

néhány

mikrométer

átmérőjű

kis

területek

(buborékok) mágneseződnek. A mágnesezett terület jelenti az 1-est, a mágnesezettség

hiánya

pedig

a

0-át.

Változó

mágneses

erőterek

alkalmazásával ezek a mágneses buborékok eltolhatók. Ezáltal lehetségessé válik az információk gyors tárolása, törlése és átírása. Az információk még a tápfeszültség kimaradása esetén sem törlődnek. A másik előnye, hogy a memória

nagyon

kisméretű.

A

laboratóriumi

példányokon

10 000 -

100 000 bit/mm2 tároló sűrűséget érnek el. A hozzáférési idő kb. 10-4 - 10 -6 másodperc.

40

Az új géptípus magával hozta a programozási nyelvek második generációját is : a PL/1 és Basic mellett ekkor alakult ki a Pascal nyelv is. Új operációs rendszer a Unix is ezekben az években jelenik meg. Ezek

gépek

gyorsaságuk

és

pontosságuk

miatt

lehetővé

tették

számítógép hálózatok létrejöttét. Az ehhez szükséges technikai háttér már 1961-ben adott volt. 1961-ben a németországi IBM bemutatta a TeleProcessing eljárását. Ezzel a telefonon közvetített adatok számítógéppel tovább feldolgozhatók. A hálózatok kialakulása magával hozta az időosztásos (time-sharing) rendszer kialakulását. Ez a rendszer lehetővé tette, hogy egy időben több felhasználó vehesse igénybe a számítógép szolgáltatásait. Az

integrált

áramkörök

egyik

fontos

jellemzője,

hogy

egy

adott

felületegységre hány építőelem jut. Ezt az értéket általában a chip-enként végzett tranzisztor funkciók számával adják meg. E szerint háromféle integrált áramkör típust különböztethetünk meg. Az első integrált áramköröket SSI (Small Scale Integration), azaz alacsonyfokú integráltságú áramköröknek nevezhetjük, ezeknél kb. 50-ig terjed a chip-enkénti tranzisztorfunkciók száma. A következő LSI (Large Scale Integration), azaz nagyfokú integráltságú áramkörök, amelyek elérhették akár a 5000 tranzisztor funkciót is. Ezeket az áramköröket és az ezekkel készített gépeket 1969-től gyártották. 1969-ben készült el az első LSI-számítógép az amerikai EDV-Ingnieur Cragon cégnél. A következő lépés a VLSI (Very Large Scale Integration) áramkörök, amelyek kezdetben kb. 50 000 tranzisztorfunkciót tartalmaztak, majd később a 80-as években ez elérte a milliós nagyságrendet. Természetesen ezeknél a gépeknél a szöveges információk kiírására már nem felelt meg csak a LED-ekből álló kijelző, hanem szükség volt olyan eszközökre, amelyek szebb, esztétikusabb és olvashatóbb formában tudták megjeleníteni az információkat. Ezek az eszközök lettek a számítógéphez csatlakoztatott nyomtatók. Eddig ha egy információt megakartak jeleníteni, vagy a számítások eredményeit kiírni akkor, vagy egy írógépet kapcsoltak a számítógéphez,

ami

meglehetősen

bonyolult

művelet

volt

és

ráadásul

számítógép specifikus; vagy lyukszalagok és lyukkártyák segítségével tették ezt. A nyomtatóknak olyan eszközöknek kellett lenniük, amelyek a létező legtöbb géptípushoz kompatibilisek. Az első nyomtatók a hengeres nyomtatók voltak. Ezeknél a nyomtatóknál a hengerpaláston minden pozícióhoz 48, 64 jel 41

tartozott, de akadtak olyanok is, melyeknek karakter készlete 109 elemű volt. A henger hosszát a nyomtatás szélessége határozta meg. Ezeket a hengereket nem volt egyszerű elkészíteni. Hiszen egy 64 elemű karakter készlet esetén is 5 -10 ezer apró jel sorakozik a hengerpaláston. Ezért a gyártáshoz precíziós öntésre, és szikra forgácsolásra volt szükség. Ezért ezek betűk nagyon törékenyek voltak, akár a papírban lévő fa szilánk is eltörhette őket, ezért használtak famentes papírt. Kb. 1000 sor/perc-re voltak képesek maximum. Ezt a nyomtató típust törékenysége és drágasága miatt felváltotta a láncnyomtató. Az első láncnyomtatót 1963-ban gyártotta az IBM cég (IBM-1403). Ez egy gyors láncnyomtató volt, amely 600 sort nyomtatott percenként. A betűk elhelyezése a következő: Egy végtelen, folyton körbefutó szalagon, a futási irányra merőlegesen helyezték el a betűket. A lánc vízszintesen a papír előtt mozog. Leütőmágnesek nyomják aztán az egyes betűket egy festék szalagon keresztül a nyomási felületre, amikor a számítógép által megkövetelt betű éppen megegyezik a lánc állásával. A láncnyomtatókat még sokáig alkalmazták nagy tömegű nyomtatásra a negyedik generáció nagy gépeinél, mert könnyen szerelhető és megbízható volt. A nyomtatók következő generációja a mátrixnyomtató, ez a nyomtató típus az 1970-es évek elején terjedt el széles körben, ezt követték a tintasugaras nyomtatók, majd az 1975-ben megjelent lézernyomtató.

42

4.4. A IV. generáció: Magas integráltsági fokú áramkörök, a mikroprocesszorok elterjedése (1971 - ) Azzal, hogy 1969 -ben elkészült az első LSI áramkört tartalmazó számítógép, létrejöttek az alapjai annak, hogy 1971-ben elkészüljön az első mikroprocesszor. A mikroprocesszor vagy processzor (lásd 18. ábra), lényegében egy olyan integrált áramkör, amely vagy az LSI, vagy a VLSI kategóriába tartozik, amely betölti a CPU (Central Processing Unit), azaz a központi egység szerepét. A processzor különböző regiszterekből (ki- és bemeneti, adatrögzítő-, utasítást adó, állapot- és segédregiszter), aritmetikai és logikai egységekkel kiegészített számolószerkezetből, továbbá vezérlő- és irányítóegységből, parancsregiszterből és a számítás lefutását vezérlő egységből, egy belső adatbázisból (ez egy vezetékrendszer, amely lehetővé teszi, hogy műveleteket és parancsokat párhuzamosan betáplálhassanak) áll.

18. ábra A Texas Instruments cég által gyártott első mikroprocesszor mikroszkópos képe

43

A nagy számítógépek központi egységeitől eltérően a mikroprocesszor kezdetben csak rövid, bináris szavakat, 4, 8, 12 vagy 16 bit információt tud feldolgozni, ellentétben a nagy gépekkel, amelyek 64 bit feldolgozására képesek. A számolási művelet elvégzéséhez rendkívül kicsi idő szükséges. Egy összeadáshoz vagy a számok kiírásához és leolvasásához mindössze 1-2 μs szükséges. A mikroprocesszor felépítése a következő: hosszúkás, külseje burkolt, ún. Dual-in-line fedésű, amelynél a csatlakozóvégek száma 64-ig emelkedhet (Pins). A csatlakozóvégeket merőlegesen lefelé vezetik, ily módon bevezethetők a foglalatba. Tehát 1971 -ben M. Edward Hoff mérnök fejlesztése alapján az amerikai Texas Instruments cég mikroprocesszoros zsebszámológépet készített. A zsebszámológép a mikroprocesszor mellett más áramköröket pl.: memóriát is tartalmaz. Ellátták billentyűzettel, elemes energiaforrással illetve képernyővel, amely eleinte világító diódákkal működött, amit hamarosan a folyadékkristályok váltottak fel. A

folyadékkristályokat

1889-ben

Otto

Lehmann

fedezte

föl.

A

folyadékkristályok olyan anyagok, amelyek általában szerves folyadékok, amelyekben a folyékony és a szilárd halmazállapot között adott hőmérséklettartományban folyadékszerű állapot van, ebben a molekulák csupán egy térirányban vagy egy rétegben egy irányba rendeződnek. Ezek a rétegek eltolhatók és elforgathatók. Ezt a fázist mezofázisnak nevezzük. Ebben a fázisban a kristályoknak különböző optikai, fénytani tulajdonságai vannak. Ezt használják fel az LCD (Liquid Cristal Display = Folyadékkristályos kijelző) -knél is. Az LCD-nél az elektromos térbe helyezés úgy befolyásolja a mezofázisban lévő molekulákat, hogy fénytörésük környezettel összevetve visszafordíthatóan megváltozik.

Meghatározott

szögből

nézve

optikailag

úgy

hat,

mintha

tónuskülönbség jelenne meg, ami egy kijelzőn betű vagy jel formájában megjeleníthető. Az LCD előnye, hogy minimális elektromos teljesítményt igényel (néhány μW/cm 2 ), és kis helyigénye van (nagyon vékony kijelzők készíthetők a segítségével). A mikroprocesszor gyártást mégis az Intel cég 4040-es 4 bites mikroprocesszora indította el. Majd ezt követték a Intel 8008 és 8080-as processzorok, mindkettő 8 bites processzor. Ezeknek a processzoroknak a 44

tömeggyártása tette lehetővé az első home computerek (otthoni számítógépek) megjelenését. Az első gépek egyike az 1975-ben az USA -ban megjelent, a MITS cég gyártotta Altair 8800-as számítógép. Ez egy lemeztelenített, házilag összeszerelhető „kit”, amely egy Intel 8080-as mikroprocesszort és 256 bájtnyi memóriát tartalmazott az alaplapon. Négy üres kártyahelyet hagytak a memória bővítésére és a perifériák illesztésére. Nem üzletekben árulták, egy elektronikai magazinban megjelent hirdetés nyomán lehetett megrendelni, és a postás vitte házhoz. Az Altairt azonnal megkedvelték. Sorban alakultak a számítógép-építő klubok. Hamarosan megszülettek az olcsó perifériák és szoftverek is. Az Altair mintájára sorban készültek az otthoni számítógépek. A gyártók sorába beállt a Tandy, Commodore, Sinclair, Apple, az IBM. A gyártók a legegyszerűbb kivitelre törekedtek, és az árak is az „eldobható gép” elméletét támasztották alá. A masinák csupán egyetlen kártyát tartalmaztak, a billentyűzet gyakran a legolcsóbb fóliás kivitelű volt, háttértárolónak megtette a közönséges magnó is, és monitor gyanánt a tévé. Ilyen gépek voltak a Commodore 64, és társai, de voltak magyar tervezésű és gyártmányú gépek is, ilyen volt a Videoton TV Computer. Ezeknél a gépeknél a vonzerőt a számtalan játékprogram jelentette. De programokat lehetett írni saját kezűleg is, amit a ROM-ba beégetett Basic fordító tett lehetővé. Ezekben a gépekben 8 bites processzorok vannak, az első időkben az Intel 8080 -asa, majd 1978-tól átveszi a szerepét a széles körben elterjedt Z80-as processzor. A Z80-ast az amerikai ZILOG cég gyártotta, 1976. márciusában jelent meg. Ez egy 8 bites processzor volt természetesen, 2,5 MHz-es órajellel, 0,625 millió utasítás/s műveletvégzési sebességgel. Az otthoni számítógépek egy ideig meg is feleltek az igényeknek, de a nyolcvanas évek elején, közepén összeomlott a házi számítógépes világpiac. Az 1980-as években születtek meg az első zsebszámítógépek is (lásd 19. ábra), ezek a gépek az asztali számítógépek minden tulajdonságával rendelkeztek, de sokkal kisebb tároló kapacitásúak és lassabbak voltak, de ugyanúgy Basicben programozhatók.

45

19. ábra Az IBM eddig inkább a nagygépeivel vezette a világpiacot, de miután látta az otthoni számítógépek piacát. Ő is be akart szállni a kisgépes eladásba. E közben az Intelnél megjelent a 70-es évek végén az első 16 bites, de sokáig meg nem értett Intel 8086-os processzor. Az IBM sem ezt használta fel először, hanem a 8086-ossal kompatíbilis, de 8 bites processzort a 8088-ast (műveleti sebessége 1 millió utasítás/s), mivel ez jobban alkalmazkodott az elterjedt 8 bites perifériák kezeléséhez. Az IBM PC (Personal Computer)-t 1981. augusztusában dobták piacra. 256 kbyte-os operatív memóriával, kétszer 360 kbyte-os floppyval (valószínűleg 5

1

/ 4 inches), és 4,77 MHz-es órajellel

(Turboval 8 MHz). A következő lépés 1983-ban az IBM PC/XT (eXtended Technology), amely már 16 bites processzort és egy 20 Mbyte-os winchestert is tartalmazott. A PC-nek olyan nagy sikere volt, hogy 1986-ra csak az IBM 6,5 milliót gyártott, és ehhez jöttek a hasonmás gyártók a maguk 3-5 milliójával. Természetesen ezeknek a gépeknek már nem felelt meg a TV, mint display, hanem külön monitorokra volt szükség. A monitorok először egyszínűek voltak, majd később megjelentek a színes monitorok is. 1983-ra már nem csak az otthonokban volt PC, hanem a munkahelyeken is. Természetesen nem minden a hardver, ahhoz, hogy sikeresen lehessen használni a PC-ket, szükség volt egy jó operációs rendszerre. Abban az időben a kisgépekre a CP/M (Controll Program for Microcomputers) operációs rendszer terjedt el, amelyet a Digital Research fejlesztett ki 1976-ban. Ez volt az első, széles körben használható, de egyszerű, csak egyfelhasználós, hajlékonylemez-egységre támaszkodó operációs rendszer. Ennek alapján kérték fel az éppen akkor alakult, lelkes fiatalokból álló Microsoft csapatát,

46

hogy írjon egy hasonló a PC-hez. Elkészült az MS-DOS (Microsoft Disk Operating System), amely szintén egyfelhasználós, közönséges operációs rendszer

lett.

Természetesen

időközben

más

operációs

rendszerek

is

elterjedtek, de a legtöbb gépen még ma is a DOS-t használják. A DOS elterjedése magával hozta, hogy más software-gyártók is átálljanak a PC-kre. Sorban készültek el a különböző felhasználói, irodai és játék programok. Az irodai alkalmazás elterjedésével, speciális a munkahelyeken használható software-ek készülnek (pl.: táblázatkezelő, szövegszerkesztő programok). Ezeknek a programoknak a könnyebb kezelhetőségére használtak először egeret, amely ma szinte minden PC nélkülözhetetlen tartozéka. Az első irodai komputerek egyike volt az Apple cég „Lisa” nevű komputere (lásd 20. ábra), amelynél már egeret is találunk.

20. ábra A következő IBM PC csoport az AT (Advenced Technology)-k csoportja, ezek a 80286-os processzorra épülnek, ez természetesen már 16 bites processzor. A 80286 utasítás készlete felülről kompatíbilis (azaz a 8086, 8088ban használt utasítások, és szoftverek használhatók itt is , de fordítva nem, vagy csak bizonyos átalakításokkal) a 8088-as processzoréval. Az órajele is nagyobb, 6 MHz, ami felmehet akár 16 MHz-ig, 10 millió utasítás/s műveleti sebességű. Két működési módja van: a valós címzési módban (Real Address Mode) úgy viselkedik, mint egy 8086-os, de gyorsabb természetesen. A védett módban (Protected Mode) speciális tulajdonságok, új utasítások felhasználását teszi lehetővé. Egy időben több program futhat az operációs rendszer, illetve egymás zavarása nélkül.

47

Az Intel processzorok fejlődésének következő lépcsőfoka a 80386-os processzor. Ez már egy 32 bites processzor, az előző 286-oshoz képest, még van egy virtuális működési módja, ez azt jelenti, hogy adott esetben tud úgy viselkedni, mintha egy 8086-os processzor lenne. A ‘80-as évek végén processzorok sebességét csak úgy tudták tovább növelni, ha valahogy megoldják a processzor és az operatív memória közti sebesség különbség áthidalását. Erre a problémára adott megoldást a gyorsítótár (cache memory) bevezetése. Ez egy gyors hozzáférésű, ebből következően drága memória, melyet önálló vezérlő egységével illesztettek a rendszerbe a processzor és az operatív tár közé (lásd 21. ábra). Később ez fizikailag bekerül CPU chipen belülre (80486, Pentium processzoroknál).

CPU órajel=100 MHz

8-32 kB

4-32 MB

Gyorsítótár

Operatív

t ACC =20ns

tár t ACC =100ns t ACC : hozzáférési idő

21. ábra De nem csak a processzorok fejlődtek a ‘80-as években hanem a memóriák

és

a

háttértárolók

is.

A

háttértárolók

a

PC-k

esetében

a

mágneslemezek voltak és vannak. Két fajtájuk van, az egyik a merevlemez vagy winchester, amely kezdetben 20-100 Mbyte kapacitású volt, ez manapság már elérte a néhány Gbyte-ot is. A merevlemezek átmérője lehet 51 / 4 , 3 1 / 2 , 21 / 2 inch (13.34, 8.9, 6.4 cm). A másik fajta a hajlékonylemez. Ez egy korlátolt élettartamú, kivehető mágneslemezes tár. Átmérője kezdetben 8 inch volt, majd a ‘80-as években a 5 1 / 4 inches terjedt el. 80-as évek elején egy 51 / 4 -es lemezen egy lemezoldalra 40 sáv, 1 sávba 8-9 szektor, 1 szektorba 512 byte, így egy kétoldalas lemezre 360 kbyte fért. Majd néhány évvel később megjelentek a HD(High Density = nagy írássűrűségű) lemezek, ezeken már 80 sáv van, egy sávban 15 szektor, így 1.2 Mbyte kapacitású lemezek (5 1 / 4 inch) lettek. Az AT-k lemezegységei ezek kezelésére is alkalmasak természetesen. A hajlékonylemezes meghajtók (lásd 22. ábra) 1983-tól terjedtek el széles körben. Az 1990-es évek elejétől kezdtek elterjedni a 3 1 / 2 inches lemezek. 48

Ezek a lemezek kétoldalasak, oldalanként 80 sávval, sávonként 18 szektorral, a tárolókapacitásuk 1,44 Mbyte. Napjainkban ez a lemez terjedt el széles körben.

22. ábra BASF-hajtómű minidiszkek (5,25 inches diszkek) számára A következő processzor a 8086-osok családjában a 80486-os 32 bites processzor, amely kb. az 1980-as évek végén 1990-es évek elején terjedt el. Természetesen ez is felülről kompatíbilis a család előző tagjaival. A különbség a 386-oshoz képest, hogy a lebegőpontos aritmetikai processzort és egy 8 kbyte-os cache-t egy tokba rakták a processzorral. A processzor képes elérni a fixpontos adatok esetében az egy utasítás/órajel sebességet. Így a műveleti sebessége 40 millió utasítás/s. A 486-os processzornak különböző variánsai vannak: 1. i486DX : 32 bites, belső lebegőpontos egység, 8 kbyte-os belső gyorsítótár. 25, 33, 40 és 50 MHz-es órajellel. 2. A legkisebb 486DLC (Cyrix fejlesztés): nincs beépített lebegőpontos egység és gyorsítótár, 33 és 40 MHz-es órajellel készült 3. Laptop-ok részére: 486SLC (IBM fejlesztés) : nincs lebegőpontos processzora 4. A legkisebb Intel-változat: i486SX, nincs lebegőpontos processzora; 16, 25, 33, 40 MHz-es órajellel 5. Az egyik elterjedt típus : i486DX2: Az első típus, ahol a processzor órajele kétszerese a külső sín órajelének. 50, 66 és 80 MHz-es belső órajellel készült.

49

6. A csúcsmodell: i486DX4: A processzor órajele háromszorosa a külső sín órajelének. A gyorsítótár általában 8 kbyte, de egyes típusoknál 16 kbyte. 75, 100 és 120 MHz-es órajellel készült. További fejlesztés nem történt a 486-osokon belül, mert 1996-ban megjelent az első Pentium processzor. Elértünk napjainkig amikor is a az Intel Pentium processzor és az ezzel kompatíbilis más gyártók által készített processzorok vannak a piacon. A Pentium alap processzort követte ’96 végén a Pentium MMX (Multimedia Extension : multimédia kiterjesztésű) processzor, majd a Pentium Pro mikroprocesszor, amely kétszer gyorsabb egy Pentium 100-nál és 6-szor gyorsabb egy i486DX2-nél. 1997. Májusában megjelent a Pentium II., amely egyesíti magában a Pentium Pro összes tulajdonságát és az Intel MMX technológiát, mindezt 233, 266 MHz-es órajel mellett. A számítástechnika természetesen nem csak a processzorokból áll, hanem az egyéb eszközökből is. Ilyen eszközök a CD-ROM-ok is. Már 1980ban elkészítették az első lézerlemezt, de ezután inkább az audio technikában terjedt el a használatuk. Az 1990-es évek közepétől vált ismertté a CD-ROM lemez és a CD-ROM meghajtó. A CD-k 650 MB adatot tudnak tárolni. Különböző változatai vannak, de erre most nem térek ki. A legelterjedtebb manapság mint már említettem a CD-ROM, amely csak olvasható CD-t jelent. Hogy a jövőben milyen számítógépek lesznek azt még nem lehet tudni, de az biztos, hogy a Neumann-elvű számítógépek valószínűleg elérték teljesítő képességük határait.

50

4.5. Az analóg és a digitális elven működő gépek közötti különbség Egy kis kitérőt kell tennem, hogy megvilágítsam az analóg és digitális számító-berendezések közötti különbséget. E két nagy kategóriába sorolható ugyanis mindenfajta számítószerkezet, ill. eljárás. Minden

számító-berendezés

bizonyos

alapműveleteket

végez,

és

ezekből alakulnak ki az összetettebb műveletek. Így például a Pascal - féle gép műveletei az összeadás és kivonás; a Babbage-féle differenciagépé pedig szintén az összeadás és kivonás. Az említett esetekben az alapvető műveleteket a gép a közismert számolási eljárással végzi, azaz az alapvető műveletek végrehajtásához azokat a módszereket gépesítették, amelyeket maga az ember is alkalmaz. Az ebbe a csoportba tartozó gépeket rendszerint digitális vagy aritmetikai gépeknek nevezik. Ebben a kategóriában az első berendezés a golyós számológép, az abakusz volt, a digitális számítógép legegyszerűbb formája. Egészen mások az analóg gépek. Ezeket gyakran folytonos vagy mérőberendezéseknek nevezik. Az analóg gépek legfontosabb ismérve minden esetben az, hogy a számokat fizikai mennyiségekként, pl. rudak hosszaként, egyenáramú

feszültségként

stb.

jeleníti

meg.

Kidolgozásuk

általában

valamilyen egészen különleges célt szolgál. A tizenkilencedik század vége felé a fizikusok megfelelő matematikai eszközöket fejlesztettek ki ahhoz, hogy igen bonyolult mechanizmusok működését matematikai egyenletekkel írhassák le. Megtanulták azonban ennek ellenkezőjét is; azaz, hogy egyenletekhez olyan gépeket vagy készülékeket fejlesszenek ki, amelynek működése megfelel ezeknek az egyenleteknek. Ez az oka annak, hogy az ilyen gépeket analógoknak nevezik. Egy analóg berendezés tervezője elhatározza, hogy milyen műveletek elvégzését kívánja, és utána kialakít egy olyan fizikai készüléket, amelynek működési szabályai az elvégzendőkkel analógok. Ezután megépíti a készüléket, és a problémát az abban szerepet játszó fizikai, következésképpen folytonos mennyiségek mérésével oldja meg. Egy egyszerű és jó példa az analóg készülékre a logarléc. A logarléc két olyan lécből áll, amely a számok logaritmusai szerint van fokbeosztással ellátva, és ezek egymáshoz képest elcsúsztathatók. A

51

számokat a lécek különféle hosszúságú szakaszai reprezentálják, és az elvégezhető fizikai művelet két hosszúságnak az összeadása. Ismeretes azonban, hogy két szám szorzatának a logaritmusa a számok logaritmusának összege. Így a logarléc, a két hosszúság összegének megadása folytán, felhasználható a szorzás és bizonyos azzal összefüggő műveletek végzésére.

52

5. A számítástechnika fejlődésének jövőbeni kilátásai A jövő? Ezt nehéz megjósolni, de valószínű, hogy az Internet sokkal nagyobb szerepet kap az élet minden területén, és ez magával hozza, hogy egyre olcsóbb lesz. A számítógépek a Neumann-elvei alapján valószínűleg már nem fejlődnek tovább. Átveszik a helyüket a nem Neumann-elvű gépek, amelyek több egymással párhuzamos adatfeldolgozást megvalósító processzorból állnak majd. Ilyen gépek most is vannak, de csak a tudományos életben, a haditechnikában használják őket, így még nyitott a tér az otthoni alkalmazások területén. De előfordulhat, hogy ha az adatátvitel sebessége a hálózatokban megfelelő mértékűre nő, akkor lehetővé válik, hogy térben elkülönült, párhuzamosan kapcsolt számítógépeket egyetlen nagy párhuzamos működésű számítógéppé kapcsoljunk össze. Az ezredforduló után már valószínűleg olyan chip-eket lehet készíteni, amelyek akár 100 millió tranzisztort is tartalmazhatnak. A chip már az adattárolót is magában foglalja, így megvalósítható lenne egy felhasználói számítógép.

A

benne

található

processzornak

már

akkora

lenne

a

teljesítménye, hogy beszéd útján is lehetne vezérelni a számítógépet. A számítógép maga akkor lenne, mint ma a Laptopok folyadékkristályos kijelzője, vagy valamivel vastagabb, tartalmazná a mikroprocesszort, az akkumulátorokat és néhány illesztő egységet; mind ez a képernyő keretrészében foglalna helyet. Elképzelhető, hogy ugyanez megvalósítható lenne egy karórában is. Így a nap minden

percében

kapcsolatot

tudnánk

teremteni

bármelyik

másik

számítógéppel vagy adatbankokkal. A felhasználói számítógépet az oktatásban is lehetne használni. Az iskolában a tanár közvetlenül a felhasználói számítógépére ír, amely egy elektronikus falitáblát vezérel, a gyerekek pedig a felhasználói számítógépükre kapják az információkat. Az is lehetséges, hogy a hagyományos számítógépek helyébe az optikai számítógépek lépnek. Már 1987-ben kísérleteztek az optikai kapcsolókkal. Már

53

létezik nagyon egyszerű mátrixműveleteket végrehajtó optikai számítógép, ez 10 12 bináris művelet hajt végre másodpercenként. A jövőben ez tovább fejlődik. A mesterséges intelligencia területén is várhatók nagy felfedezések és találmányok. Eddig a szakértő rendszerek fejlődtek, de ezek természetesen nem tudják elérni egy ember döntéshozó képességét. Megpróbálnak, olyan számítógépet létrehozni, amely az emberi agy mintájára több kisebb analóg módon működő számítógépet működtet összekapcsolva, logikai műveltekkel kombinálva.

Ez

kezdetben

tárolt

programú

volt,

majd

1996-ban

vált

programozhatóvá. A CNN (Cellular Neutral Network), azaz a celluláris neutrális hálózat

egy

chipen

belül

közel

tízezer

kis

feldolgozóegység

együttes

munkájával másodpercenként egytrillió művelet elvégzésével oldja meg a feladatokat. Az első bemutatott alkalmazása a bionikus szem, amely a képfeldolgozás és az alak felismerés területén máris forradalmi változásokat érlelt. Ezeken a lehetőségeken kívül még sok ezernyi más lehetőség is előttünk áll……

54

Irodalomjegyzék

John G. Kemeny: Az ember és a számítógép

Gondolat Kiadó, Bp. 1978.

dr. Adorján Bence : A számítástechnika

Közgazdasági és Jogi

válaszúton

Könyvkiadó, Bp. 1982.

dr. Adorján Bence: Számítástechnika tegnap,

Műszaki Könyvkiadó, Bp.

ma, holnap

1977.

Filep László - Bereznai Gyula: A számírás

Gondolat, Bp. 1982.

története Hans Breue : SH atlasz : Informatika

Springer-Verlag, 1995.

H. H. Goldstine: A számítógép Pascaltól

I. Műszaki Könyvkiadó, Bp.

Neumannig

1987.

Makkai László: A technika századai

Akadémia Kiadó, Bp. 1997.

Felix R. Paturi: A technika krónikája

Officina Nova, 1988.

Horváthné Tőkei Zsuzsanna - dr. Horváth

Puskás Tivadar Távközlési

László:Számítástechnika V.

Technikum 1997.

Mikroprocesszortól a zsebszámítógépekig

OMIKK Bp. 1983.

A PRIMO otthoni számítógép felhasználói

MTA-SZTAKI

kézikönyve és a PRIMO FÜZETEK COSY Műszaki sorozat PRIMO-HARDVER

Fejlesztő Leányvállalat Bp.

füzete

1985.

A Mikrovilág 1990-es számai

55