Evolucija arhitekture računara

1.    EVOLUCIJA ARHITEKTURE RAČUNARA

1.1.    EVOLUCIONI PERIOD
Razvoj arhitekture računara je prolazio kroz više evolucionih faza. One se vezuju za periode dominacije pojedinih od poluprovodničkih tehnologija, čiji razvoj je izazvao evoluciju arhitekture računara. Evolucione faze približno obuhvataju prelaze između decenija, računajući od pojave prvog elektronskog računara opšte namene, proizvedenog za tržište. One predstavljaju osnovu za podelu računara u generacije, pri čemu se smatra da računari, proizvedeni u okviru jedne evolucione faze, pripadaju istoj generaciji. Podela računara u generacije je uslovna, jer su u svakoj od evolucionih faza postojala preklapanja između dominantne (zrele) i nastupajuće poluprovodničke tehnologije (čiji vrhunac je tek nailazio). Prema tome, u okviru istih generacija računara mešali su se uticaji raznih poluprovodničkih tehnologija. Pored toga, usavršavanje svake od ovih tehnologija se na sličan način odražavalo na arhitekturu računara, što znači da su razne generacije računara prolazile kroz slične razvojne cikluse.

1.2.    PERIOD OKO 1950. GODINE
U 1951. godini na tržište Sjedinjenih Američkih Država isporučen je prvi elektronski računar opšte namene, nazvan UNIVAC I (UNIVersal Automatic Computer). Njegovi autori J. Presper Eckert i John W. Mauchly su prethodno predvodili grupu sa Pensilvanija univerziteta, koja je 1946. godine završila prvi elektronski računar opšte namene. Ovaj računar je nazvan ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Calculator). Njegova radna memorija je sadržala samo obrađivane podatke, dok su programi ručno zadavani posredstvom upravljačke table. Nameru prethodno pomenute grupe da napravi računar sa radnom memorijom predviđenom za smeštanje i programa i podataka opisao je 1945. godine njen član John von Neumann. On je opisani računar nazvao EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer). U 1946. godini John von Neumann je, kao koautor, objavio opis usavršene verzije računara sa radnom memorijom predviđenom za smeštanje i programa i podataka, kasnije nazvanog IAS (po nazivu institucije Institute for Advanced Study Prinston univerziteta, u okviru koje je pomenuti opis nastao). U ova dva rada su izloženi suštinski principi funkcionisanja elektronskih računara opšte namene sa radnom memorijom predviđenom za smeštanje i programa i podataka. Prvi ovakav (u punom obimu funkcionalan) računar, pod imenom EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator), napravila je u Velikoj Britaniji 1949. godine grupa sa Kembridž univerziteta, koju je predvodio Maurice Wilkes.
U 1953. godini IBM (International Business Machines Corporation, tada vodeći proizvođač poslovne opreme, prisutan na tržištu od 1896. godine) isporučio je na tržište Sjedinjenih Američkih Država svoj prvi elektronski računar opšte namene pod imenom IBM 701. Prethodno, u 1944. godini, IBM je napravio prvi elektro-mehanički računar opšte namene, nazvan MARK I. Idejni tvorac projekta ovoga, kao i kasnije napravljena 3 računara, nazvana MARK II, MARK III i MARK IV, je Howard Aiken sa Harvard univerziteta. Poslednja dva modela su bili elektronski računari opšte namene sa razdvojenim radnim memorijama za programe i za podatke. Ovakav pristup je, po mestu nastanka, nazvan harvardska arhitektura.
Procesori prve generacije računara su izrađivani u tehnologiji elektronskih cevi (elektronska cev trioda je napravljena 1906. godine). Radne memorije su zasnivane na raznim tehnologijama, pa su tako korišćene, na primer, i elektrostatičke radne memorije, kod kojih su naelektrisanja tačaka na ekranu katodne cevi predstavljala binarne vrednosti. Jedinice magnetnih traka su korišćene kao masovne memorije. Čitači bušenih traka ili kartica su predstavljali ulazne uređaje, a na mestu izlaznih uređaja su se nalazili bušači traka i kartica, kao i štampači. Centralni položaj procesora u organizaciji je imao za posledicu da bez njegovog učešća nije bio moguć prenos podataka između bilo koje dve organizacione komponente računara prve generacije. Za prenos podataka između radne memorije, sa jedne strane, i ulaznih i izlaznih uređaja, odnosno, masovne memorije, sa druge strane, postojale su posebne ulazno-izlazne naredbe. Radi njih, ukupan adresni prostor računara je podeljen na memorijski adresni prostor, kome su pripadale samo lokacije radne memorije, i na ulazno-izlazni adresni prostor, kome su pripadale samo lokacije koje su predstavljale ulazne i izlazne uređaje, odnosno jedinice masovne memorije. Prema tome, ista adresa je označavala dve lokacije, zavisno od toga da li je interpretirana kao adresa memorijskog ili adresa ulazno-izlaznog adresnog prostora. Druga interpretacija adresa je bila moguća samo u okviru ulazno-izlaznih naredbi. Računari prve generacije su bili namenjeni prevashodno za numeričke proračune, kao što su, na primer, računanja tablica trigonometrijskih funkcija. Ipak, oni nisu podržavali aritmetiku pomične tačke (floating-point arithmetic), jer je ona bila suviše komplikovana za tehnologiju elektronskih cevi. Oni, takođe, nisu podržavali ni potprograme, a ni rukovanje elementima nizova. Identična obrada uzastopnih elemenata niza je zahtevala ponavljanje modifikacija mašinskih naredbi programa, radi pripremanja u mašinskim naredbama adresa lokacija radne memorije sa vrednostima pojedinih elemenata. Računari prve generacije su korišćeni na interaktivan način, pri čemu su programeri, posredstvom upravljačke table, bili u neposrednoj komunikaciji sa računarom za vreme izvršavanja svojih programa. Programeri su u početku bili upućeni na korišćenje mašinskog jezika, a kasnije i na korišćenje asemblerskog jezika. Već kod računara prve generacije brzinu procesora, odnosno broj izvršenih mašinskih naredbi u jedinici vemena, ograničavala je samo raspoloživa tehnologija, dok je brzinu radne memorije, odnosno broj pristupa njenim lokacijama u jedinici vremena ograničavala cena raspoloživih tehnologija. Primena najskuplje tehnologije je bila i ostala prihvatljiva kod procesora, ali ne i kod radne memorije, jer je procesor sastavljen od neuporedivo manje komponenti nego radna memorija. To znači da se već kod računara prve generacije javila ozbiljna disproporcija između brzine procesora i brzine radne memorije (da se i ne pominje disproporcija brzine procesora i brzine ostalih, mehanički zasnovanih organizacionih komponenti računara prve generacije). Ozbiljna mana računara prve generacije je bila njihova slaba iskorišćenost.