A szmtgpek trtnete
2004.11.20. 19:50
A szmolst segt eszkzk trtnete gyakorlatilag egyids az emberisg trtnetvel...
A szmolst segt eszkzk trtnete gyakorlatilag egyids az emberisg trtnetvel. Az sember az ujjait hasznlta a szmolshoz, aminek a latin neve digitus. Innen szrmazik az angol szmjegy, a digit elnevezs is. Ksbb a szmolshoz kveket, fonalakat hasznltak fel, az eredmnyt bevstk a barlang falba, vagy falapokba, csontokba faragva rgztettk. A nagyobb szmrtkek megjelensvel kialakult az tvltsos rendszer szmbrzols, a tzes, tizenkettes, majd a hatvanas szmrendszer. Egyik els eszkzknt a kb. 3000 ves abakusz tette lehetv az egyszerbb mveletvgzst. Hasonl eszkzt hasznlnak mg ma is a knaiak s a japnok. Az utbbit szorobnnak nevezik, amely ma jra terjedben lv eszkz. Az abakusz snekbe helyezett apr kvekbl ll. A kvecske latin neve calculus, innen szrmazik a kalkultor sz is. Az abakuszt nmileg mdostva a XVI. szzadig mint f szmolst segt eszkzt hasznltk, egyetemen tantottk a vele val szorzst s oszts mveletsort. A mai eurpai formja a golys szmoltbla.
Ramn Lull (1232-1315) spanyol szerzetes 1275-ben azt a gondolatot vetette fel, hogy az igazsg mechanikus mdszerekkel is igazolhat. Mdszernek elveit az ,,Ars Magna et Ultima Lulli’’ cm munkjban fejtette ki. Egy gondolkod gpet szerkesztett, amelybe szmok helyett az egymssal sszefggsbe hozand fogalmak, illetleg azok jelei szerepeltek. E logikai gp segtsgvel akarta bebizonytani Isten ltezst s mindenhatsgt, megtrteni a hitetlen muzulmnokat. (Kora nem rtkelte munkssgt, Tuniszban megkveztk.)
A XVII. Szzadban a hajzsi s a csillagszati trkpek ksztse, az ehhez szksges szmtsok elvgzse hosszadalmas s idegrl munkt jelentett. A logaritmust elsknt Simon Stevin (1548-1620) hasznlta kamatoskamat-szmtsra, s elksztette az (1+p)n rtkeinek tblzatt klnbz p-kre s n-ekre, amelyet mintul vve a Prgban tvcsksztknt dolgoz Jost Brgi (1552-1632), a svjci Lichtensteigbl szrmaz rsmester ksztette el az els logaritmus-tblzatot 8 s alatt, 1603 s 1611 kztt, amelyet Kepler srgetsre
1620-ban vgre nyomtatsban is megjelentetett. Brgi 1592-ben kiadott ,,Arithmetika’’ cm knyvben szerepel elsknt a tizedes trtek mai rsmdja. Egy a logarlc snek tekinthet eszkzt is szerkesztett.
Mechanikus eszkzk
A nmetorszgi Herrenbegben szletett Wilhelm Schickard (1592-1635) thbingeni csillagsz professzor 1623-ban lert egy olyan szmolgpet, amelyben egymshoz illeszked tz- s egyfog fogaskerekek vannak. Ezen, a mai fordulatszmllkhoz hasonl elv gpen mind a ngy alapmvelet elvgezhet volt. A gpezet magjt az aritmetikai egysg alkotta, amelyek hat decimlis pozcinak feleltek meg. A szmtsokat mechanikus mdon, rudak, fogaskerekek s egy autmatikus tvitelkpz mechanizmus kombincijnak hasznlatval vgezte el. Schikard 1623-ban Keplernek rt levelben vzlatot kzl a kszlkrl, s azt rja: ,, az sszeads s kivons mvelett teljesen, a szorzst s az osztst rszben automatizlta’’. A kszlkbl Kepler szmra is el akart egyet kszttetni Schickard, de egy tzvsz a kszl pldnyt megsemmistette. Sajt korban kszlt pldny nem ismert, aminek az is oka valsznleg, hogy a feltall pestis ldozata lett mve kzkinccs ttele eltt. A korabeli lersok alapjn ksztett ksbb nhny mkd modellt.
Az els ,, szriban gyrtott’’ szmolgpet 1642-1644 kztt Blaise Pascal (1623-1662) ksztette el, sszesen ht pldnyban. Az automatikus tvitelkpzssel mkd gpet apja szmtsi munkjnak megknnytsre tervezte. A gp csak az sszeadst s a kivonst tudta elvgezni, a nem lineris mveleteket: a szorzst s az osztst nem. Visszalps volt Schickard kszlkhez kpest. Ktsgtelen viszont, hogy Pascal kortrsai igen nagyra rtkeltk, Diderot rszletesen le is rja hres Enciklopdijban. A ma is fellelhet pldnyok mg mindig mkdkpesek!
Pascal arithmomtert 1671-ben, a Lipcsben szletett Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716) fejlesztette tovbb. Ez a gp volt az els, amely kzvetlenl vgezte el az osztst s a szorzst, valamint kiegszt mvelet nlkl a kivonst. Leibniz javasolta elsknt a kettes szmrendszer alkalmazst e kszlkekben.
Az els igazn jl hasznlhat szmolgpet egy gpszeti rdeklds lelksz, Matthieu Hahn ksztette 1779-ben. Leibnizhez hasonlan is fogazott dobokat alkalmazott, de krkrs elrendezsben. A kszlk hengeres hzban tallhat, melynek fels felletn egy kls s egy bel gyrt forml 14 pr szmlap van, a henger velt fellete krl pedig, a megfelel szmprral ellenttesen, sklabeosztsos csavarfejeket helyezett el. A kszlk tetejn lv kart csak egy irnyban leget forgatni. Kt szm sszeadsakor a kls szmlapok mutatjk az egyik szmot, a belsk a msikat, az eredmny a kar egyszeri krbeforgatsa utn a kls szmlapokon olvashat le. Nem tudni, hogy hny Hahn-gp kszlt, mivel halla utn kt fia s sgora kb. 1820-ig folytatta a ksztst.
XIX. szzad elejtl kezdve a megmunkls fejldsvel, az ipari termels kialakulsval szmos tekets szmolgp tpus jelent meg s kerlt sorozatgyrtsra. Az llthat fogazs szmkerekekkel szerkesztett, Theophil Witgold Odhner (1845-1905) ltal 1887-ben ksztett gphez hasonlakat mg ma is gyrtanak.
A francia forradalom alatt a konvent elrendelte olyan tblzatok ksztst, amelyekben a szmok logaritmusa 19, a trigonometrikus fggvnyek logaritmusa 14 jegy pontossggal szerepel. Elksztst Gaspard Claire Francios Marie Riche De Prony-ra (1755-1839) bzta, aki igen rvid hatridej feladatot a kvetkez tervezssel oldotta meg: megbzott 5 igen kpzett matematikust, hogy bontsk fel-amennyire csak lehet-a ngy alapmveletre a szksges szmtsokat. A bonyolultabb mveletek elvgzst rbzta 8 gyakorlott szmolra, tovbb alkalmazott 80 szmol szolgt, akikkel az sszeadsokat s a kivonsokat vgeztette el. Tapasztalata szerint a legmegbzhatbban az utbbiak dolgoztak. Ezzel a nagyszer tervezssel gyakorlatilag kidolgozta a szmtgpes feldolgozs lpcsit: a rendszerelemzst, a feldolgozs lpseinek megtervezst s az aritmetikai munkt.
Hasonl alapon sikerlt rszben automatizlnia Charles Babbage (1792-1817) angol matematikusnak a szmols mozzanatait. 1828-tl a cambridge-i egyetem matematika professzora volt ugyan, de egyetlen eladst sem kellett tartania, minden idejt a navigcis tblzatok hibinak kikszblsre fordthatta. Ennek dacra 1839-ben lemondott a katedrrl.
Joseph Marie Jacquard (1752-1834) 1810-ben elksztette a lyukkrtya-vezrelt szvgpet, amely tletet adott Babbage-nek az elemeire bontott szmtsi utastsok lyukkrtyn val gpbe jutatsra. Az ,,A letter to Sir H. Dawy on the application of machinery to mathematical tables’’ cm levelben lerja egy szmolgp gondolatt, amely nyomtat is. Ez az els gpe, a Difference-Engine.
A kszlknek hrom regisztere volt s hatjegy szmokkal szmolt. Gpe megvalstst 1833-ban Babbage megszaktotta, tnylegesen 1882-ben ksztettk el, s kpes volt mr tblzatok ksztsre is.
Az jabb szmtgpben, az Analytical-Engine-ben 1000 tengelyen 50 helyi rtk szmoknak megfelel szmkereket szndkozott elhelyezni. A kszlk bonyolultsga miatt nem kszlhetett el teljes egszben, fia ksztette elksbb a malom rszt, amely a szmtsok elvgzsre szolglt volna. A msik f rsz, a trol nem kszlt el, ide kellett volna bevinni az adatokat.
Babbage felismerte, hogy a szmolsi folyamatban szksges a rszerdm-
nyek trolsa. A gp a mozg kartonszalagon trolt utastssort tapogatkarok segtsgvel olvasta le, s hozta mkdsbe a malmot. Illetve a trolt. Az el nem kszlt gpre a kiemelked matematikai tehetsg Ada Byron (1816-1852) (Lord Byron klt lenya, a ksbbi Lady Lovelaca) rt programokat, gy az els programoznak t lehet tekinteni. Ada Babbage bartjaknt annak elmondsbl s egy itliai eladskrtjnak lersa alapjn ksztette el programterveit s programjait. Ada zsenialitst mutatja, hogy ezek a programok szinte mind helyesek.
1834-ben a stockholmi Georg Scheutz (1785-1873) nyomdsz olvasott az Edinburgh Review-ban Babbage differencia-gprl. gy gondolta, hogy is tud ilyet pteni. 1837-tl Edward fival egytt 15 ven tdolgoztak gpk ltrehozsn. A teljesen ms mechanizmussal elkszlt gp, amely az 1. szm Scheutz differencilmotor nven vlt ismertt, 1855-ben a prizsi killtson aranyrmet nyert.
A gp kt klnll rszbl llt, szmtsra s nyomtatsra alkalmas mechanizmussal. Ez volt az els olyan szmolgp, amely nyomtatsban is kiadta az eredmnyt. Tblzatok s ezek nyomdai nyomklisi ksztsre hasznltk. A 2. szm differencilmotor Bryan Donkin ptette meg 1858-ban Edward Scheutz rajzai alapjn, s vekig hasznltk a Brot ltalnos Nyilvntart Hivatalban az angol npessgi tblzatokkal kapcsolatos szmtsokhoz.
1847-ben megjelent George Boole (1815-1864) ,, A logika matematikai analzise’’ cm munkja, amely a szmtgp logikai tervezshez s programozshoz nyjtott elmleti alapot a Boole-algebra alapjainak lefektetsvel.
Elektromechanikus eszkzk
A lyukkrtya alkalmazsnak msik ttrje Herman Hollerith (1860-1929) volt, aki John Shaw Billings adattrolsi tlett felhasznlva ksztette el flig automatizlt adatfeldolgoz berendezst. Az Amerikai Statisztikai Hivatal alkalmazottjaknt az 1890-es 10. Npszmlls kzel 63 milli szemlytl s 150 ezer polgri krzetrl berkez adatainak feldolgozsra rendezgpet dolgozott ki. Az els eredmny mr egy hnap alatt megszletett.
Minden adathoz egy lyukat, gy minden polgrhoz egy lyukkombincit rendelt, ezeket egy 1 dollros mret, sszesen 204 lehetsges helyen lyukaszthat krtyn rgztette. A krtya bekerlt egy rendezgpbe, ott elhaladt egy trendszer alatt, a lyukak alapjn zrd tk elektromgneseket hoztak mkdsbe, melynek hatsra a krlapos szmlln a mutat egy egysggel elbbre lpett. A krtyk osztlyozsa flautomatikusan trtnt: amikor egy krtyrl az adatot a tabultorba akartk vinni, egy kln osztlyoz boksz elre meghatrozott rekesznek fedele automatikusan kinylt. A kezel a krtyt a rekeszbe helyezte s a rekeszt kzzel zrta. gy a krtyk brmilyen szempont szerint gyorsan csoportosthatk voltak. Hollerith ismerte fel elsknt, hogy alapvet feladat a nagy mennyisg adat kdolsa a gyors feldolgozs rdekben.
A XX. szzadban az elektromossg terjedsvel motorok kerltek a szmolgpekbe, a hadiipar srgetsre elkezdtk a feldolgozsi sebessget nvelni, a mechanikus alkatrszeket elektromos jelfogkkal (relkkel) felvltani. 1931-ben a nmet Hollerith Trsasg egy dugaszol tbla segtsgvel vezrl gpet hozott ltre.
Kozma Lszl (1902-1983) villamosmrnk 1939-ben Anterpenben megptett igen gyorsan mkd jelfogs gpe mind a ngy alapmvelet elvgzsre alkalmas volt.
Az els nagy siker, jelfogkkal mkd, mechanikus rendszer szmtgpet Konrad Zuse (1910-1995) berlini mrnk alkotta meg. A csupn mechanikus Z1, majd a mr jelfogkkal is elltott Z2 utn, 1941-ben megptette a Z3-at, a vilg els jl mkd, programvezrls, kettes szmrendszerben dolgoz, elektromechanikus szmolgpt.
Ebben az idben Howard Hathaway Aiken (1900-1973) a Harvard Egyetemen ksztett egy tkletesebb gpet, a MARK-II kzponti vezrls, elektromechanikus analitikus szmtgpet. E kszlkek meglehetsen nehezen programozhatk, a nvekv ignyekhez kpest igen lassak voltak a mechanikus jelfogk kapcsolsi sebessge miatt. A MARK-II-nek kt szm sszeadshoz 0.5, szorzshoz 6, osztshoz 15 msodperc kellett.
Norbert Wienet (1894-1964) amerikai matematikus 1940-ben a korszer szmtgpek szmra a kvetkez kvnalmakat szabta meg:
- A szmtgp aritmetikai egysge numerikus legyen.
- A mechanikus s elektromos kapcsolkat fel kell vltani elektroncsvekkel.
- Az sszeads s a szorzs elvgzsre a 2-es szmrendszert kell alkalmazni.
- A mveletsort a gp emberi beavatkozs nlkl, automatikusan hajtsa vgre, a kzbens logikai dntseket is nllan hozva.
- Legyen lehetsg az adatok trolsra, knny elhvsra s trlsre.
Gyakorlatilag ugyanezen kvnalmakat fogalmazta meg Kalmr Lszl (1905-1976) is Alan Mathison Turing (1912-1954) volt az, aki az 1930-as vekben elsknt megadta a program s a programozhat szmtgp modelljt, az n. Turing-gpet. Ezt vizsglva bebizonytotta, hogy ltezik olyan programozsi feladat, amely nem oldhat meg: 1937-ben megmutatta, hogy kizrlag rekurzv fggvnyek programozhatk, de azok mindig. Ennek egy egyszerbb bizonytst Kalmr Lszl is megadta 1943-ban. Matematikai munkssga mellett foglalkozott a kibernetikval is, tbbek kztt megalkotta a Kalmr-gpet, ami, mint ksbb kiderlt ekvivalens volt a Turing-gppel.
Elektronikus eszkzk
A Wiener-elvek megvalsulst nagyon srgette a msodik vilghbor miatt rohamosan fejld hadiipar. A lvedkek rpplyaszmtsra ptettk meg 1943 s ’46 kztt az els tisztn elektronikus szmtgpet kezdetben Aberdeenben, majd Philadelphiban, a Pennsylvania Egyetemen. A gp neve ENIAC, azaz Electronic Numerical Integrator and Calculator. Megalkoti J. P Eckert, J. W. Mauchly s H. H Goldstine.
A gpben 17468 elektroncs, 10000 kondenztor, 70000 ellenlls, 4100 rel helyezkedik el 40 szerelvnyfalon, ssztrfogata 85 kbmter volt. Az elektroncsvek rvid, 2000-3000 rs lettartama miatt a gp megbzhatan 3-5 napig mkdtt, mialatt 150-175 kWh energit fogyasztott. Elhelyezshez egy 30 m-nl hosszabb terem kellett, s 30 tonnt nyomott. 10es szmrendszerben szmolt 10 tizedes pontossggal. Kt szm sszeadst vagy kivonst 0, 0002, a szorzst 0, 0023 msodperc alatt vgezte el. Memrijban 20 darab 10 jegy szmot trolhatott, programozst egy huzalos dugaszol tbla tette lehetv. A gp 1955-ig mkdtt, akkor mzeumba kerlt.
Az ENIAC megptstl, az elektronikus mkds szmtgpek megjelensvel kezdtk el genercikba sorolni a szmtgpeket. Valjban az els genercis szmtgpek kztt nem is az ENIAC a legels. A Turin elvei alapjn Angliban megptett titkos katonai kdfejt gp, a Colossus volt az els, de a hbor utn is katonai clokat szolglt, gy sokig, 1975-ig titokban maradt ltezse.
Ugyancsak hres a mkdst 1949-ben elkezd EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer), amely az els bels programvezrls, elektronikus digitlis, univerzlis szmtgp. E gp elvi alapjait Neumann Jnos (1903-1957) dolgozta ki. A mai napig is ezen elvek alapjn plnek fel szmtgpeink. Neumann 1946-ban rta le az ENIAC ptsi tapasztalatai alapjn kidolgozott ngy elvt, amelyek rviden a kvetkezk:
- A szmtgp legyen teljesen elektronikus, kln vezrl s vgrehajt egysggel rendelkezzen.
- Kettes szmrendszert hasznljon.
- Az adatok s a programok ugyanabban a bels trban, a memriban legyenek.
- A szmtgp legyen univerzlis Turing-gp.
Az igazi jdonsg a trolt program volt, de Neumanntl szrmazik az eljeljells s a lebegpontos rsmd is. Az els, sorozatban gyrtott szmtgp az 1951-ben elkszlt UNIVAC (Universal Automatic Computer) volt. A vilgon ekkor hat szmtgp zemelt. A programozs ekkor vagy huzalos kialakts, vagy a gp mkdshez kzel ll n. assembly nyelven trtnt, amely abban trt el a gpi nyelvtl, hogy mr nem szmokat, hanem a funkcira utal betcsoportokat hasznltak a program lersban.
Az 1948-ban feltallt tranzisztort csak 1958-ban ptettk be kapcsolelemknt a rvid lettartam elektroncs helyett s ekkor alkalmaztk a ferritgyrs trat memriaknt. Ettl kezdve szmtjuk a msodik generci megjelenst. A httrtr szerept a mgnesszalag, majd a merev hordozj mgneslemez veszi t. Megjelentek a magasabb szint programozsi nyelvek alapjai, elsknt a FORTRAN (FORmula TRANslation), jelkpes, ltalnosan hasznlt formalizlt nyelv. Az j elemekkel lehetsg nylott a miniatrizlsra. Ezek a gpek az 50000-100000 mvelet/msodperc sebessget rtek el, trfogatuk 1 kbmter al cskkent.
A harmadik genercis szmtgpek az 1965-ben feltallt integrlt ramkrk alkalmazsval jelentek meg. Elsknt a 16, majd a 64 bit trolsra kpes memria jelent meg, ezekben nhny ezer tranzisztornak megfelel ramkri elem kerlt kialaktsra egyetlen lapkn. Ilyen elemeket tartalmaz gpek elrtk az 1 milli mvelet msodpercenknti sebessget. Megjelent az IBM 360, majd a 370 sorozat, amely sok tekintetben szabvnyad lett. A KGST keretn bell gyrtott ESZR gpcsald (R10-R55) tagjai teljesen hasonlan pltek fel.
A hatvanas vekben kezdtek kialakulni a magas szint programozsi nyelvek. Az els szabatosan megfogalmazott, tudomnyos feladatra irnyul nyelv az ALGOL (ALGOrithmic Language) volt, amely a hagyomnyos matematikai rsmdhoz kzeli programrst tett lehetv. 1964-ben John G. Kemny (1900-1988) vezetsvel elkezdtk a BASIC nyelv kifejlesztst, ami az otthoni szmtgpek megjelensvel szerzett nagy npszersget.
A negyedik genercis szmtgpeket a magasabb fok integrltsg mellett az egy szilrd testben megvalsult teljes mkdsi egysg jellemzi. A ,,rossz nyelvek” szerint az Intel cg ltal 1971-ben kifejlesztett els, Intel 4004 jelzs mikroprocesszora egy nagyobb trolkapacits memria irnyba foly fejleszts mellktermkeknt jtt ltre. Ez a 4 bites mikroprocesszor indtotta el a mai, tmegmretekben gyrtott szmtgpek fejlesztst.
1968-ban Niklaus Wirth elksztett egy j, magas szint programozsi nyelv terveit, mely fleg a negyedik genercis szmtgpeken aratott sikert. Ez a nyelv a Pascal nevet kapta. 1971-ben Seymour Papert a mr t ve kifejlesztett LOGO nyelvet kiegszti a pedaggiai szempontbl nagyon rdekes teknc grafikval.
A kvetkez szmtgp-generci megjelense valsznleg nem csak tovbbi technikai jdonsgoknak lesz ksznhet. Az eljrs-orientlt programozsi nyelvek helyett a problmaorientlt nyelvek kezdenek elterjedni. Erre egy kezdeti llapotban lv ksrlet a Franciaorszgban megszletett PROLOG programozsi nyelv. Ezek a nyelvek jobban tmogatjk a Neumann-elvtl eltr, prhuzamos vagy asszociatv mkds processzorokat. Msik elkpzelhet fejldsi irny a biotechnika eredmnyei alapjn a fehrje alap szmtgp alkatrszek megjelense is.
Az les igazi ttrs Leon O. Chua s Roska Sndor nevhez fzdik, akik 1993-ban jelentettk be egy forradalmian j szmtgp feldolgozsi egysgnek kifejlesztst. Az elv lnyege az, hogy folytonosan, analg mkd kicsi szmtgpek ezreit mkd processzorral. A kezdetben trolt program tmbszmtgp 1996-ban programozgatv vlt. A CNN, azaz cellulris neutrlis hlzat, amely szakt a hagyomnyos Neumann-elvvel, egy chipen bel kzel tzezer kis feldolgoz egysg egyttes munkjval, msodpercenknt egy trilli mvelet elvgzsvel oldja meg a feladatokat. Ez a sebessge tbb, mint szzszorosa a Neumann-elven mkd processzoroknak, gyrtsi kltsge viszont nagy szriban nagysgrendben azonos azzal. Az els bemutatott alkalmazsa a bionikus szem amely a kpfeldolgozs s alakfelismers terletn mris risi vltozsokat idzett el.
|