Mặc dù thực tế rằng transistor được cải thiện một cách rõ ràng trên các ống chân không, nhưng chúng vẫn tạo ra rất nhiều nhiệt, việc này gây hư hỏng những bộ phận nhạy cảm của máy vi tính. Đá thạch anh đã giải quyết được vấn đề này. Jack Kilby, một kỹ sư với Texas Instruments, phát triển các mạch tích hợp (IC) vào năm 1958 vi mạch điện tử kết hợp ba thành phần vào một đĩa silic nhỏ, được làm từ thạch anh. Các nhà khoa học đã giải quyết được việc đưa nhiều thành phần vào 1 con chip duy nhất, gọi là semiconductor. Kết quả là, các máy tính đã trở thành nhỏ hơn bao giờ hết và các thành phần khác đã được tích hợp lên chip và tiêu thụ năng lượng ít hơn, tốc độ xử lý đạt khoảng vài trăm ngàn phép tính trên giây.
Trang 1ISAS Report Computer generation
Email : khanhkt72@gmail.com Ngày thực hiện : 30/06/2009
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN QUỐC TẾ
ISAS REPORT
Trang 2
ISAS Report Computer generation
Trang 3ISAS Report Computer generation
LỜI NGỎ
Công nghệ tin học nói chung và khoa học máy tính nói riêng là một lĩnh vực mới và nhạy cảm của thời đại Quá trình hình thành và phát triển chưa đầy một thế kỷ nhưng nó đã chứng kiến nhiều sự chuyển biến, nhiều sự bức phá về kỹ thuật cũng như công nghệ Do đó, việc nghiên cứu một ngành khá mới như Khoa học máy tính là một điều không phải dễ dàng Hiện nay, chưa có một tài liệu nào chính xác về quá trình phát triển của khoa học máy tính Vì vậy, với tôi, một sinh viên ngành Công nghệ thông tin việc tìm kiếm và sắp xếp thông tin về ngành học này cũng còn rất nhiều bỡ ngỡ và khó khăn Nhất là trong việc tìm kiếm, lục tìm tư liệu về các thời đại và sự phát triển của chiếc máy tính
Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn những người đồng nghiệp, những cư dân mạng cùng bạn bè trên các diễn đàn về CNTT và các thầy dạy bộ môn Tin học trên địa bàn thành phố
đã giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài này
Trong quá trình hoàn thành đề tài, tôi sử dụng nhiều tư liệu từ các nguồn khác nhau: sách báo, tư liệu, mạng internet và kể cả việc tham khảo ý kiến các Kỹ sư, các nhà khoa học nghiên cứu về khoa học máy tính và công nghệ thông tin
Trong báo cáo này, tôi sử dụng thông tin từ các diễn đàn CNTT hiện nay của cư dân
http://www.windowsvn.net, http://conghung.com, http://manguonmo.com … và một số địa chỉ của nước ngoài như http://www.generationcomputer.com, http://www.microsoft.com, … Bên cạnh đó, tôi sử dụng nhiều tư liệu từ cuốn “Structured Computer Organization” của tác giả
Andrew S.Tanenbaum (ấn bản lần thứ 3), một số tài liệu khác của máy tính như PC hardware
design guide, v.v… và cuốn “ Tổ chức máy tính có cấu trúc” của thầy Tống Văn On (chủ biên),
cuốn ebook “Kiến trúc máy tính” của các thầy cô giảng viên khoa CNTT trường Đại học Cần
Thơ…
Mặc dù đã rất cố gắng tìm kiếm, sắp xếp lại các thông tin thu thập được nhưng chắc chắn
sẽ còn gặp rất nhiều vấn đề về lịch sử như hiện nay cũng có rất nhiều tư liệu cho rằng máy tính chỉ mới nằm trong giai đoạn phát triển thứ tư, chưa có sự đột phá gì về công nghệ để tách nó ra
Trang 4ISAS Report Computer generation
Người đầu tiên xây dựng một máy thực hiện công việc tính toán (working calculating machine) là khoa học người Pháp Blaise Pascal (1623-1662), tên của ông đã được dùng để đặt tên cho một ngôn ngữ lập trình Và ông được xem là ông tổ của ngành máy tính điện tử hiện nay
Một số mốc quan trọng trong phát triển máy tính số:
Trang 5ISAS Report Computer generation
Sự phát triển của máy tính được mô tả dựa trên sự tiến bộ của các công nghệ chế tạo các linh kiện cơ bản của máy tính như: bộ xử lý, bộ nhớ, các ngoại vi,…Ta có thể nói máy tính điện
tử số trải qua bốn thế hệ liên tiếp Việc chuyển từ thế hệ trước sang thế hệ sau được đặc trưng bằng một sự thay đổi cơ bản về công nghệ
Trang 6ISAS Report Computer generation
bị này được thiết kế một cách tình cờ bởi một nhà phát minh tài tử và là nguyên tổng thống Hoa
Kỳ Thomas Jefferson
Cơ quan tình báo Anh đã xoay sở tìm được máy ENIGMA từ cơ quan tình báo Ba Lan, cơ quan này đánh cắp máy từ những người Đức Tuy nhiên, để bẻ được một thông điệp đã được mã hóa phải cần một lượng tính toán khổng lồ và việc giải mã cần được thực hiện ngay sau khi nhận được thông điệp Để giải mã các thông điệp này, chính phủ Anh thiết lập một phòng thí nghiệm tuyệt mật để xây dựng một máy tính điện tử gọi là COLOSSUS Nhà toán học nỗi tiếng người Anh Alan Turing đã giúp thiết kế máy này COLOSSUS hoạt động vào năm 1943, nhưng vì Chính phủ Anh thực tế đã xếp loại mọi khía cạnh của dự án là bí mật quân sự trong suốt 30 năm, dòng dõi COLOSSUS về cơ bản đã kết thúc Máy tính này chỉ có giá trị ghi nhớ như là máy tính điện tử đầu tiên trên thế giới
Thêm vào việc phá hủy các máy của Zuse và sự khuyến khích xây dựng COLOSSUS, chiến tranh cũng tác động đến sự tính toán ở Hoa Kỳ Quân đội cần sắp đặt các bàn máy cho việc ngắm bắn các trọng pháo và thấy rằng việc tính toán chúng bằng tay sẽ mất nhiều thời gian
và có nhiều sai sót
John Mauchley, người biết công việc của Atanasoff cũng như của Stibbits, biết rằng quân đội quan tâm đến các máy tính cơ khí (mechanical calculator) Cũng như những nhà khoa học
Trang 7ISAS Report Computer generation
máy tính sau này, Mauchley đưa ra đề nghị trợ cấp yêu cầu quân đội tài trợ cho việc xây dựng một máy tính điện tử Đề nghị được chấp thuận và cuối năm 1943, Mauchley và sinh viên của
ông ta, J.Presper Eckert, tiến hành xây dựng một máy tính điện tử gọi là ENIAC (electronic numerical integrator and computer) Máy này bao gồm 18000 đèn điện tử và 1500 ro-le ENIAC cân nặng 30 tấn và tiêu thụ công suất 140kW và chiếm 1 diện tích khoảng 1393 m2 Mặc dù vậy nó làm việc nhanh hơn nhiều so với các loại máy tính điện cơ cùng thời với khả năng thực hiện 5000 phép tính cộng trong 1 giây đồng hồ Về mặt cấu trúc, máy có 20 thanh ghi, mỗi thanh ghi có một khả năng lưu giữ một số thập phân 10 chữ số Máy được lập trình bằng cách thiết lập 6000 chuyển mạch vị trí và kết nối vô số đế cắm (socket) với một rừng cáp nối
Trang 8ISAS Report Computer generation
8
Eckert và Mauchley bắt đầu làm việc trên máy tiếp theo của họ, ADVAC (electronic discrete variable automatic computer), nhưng dự án này đã bị tổn hại khi học rời bỏ Penn để lập một công ty khởi đầu (start-up company), công ty máy tính Eckert-Mauchley ở Philadelphia Sau nhiều lần sát nhập, công ty này trở thành công ty Unisys
Hình - Máy tính ADVAC
Trong lúc ấy, một người trong nhóm dự án ENIAC, John Von Neumann đến Priceton’s Institute ò Advanced Studies để thiết kế một phiên bản EDVAC của chính ông ta, máy ISA Von Neumann là một thiên tài, ông nói được nhiều ngôn ngữ và là chuyên gia về khoa học vật lý và toán học Vào thời điểm bắt đầu quan tâm đến máy tính, ông đã là một nhà toán học xuất sắc của thế giới Với ông, một trong những điều không thể chối cãi là các máy tính lập trình được với một lượng lớn chuyển mạch và cáp sẽ chậm, buồn tẻ và không linh hoạt Von Neumann đi đến một nhận thức rằng chương trình có thể được biểu diễn dưới dạng số trong bộ nhớ của máy tính cùng với dữ liệu Ông cũng nhận thấy số thập phân nối tiếp được dùng trong ENIAC không gọn, mỗi số được biểu diễn bởi 10 đèn điện tử (1 mở 9 đóng) có thể thay thế bằng cách dùng số nhị phân song song
Thiết kế cơ bản của ông, hiện nay được gọi là máy Von Neumann, được thiết kế trong EDSAC, máy tính có khả năng lưu trữ chương trình đầu tiên, vẫn còn là cơ sở cho hầu hết các
Trang 9ISAS Report Computer generation
máy tính số thậm chí cho đến hiện nay, sau hơn nữa thế kỷ Thiết kế này và máy IAS, được xây dựng với sự cộng tác của Herman Goldtine Một phát thảo đơn giản của cấu trúc như sau:
Accumulator
Hình - Máy Von Neumann ban đầu
Máy Von Neumann có 5 phần cơ bản: bộ nhớ (memory), đơn vị số học logic (arithmetic logic unit), đơn vị điều khiển chương trình (program control unit), thiết bị nhập, thiết bị xuất Bộ nhớ có 4096 từ, mỗi từ lưu trữ 40-bit (0 hoặc 1) Mỗi một từ chứa hoặc 2 chỉ thị 20-bit hoặc 1 số nguyên có dấu 39-bit Mỗi chỉ thị có 8-bit cho biết loại chỉ thị và 12-bit dùng để xác định 1 trong
4096 từ nhớ
Trong đơn vị số học logic, tiền đề của một đơn vị xử lý trung tâm CPU (central processing unit) sau này, có một thanh ghi nội 49-bit đặc biệt gọi là thanh chứa (accumulator) Một chỉ thị điển hình cọng 1 từ nhớ với thanh chứa hoặc lưu thanh chứa vào bộ nhớ Máy không
có số dấu chấm động vì Von Neumann cho rằng bất kỳ nhà toán học thông thạo nào cũng phải
có khả năng theo dõi dấu chấm thập phân (thực tế là dấu chấm nhị phân) trong đầu
Vào cùng thời gian Von Neumann đang xây dựng máy IAS, các nhà nghiên cứu ở M.I.T cũng xây dựng một máy tính Không giống như IAS, ENIAC và các máy khác cùng loại có chiều dài của từ khá dài, máy của M.I.T, Whirlwind1, có từ dài 16-bit và được thiết kế để điều khiển thời gian thực Dự án này dẫn đến phát minh ra bộ nhớ lõi bởi Jay Forrester và cuối cùng dẫn đến máy tính mini thương mai đầu tiên
MEMORY
Control unit
Arithmetic Logical unit
Input Output
Arithmetic logical unit: đơn vị số học và logic
Trang 10ISAS Report Computer generation
Trang 11ISAS Report Computer generation
tài chính cho Aiken, công ty này không quan tâm đến máy tính cho đến khi sản xuất ra 701 năm
1953, thời gian dài sau công ty của Eckert và Mauchley là công ty số 1 trên thị trường với máy tính UNIVAC 701 có 2K từ 32-bit và 2 chỉ thị cho một từ Đây là máy đầu tiên trong chuỗi máy khoa học chiếm ưu thế công nghiệp trong một thập niên 704 ra đời 3 năm sau đó có bộ nhớ lõi 4K, các chỉ thị 36-bit và phần cứng dấu chấm động Vào năm 1958, IBM bắt đầu sản xuất máy tính đèn điện tử cuối cùng, 709, tăng cường khả năng của 704
Hình – Máy tính IBM 701
Trang 12ISAS Report Computer generation
12
Hình – Máy tính IBM 704
Hình – Máy tính IBM 709
Trang 13ISAS Report Computer generation
II Thế hệ máy tính thứ hai (1956-1963) Máy tính Transistor
Hình – Các Transistor
Transistor được phát minh ở Bell Labs vào năm 1948 bởi John Bardeen, Walter Brattain
và William Shockley, những người được nhận giải Nobel Vật lý năm 1956 cho phát minh này.Trong 10 năm, transistor đã cách mạng hóa máy tính và vào cuối thập niên 50 các máy tính đèn điện tử bị loại bỏ Máy tính transistor đầu tiên được xây dựng ở Lincoln Laboratory của M.I.T, một máy 16-bit tương tự Whirlwind 1 và được gọi tắt là TX-0 (transistorized experimental computer 0), được dự định đơn thuần là một thiết bị thử nghiệm
Một trong các kỹ sư làm việc trong Laboratory, Kenneth Olsen, thành lập công ty DEC năm 1957 để sản xuất một máy tính thương mại rất giống TX-0 Đây là thời điểm 4 năm trước khi máy PDP-1 ra đời, do bởi các nhà tư bản mạo hiểm đầu tư cho DEC cương quyết tinh tưởng rằng không có thị trường cho máy tính, thay vào đó, DEC bán các loại board mạch nhỏ
Cuối cùng PDP-1 xuất hiện vào năm 1961, máy có 4K từ 18-bit và thời gian cảu một chu
kỳ là 5 µs (microsec) Đặc tính này chỉ bằng một nữa của IBM-7090, máy tính transistor kế tục máy 709 và là máy tính nhanh nhất thế giới lúc bấy giờ PDP-1 có giá $120000 còn IBM-7090 giá vài triệu USD DEC bán vài chục máy PDP-1 và công nghiệp máy tính mini được khai sinh
Trang 14ISAS Report Computer generation
14
Hình – Máy tính IBM 7090
Một trong các máy PDP-1 đầu tiên được đưa đến M.I.T, ở đây máy này lôi cuốn rất nhanh
sự chú ý của một số thiên tài tre Một trong những đổi mới của PDP-1 là bộ hiển thị và khả năng
về nhiều điểm ở bất cứ nơi đâu trên màn hình 512 x 512 Trước đó, các sinh viên đã lập trình trên PDP-1 để chơi trò chiến tranh vũ trụ (Wars world) và thế giới có trò chơi video lần đầu tiên
Vài năm sau đó DEC giới thiệu PDP-8, một máy 12-bit nhưng giá thành rẻ hơn PDP-1 nhiều ($16000) PDP-8 có một đổi mới chính, một bus đơn giản gọi là omnibus Một bus là một tập các dây nối song song dùng để kết nối các thành phần của một máy tính Cấu trúc này được chấp nhận và thực hiện trong hầu hết các máy tính nhỏ DEC cuối cùng bán được 50000 máy PDP-8, trở thành người dẫn đầu trong lĩnh vực kinh doanh máy tính
Other I/O
Trang 15ISAS Report Computer generation
Hình - Máy tính PDP-8
Trong lúc ấy, phản ứng của IBM đối với việc phá minh ra transistor là xây dựng một phiên bản của 709 bằng transistor, máy 7090 như đã đề cập ở trên, và sau đó là 7094 7094 có thời gian một chu kỳ là 2µs và bộ nhớ lõi 32K từ 36-bit 7090 và 7094 đánh dấu sự kết thúc cúa các máy loại ENIAC, loại máy chiếm ưu thế vào những năm 60 trong lĩnh vực tính toán khoa học
Vào thời điểm IBM trở thành một sức mạnh chính trong tính toán khoa học với 7094, công ty này đã thu được một lượng lớn tiền nhờ bán các máy hướng kinh doanh nhỏ gọi là 1401 Máy này có thể đọc và ghi băng từ, đọc và đục lỗ các thẻ, in kết quả nhanh hơn 7094 và giá chỉ bằng một phần nhỏ Máy này tính toán trong khoa học rất tệ nhưng lại quản lý các hồ sơ kinh doanh rất tuyệt
Trang 16ISAS Report Computer generation
7094 là bên trong CPU có một cơ chế song song thật sự CPU có vài đơn vị chức năng thực hiện các phép cộng, các đơn vị chức năng khác thực hiện phép nhân, phép chia và tất cả chúng hoạt động song song Với một công việc nào đó, máy có khả năng có 10 chỉ thị được thực thi đồng thời
Máy 6600 có một số máy tính nhỏ bên trong giúp đỡ, nghĩa là CPU có thể dùng tất cả thời gian để xử lý các con số, để lại tất cả các chi tiết quản lý công việc và xuất nhập cho các máy tính nhỏ hơn 6600 là một mốc quan trọng trong tính toán số
Có nhiều máy tính khác trong thời kỳ này, nhưng chỉ có một máy nỗi bật với một lý do khá khác biệt và đánh được đề cập, máy Burroughs B5000 Các nhà thiết kế các máy như PDP1,
7094 và 6600 hoàn toàn bận tâm tới phần cứng, hoặc làm cho rẻ hơn (DEC) hoặc làm cho nhanh
Trang 17ISAS Report Computer generation
hơn (IBM và CDC) Phần mềm hầu như hoàn toàn không thích hợp Trái lại, các nhà thiết kế B5000 có chiến thuật khác Họ đặc biệt xây dựng một máy với ý định lập trình bằng Algol 60, một ngôn ngữ có trước Pascal, và bao gồm nhiều đặc trưng trong phần cứng tạo dễ dàng cho công việc của trình biên dịch Ý tưởng phần mềm cũng được tính đến đã khai sinh, nhưng tiếc thay ý tưởng này hầu như bị bỏ quên ngay tức khắc
Trang 18ISAS Report Computer generation
18
III Máy tính thế hệ thứ ba (1964-1971) máy tính sử dụng IC
Hình - Hình ảnh chip IC
Hình - Một IC thế hệ mới: nhỏ hơn và xử lý hiệu quả hơn
Mạch tích hợp IC (integrated circuit) hay còn gọi là vi mạch được phát minh cho phép vài chục con transistor được đặt trong một CHIP đơn Việc đóng gói này giúp cho các máy tính được xây dựng trên IC nhỏ hơn, nhanh hơn và rẻ hơn các máy tính transistor Một số máy tính
có ý nghĩa quan trọng trong thế hệ này được mô tả dưới đây
Vào năm 1964, IBM, một công ty máy tính hàng đầu, có một vấn đề với 2 loại máy thành công đáng kể là 7094 và 1401 Hai máy này không tương thích, một máy có bộ xử lý các con số với tốc độ nhanh sử dụng số nhị phân trên các thanh ghi 36-bit, một máy có bộ xử lý xuất nhập đáng ca ngợi sử dụng số thập phân nối tiếp trên các từ có chiều dài thay đổi trong bộ nhớ Nhiều khách hàng có cả 2 loại máy tính và họ không thích có 2 bộ phận lập trình riêng rẽ, không có gì chung
Khi đến thời điểm thay thế hai loại máy này, IBM thực hiện một bước cơ bản IBM giới thiệu một sản phẩm đơn, System 360, dựa trên các vi mạch Máy được thiết kế cho cả tính toán trong thương mại và tính toán trong khoa học System 360 chứa đựng nhiều đổi mới, quan trọng nhất là hệ này có một họ khoảng nữa chục máy với cùng một hợp ngữ, kích thước và công suất
Trang 19ISAS Report Computer generation
tăng Một khách hàng có thể thay thế 1401 bằng 360 kiểu 30 và 7094 bằng 360 kiểu 75 Máy
360 kiểu 75 lớn hơn, nhanh hơn và đắt hơn
Phần mềm được viết cho một trong các máy kiểu khác nhau, trên nguyên tắc chạy được trên máy khác Trong thực tế, phần mềm viết cho kiểu nhỏ hơn cũng chạy được trên kiểu lớn hơn mà không xảy ra vấn đề gì, nhưng khi di chuyển sang máy nhỏ hơn, chương trình có thể không khớp trong bộ nhớ Đây là một cải thiện quan trọng cho tình huống xảy ra vơi 7094 và
1401 Ý tưởng các họ máy được ưa chuộng ngay lập tức, và trong khoảng một vài năm hầu hết các nhà sản xuất máy tính có một họ các máy chung bắc cầu cho một tầm rộng giá cả và công suất Một số đặc tính của họ 360:
Đặc tính Kiểu 30 Kiểu 40 Kiểu 50 Kiểu 60
Đề nghị ban đầu của IBM 360
IBM 360 (third generation computer family)
Đổi mới quan trọng khác trong 360 là đa lập trình (multi-programming), có vài chương trình trong bộ nhớ đồng thời để khi một chương trình đang chờ việc xuất/nhập hoàn tất, chương trình khác có thể tính toán
