Datamaskin
Fra Wikipedia, den frie encyklopedi
En datamaskin er en samling mekaniske og elektroniske komponenter som med hjelp av et dataprogram hjelper oss i å gjennomføre arbeidsoppgaver på en mer effektiv måte enn manuelt. Fra begynnelsen var datamaskinen i hovedsak et hjelpemiddel for å utføre aritmetiske og matematiske beregninger, men idag er den en del av vår livsstil og finnes i de fleste miljøer, for eksempel i mobiltelefoner, biler, minibanker, PC-er, industridatamaskiner med mer.
En datamaskin virker ved at den henter fram én og én instruksjon fra et lager, utfører instruksjonen og lagrer resultatet et sted. Disse instruksjonene er svært enkle, og det kreves en stor mengde av de for å utføre komplekse operasjoner. Samlingen med instruksjoner kalles et program. Instruksjonene et menneske skriver da det programmerer datamaskinen kalles kildekode. Kildekode er leselig for mennesker, men må oversettes for å bli instruksjoner til datamaskinen. Denne prosessen kalles enten kompilering eller tolking, avhengig av om det gjøres på forhånd eller mens programmet kjører.
Innhold |
[rediger] Funksjonsmåte
Tidlige datamaskiner hadde faste programmer. Noen veldig enkle datamaskiner er fremdeles bygget opp slik. Som eksempel kan nevnes enkle kalkulatorer. Disse kan gjøre de vanligste regneoperasjonene og lagre litt tall, men kan ikke omprogrammeres. Omprogrammering av slike maskiner er en lang prosess som også krever manuelle inngrep i maskinvaren. Når den programmerbare datamaskinen kom på markedet, så revolusjonerte den kostnadsnivået. Man behøvde ikke lenger spesialbygget maskinvare for hvert program man ville kjøre. Instruksjonene til maskinen var lagret i hukommelsen på lik linje med dataene. Andre måtte få loaded hele operativsystemet inn i memory fra tape for deretter å lese inn programmet og ev. data i fra en kortleser - hver gang et program skulle kjøres. Den tids operativsystem var meget enkle. EXEC CUR, TR F, IN F, TRI F, TOC er ett eksempel.
Von Neumann-arkitektur er den vanligste oppbyggingen av programmerbare datamaskiner.
[rediger] Moderne programmerbare datamaskiner
En moderne datamaskin består i hovedsak av tre hoveddeler: Regneenhet (CPU), hukommelse (minne) og permanent lager (Harddisk, diskett, CD osv). Dessuten finnes det som regel diverse ytre enheter slik som skjerm, tastatur, skriver og andre inn/ut-enheter.
Regneenheten utfører instruksjoner som hentes fra hukommelsen. Hukommelsen er oppdelt i celler med fast størrelse. Slike celler kalles gjerne maskinord. Lengden av et maskinord måles i antall bit, som er den minste måleenhet for informasjon. Et bit kan enten være på eller av (dvs. ha verdien 0 eller 1). Et maskinord består ofte av et helt antall byte, som utgjør 8 bit.
Maskinordene har hver sin adresse i hukommelsen, dvs. de er nummerert fra null og oppover. Et maskinord inneholder data som kan fortolkes på ulike måter. Det kan alltid fortolkes som et heltall. Det kan også fortolkes som en instruksjon til regneenheten (eller en del av en slik instruksjon). En annen fortolkningsmulighet er bokstaver eller andre tegn. Alle data i hukommelsen forsvinner når maskinen slås av. Det permanente lageret brukes for å ta vare på informasjon over tid.
Regneenheten styres ved hjelp av maskinprogrammer. Et maskinprogram (eller binærprogram) er en samling instruksjoner som legges inn i hukommelsen. Regneenheten henter inn og utfører en og en instruksjon fra binærprogrammet. En slik instruksjon kan for eksempel gå ut på å hente to tall fra angitte adresser i hukommelsen, addere tallene og til slutt legge resultatet tilbake på en tredje adresse i hukommelsen. Etter at en instruksjon er utført vil regneenheten normalt hente neste instruksjon fra binærprogrammet og utføre denne. Denne syklusen kan brytes ved hjelp av såkalte hoppinstruksjoner. En hoppinstruksjon vil gi regneenheten beskjed om at neste instruksjon skal hentes fra et annet sted i hukommelsen. På denne måten vil deler av et binærprogram kunne utføres flere ganger ved at regneenheten hopper tilbake i programmet. Hoppinstruksjoner kan være ubetingede og betingede. Betingede hoppinstruksjoner vil bare resultere i et hopp dersom en bestemt betingelse er oppfyllt. Betingede hoppinstruksjoner gjør det mulig å lage kompliserte programmer der ulike deler av programmene aktiviseres etterhvert som oppgavene fullføres.
Hastigheten på regneenheten reguleres av en klokke, som sender ut en elektronisk puls i faste intervaller. En slik puls starter en ny runde med utførelse av en instruksjon som ligger klar i regneenheten. Hastigheten på en slik klokke måles i hertz (antall pr. sekund). Dagens regneenheter (i 2004) kjøres på en hastighet i størrelsesorden 1 000 000 000 hertz = 1000 MHz = 1 GHz.
I praksis finnes det mange binærprogrammer i hukommelsen samtidig. Mange av dem utgjør en del av operativsystemet som styrer inn/ut-enheter osv. Andre programmer er nytteprogrammer som er startet av en bruker. Særlig programmer knyttet til operativsystemet har behov for å utføres i korte aktive faser for deretter å gå inn i en dvaletilstand i påvente av at bestemte begivenheter inntreffer. Det finnes derfor mekanismer i en datamaskin som tillater at et maskinprogram plutselig avbrytes, slik at et annet program (med viktige presserende oppgaver) kan overta. Når det viktige programmet har gjort sitt, vil det opprinnelige programmet fortsette der det slapp, uten at dette får konsekvenser for den oppgaven programmet utfører (annet enn en liten tidsforsinkelse). Begivenheter som fører til et slikt avbrudd er for eksempel et tastetrykk på tastaturet. Et tastetrykk fører til at en kode for hvilken tast som ble tastet sendes til regneenheten, sammen med et signal som angir at et tastetrykk har funnet sted. Når regneenheten mottar et slikt avbruddssignal, vil den avbryte sin normale arbeidsmåte. Regneenhetens tilstand (bl. a. adressen til den neste instruksjonen den skal utføre) tas vare på i hukommelsen, og et annet maskinprogram (som behandler tastetrykket) aktiviseres.
[rediger] Historie
[rediger] Tidlig historie
Selv om diverse hjelpemidler for å utføre beregninger ble konstruert langt tilbake i historien, er det først etter 1940 at utviklingen av moderne elektroniske datamaskiner har funnet sted. Et tidlig forsøk på å utvikle noe som ligner på moderne datamaskiner fant sted i 1835, da Charles Babbage beskrev sin analytiske maskin. Dette var en mekanisk dampdrevet innretning som brukte hullkort som innlesningsmedium. Beskrivelsen av denne maskinen foregrep mange ideer som moderne databehandling fortsatt bygger på. Blant annet kunne maskinen programmeres, og ville i prinsippet ha vært i stand til å utføre alle beregningsoppgaver som en moderne datamaskin kan utføre (men det ville rimeligvis tatt tid). Maskinen kom aldri lenger enn til tegnebrettet.
Før 1940 ble det også konstruert en del analoge datamaskiner som brukte strømstyrke eller spenningsnivå til å representere tall. I 1940-årene ble det konstruert en rekke digitale datamaskiner basert på elektroniske komponenter. I Tyskland konstruerte Konrad Zuse en maskin basert på reléteknologi (Z3).
[rediger] Krigstid og nød
I England utviklet en gruppe rundt matematikeren Max Newman og elektronikkingeniøren Tommy Flowers verdens første elektronisk programmerbare datamaskin. Den skulle knekke de tyske Lorenz-krypterte kodene som ble brukt mellom de tyske hovedkvarterene. Colossus ble tatt i operativ bruk ved Bletchley Park januar 1944, etter kun 10 måneders utvikling. Denne maskinen reduserte tiden for å dechiffrere Lorenz-meldinger fra uker til timer og den kom i tide for D-dagen, slik at den kunne hjelpe til i planleggingen. Colossus ble utviklet videre og gjort mer programmerbar. Det ble også bygget flere, slik at man hadde 10 Colossus programmerbare datamaskiner på slutten av krigen, sensommer 1945. Hastigheten til Colossus var høy, faktisk var regnehastigheten rundt den samme som en Pentium II PC. Colossus-maskinene tydet rundt 63 millioner karakter i hemmelige meldinger. En formidabel mengde sett i forhold til tidligere kapasitet.
Winston Churchill omtalte Bletchley Park som «the goose that laid the golden egg, but didn't cackle». Dette refererer til at Bletchley Park og alt de klarte å få til ble holdt hemmelig ikke bare under den andre verdenskrig, men også under den kalde krigen, slik at Sovjetsamveldet ikke fikk innsyn i hva Vest-Europa kunne klare når det gjaldt overvåking og innsyn i motpartens interne meldinger. Colossus og alt annet som ble utviklet ved Bletchley ble destruert. Eksistensen av disse maskinene ble ikke allment kjent før i 1976, etter at 30 års tidsfristen for hemmeligholdelse hadde utløpt.
Det er et tankekors at mesteparten av den kunnskap vi i dag har om aktiviteten ved Bletchley Park og Colossus er hentet fra arkivmateriale som ble tatt med over til USA for arkivering der av de amerikanerne som arbeidet ved Bletchley.
I USA startet det amerikanske forsvaret byggingen av ENIAC i 1943. Dette var en meget stor maskin, både i fysisk omfang og regnekapasitet. Den bestod blant annet av 17 468 radiorør og beslagla et areal på 167 kvadratmeter. Maskinen ble fullført i 1946 og var i operativ drift til 1955. Hver av maskinens 20 regneregistre kunne utføre 5000 addisjoner i sekundet. ENIAC ble bare bygget i ett eksemplar. Denne maskinen var utgangspunktet for utvikling av diverse komersielle maskiner i USA, med UNIVAC som den viktigste.
[rediger] Etterkrigstiden og elektroniske revolusjoner
Den videre utvikling av datamaskinen har forenklet sett funnet sted i tre store «bølger». Disse bølgene var hovedsakelig forårsaket av teknologiske nyvinninger. Den første store bølgen hadde som utgangspunkt de eksperimentelle maskinene som ble bygget på 1940- og 50-tallet. Markedet var finansinstitusjoner og store nasjonale institusjoner innen forskning og statistikk. Innen dette markedet var rene hullkortmaskiner allerede i bruk for å holde styr på store registre. Datamaskinen var den naturlige arvtakeren. Da den neste teknologiske bølgen kom, ble det vanlig å kalle disse maskinene stormaskiner. De var meget kostbare, krevde stor fysisk plass, og tilsyn av mange operatører. Det var vanlig at flere aktører samarbeidet om å drifte slike maskiner, slik at utgiftene og kompetanse kunne deles på flere. I Norge hadde vi for eksempel flere kommunale datasentraler som delte landet mellom seg i regioner. Stormaskinmarkedet ble dominert av IBM og noen få andre aktører.
Den neste store bølgen kom med minimaskinen. Utgangspunktet for denne bølgen var utviklingen innen transistor-teknologi og halvlederteknikk. Det ble etterhvert mulig å masseprodusere integrerte kretser med flere hundre transistorer preget inn på en liten flate. Dette ga rom for å produsere mindre datamaskiner meget rimelig i forhold til de etablerte stormaskinene. Nye datamaskinprodusenter, slik som Digital Equipment Corporation (DEC) og Norsk Data så mulighetene mye raskere enn de etablerte stormaskinprodusentene. Det ble derfor skapt et marked for mindre og billigere maskiner, og omsetningen innen dette markedet vokste raskt og ble etterhvert jevnbyrdig med stormaskinmarkedet. Minimaskiner begynte så vidt å gjøre seg gjeldende fra midten av 1960-tallet. DEC kom med PDP-8 i 1964. Det var en 12-bits maskin med bare 4096 maskinord i hukommelsen som ble solgt for ca. 16 000 dollar. Norsk Data leverte sin første Nord-1-maskin i 1967.
Den tredje store bølgen kom med mikroprosessoren. Halvlederteknologien var nå kommet så langt at det var mulig å konstruere en fullstendig CPU på en liten silisiumbrikke. Den første mikroprosessoren, Intel 4004 med maskinord på 4 bit, så dagens lys i 1971. Senere kom Intels 8080-prosessor (8 bit) og ikke minst 8086-prossessoren (16 bit) som ble benyttet i IBMs Personal Computer. Andre halvlederprodusenter hadde også stor betydning: Zilogs Z80 (8 bit) som kom på markedet i 1976 og Motorolas 68000 (16 bit) som kom i 1979.
Mikrodatamaskiner var fullstendige datamaskiner bygget opp rundt en mikroprosessor. De første mikromaskinene var små, rimelige maskiner beregnet på hobbymarkedet. Disse ble kalt hjemmedatamaskiner og kom i en rekke utførelser på 1980-tallet. Med tekstbehandlingsprogrammer og regneark fikk disse maskinene også innpass i det mer profesjonelle markedet, og utkonkurrerte for en stor del minimaskinene. Etterhvert utviklet det seg en industristandard basert på IBMs PC som de fleste av dagens mikromaskiner bygger på.
[rediger] Se også
[rediger] Eksterne lenker
- Computer History Museum (engelsk)
- Hardware.no - norsk kjøpeguide, forum og artikler om datamaskiner
