MODULO 2: STORIA DEI PROCESSORI

1. MODULO 2: STORIA DEI PROCESSORI SICSI V Ciclo Classe A042 Indirizzo Tecnologico Alessandro Mazzone Prof. F. Perla Antonio Bove Piero Cima

2. Prerequisiti richiesti • Avere conoscenza della terminologia tecnica propria del mondo tecnologico.

3. Obiettivi • Fornire all’allievo una panoramica dello sviluppo storico e tecnologico dei processori fino ad arrivare ai giorni nostri, indicando possibili sviluppi futuri.

4. Materiale didattico utilizzato • Dispense fornite dal docente (lucidi e appunti) • Articoli ed informazioni prelevate da riviste specializzate sull’argomento • Indirizzi internet utili per approfondire l’argomento

5. Indirizzi utili • http://www.cronologia.it/ • http://www.lithium.it/home.asp • http://it.wikipedia.org • http://www.windoweb.it • http://www.disi.unige.it/ • http://www.hardwareirc.com/ • http://www.megalab.it • http://www.amd.com/

6. Indirizzi utili • http://www.pizzut.it/ • http://www.zanezane.net/ • http://www.storiadellinformatica.it • http://www.hwupgrade.it/ • http://www.unonet.it/ • http://www.hirc.it/ • http://www.azpoint.net • http://www.intel.com/

7. Contenuti del modulo: • Sviluppi storici di tecnologia e automazione • Gli x86 • INTEL Pentium • L’AMD • Stato dell’arte e sviluppi futuri

8. Tempi di attuazione • 3 ore di teoria Strumenti didattici Proiezione di Slide sull’argomento

9. Verifiche: • Verifiche orali

10. Storia dei processori Breve percorso dagli inizi…..ad oggi.

11. Le prime macchine da calcolo • La storia delle macchine da calcolo ha origini antichi. Possiamo affermare che il primo vero strumento realizzato per eseguire i calcoli risale al 2000 a.c. ed è l’ABACO. • Venne utilizzato prima in Cina, poi in Grecia e solo in seguito dai Romani Abaco

12. Le prime macchine da calcolo • Il termine calcolare e calcolatore derivano dal latino calculi. • Il nome è legato alle file di sassolini di un abaco, dove la posizione di alcune palline riferite ad una barra orizzontale determinava la rappresentazione numerica.

13. Le prime macchine da calcolo • Altra macchina storica è la virgulae numeratrices di Napier • E’ uno strumento ideato per la costruzione delle tavole dei logaritmi

14. Ma le prime vere macchine, ovvero macchine che non si limitano a fornire un semplice supporto fisico agli operandi, ma sono insiemi di organi meccanici che consentono l’automatizzazione delle operazioni, compaiono solo a partire dal XVII sec. Whihelm Schikard (1592-1635), Blaise Pascal (1623-1662) e Whihelm Leibniz (1646-1716) costruirono macchine, simili nella sostanza, che consentivano di eseguire le 4 operazioni mediante un semplice meccanismo di ruote dentate

15. La prima macchina calcolatrice fu ideata e costruita dal tedesco Wilhelm Schickard nel 1623: essa effettuava le quattro operazioni aritmetiche ed estraeva la radice quadrata di un numero. In seguito tale macchina fu messa a punto dal diciannovenne francese Blaise Pascal (1642) e fu chiamata Pascalina (si dice che il francese abbia intrapreso il progetto per facilitare il lavoro del padre, ispettore delle tasse).La macchina era in grado di eseguire addizioni e sottrazioni su numeri decimali fino a 12 cifre. Pascalina

16. Gottfried Wilhelm von Leibniz, partendo dai principi base della Pascalina, costruira' invece una macchina calcolatrice (il Calcolatore a Scalini 1694) che ha in piu' il traspositore, un meccanismo in grado di memorizzare un numero e di utilizzarlo per moltiplicarlo con il risultato di una successiva addizione. Purtroppo nessuno dei due esemplari realizzati riusci' a compiere una operazione esatta, a causa della scarsa precisione con cui vennero costruiti i suoi ingranaggi. Leibniz dette tuttavia un rilevante contributo agli elaboratori, con i suoi studi di quella che e' ora conosciuta come la logica simbolica

17. E’ emblematico riportare il suo pensiero riguardo l’uso di strumenti automatizzati: “non e' ammissibile che studiosi e scienziati, anzichè sviluppare e confrontare nuove teorie, perdano le proprie ore come schiavi nelle fatiche del calcolo, che potrebbe essere affidato a chiunque se si potessero usare delle macchine…”

18. Leibniz diede quattro grandi contributi nel campo del calcolo automatico, quali : • l'avvio della logica formale e del codice binario; • la comprensione del carattere disumano del calcolo e l'opportunita', nonche' la capacita', di automatizzare questo lavoro; • l'idea che le macchine da calcolo potrebbero essere utilizzate per verificare le ipotesi • la costruzione di una macchina da calcolo. In seguito vennero alla luce altri progetti e prototipi…ma i primi passi significativi vennero mossi soltanto un paio di secoli piu' tardi.

19. La scheda perforata Un'innovazione importante per l'evoluzione dell'elaboratore elettronico e' sicuramente l'introduzione della scheda perforata ad opera del francese Joseph Jacquard diffuse nel 1801 e il suo sviluppo industriale nel 1804 al fine di automatizzare il controllo dei telai di tessitura. La reazione alla diffusione di questi telai fu drammatica in quanto si pensò che essi rischiavano di gettare in miseria i 4/5 della popolazione di Lione e conseguentemente il Consiglio della città ne ordinò la distruzione.Tuttavia nel 1812 operavano in Francia 11.000 telai a scheda, ed essi si diffusero rapidamente in Germania, Italia, America e Cina. Schede perforate

20. Nel 1822, Charles Babbage (1792-1871), professore di matematica all'universita' di Cambridge, presento' alla Royal Astronomical Society il suo primo modello di Macchina Differenziale, una macchina capace di eseguire i calcoli necessari per costruire le tavole logaritmiche. Il suo scopo era costruire una macchina in grado di stampare tavole numeriche senza errori. Nel 1832, Babbage e Joseph Clement producono un segmento del prototipo del loro calcolatore differenziale, che lavora con numeri di sei cifre e funzioni polinomiali (tabulate) del secondo ordine. Il dispositivo completo, grande quanto una stanza, dovrebbe lavorare con funzioni del sesto ordine e numeri di 20 cifre, oppure con funzioni del terzo ordine e numeri di 30 cifre. Ogni addizione e' fatta in due fasi (nella seconda ci si occupa del riporto generato nella prima); le cifre di output sono incise in una lastra di metallo dolce, dalla quale puo' essere ottenuta una lastra per la stampa. Ci sono comunque notevoli difficolta' ed è costruito solo questo prototipo. Il progetto viene ufficialmente annullato nel 1842, per problemi di fondi.

21. Intorno alla fine dell’800 il Museo delle Scienze di Londra, riprendendo il progetto di Babbage del 1849, di cui si hanno tutti i disegni, costruisce la Macchina delle Differenze, ovvero una versione più avanzata della macchina di Pascal, in grado di calcolare con il metodo delle differenze finite i valori di un polinomio di terzo grado. La Macchina delle Differenze poteva eseguire il calcolo dei valori di un polinomio attraverso una serie ripetuta di somme: una volta attivata ed impostata con i valori iniziali, la macchina proseguiva i suoi calcoli automaticamente, grazie ad un motore a vapore. Corretti alcuni dettagli e usando componenti più moderni, il dispositivo funziona egregiamente, mettendo in evidenza anche la raffinatezza del progetto di Babbage.

22. Intanto Babbage si era messo a lavorare ad un secondo prototipo: la Macchina Analitica (Analythical Engine), primo esempio di macchina a programma registrato. Applicando al calcolo automatico l'idea della scheda perforata ideato da Joseph Jaquard nel 1801, Babbage dotò la sua macchina della capacità di eseguire sequenze di calcoli preregistrate su schede perforate (il principio di funzionamento e' di consentire o meno il collegamento fra ingranaggi disponendo opportunamente dei fori sulle schede). Al progetto partecipò anche la figlia del poeta Lord Gordon Byron, Ada Augusta Lovelace, ricordata come prima programmatrice della storia (in suo onore fu in seguito sviluppato un linguaggio di programmazione noto col nome di ADA).

23. La Macchina Analitica consisteva in una unita' di calcolo, detta Mulino (Mill), dotata di due accumulatori principali ed alcuni ausiliari, e in una memoria (Store -> Magazzino), costituita da una pila di registri in cui venivano memorizzati dati e risultati intermedi; le schede perforate erano impiegate sia per i programmi che per i dati, e potevano essere effettuati anche salti condizionati. Vi era poi anche una forma di "microcoding":il comportamento delle istruzioni dipende dalla posizione di "interruttori" su una barra, detta barra di controllo (control barrel). Un'addizione era calcolata in 3 secondi mentre una moltiplicazione o divisione in 2-4 minuti. La Macchina Analitica

24. La macchina analitica non fu però realizzata poichè il governo britannico, si rifiutò di concedere altri finanziamenti in quanto considerava assurda l'idea che si potesse costruire una macchina che eseguisse un lavoro mentale. Solo il 29 novembre 1991, la macchina (costruita coi mezzi disponibili nell'Inghilterra vittoriana) compì il primo calcolo completo nel Museo della Scienza di Londra. La logica di progetto e la struttura d'insieme dei moderni computer si basa ancora su concetti introdotti da Babbage, tanto che egli viene considerato uno dei fondatori dell'informatica. Se solo egli avesse potuto disporre di una migliore tecnologia, la macchina analitica avrebbe funzionato nel 19° secolo, e il mondo avrebbe fatto un balzo avanti di quasi cent'anni...

25. Col passare del tempo vennero effettuati altri progressi, sopprattutto per quel che riguarda l'archiviazione dei dati: Herman Hollerith riuscì infatti con la sua Macchina Tabulatrice a censire nel 1890 la popolazione degli Stati Uniti in soli due anni (quando soltanto dieci anni prima occorrevano circa sette anni di conteggi...). In seguito a questo grande successo Hollerith fondo' una societa', che diverra' poi la famosa International Machine Corporation (IBM). Macchina Tabulatrice

26. UNA NUOVA ERA Vent’anni più tardi nasce il primo computer analogico (Vannevar Bush, 1930) e a seguire lo Z-1, macchina a relè capace di lavorare su due cifre (0 e 1) costruita nel salotto di casa dal tedesco Konrad Zuse (1936-1938). Nel 1937 troviamo il primo calcolatore interamente costruito con valvole termoioniche: l'ABC (A e B stanno per il nome dei suoi ideatori: John Atanasoff e Berry dell'Università di Stato dell'Iowa, mentre C sta per Computer). Questo computer fu progettato nel 1937 e ultimato nel 1939 allo Iowa State College; a causa dello scoppio del secondo conflitto modiale fu però dimenticato e solo più tardi, nel 1973, una corte federale degli Stati Uniti sancì che l'ABC fu il primo calcolatore elettronico automatico. Con l'ultimazione del primo elaboratore elettronico della storia si apre dunque la prima generazione di computers.

27. Clifford Berry Con l’ABC

28. Il ricostruito Z1 al Deutsche Technik Museum Berlin nel 1989 Particolare dello Z1 Z3 in mostra al Deutsche Museum in Monaco (macchina ricostruita, non esistono immagini delle macchine originali)

29. La Prima Generazione (1939 - 1956: la valvola termoionica) Con questo nome si indica quel periodo durato quasi vent’anni che vide la nascita dei primi calcolatori elettromeccanici. Queste macchine eseguivano solo le operazioni per le quali erano state programmate, sfruttando complessi meccanismi attivati da motori elettrici.

30. La Prima Generazione (1939 - 1956: la valvola termoionica) I computer della prima generazione avevano tutti in comune : • le grosse dimensioni • l'utilizzo di schede perforate (per inserire e ricevere dati ) • la capacità di lavorare in "tempo reale" (grazie alle valvole termoioniche, mille volte più veloci dei relè)

31. Esempi di “valvola termoionica” Fu inventata da J. Ambrose Fleming nel 1905 e l'anno seguente venne perfezionata da Lee De Forest

32. La Prima Generazione (1939 – 1956): la valvola termoionica Lo stimolo per lo sviluppo dei calcolatori venne dalla seconda guerra mondiale. Una Macchina chiamata ENIGMA fu usata dai tedeschi per cifrare i messaggi tra i comandi e i luoghi operativi. Gli inglesi (con l’aiuto di Alan Turing) costruirono COLOSSUS per decifrare i messaggi. Il progetto fu fortemente voluto nel 1936 da Churchill. Alan Turing, col suo operato, apportò notevoli progressi, formalizzando l'idea di programma e di computer.

33. Nel 1942, per velocizzare il montaggio delle apparecchiature elettroniche prodotte in serie, un ingegnere tedesco, Paul Eisler, intuisce che sarebbe meglio inserire i componenti su una base prestampata. Con un processo chimico-fotografico incide la base in modo da ricavare delle piste di rame. Entra in scena il circuito stampato Un circuito stampato

34. Il progenitore concettuale del computer Nel 1944, il matematico John von Neumann teorizzo' il funzionamento di un calcolatore tramite programmi immessi nella memoria centrale, insieme a dati da elaborare. Fino ad allora, infatti, ogni calcolatore eseguiva solo le istruzioni per le quali era stato costruito. Questa teoria gettava le basi per la realizzazione dei computer moderni. John von Neumann

35. Modello Von Neumann

36. ENIAC: Electronic and Numeric Integrator and Calculator • Primo importante computer general purpose a valvole • Progetto per il ministero della Difesa americano per costruire tavole balistiche • Iniziato nel 1943 e completato nel 1946 Caratteristiche: • 18000 valvole • 30 tonnellate • 1000 volte più veloce dei predecessori meccanici. Riusciva ad elaborare le tabelle balistiche facendo uso di parti interamente elettroniche • Aritmetica decimale • RAM basata su nuclei di ferrite. • memorie di massa costituite da nastri magnetici ENIAC

37. EDVAC: Electronic Discrete Variable Automatic Computer • Proposto nel 1945 da John Von Neumann ed operativo nel 1951 • Idea rivoluzionaria: Programmi e dati nella medesima unità di memoria ad alta velocità (possibilità di modificare le istruzioni durante l'esecuzione di un programma) • Rappresentazione binaria dei dati (macchina versatile che permise la realizzazione di computer in serie ) • meccanismo di memorizzazione: linee di ritardo, più veloci e meno ingombranti della valvole EDVAC

38. Limiti dei calcolatori di prima gen. • Scarsa capacità di memorizzazione e bassa velocità (limite alla complessità dei problemi risolvibili ); • Processo di programmazione complesso e tedioso, non esistevano linguaggi di "alto livello", ed occorreva programmare in codice binario. Non si potevano utilizzare variabili; mancava il concetto di "ciclo" e gli strumenti software per supportarlo; mancava qualsiasi tipo di supporto alla programmazione ed alla strutturazione dei programmi (sistemi operativi, librerie,...); • L'unita' di calcolo era poco orientata alla soluzione di problemi non numerici ;

39. La Seconda Generazione (1956-1963): il transistor Tre scienziati della Bell Telephone, una societa' di Boston all'avanguardia nella ricerca e nella sperimentazione (John Barden, W. H. Brattain e W. B. Shockley, che riceveranno il nobel nel 1956) inventano un dispositivo più efficiente, più affidabile, più piccolo, più duraturo, più veloce e più economico delle valvole di vetro. Questo dispositivo riesce a trasmettere la corrente attraverso un resistore. Per questo viene chiamato "transmit resistor", o più comunemente transistor E’ il 22 giugno 1948.

40. TRANSISTOR Vs VALVOLA • Più veloce • Più piccolo • Più affidabile • Meno vorace di elettricità Transistor Quindi, con l'invenzione del TRANsmit reSISTOR, vi e' finalmente la possibilità di ridurre l'ingombro dei computer e di velocizzare le procedure di calcolo. L'elaboratore diventa più economico e si diffonde in decine di migliaia di esemplari in tutto il mondo.

41. La Seconda Generazione (1956-1963): il transistor Benché il transistor fosse stato inventato già da dieci anni, nessun computer funzionava interamente con questi nuovi componenti. Nel 1955 nacque il primo computer funzionante interamente a transistor, il TRADIC. Viene sperimentato dalla Bell, ma sarà la Siemens nel 1957 a commercializzare il primo modello definitivo, chiamato 2002. TRADIC

42. La Seconda Generazione • Nel 1957 un ingegnere, suo fratello e un amico, con 70.000 dollari presi in prestito fondano una società per la produzione di mini-elaboratori chiamata Digital Equipment Corporation, DEC.. Negli anni successivi questa società fu seconda solo alla IBM. • L'implementazione di programmi che prevedevano l'utilizzo di nuovi linguaggi macchina più stringati e di facile comprensione, da parte dell'operatore. • L'avvento delle stampanti. • L'aumento della capacità di immagazzinamento di dati.

43. La Seconda Generazione • I computer sono ampiamente accettati da numerose industrie • Ha inizio la miniaturizzazione dei componenti • IBM 1401 (dotato di 10.000 transistors) • IBM 7090 (con 44.000 transistors e 1,2 Mbit di memoria )

44. La Seconda Generazione • Negli anni sessanta furono mossi grandi passi anche nel campo della programmazione. furono realizzati i linguaggi COBOL, il FORTRAN e l'ALGOL; vengono introdotti meccanismo per realizzare cicli e definire variabili, supporti alla stesura di software, quali librerie, soubroutines, compilatori e monitors

45. La Seconda Generazione • Nel 1963 un gruppo di ricercatori americani progetta e realizza un rivoluzionario sistema di posizionamento rapido del cursore sullo schermo: viene chiamato mouse, tuttavia non fu introdotto sul mercato, fino al 1981. • Nacquero inoltre le prime aziende specificatamente dedicate all'informatica (nel '64 l'IBM inventa il primo word-processor) • Nel 1981 viene commercializzato il PDP-8, una macchina molto meno potente degli altri calcolatori disponibili sul mercato, il cui prezzo contenuto ne favorì però il successo: l'elaboratore entrò in numerose scuole americane e divenne uno dei primi computer a disposizione degli studenti. • Uno di questi finì in mano al piccolo William Henry III Gates, con le conseguenze che oggi conosciamo tutti.

46. La Terza Generazione (1964 - 1971: il circuito integrato) • La scarsa affidabilità dei transistor creò non pochi problemi ai calcolatori, come perdita di dati ed errori rilevante nell'elaborazione e nelle risposte. • Un ingegnere della Texas Instruments, Jack Kilby, sviluppò nel 1958 il primo esemplare di circuito integrato (IC), attraverso l'utilizzo di uno speciale minerale: il quarzo.

47. La Terza Generazione (1964 - 1971: il circuito integrato) Grazie a questa straordinaria invenzione, negli anni successivi gli scienziati riuscirono a condensare i vari componenti elettronici in un singolo elemento semiconduttore chiamato chip. Primo circuito integrato di Jack Kilby 1959.

48. La Terza Generazione (1964 - 1971: il circuito integrato) Una curiosità: il brevetto fu riconosciuto alla Texas Insruments da tutti i paesi del mondo tranne il Giappone, che iniziò la produzione di circuiti integrati senza pagare i diritti. Iniziò allora una battaglia legale, che fu vinta dalla Texas. Intanto il Giappone era diventato il maggior produttore al mondo di circuiti integrati: lo scherzo gli costerà una multa (che oggi si può valutare in 100.000.000 di euro all'anno) da pagare fino al 2001.

49. La Terza Generazione (1964 - 1971: il circuito integrato) Un altro importante evento, legato al diffondersi dei computer di terza generazione, fu la nascita dei sistemi operativi , o software “di base”, per la gestione della condivisione da parte di più utenti delle risorse di un computer, in grado di controllare il rendimento e le funzionalità della memoria centrale, e di far girare più programmi sostanzialmente diversi tra loro. Due specialisti dei laboratori della AT&T gettano le basi del linguaggio UNIX , capace di adattarsi a qualsiasi calcolatore a 16 o 32 bit. La prima versione sarà lanciata nel 1969 , ma bisognerà aspettare quasi 10 anni prima che il prodotto diventi commerciale: solo nel 1977 , infatti, il sistema sarà largamente diffuso negli ambienti accademici.

50. La Terza Generazione (1964 - 1971: il circuito integrato) Dal punto di vista architetturale, viene introdotto il concetto di parallelismo: a vari livelli (di istruzione, di programma, ecc.) e' possibile velocizzare l'esecuzione di una certa funzione eseguendo più passi in parallelo su moduli diversi. Viene inoltre introdotto il concetto di microprogrammazione, per semplificare il progetto dell'Unita' di Controllo.