1

UVOD

Pojam ARHITEKTURA računara datira s kraja pedesetih godina prošlog veka kada je IBM

(tada vodeća računarske firma) uvela ovaj izraz kako bi opisala stepen kompatibilnosti između

različitih računara tj računara koje prave različite firme u domenu instrukcija jer su uvideli da je veoma

bitno da svi oni mogu da izvršavaju isti set istih instrukcija, kao i da to može da donese mnogo koristi i

kompanijama i klijentima.

Danas se mogu naći različite interpretacije ovog izraza i on se u praksi poistovećuje sa pojmom

organizacija računara koja se prvenstveno odnosi na način na koji je računar izgrađen i kako pojedine

komponente funkcionišu.

Cilj ovog kursa je upoznavanje sa osnovnim strukturnim komponentama arhitetkture računara.

Sadržaj kursa:

Istorijski razvoj računara

Bulova algebra i logička kola

Minimizacija

Kombinaciona i sekvencionalana kola

Osnovne komponente računara (procesor, memorija, magistrale)

ANALOGNI I DIGITALNI SIGNALI (POJAVE)

Do polovine ovoga veka proučavane pojave i sklopovi u elektronici su se uglavnom odnosili na

kontinualne signale i njihovu obradu. Reakcija sistema, tj. nekog elektronskog sklopa, uvek je bila neka

neprekidna, kontinualna funkcija pobudnog signala bez obzira da li je cilj bio da se pobuda

modifikuje, izmeni ili pak da se što je moguće realnije prenese sa ulaza na izlaz. Primer obrade i

2

prenosa kontinualnih signala je radio prenos. Radio signal, kao kontinualna funkcija koja se po

amplitudi ili po frekvenciji menja sa vremenom dospeva preko antene do prijemnika kao pobudni

signal. Prijemnik preko svojih etektronskih podsklopova (pojačavača, filtera, itd) obrađuje pobudni

signal kao neprekidni, a kao rezultat delovanja elektronskih sklopova na izlazu (zvučniku) se pojavljuje

reakcija sistema takođe kao neprekidna funkcija u vremenu.

Deo elektronike čiji su predmet interesovanja kontinualne veličine i signali

naziva se analogna elektronika.

Od polovine prošlog veka kada je stidljivo počela da se razvija era računara proučavane pojave i

sklopovi su se sve više odnosili na diskretne signale i njihovu obradu.

Osnovna raziika između analognih uređaja, tj. uređaja koji promenu neke date fizičke veličine

reprezentuju na analogan način i digitalnih uređaja koji istu fizičku veličinu prikazuju diskretnim

promenama može se prikazati pomoću dva sata.

Slika 1: Primer analognog i digitalnog uređaja

Kod analognog sata svakom trenutku vremena može da se pridruži odgovarajuća vrednost, dok

kod digitalnog postoji korak merenja.

Preciznost merenja vremena, u navedenom primeru, ili neke druge fizičke veličine kod digitalnih

uređaja zavisi od nivoa diskretizacije tj od najmanjeg intervala date veličine koji je moguće izmeriti.

Na slici 2 je data ilustracija jednog kontinualnog signal tj kontinualne funkcije.

Slika 2: Kontinualni signal

1166 :: 5522 :: 5588

3

Slika 3: Diskretan signal

Na slici 3 je prikazana ova funkcija ali prevedena u diskretan oblik. Proces prevođenja analogne

veličine u diskretnu naziva se digitalizacija.

Digitalizacija je proces kojim se analogni signal predstavlja nizom brojeva koji

predstavljaju izmerena vrednosti tog signala u sukcesivnim trenucima koji su najčešće

ekvidistantni.

Na primer: Zvuk spada u kontinualne signale. Digitalizacijom zvuka koji traje 1s dobija se niz od

oko 200000 brojeva.

Deo elektronike koji se bavi diskretnim signalima naziva se digitalna

elektronika.

Iako se digitale pjave i signali vezuju za moderno doba treba reći da je sama metoda rada sa

diskretnim veličinama u stvari vrlo stara matematička metoda. Poznato je da je još Demokrit, oko 400-

500 g.p.n.e. koristio tu metodu, koju je on nazivao "metoda iscrpljivanja", u rešavanju nekih

geometrijskih problema. Tako Arhimed navodi u jednom svom pismu koje je sačuvano, da je Demokrit

korišćenjem metode isrpljivanja došao do rešenja da je zapremina prizme treći deo zapremine kvadra

iste osnove, a zapremina kupe treći deo zapremine valjka iste osnove.

Tu metodu je kasnije ponovo "otkrio" Lajbnic, i danas se to naziva infinitezimalnim računom.

Tako se, na primer kod integriranja kontinualna promena nezavisno promenljive zamenjuje diskretnim

promenama dx, i ukoliko je ovo dx manje utoliko se diskretne promene funkcije sve više bliže njenim

kontinualnim vrednostima.

U zavisnosti od prilaza nekoj veličini, uređaje možemo podeliti na dve osnovne grupe:

ANALOGNI UREĐAJI - čije se ulazne i izlazne veličine ili signali menjaju

kontinualno

DIGITALNI UREĐAJI - čije ulazne i izlazne veličine karakteriše diskontinualna

promena sa jedne na drugu diskretnu vrednost.

Digitalna elektronika se danas posebno brzo razvija u oblasti

računskih mašina.

4

Ideja da se uz pomoć izvesnih uređaja ubrza rad sa velikim brojem računskih operacija nije

novijeg datuma. Jedna od najranijih računarskih naprava u istoriji društva bio je "abakus".

Predpostavlja se da je napravljen negde oko 500 g.p.n.e i doskora je bio u upotrebi u mnogim zemljama

naročito u bivšem SSSR-u i Kini. Princip rada je baziran na naročitom prebacivanju kuglica na

paralelnim žicama tako da je omogućen jednostavan i vrto brz rad u okvirima osnovnih matematičkih

operacija.

Većina velikih matematičara 17. i 18. veka bavila se problemom računarskih mašina (Paskal,

Lajbnic, Boushon itd.).

Ustvari, tek sa pojavom teorije skupova i to pre svega sa pojavom Bulove algebre mogli su se

postaviti teorijski osnovi savremene digitalne elektronike, ali je primena toga morala da sačeka

tehnološki razvoj.

Računar je mašina koja pomaže ljudima da izvršava određene zadate instrukcije.

Jezik pomoću koga ljudi komuniciraju sa računarom je mašinski jezik.

Arhitektura većine savremenih računara je takva da imaju dva ili više nivoa gledano sa stanovišta

njihove građe. Na slici 1 je prikazana struktura sistema sa sedam nivoa. Nulti nivo, nivo 0, zove se

nivo uređaja (engl. device level). Na tom nivou, konstruktor vidi pojedinačne tranzistore koji za njega

predstavljaju najosnovnije komponente računara. Prvi nivo, tj nivo 1, predstavlja hardver računara. To

su elektronska kola koja izvršavaju programe na mašinskom jeziku.

Slika: 1 Računar sa šest nivoa

Nivo digitalne logike - na ovom nivou predmet interesovanja će biti tzv. logička kola (engl.

gates). Iako su izgrađena od analognih komponenata, kao što su tranzistori, logička kola se mogu

precizno modelovati kao digitalni uređaji.(ubaci analogno digitalno osobine i primer) Svako logičko

kolo ima jedan ili više digitalnih ulaza (na koje se dovode signali koji predstavljaju 0 ili 1) i izlaz na

kome se pojavljuje neka jednostavna funkcija ulaznih podataka, npr. AND (konjunkcija) ili OR

5

(disjunkcija). Svako logičko kolo sastoji se od najviše nekoliko tranzistora. Kombinovanjem nekoliko

logičkih kola može se napraviti jednobitna memorija, u koju se može smestiti jedna nula ili jedna

jedinica. Jednobitne memorijske ćelije se mogu kombinovati u grupe od npr. 16, 32 ili 64 da bi se

dobili registri. Svaki registar može da čuva jedan binarni broj ograničene veličine. Kombinovanjem

logičkih kola može se napraviti i mikroprocesor računara.

Sledeći viši nivo je nivo mikroarhitekture. On sadrži skupove od 8 do 32 registra koji čine

lokalnu memoriju i elektronsko kolo nazvano ALU (aritmetičko-logička jedinica, engl. Arithmetic

Logic Unit) koja obavlja jednostavne aritmetičke operacije. Registri su povezani sa ALU i obrazuju

putanju podataka (engl. Data path) kojom teku podaci. Osnovni zadatak putanje podataka je da

izabere jedan ili dva registra s kojima će ALU jedinica da radi (na primer, da sabere njihov sadržaj) i da

rezultat smesti u neki registar.

Elektronska kola, zajedno s memorijom i ulazno-izlaznim uređajima čine hardver računara.

Hardver se sastoji od opipljivih objekata: integrisanih kola, štampanih ploča (kartica), kablova, uređaja

za napajanje, memorijskih čipova i štampača. U hardver ne spadaju apstraktne ideje, algoritmi ili

instrukcije.

Nasuprot tome, softver se sastoji od algoritama (detaljnih uputstava kako da se nešto uradi) i

njihovih računarskih realizacija - programa.

Na prvim računarima, granica između hardvera i softvera bila je kristalno jasna. Ipak ona se s

vremenom prilično izgubila, prvenstveno zbog dodavanja, uklanjanja i međusobnog prekrivanja nivoa.

Danas je često teško reći šta je hardver, a šta softver (Vahid, 2003).

Hardver i softver su logički ekvivalentni.

Svaka operacija koja se izvršava softverski može se i direktno ugraditi u hardver, naročito posto

se detaljno shvati svaki njen korak. Važi i obrnuto: svaka instrukcija koju izvršava hardver može se i

softverski simulirati. Odluka da se odredene funkcije realizuju hardverski, a neke druge softverski,

zavisi od činilaca kao što su cena, brzina, pouzdanost i učestalost očekivanih promena. Postoji samo

nekoliko čvrstih pravila o tome šta mora da ide u hardver, a šta izričito mora da se programira. Takve

odJuke se menjaju s trendovima u ekonomiji prozvodnje, s potražnjom i načinom korišcenja računara.

KLJUČNE TAČKE RAZVOJA ARHITEKTURE KAČUNARA

Da bi se stiglo do digitalnog računara kakav postoji danas, projektovano je na stotine različitih

vrsta računara. Većina od njih je davno pala u zaborav, ali su pojedine imale značajan na putu nastanka

savremenih računara. Ovde će ukratko biti prikazane neke epizode istorijskog razvoja računara u cilju

potpunijeg razumevanja kako se stiglo do onoga što postoji danas. Na slici 2 nabrojani su neki od

ključnih računara:

6

Slika: 2 Ključne tačke razvoja računara

Nulta generacija - mehanički računari (1642-1940)

Računsku mašinu koja stvarno radi prvi je napravio francuski naučnik Blaise Pascal (1623-

1662), pa je u njegovu čast jedan programski jezik nazvan Pascal. Uređaj koji je Pascal napravio 1642,

kada je imao samo 19 godina, trebalo je da pomogne njegovom ocu, porezniku francuske vlade. Uređaj

je bio potpuno mehanički, sastavljen od zupčanika, i pokretao se pogodno postavljenom ručicom.

Pascalova računska mašina mogla je samo da sabira i oduzima, ali je trideset godina kasnije veliki

nemački matematičar, baron Gottfried Wilhelm von Leibniz (1646-1716) napravio drugu mehaničku

mašinu koja je mogla i da množi i da deli. Leibniz je u stvari još pre tri veka napravio mehanički

ekvivalent današnjeg džepnog kalkulatora.

Tokom sledećih 150 godina nije se dogodilo ništa značajno, sve dok profesor ma-tematike na

Kembridžu, Charles Babbage (1792-1871), pronalazač brzinomera, nije konstruisao i izgradio svoju

diferencnu mašinu (engl. difference engine). Taj mehanički uređaj, koji je kao i Pascalova mašina

mogao samo da sabira i oduzima brojeve, trebalo je da preračunava tabele brojeva koje su se koristile

za pomorsku navigaciju. Čitava konstrukcija mašine bila je podređena izvršavanju jednog jedinog

algoritma -izračunavanju vrednosti polinoma metodom konačnih razlika. Najzanimljivija osobina

diferencne mašine bio je način na koji je isporučivala rezultat: ona ga je pomoću čelične matrice

7

utiskivala u bakamu ploču, što je na neki način preteča svih neizbrisivih medijuma za zapisivanje

podataka, kao što su bušene kartice ili kompakt diskovi.

Iako je diferencna mašina radila prilično dobro, Babbage uskoro nije više bio zadovoljan

mašinom koja je izvršavala samo jedan algoritam. Počeo je da ulaže sve svoje vreme i sve veće

količine porodičnog imetka (da ne pominjemo 17.000 funti koje mu je dodelila vlada) na projektovanje

i konstruisanje njenog naslednika — analitičke mašine (engl. analytical engine). Analitička mašina je

imala četiri komponente: skladište (memoriju), radni deo (računsku jedinicu), ulazni odeljak (čitač

bušenih kartica) i izlazni odeljak (bušač kartica i štampač). Skladište ulaznih podataka i rezultata

sadržalo je 1000 reči sa po 50 decimalnih cifara. Radni deo je mogao da prihvati podatke iz skladišta,

da ih sabira, oduzima, množi ili deli i da rezultat na kraju vrati u skladište. Slično diferencnoj mašini, i

analitička mašina je bila potpuno mehanička. Analitička mašina je imala tu prednost što je bila

opštenamenska. Ona je učitavala opcije s bušenih kartica i izvršavala ih. Neke instrukcije su mašini

naređivale da uzme dva broja iz skladišta, da ih prenese u radni deo, da s njima nešto uradi (npr. da ih

sabere) i da rezultat vrati u skladište. Kada bi se u mašinu stavile bušene kartice s različitim

programima analitička mašina je mogla da obavlja različita izračunavanja, što diferencna nije mogla.

Analitička mašina se mogla programirati pomoću jednostavnog asemblera tako da je za nju

trebalo napraviti softver. Za taj posao Babbage je angažovao ženu, Adu Augustu Lovelace, ćerku

čuvenog britanskog pesnika, lorda Byrona koja je tako postala prvi svetski programer. Programski jezik

Ada je dobio ime u njenu čast.

Kao i mnogi savremeni konstruktori, ni Babbage svoj hardver nikada nije očistio od grešaka.

Problem je bilo to što je njegova mašina zahtevala precizno izrađene klinove, točkove i zupčanike

kakve tehnologija devetnaestog veka nije mogla da proizvede. Bez obzira na to, on je sa svojim

idejama bio daleko ispred svog vremena, pa je čak i danas konstrukcija mnogih savremenih računara

slična analitičkoj mašini, tako da se može reci da je Babbage (pra)otac sadašnjeg digitalnog računara.

Veći skok u razvoju računara dogodio se krajem tridesetih godina prošlog je nemački student

tehnike Konrad Zuse napravio niz automatskih mašina koristeći elektromagnetske releje. On nije

mogao da dobije podršku za projekat jer je rat već počeo, a državne birokrate su bile uverene da on

neće trajati dovoljno dugo da mašina bude dovršena pre njegovog kraja. Zuse nije znao za Bebidžov

rad, a njegove mašine su uništene u savezničkom bombardovanju 1944. godine, tako da njegov

doprinos nije imao nikakvog uticaja na dalji razvoj računarske tehnike.

U SAD John Atanasoff s Državnog koledža Ajove konstruisao je mašina zapanjujuće modernu za

svoje vreme. Koristila je binarnu aritmetiku i imala je kondenzatorsku memoriju koja se zbog

električne disipacije povremeno osvežava, što je postupak koji se zvao „čišćenje memorije". Savremeni

čipovi s dinamičkom memorijom (DRAM) rade na isti način.

Prva generacija - elektronske cevi (1940-1955)

Drugi svetski rat bio je podsticaj za razvoj elektronskih računara.

Na njegovom početku nemačke podmornice su pravile darmar u britanskoj momarici. Nemački

admirali su iz Berlina, preko radija slali komande podmornicama a Britanci su ih mogli presretati, što

su i činili. Problem je bilo to što su poruke bile šifrovane uredajem ENIGIMA, čijeg prethodnika je

konstruisao amater, bivši američki predsednik Thomas Jefferson.

Rat je tek bio počeo kada je Britanska obaveštajna služba dobila primerak mašine ENIGMA od

Poljske obaveštajne službe koja ju je ukrala od Nemaca. Međutim, za dešifrovanje kodiranih poruka

bilo je potrebno mnogo računanja, a da bi od njih bilo ikakve koristi, one su se morale razumeti vrlo

brzo posle presretanja. Britanska vlada je opremila laboratoriju za dešifrovanje poruka u kojoj je u

8

najvećoj tajnosti izgrađen elektronski računar COLOSSUS. U njegovom projektovanju aktivno je

učestvovao i slavni britanski matematičar Alan Turing. COLOSSUS je bio spreman za rad 1943.

godine, ali je sa aspekta razvoja računarstva to bio ćorsokak, jer je britanska vlada sve infonnacije o

tom projektu proglasila najstrožom vojnom tajnom za period od 30 godina. COLOSSUS pominjemo

samo zato što je to bio prvi elektronski digitalni računar na svetu.

Rat je uticao i na razvoj računarstva u SAD. Američkoj vojsci bile su potrebne tablice dometa za

navođenje njene teške artiljerije. Ona ih je pravila tako što je angažovala stotine žena da ih

izračunavaju pomoću ručnih kalkulatora (smatralo se da žene ovaj posao rade preciznije od

muškaraca). Postupak izračunavanja je dugo trajao, a greške su se neizbežno događale.

John Mauchley je shvatio koliko su vojsci potrebni mehanički kalkulatori. Kao i mnogi naučnici

na polju računarstva posle njega, i on je podneo zahtev za finansiranje projekta elektronskog računara.

Njegov predlog je prihvacen 1943. godine i Mauchley i njegov diplomac J. Presper Eckert počeli su da

prave elektronski računar koji su nazvali ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer -

elektronski numerički integrator i računar).

Mašina je imala 18000 elektronskih cevi i 1500 releja. Težio je 30 tona i «vukao» je 140 kilovati

iz gradske mreže. Kada je arhitektura u pitanju, imala je 20ak registara od kojih je svaki mogao da

primi desetocifreni decimalan broj. ENIAC se piogramirao podešavanjem 6000 višepoložajnih

prekidača i mnoštva utičnica pomoću čitave šume kratkospojnih kablova. Mašina nije dovršena do

1946. godine, kada je već bilo kasno da se na bilo koji način iskoristi za svoju osnovnu svrhu.

John von Neumann1, je napravio sopstvenu verziju naslednika ENIAC-a, računar IAS. Razlog

zbog čega se pominje kao bitna karika u lancu razvoja digitalnih računara je to što mu je postalo jasno

da je programiranje računara pomoću brojnih prekidača spor i mučan postupak. Shvatio je da se

program u memoriji računara može postaviti u digitalnom obliku, gde bi se našao zajedno s podacima.

Isto tako shvatio je da se nezgrapno serijsko decimalno računanje koje se koristilo u ENIAC-u,

gde je svaku cifru predstavljalo 10 elektronskih cevi (1 uključena i 9 isključenih), može zameniti

paralelnom binarnom aritmetikom.

Osnovna zamisao koju je on prvi opisao je poznata kao Von Neumannova mašina. Ona je

iskorišćena za računar EDSAC, prvi računar

koji je memorisao programe i još uvek je

osnova za skoro sve digitalne računare —

čak i danas, posle više od pola veka. Von

Neumannova mašina (kao i mašina IAS)

imala je veoma veliki uticaj na razvoj

računarstva. Blok-dijagram njene arhitekture

prikazan je na slici 3.

Slika: 3 Originalna Von Neumannova mašina

Von Neumannova mašina ima pet osnovnih delova:

memorija - sastoji se od 4096 reči od po 40 bitova, od kojih svaki može biti 0 ili 1.

aritmetičko-logička jedinica

upravljačka jedinicu

1 Von Neumann je bio genije poput Leonarda da Vinčija. Govorio je mnoge jezike, bio je stručnjak za fiziku i matematiku,

i sećao se svega što je ikada čuo, video ili pročitao. Mogao je izgovori tekst knjige koju je pročitao godinama pre toga.

„Mozak" računara U savremenim računarima one se nalaze na

jednom čipu zvanom centralni procesor (engl. Central

Processing Unit, CPU).

9

ulazni uređaji

izlazne uredaji

U aritmetičkoj logičkoj jedinici nalazi se specijalan unutrašnji 40-bitni registar nazvan

akumulator. Tipična instrukcija dodaje memorisanu reč u akumulator ili sadržaj akumulatora smešta u

memoriju.

Dok se sve ovo događalo, IBM je bio mala kompanija koja se bavila proizvodnjom bušača kartica

i mašina za njihovo sortiranje. Iako je kompanija IBM delom finansirala Aikena, nije bila previše

zaiteresovana za računare sve dok 1953. godine nije na tržište izbacila na tržište model 7012.

VAKUUMSKE CEVI

Електронска цев (електронска лампа, вакуумска цев) је електронска компонента чији се рад

заснива на кретању електрона кроз вакуум под дејством

електростатичког поља између електрода.

Рад скоро свих електронских цеви заснива се на принципу

термоелектронске емисије.

Термоелектронска емисија је процес у коме електрони напуштају

површину метала услед њеног загревања након чега настављају да

се крећу под деловањем електричног поља и на тај начин долази до

протицања струје3.

Открићем транзистора електронске цеви су скоро сасвим потиснуте

из шире употребе. Међутим у неким областима вакуумске цеви су

остале и задржале се у масовној употртеби све до данашњих дана.

Овде се пре свега мисли на употребу катодне цеви у класичним ТВ

апаратима, мада су последњих година све више су се ипак присутне

нове технологије као што су ЛЦД и плазма уређаји. Исто важи и за мониторе.

Један од научника чије се име везује са првим експериментима са овим цевима је и Никола

Тесла.

Као што је и речено, са открићем транзистора у Беловим лабораторијама 1948. године, епоха

електронских цијеви је полако почела да се завршава.

ВАКУУМСКА ДИОДА

На слици је дат шематски приказ диоде са директно грејаном

катодом. Назив диода потиче од тога што овакве цеви имају две

електроде: катоду (К) и аноду (А) које се налазе на негативном

односно позитивном потенцијалу респективно. Ова разлика

потенцијала омогућава успостављање електричног поља између

катода.

Грејањем катоде долази до повећавања енергије електрона, која у

једном тренутку постаје довољно велика да они напуштају катоду и

2 Naslednici: 704 i 709

3 Струја представља усмерено кретање наелектрисања.

10

под дејством електричног поља, кроз вакуум у стакленом балону, одлазе на аноду.

На овај начин долази до успостављања струје у диоди.

ТРИОДА

На слици је дат шематски приказ вакуумске триоде, са директно грејаном катодом. Назив

триода потиче од присуства три електроде у цеви: катоде (К), аноде (А) и решетке. Принцип

рада је исти као и код диоде, с том разликом што овде постоји трећа катода која има више

нразличитих равноправних назива, а овде ћемо је звати

решетка. У шемама означава се са G (енглески gate)

.Електрони излазе из загреане катоде и под дејством

електричног поља, кроз контролну решетку одлазе на аноду.

Кључно је то што мале промене напона на решетки узрокују

велике промене у броју електрона који стижу до аноде што

омогућава појачање сигнала доведених на контролну

решетку. Овај ефекат се користи за појачавање слабих

сигнала, као и за прекидање сигнала у дигиталној

електроници.

У стакленом балону је вакуум.

Поред диоде и триоде постоје диоде са већим бројем

електрода: тетрода, пентода, хексода, хептода, октода.

СИМБОЛИ

Симбол вакуумске

диоде.

Симбол вакуумске

триоде.

Симбол вакуумске

тетроде.

Симбол вакуумске

пентоде.

Druga generacija - tranzistori (1955-1965)

Tranzistor su 1948. godine u Belovim laboratorijama prvi napravili John Bardeen, Walter

Brattain i William Shockley, za šta su 1956. godine dobili Nobelovu nagradu za fiziku. Tranzistor je za

samo 10 godina revolucionarno izmenio industriju računara, tako da su krajem pedesetih godina

računari sa elektronskim cevima smatrani prevaziđenim. Prvi računar s tranzistorima izrađen je je u

laboratoriji Linkoln Masačusetskog tehničkog instituta. To je bila 16-bitna mašina nazvana TX-0

(Tranzistorizovani Eksperimentalni računar 0).

11

Kenneth Olsen je 1957. godine osnovao kompaniju Digital Equipment Corporation (DEC) koja

je počela proizvodnju komercijalnog računara veoma sličnog modelu TX-0, PDP-1.

Model PDP-1 se pojavio 1961. godine. Koštao je 120.000 dolara za razliku od predhodnika, IBM

modela 7090 koji je koštao milione. DEC je prodao više desetina modela PDP-1 i tako je rođena

industrija mini računara.

Jedna od brojnih novotarija modela PDP-1 bio je ekran rezolucije 512x512 tačaka. Ubrzo su

studenti programirali PDP-1 za „zvezdane ratove" i tako je se pojavila prva video igrica.

Nekoliko godina kasnije DEC je predstavio model PDP-8, 12-bitni računar, ali mnogo jeftiniji od

modela PDP-1 (16.000 dolara). PDP-8 je imao udarnu inovaciju: jedinstvenu magistralu, tzv. omnibus,

prikazanu na slici 4. Magistrala (engl. bus) skup je paralelnih žica kojima se povezuju komponente

računara.

Slika: 4 PDP-8 omnibus

Тranzistori

Транзистор се сматра за једним од највећих изума у историји човечанства равноправно са

компасом, сатом, парном машином, телеграфом, телефоном, микропроцесором ... .

Данас се транзистори производе у огромним количинама у високо аутоматизованим процесима

по ниским ценама Ниска цена транзистора и универзална применљивост га чини скоро

идеалним градивним елементом сваког електронског кола, па је саставни део скоро свих

данашњих електричних уређаја..

Транзистор је полупроводнички елемент који се

користи за појачање (најзначајнија примена),

прекидање струје, стабилизацију напона, модулацију

сигнала и многе друге операције.

Назив транзистора је изведеница од две речи (trans-

променљиви, resistor-отпор). У почетку је називан и

кристална триода, по екивалентној електронској цеви

по имену триода.

Први транзистор су направили Вилијам Шокли, Џон

Бардин и Валтер Бретејн 22. децембра 1947. године у

Беловим лабораторијама. За своје откриће добили су

12

Нобелову награду.

Пре проналаска транзистора користиле су се електронске вакуумске цеви које су имале битне

недостатке (цена, потрошња енергије, димензије...) али и предности (цеви се и данас понекад

користе за посебне намене због мање осетљивости на нуклеарно зрачење, велике снаге, и као

елементи у аудиофилским аналогним појачалима ...). Најближи еквивалент транзистору је била

триода.

Транзистор је направљен од полупроводничких елемената тј. елемената четврте групе

периодног система (германијум Ge, силицијум Si). Наведени елементи се понашају као

изолатори све док им се додавањем примеса не измене особине. Примесе су елементи 3 и 5

групе периодног система елемената.

Елементи 4 групе имају 4 електрона у задњој љусци. Да би постигли стабилну конфигурацију

потребно им је још 4 електрона.

Додавањем елемената 5 групе (имају 5 електрона у задњој љусци), 4 електрона се искористи за

постизање стабилне конфигурације а један остаје вишак. На тај начин се ствара вишак

негативног наелектрисања у виду слободних електрона и такав полупроводник се назива

полупроводник N типа. Елементи пете групе се називају донори.

Додавањем елемената 3 групе (имају 3 електрона у задњој љусци), остаје 1 упражњено место

које се третира као шупљина позитивно наелектрисана. Овакав полупроводник је

полупроводник P типа. Елементи 3 групе називају се акцептори.

Транзистор се састоји од три слоја полупроводника P и N типа: Емитер (Е), База (Б) и Kолектор

(К). У зависности од распореда постоје две врсте транзистора: PNP и NPN.

Транзистори се праве као дискретне (засебне) компоненте или у оквиру интегрисаних кола

(чипова). За интеграцију је кључна појава MOSFET (транзистор са ефектом поља) транзистора

који су због својих малих димензија и специфичне технологије израде готово потиснули

биполарне класичне транзисторе. Данас се сваки власник рачунара може похвалити да има

милионе MOSFET транзистора у процесору

На слици је дат приказано како се транзистори обележавају на шемама.

Биполарни FET

PNP

P-канални

NPN

N-канални

Транзистор функционише тако што са малом струјом у колу емитер-база можемо управљати

знатно јачом струјом у колу емитер-колектор. Ова појава назива се транзисторски ефекат.

Појачање транзистора изражава се као фактор струјног појачања у спојевима са заједничким

емитером:

13

Где су:

β фактор појачања транзистора

Ic струја колектора

Ib струја базе

Treća generacija - integrisana kola (1965-1980)

Zahvaljujući otkriću Roberta Noycea iz 1958. godine - silicijumskim integrisanim kolima -

desetine tranzistora moglo se smesti na jedan čip. Takvo zgusnuto pakovanje omogućilo je gradnju

računara koji su bili manji, brži i jeftiniji od njihovih prethodnika.

Integrisana kola

Logička kola se ne prave i ne prodaju pojedinačno, već u obliku modula nazvanih integrisana

kola (engl. Integrated Circuits, IC) ili samo čipovi. Integrisano kolo je silicijumska pločica veličine

oko 5x5 mm na koju su naneta logička kola. Mala integrisana kola obično su postavljena na

pravougaonu plastičnu ili keramičku pločicu široku između 5 i 15 mm, i dugačku od 20 do 50 mm. Duž

ivica pločice nalaze se dva paralelna reda nožica, dugačkih oko 5 mm, koje se mogu umetnuti u

odgovarajuće podnožje ili zalemiti na karticu sa štampanim kolom. Svaka nožica je ulaz ili izlaz jednog

od logičkih kola na čipu, ili služi za napajanje, odnosno uzemljenje. Čip s dva reda nožica spolja i

integrisanim kolom iznutra, u tehnici je poznat kao paket s dva reda nožica (engl. Dual Inline

Package, DIP), ali ga svi zovu samo čip, zanemarujući tako razliku između silicijumske pločice i

njenog kućišta (paketa). Ovakvi čipovi najčešće imaju 14, 16, 18, 20, 22, 24, 28, 40, 64 ili 68 nožica.

Veći čipovi su kvadratnog oblika, s nožicama na sve četiri ivice ili na donjoj strani.

Čipovi se mogu grubo svrstati u klase prema broju logičkih kola koja sadrže. Takva klasifikacija

je zaista gruba, ali je ponekad korisna.

Kola s niskim stepenom integracije (engl. Small Scale Integrated, SSI): od 1 do 10

logičkih kola.

Kola sa srednjim stepenom integracije (engl. Medium Scale Integrated, MSI): od 10 do

100 logičkih kola.

Kola s visokim stepenom integracije (engl. Large Scale Integrated, LSI): od 100 do

100.000 logičkihkola.

Kola s veoma visokim

stepenom integracije (engl. Very Large Scale

Integrated, VLSI): više od

100.000 logičkih kola.

Ove klase imaju različita

svojstva i koriste se na različite

načine.

SSI čip obično sadrži od dva do

šest nezavisnih logičkih kola, od

kojih se svako može koristiti

14

pojedinačno, kao što je navedeno u prethodnim odeljcima. Slika 1 prikazuje šemu uobičajenog SSI čipa

sa četiri logička NAND kola. Svako od ovih kola ; ima dva ulaza i jedan izlaz, što znači da postoji

ukupno 12 nožica. Osim toga, potrebna je i nožica za napajanje (Vcc) i jedna za uzemljenje (GND), što

imaju svi čipovi. Na čipu se pored prve nožice obično nalazi urez kako bi se lakše uočila njegova

orijentacija. Da bi se u električnim šemama izbeglo pretrpavanje, obično se na njima ne

prikazuju ni napajanje ni uzemljenje,

niti neiskorišćena logička kola.

Postoje brojni čipovi slični ovom, po ceni od nekoliko centa. Svaki SSI čip ima brojna logička

kola i do dvadesetak nožica. Računari su sedamdesetih godina konstruisani pomoću velikog broja

ovakvih čipova, ali se danas na jedan čip stavlja čitav procesor i velika količina (keš) memorije.

Sva logička kola u našim razmatranjima možemo smatrati idealnim jer se signal na izlazu

pojavljuje odmah čim se dovede signal na ulaz. U realnosti se signal na izlazu ne pojavljuje odmah jer

postoji kašnjenje logičkog kola (engl. gate delay) zbog vremena prostiranja signala i vremena

obavljanja prekidačke funkcije. Najčešće vrednosti kašnjenja su između 1 i 10 ns.

Sadašnji nivo tehnologije omogućava da se na čip smesti skoro 10 miliona tranzistora. Pošto se

svako elektronsko kolo može sklopiti od logičkih NAND kola, mogli biste pomisliti da će proizvođači

napraviti višenamenski čip sa, na primer, 5 miliona NAND kola. Nažalost, takav čip bi morao imati

15.000.002 nožice. Uz standardan razmak od 2,5 mm između nožica, čip bi bio dugačak preko 19 km.

Industrija računara napreduje brže od bilo koje druge industrije. Njena pokretačka snaga su

proizvođači čipova koji svake godine uspevaju da smeste na čip sve više i više tranzistora. Što više

tranzistora to je veća memorija, odnosno snažniji procesor. Gordon Moore, suosnivač i bivši

predsednik Intela, dok je pripremao govor za jednu industrijsku grupaciju je primetio da se nova

generacija memorijskih čipova po pravilu uvodi svake treće godine. Pošto nova generacija uvek donosi

četiri puta više memorije od prethodne, on je zapazio da se broj tranzistora na čipu povećava lineamo i

da će se takav trend nastaviti decenijama. Ovo njegovo zapažanje postalo je je poznato kao Mooreov

zakon. Danas se on tumači tako da se broj tranzistora na čipu udvostručava svakih 18 meseci, što je

ekvivalentno godišnjem povećanju broja tranzistora za oko 60%. Veličina memorijskih čipova u

zavisnosti od datuma njihovog uvođenja u proizvodnju potvrđuje važenje Mooreovog zakona tokom

perioda od preko tri decenije.

Slika: 6 Tačke na dijagramu predstavljaju veličinu memorije u bitovima

Mooreov zakon nije teorijski izveden - to je empirijsko zapažanje brzine kojom fizičari i procesni

inženjeri unapređuju svoju specifičnu tehnološku oblast, a koje omogućava da se i u budućnosti

očekuje sličan trend.

15

Mooreov zakon nije teorijski izveden - to je empirijsko zapažanje brzine kojom fizičari i procesni

inženjeri unapređuju svoju specifičnu tehnološku oblast, a koje omogućava da se i u budućnosti

očekuje sličan trend.

Rast koji predviđa Mooreov zakon može se iskoristiti na više načina. Jedan je pravljenje sve jačih

račnara po istoj ceni. Drugi je pravljenje istog računara koji će iz godine u godinu koštati sve manje.

Računarska industrija je iskoristila i jedan i dragi pristup, a i više od toga, zbog čega danas imamo

veoma različite računare. Jedna gruba klasifikacija današnjih računara prikazana je na slici 6.

Slika: 7 Današnji spektar raspoloživih računara

Slika: 8 Tačke na dijagramu predstavljaju veličinu memorije u bitovima

16

Četvrta generacija - vrlo visok stepen integracije (1980-?)

Tehnologija, nezgrapno, ali tačno nazvana vrlo visok stepen integracije (engl. Very Large Scale

Integration, VLSI) osamdesetih godina omogućila je da se na jedan čip smeste desetine hiljada, zatim

stotine hiljada i na kraju milioni tranzistora. Ovakav napredak tehnologije uskoro je doveo do

proizvodnje manjih i bržih računara. Pre modela PDP-1 računari su bili toliko veliki i skupi da su

kompanije i univerziteti morali da predviđaju posebne prostorije za njih, tzv. računske centre. S

pojavom mini računara, svako odeljenje je moglo samostalno da kupi računar za svoje potrebe.

Osamdesetih godina cene su pale toliko nisko da je i pojedinačni korisnik mogao sebi da priušti

računar. Tako je započela era ličnih računara.

Lični računari su korišćeni sasvim drugačije od velikih računara. Oni su uporebljavani za obradu teksta, za

tabelarne proračune i za brojne visoko interaktivne aplikacije (npr. igrice) s kojima se veliki računari nisu

najbolje slagali.

Prvi lični računari obično su prodavani u „kompletu". Svaki komplet je sadržao ploču sa

štampanim kolima, pregršt čipova među kojima je obično bio Intelov čip 8080, par kablova, napojnu

jedinicu i možda disketnu jedinicu od 8 inča. Sastavljanje računara od delova prepuštano je kupcu. Uz

računar nije isporučivan nikakav softver. Ako vam je softver bio potreban, morali ste ga sami napisati.

Kasnije je Gary Kildall napisao operativni sistem CP/M koji je stekao veliku popularnost na

računarima s procesorom 8080. To je bio pravi operativni sistem za podršku (disketnoj) jedinici, sa

sistemom datoteka i komandama koje je korisnik s tastature zadavao komandnom procesoru

(komandnom okruženju).

Pojavio se i lični računar druge vrste, prvo Apple, a kasnije i Apple II. Ti računari su postali

veoma popularni medu kućnim kcaisnicima i u školama, pa je Apple preko noći postao ozbiljan

takmac.

IBM, tada vodeća snaga u industriji računara, posle nmogo oklevanja i osvrtanja konačno je

prelomio i odlučio da se upusti u posao s ličnim računarima. Umeste da svoj lični računar projektuje od

17

početka, koristeći samo sopstvene komponente, što bi predugo trajalo, IBM je uradio nešto što uopšte

ne liči na ovu kompaniju. Jedan od rukovodilaca, Philip Estridge, snabdeven je džakom punim novca i

oteran daleko od birokrata iz sedišta firme u Armonku (država Njujork), uz napomenu da se ne vraća

dok ne donese upotrebljiv lični računar. Estridge je izabrao Intelov čip 8088 za centralni procesor i

napravio IBM-ov lični računar (IBM Personal Computer, IBM PC) od komponenata koje je našao na

tržištu. On je predstavljen 1981. godine i odmah je postao najprodavaniji računar u istoriji.

IBM je povukao jos jedan neobičan potez, ali je zbog toga kasnije zažalio. Umesto da projekat

računara drži u tajnosti (ili barem da ga zaštiti patentima), što je inače radio, objavio je kompletne

planove, zajedno sa električnim šemama u knjizi koju je prodavao za 49 dolara (!). Zamisao je bila da

se tako drugim kompanijama omogući pravljenje dodatnih kartica za IBM PC kako bi se povećala

njegova fleksibilnost i popularnost. Na nesreću, pošto je projekat sada bio dostupan svima i pošto su se

svi delovi mogli lako naći na tržištu, brojne kompanije su počele da prave PC klonove, često jeftinije

od originala. Tako je nastala čitava industrija.

Iako su i druge kompanije pravile lične računare koristeci druge procesore (npr. Commodore,

Apple i Atari), dominacija industrije ličnih IBM računara bila je toliko velika da su sve one naprosto

zbrisane.

Jedan takav računar je Appleov Macintosh. Predstavljen je 1984. godine kao naslednik Appleove

Lise, koja je bila prvi računar s grafičkim korisničkim okruženjem (engl. Graphical User Inte-

face, GUI) sličnim današnjem Windowsu. Lisa je propala jer je bila preskupa, ali je jeftiniji Macintosh

koji se pojavio godinu dana kasnije postigao veliku slavu pa su mu brojni obožavaoci postali vrlo

privrženi.

Rano tržište ličnih računara uskoro je iznedrilo do tada neiskazanu želju za posedovanjem

prenosivog računara. U to doba koncept „prenosivog računara" imao je isto toliko smisla kao i

sintagma „prenosivi frižider" danas. Prvi stvamo prenosivi lični računar bio je Osbome-1, koji je,

budući težak 11 kg, više zasluživao atribut „prtljaž-ni". Ipak, on je dokazao da je koncept prenosivog

računara realan. Osborne-1 je postigao skroman komercijalni uspeh, ali je godinu dana kasnije

kompanija Compaq na tržište izbacila svoj prvi prenosivi IBM PC klon i ubrzo postala lider na polju

prenosivih računara.

Prva verzija ličnog IBM računara prodavana je sa operativnim sistemom MS-DOS, koji je

isporučivala tada mala kompanija Microsoft.

Držeći u ruci uspešan čip 8088, Intel je krenuo da pravi njegove naprednije bolje verzije. Posebno

je pažnje vredan procesor 386, predstavljen 1985. godine, koji je u suštini bio prvi Pentium. Iako su

savremeni Pentiumi mnogo brži od procesora 386, oni su u pogledu arhitekture samo unapređeni

procesori 386.