Giới thiệu giáo trình ” Giáo Trình Cấu Trúc Máy Tính “
1.3 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY NHIỀU CẤP
Phần này khảo sát tóm tắt lịch sử phát triển của máy nhiều cấp. Các máy tính đầu tiên vào những thập niên 40 chỉ có 2 cấp: cấp máy qui ước và cấp logic số. Toàn bộ việc lập trình được thực . hiện trên cấp máy qui ước và các chương trình được thực thi trên cấp logic số. Các mạch điện của cấp logic số phức tạp, khó hiểu, khó xây dựng và thiếu tin cậy.
Năm 1951 ở Anh, M.V.Wikes đề nghị ý tưởng thiết kế một máy tính 3 cấp để đơn giản tối đa phần cứng. Máy này có một trình phiên dịch cài đặt sẵn, không thay đổi, có nhiệm vụ thực thi các chương trình ngôn ngữ máy qui ước bằng cách phiên dịch. Bởi vì phần cứng bây giờ chỉ phải thực thi các vi chương trình với số chỉ thị giới hạn thay vì thực thi các chương trình ngôn ngữ máy qui ước với số chỉ thị lớn hơn nhiều, các mạch điện tử cần có cũng ít hơn.
Vào thời này các mạch điện tử được thiết kế dựa trên các đèn điện tử, sự đơn giản hóa phần cứng đảm bảo giảm số lượng đèn và do vậy làm tăng độ tin cậy. Một vài máy 3 cấp đã được chế tạo trong suốt những năm 50 và nhiều máy hơn được chế tạo trong suốt những năm 60. Vào năm 1970, ý tưởng có cấp máy qui ước được phiên dịch bởi một vì chương trình, thay vì thực thi trực tiếp bởi phần cứng, đã phát triển rộng rãi.
Trình dịch hợp ngữ (assembler) và các trình biên dịch ngôn ngữ cấp cao (compiler) phát triển trong những năm 50 tạo dễ dàng cho công việc của người lập trình. Vào những năm này, hầu hết các máy tính là “ cửa hàng mở” (open shop), nghĩa là người lập trình phải tự điều hành máy. Cạnh bên mỗi máy có một giấy đăng ký. Một lập trình viên muốn chạy một chương trình phải đăng ký khoảng thời gian, thí dụ ngày thứ tư từ 3 giờ đến 5 giờ sáng ( nhiều lập trình viên thích làm việc trong phòng máy lúc yên tĩnh). Khi đến giờ, người lập trình hướng về phòng máy với một hộp thẻ trong một tay và cây viết chì nhọn trong tay kia. Lúc vào phòng máy, người này đánh nhẹ bằng khủy tay vào người trước về phía cửa và chiếm lấy máy tính.
Nếu người này muốn chạy một chương trình FORTRAN, ông ta phải qua các bước sau :
1. Đi qua một phòng riêng nơi cất giữ thư viện chương trình, lấy ra một hộp xanh lớn để nhãn trình biên dịch FORTRAN rồi đặt vào trong đầu đọc thẻ, ấn nút khởi động.
2. Đặt chương trình FORTRAN của ông ta vào đầu đọc thẻ và ấn nút tiếp tục. Chương trình được đọc vào.
3. Khi máy tính dừng, ông ta đọc chương trình FORTRAN của mình lần thứ hai. Mặc dù một số trình biên dịch chỉ yêu cầu 1 bước khi đọc vào, cũng có khi cần 2 hay nhiều bước. Với mỗi một bước, hộp thẻ lớn được đọc vào.
4. Cuối cùng việc dịch hầu như hoàn tất. Lập trình viên thường trở nên căng thẳng vào lúc gần cuối vì nếu trình biên dịch tìm thấy một lỗi trong chương trình của ông ta, ông ta phải sửa lỗi và tất cả phải bắt đầu lại từ đầu. Nếu không có lỗi, trình biên dịch sẽ đục lỗ chương trình ngôn ngữ máy đã dịch lên trên các thẻ.
5. Tiếp đến người lập trình đưa chương trình ngôn ngữ máy vào đầu đọc thẻ cùng với hộp thư viện chương trình con và đọc cả hai.
6. Chương trình bắt đầu được thực thi. Thường chương trình ít khi không chạy hoặc dừng thình lình giữa chừng. Người lập trình thường đùa nghịch với các chuyển mạch điều khiển và quan sát các đèn điều khiển trong khi chờ. Nếu may mắn, ông ta hiểu ra vấn đề, sửa lỗi và quay về phòng riêng chứa trình biên dịch FORTRAN và bắt đầu lại lần nữa. Nếu kém may mắn, ông ta in bộ nhớ và mang về nhà nghiên cứu.
Thủ tục này, với những thay đổi nhỏ, xảy ra bình thường ở các trung tâm máy tính trong nhiều năm. Thủ tục này buộc các lập trình viên phải học cách điều hành máy và biết phải làm gì khi máy không tiếp tục được. Máy thường rảnh còn con người phải mang các thẻ đi khắp phòng hoặc gãi đầu cố tìm ra lý do tại sao chương trình của họ không hoạt động như cách họ suy nghĩ.
Vào năm 1960, con người đã cố gắng giảm thiểu lượng thời gian bỏ phí bằng cách tự động hóa công việc điều hành. Một chương trình được gọi là hệ điều hành (operating system) luôn luôn được lưu giữ bên trong máy tính. Lập trình viên cung cấp một số thẻ điều khiển cùng với chương trình, chúng được đọc và thực thi bởi hệ điều hành. Hình 1.3 trình bày một hộp mẫu của một trong các hệ điều hành phát triển rộng rãi đầu tiên, FMS FORTRAN monitor system), sử dụng trên IBM 709.
Hệ điều hành đọc thẻ *JOB và dùng thông tin trên thẻ này cho các mục đích tính toán ( dấu * dùng để nhận dạng các thẻ điều khiển nhằm tránh nhầm lẫn với các thẻ dữ liệu và chương trình). Sau đó hệ điều hành đọc thẻ *FORTRAN để nạp trình biên dịch FORTRAN từ băng từ. Kế đến trình biên dịch đọc vào và biên dịch chương trình viết bằng FORTRAN. Khi trình biên dịch hoàn tất, trình này trả điều khiển lại cho hệ điều hành để đọc thẻ “DATA. Đây là chỉ thị thực thi chương trình đã biên dịch sử dụng các thể tiếp theo thẻ *DATA như là các dữ liệu.
Mặc dù hệ điều hành đã được thiết kế để tự động hóa công việc điều hành, đây cũng chỉ là bước đầu tiên trong quá trình phát triển một máy ảo mới. Thẻ *FORTRAN được xem như chỉ thị ảo biên dịch chương trình. Tương tự, thẻ DATA là chỉ thị ảo thực thi chương trình. Một cấp chỉ có 2 chỉ thị là quá ít, nhưng đây là bước khởi đầu theo hướng này.
