Файл: Поколения развития компьютеров.pdf

Вычислительные приборы, как таковые, начинают свое развитие задолго до возникновения современной дисциплины информатики, появившейся в XX веке. Информационные технологии связаны с изучением методов и средств сбора, обработки и передачи данных с целью получения информации нового качества о состоянии объекта, процесса или явления.

Ввиду возрастания потребностей человечества в обработке все большего объема данных, средства получения информации совершенствовались от самых ранних механических изобретений до современных компьютеров. Также в рамках информационных технологий идет развитие сопутствующих математических теорий, которые сейчас формируют современные концепции.

Основным техническим средством технологии переработки информации является персональный компьютер, существенно повлиявший как на концепцию построения и использования технологических процессов, так и на качество получаемой после обработки информации.

Именно по этой причине важно осознавать изменения, произошедшие на различных этапах развития вычислительной техники и персональных компьютеров, чтобы предсказать дальнейшие тенденции развития.

Объектом исследования данной работы является история развития вычислительных технологий и персональных компьютеров в целом, предметом исследования являются перспективы развития вычислительных технологий и персональных компьютеров.

Целью данной работы является структуризация знаний о различных этапах развития вычислительной техники и персональных компьютеров, как уже прошедших, так и запланированных в перспективе.

Задачами данной работы являются:

изучение предпосылок развития вычислительной и компьютерной техники;
рассмотрение основных четырех поколений развития вычислительной и компьютерной техники;
обзор технологий, которые могут быть названы перспективным пятым поколением;
проведение краткого обзора
перспективных технологий в вычислительной и компьютерной технике.

В основу исследования легли книги по архитектуре персональных компьютеров из серии «Классика Computer Science» всемирно известных авторов, таких как Э. Таненбаум, Д. Паттерсон и Д. Хеннесси.

Таненбаум является заслуженным профессором Гарвардского университета, опубликовавшим много трудов в сфере информационных технологий, ставших фундаментальными. На его трудах основываются многие исследования, а его учеником был Линус Торвальдс, создатель операционной системы Линукс.

Паттерсон является заслуженным профессором Калифорнийского университета в Беркли, работающим в области микропроцессоров и информатики. Он известен своим вкладом в проектирование RISC-процессоров и создание принципа работы RAID-массивов.

Хеннесси является американским ученым, работающим в области микропроцессоров и информатики. Также он является основателем MIPS Computer Systems Inc. и ректором Стэнфордского университета.

Данные авторы публикуются довольно длительно время, имеют по несколько редакций каждой из своих работ и пользуются спросом у рядовых пользователей, так как описывают сложные технические термины легким для понимания языком.

1. Поколения развития компьютеров

1.1. Нулевое поколение. Механические вычислители

Предпосылки к появлению компьютера формировались еще с древних времен, но чаще всего обзор поколений компьютерной техники начинают со счетной машины Блеза Паскаля, сконструированной в 1642 году. Эта машина могла выполнять лишь операции вычитания и сложения. В 70-х годах того же века Готфрид Вильгельм Лейбниц построил машину, умеющую выполнять операции не только вычитания и сложения, но и деления и умножения^[1].

В XIX веке большой вклад в будущее развитие вычислительной техники сделал Чарльз Бэббидж. Его разностная машина могла только вычитать и складывать, но результаты вычислений выдавливались на медной пластине, что стало аналогом средств ввода-вывода информации. В дальнейшем описанная Бэббиджем аналитическая машина должна была выполнять все четыре основные математические операции. Аналитическая машина состояла из устройств ввода-вывода, вычислительного механизма и памяти, а главное могла выполнять различные алгоритмы, зависящие от типа перфокарты, находящейся в устройстве ввода. Программы для аналитической машины писала Ада Ловлейс. Но машина не была реализована в то время из-за финансовых и технических сложностей^[2].

Внешний вид аналитической машины Бэббиджа представлен на рисунке 1.

В XX веке автоматические счетные машины конструировали Джон Атанасов, Джорж Стибитс, Конрад Зус. Машина Джона Атанасова включала прототип современного ОЗУ, а также использовала бинарную арифметику. Также по архитектуре были схожи с аналитической машиной Бэббиджа релейные компьютеры Говарда Айкена: «Марк I» и «Марк II»^[3] [1, 6, 8].

Рис. 1. Внешний вид аналитической машины Бэббиджа

1.2. Первое поколение. Компьютеры на электронных лампах

Первое поколение компьютеров зародилось в 40-х годах XX века, В соответствии с общепринятой методикой к компьютерам первого поколения относят ламповые компьютеры, быстродействие которых исчислялось несколькими десятками тысяч операций в секунду^[4].

Первым в мире электронным компьютером считается Колоссус – секретная разработка британского правительства, в разработке которого принимал участие Алан Тьюринг. Колоссус из-за своей секретности не оказал влияния на развитие компьютерной техники, но помог победить во Второй мировой войне^[5].

Первой работающей машиной с архитектурой фон Неймана, в которой данные и программа хранятся в единой универсальной памяти, стала Манчестерская малая экспериментальная машина, созданная в Манчестерском университете в 1948 году. Следующим компьютером первого поколения был Манчестерский Марк I, спроектированный в 1949 году. Марк I был уже полной системой с трубками Уильямса, магнитным барабаном в качестве памяти и индексными регистрами. Другим претендентом на звание «первый цифровой компьютер с хранимой программой» стал EDSAC, который был разработан и сконструирован в Кембриджском университете. На самом деле, EDSAC был создан на основе архитектуры компьютера EDVAC, наследника ENIAC. В отличие от ENIAC, который использовал параллельную обработку, EDVAC располагал единственным обрабатывающим блоком. Такое решение было надежнее и проще, поэтому такой вариант становился первым реализованным после каждой очередной волны миниатюризации. Многие считают, что Манчестерский Марк I, EDSAC и EDVAC стали «Евами», от которых ведут свою архитектуру почти все современные компьютеры^[6].

Внешний вид первого электронного цифрового компьютера ENIAC представлен на рисунке 2.

Отличительными особенностями ламповых компьютеров являются большое количество ламп большого размера, что приводило к огромным размерам самого компьютера; длительные простои при поиске перегоревшей лампы; мощные охладительные системы^[7].

Рис. 2. Внешний вид первого электронного цифрового компьютера ENIAC

В качестве другим примеров компьютеров первого поколения можно привести Whirlwind I, работающий в реальном времени со словами малой длины, и Компьютер 701 фирмы IBM с последующими моделями, лидирующими на рынке в течение 10 лет^[8] [3, 4, 7, 9].

1.3. Второе поколение. Компьютеры на транзисторах

Компьютеры второго поколения появились в 1955 году, их характерной особенностью стало использование транзисторов вместо ламп, что позволило повысить быстродействие до сотен тысяч операций в секунду^[9].

По сравнению с электронными лампами использование транзисторов позволило уменьшить размеры вычислительной техники, увеличить скорость работы, повысить надежность и почти свести на нет теплоотдачу. Во втором поколении компьютеров стали развиваться способы хранения информации: стала широко использоваться магнитная лента, а позже появились диски. В этот период была замечена первая компьютерная игра^[10].

Первый компьютер на транзисторах TX стал прототипом для компьютеров ветки PDP фирмы DEC, которые можно считать родоначальниками компьютерной промышленности, так как появилось явление массовой продажи машин. В 1960 году DEC выпускает свой первый миникомпьютер — PDP-1, предназначенный для использования техническим персоналом в лабораториях и для исследований. В семействе данных компьютеров зафиксировано появление дисплея^[11].

Внешний вид миникомпьютера PDP-1 представлен на рисунке 3.

Фирма IBM также активно трудится, производя уже транзисторные версии своих компьютеров^[12].

Над другими компьютерами того времени имел преимущество Компьютер 6600 фирмы CDC, разработанный Сеймуром Креем. Его отличительными особенностями являлось быстродействие, достигающееся за счет параллельного выполнения команд.

Для компьютеров второго поколения характерно использование первых языков программирования высокого уровня, которые получили свое развитие в компьютерах следующего поколения^[13] [4, 6, 7, 10].

Рис. 3. Внешний вид миникомпьютера PDP-1

1.4. Третье поколение. Компьютеры на интегральных схемах

Компьютеры третьего поколения появились в 1964 году и проектировались на основе интегральных схем малой степени интеграции. Интегральная схема представляет собой электронную схему, которая была вытравлена на кремниевом кристалле и на которой могут умещаться тысячи транзисторов. Следовательно, компьютеры этого поколения были вынуждены стать еще мельче, быстрее и дешевле, что позволяло им проникать в различные сферы деятельности человека и становиться более специализированными^[14].

Быстродействие компьютеров третьего поколения исчислялось миллионами операций в секунду.

Появились операционные системы, которые стали брать на себя задачи управления устройствами ввода-вывода, памятью и другими ресурсами. Вместе с операционными системами появилась и проблема совместимости программного обеспечения под выпускаемые модели. Впервые большое внимание совместимости уделила компания IBM.^[15]

В компьютерах третьего поколения было реализовано мультипрограммирование, при котором в памяти находится несколько выполняемых программ, что дает эффект экономии ресурсов процессора^[16].

Пример компьютера на интегральных схемах представлен на рисунке 4.

Рис. 4. Внешний вид компьютера на интегральных схемах PDP-11

Параллельно с компьютерами третьего поколения продолжали выпускаться компьютеры второго поколения. Так компьютеры «UNIVAC 494» выпускались до середины 1970-х годов^[17].

В начале 60-х годов группой разработчиков фирмы IBM был введен термин «архитектура компьютера», также появились мини-компьютеры. Экономичность мини-компьютеров быстро расширила сферу их применения: автоматизация научных экспериментов, передача данных, управление и подобное. В рамках третьего поколения в 1971 году появился первый микропроцессор, как неожиданный результат работы фирмы Intel над схемами калькуляторов, что положило начало развитию компьютеров четвертого поколения^[18] [3, 7-10].