Файл: История развития средств вычислительной техники (Исторические и теоретические вопросы развития вычислительной техники от древних времён до настоящего времени).pdf

Последним крупным проектом релейной вычислительной техники следует считать построенную в 1957 году в СССР релейную вычислительную машину РВМ-1 и эксплуатировавшуюся до конца 1964 года в основном для решения экономических задач.

В силу известных технических ограничений релейная вычислительная техника не позволяла существенно повысить скорость вычислений – для этого потребовался переход на электронные элементы с гораздо более высоким быстродействием.

Первой настоящей ЭВМ можно считать английскую машину Colossus, созданную в 1943 году при участии выдающегося английского математика Алана Тьюринга. Эта машина содержала около 2000 электронных ламп и обладала достаточно высоким быстродействием, однако она была узкоспециализированной и применялась только для расшифровки немецких шифров.

Первой ЭВМ универсального назначения принято считать машину ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer), созданную в США в конце 1945 года. Первоначально предназначенная для решения задач баллистики, эта ЭВМ была по существу машиной универсального назначения, поскольку могла решать практически любые задачи, заданные в соответствующей алгоритмической форме.

Еще до начала эксплуатации ENIAC Джон Моучли и Преспер Эккерт по заказу военного ведомства США приступили к проекту над новым компьютером EDVAC (Electronic Discrete Automatic Variable Computer), который был более совершенным по сравнению с ENIAC. В этой машине была предусмотрена большая память (на 1024 44-битных слов, а к моменту завершения была добавлена вспомогательная память на 4000 слов для данных), предназначенная как для данных, так и для программы.

История отечественной электронно-вычислительной техники началась в 1948 г. В августе 1948 г. был представлен проект автоматической цифровой вычислительной машины, первый в СССР проект ЭВМ с жестким программным управлением. Его авторами были И. С. Брук и Б. И. Рамеев.

В проекте было дано описание принципиальной схемы машины, определены арифметические операции в двоичной системе счисления, предусматривалось управление работой машины от главного программного датчика. Датчик считывал программу, записанную на перфоленте, и обеспечивал вывод результатов также на перфоленту или ввод с нее полученных чисел снова в машину для последующих вычислений. Проект Брука – Рамеева не был реализован, но это было первое официально запатентованное изобретение в области вычислительной техники Советского Союза.

В 1948 г. начали формироваться три основные советские научные школы вычислительной техники:

1. Школа С.А. Лебедева. Основное направление деятельности – разработка машин с высоким быстродействием. Под его руководством были созданы 15 типов ЭВМ, начиная с ламповых (БЭСМ-1, БЭСМ-2, М-20) и заканчивая современными суперкомпьютерами на интегральных схемах.
2. Школа И.С. Брука. Основное направление деятельности – разработка малых и управляющих ЭВМ. И.С. Брук одним из первых в мире осознал, что не для всех классов задач требуется предельная производительность. В середине 1950-х гг. он разработал и экономически обосновал концепцию «малогабаритных машин» для использования в самых разных областях промышленности и сельского хозяйства. Принципы, заложенные в разработках И.С. Брука того времени (М-1, М-2, М-3, М-4, М-7), позднее получили развитие в известных вычислительных машинах серий «Минск» и «Раздан».
3. Школа Б.И. Рамеева. Основное направление деятельности – разработка вычислительной техники универсального назначения. Среди множества его разработок – ЭВМ «Стрела», серия ЭВМ «Урал».

В 1948 г. указом правительства СССР был создан Институт точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ) в составе Академии наук. В 1950 г. в Лаборатории электросистем Энергетического института АН СССР, руководимой И.С. Бруком, была начата разработка электронной автоматической цифровой вычислительной машины «М-1». В начале 1952 г. она была введена в опытную эксплуатацию. «М-1» открывала новое направление в развитии отечественной вычислительной техники – малых ЭВМ преимущественно для научных применений. Позже И.С. Брук сформулировал концепцию создания малогабаритных специализированных и управляющих машин.

Машина «М-1» была первой малогабаритной ЭВМ (по тем временам, для сравнения: элементную базу «М-1» составляли 730 ламп, «МЭСМ» – 6 тысяч; «М-1» занимала площадь 15 м², «МЭСМ» – 60 м²). Быстродействие «М-1» –15…20 операций в секунду. «М-1»оказалась первой в Москве работающей ЭВМ. «М-1»выполняла серьезные расчеты для атомного ведомства академика Курчатова и для ракетно-космического конструкторского бюро под руководством С.П. Королева.

Сразу после завершения работ над первой машиной И.С. Брук начинает разработку машины «М-2», которая была гораздо более мощной и конструктивно намного более совершенной вычислительной системой по сравнению с «М-1». Работа над ней была проведена в короткий срок – с апреля по декабрь 1952 г. «М-2» работала со скоростью 2 тыс. операций в секунду и содержала более полутора тысяч радиоламп. Машина эксплуатировалась долго, 15 лет, и в первые годы своего существования делила вычислительную нагрузку только с двумя реально действующими ЭВМ в СССР – электронными машинами «БЭСМ» и «Стрела».

Характеристика основных поколений ЭВМ

Начиная с 1950 года, каждые 8…10 лет кардинально обновлялись конструктивно-технологические и аппаратно-архитектурные принципы построения и использования ЭВМ. В связи с этим принято говорить о поколениях вычислительных машин. Условно, каждому поколению можно отвести период примерно в 10 лет. Каждый этап развития вычислительной техники постепенно готовил почву для следующего и многократно ускорял научно-технический прогресс своего времени.

Первое поколение ЭВМ (1950-1960 гг.)

Логические схемы создавались на дискретных радиодеталях и электронных вакуумных лампах с нитью накала. В оперативных запоминающих устройствах использовались магнитные барабаны, акустические ультразвуковые ртутные и электромагнитные линии задержки, электронно-лучевые трубки. В качестве внешних запоминающих устройств применялись накопители на магнитных лентах, перфокартах, перфолентах и штекерные коммутаторы.

Программирование работы ЭВМ этого поколения выполнялось в двоичной системе счисления на машинном языке, практически все программы были жестко «завязаны» на конкретную модель вычислительной машины и не могли использоваться где-либо ещё.

В середине 1950-х годов появились машинно-ориентированные языки типа языков символического кодирования, позволявшие вместо двоичной записи команд и адресов использовать их сокращенную словесную (буквенную) запись и десятичные числа.

ЭВМ, начиная от UNIVAC и заканчивая БЭСМ-2 и первыми моделями ЭВМ «Минск» и «Урал», относятся к первому поколению вычислительных машин.

Первое поколение ЭВМ – это время быстрого развития машин с архитектурой фон Неймана, построенные на электронных лампах, с быстродействием порядка 10…20 тыс. арифметических операций в секунду. Программные средства были представлены машинным языком и языком ассемблера. В нашей стране к первому поколению относится первая отечественная вычислительная машина МЭСМ, созданная в 1951 г. в Киеве под руководством академика С. А Лебедева, серийные машины «Минск-1», «Стрела», БЭСМ, «Урал-1», «Урал-4» и другие.

Несмотря на ограниченность возможностей, ЭВМ первого поколения позволяли выполнять достаточно сложные расчеты, необходимые для прогнозирования погоды, решения задач атомной энергетики, строительства, гидродинамики.

Второе поколение ЭВМ (1960-1970 гг.)

Логические схемы строились на дискретных полупроводниковых и магнитных элементах. В качестве конструктивно-технологической основы использовались схемы с печатным монтажом. Широко стал использоваться блочный принцип конструирования машин, который позволяет подключать к основным устройствам большое число разнообразных внешних устройств, что обеспечивает большую гибкость использования компьютеров. Тактовые частоты работы электронных схем повысились до сотен килогерц.

Стали применяться внешние накопители на жестких магнитных дисках и на флоппи-дисках – промежуточный уровень памяти между накопителями на магнитных лентах и оперативной памятью.

На базе ЭВМ стали создаваться автоматизированные системы управления (АСУ). Все более явно проявляется разделение типов выпускаемых ЭВМ по характеру функционального назначения. Значительным событием для ЭВМ второго поколения стали машины Atlas (Англия), Stretch и CDC-6600 (США) и БЭСМ-6 (СССР). ЭВМ Atlas была выпущена в 1961 г. Здесь впервые была реализована концепция виртуальной памяти. Машина Atlas имела производительность около 900 тыс. операций в секунду. Для управления ресурсами машины в ней впервые использовалось программное обеспечение, которое играло роль настоящей «операционной системы». В 1960 г. компания IBM выпустила машину Stretch (IBM-7030). Машина имела тактовую частоту 100 МГц. Сложение чисел с плавающей точкой производилось за 1,5 мкс, умножение – за 2,7 мкс. Машина типа CDC-6600 начала выпускаться в 1964 г. В ней были основной вычислительный процессор и десять периферийных процессоров ввода-вывода данных. Производительность CDC-6600 составляла около 3 млн. операций в секунду.

В 1964 году был выпущен первый монитор для компьютеров – IBM 2250. Это был монохромный дисплей с размером квадратного экрана в 12 дюймов, разрешением 1024 на 1024 пиксел и частотой кадровой развертки 40 Гц.

Создаваемые на базе компьютеров системы управления потребовали от ЭВМ более высокой производительности, а главное – надежности. В компьютерах стали широко использоваться коды с обнаружением и исправлением ошибок, встроенные схемы контроля. В машинах второго поколения были впервые реализованы режимы пакетной обработки и телеобработки информации.

Первой ЭВМ, в которой частично использовались полупроводниковые приборы вместо электронных ламп, была машина, созданная в 1951 году.

В начале 60-х годов полупроводниковые машины стали производиться и в СССР.

Для ЭВМ второго поколения выделяют следующие характерные особенности: использование транзисторов в качестве элементной базы, соединение элементов с помощью печатных плат и навесного монтажа.

Как только в ЭВМ лампы заменили на транзисторы, сразу же резко возросла производительность. Если ламповые вычислительные машины имели быстродействие несколько тысяч операций в секунду, то ЭВМ на полупроводниковых диодах и транзисторах – десятки и сотни тысяч операций в секунду. Например, ЭВМ «Урал-11» работала с производительностью порядка 50 тыс. операций в секунду, «Минск-32» – 65 тыс., «Урал-16» – 100 тыс., а наиболее мощная советская ЭВМ второго поколения – «БЭСМ-6» –до 1 млн. операций в секунду.

Объем оперативной памяти в ЭВМ второго поколения увеличился в сотни раз по сравнению с машинами первого поколения. В ЭВМ «Урал-14» – оперативная память имела ёмкость на 65 тыс. чисел, в «БЭСМ-6» – на 32 тыс. чисел, в американской «Стретч» – 260 тыс., «Урал-16» – до 500 тыс. Оперативная память почти всех ЭВМ в то время была построена на ферритовых сердечниках (ферромагнитных матрицах).

Миниатюрные электронные элементы и микромодули позволили существенно уменьшить габариты вычислительной аппаратуры. Если ЭВМ первого поколения «Стрела» размещалась на площади порядка 200 м², то полупроводниковая ЭВМ того же класса типа «Минск-2» могла быть установлена на площади всего 35…40 м².

Появились новые устройства ввода-вывода: высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, магнитными барабанами и первыми магнитными дисками.

Упростилась и эксплуатация вычислительной техники – при выходе из строя нескольких элементов производилась простая замена целиком всего блока (модуля или платы), а не поиск и замена неисправного элемента в отдельности, как в ЭВМ первого поколения.

В качестве программного обеспечения стали использовать языки программирования высокого уровня, были написаны специальные трансляторы с этих языков на язык машинных команд. Для ускорения вычислений в этих машинах было реализовано «упреждающее» выполнение команд: последующая команда начинала выполняться до окончания предыдущей.

Появился широкий набор стандартных подпрограмм для решения разнообразных математических задач. Появились мониторные системы, управляющие режимом трансляции, исполнения программ и организации работы ЭВМ в пакетном режиме выполнения задач. Из мониторных систем в дальнейшем появились современные операционные системы.