Файл: История развития средств вычислительной техники (Периоды развития вычислительной техники).pdf

2.2. Второе поколение ЭВМ

Перед тем, как приступить к описанию второго поколения, хотелось бы уточнить, что начиная с 1950 года, каждые 7-10 лет кардинально обновлялись конструктивно-технологические и программно-алгоритмические принципы построения и использования ЭВМ. В связи с этим правомерно говорить о поколениях вычислительных машин. Условно каждому поколению можно отвести 10 лет.

Элементная база: ЭВМ второго поколения (60-е гг.) строились на полупроводниковых приборах (транзисторах). Это повысило надежность ЭВМ, уменьшило их габариты и энергопотребление, снизило стоимость.

В АЛУ было встроено некоторое количество сверхбыстрых регистров, что также способствовало повышению скорости работы. Кроме того, появились команды, в которых в качестве адреса фигурировал регистр, а не ячейка ОЗУ.

Была расширена номенклатура ВЗУ на магнитных носителях. Появились магнитные ленты (МЛ), магнитные барабаны (МБ), магнитные диски (МД), магнитные карты.

Расширилась и номенклатура устройств ввода-вывода. Стали использоваться перфокарты, перфоленты, АЦПУ (алфавитно-цифровая печать) на широкую бумажную ленту.

Способ обработки информации – последовательный, но так как появились прерывания, то стало возможным реализовать последовательно-параллельный алгоритм управления вычислительным процессом (совмещение ввода/вывода с другими операциями).

Переход к машинам второго поколения обозначил прогресс и в области автоматизации программирования и организации вычислительных работ. Появились алгоритмические языки высокого уровня (АЛГОЛ-60, ФОРТРАН-2, КОБОЛ) и трансляторы с них, которые, помимо библиотек математических и служебных подпрограмм, составили новый тип системного программного обеспечения. Стало происходить различение программ на исходный модуль и объектный модуль (программа в машинных кодах после трансляции). Выполнение каждой программы стало включать большое количество вспомогательных работ: загрузка нужного транслятора, запуск транслятора и получение результирующей программы в машинных кодах, связывание программы с библиотечными подпрограммами, загрузка программы в оперативную память, запуск программы, вывод результатов на периферийное устройство. Для организации эффективного совместного использования трансляторов, библиотечных программ и загрузчиков в штат вычислительных центров были введены должности операторов, профессионально выполняющих работу по организации вычислительного процесса для всех пользователей этого центра.

Стали шире применяться библиотеки объектных модулей, чтобы избежать лишней работы по программированию исходных модулей, транслированию и отладке; появились диспетчеры, как простейшие версии ОС; сервисные программы (редактирование, отладка).

Область применения ЭВМ расширилась. Кроме научных расчетов они стали использоваться для решения экономических задач. Собственно расширение сферы применения и обеспечило расширение номенклатуры устройств ввода-вывода и ВЗУ.

Режим работы – закрытый. Программиста как бы «отлучили» от машины. Выполнение программ было организовано через посредника (оператора).

Переход от открытого к закрытому режиму использования ЭВМ как бы стимулировал развитие двух направлений программирования: прикладное программирование, связанное с разработкой программ для решения конкретных научно-технических задач, и системное программирование, связанное с разработкой специальных программ, автоматизирующих процесс написания и отладки прикладных программ и обеспечивающих эффективное использование ЭВМ при их исполнении. Совокупность таких вспомогательных программ назвали математическим или программным обеспечением ЭВМ. Прикладные программы являются конечной целью программирования (производства). Системное программирование играет как бы роль средства производства.

Для повышения эффективности работы компьютера (так как скорость работы оператора не может состязаться со скоростью работы процессора, и он часто простаивал) были разработаны системы пакетной обработки, которые автоматизировали всю последовательность действий операторов по организации вычислительного процесса. Фактически системы пакетной обработки явились прообразом современных операционных систем, они стали первыми системными программами, предназначенными не для обработки данных, а для управления вычислительным процессом. В ходе реализации систем пакетной обработки был разработан формализованный язык управления заданиями, с помощью которого программист сообщал системе и оператору, какие действия и в какой последовательности он хочет выполнить на вычислительной машине.

Оператор составлял пакет заданий (как правило, набор перфокарт, который иногда переносился на магнитную ленту или магнитный диск), которые в дальнейшем без его участия последовательно запускались на выполнение управляющей программой – монитором (находившейся на перфокартах или, в более поздних версиях, на магнитной ленте или магнитном диске).

Это способствовало повышению эффективности работы вычислительных центров, однако имело и свои недостатки, вызвав недовольство программистов.

Типичными машинами этого поколения были МИР (рис. 10), Наири (рис. 11), Минск-2, Минск-22, Минск-32, М-220, Бэсм-6.

Рисунок 10 – ЭВМ «МИР»

Рисунок 11 – ЭВМ «Наири»

2.3. Третье поколение ЭВМ

Бурно развивающаяся авиация, космическая техника и другие области науки и техники требовали миниатюрных, надежных и быстрых вычислительных устройств. Поэтому дальнейшее развитие электронной вычислительной техники требовало разработки новой технологии, и такая технология не замедлила появиться. Новый прорыв в производительности, надежности и миниатюризации позволила сделать технология интегральных схем, ознаменовавшая собой переход на третье поколение ЭВМ, создаваемых с 1964 по 1974 г.г.

Элементная база: ЭВМ 3-го поколения (70-е гг.) выполнены на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни – тысячи транзисторов в одном корпусе).

Осуществлен переход к стандартным структурам данных и команд: байт (6, в дальнейшем 8 бит), полуслово (16 бит, 2 байта), слово (32 бита, 4 байта), двойное слово (64 бита, 8 байтов).

К данному времени можно констатировать серьезное изменение в распределении функций между программными и аппаратными средствами компьютера: основную часть действий по организации вычислительного процесса взяла на себя операционная система.

Операционные системы (ОС) становятся неотъемлемыми элементами компьютера, играя роль «продолжения» аппаратуры. Все управление ВС автоматизировано. Верхний уровень автоматизации осуществляет комплекс программ, объединённых в операционную систему. Пользователь общается с ВС через операционную систему, синхронизирующую работу аппаратной части ВС через систему прерываний и таймер. Более того, были реализованы почти все главные механизмы, присущие современным ОС: мультипроцессирование, мультипрограммирование, виртуальная память, поддержка многотерминального многопользовательского режима, разграничение доступа и сетевая работа. В данные годы начинается расцвет системного программирования, которое превращается в отрасль индустрии.

Режимы работы ВС 3-го поколения стали разнообразными. Самым простым режимом остался монопольный, в котором работали ЭВМ 1-го поколения. Использовался также пакетный режим, используемый при работе машин 2-го поколения.

Революционным событием этого этапа явилась промышленная реализация мультипрограммирования. Мультипрограммирование – способ организации вычислительного процесса, при котором в памяти компьютера находится одновременно несколько программ, попеременно выполняющихся на одном процессоре.

Мультипрограммирование было реализовано в двух вариантах – в системах пакетной обработки и разделения времени. В мультипрограммном пакетном режиме процессор не простаивал, пока одна программа выполняла операцию ввода-вывода (как это происходило при последовательном выполнении программ в системах ранней пакетной обработки), а переключался на другую готовую к выполнению программу. Наличие в ВС периферийных и специальных процессоров, расслоение ОЗУ на отдельные независимо работающие блоки, развитая система прерываний и широкие возможности ОС смогли обеспечить одновременную параллельную обработку нескольких программ: одной – на центральном процессоре, остальных – на периферийном процессоре.

В мультипрограммных системах пакетной обработки пользователь по-прежнему был лишен возможности интерактивно взаимодействовать со своими программами. Системы разделения времени, рассчитанные на многотерминальные системы, вернули пользователю ощущение непосредственного контакта с компьютером. Создавалась иллюзия единоличного владения машиной за счет периодического выделения каждой программе своей доли процессорного времени.

Суть режима разделения времени состоит в следующем. Каждой программе, находящейся в оперативной памяти и готовой к исполнению, выделяется для исполнения фиксированный, задаваемый в соответствии с приоритетом пользователя интервал времени (интервал мультиплексирования). Если программа не выполнена до конца за данный интервал, её исполнение принудительно прерывается, и программа переводится в конец очереди. Из начала очереди извлекается следующая программа, которая исполняется в течение соответствующего интервала мультиплексирования, затем поступает в конец очереди и т. д. в соответствии с циклическим алгоритмом. Если интервал мультиплексирования достаточно мал (приблизительно 200 мс), а средняя длина очереди готовых к исполнению программ невелика (около 10), то очередной квант времени выделяется программе каждые 2 с. В данных условиях ни один из пользователей почти не ощущает задержек, т. к. они сравнимы со временем реакции человека.

Одной из разновидностей режима разделения времени является фоновый режим, когда программа с более низким приоритетом работает на фоне программы с более высоким приоритетом.

Режим разделения времени был направлен на то, чтобы каждый из пользователей мог работать с ВС в диалоговом режиме с хорошей «реактивностью» (малым временем ответной реакции ВС). Для этого ВС снабжалась большим числом дисплейных терминалов. Этот режим использовался, например, при отладке задач, когда каждому пользователю на время работы отводился отдельный дисплейный терминал. Перед предоставлением ВС пользователю, все необходимые на данном этапе данные задачи вводились в ОЗУ и инициировалась работа программы пользователя, но время, отводимое пользователю, лимитировано. Через определенный интервал времени от таймера выдавалось прерывание, и система переходила к решению другой задачи. Обработку прерываний и обслуживание запросов пользователей выполняла ОС.

Машины 3-го поколения работали и в режиме реального времени. Режим реального времени – это такой режим организации вычислительного процесса, при котором ЭВМ управляет некоторым внешним процессом, обрабатывая данные и информацию, непосредственно поступающую от объекта управления. Этот режим встречается, в основном, в динамических системах управления, наблюдения, диагностики и позволял быстро получать результат (хотя и дорогой ценой). Всякая система реального времени на самом деле работает с некоторым запаздыванием, величина интервала времени запаздывания принимается такой, чтобы основной процесс обслуживаемой системы не успел существенно изменить значений характеризующих его параметров, поэтому правильнее назвать такой режим режимом псевдореального времени.

Реализация мультипрограммирования потребовала внесения очень серьезных изменений в аппаратуру компьютера, непосредственно направленных на поддержку нового метода организации вычислительного процесса. При разделении ресурсов компьютера между программами нужно обеспечивать быстрое переключение процессора с одной программы на другую, а также надёжно защищать коды и данные одной программы от преднамеренной или непреднамеренной порчи другой программой. В процессорах появляется пользовательский и привилегированный режимы работы, средства защиты областей памяти, специальные регистры для быстрого переключения одной программы на другую, а также развитая система прерываний.

В привилегированном режиме, предназначенном для работы программных модулей операционной системы, процессор мог выполнять все команды, в т. ч. и те из них, которые позволяли осуществлять распределение и защиту ресурсов компьютера. Программам, работающим в пользовательском режиме, некоторые команды процессора недоступны. Таким образом, только ОС могла управлять аппаратными средствами и исполнять роль монитора и арбитра для пользовательских программ.