Файл: История и перспективы развития средств вычислительной техники.pdf

Другим направлением создания вычислительных машин, который оказал влияние на ход событий, была группа машин специального назначения, построенных Конрадом. Их называли «Zuse», они были разработаны в Германии в конце 1930 - х и начале1940-х.

Именно машина «Zuse» впервые использовала запись числа с плавающей точкой. Фон Нейман узнав, о таком предложении, утверждал, что эта идея не имеет будущего. Его последняя машина была электромеханической, но, из-за войны, она так никогда и не была завершена.

Большое вклад в развитие вычислительной техники принадлежит Джону Атанасову, который построил мелкомасштабный электронный компьютер в начале 1940-х. Его машина, разработанная в Университете штата Айова, была специального назначения. Компьютер назвали ABC, что переводилось как, компьютер Атанасова Берри. К большому сожалению, он никогда не был полностью работоспособным. Экерт и Мокли посещал Атанасова, накануне создания ENIAC и позаимствовали некоторые из идей, например, использование двоичного представления чисел. Наличие машины Атанасова, задержало подачу патентов ENIAC, .т.к. работа была засекречена, и патенты не могли быть поданы до окончания войны. Публикации о EDVAC фон Неймана были использованы для того чтобы сломать «Eckert» –Патент Мокли. Хотя споры по-прежнему бушуют вокруг Атанасова и его роли в разработке и влиянии на Джона Преспера Экертом и Джоном Уильямом Мокли, именно Джона А. считают создателем первой универсальная электронной вычислительной машины. Именно он смог продемонстрировать несколько важных инноваций, включенных в более поздние компьютеры. Вклад Джона Атанасова в развитие вычислительной техники огромен.

Глава 2. Второе поколение компьютеров

Основной особенностью вычислительной техники второго поколения является использование транзисторов вместо электронных ламп, и широкое применение магнитных сердечников и барабанов в качестве устройств памяти. Следует отметить так же следующие тенденции этого периода:

• Создание компьютеров было очень дорогостоящим, людская рабочая сила намного дешевле;
• Более эффективное использование компьютера: перемещение человека подальше от машины.
• Появление первых прототипов операционных систем.
• Компьютер работает пакетами программ. Сначала загружается задание, происходит его запуск, а затем переход к следующему шагу. Если программа не удалась, содержимое памяти записывается и сохраняется.
• Использование оборудования стало более эффективным, но трудности при отладке программы увеличиваются.

Технологии этого периода отличаются тем, что:

• Используются каналы данных и прерывания
• Буферизация и обработка прерываний осуществляются ОС
• Катушка выполняет задания на более «высокой скорости», чем магнитные карты
• Большое количество возникающих трудностей
• Низкая продуктивность, компьютер может выполнять лишь одно задание за раз.
• Отсутствие защиты между различными работами.
• Выполнение даже коротких заданий занимает много времени, если, им предшествует более длинные задания.
• Модернизация оборудования, появляется защита памяти и перемещение в другое место
• Мультипрограммирование: многие пользователи могут совместно использовать систему.
• Возможность планирования: приоритет принадлежит окончанию малых задач.
• Первая ОС была представлена в 1963 году, а начала работать в 1968 году. ОС управляет взаимодействием между параллельными процессами.
• Разработана первая операционная система (ОС), предназначенная для семейства компьютеров;
• Разработка ОС были чрезвычайно сложный процесс.
• ОС были написаны на ассемблере.
• Отсутствие структурированного программирования.

Рассмотри подробнее второй этап развития вычислительной техники.

В декабре 1947 года Экерт и Мокли создали корпорацию «Eckert-Mauchly Computer». Их первая машина, BINAC, была построена для Northrop и продемонстрирована в августе 1949 года. После некоторых финансовых трудностей компьютерная корпорация Эккерта-Мокли была приобретена «Remington-Rand», позже названной «Sperry-Rand». Сперри-Рэнд смогла начать работу по созданию специализированного компьютерного подразделения под названием UNIVAC. UNIVAC поставила свой первый компьютер, UNIVAC I, в июне 1951 года. В последствии он был продан за $250 000 и был первым успешным коммерческим компьютером. Сегодня, эту раннюю модель, наряду со многими другими увлекательными компьютерными экспонатами, можно увидеть в Музее компьютерной истории в Маунтин-Вью, Калифорния. Выставки ранних вычислительных систем, находятся так же в Немецком музее в Мюнхене и Смитсоновском институте Вашингтона, Округ Колумбия, а также в многочисленных виртуальных онлайн-музеях.

IBM, которая ранее была в бизнесе перфокарты и автоматизации делопроизводства, не начинали строить компьютеры вплоть до 1950 года. Первый компьютер IBM –IBM 701, основанный на машине ИАС фон Неймана, был собран в 1952 году. Таких компьютеров было продано 19 единиц.

В начале 1950-х годов, многие люди пессимистично относились к будущему компьютеров, считая, что сфера использования и возможности этих "узкоспециализированных" машин были весьма ограничены. Тем не менее IBM быстро стала самой успешной компьютерной компанией.

Они сделали ставку на надежность и клиентоориентированность ,что в условиях рыночных отношений стало определяющими. Хотя IBM 701 и IBM 702 имели скромные успехи, последующие машины IBM 650, 704, и 705 (разработанные в 1954 и 1955 гг.) имели значительный успех. Каждый из них был продан в количестве от 132 до 1800 компьютеров.

На заре вычислительной техники, создатели ENIAC поставили перед собой цель достичь высоких показателей в производительности компьютера: быть в 1000 раз быстрее, чем Harvard Mark-I, а IBM Stretch (7030) должен был быть в 100 раз быстрее, чем самая быстрая машина в мире. Один лишь вопрос оставался открытым, как эту производительность измерить. Оглядываясь назад, можно утверждать, что каждое следующее поколение компьютеров и его методы оценки эффективности, очень быстро устаревает для последующих поколений.

Первоначально за показатель производительности принимали время выполнения отдельной операции, например, сложения. Поскольку для большинства моделей эта операция занимала одинаковое время выполнения, возникла необходимость в другом показателе. Перечень операций в моделях вычислительной техники постоянно увеличивался, а значит сравнение времени их выполнения становилось бесполезным. Чтобы учесть все различия, возникла идея расчёта измерения относительной частоты команд в компьютере. До появления общепринятых тестов производительности усреднённые оценки быстродействия компьютеров вычислялись на основе смеси инструкций. Наиболее известной является смесь Гибсона, полученная Джеком Гибсоном из корпорации IBM для научных программ. Для коммерческих программ были разработаны смеси, не включающие операции с плавающей запятой, например, смесь ADP. Умножение времени для каждой инструкции на ее вес дает пользователю среднее время выполнения команды. Поскольку наборы инструкций были похожи, это было самое точное сравнение.

Поскольку процессоры стали более сложными, активно использовалась иерархия памяти и буферезация. Таким образом, появились все условия для возникновения MIPS^[8] - набора команд и инструкций

Следующим шагом стало проведение бенчмаркинга для использования ядер и кристаллов при выполнении задач. В 1976 г. H. J. Curnow, Brian A. Wichmann. создали программу, которая написана с помощью языка программирования Алгол 60. Позднее он был преобразован в FORTRAN и широко использовался. В том же направлении в 1986 году с ядром компьютера работали исследователи Лаборатории Лоуренса Ливермора. Основной их задачей было установить эталон для суперкомпьютеров.

Как выяснилось, с помощью MIPS можно сравнивать архитектуры с разными наборами команд. Появилось понятие относительных MIPS. Когда VAX-11/780^[9] был готов к анонсу в 1977 году, DEC запускал небольшие тесты

на IBM 370/158. Компании IBM по маркетингу называют 370/158 качестве 1 MIPS компьютер, и, поскольку программы работали с той же скоростью, DEC marketing назвал VAX-11/780 A 1 MIPS компьютер. Рейтинг 1 MIPS не подвергался сомнению в течение 4 лет, пока Джоэл Эмер из DEC измерил VAX-11/780 под нагрузкой с разделением времени. К началу 1980-х годов термин MIPS почти повсеместно используется для обозначения относительных MIPS.[1,3,6]

Глава 3. Третье поколение вычислительной техники

В третьем поколении вычислительной техники впервые стали использоваться интегральные схемы – целые устройства и узлы из десятков и сотен транзисторов, выполненные на одном кристалле полупроводника. Этот период приходится на 1970-1980 г.г. В это время:

• Компьютеры и люди, умеющие с ними работать, стоят дорого
• Компьютерная помощь человеку становится более продуктивной.
• Интерактивный обмен временем: многие пользователи могут использовать одну и ту же машину одновременно.
• Активное использование терминалов (например, система авиакомпании)
• Желание пользователей держать данные в режиме онлайн, используя при этом разнообразные файловые системы.
• Попытки обеспечить разумное время на ответ, полученный с помощью компьютера.
• Предусмотрен один главный компьютер для поддержки “всех".
• Люди начинают покупать компьютеры
• Появляются понятия иерархическая файловая система, устройства, файлы
• Новая идея: появление новой портативной операционной системы
• Университеты получили программный код для экспериментов с компьютерами.
• Berkeley добавил поддержку виртуальной памяти для VAX.
• DARPA выбрало UNIX в качестве своей сетевой платформы (arpanet).
• UNIX становится коммерческой операционной системой.
• Внедряются важные идеи для популяризированные UNIX
• ОС написана на языке высокого уровня.

1970-е и 1980-е годы ознаменовали рост суперкомпьютерной промышленности, которая определялась высокой производительностью для программ, использующих запись чисел с плавающей запятой. Понятие среднего времени выполнения и MIPS стали явно неуместными показателями для компьютеров этого времени. Возникла потребность в новых интегументах измерения быстродействия компьютера. Им стал MFLOPS- внесистемная единица, используемая для измерения производительности компьютеров, показывающая сколько операций с плавающей запятой в секунду выполняет данная вычислительная система. Основной тенденцией этого периода является, то компьютеры стали покупаться обыкновенными людьми, маркетинговые группы вели войны в погоне за новым клиентом и для увеличения рейтинга гнались за пиковыми MFLOPS в войне суперкомпьютерной производительности. Так появилась SPEC- организация, главной целью которой было представление и оценка компьютерных систем. Она была основано в конце 1980-х годов, чтобы попытаться улучшить состояние компьютерной отрасли и разработать более обоснованную систему тестов для сравнения. Первоначально группа сосредоточилась на рабочих станциях и серверах Unix marketplace. Они остаются в центре внимания SPEC сегодня.

Первый выпуск спецификаций критериев, который называется SPEC89, стал существенным улучшением использования более реалистичных контрольных показателей. Аналогичными способами тестируются компьютеры и сегодня почти тестирует почти четыре десятилетия спустя.

В конце 1970-х и начале 1980-х годов люди поняли, что стоимость программного обеспечения растет быстрее, чем затраты на оборудование. В 1967 году Маккиман У. своей книге «Генератор компиляторов» писал о том, что компиляторы и операционные системы стали слишком большими и сложными, и на их разработку уходит слишком много времени.

Из-за плохих компиляторов и ограничений памяти компьютеров, большинство системных программ, в то время, еще писались на ассемблере. Много

исследователей в попытке смягчить кризис программного обеспечения, пытались разработать более мощные, программно-ориентированные архитектуры. В 1977 году Эндрю Таненбаум^[10] стал изучать свойства языка высокого уровня. Как и другие исследователи, он обнаружил, что большинство программ, написанные с помощью этого языка, сравнительно просты. Он утверждал, что архитектуры должны быть разработаны с учетом этого и что их следует оптимизировать для уменьшения размеров программы и простоты компиляции. Э. Таненбаум предложил стековый компьютер c частотно-кодированными форматами команд для их выполнения, однако, размер программы напрямую не воздействовал на затраты производительности, и стек компьютеров исчез вскоре после своего возникновения.

В 1978 году активно обсуждался вопрос разработки других архитектур. Так в DEC создали VAX- Virtual Address eXtension. Новая 32-битная архитектура была разработана, чтобы упростить компиляцию языков высокого уровня. VAX была конструирована для того, чтобы оптимизировать размер кода, ведь скомпилированные программы были часто слишком большими для запоминания. VAX-11/780 был первым компьютером, анонсированным в серии VAX. Это один из самых успешных и наиболее изученных когда-либо созданных компьютеров.

Краеугольным камнем стратегии DEC была единая архитектура VAX, работающая под управлением единой операционной системы VMS. Эта стратегия хорошо работала более 10 лет. Большое количество документов, позволяющих использовать его для различных операционных систем, измерения, реализации и анализ сделали VAX его идеальным решением того времени.