Файл: История развития средств вычислительной техники ( Поколения ЭВМ ).pdf

Введение

Электронные вычислительные машины, пройдя долгий путь эволюционного развития, используются почти во всех сферах деятельности современного общества. Разнообразие технических характеристик и функциональных особенностей современных ЭВМ позволяет решать с их помощью широкий спектр задач — от бытового применения до управления войсками и оружием.

В настоящее время, в эпоху развития наукоемких производств и высоких технологий, экономическая и политическая успешность государства невозможна без создания сбалансированного парка ЭВМ.

Многообразие типов ЭВМ направлено на поддержание, развитие и распространение информационно-коммуникационных технологий. ЭВМ внедрены в контуры автоматизированного управления министерствами и ведомствами, предприятиями, образованием. Высоконадежные ЭВМ задействованы в управлении объектами повышенной опасности: атомными станциями, космическими аппаратами и т. д.

Целью работы является изучение истории развития средств вычислительной техники.

Для решения поставленной цели были поставлены следующие задачи:

- изучить периоды развития вычислительной техники;

- рассмотреть основные характерные различных периодов развития вычислительной техники;

- рассмотреть поколения ЭВМ;

- выявить основные особенности поколений ЭВМ.

Объектом работы является история развития средств вычислительной техники.

Предметом работы являются особенности развития вычислительной техники.

При подготовке работы были использованы такие информационные источники как специализированная профессиональная литература, материалы из СМИ, данные Интернет-ресурсов. Применены такие методы и приемы исследования как анализ, синтез, сравнение.

1. Периоды развития вычислительной техники

В истории развития вычислительной техники можно выделить четыре периода: домеханический, механический, электромеханический и электронный.

Домеханический период называют периодом абака. Принято считать, что он начался в древнейшие времена и продолжался до начала XVII в. [9, с. 45].

Абак (от греч. abах — доска) — доска, разделенная на полосы, где арифметические расчеты велись посредством передвижения из одной колонки в другую камешков, костей (как в русских счетах) (рис. 1).

Рисунок 1 - Абак

Механический период вычислительной техники — это время с начала XVII до конца XIX в., когда было создано много разнообразных машин: счетные машины (рис. 2), арифмометры (рис. 3), логарифмическая линейка (рис. 4).

Рисунок 2 – Механическая счетная машина

Рисунок 3 - Арифмометр

Рисунок 4 - Логарифмическая линейка

Наконец, в первой половине XIX в. англичанин Чарльз Беббидж (1792-1871 гг.) разработал конструкцию машины, достойной называться первым компьютером. Но он ее так и не построил [1, с. 117].

Полностью разностная машина Ч. Беббиджа была достроена только в наше время, в 1991 г., двумя инженерами — P. Қриком и Б. Холловеем — к 200-летию со дня рождения ее автора. Сегодня это действующий экспонат Лондонского научного музея (рис. 5). Машина состоит из 4000 деталей — без печатающего механизма, который не был достроен; весит около 3 тонн; имеет размеры 2,1х3,4х0,5 м выполнена из бронзы, стали и железа. При помощи поворота рукоятки она может вычислять разности 7 порядка.

Рисунок 5 – Разностная машина

Разностные вычислительные машины конца XVIII — начала XIX в. не имели и не могли иметь программ, управляющих их работой. В них с помощью хитроумных механизмов реализовывался алгоритм вычислений для составления различных таблиц, широко использовавшихся в астрономии, землемерном, страховом и банковском деле, мореплавании, строительстве, кораблестроении и других сферах деятельности человека [6, с. 129].

Электромеханический период характеризуется появлением счетно-аналитических машин. Первая такая машина была построена Г. Холлеритом (рис. 6). В 1890 г. в США она была применена при обработке материалов переписи населения. В этой машине впервые управление работой осуществлялось с помощью перфокарт.

Рисунок 6 - Табулятор Холлерита

Достижения электроники повлекли за собой переход к электронной вычислительной технике. Электронный период развития вычислительной техники продолжается и в настоящее время, однако сегодня ЭВМ выглядят совсем иначе, чем в его начале, — достаточно сравнить хотя бы элементную базу машин разных поколений [6, с. 131].

Понадобилось более ста лет, прежде чем принцип Ч. Беббиджа был реализован. За время своего существования ЭВМ сделали грандиозный скачок как в своем совершенствовании, так и в расширении области применения.

2. Поколения ЭВМ

2.1. Первое поколение ЭВМ

В качестве элементной базы машин первого поколения (50-е годы) использовались электронные лампы. Машины были громоздкими, потребляли много электроэнергии.

Режим работы – монопрограммный однопользовательский. Программист присутствовал при отладке и счете своей задачи, контролировал ее ход по световой индикации на пульте управления ЭВМ и мог по ходу вычислений переключать работу в однотактный ручной режим для контроля или внесения в программу изменений. Этот режим был очень удобен для программиста, так как машина всегда оставалась в его распоряжении, однако имел чрезвычайно низкий коэффициент использования оборудования [10, с. 35].

Способ обработки информации – последовательный. Алгоритм управления вычислительным процессом – неизменный (закладывался в аппаратуру при конструировании машины и неизменный впоследствии). Структурная схема ЭВМ 1-го поколения представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Структурная схема ЭВМ 1-го поколения

ОЗУ – оперативное запоминающее устройство, разделенное на отдельные ячейки, называемые адресом и пронумерованные от 0 до N. В каждой ячейке содержится одно слово. Машинное слово равным образом представляет и команду, и число. Команда – инструкция для выполнения одной операции в ЭВМ, записанная в числовой форме.

ЦУУ – центральное устройство управления. В него поступают команды. ЦУУ обрабатывает код очередной команды на специальном блоке, называемом дешифратором, и превращает КОП в серию управляющих импульсов, предназначенных для тех устройств, которые участвуют в данной операции. Например, в случае арифметической команды, управляющие импульсы будут направлены в АЛУ. Затем расшифровывается адресная часть команды, и управляющие импульсы посылаются в ОЗУ для выборки слов по соответствующим адресам [10, с. 37].

АЛУ – арифметико-логическое устройство, выполняющее, как минимум, арифметические и логические операции. Для выполнения машинной операции АЛУ должно быть настроено на ее выполнение. Операнды в АЛУ посылаются из ОЗУ, туда же записывается и результат операции.

ВЗУ – внешнее запоминающее устройство.

Область применения первых ЭВМ: научные расчеты.

Технология программирования: в машинных кодах, автокод (или ассемблер – упрощенное кодирование команд, предполагающее мнемонический КОП и нумерацию ячеек не по физическим адресам, а с опорой на буквенный базис: а+1, а+2 и т.д.).

ЭВМ поставлялись в вычислительные центры заводами-изготовителями в «голом» виде, без какого-либо вспомогательного программного обеспечения. Вопрос о программных средствах (software) решался просто: все операции, которые нужно было выполнить компьютеру для решения задачи, программисту приходилось полностью описывать в своей программе. Не было никакого системного программного обеспечения, кроме библиотек математических и служебных подпрограмм, которые программист мог использовать для того, чтобы не писать каждый раз коды, вычисляющие, например, значение какой-либо математической функции. Все задачи организации вычислительного процесса решались каждым программистом с пульта управления, который представлял собой устройство, состоящее из кнопок, переключателей и индикаторов [12, с. 141].

Машинами первого поколения были Стрела (рис. 8), БЭСМ-2 (рис. 9), М-2, М-3, Урал-1, Урал-2.

Рисунок 8 – ЭВМ «Стрела»

Рисунок 9 - БЭСМ-2

Заложенные в первых ЭВМ архитектурно-функциональные принципы на многие годы определили подходы к построению ЭВМ. Эти принципы известны также как принципы фон Неймана, потому что были изложены венгерским математиком Дж.фон Нейманом и его коллегами Г. Голдстайном и А. Берксом (в 1946г., в отчете «Предварительное обсуждение логического конструирования вычислительного устройства»).

Содержание принципов следующее [12, с. 143]:

- Программное управление работой ЭВМ – программы состоят из отдельных шагов – команд; команда осуществляет единичный акт преобразования информации; последовательность команд, необходимая для реализации алгоритма, является программой; все разновидности команд, использующиеся в конкретной ЭВМ, в совокупности являются языком машины или системой команд машины.

- Принцип условного перехода – возможность перехода в процессе вычислений на тот или иной участок программы в зависимости от промежуточных, получаемых в ходе вычислений результатов (обычно в зависимости от знака результата после завершения арифметической операции или от результатов выполнения логической операции).

- Принцип хранимой программы – команды представляются в числовой форме и хранятся в том же ОЗУ, что и исходные данные.

- Принцип использования двоичной системы счисления для представления информации в ЭВМ – существенно упростил конструкцию ЭВМ. Он расширил номенклатуру физических приборов и явлений, которые можно использовать при работе ЭВМ, так как цифры 0 и 1, имеющиеся в этой системе, могут изображаться положением любой двухстабильной системы (триод – в открытом или закрытом состоянии триггера, намагниченным или ненамагниченным участком ферромагнитной поверхности, отсутствием или наличием электрического импульса и т.д.).

- Принцип иерархичности запоминающих устройств (ЗУ). С самого начала развития ЭВМ существовало несоответствие между быстродействием АЛУ и ОЗУ. Выполнение ОЗУ на тех же элементах, что и АЛУ, удавалось это противоречие частично ликвидировать, но такое ОЗУ получалось слишком дорогим, значительно увеличивало количество радиоламп в ЭВМ, снижая в целом ее надежность. Иерархическое построение ЗУ позволяет иметь быстродействующее ЗУ – ОЗУ – сравнительно небольшой емкости только для команд и операндов, участвующих в счете в данный момент и в ближайшее время.

2.2. Второе поколение ЭВМ

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 [20, с. 221].

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 [20, с. 223].