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

• Принцип программного управления.[6]

Любые вычисления, которые предусмотрены алгоритмом для решения разных задач, должны представляться как программа, что состоит из некоторой последовательности специальных слов – команд. Каждая команда предписывает некоторую операцию, реализуемую конкретной вычислительной машиной. [11]

Все команды каждой программы хранятся в нескольких соседних ячейках рассматриваемой вычислительной машины, а также реализуются в естественную последовательность, именно в порядке расположения их в программе.

• Принципы двоичного кодирования.

Отметим, что согласно такому принципу, все имеющиеся данные и команды, могут кодироваться специальными двоичными цифрами «1» и «0». Каждый тип данных может представляться двоичной последовательностью, и также иметь свой формат.

Все последовательности битов в форматах, которые имеют определенный программный смысл, называется полем. [10]

Для числовых данных выделяют обычно знаковое поле с полем значащих разрядов.

В типах команд в самом простейшем случае выделяют 2 такие поля:

– поле кода;

– поле адреса.

Н. Винер, работая с фон Нейманом вместе, обратил внимание на то, что происходящие процессы, которые управляются сложной системой, аналогичны некоторым процессам с нейрофизиологии, которая изучает деятельность живых существ.

Соблюдение работоспособности таких систем часто может достигаться за счет специальной обратной связи, которая позволяет отследить и скорректировать уже начатое действие.

Существование обратной связи позволяет рассматривать сложные системы самой разной природы - физической, социальной, биологической - с одной и той же точки зрения. [1]

Таким образом, появилась новая наука – кибернетика. В 1948 г. вышла книга Винера "Кибернетика или Управление связью в живом мире с помощью машин". Сам термин "кибернетика" с греческого обозначает искусство по управлению кораблем.

После этого начали развиваться ЭВМ, которыми пользовались даже до конца XX века. Подробнее они будут рассмотрены в разделе 2 данного реферата.

2. Поколения ЭВМ, их характеристики

2.1. Первое поколение ЭВМ

Развитие вычислительной техники на современном периоде принято различать с точки зрения изменения поколений компьютеров. Каждое из поколений компьютеров в начальный свой момент развития характеризуется скачком в росте главных характеристик компьютера, которые вызваны обычно переходом на принципиально новую элементную базу, относительной стабильностью логических и архитектурных решений.[8]

Разбиение поколений персональных компьютеров по годам очень условно. В это время, как началось активное применение компьютеров одного поколения, были созданы посылки для появления следующего.

Таблица 1. Хронология поколений ЭВМ

С началом 2-й мировой войны правительства стран начали разрабатывать специальные вычислительные машины, осознавая стратегическую их роль во ведении войны.

Увеличение для этого финансирования очень стимулировало развитие вычислительной и компьютерной техники. В 1940-е годы неменцкие ученые и инженеры создали принципы построения электронных вычислительных машин на базе уже работавших табуляторов Холлерита, механических арифмометров.

Основными характеристиками были:

– элементная база – электронные лампы;

– быстродействие – 10-20 тыс. операций в секунду;

– объем ОЗУ – 2 Кбайта;

– устройства ввода-вывода – перфокарты;

– программное обеспечение – машинные коды.

Например, в 1940 г. была запущена первая электронная вычислительная машина под названием Z1, созданная инженером Конрадом Цузе, а в следующем году - значительно усовершенствованная Z2, выполнявшая расчеты, нужные при проектировании самолетов, баллистических ракет Брауна, а также пользовавшаяся для вычисления массы ядерной реакции для распада смеси урана 235 и 238, обогащением которой занималась немецкая промышленность (рисунок 9). [12]

Рис. 9. Вычислительная машина Z2

В 1946 году ученые Дж. Мокли и Дж. Преспер сконструировали электронный вычислительный калькулятор и интегратор (ЭНИАК) - компьютер, где электромеханические реле заменены на электронные лампы.

Рис. 10. Машина ЭНИАК

Применение ламп позволило увеличивать скорость работы ЭНИАК почти в 1000 раз (рисунок 10).

Ранние вычислительные машины выполняли только команды, поступающие поочередно. Хотя применение перфокарт позволяло упростить ввод команд.

2.2. Второе поколение ЭВМ

Электронные вакуумные лампы вырабатывали большое количество тепла и поглощали много электрической энергии, также были громоздкими, ненадежными и дорогими.

В 1948 году сотрудники компании "Белл" У. Шокли, Д. Бардин изобрели транзистор. Транзистор выполнял те же функции, которые и электронные лампы, но применяли электрические свойства полупроводников (рисунок 11).

Они занимали меньше места в 200 раз и в 100 раз меньше потребляли электроэнергии. В это же время появляются новейшие устройства для организации компьютеров – ферритовые сердечники.

Рис. 11. Компьютер БЭСМ-6

Основные характеристики:

– элементная база – транзисторы;

– быстродействие – 100-1000 тысяч операций в секунду;

– объем ОП – 2 - 32 Кбайта;

– устройства ввода-вывода – магнитные ленты;

– программное обеспечение – алгоритмические языки.

Стоит отметить, что на этом этапе главной задачей технологии программирования являлось обеспечение экономии разных машинных ресурсов (как машинного времени, так и памяти).

Для ее решения создают операционные системы (или комплексы служебных программ, которые обеспечивают лучшее распределение ресурсов ПК при выполеннии пользовательских задач).

2.3. Третье поколение ЭВМ

Инженер компании Texas Дж. Килби предложил идею использования интегральной микросхемы – кремниевого камня, на который монтируются транзисторы и иные элементы. В этом же году он представил первый образец микросхемы, содержащий 5 транзисторных элементов на одном кристалле германия.

Год спустя Нойс разработал первую интегральную микросхему на базе кристалла кремния.

Далее Р. Нойс основал компанию "Intel" по производству интегральных микросхем.

В последствии в 1963 году компания IBM произвела компьютер 1MB 360, построенный на базе интегральных микросхем. [3]

Основные характеристики ЭВМ того времени:

– элементная база – интегральная схема;

– быстродействие – до 10 млн. операций в секунду;

– объем ОП – 64 Кбайта;

– устройства ввода-вывода – многотерминальные системы;

– программное обеспечение – операционные системы.

Организации, купившие мини-ЭВМ для проектирования контроллеров, быстро поняли, что с помощью этих машин можно решать также и вычислительные задачи, то есть традиционные задачи для больших ЭВМ. Простота в обслуживании мини-ЭВМ, сравнительно низкая стоимость, малые габариты позволяли снабжать этими машинами небольшие группы исследователей, экспериментаторов и обучающихся, то есть дать их в руки пользователей.

В середине 70-х годов с понятием мини-ЭВМ связывались уже два различных типа средств по вычислительной технике:

– универсальный блок по обработки данных, выдачи управляющих сигналов, что был серийно выпускаемый для использования в различных системах управления;

– универсальная ЭВМ небольших габаритов для решение ограниченного числа задач в рамках лаборатории, технологического участка, то есть задач, при решении которых были заинтересованными до 20 человек, которые работали над одной и той же проблемой.

2.4. Четвертое поколение ЭВМ

В 1975 году председатель компании "Intel" Гордон Мур предположил, что число элементов на интегральных схемах должно удваиваться в каждые 18 месяцев.

Это правило далее известное как закон, применено к скорости работы микропроцессоров и не нарушалось до сих пор.

В 1969 году "Intel" выпустила важное для развития вычислительной техники устройство - микропроцессор. Он представляет собой интегральную схему, на которой размещалось обрабатывающее устройство с системой команд.

Конструкция микропроцессора позволяла применять его для решений широкого круга задач, при этом создавая различные функциональные устройства.

В 1971 г. изготовлена большая интегральная схема, в которой полностью помещался процессор ЭВМ обычной архитектуры. Стали реальными возможности размещения в одной схеме (на одном кристалле) всех электронных устройств легких по архитектуре ЭВМ, то есть возможность серийного выпуска несложных ЭВМ. Появились дешевые и управляющие устройства, которые построены на одной и нескольких БИС и содержащих процессор, системы связи с датчиками и выполняющими органами в объекте управления.

Характерные свойства ЭВМ:

– Мультипроцессорность.

– Языки высокого уровня.

– Параллельно-последовательная обработка.

– Появляются первые сети ЭВМ.

Основные характеристики ЭВМ того времени:

– элементная база – большая интегральная схема;

– быстродействие – до 100 млн. операций в секунду;

– объем ОП – 64 Мбайта;

– устройства ввода-вывода – сети ПЭВМ;

– программное обеспечение – базы и банки данных.

Программы управления над подачей топлива в автомобиль, движением электронной игрушки, заданным режимом стирки вводились в память ПЭВМ либо при проектировании подобного контроллера, или непосредственно на предприятиях, что выпускают игрушки, автомобили, стиральные машины и прочее.

2.5. Пятое поколение ЭВМ

Кратко главную концепцию ЭВМ 5-го поколения можно описать следующим образом:

Компьютеры на микропроцессорах с использованием параллельно-векторной структуры, одновременно выполняющие десятки последовательных программ.

Компьютеры с многими тысячами параллельно работающих процессоров, которые позволяли строить системы для обработки данных и знаний.

В этот период есть две диаметрально противоположных направления: персонификация ресурсов, а также коллективизация ресурсов (коллективный доступ в сети).

Благодаря разным операционным системам, обеспечивающей простоту в общении с этой ЭВМ, огромной библиотеке прикладных программ для разных отраслей человеческой деятельности, малой стоимости ЭВМ становится нужной принадлежностью инженера, экономиста, врача, агронома, исследователя, преподавателя, редактора и даже ребенка.

Основные характеристики ЭВМ того времени:

– элементная база – сверхбольшие интегральные схемы;

– быстродействие – более 100 млн. операций в секунду;

– устройства ввода-вывода – глобальные сети;

– программное обеспечение – интерактивное ПО.

2.6. Понятие процессора

Процессор - это основная микросхема ПК, его "мозг". Он может разрешить выполнять программный код, который находится в памяти и может руководить работой всех устройств ПК (рис.12).

Чем выше быстрота работы процессора, тем более увеличивается быстродействие компьютера. [7]

Рис.12. Процессор

Сам процессор имеет ячейки, которые называют регистрами. Именно в таких регистрах помещаются все команды, которые могут выполнятся процессорами, а также данные, что оперируются командами. Работа процессора состоит в том, чтобы выбрать из памяти в нужной последовательности данных и команд и их выполнить. На этом и основывается выполнение программных продуктов.

Рассмотрим параметры, которые отличают процессоры между собой:

– тактовая частота;

– рабочее напряжение;

– коэффициент внутреннего умножения;

– разрядность;

– размер кэш-памяти.

Центральный процессор или центральное процессорное устройство – это процессор машинных инструкций, а именно часть аппаратного обеспечения ПК или программируемого логического контроллера, которая отвечает за выполнение главной доли работ по обработке данных - вычислительный процесс.[3]

На рынке процессоров популярными являются Intel Pentium, их эконом-версия Celeron, AMD Athlon с экономным вариантом Duron.