Файл: Ручной этап развития средств вычислительной техники.pdf
Добавлен: 25.04.2023
Просмотров: 824
Скачиваний: 2
4. Этап электронно-вычислительных машин.
Историю развития вычислительной техники, исходя из этапов создания и используемой элементной базы ЭВМ, условно делят на так называемые поколения:
Первое поколение (1946-1958 годы): ЭВМ на электронных вакуумных лампах. Время становления машин с фон-неймановской архитектурой (Джон фон Нейман), основанный на записывании программы и ее данных в память вычислительной машины. Машины этого поколения работали на ламповой элементной базе, из-за чего поглощали огромное количество энергии, и были очень ненадежны. С их помощью, в основном, решались научные задачи. Программы для этих машин уже можно было составлять не на машинном языке, а на языке ассемблера.
Второе поколение (1958-1964 годы): ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах). Смену поколений определило появление новой элементной базы: вместо громоздкой лампы в ЭВМ стали применяться миниатюрные транзисторы, линии задержки как элементы оперативной памяти сменила память на магнитных сердечниках. Это в конечном итоге привело к уменьшению габаритов, повышению надежности и производительности ЭВМ. Важное новшество – это появление процессоров ввода-вывода. Эти специализированные процессоры позволили освободить центральный процессор от управления вводом-выводом и осуществлять ввод-вывод с помощью специализированного устройства одновременно с процессом вычислений. Для эффективного управления ресурсами машины стали использоваться операционные системы.
Третье поколение (1964-1972 годы): ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни - тысячи транзисторов в одном корпусе). Смена поколений вновь была обусловлена обновлением элементной базы: вместо транзисторов в различных узлах ЭВМ стали использоваться интегральные микросхемы различной степени интеграции. Микросхемы позволили разместить десятки элементов на пластине размером в несколько сантиметров. Это, в свою очередь, не только повысило производительность ЭВМ, но и снизило их габариты и стоимость. Увеличение мощности ЭВМ сделало возможным одновременное выполнение нескольких программ на одной машине. Наблюдается тенденция к созданию семейств ЭВМ, то есть машины становятся совместимы снизу вверх на программно-аппаратном уровне.
Четвертое поколение (1970-1984 годы): ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах - микропроцессорах (десятки тысяч - миллионы транзисторов в одном). Очередная смена элементной базы привела к смене поколений. В 70-е годы активно ведутся работы по созданию больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС), которые позволили разместить на одном кристалле десятки тысяч элементов. Это повлекло дальнейшее существенное снижение размеров и стоимости ЭВМ. В начале 70-х годов фирмой Intel был выпущен микропроцессор i4004 и если до этого в мире вычислительной техники были только три направления (супер - ЭВМ, большие ЭВМ (мэйнфреймы) и мини - ЭВМ), то теперь к ним прибавилось еще одно – микропроцессорное.
Пятое поколение (90-е годы): ЭВМ с многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы;
Шестое поколение (по настоящее время): оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейтронной структурой - с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейтронных биологических систем.
Каждое следующее поколение ЭВМ имеет по сравнению с предыдущими существенно лучшие характеристики. Так, производительность ЭВМ и емкость всех запоминающих устройств увеличивается, как правило, больше чем на порядок.
4.1. Первое поколение ЭВМ (1946 - 1958)
С начала сороковых годов прошлого века группа специалистов под руководством Говарда Эйкена, Дж. Моучли и П. Эккерта в США начала конструировать вычислительную машину на основе электронных ламп, а не на электромагнитных реле. Эта машина была названа ENIAC (Electronic Numeral Integrator And Computer) и работала она в тысячу раз быстрее, чем «Марк-1». ENIAC содержал 18 тысяч вакуумных ламп, занимал площадь 915× метров, весил 30 тонн и потреблял мощность 150 киловатт. ENIAC имел и существенный недостаток – управление им осуществлялось с помощью коммутационной панели, у него отсутствовала память, и для того чтобы задать программу приходилось в течение нескольких часов или даже дней подсоединять нужным образом провода. Худшим из всех недостатков была ужасающая ненадежность компьютера, так как за день работы успевало выйти из строя около десятка вакуумных ламп.
Чтобы упростить процесс задания программ, Моучли и Эккерт стали конструировать новую машину, которая могла бы хранить программу в своей памяти. В 1945 году к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман, который подготовил доклад об этой машине. В этом докладе фон Нейман ясно и просто сформулировал общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств, т.е. компьютеров. Это первая действующая машина, построенная на вакуумных лампах, официально была введена в эксплуатацию 15 февраля 1946 года. Эту машину пытались использовать для решения некоторых задач, подготовленных фон Нейманом и связанных с проектом атомной бомбы. Затем она была перевезена на Абердинский полигон, где работала до 1955 года.
ENIAC стал первым представителем 1-го поколения компьютеров. Любая классификация условна, но большинство специалистов согласилось с тем, что различать поколения следует исходя из той элементной базы, на основе которой строятся машины. Таким образом, первое поколение представляется ламповыми машинами.
Устройство и работа компьютера по «принципу фон Неймана».
Необходимо отметить огромную роль американского математика фон Неймана в становлении техники первого поколения. Нужно было осмыслить сильные и слабые стороны ENIAC и дать рекомендации для последующих разработок. В отчете фон Неймана и его коллег Г. Голдстайна и А.Беркса (июнь 1946 года) были четко сформулированы требования к структуре компьютеров. Отметим важнейшие из них:
- машины на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления;
- программа, как и исходные данные, должна размещаться в памяти машины;
- программа, как и числа, должна записываться в двоичном коде;
- трудности физической реализации запоминающего устройства, быстродействие которого соответствует скорости работы логических схем, требуют иерархической организации памяти (то есть выделения оперативной, промежуточной и долговременной памяти);
- арифметическое устройство (процессор) конструируется на основе схем, выполняющих операцию сложения; создание специальных устройств для выполнения других арифметических и иных операций нецелесообразно;
- в машине используется параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над числами производятся одновременно по всем разрядам).
Практически все рекомендации фон Неймана впоследствии использовались в машинах первых трех поколений, их совокупность получила название «архитектура фон Неймана». Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 году английским исследователем Морисом Уилксом. С той поры компьютеры стали гораздо более мощными, но подавляющее большинство из них сделано в соответствии с теми принципами, которые изложил в своем докладе в 1945 года Джон фон Нейман.
Новые машины первого поколения сменяли друг друга довольно быстро. В 1951 году заработала первая советская электронная вычислительная машина МЭСМ, площадью около 50 квадратных метров. МЭСМ имела 2 вида памяти: оперативное запоминающее устройство, в виде 4 панелей высотой в 3 метра и шириной 1 метр; и долговременная память в виде магнитного барабана объемом 5000 чисел. Всего в МЭСМ было 6000 электронных ламп, а работать с ними можно было только после 1,5-2 часов после включения машины. Ввод данных осуществлялся с помощью магнитной ленты, а вывод – цифропечатающим устройством, сопряженным с памятью. МЭСМ могла выполнять 50 математических операций в секунду, запоминать в оперативной памяти 31 число и 63 команды (всего было 12 различных команд), и потребляла мощность равную 25 киловаттам.
В 1952 году на свет появилась американская машина EDWAC. Стоит также отметить построенный ранее, в 1949 году, английский компьютер EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator) – первую машину с хранимой программой. В 1952 году советские конструкторы ввели в эксплуатацию БЭСМ – самую быстродействующую машину в Европе, а в следующем году в СССР начала работать «Стрела» – первая в Европе серийная машина высокого класса. Среди создателей отечественных машин в первую очередь следует назвать имена С.А. Лебедева, Б.Я. Базилевского, И.С. Брука, Б.И. Рамеева, В.А. Мельникова, М.А. Карцева, А.Н. Мямлина. В 50-х годах появились и другие ЭВМ: «Урал», М-2, М-3, БЭСМ 2, «Минск 1», которые воплощали в себе все более прогрессивные инженерные решения.
Возможности машин первого поколения были достаточно скромны. Так, быстродействие их по нынешним понятиям было малым: от 100 («Урал-1») до 20 000 операций в секунду (М-20 в 1959 году). Эти цифры определялись в первую очередь инерционностью вакуумных ламп и несовершенством запоминающих устройств. Объем оперативной памяти был крайне мал – в среднем 2 048 чисел (слов), этого не хватало даже для размещения сложных программ, не говоря уже о данных. Промежуточная память организовывалась на громоздких и тихоходных магнитных барабанах сравнительно небольшой емкости (5 120 слов у БЭСМ-1). Медленно работали и печатающие устройства, а также блоки ввода данных. Если же остановиться подробнее на устройствах ввода-вывода, то можно сказать, что с начала появления первых компьютеров выявилось противоречие между высоким быстродействием центральных устройств и низкой скоростью работы внешних устройств. Кроме того, выявилось несовершенство и неудобство этих устройств. Первым носителем данных в компьютерах, как известно, была перфокарта. Затем появились перфорационные бумажные ленты или просто перфоленты. Они пришли из телеграфной техники после того, как в начале XIX в. отец и сын из Чикаго Чарлз и Говард Крамы изобрели телетайп.
ЭВМ первого поколения, эти жесткие и тихоходные вычислители, были пионерами компьютерной техники. Они довольно быстро сошли со сцены, так как не нашли широкого коммерческого применения из-за ненадежности, высокой стоимости, трудности программирования.
4.2. Второе поколение ЭВМ (1958 - 1964)
Элементной базой второго поколения стали полупроводники. Без сомнения, транзисторы можно считать одним из наиболее впечатляющих чудес XX века.
Патент на открытие транзистора был выдан в 1948 году американцам Д. Бардину и У. Браттейну, а через восемь лет они вместе с теоретиком В. Шокли стали лауреатами Нобелевской премии. Скорости переключения уже первых транзисторных элементов оказались в сотни раз выше, чем ламповых, надежность и экономичность – тоже. Впервые стала широко применяться память на ферритовых сердечниках и тонких магнитных пленках, были опробованы индуктивные элементы – параметроны.
Первая бортовая ЭВМ для установки на межконтинентальной ракете – «Атлас» – была введена в эксплуатацию в США в 1955 году. В машине использовалось 20 тысяч транзисторов и диодов, она потребляла 4 киловатта. В 1961 году наземные компьютеры «Стретч» фирмы «Бэрроуз» управляли космическими полетами ракет «Атлас», а машины фирмы IBM контролировали полет астронавта Гордона Купера. Под контролем ЭВМ проходили полеты беспилотных кораблей типа «Рейнджер» к Луне в 1964 году, а также корабля «Маринер» к Марсу. Аналогичные функции выполняли и советские компьютеры.
В 1956 г. фирмой IBM были разработаны плавающие магнитные головки на воздушной подушке. Изобретение их позволило создать новый тип памяти – дисковые запоминающие устройства, значимость которых была в полной мере оценена в последующие десятилетия развития вычислительной техники. Первые запоминающие устройства на дисках появились в машинах IBM-305 и RAMAC. Последняя имела пакет, состоявший из 50 металлических дисков с магнитным покрытием, которые вращались со скоростью 12000 об/мин. НА поверхности диска размещалось 100 дорожек для записи данных, по 10000 знаков каждая.
4.3. Третье поколение ЭВМ (1964 - 1972)
Логические схемы ЭВМ 3-го поколения уже полностью строились на малых интегральных схемах. Тактовые частоты работы электронных схем повысились до единиц мегагерц. Снизились напряжения питания (единицы вольт) и потребляемая машиной мощность. Существенно повысились надежность и быстродействие ЭВМ.
В оперативных запоминающих устройствах использовались миниатюрнее ферритовые сердечники, ферритовые пластины и магнитные пленки с прямоугольной петлей гистерезиса. В качестве внешних запоминающих устройств широко стали использоваться дисковые накопители.
Появились еще два уровня запоминающих устройств: сверхоперативные запоминающие устройства на триггерных регистрах, имеющие огромное быстродействие, но небольшую емкость (десятки чисел), и быстродействующая кэш-память.
Начиная с момента широкого использования интегральных схем в компьютерах, технологический прогресс в вычислительных машинах можно наблюдать, используя широко известный закон Мура. Один из основателей компании Intel Гордон Мур в 1965 году открыл закон, согласно которому количество транзисторов в одной микросхеме удваивается через каждые 1,5 года.
Ввиду существенного усложнения как аппаратной, так и логической структуры ЭВМ 3-го поколения часто стали называть системами.
В вычислительных машинах третьего поколения значительное внимание уделяется уменьшению трудоемкости программирования, эффективности исполнения программ в машинах и улучшению общения оператора с машиной. Это обеспечивается мощными операционными системами, развитой системой автоматизации программирования, эффективными системами прерывания программ, режимами работы с разделением машинного времени, режимами работы в реальном времени, мультипрограммными режимами работы и новыми интерактивными режимами общения. Появилось и эффективное видеотерминальное устройство общения оператора с машиной - видеомонитор, или дисплей.