Файл: История развития средств вычислительной техники..pdf

В 1944 г. Говард Эйкен спроектировал вычислительную машину, которую назвали Mark-1 (рис. 3). Она работала на реле и оперировала с данными в десятичной форме. Из-за большого удельного веса механических частей эти машины были обречены. Нужно было искать новую, более технологичную элементную базу. И тогда вспомнили об изобретении Ли де Фореста (1873–1961), который в 1906 г. создал трехэлектродную вакуумную лампу, названную триодом. В силу своих функциональных свойств она стала наиболее естественной заменой реле.

Рисунок 3 - Mark 1 в музее Гарварда

В 1946 г. в США, в университете города Пенсильвания, была создана первая универсальная ЭВМ – ENIAC. ЭВМ ENIAC содержала 18 тыс. ламп, весила 27 т, занимала площадь около 200 м² и потребляла мощность 174 кВт. В ней все еще использовались десятичные операции, и программирование осуществлялось путем коммутации разъемов и установки переключателей (рис. 4) [10, с. 141].

С проектом ENIAC связано имя еще одной ключевой фигуры в истории вычислительной техники – математика Джона фон Неймана. Именно он впервые предложил записывать программу и ее данные в память машины так, чтобы их можно было при необходимости модифицировать в процессе работы. Этот ключевой принцип был использован в дальнейшем при создании существенно новой ЭВМ EDVAC (1951 г.). В этой машине уже применяется двоичная арифметика и используется оперативная память, построенная на ультразвуковых ртутных линиях задержки. Память могла хранить 1024 слова. Каждое слово состояло из 44 двоичных разрядов (рис. 5).

Рисунок 4 - ENIAC

Рисунок 5 - Джон фон Нейман на фоне компьютера EDVAC

Также невозможно с точностью установить, кто именно предложил хранить в общей памяти программы и данные. В неявной форме эта идея обнаруживается в работе Цузе, датируемой 1939 г.

В 1943 г. будущие авторы ENIAC Джон Мочли и Преспер Эккерт высказали ту же самую мысль на семинарах в Пенсильванском университете. Но широкую известность она получила благодаря публикации Джоном фон Нейманом отчета «First Draft of a Report on the EDVAC», датируемого июнем 1945 г. В этом труде в деталях изложена архитектура машины, к строительству которой еще не приступали, причем к авторству которой один из величайших математиков XX в. никакого отношения не имел. С тех пор и поныне практически все компьютеры строятся по «фон-неймановской» архитектуре [10, с. 143].

Сегодня имя Джона фон Неймана все чаще вспоминают в связи с существенным изъяном архитектуры этого типа. Единственный канал, связывающий процессор и память, служащий для выборки команд из памяти и для работы с данными, является ее узким местом. С годами эта проблема только обостряется, поскольку производительность процессоров растет намного быстрее, чем скорость работы памяти. Для преодоления этого недостатка традиционно используются различного рода технологии кэширования, а в самое последнее время с той же целью начали конструировать многоядерные процессоры. Но это не единственный дефект «фон-неймановской» архитектуры. Совмещение в памяти программ и данных позволяет неверно спроектированным программам разрушать другие программы или даже операционные системы.

Но в те годы была и альтернатива «фон-неймановской» архитектуре, которая называлась «гарвардской». Ее предложил Говард Айкен в своих машинах Mark III и Mark IV. Эта архитектура отличается тем, что данные и программы хранятся в разных частях памяти, каждая из которых имеет собственный канал к процессору.

Создатели Colossus независимо от Айкена также реализовали «гарвардскую» схему; в этом компьютере данные вводились в память, а программа считывалась со специально сконструированного устройства на базе перфолент. Об эффективности разделения данных и программ говорит следующий факт. Когда в 1990-х гг. при реставрации Colossus попытались моделировать его работу на ПК, оказалось, что при решении определенного класса задач это в общем-то примитивное устройство по производительности можно сравнить с процессором Intel 386. Сегодня по «гарвардской» схеме строятся различные микроконтроллеры, высокоскоростные DSP-процессоры.

Между тем Джон фон Нейман и его ближайшие соратники в конце 1946 г. перешли на работу в Институт перспективных исследований (Institute for Advanced Study, IAS), написали и опубликовали колоссальный по объему труд «Предварительные исследования по логическому проектированию электронных счетных инструментов».

Описанная архитектура получила название «принстонской», или IAS. Таким образом, было положено начало тому, что сегодня именуется Open Source. Если учесть, что компьютеры в ту пору строились из радиодеталей, то для многих университетов открывалась возможность создавать их собственными силами. По архитектуре IAS было построено почти два десятка машин; наиболее известны JOHNNIAC (корпорация Rand), ILLIAC I (Университет штата Иллинойс), MANIAC I (Национальная лаборатория в Лос-Аламосе). Строили такие машины в Швеции (BESK, Стокгольмский университет) и в Израиле (WEIZAC, Институт Вейцмана).

Архитектура систем первого поколения

В данный период формируется типовой набор структурных элементов, входящих в состав ЭВМ. К этому времени у разработчиков уже сложилось примерно одинаковое представление о том, из каких элементов должна состоять типичная ЭВМ [8, с. 39].

Структура ЭВМ или вычислительной системы (ВС) определяется ее назначением. В зависимости от этого вычислительные машины могут быть разделены на универсальные и специализированные.

Аппарат алгебры логики положен в основу анализа и проектирования логических схем большинства ЭВМ и ВС. Логические схемы состоят из наборов соответствующих им логических элементов, осуществляющих логические операции. Набор логических операций, осуществляемых элементами, должен быть функционально полным [8, с. 41].

Анализ логической схемы, т.е. выяснение того, какие двоичные (логические) сигналы появятся на выходах этой схемы после подачи определенных входных двоичных сигналов, сводится к представлению серии логических выражений и необходимых вычислений.

Практически все электронные логические элементы, применяемые в вычислительной технике первого поколения, были заимствованы из отечественных радиотехнических систем и их электронного оборудования. Исключение составляла лишь аппаратура запоминающих устройств, которая использовала специально разработанные для этого магнитные ферритовые сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса.

Архитектура ЭВМ – логическая организация (структурно- функциональное построение) вычислительной машины, состав и на- значение ее функциональных систем и средств. Архитектура этих машин была основана на принципах кодирования и вычислений, что однозначно определяет сам вычислительный процесс обработки информации, процесс с целью обработки данных.

Вычислительные системы первых поколений построены на следующих принципах («фон неймановская» архитектура):

- вся информация кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы информации, называемые словами;

- разнотипные слова информации размещаются в одной и той же памяти и различаются по способу использования;

- слова информации размещаются в ячейках памяти машины и идентифицируются номерами ячеек, называемыми адресами слов;

- алгоритм решения любой задачи представляется в виде последовательности слов, называемых командами, которые определяют наименование операции и слова, участвующие в операции. Алгоритм, представленный в виде машинных команд, называется программой;

- выполнение операций обработки информации, однозначно предписанных алгоритмов, сводится к последовательному выполнению команд в порядке, однозначно определяемом программой.

Независимо от характера их использования общая структура ЭВМ первого поколения состояла из следующих основных блоков (рис. 6, 7):

- устройство управления (УУ),

- арифметическое устройство (АУ),

- запоминающее устройство (ЗУ),

- внешние устройства (ВУ) - устройства ввода/вывода данных.

Основной частью первых ЭВМ для числовой обработки данных является процессор, состоящий из двух электронных устройств: арифметического устройства (АУ) и устройства управления (УУ), которое в своей работе руководствуется командами программы, читаемой из памяти долговременного запоминающего устройства (ДЗУ) [15, с. 217].

Рисунок 6 - Общая структурная схема ЭВМ первых поколений

Рисунок 7 - Обобщенная структура отечественной ЭВМ БЭСМ-1

Память состоит из множества ячеек, каждая из которых служит для хранения одного машинного слова (под словом понимается число или команда). Количество ячеек ДЗУ определяет ее основную характеристику – емкость памяти ДЗУ. За ячейками закреплены определенные номера, выполняющие роль адреса в ДЗУ для записи или чтения данных при работе ЭВМ [15, с. 219].

Команды из памяти в устройство УУ поступают непосредственно, а данными для обработки и результатами выполнения операции память ДЗУ может обмениваться с АУ (см. рис. 6, 7).

Для выполнения различных арифметических и логических операций, а также определенных операций, связанных с управлением ЭВМ, возникает необходимость хранить определенный код числа в течение некоторого времени, осуществлять его «сдвиг» влево или вправо, а также производить подсчет количества импульсов из генератора, выбирать заданные комбинации кодов и т.д. Такие виды операции в ЭВМ выполняются с помощью соответствующей архитектуры из электронных схем регистров.

Регистром называется устройство, которое может хранить цифровой код сколь угодно долгое время до прихода нового кода.

Таким образом, регистр является устройством запоминания и хранения информации. Если код числа имеет n разрядов, то регистр, предназначенный для его хранения, должен состоять из n одноразрядных запоминающих элементов (триггеров).

Устройства АУ в ЭВМ предназначены для выполнения арифметических и логических операций над числами и командами. В состав АУ ЭВМ первого поколения входит несколько отдельных узлов различного функционального назначения, основным из которых является сумматор «электронных» чисел.

2.2. Второе поколение ЭВМ (1955 – середина 1960-х гг.)

В 1948 году американскими учёными был создан полупроводниковый транзистор, который стал использоваться в качестве элементной базы ЭВМ. Линии задержки как элементы оперативной памяти сменила память на магнитных сердечниках. Это в конечном итоге привело к уменьшению габаритов, увеличению производительности и надёжности ЭВМ. В архитектуре ЭВМ появились индексные регистры и аппаратные средства для выполнения операций с плавающей точкой. Были разработаны команды для вызова подпрограмм [15, с. 221].

Для машин данного поколения тем более актуальной становилась задача автоматизации программирования, т. к. рос разрыв между временем на разработку программ и непосредственно временем счёта. Второй этап развития вычислительной техники конца 1950-х - начала 1960-х годов характеризуется созданием развитых языков программирования (Фортран, Алгол, Кобол) и освоением процесса автоматизации управления потоком задач при помощи самой ЭВМ, т. е. разработкой операционных систем. Первые ОС автоматизировали работу пользователя по выполнению задания, а затем были созданы средства ввода нескольких заданий сразу (пакета заданий) и распределения между ними вычислительных ресурсов. Появился мультипрограммный режим обработки данных.

Если говорить в общих чертах о структурных изменениях машин данного поколения, то это, прежде всего, появление возможности совмещения операций ввода/вывода с вычислениями в центральном процессоре, увеличение объема оперативной и внешней памяти, использование алфавитно-цифровых устройств для ввода и вывода данных. «Открытый» режим использования машин первого поколения сменился «закрытым», при котором программист уже не допускался в машинный зал, а сдавал свою программу на алгоритмическом языке оператору ЭВМ, который и занимался ее дальнейшим пропуском на машине [15, с. 223].

Компьютеры данного времени становились более доступными, расширялась область их применения и вместе с задачами вычислительными возникали задачи, связанные с обработкой текстовой информации. Их решение стало возможным благодаря появлению команд, оперирующих символами. Тогда же, кстати, появился восьмиразрядный байт, байтовая структура оперативной памяти, более удобная для работы с текстами. Машины первого поколения имели гораздо большую разрядность, к примеру, в БЭСМ-1 было 39 разрядов.