Файл: История развития средств вычислительной техники..pdf

Элементной базой данного поколения стали полупроводники. Транзисторы пришли на смену ненадёжным электронно-вакуумным лампам. Транзисторы значительно уменьшали компьютеры в размере и цене. При этом тепловыделение и потребление электроэнергии серьезно сократились, а скорость работы стала больше.

Если сравнивать машины первого и второго поколений, то на примере это выглядело так. Марк-1 (компьютер первого поколения) занимал огромный зал. Его высота 2,5 метра, длина 17 метров, стоимость около 500 тысяч долл. PDP-8 (ЭВМ второго поколения) размером с холодильник, стоимость около 20 тысяч долл. (рис. 8).

Рисунок 8 - Компьютер второго поколения PDP-8 корпорации DEC

Диод – пример самого простого полупроводника. Его принцип работы заключается в односторонней проводимости. Вместе с заменой ламп на транзисторы совершенствовалась и элементная база хранения информации. Для хранения информации стали применять не только перфоленты и перфокарты, но и магнитную ленту, что значительно ускорило ввод-вывод информации в машину. К началу 1960-х годов стали применяться накопители на магнитных дисках, а это ещё значительнее ускорило обработку информации [8, с. 45].

Предшествующие ламповые компьютеры нуждались в дополнительном оборудовании. В подвалах вычислительных центров находились средства электропитания кондиционирования воздуха.

С приходом второго поколения ЭВМ потребность в них заметно снизилась.

Архитектура систем второго поколения

ЭВМ и ВС второго поколения были разработаны в период 1950-60 гг. В качестве основных элементов применялись полупроводниковые диоды и транзисторы, а в качестве запоминающих устройств стали применяться магнитные сердечники и магнитные барабаны – это далекие предки наших современных жестких дисков.

Основные вычислительные машины этого поколения: «РАЗДАН-2», «IВМ-7090», «Минск-22,-32», «Урал-14,-16», «БЭСМ-3,-4,-6», а также «М-20, -40, -50, -222», «НАИРИ» и др. Применение полупроводниковых элементов в электронных схемах ЭВМ привело к увеличению достоверности данных, производительности до 30 тыс. операций в секунду, и емкости оперативной памяти до 32 Кб.

Уменьшились габаритные размеры машин, вес и потребление электроэнергии. Основные достижения этой эпохи ЭВМ принадлежат к области программирования. Характерным для данного периода является то, что во втором поколении компьютеров появились первые операционные системы. Соответственно решаемым задачам расширялась и сфера применения самих ЭВМ в разных областях деятельности человека [8, с. 53].

2.3. Третье поколение ЭВМ (середина 1960-х – 1970-е гг.)

Смена поколений вновь была обусловлена обновлением элементной базы: вместо транзисторов в различных узлах ЭВМ стали использоваться интегральные микросхемы различной степени интеграции.

Первые микросхемы появились в 1958 г. Два инженера почти одновременно изобрели их, не зная друг о друге. Это Джек Килби и Роберт Нойс. Первая в СССР полупроводниковая интегральная микросхема была создана на основе планарной технологии, разработанной в начале 1960 г. Широкое применение интегральных схем началось лишь в начале 70-х гг. В компьютерах третьего поколения одна интегральная схема могла заменить до тысячи транзисторов и других базовых элементов. А каждый такой элемент мог заменять до нескольких десятков электронных ламп. Это давало огромную миниатюризацию и снижение себестоимости производства ЭВМ.

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. Для массового производства таких микросхем начали создавать отдельные производственные линии. Качество конечного продукта было достигнуто не сразу, а по мере накопления опыта и настройки технологического процесса.

Важно и то, что надежность компьютеров третьего поколения заметно повысилась и ненамного уступает сегодняшней техники.

Несмотря на то, что алфавитно-цифровые дисплеи появились еще во втором поколении машин, на третьем они окончательно закрепились и стали неотъемлемой частью компьютера. Память ЭВМ этого поколения значительно возросла. В качестве внешней памяти стали применять магнитные диски. Емкость таких накопителей измерялась миллионами байт. Это был существенный шаг по сравнению с перфокартами и магнитными лентами. Надежность таких накопителей не уступает внешней памяти на магнитных барабанах [8, с. 57].

Появились сравнительно недорогие и малогабаритные машины – мини-ЭВМ. Они активно использовались для управления различными технологическими производственными процессами в системах сбора и обработки информации. Первым мини-компьютером считают PDP-8 корпорации DEC. Эта машина создавалась для управления ядерным реактором. Но она стала популярна на частных производственных предприятиях и в высших учебных заведениях. Ее массовый выпуск начался в 1965 г. и к началу 70-х количество этих ЭВМ превысило 100 000 штук.

Увеличение мощности ЭВМ сделало возможным одновременное выполнение нескольких программ на одной ЭВМ. Для этого нужно было научиться координировать между собой одновременно выполняемые действия, для чего были расширены функции операционной системы. Одновременно с активными разработками в области аппаратных и архитектурных решений растет удельный вес разработок в области технологий программирования. В это время активно разрабатываются теоретические основы методов программирования, компиляции, баз данных, операционных систем и т.д.

Создаются пакеты прикладных программ для самых различных областей жизнедеятельности человека. Теперь уже становится непозволительной роскошью переписывать все программы с появлением каждого нового типа ЭВМ. Наблюдается тенденция к созданию семейств ЭВМ, т.е. машины становятся совместимы снизу вверх на программно-аппаратном уровне.

Первой из таких семейств были серия IBM System/360, разработка которой началась с 1964 г., и наш отечественный аналог этого компьютера – ЕС ЭВМ.

Более мощным становится программное обеспечение ЭВМ. Появляются первые текстовые редакторы. Но широкое распространение они так и не получают. Слишком дорого использовать мини-ЭВМ вместо печатной машинки. Появляются системы управления базами данных. Они начинают повсеместно использоваться коммерческими организациями. Некоторые приобретают компьютеры только ради создания и управления своими базами данных. Компьютеры третьего поколения перестали быть роскошью для предприятий [8, с. 58].

Первое и второе поколения машин использовали только военные, государственные ведомства и институты. Теперь они становятся доступными даже для небольших компаний. Средняя цена машины третьего поколения составляет 20-30 тыс. долл. и это было вполне под силу многим организациям. Появляются автоматизированные системы проектирования.

Возникает огромная потребность в прикладном программном обеспечении. Как следствие, каждое предприятие нанимает свой штат программистов, которые решают текущие задачи. Рынка программного обеспечения как такового еще нет. Многие ЭВМ третьего поколения, как и предыдущих поколений, не совместимы между собой аппаратно и программно.

2.4. Четвертое поколение ЭВМ (1970–1990-е гг.)

Очередная смена элементной базы привела к смене поколений. В 1970-е гг. 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. Работа с программным обеспечением стала более дружественной, что повлекло за собой рост количества пользователей [8, с. 59].

Большая интегральная схема – усовершенствованный потомок простой интегральной схемы, которая являлась одним из основных элементов предыдущего поколения. В зависимости от степени интеграции применяются следующие названия интегральных схем:

- малая интегральная схема (МИС) - до 100 элементов в кристалле;

- средняя интегральная схема (СИС) - до 1000 элементов в кристалле;

- большая интегральная схема (БИС) - до 10 тыс. элементов в кристалле;

- сверхбольшая интегральная схема (СБИС) - более 10 тыс. элементов в кристалле.

Ранее использовались также теперь устаревшие названия: ультрабольшая интегральная схема (УБИС) - до 1 млрд элементов в кристалле и гигабольшая интегральная схема (ГБИС) - более 1 млрд элементов в кристалле, сейчас названия «УБИС» и «ГБИС» практически не используются, и все микросхемы с числом элементов более 10 тыс. относят к классу СБИС.

В дальнейшем стали выпускаться программно-управляемые БИС. Функции такой схемы меняются в зависимости от программы, которая тоже напыляется на отдельном кристалле. Данная БИС состоит из операционной части и программы. Ввод программы в БИС, настраивает ее на определенный класс задач. Одна и та же интегральная схема может работать и как арифметическое устройство, и как управляющее устройство.

Применение БИС дало резкое улучшение основных показателей скорости работы и надежности. Такая высокая степень интеграции привела к уменьшению числа монтажных операций и уменьшила количество внешних соединений. Это очень способствовало уменьшению размеров, стоимости и повышению надежности.

Однако появление БИС привело и к появлению проблем. Одна из главных – это проблема теплоотвода. Чем выше степень интеграции схемы, тем выше тепловыделение. Требуется постоянное охлаждение, без которого интегральная схема перегреется и сгорит. Существуют также проблемы межсоединений элементов, контроля параметров. Большие интегральные схемы уже начали применять в третьем поколении, например в IBM System/360.

В принципе при такой степени интеграции элементов стало возможным попытаться создать функционально полную ЭВМ на одном кристалле. Соответствующие попытки были предприняты, хотя они и встречались в основном недоверчиво [8, с. 71].

Тем не менее в начале 70-х гг. фирмой Intel был выпущен микропроцессор (МП) 4004. И если до этого в мире вычислительной техники были только три направления (суперЭВМ, большие ЭВМ (мэйн-фреймы) и мини-ЭВМ), то теперь к ним прибавилось еще одно – микропроцессорное. В общем случае под процессором понимают функциональный блок ЭВМ, предназначенный для логической и арифметической обработки информации на основе принципа микропрограммного управления. По аппаратной реализации процессоры можно разделить на микропроцессоры (полностью интегрированы все функции процессора) и процессоры с малой и средней интеграцией. Конструктивно это выражается в том, что микропроцессоры реализуют все функции процессора на одном кристалле, а процессоры других типов реализуют их путем соединения большого количества микросхем.

Технические характеристики ЭВМ четвертого поколения:

1. Применение модульности для создания программного обеспечения.

2. Средняя задержка сигнала 0,7 нс/вентиль.

3. Реализация модулей операционной системы на аппаратном уровне.

4. Базовый элемент оперативной памяти – полупроводник. Время чтения и записи – 100-150 нс (к 90-м гг. – еще меньше).

Кроме изменения технической базы четвертого поколения - ЭВМ, изменилось и направление создания этих машин. Они проектировались с расчетом на применение языков программирования высокого уровня, многие на аппаратном уровне были спроектированы под определенные операционные системы [8, с. 73].

Один из самых популярных компьютеров четвертого поколения – это IBM System/370, которая в отличие от своего предшественника третьего поколения System/360 имела более мощную систему микрокоманд и большие возможности низкоуровневого программирования. В машинах серии System/370 была программно реализована виртуальная память, т.е. когда часть дискового пространства отводилась для использования хранения временных данных, тем самым эмулировалась оперативная память (в отечественных ЭВМ второго поколения БЭСМ-6 виртуальная память применялась уже в 60-х гг.).

Именно в эти годы зародился термин «Персональный компьютер». Одним из первых персональных компьютеров четвертого поколения считается Altair-8800, созданный на базе микропроцессора Intel 8080. Его появление стимулировало рост периферийных устройств, компиляторов высокого уровня.

К четвертому поколению советских ЭВМ можно отнести: ЕС- 1015, ЕС-1025, ЕС-1035, ЕС-1045, ЕС-1055, ЕС-1065. Персональные компьютеры, которые стали популярны в быту: «Электроника-85», «Искра-226», ЕС-1840, ЕС-1841, ЕС-1842. К этому поколению относится и многопроцессорный компьютер «Эльбрус», применяемый в ВПК, на производстве и машиносчетных станциях. Позже его сменил «Эльбрус-2». Вычислительная мощность компьютера «Эльбрус» для того времени была очень велика. Он имел порядка 64 мегабайт оперативной памяти, мог выполнять до 5 млн операций с плавающей точкой в секунду. Пропускная способность шины составляла до 120 Мб/с.

ЭВМ четвертого поколения являются машинами массового применения. Они способны заменить ЭВМ предыдущего поколения во всех сферах человеческой деятельности, поддающихся автоматизации: в управлении технологическими процессами предприятий, торговле, инженерных расчетах, справочных центрах, в регулировании транспортного движения и многих других системах [8, с. 75].