ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 31.03.2021
Просмотров: 6836
Скачиваний: 51
391
Рис. 4.5.
Первая в мире ЭВМ ENIAC
1.3.
ПОКОЛЕНИЯ ЭВМ
В истории вычислительной техники существует своеобразная периодизация ЭВМ по поко-
лениям. В ее основу первоначально был положен физико-технологический принцип: машину от-
носят к тому или иному поколению в зависимости от используемых в ней физических элементов
или технологии их изготовления. Границы поколений во времени размыты, так как в одно и то же
время выпускались машины совершенно разного уровня. Когда приводят даты, относящиеся к по-
колениям, то скорее всего имеют в виду период промышленного производства; проектирование
велось существенно раньше, а встретить в эксплуатации весьма экзотические устройства можно и
сегодня.
В настоящее время физико-технологический принцип не является единственным при опре-
делении принадлежности той или иной ЭВМ к поколению. Следует считаться и с уровнем про-
граммного обеспечения, с быстродействием, другими факторами, основные из которых сведены в
прилагаемую табл. 4.1.
Следует понимать, что разделение ЭВМ по поколениям весьма относительно. Первые
ЭВМ, выпускавшиеся до начала 50-х годов, были «штучными» изделиями, на которых отрабаты-
вались основные принципы; нет особых оснований относить их к какому-либо поколению. Нет
единодушия и при определении признаков пятого поколения. В середине 80-х годов считалось,
что основной признак этого (будущего) поколения - полновесная реализация принципов искусст-
венного интеллекта. Эта задача оказалась значительно сложнее, чем виделось в то время, и ряд
специалистов снижают планку требований к этому этапу (и даже утверждают, что он уже состоял-
ся). В истории науки есть аналоги этого явления: так, после успешного запуска первых атомных
электростанций в середине 50-х годов ученые объявили, что запуск многократно более мощных,
дающих дешевую энергию, экологически безопасных термоядерных станций, вот-вот произойдет;
однако, они недооценили гигантские трудности на этом пути,
так как термоядерных электростан-
ций нет и по сей день.
В то же время среди машин четвертого поколения разница чрезвычайно велика, и поэтому в
табл. 4.1 соответствующая колонка разделена на на две: А и Б. Указанные в верхней строчке даты
соответствуют первым годам выпуска ЭВМ. Многие понятия, отраженные в таблице, будут обсу-
ждаться в последующих разделах учебника; здесь ограничимся кратким комментарием.
Чем младше поколение, тем отчетливее классификационные признаки. ЭВМ первого, вто-
рого и третьего поколений сегодня, в конце 90-х годов - в лучшем случае музейные экспонаты.
Машина первого поколения - десятки стоек, каждая размером с большой книжный шкаф, напол-
ненных электронными лампами, лентопротяжными устройствами, громоздкие печатающие агрега-
392
ты, и все это на площади сотни квадратных метров, со специальными системами охлаждения, ис-
точниками питания, постоянно гудящее и вибрирующее (почти как в цехе машиностроительного
завода). Обслуживание - ежечасное. Часто выходящие из строя узлы, перегорающие лампы, и вме-
сте с тем невиданные, волшебные возможности для тех, кто, например, занят математическим мо-
делированием. Быстродействие до 1000 оп/с и память на 1000 чисел делало доступным решение
задач,
к которым раньше нельзя было и подступиться.
Приход полупроводниковой техники (первый транзистор был создан в 1948 г., а первая
ЭВМ с их использованием - в 1956 г.) резко изменил вид машинного зала -более нормальный тем-
пературный режим, меньший гул (лишь от внешних устройств) и, самое главное, возросшие воз-
можности для пользователя. Впрочем, непосредственного пользователя к машинам первых трех
поколений почти никогда
Таблица 4.
Поколения ЭВМ
Показатель
Поколения ЭВМ
Первое
1951-1954
Второе
1958-I960
Третье
1965-1966
Четвертое
Пятое
?
А
1976-1979
Б
1985-?
Элементная
база процес-
сора
Электронные
лампы
Транзисто-
ры
Интграль-
ные схемы
(ИС)
Большие ИС
(БИС)
Сверболь-
шиеИС
(СБИС)
+Оптоэлек-
троника
+Криоэлек-
троника
Элементная
база ОЗУ
Электронно-
лучевые
трубки
Феррито-
вые сердеч-
ники
Ферритовые
сердечники
БИС
СБИС
СБИС
Максмальная
емкость ОЗУ,
байт
10
2
10
1
10
4
10
5
10
7
10
8
(?)
Максималь-
ное быстро-
действие
процессора
(оп/с)
10
4
10
6
10
7
10
8
10
9
+Многопро-
цессорность
10
12
,
+Многопро-
цессорность
Языки про-
граммирова-
ния
Машинный
код
+ Ассемб-
лер
+ Проце-
дурные язы-
ки высокого
уровня
(ЯВУ)
+ Новые
процедурные
ЯВУ
+Непроце-
дурные ЯВУ
+ Новые не-
прцедур-ные
ЯВУ
Средства свя-
зи пользова-
теля с ЭВМ
Пульт управ-
ления и пер-
фокарты
Перфокар-
ты и перфо-
ленты
Алфавитно-
цифровой
терминал
Монохром-
ный графиче-
ский дисплей,
клавиатура
Цветной +
графический
дисплей, кла-
виатура,
«мышь» и др.
Устройства
голосовой
связи с ЭВМ
не подпускали - около них колдовали инженеры, системные программисты и операторы, а пользо-
ватель чаще всего передавал в узкое окошечко или клал
на
стеллаж в соседнем помещении рулон
перфоленты или колоду перфокарт,
на
которых была его программа и входные данные задачи.
Доминировал для машин первого и второго поколении монопольный режим пользования машиной
и/или режим пакетной обработки; в третьем поколении добавился более выгодный экономически
и более удобный для пользователей удаленный
доступ - работа через
выносные терминалы в ре-
жиме разделения времени.
Уже начиная со второго поколения, машины стали делиться на большие, средние и малые
393
по признакам размеров, стоимости, вычислительных возможностей. Так, небольшие отечествен-
ные машины второго поколения («Наири», «Раздан», «Мир» и др.) с производительностью поряд-
ка 10
4
оп/с были в конце 60-х годов вполне доступны каждому вузу, в то время как упомянутая
выше БЭСМ-6 имела профессиональные показатели (и стоимость) на 2 - 3 порядка выше.
В начале 70-х годов, с появлением интегральных технологий в электронике, были созданы
микроэлектронные устройства, содержащие несколько десятков транзисторов и резисторов на од-
ной небольшой (площадью порядка 1 см
2
) кремниевой подложке. Без пайки и других привычных
тогда в радиотехнике действий на них «выращивались» электронные схемы, выполняющие функ-
ции основных логических узлов ЭВМ (триггеры, сумматоры, дешифраторы, счетчики и т.д.). Это
позволило перейти к третьему поколению ЭВМ. техническая база которого - интегральные схемы.
При продвижении от первого к третьему поколению радикально изменились возможности
программирования. Написание программ в машинном коде для машин первого поколения (и чуть
более простое на Ассемблере) для большей части машин второго поколения является занятием, с
которым подавляющее большинство современных программистов знакомятся при обучении в ву-
зе, а потом забывают. Появление процедурных языков высокого уровня и трансляторов с них было
первым шагом на пути радикального расширения круга программистов. Научные работники и ин-
женеры сами стали писать программы для решения своих задач.
Уже в третьем поколении появились крупные унифицированные серии ЭВМ. Для больших
и средних машин в США это прежде всею семейство IBM 360/370. В СССР 70-е и 80-е годы были
временем создания унифицированных серии: ЕС (единая система) ЭВМ (крупные и средние ма-
шины), СМ (система малых) ЭВМ и «Электроника» (серия микро-ЭВМ). В их основу были поло-
жены американские прототипы фирм IBM и DEC (Digital Equipment Corporation). Были созданы и
выпущены десятки моделей ЭВМ, различающиеся назначением и производительностью. Их вы-
пуск был практически прекращен в начале 90-х годов, но многие из них еще используются в са-
мых разных сферах деятельности, включая образование (например, компьютеры ДВК, БК, а также
УКНЦ - аналоги мини-ЭВМ типа PDP-11 фирмы DEC).
Рис. 4.6.
ЭВМ третьего поколения
1.4. ПЕРСОНАЛЬНЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ
Подлинную революцию в вычислительной технике произвело создание микропроцессора.
В 1971 г. компанией «Intel» (США) было создано устройство, реализующее на одной крошечной
микросхеме функции процессора - центрального узла ЭВМ. Последствия этого оказались огромны
не только для вычислительной техники, но и для научно-технического прогресса в целом. В об-
ласти разработки ЭВМ первым таким последствием оказалось создание персональных компьюте-
ров (ПК) -небольших и относительно недорогих ЭВМ, способных аккумулировать и усиливать ин-
теллект своего персонального хозяина (впрочем, заметим, что как и всякое техническое средство,
ПК способен и на обратный эффект - напрасно отнимать время и подавлять интеллект).
Небольшие компьютеры, предназначенные для одного пользователя, который в каждый
момент решает не более одной задачи, использовались в профессиональной деятельности уже в
начале 70-х годов. Восьмиразрядные микропроцессоры i8080 и Z80 в сочетании с операционной
системой СР/М позволили создать ряд таких компьютеров, но тем не менее началом эры их массо-
вого появления стал 1976 г., когда появился знаменитый «Apple» («Яблоко»), созданный молоды-
394
ми американскими инженерами Стивом Возняком и Стивом Джобсом. За несколько лет было про-
дано около 2 млн. экземпляров лишь этих ПК (особенно «Apple-2»), т.е. впервые в мировой прак-
тике компьютер стал устройством массового производства. Вскоре лидерство в этой области за-
хватила фирма IBM - компьютерный гигант, представивший в 1981 г. свой персональный компью-
тер IBM PC (PC - persona computer). Его модели PC XT (1983 г.). PC AT (1984 г.), ПК с микропро-
цессором Pentium (начало 90-х годов; содержит более 3 миллионов транзисторов!) стали, каждый
в свое время, ведущими на мировом рынке ПК. В настоящее время производство ПК ведут десят-
ки фирм (а комплектующие выпускают сотни фирм) по всему миру.
Ближайшим конкурентом компьютеров IBM PC являются персональные компьютеры фир-
мы «Apple Computer». Пришедшие на смену «Apple-2» машины «Macintosh» широко используют-
ся в системах образования многих стран.
В дальнейшем, по мере знакомства с архитектурой ЭВМ, рассказ о ПК будет продолжен.
Сейчас же уточним характеристики, которые в совокупности позволяют отнести компьютер к этой
группе:
• относительно невысокая стоимость (доступная для
приобретения в личное
пользование
значительной частью населения):
• наличие «дружественных» операционной и интерфейсной систем, которые максимально
упрощают пользователю работу с компьютером;
• наличие достаточно развитого и относительно недорогого набора внешних устройств в
«настольном» исполнении;
• наличие аппаратных и программных ресурсов общего назначения, позволяющих решать
реальные задачи по многим видам профессчональной деятельности.
За четверть века, прошедшие с момента создания ПК, уже сменилось несколько их поколе-
нии: 8-битные, 16-битные, 32-битные. Многократно усовершенствовались внешние устройства,
все операциональное окружение, включая сети, системы связи, системы программирования, про-
граммное обеспечение и т.д. Персональный компьютер занял нишу «персонального усилителя ин-
теллекта» множества людей, стал в ряде случаев ядром автоматизированного рабочего места (в
цехе, в банке, в билетной кассе, в школьном классе- все перечислить невозможно).
1.5. И НЕ ТОЛЬКО ПЕРСОНАЛЬНЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ...
Массовость использования ПК, огромные рекламные усилия производителей и коммерсан-
тов не должны заслонить тот факт, что кроме ПК есть и другие, многократно более мощные, вы-
числительные системы Всегда есть круг задач, для которых недостаточно существующих вычис-
лительных мощностей и которые столь важны, что для их решения не жалко никаких средств. Это,
Рис. 4.7.
Микропроцессор (сильно увели-
ченная фотография в разре-
зе)
Рис. 4.8.
Первый персональный компью-
тер «Apple»
395
например, может быть связано с обороноспособностью государства, решением сложнейших науч-
но-технических задач, созданием и поддержкой гигантских банков данных. В настоящее время
лишь немногие государства способны производить, так называемые, супер-ЭВМ - компьютеры, на
фоне которых «персоналки» кажутся игрушками. Впрочем, сегодня ПК часто становится термина-
лом - конечным звеном в гигантских телекоммуникационных системах, в которых решением не-
посильных для ПК задач обработки информации занимрются более мощные ЭВМ.
Схема классификации компьютеров, исходящая из их производительности, размеров и
функционального назначения, приведена на рис. 4.9. Следует отметить, что вопрос об отнесении
конкретного компьютера к одной из категорий этой схемы может иметь неоднозначный ответ,
привязанный к конкретной исторической обстановке или доминирующему поколению ЭВМ.
Рис
.
4.9.
Классификация ЭВМ
Место супер-ЭВМ в этой иерархии уже обсуждалось. Определить супер-ЭВМ можно лишь
относительно: это самая мощная вычислительная система, существующая в соответствующий ис-
торический период. В настоящее время наиболее известны мощные супер-ЭВМ «Cray» и «IBM
SP2» (США). Модель «Сгау-3», выпускаемая с начала 90-х годов на основе принципиально новых
микроэлектронных технологий, является 16-процессорной машиной с быстродействием более 10
млрд. операций в секунду (по другим данным 16) над числами с «плавающей точкой» (т.е. длин-
ными десятичными числами; такие операции гораздо более трудоемки, чем над целыми числами);
в модели CS 6400 число процессоров доведено до 64. Супер-ЭВМ требуют особого температурно-
го режима, зачастую водяного охлаждения (или даже охлаждения жидким азотом). Их производ-
ство по масштабам несопоставимо с производством компьютеров других классов (так, в 1995 г.
корпорацией «Cray» было выпущено всего около 70 таких компьютеров).
Большие ЭВМ более доступны, чем «супер». Они также требуют специального помещения,
иногда весьма немалого, поддержания жесткого температурного режима, высококвалифицирован-
ного обслуживания. Такую ЭВМ в 80-е годы мог себе позволить завод, даже крупный вуз. Класси-
ческим примером служат выпускавшиеся еще недавно в США машины серии IBM 370 и их отече-
ственные аналоги ЕС ЭВМ. Большие ЭВМ используются для производства сложных научно-
технических расчетов, математического моделирования, а также в качестве центральных машин в
крупных автоматизированных системах управления. Впрочем, скорость прогресса в развитии вы-
числительной техники такова, что возможности больших ЭВМ конца 80-х годов практически по
всем параметрам перекрыты наиболее мощными «супер-мини» середины 90-х. Несмотря на это,
выпуск больших машин продолжается, хотя цена одной машины может составлять несколько де-
сятков миллионов долларов.
Мини-ЭВМ появились в начале 70-х годов. Их традиционное использование -либо для
управления технологическими процессами, либо в режиме разделения времени в качестве управ-
ляющей машины небольшой локальной сети. Мини-ЭВМ используются, в частности, для управле-
ния станками с ЧПУ, другим оборудованием. Среди них выделяются «супер-мини», имеющие ха-
рактеристики, сравнимые с характеристиками больших машин (например, в 80-х годах таковыми
считалось семейство VAX-11 фирмы DEC и его отечественные аналоги - СМ 1700 и др.).
Микро-ЭВМ обязаны своим появлением микропроцессорам. Среди них выделяют много-
пользовательские, оборудованные многими выносными терминалами и работающие в режиме раз-
деления времени; встроенные, которые могут управлять станком, какой-либо подсистемой авто-