Файл: 1-337.pdf

Эволюция средств автоматизации вычислений 29

два триггера для

 знака числа представляли запоминающий регистр.

Всего в ENIAC было 20 таких регистров. Система переноса десятков в накопите-

лях была аналогична предварительному переносу в машине Бэббиджа.

При всей важности каждой из трех рассмотренных разработок основное собы-

тие, произошедшее в этот период, связано с именем Джона фон Неймана. Амери-
канский математик Джон фон Нейман (John von Neumann, 1903-1957) принял
участие в проекте

 в качестве консультанта. Еще до завершения ENIAC

Эккерт, Мочли и фон Нейман приступили к новому проекту — EDVAC, главной

особенностью которого стала идея

 хранимой в памяти программы.

Технология программирования в рассматриваемый период была еще на зача-

точном уровне. Первые программы составлялись в машинных кодах — числах, не-
посредственно записываемых в память ВМ.

 в 50-х годах началось использова-

ние языка ассемблера, позволявшего вместо числовой записи команд использовать
символьную их нотацию, после чего специальной программой, также называемой
ассемблером, эти символьные обозначения транслировались в соответствующие

Несмотря

 свою примитивность, машины первого поколения оказались весьма

полезными для инженерных целей и в прикладных науках. Так, Атанасофф под-
считал, что решение системы из восьми уравнений с восемью переменными с по-
мощью популярного тогда электромеханического калькулятора Маршана заняло
бы восемь часов. В случае же 29 уравнений с 29 переменными, с которыми кальку-

лятор ABC справлялся менее чем за час, устройство с калькулятором Маршана
затратило бы

 час. С первой задачей в рамках проекта водородной бомбы

справился за 20 с, в противовес 40 часам, которые понадобились бы при использо-
вании механических калькуляторов.

В 1947 году под руководством С. А. Лебедева начаты работы по созданию ма-

лой электронной счетной машины (МЭСМ). Эта ВМ была запущена в эксплуата-
цию в 1951 году и стала первой электронной ВМ в СССЗ и континентальной Ев-
ропе.

В 1952 году Эккерт и Мочли создали первую коммерчески успешную машину

 Именно с помощью этой ВМ было предсказано, что Эйзенхауэр в ре-

зультате президентских выборов победит Стивенсона с разрывом в 438 голосов
(фактический разрыв составил 442 голоса).

Также в

 году в опытную эксплуатацию была запущена вычислительная

машина

 (И. С. Брук, Н. Я. Матюхин, А. Б. Залкинд). М-1 содержала 730 элек-

тронных ламп, оперативную память емкостью 256 25-разрядных слов, рулонный
телетайп и обладала производительностью

 операций/с. Впервые была при-

менена двухадресная система команд. Чуть позже группой выпускников МЭИ под
руководством И. С. Брука создана машина М-2 с емкостью оперативной памяти
512 34-разрядных слов и быстродействием 2000 операций/с. •

В апреле

 года в эксплуатацию поступила самая быстродействующая в Ев-

ропе ВМ БЭСМ (С. А. Лебедев). Ее быстродействие составило 8000-10 000 опе-
раций/с. Примерно в то же время выпущена ламповая ВМ

 (Ю. А. Бази-

левский, Б. И. Рамееев) с быстродействием 2000 операций/с.

30 Глава  Становление и эволюция цифровой вычислительной техники

Второе поколение

Второе поколение характеризуется рядом достижений в элементной базе, струк-

туре и программном обеспечении. Принято считать, что поводом для выделения
нового поколения ВМ стали технологические изменения, и, главным образом, пе-
реход от электронных ламп к полупроводниковым диодам и транзисторам со вре-
менем переключения порядка 0,3

Первой

 выполненной полностью на полупроводниковых диодах и транзи-

сторах, стала TRADIC (TRAnisitor Digital Computer), построенная в Bell Labs
заказу военно-воздушных сил США как прототип бортовой ВМ. Машина состо-
яла из 700 транзисторов и 10 000 германиевых диодов. За два года эксплуатации
TRADIC отказали только 17 полупроводниковых элементов, что говорит о проры-
ве в области надежности, по сравнению с машинами на электронных лампах. Дру-
гой достойной упоминания полностью полупроводниковой ВМ стала ТХ-0, создан-
ная в 1957 году в Массачусетсском технологическом институте.

Со вторым поколением ВМ ассоциируют еще одно принципиальное техноло-

гическое усовершенствование — переход от устройств

 базе ртутных ли-

ний задержки к устройствам на магнитных сердечниках. В запоминающих устрой-
ствах (ЗУ) на линиях задержки данные хранились в виде акустической волны,
непрерывно циркулирующей по кольцу из линий задержки, а доступ к элементу

данных становился возможным лишь в момент прохождения соответствующего
участка волны вблизи устройства считывания/записи. Главным преимуществом

ЗУ на магнитных сердечниках стал произвольный доступ к данным, когда в любой

момент доступен любой элемент данных, причем время доступа не зависит от того,
какой это элемент.

Технологический прогресс дополняют важные изменения в архитектуре ВМ.

Прежде всего, это касается появления в составе процессора ВМ индексных регис-

тров, что позволило упростить доступ к элементам массивов. Прежде, при цикли-
ческой обработке элементов массива, необходимо было модифицировать код ко-
манды, в частности хранящийся  нем адрес элемента

 Как следствие, в ходе

вычислений коды некоторых команд постоянно изменялись, что затрудняло от-

ладку программы. С использованием индексных регистров адрес элемента массива
вычисляется как сумма адресной части команды и содержимого индексного реги-
стра. Это позволяет обратиться к любому элементу массива, не затрагивая код ко-
манды, а лишь модифицируя содержимое индексного

Вторым принципиальным изменением в структуре ВМ стало добавление аппа-

ратного блока обработки чисел в формате с плавающей запятой. До этого обработка
вещественных чисел производилась с помощью подпрограмм, каждая из которых
имитировала выполнение какой-то одной операции с плавающей запятой
ние, умножение и т. п.), используя для этой цели обычное целочисленное арифме-
тико-логическое устройство.

Третье значимое нововведение в архитектуре ВМ — появление в составе вы-

числительной машины процессоров ввода/вывода, позволяющих освободить цен-
тральный процессор от рутинных операций по управлению вводом/выводом и
обеспечивающих более высокую пропускную способность тракта «память — уст-
ройства

 (УВВ).

Эволюция средств автоматизации

 31

Ко второму поколению относятся и две первые

 разработанные для

ускорения численных вычислений в научных приложениях. Термин «суперЭВМ»
первоначально применялся по отношению к ВМ, производительность который на
один или более порядков превосходила таковую для прочих
шин того же поколения. Во втором поколении этому определению

 две

ВМ (правильнее сказать системы): LARC

 Atomic Research Computer)'

и IBM 7030. Помимо прочего, в этих ВМ нашли воплощение еще

 новинки со--

вмещение операций процессора с обращением к памяти и

 па-

раллельной обработки данных.

Заметным событием данного периода стало появление

 году машины

В этой ВМ, в частности,

 реализованы: частичное совмещение операций,

паратные средства поддержки программных циклов,

 параллельной

 процессора и устройства вывода. Оперативная

 емкостью 4096

45-разрядных слов была

 на магнитных

 '

Шестидесятые

 XX века стали периодом бурного

 вычислитель-

ной техники в СССР. За этот период разработаны и запущены в

 машины

 «Урал-4»,

 М-40, «Минск-1»,

 «Минск-22»,

 В 1960 году

ством

 М. Глушкова  Б. Н. Малиновского разработана первая

ковая управляющая машина «Днепр».

Наконец, нельзя не отметить значительные события в сфере

печения, а именно создание языков программирования высокого уровня:
на (1956), Алгола (1958) и Кобола (1959).

Третье поколение (1963-1972)

 резким

сти ВМ, ставшим

 больших успехов в области архитектуры,

и программного обеспечения. Основные технологические достижения связанны с

переходом от

 полупроводниковых элементов к интегральным микро-

 и началом применения полупроводниковых запоминающих устройств

начинающих вытеснять ЗУ на магнитных сердечниках. Существенные изменений

 и в архитектуре ВМ. Это, прежде

 как

эффективная техника построения устройств управления
а также

 эры конвейеризации и параллельной обработки. В области

программного обеспечения определяющими вехами стали первые операционные

системы и реализация режима разделения времени.

В первых

 третьего поколения использовались

 схемы с ма-

лой степенью интеграции (small-scale integrated circuits, SSI), где на одном

талле размещается

 10 транзисторов. Ближе к

 рассматриваемого

 смену

 стали приходить интегральные схемы средней

 ин-

теграции (medium-scale integrated circuits, MSI), в

 число

 на

 порядок.  этому же времени относится повсеместное

применение многослойных печатных плат. Все шире востребуются преимущества

 обработки; реализуемые

 функциональных

блоков, совмещения во времени работы центрального

 и операций вво-

да/вывода, конвейеризации потоков команд и

32 Глава  Становление и эволюция цифровой вычислительной техники

В 1964 году Сеймур Крей (Seymour Cray, 1925-1996) построил вычислитель-

ную систему CDC 6600, в архитектуру которой впервые

 заложен функцио-

нальный параллелизм. Благодаря наличию 10 независимых функциональных бло-
ков, способных работать параллельно, и 32 независимых модулей памяти удалось
достичь быстродействия в 1 MFLOPS (миллион операций с плавающей запятой
в секунду). Пятью годами позже Крей создал CDC 7600 с конвейеризированными
функциональными

 и быстродействием 10 MFLOPS. CDC 7600 называ-

ют первой конвейерной вычислительной системой (конвейерным процессором).
Революционной вехой в истории ВТ стало создание семейства вычислительных
машин IBM 360, архитектура и программное обеспечение которых на долгие годы
служили эталоном для последующих больших универсальных ВМ (mainframes).
В машинах этого семейства нашли воплощение многие новые для того периода
идеи, в частности:

 выборка команд, отдельные блоки для опера-

ций с фиксированной и плавающей запятой, конвейеризация команд, кэш-память.
К третьему поколению ВС относятся также первые параллельные вычислитель-
ные системы: SOLOMON корпорации Westinghause и ILLIAC IV — совместная
разработка Иллинойского университета и компании Burroughs. Третье поколение
ВТ ознаменовалось также появлением первых конвейерно-векторных ВС: TI-ASC
(Texas Instruments Advanced Scientific Computer) и

 фирмы

Среди вычислительных машин, разработанных в этот период в СССР, прежде

всего необходимо отметить «быстродействующую электронно-счетную машину» -
БЭСМ-6 (С. А. Лебедев) с производительностью 1 млн операций/с.
ем линии М-20 стали М-220 и М-222 с производительностью до 200 000 опера
ций/с. Оригинальная ВМ для инженерных расчетов

 была создана по;

руководством В. М. Глушкова. В качестве входного языка этой ВМ использован
язык программирования высокого уровня «Аналитик», во многом
язык Алгол.

В сфере программного обеспечения необходимо отметить создание в 1970

Кеном Томпсоном (Kenneth Thompson) из Bell Labs языка В, прямого
ника популярного языка программирования С, и появление ранней версии оперг

ционной системы UNIX.

Четвертое поколение

Отсчет четвертого поколения обычно ведут с перехода на интегральные микро

схемы большой (large-scale integration, LSI) и сверхбольшой (very large-scale int-
gration, VLSI) степени интеграции. К первым относят схемы, содержащие

1000 транзисторов на кристалле, в то время как число транзисторов на одном

сталле VLSI имеет порядок 100 000. При таких уровнях интеграции стало возмож
ным уместить в одну микросхему не только центральный процессор, но и вычи
лительную машину (ЦП, основную память и систему ввода/вывода).

Конец 70-х и начало 80-х годов — это время становления и последующего по-

бедного шествия микропроцессоров и микроЭВМ, что, однако, не снижает важнос-

ти изменений, произошедших в архитектуре других типов вычислительных ма-

шин и систем.

Одним из наиболее значимых событий в области архитектуры ВМ стала идея

вычислительной машины с сокращенным набором команд (RISC, Redused Instru

Эволюция средств автоматизации вычислений 33

tion Set Computer), выдвинутая в 1975 году и впервые реализованная в 1980 году.
В упрощенном изложении суть концепция RISC заключается в сведении набора
команд ВМ к наиболее употребительным простейшим командам. Это позволяет
упростить схемотехнику процессора и добиться резкого сокращения времени вы-
полнения каждой из «простых» команд. Более сложные команды реализуются как
подпрограммы, составленные из быстрых «простых» команд.

В ВМ и ВС четвертого поколения практически уходят со сцены ЗУ на магнит-

ных сердечниках и основная память строится из полупроводниковых запоминаю-
щих устройств (ЗУ). До этого использование полупроводниковых ЗУ ограничи-
валось лишь регистрами и кэш-памятью.

В сфере высокопроизводительных вычислений доминируют векторные вычис-

лительные системы, более известные как суперЭВМ. Разрабатываются новые па-
раллельные архитектуры, однако подобные работы пока еще носят эксперимен-
тальный характер. На замену большим ВМ, работающим в режиме разделения
времени, приходят индивидуальные микроЭВМ и рабочие станции (этим терми-

ном обозначают сетевой компьютер, использующий ресурсы сервера).

В области программного обеспечения выделим появление языков программи-

рования сверхвысокого уровня, таких как FP (functional programming — функцио-
нальное программирование) и Пролог (Prolog, programming in logic). Эти языки
ориентированы на

 декларативный стиль программирования,

 в отличие от Паска-

ля, С, Фортрана и т. д. — языков

 императивного стиля программирования.

 При дек-

ларативном стиле программист дает математическое описание того, что должно
быть вычислено, а детали того, каким образом это должно быть сделано, возлага-
ются на компилятор и операционную систему. Такие языки пока используются
недостаточно широко, но выглядят многообещающими для ВС с массовым парал-
лелизмом, состоящими

 более чем 1000 процессоров. Ъ компиляторах для ВС

четвертого поколения начинают применяться сложные методы оптимизации кода.

Два события в области программного обеспечения связаны с Кеном Томпсо-

ном (Kenneth Thompson) и Деннисом Ритчи (Dennis Ritchie) из Bell Labs. Это
создание языка программирования С и его использование при написании опера-
ционной системы UNIX для машины DEC

 Такая форма написания опе-

рационной системы позволила быстро распространить UNIX на многие ВМ.

Пятое поколение

Главным поводом для выделения вычислительных систем второй половины 80-х го-

дов в самостоятельное поколение стало стремительное развитие ВС с сотнями
процессоров, ставшее побудительным мотивом для прогресса в области параллель-
ных вычислений. Ранее параллелизм вычислений выражался лишь в виде конвейе-
ризации, векторной обработки и распределения работы между небольшим числом
процессоров. Вычислительные системы пятого поколения обеспечивают такое рас-
пределение задач по множеству процессоров, при котором каждый из процес-
соров может выполнять задачу отдельного пользователя.

В рамках пятого поколения в архитектуре вычислительных систем сформиро-

вались два принципиально различных подхода: архитектура с совместно исполь-
зуемой памятью и архитектура с распределенной памятью.