Файл: Содержание Введение Четыре поколения эвм перспективы развития вычислительной техники Введение.docx
Добавлен: 12.01.2024
Просмотров: 96
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Содержание
Введение
1. Четыре поколения ЭВМ
2. Перспективы развития вычислительной техники
Введение
В человеческом обществе, в растительном и животном мире постоянно протекает великое множество информационных процессов, в которых люди, животные и растения участвуют в соответствии со своими возможностями. Это то, что отличает живую природу от неживой, у которой отсутствуют органы восприятия и обработки сигналов внешней и внутренней среды. Здесь изменения могут происходить только в результате физического или химического воздействия, а не информационного процесса.
Накопление же информации в человеческом обществе приводит к качественным разноплановым изменениям, как в индивидууме, так и во всем обществе. Об информационных революциях и следующего за ними развитии технических средств и информационных ресурсов кратко уже упоминалось в занятии, посвященном системам счисления.
Первая страница в истории создания вычислительных машин связана с именем французского философа, писателя, математика и физика Блеза Паскаля. В 1641г. он сконструировал механический вычислитель, который позволял складывать и вычитать числа. В 1673 г. выдающийся немецкий ученый Готфрид Лейбниц построил первую счетную машину, способную механически выполнять все четыре действия арифметики. Ряд важнейших ее механизмов применяли вплоть до середины XX в. в некоторых типах машин. К типу машины Лейбница могут быть отнесены все машины, в частности и первые ЭВМ, производившие умножение как многократное сложение, а деление – как многократное вычитание. Главным достоинством всех этих машин являлись более высокие, чем у человека, скорость и точность вычислений. Их создание продемонстрировало принципиальную возможность механизации интеллектуальной деятельности человека.
Появление ЭВМ или компьютеров – одна из существенных примет современной научно-технической революции. Широкое распространение компьютеров привело к тому, что все большее число людей стало знакомиться с основами вычислительной техники, а программирование постепенно превратилось в элемент культуры. Первые электронные компьютеры появились в первой половине XX века. Они могли делать значительно больше механических калькуляторов, которые лишь складывали, вычитали и умножали. Это были электронные машины, способные решать сложные задачи.
В вычислительной технике существует своеобразная периодизация развития электронных вычислительных машин. ЭВМ относят к тому или иному поколению в зависимости от типа основных используемых в ней элементов или от технологии их изготовления. Ясно, что границы поколений в смысле времени сильно размыты, так как в одно и то же время фактически выпускались ЭВМ различных типов. С каждым новым поколением увеличивалось быстродействие, уменьшались потребляемая мощность и масса ЭВМ, повышалась их надежность. При этом возрастали их “интеллектуальные” возможности – способность “понимать” человека и обеспечивать ему эффективные средства для обращения к ЭВМ.
1. Четыре поколения ЭВМ
Можно выделить 4 основные поколения ЭВМ. Но деление компьютерной техники на поколения — весьма условная, нестрогая классификация по степени развития аппаратных и программных средств, а также способов общения с компьютером.
Идея делить машины на поколения вызвана к жизни тем, что за время короткой истории своего развития компьютерная техника проделала большую эволюцию, как в смысле элементной базы (лампы, транзисторы, микросхемы и др.), так и в смысле изменения её структуры, появления новых возможностей, расширения областей применения и характера использования. Этот прогресс показан в данной таблице:
I поколение ЭВМ (до 1955 г.)
Все ЭВМ I-го поколения были сделаны на основе электронных ламп, что делало их ненадежными – лампы приходилось часто менять. Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами, которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства. Лампы потребляли огромное количество электроэнергии и выделяли много тепла.
Притом для каждой машины использовался свой язык программирования. Набор команд был небольшой, схема арифметико-логического устройства и устройства управления достаточно проста, программное обеспечение практически отсутствовало. Показатели объема оперативной памяти и быстродействия были низкими. Для ввода-вывода использовались перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства, оперативные запоминающие устройства были реализованы на основе ртутных линий задержки электроннолучевых трубок.
Эти неудобства начали преодолевать путем интенсивной разработки средств автоматизации программирования, создания систем обслуживающих программ, упрощающих работу на машине и увеличивающих эффективность её использования. Это, в свою очередь, потребовало значительных изменений в структуре компьютеров, направленных на то, чтобы приблизить её к требованиям, возникшим из опыта эксплуатации компьютеров.
Использование электронной лампы в качестве основного элемента ЭВМ создавало множество проблем. Из-за того, что высота стеклянной лампы – 7см, машины были огромных размеров. Каждые 7-8 мин. одна из ламп выходила из строя, а так как в компьютере их было 15 – 20 тысяч, то для поиска и замены поврежденной лампы требовалось очень много времени. Кроме того, они выделяли огромное количество тепла, и для эксплуатации “современного” компьютера того времени требовались специальные системы охлаждения. Чтобы разобраться в запутанных схемах огромного компьютера, нужны были целые бригады инженеров. Устройств ввода в этих компьютерах не было, поэтому данные заносились в память при помощи соединения нужного штекера с нужным гнездом.
Основные компьютеры первого поколения:
-
В 1946 г. американские инженер-электронщик Дж. П. Эккерт и физик Дж.У. Моучли в Пенсильванском университете сконструировали, по заказу военного ведомства США, первую электронно-вычислительную машину – “Эниак” (Electronic Numerical Integrator and Computer), которая предназначалась для решения задач баллистики. Она работала в тысячу раз быстрее, чем “Марк-1”, выполняя за одну секунду 300 умножений или 5000 сложений многоразрядных чисел. Размеры: 30 м. в длину, объём – 85 м3., вес – 30 тонн. Использовалось около 20000 электронных ламп и1500 реле. Мощность ее была до 150 кВт.
-
Первая машина с хранимой программой – ”Эдсак” – была создана в Кембриджском университете (Англия) в 1949 г. Она имела запоминающее устройство на 512 ртутных линиях задержки. Время выполнения сложения было 0,07 мс, умножения – 8,5 мс.
-
В 1948г. году академик Сергей Алексеевич Лебедев предложил проект первой на континенте Европы ЭВМ – Малой электронной счетно-решающей машины (МЭСМ). В 1951г. МЭСМ официально вводится в эксплуатацию, на ней регулярно решаются вычислительные задачи. Машина оперировала с 20 разрядными двоичными кодами с быстродействием 50 операций в секунду, имела оперативную память в 100 ячеек на электронных лампах.
-
В 1951 г. была создана машина “Юнивак”(UNIVAC) – первый серийный компьютер с хранимой программой. В этой машине впервые была использована магнитная лента для записи и хранения информации.
Итоги поколения:
Элементная база первых вычислительных машин – электронные лампы – определяла их большие габариты, значительное энергопотребление, низкую надежность и, как следствие, небольшие объемы производства и узкий круг пользователей, главным образом, из мира науки. В таких машинах практически не было средств совмещения операций выполняемой программы и распараллеливания работы различных устройств; команды выполнялись одна за другой, АЛУ простаивало в процессе обмена данными с внешними устройствами, набор которых был очень ограниченным.
Объем оперативной памяти, например, составлял 2048 39-разрядных слов, в качестве внешней памяти использовались магнитные барабаны и накопители на магнитной ленте. Очень трудоемким и малоэффективным был процесс общения человека с машиной первого поколения. Как правило, сам разработчик, написавший программу в машинных кодах, вводил ее в память ЭВМ с помощью перфокарт и затем вручную управлял ее выполнением. Электронный монстр на определенное время отдавался в безраздельное пользование программисту, и от уровня его мастерства, способности быстро находить и исправлять ошибки и умения ориентироваться за пультом ЭВМ во многом зависела эффективность решения вычислительной задачи.
Ориентация на ручное управление определяла отсутствие каких бы то ни было возможностей буферизации программ.
II поколение (1958-1964 гг.)
В 1958 г. в ЭВМ были применены полупроводниковые транзисторы, изобретённые в 1948 г. Уильямом Шокли, они были более надёжны, долговечны, малы, могли выполнить значительно более сложные вычисления, обладали большой оперативной памятью. 1 транзистор способен был заменить
40 электронных ламп и работает с большей скоростью.
В 1946 г. американские инженер-электронщик Дж. П. Эккерт и физик Дж.У. Моучли в Пенсильванском университете сконструировали, по заказу военного ведомства США, первую электронно-вычислительную машину – “Эниак” (Electronic Numerical Integrator and Computer), которая предназначалась для решения задач баллистики. Она работала в тысячу раз быстрее, чем “Марк-1”, выполняя за одну секунду 300 умножений или 5000 сложений многоразрядных чисел. Размеры: 30 м. в длину, объём – 85 м3., вес – 30 тонн. Использовалось около 20000 электронных ламп и1500 реле. Мощность ее была до 150 кВт.
Первая машина с хранимой программой – ”Эдсак” – была создана в Кембриджском университете (Англия) в 1949 г. Она имела запоминающее устройство на 512 ртутных линиях задержки. Время выполнения сложения было 0,07 мс, умножения – 8,5 мс.
В 1948г. году академик Сергей Алексеевич Лебедев предложил проект первой на континенте Европы ЭВМ – Малой электронной счетно-решающей машины (МЭСМ). В 1951г. МЭСМ официально вводится в эксплуатацию, на ней регулярно решаются вычислительные задачи. Машина оперировала с 20 разрядными двоичными кодами с быстродействием 50 операций в секунду, имела оперативную память в 100 ячеек на электронных лампах.
В 1951 г. была создана машина “Юнивак”(UNIVAC) – первый серийный компьютер с хранимой программой. В этой машине впервые была использована магнитная лента для записи и хранения информации.
Во II-ом поколении компьютеров дискретные транзисторные логические элементы вытеснили электронные лампы. В качестве носителей информации использовались магнитные ленты и магнитные сердечники, появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, магнитные барабаны и первые магнитные диски. В качестве программного обеспечения стали использовать языки программирования высокого уровня, были написаны специальные трансляторы с этих языков на язык машинных команд. Для ускорения вычислений в этих машинах было реализовано некоторое перекрытие команд: последующая команда начинала выполняться до окончания предыдущей.
Появился широкий набор библиотечных программ для решения разнообразных математических задач. Появились мониторные системы, управляющие режимом трансляции и исполнения программ. Из мониторных систем в дальнейшем выросли современные операционные системы.
Машинам второго поколения была свойственна программная несовместимость, которая затрудняла организацию крупных информационных систем. Поэтому в середине 60-х годов наметился переход к созданию компьютеров, программно совместимых и построенных на микроэлектронной технологической базе.
Эти ЭВМ по сравнению с ЭВМ первого поколения обладали большими возможностями и быстродействием.
Если говорить в общих чертах о структурных изменениях машин второго 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. Большие достижения в архитектуре компьютеров позволило достичь быстродействия в миллион операций в секунду!
III поколение (1964-1972 гг.)
В 1960 г. появились первые интегральные схемы (ИС), которые получили широкое распространение в связи с малыми размерами, но громадными возможностями. ИС – это кремниевый кристалл, площадь которого примерно 10 мм2. 1 ИС способна заменить десятки тысяч транзисторов. 1 кристалл выполняет такую же работу, как и 30-ти тонный “Эниак”. А компьютер с использованием ИС достигает производительности в 10 млн. операций в секунду.
В 1964 году, фирма IBM объявила о создании шести моделей семейства IBM 360 (System 360), ставших первыми компьютерами третьего поколения.
Машины третьего поколения — это семейства машин с единой архитектурой, т.е. программно совместимых. В качестве элементной базы в них используются интегральные схемы, которые также называются микросхемами.
Машины третьего поколения имеют развитые операционные системы. Они обладают возможностями мультипрограммирования, т.е. одновременного выполнения нескольких программ. Многие задачи управления памятью, устройствами и ресурсами стала брать на себя операционная система или же непосредственно сама машина.
Примеры машин третьего поколения — семейства IBM-360, IBM-370, ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ) и др. Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Ёмкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов.
Наиболее быстродействующая ЭВМ ряда ЕС ЭВМ выпускалась заводом ВЭМ (г. Пенза). Она выполняла до 5 млн. опер/с.
В целях защиты от внешних воздействий интегральные схемы выпускают в защитных корпусах. По количеству элементов различают интегральные схемы: 1-й степени интеграции (до 10 элементов), 2-й степени интеграции (от 10 до 100) и т. д. Размеры отдельных элементов интегральных схем очень малы (порядка 0,5-10 мкм) и подчас соизмеримы с размерами пылинок (1-100 мкм). Поэтому производство интегральных схем осуществляется в особо чистых условиях. Ко всем достоинствам ЭВМ третьего поколения добавилось еще и то, что их производство оказалось дешевле, чем производство машин второго поколения. Благодаря этому, многие организации смогли приобрести и освоить такие машины. А это, в свою очередь, привело к росту спроса на универсальные ЭВМ, предназначенные для решения самых различных задач. Большинство созданных до этого ЭВМ являлись специализированными машинами, на которых можно было решать задачи какого-то одного типа.
Выпускавшаяся с 1964 года серия S/360 положила начало третьему поколению ЭВМ. Эти машины представляли собой не отдельно взятые системы, а семейство программно-совместимых компьютеров, различающихся по производительности, но общих по архитектуре. Собственно, именно в эти годы и возникло понятие компьютерной архитектуры, которое символизировало весь комплекс аппаратных и программных средств ЭВМ. У машин одного семейства могут быть разные технические параметры и функциональные возможности устройств, но всегда общие системы команд, организация взаимосвязей между модулями и матобеспечением.
IV поколение (с 1972 г. по настоящее время)
Четвёртое поколение — это теперешнее поколение компьютерной техники, разработанное после 1970 года.
Впервые стали применяться большие интегральные схемы (БИС), которые по мощности примерно соответствовали 1000 ИС. Это привело к снижению стоимости производства компьютеров. В 1980 г. центральный процессор небольшой ЭВМ оказалось возможным разместить на кристалле площадью 1/4 дюйма (0,635 см2.). БИСы применялись уже в таких компьютерах, как “Иллиак”, ”Эльбрус”, ”Макинтош”. Быстродействие таких машин составляет тысячи миллионов операций в секунду. Емкость ОЗУ возросла до 500 млн. двоичных разрядов. В таких машинах одновременно выполняются несколько команд над несколькими наборами операндов.
C точки зрения структуры машины этого поколения представляют собой многопроцессорные и многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних устройств.
Распространение персональных компьютеров к концу 70-х годов привело к некоторому снижению спроса на большие ЭВМ и мини-ЭВМ. Это стало предметом серьезного беспокойства фирмы IBM (International Business Machines Corporation) — ведущей компании по производству больших ЭВМ, и в 1979 г. фирма IBM решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров, создав первые персональные компьютеры- IBM PC.
Конструктивно-технологической основой ЭВМ четвертого поколения являются большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) ИМС.
К четвертому поколению относятся реализованные на СБИС такие новые средства вычислительной техники, как микропроцессоры и создаваемые на их основе микро-ЭВМ. Микропроцессоры и микро-ЭВМ нашли широкое применение в устройствах и системах автоматизации измерений, обработки данных и управления технологическими процессами, при построении различных специализированных цифровых устройств и машин.
Вычислительные возможности микро-ЭВМ оказались достаточными для создания на их основе в рамках ЭВМ четвертого поколения, нового по ряду эксплуатационных характеристик и способу использования типа вычислительных устройств – персональных ЭВМ, получивших в настоящее время широкое распространение.
В ЭВМ четвертого поколения достигается дальнейшее упрощение контактов человека с ЭВМ путем повышения уровня машинного языка, значительного расширения функций устройств (терминалов), используемых человеком для связи с ЭВМ, начинается практическая реализация голосовой связи с ЭВМ. Использование БИС позволяет аппаратурными средствами реализовывать некоторые функции программ операционных систем (аппаратурная реализация трансляторов с алгоритмических языков высокого уровня и др.), что способствует увеличению производительности машин.
Характерным для крупных ЭВМ четвертого поколения является наличие нескольких процессоров, ориентированных на выполнение определенных операций, процедур или на решение некоторых классов задач. В рамках этого поколения создаются многопроцессорные вычислительные системы с быстродействием, в несколько десятков и даже сотен миллионов операций в секунду. К этому же поколению относятся и многопроцессорные управляющие комплексы повышенной надежности с автоматическим изменением структуры (автоматической реконфигурацией).
Какими должны быть ЭВМ V поколения.
В 90-е годы прошлого века определились контуры нового, пятого поколения ЭВМ. В значительной степени этому способствовали публикации сведений о проекте ЭВМ пятого поколения, разрабатываемом ведущими японскими фирмами и научными организациями, поставившими перед собой цель захвата в 90-х годах японской промышленностью мирового лидерства в области вычислительной техники. Поэтому этот проект часто называют “японским вызовом”. Согласно этому проекту ЭВМ и вычислительные системы пятого поколения, помимо более высокой производительности и надежности при более низкой стоимости должны, обладать качественно новыми свойствами. В первую очередь к ним относятся возможность взаимодействия с ЭВМ при помощи языка, человеческой речи и графических изображений, способность системы обучаться, производить ассоциативную обработку информации, делать логические суждения, вести “разумную” беседу с человеком в форме вопросов и ответов. Вычислительные системы пятого поколения должны также “понимать” содержимое базы данных, которая при этом превращается в “базу знаний”, и использовать эти “знания” при решении задач.
2. Перспективы развития вычислительной техники
В 1959 году фирма INTEL (США) по заказу фирмы Datapoint (США) начала создавать микропроцессоры (МП). Первым микропроцессором на мировом рынке стал МП Intel 8008.
Новое поколение МП идёт на смену предыдущему каждые два года и морально устаревает за 3-4 года. МП вместе с другими устройствами микроэлектроники позволяют создать довольно экономичные информационные системы.
Причина такой популярности МП состоит в том, что с их появлением отпала необходимость в специальных схемах обработки информации, достаточно запрограммировать её функцию и ввести в ПЗУ МП.