Файл: История развития средств вычислительной техники (Неэлектронные вычисления).pdf

Недостатки:

1. для подготовки задачи к решению необходимо иметь специальные знания методов решения задач и программирования;
2. наглядность протекания процессов недостаточная, имеются сложности изменения параметров данных процессов;
3. сложность структуры машины, трудности в эксплуатации и техническом обслуживании;
4. требование специальной аппаратуры при работе с элементами реальной аппаратуры.

Электронно-вычислительная техника обычно делится на поколения. Поколения сменяются в связи со сменой элементной базы ЭВМ и с прогрессом электронной техники. Это всегда способствовало росту вычислительной мощности ЭВМ, например, объема памяти и быстродействия, а также происходили изменения в архитектуре, увеличивался круг задач, которые решались на ЭВМ, изменялся способ взаимодействия между компьютером и пользователем. Выделяются 4 основных поколения ЭВМ.

I поколение

В первой половине XX в. Быстрыми темпами развивалась радиотехника. Электронно-вакуумные лампы в то время являлись основным элементом радиоприемников и радиопередатчиков. Они стали технической основой для первых электронно-вычислительных машин.

Первая ЭВМ была универсальной машиной на электронных лампах и была построена в США в 1945 году, называлась она ENIAC, сконструировали ее Моучли и Эккерт (рис. 2.3.). Скорость счета этой машины превосходила в тысячу раз скорость релейных машин того времени.

Рис. 2.3. Первая ЭВМ ENIAC

В 1946 г. вышла в свет статья Джона фон Неймана, в которой он изложил принципы работы и устройства ЭВМ. Главным является принцип хранимой в памяти программы, согласно которому в общую память машины помещаются данные и программа.

Первая ЭВМ с архитектурой Неймана была построена в 1949 г.

Первая ЭВМ в СССР была создана в 1951 году и называлась МЭСМ - малая электронная счетная машина. Сконструировал МЭСМ Сергей Алексеевич Лебедев.

После были построены серийные ламповые ЭВМ БЭСМ (большая электронная счетная машина). Эти машины были известны как одни из лучших в мире.

Итак, первым поколением ЭВМ были ламповые машины 50-х годов. Скорость счета у самых быстрых машин этого поколения доходила до 20 тысяч операций в секунду. перфокарты и перфоленты использовались для ввода программ и данных. Из-за небольшого размера внутренней памяти машин, которая могла вместить в себя всего несколько тысяч чисел и команд программы, они использовались для инженерных и научных расчетов, которые не были связанны с переработкой больших объемов данных. Это были довольно громоздкие сооружения, содержащие в своей конструкции тысячи ламп и занимавшие порой огромные площади, потребление электроэнергии подобными агрегатами достигала сотен киловатт. Программы для таких машин составлялись на языках машинных команд, что являлось весьма трудоемкой работой, поэтому программирование было доступно не многим в те времена.

В конце этого периода также начали выпускаться устройства памяти на магнитных сердечниках.

II поколение

В 1949 г. в США был создан первый полупроводниковый прибор, заменяющий электронную лампу, и получил название транзистор (рис. 2.4.).

В 60-х г. транзисторы стали элементной базой для ЭВМ второго поколения. Переход на полупроводниковые элементы значительно улучшил качество создаваемых ЭВМ по всем параметрам: уменьшились габариты, повысилась надежность и уменьшилось энергопотребление. Также увеличилось быстродействие, у большинства машин оно достигло десятков и сотен тысяч операций в секунду. Объем внутренней памяти увеличился в сотни раз в сравнении с первым поколением ЭВМ.

Рис. 2.4. Первый транзистор

Большое развитие получили устройства внешней (магнитной) памяти: магнитные барабаны, накопители на магнитных лентах. С их развитием стало возможно реализовать информационно-справочные и поисковые системы на ЭВМ. В период второго поколения стали активно развиваться высокоуровневые языки программирования. Первыми из них стали FORTRAN, АЛГОЛ, COBOL. Процесс составления программы перестал быть зависимым от модели машины и сделался проще, понятнее, доступнее. Программирование стало широко распространяться как элемент грамотности, в первую очередь среди людей с высшим образованием.

Уменьшение габаритов ЭВМ за счет использования полупроводниковых элементов сделало возможным появление современных персональных ЭВМ и других радиотехнических устройств, например, радиоприемников, магнитофонов, телевизоров и т.д.

В 1959 г. IBM изготовила коммерческую машину на транзисторах IBM 1401 в количестве более чем 10 тыс. экземпляров. В том же году компания создала свой первый большой компьютер (мэйнфрейм) модели IBM 7090, который был полностью выполнен на базе транзисторов и быстродействие которого достигало 229 тыс. операций в секунду, а в 1961 г. была разработана модель IBM 7030 для ядерной лаборатории США в Лос-Аламосе.

Изобретение БЭСМ-6 (рис. 2.5.) являлось самым выдающимся достижением в 60-х годах, это была первая отечественная и одна из первых ЭВМ в мире с быстродействием 1 миллион операций в секунду, которую разработал С.А. Лебедев и его коллеги.

Рис. 2.5. БЭСМ-6

Транзисторные машины второго поколения заняли всего лишь пять лет в биографии ЭВМ.

III поколение

Создание третьего поколения ЭВМ происходило на новой элементной базе – интегральных схемах (рис. 2.6.). 12 сентября 1958 года Джеком С. Килби была продемонстрирована первая рабочая интегральная схема на фирме Texas Instruments (США). Впервые нужные электронные компоненты были интегрированы на одной подложке. Данное устройство заключало в себе генератор на крошечной пластине германия размером 11,1 мм на 1,6 мм

Первые интегральные схемы содержали в себе десятки, затем и сотни элементов (транзисторов, резисторов и др.). Когда количество элементов достигло тысячи, то их назвали большими интегральными схемами – БИС, а затем появились и сверхбольшие интегральные схемы – СБИС.

Рис. 2.6. Интегральные схемы

ЭВМ третьего поколения начали производить во второй половине 60-х годов, к выпуску системы машин IВМ-360 (рис. 2.7.) американской фирмы IВМ. В Советском Союзе в 70-х годах стали выпускать машины серии ЕС ЭВМ (Единая Система ЭВМ).

Рис.2.7. IBM-360

Переход к третьему поколению связан с существенным сдвигом в архитектуре ЭВМ. Появилась возможность на одной машине выполнять одновременно несколько программ, а скорость работы одних из самых мощных моделей ЭВМ достигала миллионов операций в секунду. В третьем поколении машин появились магнитные диски – новый тип внешних запоминающих устройств. Компьютеры стали проектироваться на основе интегральных схем малой степени интеграции. Появились операционные системы, которые взяли на себя задачи управления памятью, устройствами ввода-вывода, например, дисплеи и графопостроители, которые в тот период получили широкое распространение, и другими ресурсами.

В этот период сильно расширились за счет скачка в аппаратном плане и области применения ЭВМ, начали создаваться базы данных, первые системы искусственного интеллекта, системы автоматизированного проектирования (САПР) и автоматизированные системы управления (АСУ).

IV поколение

В 70-е годы стали сильно развиваться мини-ЭВМ. Они уменьшились в габаритах, удешевились и были надежнее больших машин. Очередная революция в электронике произошла в 1971 году американской фирмой Intel, которая объявила о создании микропроцессора (рис. 2.8.). Микропроцессоры начали осуществлять управление работой автомобилей, станков, самолетов. Когда соединили микропроцессор с устройствами ввода-вывода, внешней памятью получили новый тип компьютера: микро-ЭВМ.

Рис. 2.8. Первый микропроцессор Intel 4004

Это первый тип компьютеров, который появился массово в розничной торговле. На данный момент самой популярной разновидностью ЭВМ являются персональные компьютеры. В 1976 году был создан первый персональный компьютер серии Аррle-1 американцами Стивом Джобсом и Стивом Возняком (рис. 2.9.).

Рис. 2.9. Apple-1

В аппаратном комплекте ПК используется цветной графический дисплей для вывода информации, манипуляторы и удобная клавиатура как инструменты ввода, компактные диски. Программное обеспечение позволяет любому человеку легко взаимодействовать с машиной, быстро понимать основы работы с ней, не изучая детально устройство ЭВМ и не используя программирование.

Подобные машины стали массово популярными и их начали выпускать большими тиражами. С 1980 года лидером в данном сегменты являлась американская фирма IВМ, а с начала 90-х годов по популярности их обошли машины фирмы Аррle марки Macintosh (в основном в системе образования).

Также, к числу наиболее значительных разработок времен четвертого поколения относится супер-ЭВМ «Cray-3» (рис. 2.10.), созданный американским инженером Сеймуром Крэем в области вычислительной техники, который ориентировался на создание американских суперкомпьютеров. В 1988 году компания Сеймура «Крэй» начала работу над Cray-3. В качестве компонентной основы для микросхем был выбран арсенид галлия. Этот материал использовался для создания быстродействующих схем для спутников в космической отрасли, но никто до Крэя не решался применить его в строительстве компьютеров. Микросхемы на арсениде галлия работали на сверхвысоких частотаx — в шесть раз быстрее микросхем на основе кремния. Но арсенид галлия очень хрупок и удачное изготовление хороших подложек было редкостью.

Рис. 2.10. Процессорный модуль ЭВМ Cray-3

V поколение

С 90-х годов в истории вычислительной техники настало пятое поколение. Высокая скорость выполнения арифметических вычислений и логического вывода. Использование сверхбольших интегральных схем с повышенной степенью интеграции, использование принципов оптоэлектроники.

Развитие вычислительной мощности и языков программирования реализовали способность воспринимать рукописный или печатный текст, распознавать информацию с бланков, понимать человеческий голос и различать по нему людей, осуществлять быстрый перевод с одного языка на другой. В повседневную жизнь внедряются модели и средства из области искусственного интеллекта.

2.3. Аналого-цифровые вычислительные машины

Аналого-цифровые вычислительные машины (АЦВМ) – это машины, совмещающие в себе все достоинства АВМ и ЭВМ. Они характеризуются быстродействием, простотой программирования и универсальностью. Основная операция в данных машинах — это интегрирование, которое выполняется благодаря цифровым интеграторам.

В АЦВМ числа представляются последовательностью цифр как в ЭВМ, а метод решения задач методом математического моделирования как в АВМ.

3. Классификация ЭВМ

Все ЭВМ можно классифицировать по нескольким основным признакам: по назначению, по размерам, по условиям эксплуатации.

3.1. Классификация по назначению

Супер-ЭВМ предназначены для решения крупных вычислительных задач, для обслуживания крупнейших информационных хранилищ данных. Это очень мощные, с производительностью 100 мегафлопов (1 мегафлоп — миллион операций с плавающей точкой в секунду) машины. Их называют сверхбыстродействующими. Данные машины представляют собой многопроцессорные и (или) многомашинные комплексы, которые работают на общую память и общие внешние устройства. Различают три класса суперкомпьютеров: средний класс, класс выше среднего и high end.

Большие ЭВМ (Mainframe) предназначены для комплектования ведомственных, территориальных и региональных вычислительных центров. Они предназначены для решения широкого спектра научно-технических задач и являются сложными и дорогими машинами. Их применение оправдано в больших системах при наличии не менее 200-300 рабочих мест.

Средние ЭВМ – машины широкого назначения, предназначенные для управления сложными технологическими процессами на производстве. ЭВМ этого типа могут использоваться также в качестве сетевых серверов для управления распределенной обработкой информации.

Персональные и профессиональные ЭВМ, которые позволяют удовлетворять индивидуальные потребности отдельных пользователей. На базе этого класса создаются автоматизированные рабочие места (АРМ) для специалистов различных уровней.

Встраиваемые микропроцессоры, которые осуществляют автоматизацию управления отдельными механизмами и устройствами.

3.2. Классификация по типоразмерам