Для каких поколений эвм применим принцип программного управления компьютером
Обновлено: 01.07.2024
История развития вычислительной техники. С древнейших времен человечество конструирует разнообразные приспособления для облегчения счета. 16 век – Леонардо да Винчи создал эскиз 13-разрядного суммирующего устройства. Первые попытки создать вычислительные машины относятся еще к 17 веку, когда такие ученые, как Вильгельм Шикард, Блез Паскаль, Готфрид Вильгельм фон Лейбниц создают счетные устройства, позволяющие проводить основные математические операции над многозначными числами. В 19 веке создается первое в мире программируемое устройство – ткацкий станок Жаккарда, узор ткани на котором определялся перфокартами. В конце 19 – начале 20 веков разрабатывается теория гипотетических вычислительных и программируемых машин, что связно с именами Чарльза Беббиджа (1822 г. – идея создания механического вычислительного помощника, принципы: автоматическое выполнение операций; работа по вводимой на ходу программе; необходимость памяти), Алана Тьюринга (построение абстрактной (теоретической) вычислительной машины, которая представляет собой универсального исполнителя, работающего по заданной программе в соответствии с определенными принципами и правилами), Джона фон Неймана (1944–1946 гг. – формулирование принципов построения ЭВМ: программное управление работой ЭВМ; принцип условного перехода; принцип хранимой программы; принцип использования двоичной системы счисления для представления информации; принцип иерархичности запоминающих устройств).
Первая полностью электронная вычислительная машина ENIAC ( Electronic Numerical Integrator And Computer ) была построена в США в 1945 году. Первая отечественная ЭВМ – МЭСМ (малая электронно-счетная машина) – была построена в 1951 г. под руководством крупнейшего советского конструктора Сергея Александровича Лебедева.
Поколения компьютеров – это нестрогая классификация вычислительных систем по степени развития аппаратных средств и производительности, а также по качеству программного обеспечения. Другими словами, поколения ЭВМ более всего различаются между собой своей элементной базой – теми элементами, из которых они были сделаны.
Рассмотрим периодизацию, представленную Э. Таненбаумом в книге «Архитектура компьютера»:
Первое поколение (1945-1955) - компьютеры на электронных лампах (вроде тех, что были в старых телевизорах). Это эпоха становления вычислительной техники. Большинство машин первого поколения были экспериментальными устройствами и строились с целью проверки тех или иных теоретических положений. Эти компьютеры нередко требовали для себя отдельных зданий, сильно нагревались (а потому нуждались в мощных охлаждающих системах) и стоили огромных денег, так что зачастую только правительственным организациям или крупным корпорациям было под силу их купить.
Во втором поколении компьютеров (1955-1965) использовались транзисторы, заменившие громоздкие греющиеся малоэффективные дорогие электронные лампы. В качестве устройств памяти стали применяться магнитные сердечники и магнитные барабаны – далекие предки современных жестких дисков. Все это позволило резко уменьшить габариты и стоимость компьютеров, которые тогда впервые стали строиться на продажу. Но главные достижения этой эпохи принадлежат к области программ. На втором поколении компьютеров впервые появилось то, что сегодня называется операционной системой. Тогда же были разработаны первые языки высокого уровня – Фортран, Алгол, Кобол. До этого программировать приходилось сразу в машинных командах. Эти два важных усовершенствования позволили значительно упростить и ускорить написание программ для компьютеров; программирование, оставаясь наукой, приобретает черты ремесла. Соответственно расширялась и сфера применения компьютеров.
В третьем поколении ЭВМ (1965-1980) впервые стали использоваться интегральные схемы – целые устройства и узлы из десятков и сотен транзисторов, выполненные на одном кристалле полупроводника (то, что сейчас называют микросхемами). В это же время появляется полупроводниковая память, которая и по всей день используется в персональных компьютерах в качестве оперативной. В 1969 г. зародилась первая глобальная компьютерная сеть – зародыш Интернет, появились операционная система Unix и язык программирования С ("Си"), оказавшие огромное влияние на программный мир и до сих пор сохраняющие свое передовое положение. В 1971 г. фирма Intel, выпустив первый микропроцессор, который предназначался для только-только появившихся настольных калькуляторов. Этому изобретению суждено было произвести в следующем десятилетии настоящую революцию – ведь микропроцессор является сердцем ПК. Начиная с середины 70-х годов все меньше становится принципиальных новаций в компьютерной науке. Прогресс идет в основном по пути развития того, что уже изобретено и придумано, – прежде всего, за счет повышения мощности и миниатюризации элементной базы и самих компьютеров:
1975 г. – американская фирма MITS создает первый ПК – « Althair -8800».
1976 г. – молодые американцы Стив Возняк и Стив Джобс в гараже создали ПК « Apple –1». Позже их гаражный кооператив перерос в фирму по производству ПК Apple Computer . Весной 1977 г. ими же был изготовлен относительно дешевый и вместе с тем вполне законченный ПК « Apple –2», который сыграл роль детонатора в производстве ПК.
Четвертое поколение – сверхбольшие интегральные схемы (1980–…). Четвертое поколение ЭВМ характеризуется появлением сверхбольших интегральных схем (СБИС), которые позволяли размещать на одной плате сначала десятки тысяч, затем сотни тысяч и, наконец, миллионы транзисторов. Это привело к созданию компьютеров еще меньшего размера и с более высокой скоростью работы. В эти годы производство компьютеров приобретает промышленный размах. Пробившаяся в лидеры фирма IBM первой реализовала семейство ЭВМ – серию полностью совместимых друг с другом компьютеров от самых маленьких, размером с небольшой шкаф (меньше тогда еще не делали), до самых мощных и дорогих моделей. 1981 г. – фирма IBM выпустила свою первую удачную 16-разрядную модель РС и с этого момента стала ведущей фирмой в производстве не только больших, но и ПК. В 1983 г. – фирма IBM выпустила новую модель IBM РС/ХТ, а в 1984 г. – модель IBM РС/АТ, которые стали неписанными стандартами в области производства ПК. В 1989 г. произошло еще одно важное событие – британская компания Apricot приступила к производству 32-разрядного ПК на базе нового МП фирмы Intel – 80486, который отличался существенно своим быстродействием. С начала 80-х годов, благодаря появлению ПК, вычислительная техника становится по-настоящему массовой и общедоступной.
Особого упоминания заслуживает так называемое пятое поколение , программа разработки которого была принята в Японии в 1982 г. Предполагалось, что к 1991 г. будут созданы принципиально новые компьютеры, ориентированные на решение задач искусственного интеллекта . С помощью языка Пролог и новшеств в конструкции компьютеров планировалось вплотную подойти к решению одной из основных задач этой ветви компьютерной науки – задачи хранения и обработки знаний. Коротко говоря, для компьютеров "пятого поколения" не пришлось бы писать программ, а достаточно было бы объяснить на "почти естественном" языке, что от них требуется. Однако планы создания специализированных "интеллектуальных" компьютеров, а тем более – попытки произвести с их помощью очередную компьютерную революцию оказались утопическими. Во всяком случае, "японский проект" сколько-нибудь ощутимых результатов так и не принес, поэтому многие исследователи в области развития вычислительной техники не выделяют его в своей периодизации, и считают, что в настоящий момент не произошло кардинальных изменений в элементной базе, поэтому все выпускаемые ПК относятся к 4 поколению компьютеров.
Классификация ЭВМ. Классификация ЭВМ возможна по ряду признаков, среди которых можно выделить следующие:
по функциональному назначению;
Распространена классификация ЭВМ по производительности и по размерам:
СуперЭВМ. Представляют собой самый мощный класс компьютеров. Стоимость таких машин измеряется миллионами долларов. Организация традиционных суперЭВМ (фирм CRAY, CDC, NEC) определяется применением быстродействующих электронных схем, высокой плотностью их компоновки, сложными системами охлаждения (проблема отвода тепла), использованием параллельной обработки данных. Проблема также в создании подходящих алгоритмов и программного обеспечения, чтобы в полной мере использовать огромные потенциальные возможности параллельных процессоров.
Универсальные ЭВМ ( большие ЭВМ ). Исторически первыми появились большие ЭВМ. Начиная с первых машин, это основное средство автоматической обработки коммерческой информации. Универсальная ЭВМ может быть представлена как машина с высокой производительностью, предназначенная для использования в качестве центральной ЭВМ для большого числа пользователей (ЕС ЭВМ).
Мини-ЭВМ. Появились в 60-х гг. в качестве недорогой компактной альтернативы универсальным ЭВМ, широко распространились в 70-х гг. Однако с 80-х гг. их вытесняют микроЭВМ, которые строятся на отдельных БИС и часто имеют ту же внутреннюю архитектуру (Электроника-79, ИЗОТ, КОРАЛЛ, ЯНУС).
Супер-мини-ЭВМ – это вычислительная машина, относящаяся по архитектуре, размерам и стоимости к классу мини-ЭВМ, а по производительности сопоставима с большой ЭВМ (Электроника-82, VAX (фирма DEC ).
МикроЭВМ. Определяются как небольшие ЭВМ, в которых в качестве процессорных элементов использованы один или несколько МП. Существует много специализированных вариантов микроЭВМ: персональные ЭВМ, многопользовательские микро-ЭВМ, автоматизированные рабочие места, встроенные ЭВМ. Многопользовательские микро-ЭВМ – это микро-ЭВМ, оборудованные несколькими видеотерминалами и работающие в режиме разделения времени. Используются в проектных, конструкторских бюро для доступа к центральной ЭВМ из отдельных подразделений. Автоматизированное рабочее место (АРМ) представляет собой оборудованный всеми средствами ПК, необходимыми для выполнения работ определенного типа. Различают технические (инженерные) АРМ, графические АРМ, АРМ для издательской деятельности, АРМ учителя, АРМ ученика и др. Встроенные ЭВМ представляют собой вычислители, выполненные в виде одной или нескольких плат, используемые для управления (в станках с ЧПУ, бытовой технике, автомобилях и пр.) и обработки результатов измерений (измерительные электронные приборы). Персональный компьютер – электронная вычислительная машина, рассчитанная на использование ее одним человеком. Он дешевле других классов ЭВМ, проще в эксплуатации и обладает меньшими вычислительными возможностями.
Характеристики основных устройств ЭВМ (микропроцессора, памяти, внешних запоминающих устройств, устройств ввода-вывода)
Основные технические характеристики МП:
Тактовая частота МП определяется максимальным временем выполнения элементарного действия в МП. Чем выше тактовая частота МП (при прочих равных условиях), тем выше его быстродействие. Тактовые частоты современных МП колеблются в пределах десятков – сотен МГц.
Разрядность МП – это максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться одновременно.
Понятие разрядность включает:
разрядность внутренних регистров МП ( m );
разрядность шины данных ( n );
разрядность шины адреса ( k ).
Исходя из этого, разрядность МП можно обозначить в виде m / n / k . Определяющую роль в принадлежности МП к тому или иному классу играет разрядность внутренних регистров (внутренняя длина слова). Когда говорят, что МП 64-разрядный, то имеют в виду значение m . От разрядности шины данных (внешней длины слова) зависит скорость передачи информации между МП и другими устройствами. Например, для МП с разрядностью 16/16/20 скорость передачи информации в два раза выше, чем для МП с разрядностью 16/8/20. Разрядность шины адреса определяет адресное пространство МП, т.е. максимальное количество полей (обычно байтов) памяти, к которым можно осуществить доступ. Адресное пространство составляет 2 k . Например, при k =20 получим адресное пространство 1 Мбайт (2 20 байт=2 10 ·2 10 байт=2 10 ·1 Кбайт=1 Мбайт).
Архитектура МП является емким понятием, имеющим неоднозначное толкование. Архитектурой МП часто называют организацию МП с точки зрения пользователя. Описание архитектуры МП в таком понимании включает описание пользовательских возможностей программирования (в частности, состава регистров МП), системы команд, способов адресации, логической организации памяти, средств ввода/вывода и типов обрабатываемых данных. С этой точки зрения архитектуры МП считаются одинаковыми, если они способны выполнять одни и те же программы. Хотя эти МП могут отличаться друг от друга на уровне физических компонентов аппаратных средств и на уровне способов реализации узлов МП.
Основные характеристики памяти:
временем доступа (быстродействием);
потребляемой мощностью (энергопотреблением).
Время доступа – это промежуток времени, за который может быть записано или прочитано содержимое ячейки памяти после подачи ее адреса и соответствующего управляющего сигнала. Емкость определяет количество ячеек или битов в устройстве памяти. Может быть несколько устройств памяти. Стоимость измеряется денежными затратами в расчете на единицу емкости памяти. Потребляемая мощность измеряется затратами энергии в расчете на единицу емкости памяти.
Основные характеристики внешних запоминающих устройств:
продольной (вдоль дорожки) плотностью записи информации, измеряемой числом бит на единицу длины или количеством секторов стандартного размера на дорожке;
радиальной (по радиусу диска) плотностью записи информации, измеряемой числом дорожек на единицу длины или количеством дорожек на поверхности диска определенного диаметра;
средним временем доступа, являющимся суммарным среднего времени позиционирования блока магнитных головок на дорожке и среднего времени ожидания, требуемого для подхода к головкам нужного сектора;
временем перемещения блока магнитных головок на соседнюю дорожку;
Основные характеристики устройств ввода-вывода
Клавиатуры:
эргономические (общекомпоновочные решения клавиатуры в ПК; толщину клавиатуры и угол ее наклона относительно горизонтали; схему расположения клавиш, их цвет, форму и размеры; необходимое усилие для нажатия клавиши и ее свободный ход; коэффициент отражения света клавишами и всей поверхностью клавиатуры; легкость чтения надписей);
Первым арифмометром, способным выполнять четыре основных арифметических действия, стал арифмометр знаменитого французского ученого и философа Блеза Паскаля. Основным элементом в нем было зубчатое колесо, изобретение которого уже само по себе стало ключевым событием в истории вычислительной техники. Хотелось бы отметить, что эволюция в области вычислительной техники носит неравномерный, скачкообразный характер: периоды накопления сил сменяются прорывами в разработках, после чего наступает период стабилизации, во время которого достигнутые результаты используются практически и одновременно накапливаются знания и силы для очередного рывка вперед. После каждого витка процесс эволюции выходит на новую, более высокую ступень.
Управление производственным процессом. Машина управляла работой ткацкого станка, изменяя узор создаваемой ткани в зависимости от сочетания отверстий на специальной бумажной ленте. Эта лента стала предшественницей таких знакомых нам всем носителей информации, как перфокарты и перфоленты.
Программируемость. Работой машины также управляла специальная бумажная лента с отверстиями. Порядок следования отверстий на ней определял команды и обрабатываемые этими командами данные. Машина имела арифметическое устройство и память. В состав команд машины входила даже команда условного перехода, изменяющая ход вычислений в зависимости от некоторых промежуточных результатов.
В разработке этой машины принимала участие графиня Ада Августа Лавлейс, которую считают первой в мире программистом.
Идеи Чарльза Бэббиджа развивались и использовались другими учеными. Так, в 1890 году, на рубеже XX века, американец Герман Холлерит разработал машину, работающую с таблицами данных (первый Excel?). Машина управлялась программой на перфокартах. Она использовалась при проведении переписи населения в США в 1890 году. В 1896 году Холлерит основал фирму, явившуюся предшественницей корпорации IBM. Со смертью Бэббиджа в эволюции вычислительной техники наступил очередной перерыв вплоть до 30-х годов XX века. В дальнейшем все развитие человечества стало немыслимым без компьютеров.
В 1938 году центр разработок ненадолго смещается из Америки в Германию, где Конрад Цузе создает машину, которая оперирует, в отличие от своих предшественниц, не десятичными числами, а двоичными. Эта машина также была все еще механической, но ее несомненным достоинством было то, что в ней была реализована идея обработки данных в двоичном коде. Продолжая свои работы, Цузе в 1941 году создал электромеханическую машину, арифметическое устройство которой было выполнено на базе реле. Машина умела выполнять операции с плавающей точкой.
За океаном, в Америке, в этот период также шли работы по созданию подобных электромеханических машин. В 1944 году Говард Эйкен спроектировал машину, которую назвали Mark-1 . Она, как и машина Цузе, работала на реле. Но из-за того, что эта машина явно была создана под влиянием работ Бэббиджа, она оперировала с данными в десятичной форме.
Естественно, из-за большого удельного веса механических частей эти машины были обречены.
К концу тридцатых годов XX столетия потребность в автоматизации сложных вычислительных процессов сильно возросла. Этому способствовало бурное развитие таких отраслей, как самолетостроение, атомная физика и других. С 1945 года по наши дни вычислительная техника прошла 4 поколения в своём развитии:
Начиная с 1943 года, группа специалистов под руководством Говарда Айткена, Дж. Моучли и П. Эккерта в США начала конструировать вычислительную машину на основе электронных ламп, а не на электромагнитных реле. Эта машина была названа ENIAC (Electronic Numeral Integrator And Computer) и работала она в тысячу раз быстрее, чем «Марк-1». ENIAC содержал 18 тысяч вакуумных ламп, занимал площадь 9х15 метров, весил 30 тонн и потреблял мощность 150 киловатт. ENIAC имел и существенный недостаток – управление им осуществлялось с помощью коммутационной панели, у него отсутствовала память, и для того чтобы задать программу приходилось в течение нескольких часов или даже дней подсоединять нужным образом провода. Худшим из всех недостатков была ужасающая ненадежность компьютера, так как за день работы успевало выйти из строя около десятка вакуумных ламп.
Чтобы упростить процесс задания программ, Моучли и Эккерт стали конструировать новую машину, которая могла бы хранить программу в своей памяти. В 1945 году к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман, который подготовил доклад об этой машине. В этом докладе фон Нейман ясно и просто сформулировал общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств, т.е. компьютеров. Это первая действующая машина, построенная на вакуумных лампах, официально была введена в эксплуатацию 15 февраля 1946 года. Эту машину пытались использовать для решения некоторых задач, подготовленных фон Нейманом и связанных с проектом атомной бомбы. Затем она была перевезена на Абердинский полигон, где работала до 1955 года.
ENIAC стал первым представителем 1-го поколения компьютеров. Любая классификация условна, но большинство специалистов согласилось с тем, что различать поколения следует исходя из той элементной базы, на основе которой строятся машины. Таким образом, первое поколение представляется ламповыми машинами.
Необходимо отметить огромную роль американского математика фон Неймана в становлении техники первого поколения. Нужно было осмыслить сильные и слабые стороны ENIAC и дать рекомендации для последующих разработок. В отчете фон Неймана и его коллег Г. Голдстайна и А.Беркса (июнь 1946 года) были четко сформулированы требования к структуре компьютеров. Многие положения этого отчета получили название принципов Фон Неймана.
Первые проекты отечественных ЭВМ были предложены С.А. Лебедевым, Б.И. Рамеевым в 1948г. В 1949-51гг. по проекту С.А. Лебедева была построена МЭСМ (малая электронно-счетная машина). Первый пробный пуск макета машины состоялся в ноябре 1950 года, а в эксплуатацию машина была сдана в 1951 году. МЭСМ работала в двоичной системе, с трехадресной системой команд, причем программа вычислений хранилась в запоминающем устройстве оперативного типа. Машина Лебедева с параллельной обработкой слов представляла собой принципиально новое решение. Она была одной из первых в мире и первой на европейском континенте ЭВМ с хранимой в памяти программой.
К ЭВМ 1-го поколения относится и БЭСМ-1 (большая электронно-счетная машина), разработка которой под руководством С.А. Лебедева была закончена в 1952г., она содержала 5 тыс. ламп, работала без сбоев в течение 10 часов. Быстродействие достигало 10 тыс. операций в секунду (Приложение 1).
ЭВМ первого поколения обладали быстродействием несколько десятков тысяч операций в секунду. В качестве внутренней памяти применялись ферритовые сердечники, а АЛУ и УУ были построены на электронных лампах. Быстродействие ЭВМ определялось более медленным компонентом – внутренней памятью и это снижало общий эффект.
ЭВМ первого поколения являлась ориентация на выполнение арифметических операций. При попытках приспособления для задач анализа они оказывались неэффективными.
Языков программирования как таковых еще не было, и для кодирования своих алгоритмов программисты использовали машинные команды или ассемблеры. Это усложняло и затягивало процесс программирования.
К концу 50-х годов средства программирования претерпевают принципиальные изменения: осуществляется переход к автоматизации программирования с помощью универсальных языков и библиотек стандартных программ. Использование универсальных языков повлекло возникновение трансляторов.
Программы выполнялись задача за задачей, т.е. оператору надо было следить за ходом решения задачи и при достижении конца самому инициировать выполнение следующей задачи.
Соответственно расширялась и сфера применения компьютеров. Теперь уже не только ученые могли рассчитывать на доступ к вычислительной технике; компьютеры нашли применение в планировании и управлении, а некоторые крупные фирмы даже компьютеризировали свою бухгалтерию, предвосхищая моду на двадцать лет.
Элементной базой второго поколения стали полупроводники. Без сомнения, транзисторы можно считать одним из наиболее впечатляющих чудес XX века.
Патент на открытие транзистора был выдан в 1948 году американцам Д.Бардину и У.Браттейну, а через восемь лет они вместе с теоретиком В. Шокли стали лауреатами Нобелевской премии. Скорости переключения уже первых транзисторных элементов оказались в сотни раз выше, чем ламповых, надежность и экономичность – тоже. Впервые стала широко применяться память на ферритовых сердечниках и тонких магнитных пленках, были опробованы индуктивные элементы – параметроны.
Первая бортовая ЭВМ для установки на межконтинентальной ракете – «Атлас» – была введена в эксплуатацию в США в 1955 году. В машине использовалось 20 тысяч транзисторов и диодов, она потребляла 4 киловатта.В 1961 году наземные компьютеры «стретч» фирмы «Бэрроуз» управляли космическими полетами ракет «Атлас», а машины фирмы IBM контролировали полет астронавта Гордона Купера. Под контролем ЭВМ проходили полеты беспилотных кораблей типа «Рейнджер» к Луне в 1964 году, а также корабля«Маринер» к Марсу. Аналогичные функции выполняли и советские компьютеры.
В 1956 г. фирмой IBM были разработаны плавающие магнитные головки на воздушной подушке. Изобретение их позволило создать новый тип памяти – дисковые запоминающие устройства, значимость которых была в полной мере оценена в последующие десятилетия развития вычислительной техники. Первые запоминающие устройства на дисках появились в машинах IBM-305 и RAMAC(Приложение 4). Последняя имела пакет, состоявший из 50 металлических дисков с магнитным покрытием, которые вращались со скоростью 12000 об/мин. На поверхности диска размещалось 100 дорожек для записи данных, по 10000 знаков каждая.
Первые серийные универсальные ЭВМ на транзисторах были выпущены в 1958 году одновременно в США, ФРГ и Японии.
В Советском Союзе первые безламповые машины «Сетунь», «Раздан» и «Раздан-2» были созданы в 1959-1961 годах. В 60-х годах советские конструкторы разработали около 30 моделей транзисторных компьютеров, большинство которых стали выпускаться серийно. Наиболее мощный из них – «Минск-32» выполнял 65 тысяч операций в секунду. Появились целые семейства машин: «Урал», «Минск», БЭСМ.
Рекордсменом среди ЭВМ второго поколения стала БЭСМ-6 (Приложение 6), имевшая быстродействие около миллиона операций в секунду – одна из самых производительных в мире. Архитектура и многие технические решения в этом компьютере были настолько прогрессивными и опережающими свое время, что он успешно использовался почти до нашего времени.
Специально для автоматизации инженерных расчетов в Институте кибернетики Академии наук УССР под руководством академика В.М. Глушкова были разработаны компьютеры МИР (1966) и МИР-2 (1969). Важной особенностью машины МИР-2 явилось использование телевизионного экрана для визуального контроля информации и светового пера, с помощью которого можно было корректировать данные прямо на экране.
Построение таких систем, имевших в своем составе около 100 тысяч переключательных элементов, было бы просто невозможным на основе ламповой техники. Таким образом, второе поколение рождалось в недрах первого, перенимая многие его черты. Однако к середине 60-х годов бум в области транзисторного производства достиг максимума – произошло насыщение рынка. Дело в том, что сборка электронного оборудования представляла собой весьма трудоемкий и медленный процесс, который плохо поддавался механизации и автоматизации. Таким образом, созрели условия для перехода к новой технологии, которая позволила бы приспособиться к растущей сложности схем путем исключения традиционных соединений между их элементами.
В рамках третьего поколения в США была построена уникальная машина «ИЛЛИАК-4», в составе которой в первоначальном варианте планировалось использовать 256 устройств обработки данных, выполненных на монолитных интегральных схемах. Позднее проект был изменен, из-за довольно высокой стоимости (более 16 миллионов долларов). Число процессоров пришлось сократить до 64, а также перейти к интегральным схемам с малой степенью интеграции. Сокращенный вариант проекта был завершен в 1972 году, номинальное быстродействие «ИЛЛИАК-4» составило 200 миллионов операций в секунду. Почти год этот компьютер был рекордсменом в скорости вычислений.
Очередная смена элементной базы привела к смене поколений. В 70-е годы 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.
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, недоверчивой улыбкой. Наверное, этих улыбок стало бы меньше, если бы можно было предвидеть, что именно эта идея станет причиной вымирания больших ЭВМ через каких-нибудь полтора десятка лет.
Итак, первый микропроцессор 4004 был создан фирмой Intel на рубеже 70-х годов. Он представлял собой 4-разрядное параллельное вычислительное устройство, и его возможности были сильно ограничены. 4004 мог производить четыре основные арифметические операции и применялся поначалу только в карманных калькуляторах. Позднее сфера его применения была расширена за счет использования в различных системах управления (например, для управления светофорами). Фирма Intel, правильно предугадав перспективность микропроцессоров, продолжила интенсивные разработки, и один из ее проектов в конечном итоге привел к крупному успеху, предопределившему будущий путь развития вычислительной техники.
ереход к компьютерам пятого поколения предполагал переход к новым архитектурам, ориентированным на создание искусственного интеллекта.
Основные требования к компьютерам 5-го поколения: Создание развитого человеко-машинного интерфейса (распознавание речи, образов); Развитие логического программирования для создания баз знаний и систем искусственного интеллекта; Создание новых технологий в производстве вычислительной техники; Создание новых архитектур компьютеров и вычислительных комплексов.
Новые технические возможности вычислительной техники должны были расширить круг решаемых задач и позволить перейти к задачам создания искусственного интеллекта. В качестве одной из необходимых для создания искусственного интеллекта составляющих являются базы знаний (базы данных) по различным направлениям науки и техники. Для создания и использования баз данных требуется высокое быстродействие вычислительной системы и большой объем памяти. Универсальные компьютеры способны производить высокоскоростные вычисления, но не пригодны для выполнения с высокой скоростью операций сравнения и сортировки больших объемов записей, хранящихся обычно на магнитных дисках. Для создания программ, обеспечивающих заполнение, обновление баз данных и работу с ними, были созданы специальные объектно ориентированные и логические языки программирования, обеспечивающие наибольшие возможности по сравнению с обычными процедурными языками. Структура этих языков требует перехода от традиционной фон-неймановской архитектуры компьютера к архитектурам, учитывающим требования задач создания искусственного интеллекта.
К классу суперкомпьютеров относят компьютеры, которые имеют максимальную на время их выпуска производительность, или так называемые компьтеры 5-го поколения.
В мире суперкомпьютеров известна и компания Intel. Многопроцессорные компьютеры Paragon фирмы Intel в семействе многопроцессорных структур с распределенной памятью стали такой же классикой.
В 1946 году Д. фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей совместной статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. В последствие на основе этих принципов производились первые два поколения компьютеров. В более поздних поколениях происходили некоторые изменения, хотя принципы Неймана актуальны и сегодня. По сути, Нейману удалось обобщить научные разработки и открытия многих других ученых и сформулировать на их основе принципиально новые принципы:
1. Принцип представления и хранения чисел.
Для представления и хранения чисел используется двоичная система счисления. Преимущество перед десятичной системой счисления заключается в том, что бит легко реализуется, память на битах большого объема достаточно дешевая, устройства можно делать достаточно простыми, арифметические и логические операции в двоичной системе счисления также выполняются достаточно просто.
2. Принцип программного управления ЭВМ.
Работой ЭВМ управляет программа, состоящая из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за другом. Команды обрабатывают данные, хранимые в памяти компьютера.
3. Принцип хранимой программы.
Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ. При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе счисления, т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными.
4. Принцип прямого доступа к памяти.
Ячейки оперативной памяти ЭВМ имеют последовательно пронумерованные адреса. В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу.
5. Принцип ветвления и циклических вычислений.
Команды условного перехода позволяют реализовать переход к любому участку кода, обеспечивая тем самым возможность организации ветвления и повторного выполнения некоторых участков программы.
Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора). Программу стало возможно легко изменить. А вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень простой. Для сравнения, программа компьютера ENIAC (где не было хранимой в памяти программы) определялась специальными перемычками на панели. Чтобы перепрограммировать машину (установить перемычки по-другому) мог потребоваться далеко не один день.
И хотя программы для современных компьютеров могут разрабатываться месяцами, однако их инсталляция (установка на компьютере) занимает даже для больших программ несколько минут. Такая программа может быть установлена на миллионах компьютеров, и работать на каждом из них годами.
Историю развития современных ЭВМ разделяют на 4 поколения. 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:
П О К О Л Е Н И Я Э В М
1972 - настоящее время
Количество ЭВМ в мире (шт.)
Быстродействие (операций в сек.)
Гибкий и лазерный диск
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.
· 1946г. ЭНИАК
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 м 3 ., вес - 30 тонн. Использовалось около 20000 электронных ламп и 1500 реле. Мощность ее была до 150 кВт.
· 1949г. ЭДСАК
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.
· 1951г. МЭСМ
В 1948г. году академик Сергей Алексеевич Лебедев предложил проект первой на континенте Европы ЭВМ – Малой электронной счетно-решающей машины (МЭМС). В 1951г. МЭСМ официально вводится в эксплуатацию, на ней регулярно решаются вычислительные задачи. Машина оперировала с 20разрядными двоичными кодами с быстродействием 50 операций в секунду, имела оперативную память в 100 ячеек на электронных лампах.
· 1951г. UNIVAC-1. (Англия)
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.
· 1952-1953г. БЭСМ-2
Вводится в эксплуатацию БЭСМ-2 (большая электронная счетная машина) с быстродействием около 10 тыс. операций в секунду над 39-разрядными двоичными числами. Оперативная память на электронно-акустических линиях задержки - 1024 слова, затем на электронно-лучевых трубках и позже на ферритовых сердечниках. ВЗУ состояло из двух магнитных барабанов и магнитной ленты емкостью свыше 100 тыс. слов.
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 работал с большей скоростью.
Во II-ом поколении компьютеров дискретные транзисторные логические элементы вытеснили электронные лампы. В качестве носителей информации использовались магнитные ленты ("БЭСМ-6", "Минск-2","Урал-14") 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.
В 1960 г. появились первые интегральные системы (ИС), которые получили широкое распространение в связи с малыми размерами, но громадными возможностями. ИС - это кремниевый кристалл, площадь которого примерно 10 мм 2 . 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.
(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 см 2 .). 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. Ёмкость оперативной памяти порядка 1 - 64 Мбайт.
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 .
Сейчас ведутся интенсивные разработки ЭВМ V поколения. Разработка последующих поколений компьютеров производится на основе больших интегральных схем повышенной степени интеграции, использования оптоэлектронных принципов (лазеры, голография).
Ставятся совершенно другие задачи, нежели при разработки всех прежних ЭВМ. Если перед разработчиками ЭВМ с I по IV поколений стояли такие задачи, как увеличение производительности в области числовых расчётов, достижение большой ёмкости памяти, то основной задачей разработчиков ЭВМ V поколения является создание искусственного интеллекта машины (возможность делать логические выводы из представленных фактов), развитие "интеллектуализации" компьютеров - устранения барьера между человеком и компьютером. Компьютеры будут способны воспринимать информацию с рукописного или печатного текста, с бланков, с человеческого голоса, узнавать пользователя по голосу, осуществлять перевод с одного языка на другой. Это позволит общаться с ЭВМ всем пользователям, даже тем, кто не обладает специальных знаний в этой области. ЭВМ будет помощником человеку во всех областях.
Каждый этап развития ЭВМ определяется совокупностью элементов ЭВМ, из которых строились компьютеры — элементной базой.
С изменением элементной базы ЭВМ значительно изменялись характеристики, внешний вид, габариты, возможности компьютеров. Через каждые 8 — 10 лет происходил резкий скачок в конструкции и способах производства ЭВМ.
ЭВМ первого поколения
В октябре 1945 года в США был создан первый компьютер ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Calculator — электронный числовой интегратор и вычислитель).
В ЭВМ первого поколения использовались электронные лампы. Так, фирма IBM в 1952 году выпустила первый промышленный компьютер IBM-701, содержащий 4000 электронных ламп и 12000 германиевых диодов. Один компьютер этого типа занимал площадь порядка 30 кв. метров, потреблял много электроэнергии, имел низкую надежность. Поиск неисправности составлял 3-5 дней.
ЭВМ второго поколения
ЭВМ второго поколения составляли транзисторы, они занимали меньше места, потребляли меньше электроэнергии и были более надёжными. В 1955 году в США было объявлено о разработке полностью транзисторной ЭВМ — TRADIC включающей 800 транзисторов и 11000 диодов. В 1958 году машина Philco — 2000 содержала 56 тыс. транзисторов, 1, 2 тыс. диодов и 450 электронных ламп.
Наивысшим достижением отечественной вычислительной техники созданной коллективом С.А. Лебедева явилась разработка в 1966 году полупроводниковой ЭВМ БЭСМ-6 с производительностью 1 млн. операций в секунду.
ЭВМ третьего поколения
ЭВМ третьего поколения обязано созданием интегральной схемы (ИC) в виде одного кристалла, в миниатюрном корпусе которого были сосредоточены транзисторы, диоды, конденсаторы, резисторы. Создание процессоров осуществлялось на базе планарно-диффузионной технологии.
В 1964 году фирма IBM объявила о создании модели IBM-360, производительность её достигала несколько миллионов операций в секунду, объём памяти значительно превосходил машины второго поколения. В 1966 — 67 гг. ЭВМ 3-го были выпущены фирмами Англии, ФРГ, Японии.
В 1969 году СССР совместно со странами СЭВ была принята программа разработки машин 3-го поколения. В 1973 была выпущена первая модель ЭВМ серии ЕС, с 1975 года появились модели ЕС-1012, ЕС-1032, ЕС-1033, ЕС-1022, а позже более мощная ЕС-1060.
При развитии ЭВМ третьего поколения, начиная с 60-х годов, элементарная база перестала быть определяющим признаком поколения. Предпочтение стали отдавать архитектуре (составу аппаратных средств), функционально-структурной организации и программному обеспечению. Миникомпьютеры для народного хозяйства обозначались СМ ЭВМ (Система малых ЭВМ).
К ЭВМ четвертого поколения относятся ПЭВМ “Электроника МС 0511” комплекта учебной вычислительной техники КУВТ УКНЦ, а также современные IBM — совместимые компьютеры, на которых мы работаем.
ЭВМ пятого поколения
В 1980-егоды стало ясно, что использование компьютерной техники позволило резко повысить производительность труда при обработке больших потоков информации, сфера внедрения ЭВМ активно расширялась во все отрасли народного хозяйства. А это заставило разработчиков совершенствовать компьютерную технику. Постепенно прорисовывались требования к ЭВМ пятого поколения. Они должны:
накапливать и хранить большие массивы информации и оперативно ее выдавать пользователю;
анализировать информацию и выдавать оптимальные решения, т. е. быть интеллектуальным компьютером;
общаться с помощью голоса на языке пользователя, воспринимать и обрабатывать текстовую и графическую информацию;
объединить в сети ЭВМ различных классов для обработки и передачи информации на большие расстояния.
В ЭВМ пятого поколения предусматривается другой принцип работы процессоров и способы обработки информации в них. В настоящее время компьютеров пятого поколения, пока, не создано.
Читайте также: