Пятое поколение эвм таблица по информатике. Реферат по истории информатики на тему " поколения эвм история и периодизация" - реферат
Санкт Петербургский государственный университет информационных технологий механики и оптики
Реферат
По истории информатики на тему
“Поколения ЭВМ – история и периодизация”
Санкт-Петербург
2008 г.
Введение …………………………………………………………………………………………….3Поколения ЭВМ……………………………………………………………………………………..41 поколение (до 1955 г.)…………………………………………………………………………….42 поколение………………………………………………………………………………………….73 поколение………………………………………………………………………………………….84 поколение………………………………………………………………………………………...10Какими должны быть ЭВМ 5 поколения………………………………………………………...11Микропроцессоры и их применение……………………………………………………………..12Перспективы развития ВТ………………………………………………………………………...12Заключение………………………………………………………………………………………...14Список литературы………………………………………………………………………………..15ВВЕДЕНИЕ
Первая страница в истории создания вычислительных машин связана с именем
французского философа, писателя, математика и физика Блеза Паскаля. В 1641
г. 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.
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: П О К О Л Е Н И Я Э В М (*) ХАРАКТЕРИСТИКИ
| Годы применения | Основной элемент | Количество ЭВМ в мире (шт.) | Быстродействие (операций в секунду) | Носитель информации | Размеры ЭВМ |
|
| Перфокарта, Перфолента | ||||||
| Транзистор | Магнитная Лента | Значительно меньше |
||||
| Десятки тысяч | ||||||
| 1972 - настоящее время | Миллионы | Гибкий и лазерный диск | Микро ЭВМ |
I поколение (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. Первая электронная лампа - вакуумный диод - была построена Флемингом лишь в
1904 году, хотя эффект прохождения электрического тока через вакуум был
открыт Эдисоном в 1883 году. Вскоре, Ли де Форрест изобретает вакуумный
триод - лампу с тремя электродами, затем появляется газонаполненная
электронная лампа - тиратрон, пятиэлектродная лампа - пентод и т. д. До 30-
х годов электронные вакуумные и газонаполненные лампы использовались
главным образом в радиотехнике. Но в 1931 году англичанин Винни-Вильямс
построил (для нужд экспериментальной физики) тиратронный счетчик
электрических импульсов, открыв тем самым новую область применения
электронных ламп. Электронный счетчик состоит из ряда триггеров. Триггер,
изобретенный М. А. Бонч-Бруевичем (1918) и - независимо - американцами У.
Икклзом и Ф. Джорданом (1919), содержит 2 лампы и в каждый момент может
находиться в одном из двух устойчивых состояний; он представляет собой
электронное реле. Подобно электромеханическому, оно может быть использовано
для хранения одной двоичной цифры. Электронная лампа.
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:
- 1946г. ЭНИАК
- 1949г. ЭДСАК.
- 1951г. МЭСМ
компьютеров, такие как: > наличие арифметических устройств, памяти, устройств ввода/вывода и управления; > кодирование и хранение программы в памяти, подобно числам; > двоичная система счисления для кодирования чисел и команд; > автоматическое выполнение вычислений на основе хранимой программы; > наличие как арифметических, так и логических операций; > иерархический принцип построения памяти; > использование численных методов для реализации вычислений.
- 1951г. UNIVAC-1. (Англия)
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. 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. 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! Примерами транзисторных
компьютеров могут послужить "Стретч" (Англия), "Атлас" (США). В то время
СССР шел в ногу со временем и выпускал ЭВМ мирового уровня (например "БЭСМ-
6"). БЭСМ-6 стала первой отечественной вычислительной машиной, которая была
принята Государственной комиссией с полным математическим обеспечением. В
ее создании принимали участие многие ведущие специалисты страны. Лебедев
одним из первых понял огромное значение совместной работы математиков и
инженеров в создании вычислительных систем. Значение этого становится
очевидным, когда разработка эффективной вычислительной техники перерастает
из проблемы инженерно-технологической в проблему математическую, которую
можно решить только совместными усилиями инженеров и математиков. Наконец - и это тоже важно, - все схемы БЭСМ-6 по инициативе С.А.Лебедева
были записаны формулами булевой алгебры. Это открыло широкие возможности
для автоматизации проектирования и подготовки монтажной и производственной
документации. Она выдавалась на завод в виде таблиц, полученных на БЭСМ-2,
где проводилось и моделирование структурных схем. В дальнейшем система
проектирования была существенно усовершенствована, благодаря работам Г.Г.
Рябова (система "Пульс"). Основные принципиальные особенности БЭСМ-6: магистральный, или, как в
1964 г. назвал его С.А. Лебедев, водопроводный принцип организации
управления; с его помощью потоки команд и операндов обрабатываются
параллельно (до восьми машинных команд на различных стадиях); использование
ассоциативной памяти на сверхбыстрых регистрах, что сократило количество
обращений к ферритной памяти, позволило осуществить локальную оптимизацию
вычислений в динамике счета; расслоение оперативной памяти на автономные
модули, что дало возможность одновременно обращаться к блокам памяти по
нескольким направлениям; многопрограммный режим работы для одновременного
решения нескольких задач с заданными приоритетами; аппаратный механизм
преобразования математического адреса в физический, что дало возможность
динамически распределять оперативную память в процессе вычислений
средствами операционной системы; принцип полистовой организации памяти и
разработанные на его основе механизмы защиты по числам и командам; развитая
система прерывания, необходимая для автоматического перехода с решения
одной задачи на другую, обращения к внешним устройствам, контроля их
работы. В электронных схемах БЭСМ-6 использовано 60 тыс. транзисторов и 180 тыс.
полупроводников-диодов.
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. 1968 год. Начало эры ЕС ЭВМ.
Пожалуй, историю советского компьютеростроения можно разделить на две эпохи - до и после начала выпуска ЕС ЭВМ. Слишком важную роль сыграло появление этих машин в развитии отечественной вычислительной техники. И совсем по-разному шло это развитие до и после 1968 года. Существует мнение, что решение о воспроизведении в ЕС-архитектурe машин IBM стало началом заката советского компьютеростроения, поворотом от творческого поиска к бездумному копированию. К концу 60-х в нашей стране выпускались ЭВМ общего назначения (около 20 типов), а также специализированные машины преимущественно для оборонного ведомства. Машин было много, хороших и разных (вот именно разных) и каждая требовала специальных усилий по разработке собственного программного обеспечения. Да и этого «много» становилось недостаточно - и инженеры, и ученые, и хозяйственники, и чиновники, наконец, начали осознавать роль вычислительных машин и насущную необходимость в их разработке. Правительство планировало существенно расширить производство ЭВМ в стране. И тогда встал вопрос, - каких ЭВМ? К тому времени появилась информация о новом этапе в разработке вычислительных машин, начатом компанией IBM. 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. В конце 60-х в нашей стране столкнулись проблемой - как перейти от создания отдельных уникальных экземпляров к индустрии вычислительных машин, количество которых покроет потребность в ЭВМ не единичных научных институтов, а десятков тысяч промышленных предприятий и других организаций. В конце 1967 года на правительственном уровне принимается решение о создании семейства универсальных вычислительных машин (единой серии ЭВМ - ЕС ЭВМ). В качестве прототипа «РЯДа» (таково первоначальное название ЕС) была выбрана серия IBM S/360. И в 1968 году в Минске, где располагалось наиболее современное и технологичное производство универсальных ЭВМ, началась работа над первой машиной семейства. Одним из главных аргументов в пользу американских машин была богатейшая библиотека программ, которую можно было использовать только в том случае, если имеются машины идентичной архитектуры. Так что оснащение множества организаций машинами, на которых сразу будет мощная библиотека прикладных программ, представлялось весьма заманчивой перспективой. А именно это должно было произойти с выпуском ЕС. Хотя с 70-х прекратился выпуск «Минсков» и пензенских «Уралов», советские ученые довольно успешно продолжали исследования в данной области.
ЭВМ 4-го поколения.
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. 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.
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).
Примером крупных вычислительных систем, которые следует отнести к четвертому поколению, является многопроцессорный комплекс «Эльбрус-2» с суммарным быстродействием до 100 млн. опер/с, с системой команд, приближенной к языкам высокого уровня, стековой организацией обращений к памяти.
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. В настоящее время исследования по подобным проблемам ведутся и в России.
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.
Микропроцессоры и их применение.
В 1959 году фирма INTEL (США) по заказу фирмы Datapoint (США) начала создавать микропроцессоры (МП). Первым микропроцессором на мировом рынке стал МП Intel 8008. В последние годы появились такие МП, которые могут полностью автоматизировать производство и многие сферы обслуживания. Но это может привести к росту безработицы. МП - это эффективный с технологической и экономической точки зрения инструмент для переработки возрастающих потоков информации. 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.
Перспективы развития вычислительной техники.
Уже сейчас вычислительная техника достигла просто потрясающих высот. Так в 2002 году для Института наук о земле в городе Иокогама (Япония) корпорацией NEC был создан наимощнейший на сегодняшний день суперкомпьютер Eerth Simulator. Производительность новой машины, определенная при помощи стандартных тестов Linpack, составляет 35,6 TELOPS(триллионов операций с плавающей запятой в секунду). Если сопоставить полученные результаты с показателями, приведенными в перечне Top 500(рейтинг 500 наиболее мощных компьютеров мира), становится ясно, что Earth Simulator работает быстрее, чем 18 лучших по предыдущему рейтингу, машин вместе взятых. Каковы же перспективы совершенствования персональных компьютеров, и что нас ожидает в дальнейшем в этой сфере? Сотрудникам Белловских лабораторий удалось создать транзистор размером в 60 атомов! Они считают, что транзисторы ко дню своего шестидесятилетия (2007 год) по ряду параметров достигнут физических пределов. Так, размер транзистора должен стать чуть меньше 0,01 мкм (уже достигнут размер 0,05 мкм). Это означает, что на чипе площадью 10 кв. см можно будет разместить 20 000 000 транзисторов. Описывая бурно развивающуюся в настоящее время технологию производства пластиковых транзисторов, они приходят к достаточно логичному выводу, что сумма всех усовершенствований приведет к созданию «финального компьютера», более мощного, чем современные рабочие станции. Компьютер этот будет иметь размер почтовой марки и, соответственно, цену, не превышающую цены почтовой марки. Представим себе, наконец, гибкий экран телевизора или компьютерного монитора, который не разобьется, если швырнуть его на землю. А что можно сказать о пластинке величиной с обычную кредитную карточку, заполненной массой нужнейшей информации, включая ту, которая обычно и хранится в кредитной карточке, но выполненной из такого материала, что она никогда не потребует замены? В последнее время высказывались и мысли о том, что давно пора расстаться с электронами как основными действующими лицами на сценах микроэлектроники и обратиться к фотоном. Использование фотонов якобы позволит изготовить процессор компьютера размером с атом. О том, что наступление эпохи таких компьютеров уже не за горами говорит тот факт, что американским ученым удалось на доли секунды остановить фотонный пучок (луч света).
Заключение.
Сегодня, с таким колоссальным развитием ИТ-технологий и массовой компьютеризацией нашей планеты, когда компьютеры становятся нашим незаменимым помощником, все больше внедряясь в повседневную жизнь человека, принципы архитектуры компьютера остаются неизменными еще с того момента, как знаменитый математик Джон фон Нейман в 1945 году подготовил доклад об устройстве и функционировании универсальных вычислительных устройств, то есть компьютеров. Список литературы: 1. Алтухов Е.В., Рыбалко Л.А., Савченко В.С. Основы информатики и вычислительной техники, М., «Высшая школа», 1992. 2. Бордовский Г.А., Исаев Ю.В., Морозов В.В. Информатика в понятиях и терминах, М., 1991. 3. Бусленко Н.В. Кто быстрее всех читает?, М., 1989. 4. Выгодский М.Я. Арифметика и алгебра в древнем мире, М., «НАУКА», 1967. 5. Фигурнов В.Э. IBM PC для пользователя, Уфа, 1993. 6. Симонович С.В., Евсеев Г.А., Алексеев А.Г. Общая информатика, М., 1999. 7. Шафрин Ю. Информационные технологии, М., 1998. 8. – «Очерки по истории советской вычислительной техники и школ программирования» автор Наталия Дубова. 9. Герасименко В.А. Основы информатики (в 2-х частях). //МГИАН, 1991, Деп. в ВИНИТИ, N3718-B-91. 10. Громов Г.Р. Очерки информационной технологии. - М., Наука, 1993. В.Э.Фигурнов, "IBM PC для пользователя", М., "Инфра-М"1995г. 11. Дубровский Е.Н., Соколова И.В. Основы социальной информатики (конспект лекции). - М., МГСУ, 1996. 12. Казиев В.М. Математика и информатика (в 3-х частях). – Нальчик, «Полиграфсервис и Т», 2001.2001г.
Вопросы к контрольной работе.
1. Классическая структура ЭВМ 1-го поколения, ее характерные черты и недостатки.
2. Развитие структуры ЭВМ в машинах 2-го поколения. Характерные черты ЭВМ 2-го поколения.
3. Структура ЭВМ 3-го поколения, ее основные черты и режимы работы.
__________________________________________________________________
ВВЕДЕНИЕ
Первая страница в истории создания вычислительных машин связана с именем французского философа, писателя, математика и физика Блеза Паскаля. В 1641 г. 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. В настоящее время принято говорить о пяти поколениях ЭВМ:
1 – эл.вак.лампы, 50-е г.
2 – транзисторы, 60-е г.
3 – интегральные схемы (ИС), 70-е г.
4 – большие ИС (БИС) и сверхбольшие ИС, 80-е г.
5 – многопроцессорные системы с параллельной обработкой, 90-е г.
В этой контрольной работе мы сосредоточим свое внимание на рассмотрении ЭВМ первых трех поколений.
Кроме всего прочего хотелось бы также отметить и замечательные разработки ЭВМ первых поколений, которые существовали на территории тогдашнего СССР. А начиналось все параллельно и независимо от США, в характерной для холодной войны обстановке глубочайшей секретности. В США главным заказчиком зарождающейся вычислительной техники было Министерство обороны. У нас в конце 40-х – начале 50-х годов появляются первые идеи, первые проекты и, наконец, первые цифровые вычислительные машины – совершенно оригинальные, не скопированные с западных образцов. Собственно, никаких образцов и быть не могло. Формируются основные научные школы, создававшие машины первого и второго поколений. Это прежде всего школа выдающегося ученого, основоположника ЦВМ в нашей стране, академика С.А.Лебедева. Это школа И.С. Брука, под руководством которого создавались малые и управляющие ЭВМ. Это Пензенская научная школа, которую возглавлял Б.И. Рамеев и которая до конца 60-х годов успешно занималась универсальной вычислительной техникой общего назначения. Далее по ходу рассмотрения ЭВМ первых трех поколений мы будем упоминать работы вышеописанных советских научных школ.
ЭВМ первого поколения
ЭВМ первого поколения - это машины, основными деталями которых были электронные лампы. Компьютеры на их основе появились в 40-х годах XX века. Первая электронная лампа - вакуумный диод - была построена Флемингом лишь в 1904 году, хотя эффект прохождения электрического тока через вакуум был открыт Эдисоном в 1883 году. Вскоре Ли де Форрест изобретает вакуумный триод - лампу с тремя электродами, затем появляется газонаполненная электронная лампа - тиратрон, пятиэлектродная лампа - пентод и т. д. До 30-х годов электронные вакуумные и газонаполненные лампы использовались главным образом в радиотехнике. Но в 1931 году англичанин Винни-Вильямс построил (для нужд экспериментальной физики) тиратронный счетчик электрических импульсов, открыв тем самым новую область применения электронных ламп. Электронный счетчик состоит из ряда триггеров. Триггер, изобретенный М. А. Бонч-Бруевичем (1918) и - независимо - американцами У. Икклзом и Ф. Джорданом (1919), содержит 2 лампы и в каждый момент может находиться в одном из двух устойчивых состояний; он представляет собой электронное реле. Подобно электромеханическому, оно может быть использовано для хранения одной двоичной цифры.
Электронная лампа .
Электронная лампа - электровакуумный прибор (электровакуумные приборы - приборы для генерации , усиления и преобразования магнитной энергии , в которых рабочее пространство освобождено от воздуха и защищено от окружающей атмосферы жёской газонепроницаемой оболочкой ), действие которого основано на изменении потока электронов (отбираемых от катода и движушихся в вакууме ) электрическим полем , формируемым с помощью электродов . в зависимости от значеня выходной мощности электронные лампы делятся на приемно - усилительные лампы (выходная мощность - не свыше 10 Вт ) и генераторные лампы (свыше 10 Вт ).
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 штеккера с нужным гнездом.
Примерами машин I-го поколения могут служить Mark 1 , ENIAC, EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator), - первая машина с хранимой программой. UNIVAC (Universal Automatic Computer). Первый экземпляр Юнивака был передан в Бюро переписи населения США. Позднее было создано много разных моделей Юнивака, которые нашли применение в различных сферах деятельности. Таким образом, Юнивак стал первым серийным компьютером. Кроме того, это был первый компьютер, где вместо перфокарт использовалась магнитная лента.
Когда в СССР стало известно о создании в США машины ENIAC в АН Украины и в АН СССР была начата разработка первой, отечественной, действующей ЭВМ. Сведения о разработках на Западе поступали отрывочные, и, естественно, документация по первым ЭВМ была недоступна нашим специалистам. Руководителем разработки был назначен Сергей Александрович Лебедев. Разработка велась под Киевом, в секретной лаборатории в местечке Феофания. Малая электронная счетная машина (МЭСМ) – так называлось детище Лебедева и сотрудников его лаборатории – занимала целое крыло двухэтажного здания и состояла из 6 тысяч электронных ламп. Ее проектирование, монтаж и отладка были выполнены в рекордно быстрый срок – за 2 года, силами всего лишь 12 научных сотрудников и 15 техников. Несмотря на то, что МЭСМ по существу была лишь макетом действующей машины, она сразу нашла своих пользователей: к первой ЭВМ выстраивалась очередь киевских и московских математиков, задачи которых требовали использования быстродействующего вычислителя. В своей первой машине Лебедев реализовал основополагающие принципы построения компьютеров, такие как:
- наличие арифметических устройств, памяти, устройств ввода/вывода и управления;
- кодирование и хранение программы в памяти, подобно числам;
- двоичная система счисления для кодирования чисел и команд;
- автоматическое выполнение вычислений на основе хранимой программы;
- наличие как арифметических, так и логических операций;
- иерархический принцип построения памяти;
- использование численных методов для реализации вычислений.
После Малой электронной машины была создана и первая Большая – БЭСМ-1, над которой С.И. Лебедев работал уже в Москве, в ИТМ и ВТ АН СССР. Одновременно с ИТМ и ВТ и конкурируя с ним, разработкой ЭВМ занималось недавно сформированное СКБ-245 со своей ЭВМ "Стрела".
БЭСМ и "Стрела" составили парк созданного в 1955 году Вычислительного центра АН СССР, на который сразу легла очень большая нагрузка. Потребность в сверхбыстрых (по тем временам) расчетах испытывали математики, ученые-термоядерщики, первые разработчики ракетной техники и многие другие. Когда в 1954 году оперативная память БЭСМ была укомплектована усовершенствованной элементной базой, быстродействие машины (до 8 тысяч операций в секунду) оказалось на уровне лучших американских ЭВМ и самым высоким в Европе. Доклад Лебедева о БЭСМ в 1956 году на конференции в западногерманском городе Дармштадте произвел настоящий фурор, поскольку малоизвестная советская машина оказалась лучшей европейской ЭВМ. В 1958 году БЭСМ, теперь уже БЭСМ-2, в которой память на потенциалоскопах была заменена ЗУ на ферритовых сердечниках и расширен набор команд, была подготовлена к серийному производству на одном из заводов в Казани. Так начиналась история промышленного выпуска ЭВМ в Советском Союзе!
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 БЭСМ-2, 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.
ЭВМ второго поколения
Применение полупроводниковых приборов позволило резко повысить надежность ЭВМ, сократить ее массу, габариты и потребляемую мощность. Полупроводниковые элементы - транзисторы - составляли основу ЭВМ второго поколения. Эти ЭВМ по сравнению с ЭВМ первого поколения обладали большими возможностями и быстродействием.
А начиналось все так: 1 июля 1948 года на одной из страниц "Нью-Йорк Таймс", посвященной радио и телевидению, было помещено скромное сообщение о том, что фирма "Белл телефон лабораториз" разработала электронный прибор, способный заменить электронную лампу. Физик-теоретик Джон Бардин и ведущий экспериментатор фирмы Уолтер Брайттен создали первый действующий транзистор. Это был точечно-контактный прибор, в котором три металлических "усика" контактировали с бруском из поликристаллического германия.
Первые компьютеры на основе транзисторов появились в конце 50-х годов, а к середине 60-х годов были созданы более компактные внешние устройства, что позволило фирме Digital Equipment выпустить в 1965 г. первый мини-компьютер PDP-8 размером с холодильник и стоимостью всего 20 тыс. долларов.
Созданию транзистора предшествовала упорная, почти 10-летняя работа, которую еще в 1938 году начал физик теоретик Уильям Шокли. Применение транзисторов в качестве основного элемента в ЭВМ привело к уменьшению размеров компьютеров в сотни раз и к повышению их надежности.
Транзистор
Электронный прибор на основе полупроводникового кристалла, имеющий три (или боллее) вывода, предназначенный для генериррования и преобразования электрических колебаний. Изобретен в 1948 году У. Шокли, Дж. Бардином и Уолт. Брайтенном. Транзисторы составляют два основных крупных класса: униполярные и биполярные транзисторы.
В униполярных транзисторах протекание тока через кристалл обусловлено носителями заряда только одного знака - электронами или дырками.В биполярных транзисторах (которые обычно называют просто "Транзисторами") ток через кристалл обусловлен движением носителей заряда обоих знаков. Такой транзистор представляет собой монокристаллическую полупроводниковую пластину, в которой с помощью особых технологических приемов созданы 3 области с разной проводимостью: дырочной (p ) и электронной (n ). В зависимости от порядка их чередования различают транзисторы p-n-p типа и n-p-n типа. Средняя область (её обычно делают очень тонкой) - порядка нескольких мкм, называют базой, две другие - эмиттером и коллектором. База отделена от эмиттера и коллектора электронно-дырочными переходами (p-n переходами): эмиттерными и коллекторными. От базы, эмиттера и коллектора сделаны металлические выводы.
И все-таки самой удивительной способностью транзистора является то, что он один способен трудиться за 40 электронных ламп и при этом работать с большей скоростью, выделять очень мало тепла и почти не потреблять электроэнергию. Одновременно с процессом замены электронных ламп транзисторами совершенствовались методы хранения информации. Увеличился объем памяти, а магнитную ленту, впервые примененную в ЭВМ Юнивак, начали использовать как для ввода, так и для вывода информации. А в середине 60-х годов получило распространение хранение информации на дисках.
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! Примерами транзисторных компьютеров могут послужить "Стретч" (Англия), "Атлас" (США). В то время СССР шел в ногу со временем и выпускал ЭВМ мирового уровня (например "БЭСМ-6").
БЭСМ-6 стала первой отечественной вычислительной машиной, которая была принята Государственной комиссией с полным математическим обеспечением. В ее создании принимали участие многие ведущие специалисты страны. Лебедев одним из первых понял огромное значение совместной работы математиков и инженеров в создании вычислительных систем. Значение этого становится очевидным, когда разработка эффективной вычислительной техники перерастает из проблемы инженерно-технологической в проблему математическую, которую можно решить только совместными усилиями инженеров и математиков.
Наконец - и это тоже важно, - все схемы БЭСМ-6 по инициативе С.А.Лебедева были записаны формулами булевой алгебры. Это открыло широкие возможности для автоматизации проектирования и подготовки монтажной и производственной документации. Она выдавалась на завод в виде таблиц, полученных на БЭСМ-2, где проводилось и моделирование структурных схем. В дальнейшем система проектирования была существенно усовершенствована, благодаря работам Г.Г. Рябова (система "Пульс").
Основные принципиальные особенности БЭСМ-6: магистральный, или, как в 1964 г. назвал его С.А. Лебедев, водопроводный принцип организации управления; с его помощью потоки команд и операндов обрабатываются параллельно (до восьми машинных команд на различных стадиях); использование ассоциативной памяти на сверхбыстрых регистрах, что сократило количество обращений к ферритной памяти, позволило осуществить локальную оптимизацию вычислений в динамике счета; расслоение оперативной памяти на автономные модули, что дало возможность одновременно обращаться к блокам памяти по нескольким направлениям; многопрограммный режим работы для одновременного решения нескольких задач с заданными приоритетами; аппаратный механизм преобразования математического адреса в физический, что дало возможность динамически распределять оперативную память в процессе вычислений средствами операционной системы; принцип полистовой организации памяти и разработанные на его основе механизмы защиты по числам и командам; развитая система прерывания, необходимая для автоматического перехода с решения одной задачи на другую, обращения к внешним устройствам, контроля их работы.
В электронных схемах БЭСМ-6 использовано 60 тыс. транзисторов и 180 тыс. полупроводников-диодов. Элементная база БЭСМ-6 по тем временам была совершенно новой, в ней были заложены основы схемотехники ЭВМ третьего и четвертого поколений. Принцип разделения сложной машинной логики, построенной на диодных блоках, от однотипной усилительной части на транзисторах обеспечили простоту изготовления и надежность работы. Среднее быстродействие машины достигло 1 млн. операций в секунду.
Основные характеристики различных отечественных
ЭВМ второго поколения
Характеристики: |
БЭСМ-4 |
М-220 |
Урал-11 |
Минск-22 |
Урал-16 |
Минск-32 |
М-222 |
БЭСМ-6 |
Адресность |
1 и 2 |
|||||||
Форма представления данных |
С плавающей запятой |
С плавающей запятой |
С фиксированной запятой, символьная |
С плавающей и фиксированной запятой, символьная |
С плавающей запятой, символьная |
|||
Длина машинного слова (дв.разр.) |
||||||||
Быстродействие (оп/с) |
20 тыс. |
20 тыс. |
14-15 тыс. |
5 тыс. |
100 тыс |
до 65 тыс. |
27 тыс. |
1 млн. |
ОЗУ, тип, емкость (слов) |
Ферритовый сердечник
|
Ферритовый сердечник
|
Ферритовый сердечник
|
Ферритовый сердечник
|
Ферритовый сердечник
|
Ферритовый сердечник
|
Ферритовый сердечник
|
Ферритовый сердечник
|
ВЗУ, тип, емкость (слов) |
НМЛ
|
НМЛ
|
НМЛ
|
НМЛ
|
НМЛ
|
НМЛ
|
НМЛ
|
НМЛ
|
ЭВМ третьего поколения
Требование надежности, компактности, технологичности привели к созданию новой элементной базы ЭВМ - интегральных микросхем. Интегральная схема, которую также называют кристаллом, представляет собой миниатюрную электронную схему, вытравленную на поверхности кремниевого кристалла площадью около 10 мм 2 . С появления интегральных схем начались разработки ЭВМ третьего поколения. Машины этого поколения характеризуются расширенным набором всевозможного оборудования для ввода - вывода и хранения информации. Примером ЭВМ третьего поколения может служить единая система электронно-вычислительных машин (ЕС ЭВМ).
Первые и нтегральные с хемы (ИС ) появились в 1964 году. Сначала они использовались только в космической и военной технике. Сейчас же их можно обнаружить где угодно, включая автомобили и бытовые приборы. Что же качается компьютеров, то без интегральных схем они просто немыслимы!
Появление ИС означало подлинную революцию в вычислительной технике. Ведь она одна способна заменить тысячи транзисторов, каждый из которых в свою очередь уже заменил 40 электронных ламп. Другими словами, один крошечный кристалл обладает такими же вычислительными возможностями, как и 30-тонный Эниак! Быстродействие ЭВМ третьего поколения возросло в 100 раз, а габариты значительно уменьшились.
Интегральная схема.
Интегральная микросхема - микроминиатюрное электронное устройство, все или часть элементов которого нераздельно связаны конструктивно и соединены между собой электрически.
Интегральные схемы изготавливают из особо чистых полупроводниковых материалов (обычно кремний, германий), в которых перестраивают саму решетку кристаллов так, что отдельные области кристалла становятся элементами сложной схемы. Маленькая пластинка из кристаллического материала размерами примерно 1 мм 2 превращается в сложнейший электронный прибор, эквивалентный радиотехническому блоку из 50-100 и более обычных деталей. Он способен усиливать или генерировать сигналы и выполнять многие другие радиотехнические функции.
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). Поэтом производство интегральных схем осуществляется в особ 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.
Собственно, именно в эти годы с появлением семейства машин IBM 360 и возникло понятие компьютерной архитектуры, которое символизировало весь комплекс аппаратных и программных средств для решения пользовательских задач. Говоря об архитектуре, мы, как правило, не имеем в виду способы выполнения тех или иных функций или параметры и техническую организацию определенных устройств, входящих в состав вычислительной системы. У машин одного семейства они могут быть совершенно различны, однако общими будут системы команд, способы организации взаимосвязи между модулями и с внешними устройствами, а также матобеспечение.
К середине 60-х, на территории тогдашнего СССР, помимо основных научных школ по созданию вычислительных машин в Москве и Пензе выпуском ЭВМ занимались в Минске (серия машин средней производительности «Минск»), Ереване (минимашины и ЭВМ средней производительности «Наири», «Раздан»). Институт кибернетики АН Украины, возглавляемый Виктором Михайловичем Глушковым, проводил разнообразные теоретические исследования в области проектирования ЭВМ и воплощал теорию в реальных машинах – малых управляющих ЭВМ «Днепр», миникомпьютерах для инженерных применений «Промiнь» и «Мир». Академик Глушков стал страстным проповедником внедрения АСУ в народное хозяйство. Разработку аналогичных систем оборонного назначения вел и академик В.С.Семенихин.
30 декабря 1967 года ЦК и Совмин выпустили совместное постановление о разработке Единой Серии Электронных Вычислительных Машин. В своем роде это было уникальное постановление – впервые на таком уровне решалась судьба дальнейшего развития вычислительной техники в стране. Был создан Научно-исследовательский центр электронной вычислительной техники (НИЦЭВТ), под его началом объединились и другие организации. Открытым оставался вопрос: каким будет новый ряд машин. Проблема эта обсуждалась в течение нескольких лет, но в 1968 году Минрадиопром начал работы по воспроизведению архитектуры программно совместимого семейства IBM 360. В декабре 1969 года этот вариант был утвержден окончательно.
Напомним, что в 1964 году корпорации IBM в серии 360 впервые удалось воплотить идею создания семейства вычислительных машин различной производительности, обладающих общей архитектурой и полной программной совместимостью. Это событие произвело большое впечатление на научный и промышленный мир и ознаменовало переход к третьему поколению вычислительной техники. Системы IBM 360 обладали богатым матобеспечением, как системного, так и прикладного уровня.
Для производства отечественных машин серии ЕС и комплектующих строилось и расширялось более десяти заводов, географически разбросанных по всей стране. Сами ЭВМ выпускались на Заводе счетно-аналитических машин (САМ) в Москве, в Минске, Пензе, Казани и Ереване. За 20 лет было выпущено три поколения ЕС ЭВМ, близкие по архитектуре семействам IBM-360 и 370. Как уже говорилось, машины одного семейства различались по производительности. Быстродействие ЕС ЭВМ первой очереди, например, варьировалось от 20 тыс. оп/с в самой младшей модели ЕС-1020 до 500 тыс.оп/с в наиболее мощной ЕС-1050.
В машинах третьего поколения разрабатывалась более гибкая система прерываний, позволяющая синхронизировать работу центрального процессора, процессоров ввода/вывода и должным образом реагировать на аварийные ситуации в программах пользователя. Мультипрограммный режим работы компьютера требовал создания мощных средств защиты памяти. Создавались механизмы динамического распределения памяти, совершенствовались операционные системы.
Такое преобразование плюс развитая система прерываний и механизмы защиты памяти позволили реализовать в разрабатываемой системе для ЭВМ мультипрограммный режим и режим разделения времени, которые позволяли совместить на одной машине выполнение нескольких управляющих задач, а также разработку управляющих программ.
Использование новой элементной базы позволило существенно повысить быстродействие и объем оперативной памяти нового поколения машин. Значительно расширилась номенклатура внешних устройств – появились накопители на сменных магнитных дисках, алфавитно-цифровые и графические дисплеи, графопостроители и т.д.
Но к сожалению, Основным сдерживающим моментом в дальнейшем совершенствовании ЕС ЭВМ была, безусловно, элементная база. До 1990 года, когда с началом экономической реформы производство машин фактически прекратилось, ЕС так и не перешли на сверхбольшие интегральные схемы. Технологии Министерства электронной промышленности не позволяли создавать элементы на микросхемах меньше 2 микрон, поэтому последние разработки серии оснащались микросхемами памяти емкостью лишь 64 Кбит (!).
Введение
1. Первое поколение ЭВМ 1950-1960-е годы
2. Второе поколение ЭВМ: 1960-1970-е годы
3. Третье поколение ЭВМ: 1970-1980-е годы
4. Четвертое поколение ЭВМ: 1980-1990-е годы
5. Пятое поколение ЭВМ: 1990-настоящее время
Заключение
Введение
Начиная с 1950 года, каждые 7-10 лет кардинально обновлялись конструктивно-технологические и программно-алгоритмические принципы построения и использования ЭВМ. В связи с этим правомерно говорить о поколениях вычислительных машин. Условно каждому поколению можно отвести 10 лет.
ЭВМ проделали большой эволюционный путь в смысле элементной базы (от ламп к микропроцессорам) а также в смысле появления новых возможностей, расширения области применения и характера их использования.
Деление ЭВМ на поколения - весьма условная, нестрогая классификация вычислительных систем по степени развития аппаратных и программных средств, а также способов общения с ЭВМ.
К первому поколению ЭВМ относятся машины, созданные на рубеже 50-х годов: в схемах использовались электронные лампы. Команд было мало, управление - простым, а показатели объема оперативной памяти и быстродействия - низкими. Быстродействие порядка 10-20 тысяч операций в секунду. Для ввода и вывода использовались печатающие устройства, магнитные ленты, перфокарты и перфоленты.
Ко второму поколению ЭВМ относятся те машины, которые были сконструированы в 1955-65 гг. В них использовались как электронные лампы, так и транзисторы. Оперативная память была построена на магнитных сердечниках. В это время появились магнитные барабаны и первые магнитные диски. Появились так называемые языки высокого уровня, средства которых допускают описание всей последовательности вычислений в наглядном, легко воспринимаемом виде. Появился большой набор библиотечных программ для решения различных математических задач. Машинам второго поколения была свойственна программная несовместимость, которая затрудняла организацию крупных информационных систем, поэтому в середине 60х годов наметился переход к созданию ЭВМ, программно совместимых и построенных на микроэлектронной технологической базе.
Третье поколение ЭВМ. Это машины, создаваемые после 60х годов, обладающих единой архитектурой, т.е. программно совместимых. Появились возможности мультипрограммирования, т.е. одновременного выполнения нескольких программ. В ЭВМ третьего поколения применялись интегральные схемы.
Четвертое поколение ЭВМ. Это нынешнее поколение ЭВМ, разработанных после 1970 г. Машины 4го поколения проектировались в расчёте на эффективное использование современных высокоуровневых языков и упрощение процесса программирования для конечного пользователя.
В аппаратурном отношении для них характерно использование больших интегральных схем как элементной базы и наличие быстродействующих запоминающих устройств с произвольной выборкой, объемом несколько Мбайт.
Машины 4-го поколения- многопроцессорные, многомашинные комплексы, работающие на внеш. память и общее поле внеш. устройств. Быстродействие достигает десятков миллионов операций в сек, память - нескольких млн. слов.
Переход к пятому поколению ЭВМ уже начался. Он заключается в качественном переходе от обработки данных к обработке знаний и в повышении основных параметров ЭВМ. Основной упор будет сделан на «интеллектуальность».
На сегодняшний день реальный «интеллект», демонстрируемый самыми сложными нейронными сетями, находится ниже уровня дождевого червя, однако, как бы ни были ограничены возможности нейронных сетей сегодня, множество революционных открытий, могут быть не за горами.
1. Первое поколение ЭВМ 1950-1960-е годы
Логические схемы создавались на дискретных радиодеталях и электронных вакуумных лампах с нитью накала. В оперативных запоминающих устройствах использовались магнитные барабаны, акустические ультразвуковые ртутные и электромагнитные линии задержки, электронно-лучевые трубки (ЭЛТ). В качестве внешних запоминающих устройств применялись накопители на магнитных лентах, перфокартах, перфолентах и штекерные коммутаторы.
Программирование работы ЭВМ этого поколения выполнялось в двоичной системе счисления на машинном языке, то есть программы были жестко ориентированы на конкретную модель машины и «умирали» вместе с этими моделями.
В середине 1950-х годов появились машинно-ориентированные языки типа языков символического кодирования (ЯСК), позволявшие вместо двоичной записи команд и адресов использовать их сокращенную словесную (буквенную) запись и десятичные числа. В 1956 году был создан первый язык программирования высокого уровня для математических задач - язык Фортран, а в 1958 году - универсальный язык программирования Алгол.
ЭВМ, начиная от UNIVAC и заканчивая БЭСМ-2 и первыми моделями ЭВМ «Минск» и «Урал», относятся к первому поколению вычислительных машин.
2. Второе поколение ЭВМ: 1960-1970-е годы
Логические схемы строились на дискретных полупроводниковых и магнитных элементах (диоды, биполярные транзисторы, тороидальные ферритовые микротрансформаторы). В качестве конструктивно-технологической основы использовались схемы с печатным монтажом (платы из фольгированного гетинакса). Широко стал использоваться блочный принцип конструирования машин, который позволяет подключать к основным устройствам большое число разнообразных внешних устройств, что обеспечивает большую гибкость использования компьютеров. Тактовые частоты работы электронных схем повысились до сотен килогерц.
Стали применяться внешние накопители на жестких магнитных дисках1 и на флоппи-дисках - промежуточный уровень памяти между накопителями на магнитных лентах и оперативной памятью.
В 1964 году появился первый монитор для компьютеров - IBM 2250. Это был монохромный дисплей с экраном 12 х 12 дюймов и разрешением 1024 х 1024 пикселов. Он имел частоту кадровой развертки 40 Гц.
Создаваемые на базе компьютеров системы управления потребовали от ЭВМ более высокой производительности, а главное - надежности. В компьютерах стали широко использоваться коды с обнаружением и исправлением ошибок, встроенные схемы контроля.
В машинах второго поколения были впервые реализованы режимы пакетной обработки и телеобработки информации.
Первой ЭВМ, в которой частично использовались полупроводниковые приборы вместо электронных ламп, была машина SEAC (Standarts Eastern Automatic Computer), созданная в 1951 году.
В начале 60-х годов полупроводниковые машины стали производиться и в СССР.
3. Третье поколение ЭВМ: 1970-1980-е годы
В 1958 году Роберт Нойс изобрел малую кремниевую интегральную схему, в которой на небольшой площади можно было размещать десятки транзисторов. Эти схемы позже стали называться схемами с малой степенью интеграции (Small Scale Integrated circuits - SSI). А уже в конце 60-х годов интегральные схемы стали применяться в компьютерах.
Логические схемы ЭВМ 3-го поколения уже полностью строились на малых интегральных схемах. Тактовые частоты работы электронных схем повысились до единиц мегагерц. Снизились напряжения питания (единицы вольт) и потребляемая машиной мощность. Существенно повысились надежность и быстродействие ЭВМ.
В оперативных запоминающих устройствах использовались миниатюрнее ферритовые сердечники, ферритовые пластины и магнитные пленки с прямоугольной петлей гистерезиса. В качестве внешних запоминающих устройств широко стали использоваться дисковые накопители.
Появились еще два уровня запоминающих устройств: сверхоперативные запоминающие устройства на триггерных регистрах, имеющие огромное быстродействие, но небольшую емкость (десятки чисел), и быстродействующая кэш-память.
Начиная с момента широкого использования интегральных схем в компьютерах, технологический прогресс в вычислительных машинах можно наблюдать, используя широко известный закон Мура. Один из основателей компании Intel Гордон Мур в 1965 году открыл закон, согласно которому количество транзисторов в одной микросхеме удваивается через каждые 1,5 года.
Ввиду существенного усложнения как аппаратной, так и логической структуры ЭВМ 3-го поколения часто стали называть системами.
Так, первыми ЭВМ этого поколения стали модели систем IBM (ряд моделей IBM 360) и PDP (PDP 1). В Советском Союзе в содружестве со странами Совета Экономической Взаимопомощи (Польша, Венгрия, Болгария, ГДР и др1.) стали выпускаться модели единой системы (ЕС) и системы малых (СМ) ЭВМ.
В вычислительных машинах третьего поколения значительное внимание уделяется уменьшению трудоемкости программирования, эффективности исполнения программ в машинах и улучшению общения оператора с машиной. Это обеспечивается мощными операционными системами, развитой системой автоматизации программирования, эффективными системами прерывания программ, режимами работы с разделением машинного времени, режимами работы в реальном времени, мультипрограммными режимами работы и новыми интерактивными режимами общения. Появилось и эффективное видеотерминальное устройство общения оператора с машиной - видеомонитор, или дисплей.
Большое внимание уделено повышению надежности и достоверности функционирования ЭВМ и облегчению их технического обслуживания. Достоверность и надежность обеспечиваются повсеместным использованием кодов с автоматическим обнаружением и исправлением ошибок (корректирующие коды Хеммин-га и циклические коды).
Модульная организация вычислительных машин и модульное построение их операционных систем создали широкие возможности для изменения конфигурации вычислительных систем. В связи с этим возникло новое понятие «архитектура» вычислительной системы, определяющее логическую организацию этой системы с точки зрения пользователя и программиста.
4. Четвертое поколение ЭВМ: 1980-1990-е годы
Революционным событием в развитии компьютерных технологий третьего поколения машин было создание больших и сверхбольших интегральных схем (Large Scale Integration - LSI и Very Large Scale Integration - VLSI), микропроцессора (1969 г.) и персонального компьютера. Начиная с 1980 года практически все ЭВМ стали создаваться на основе микропроцессоров. Самым востребованным компьютером стал персональный.
Логические интегральные схемы в компьютерах стали создаваться на основе униполярных полевых CMOS-транзисторов с непосредственными связями, работающими с меньшими амплитудами электрических напряжений (единицы вольт), потребляющими меньше мощности, нежели биполярные, и тем самым позволяющими реализовать более прогрессивные нанотехнологии (в те годы - масштаба единиц микрон).
Первый персональный компьютер создали в апреле 1976 года два друга, Стив Джобе (1955 г. р.) - сотрудник фирмы Atari, и Стефан Возняк (1950 г. р.), работавший на фирме Hewlett-Packard. На базе интегрального 8-битного контроллера жестко запаянной схемы популярной электронной игры, работая вечерами в автомобильном гараже, они сделали простенький программируемый на языке Бейсик игровой компьютер «Apple», имевший бешеный успех. В начале 1977 года была зарегистрирована Apple Сотр., и началось производство первого в мире персонального компьютера Apple.
5. Пятое поколение ЭВМ: 1990-настоящее время
Особенности архитектуры современного поколения компьютеров подробно рассматриваются в данном курсе.
Кратко основную концепцию ЭВМ пятого поколения можно сформулировать следующим образом:
1. Компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных инструкций программы.
2. Компьютеры с многими сотнями параллельно работающих процессоров, позволяющих строить системы обработки данных и знаний, эффективные сетевые компьютерные системы.
Шестое и последующие поколения ЭВМ
Электронные и оптоэлектронные компьютеры с массовым параллелизмом, нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.
Заключение
Все этапы развития ЭВМ принято условно делить на поколения.
Первое поколение создавалось на основе вакуумных электроламп, машина управлялась с пульта и перфокарт с использованием машинных кодов. Эти ЭВМ размещались в нескольких больших металлических шкафах, занимавших целые залы.
Втрое поколение появилось в 60-е годы 20 века. Элементы ЭВМ выполнялись на основе полупроводниковых транзисторов. Эти машины обрабатывали информацию под управлением программ на языке Ассемблер. Ввод данных и программ осуществлялся с перфокарт и перфолент.
Третье поколение выполнялось на микросхемах, содержавших на одной пластинке сотни или тысячи транзисторов. Пример машины третьего поколения - ЕС ЭВМ. Управление работой этих машин происходило с алфавитно-цифровых терминалов. Для управления использовались языки высокого уровня и Ассемблер. Данные и программы вводились как с терминала, так и с перфокарт и перфолент.
Четвертое поколение было создано на основе больших интегральных схем (БИС). Наиболее яркие представители четвертого поколения ЭВМ - персональные компьютеры (ПК). Персональной называется универсальная однопользовательская микроЭВМ. Связь с пользователем осуществлялась посредством цветного графического дисплея с использованием языков высокого уровня.
Пятое поколение создано на основе сверхбольших интегральных схем (СБИС), которые отличаются колоссальной плотностью размещения логических элементов на кристалле.
Предполагается, что в будущем широко распространится ввод информации в ЭВМ с голоса, общения с машиной на естественном языке, машинное зрение, машинное осязание, создание интеллектуальных роботов и робототехнических устройств.
В СССР первая ламповая ЭВМ - МЭСМ (малая электронно-счетная машина), была создана коллективом под руководством С.А. Лебедева. Ламповые ЭВМ уже оказались в состоянии выполнять сотни и тысячи арифметических или логических операций за одну секунду. Они могли обеспечить высокую точность вычислений. Человек уже не мог соперничать с такой машиной.
Жизнь первого поколения ЭВМ оказалась короткой - около десяти лет. Электронные лампы грелись, потребляли много электроэнергии, были громоздки и часто выходили из строя. Над компьютерщиками продолжали посмеиваться: чтобы сложить, скажем, два числа, требовалось написать программу из многих машинных команд. Например, такую: "Ввести в машину первое слагаемое; ввести второе; переслать из памяти первое слагаемое в арифметическое устройство; переслать в арифметическое устройство второе слагаемое и вычислить сумму; переслать результат в память; вывести это число из памяти машины и напечатать его". Каждую команду и оба слагаемых "набивали" на перфокарты и только потом вводили колоду перфокарт в компьютер и ждали, когда протарахтит печатающее устройство и на выползающей из него бумажной ленте будет виден результат - искомая сумма.
В конце пятидесятых - начале шестидесятых годов на смену электронной лампе пришел компактный и экономичный прибор - транзистор . Компьютеры сразу стали производительнее и компактнее, уменьшилось потребление электроэнергии. ЭВМ второго поколения "научились" программировать сами для себя. Появились системы автоматизации программирования, состоящие из алгоритмических языков и трансляторов для них. Теперь пользователь изучал язык ЭВМ, приближенный к языку научных, инженерных или экономических расчетов. Например, Фортран или Алгол-60.
Программа, написанная на известном машине языке, переводилась на язык команд автоматически, с помощью программы-переводчика. Такие программы называли трансляторами, а процесс перевода - трансляцией. Транслятор не только переводил программу с алгоритмического языка на язык команд, но и проверял грамотность составленной пользователем программы, выявлял и классифицировал ошибки, давал советы по их устранению.
Прошло всего 7-8 лет, и это поколение буквально вытолкнули машины следующего, третьего поколения . Перевод вычислительной техники на интегральные микросхемы серьезно удешевил ее, поднял возможности и позволил начать новый этап ее практического применения. Компьютеры вторглись - уже не штучно, а в массовом порядке - практически во все сферы науки, экономики, управления.
Развитие микроэлектроники позволило создать и освоить технологию интегральных схем с особо большой плотностью компоновки. На одном кристалле размером меньше ногтя стали размещать не десятки и сотни, а десятки тысяч транзисторов и других элементов. С появлением сверхбольших интегральных схем (СБИС), составивших элементную базу ЭВМ четвертого поколения , их производительность возросла фантастически - до сотен миллионов операций в секунду.
Подлинный переворот в автоматике и управлении произвели появившиеся в семидесятые годы микропроцессоры и микро-ЭВМ - сверхминиатюрные изделия вычислительной техники. Малый вес и габариты, ничтожное электропотребление - все это позволило встраивать "монолитные" микро-ЭВМ и микропроцессорные наборы непосредственно в средства связи, машины, механизмы, приборы и другие технические устройства, чтобы наилучшим образом управлять их работой и контролировать ее.
Основное направление в развитии
компьютеров - разработка машины, более похожей на человека
по способам ввода и хранения информации и методам решения задач.
Различные области информатики занимаются изучением этих проблем
- задач искусственного интеллекта
и экспертных систем
.
Таблица 14.
Поколения ЭВМ
|
Параметр ЭВМ |
1-ое |
2-ое |
3-е |
4-ое после 80г. |
|
|
1965-1970 |
после 70г. |
||||
|
Основные элементы |
Реле, эл. лампы |
Т ранзисторы |
ИС Интегральная схема |
БИС
|
СБИС Сверхбольшая интегральная схема |
|
Быстродействие |
1мс |
1мкс |
Похожие статьи
| ||
