Третье поколение ЭВМ: история развития
Третье поколение электронных вычислительных машин датируется 1965–1975 гг. Элементной базой компьютеров данного периода стали интегральные схемы.
Интегральная схема – это электронная схема, смонтированная на крошечной пластине из полупроводникового материала. На микросхеме площадью меньше 1 см 2 располагались сотни элементов.
Вместе с серийным выпуском интегральных схем в 1961 году американская компания «Texas Instruments» разработала тестовую модель ЭВМ на микросхемах. Характеристики экспериментального устройства были следующими:
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
- производительность – 15 команд;
- одноадресность;
- тактовая частота в 100 КГц;
- объем памяти – 30 чисел;
- потребляемая мощность – 16 Вт;
- вес компьютера – 585 г;
- площадь – 100 см 2 .
В 1964 году американская фирма IBM одной из первых начала производство серии ЭВМ «System – 360» на интегральных схемах. Модели этого семейства были ориентированы на выполнение экономических расчетов и решение логических задач. Компьютеры серии отличались друг от друга объемом оперативных запоминающих устройств и количеством выполняемых операций. Архитектура «System – 360» была настолько удачной, что последующие машины создавались на основе устройств этого семейства.
В 1965 году в США фирма Digital Equipment Corporation создала мини-компьютер PDP8. Относительно ЭВМ того периода устройство размером с современный холодильник казалось миниатюрным. Проект имел коммерческий успех – производители продали порядка 50 тыс. экземпляров компьютеров PDP8. Аналоги данной системы существовали повсеместно. Разработки по американскому прототипу в СССР назывались Электроника-100, Саратов-2.
Самостоятельная разработка СССР вышла в 1970 году. В машине, получившей название «Наири-3», использовался математический и машинный языки.
В 1971 году Советский Союз выпустил первые модели Единой системы ЭВМ на архитектуре IBM 360. Быстродействие этих аппаратов достигало 350 тыс. операций в секунду. С развитием компьютерных технологий производительность компьютеров ЕС увеличилась до десятков миллионов операций в секунду. Но после распада СССР дальнейшие разработки остановились.
Наиболее производительной ЭВМ III периода считается ILLIAC 4. Созданный в 1972 году в США компьютер характеризовался конвейерной архитектурой. Отличительной особенностью 64-процессорной модели была производительность в 200 млн операций в секунду. ILLIAC 4 был способен решать системы уравнений частных производных.
Чем обусловлено появление
С развитием авиации и космической техники возрастала потребность в более надежных и компактных компьютерах. Усовершенствование ЭВМ было возможным посредством изобретения новых технологий. Разработка интегральных схем американцами Джеком Килби и Робертом Нойсом позволила сделать скачок в развитии компьютерных технологий. Благодаря микросхемам техника III поколения стала производительней, надежней и миниатюрней.
На чем основано устройство, структурная схема
В компьютерах на базе микросхем появился процессор – объединенные в общий блок устройство управления и арифметико-логическое устройство. Процессор мог содержать несколько АЛУ, каждое из которых отвечало за отдельную функцию. Также в едином блоке могло быть несколько устройств управления: центральное и периферийные для управления конкретными отделами ЭВМ. Вычислительные устройства с несколькими процессорами выполняли несколько задач параллельно.
Оперативная память в машинах рассматриваемого периода делилась на блоки с автономным управлением. Развитие внутренних запоминающих устройств создало предпосылки к введению кэширования памяти. Возрастает объем внешней памяти. В 1773 году компания IBM первые выпустила жесткий диск в качестве внешнего носителя информации.
Применение аэродинамической силы при записи информации увеличило плотность записи. Емкость несменного носителя возросла до 30 Мбайт.
Накопитель был герметичным – это защищало рабочие поверхности дисков от пыли и грязи, что позволяло размещать головки очень близко к магнитной поверхности диска. Впервые был применен принцип аэродинамической магнитной головки, которая буквально парила над вращающейся поверхностью жесткого диска под действием аэродинамической силы.
В ЭВМ третьего периода появились клавиатура, плазменные и графические панели, дисплеи со световым карандашом и другие системы ввода информации.
Процессоры стали работать одновременно с вводом-выводом данных. Это осуществлялась посредством контроллера мультиплексного канала.
УВВ – устройство ввода-вывода;
ОЗУ – оперативное запоминающее устройство;
АЛУ – арифметико-логическое устройство;
УУ – устройство управления;
МК – контроллер мультиплексного канала;
СК – контроллер селекторного канала;
ВЗУ – внешнее запоминающее устройство.
3 Поколения эвм
Смены поколений чаще всего были связаны со сменой элементной базы ЭВМ, с прогрессом электронной техники.
Это всегда приводило к росту вычислительной мощности ЭВМ, то есть быстродействия и объема памяти.
Но это не единственное следствие смены поколений. При таких переходах, происходили существенные изменения в архитектуре ЭВМ, расширялся круг задач, решаемых на ЭВМ, менялся способ взаимодействия между пользователем и компьютером.
3.1 Первое поколение эвм
Первое поколение ЭВМ — ламповые машины 50-х годов. Скорость счета самых быстрых машин первого поколения доходила до 20 тысяч операций в секунду (ЭВМ М-20).
Для ввода программ и данных использовались перфоленты и перфокарты.
Поскольку внутренняя память этих машин была невелика (могла вместить в себя несколько тысяч чисел и команд программы), то они, главным образом, использовались для инженерных и научных расчетов, не связанных с переработкой больших объемов данных.
Это были довольно громоздкие сооружения, содержавшие в себе тысячи ламп, занимавшие иногда сотни квадратных метров, потреблявшие электроэнергию в сотни киловатт
Программы для таких машин составлялись на языках машинных команд. Это довольно трудоемкая работа.
Поэтому программирование в те времена было доступно немногим.
В 1949 году в США был создан первый полупроводниковый прибор, заменяющий электронную лампу. Он получил название транзистор. Транзисторы быстро внедрялись в радиотехнику.
3.2 Второе поколение эвм
В 60-х годах транзисторы стали элементной базой для ЭВМ второго поколения.
Переход на полупроводниковые элементы улучшил качество ЭВМ по всем параметрам: они стали компактнее, надежнее, менее энергоемкими
Быстродействие большинства машин достигло десятков и сотен тысяч операций в секунду.
Объем внутренней памяти возрос в сотни раз по сравнению с ЭВМ первого поколения.
Большое развитие получили устройства внешней (магнитной) памяти: магнитные барабаны, накопители на магнитных лентах.
Благодаря этому появилась возможность создавать на ЭВМ информационно-справочные, поисковые системы.
Такие системы связаны с необходимостью длительно хранить на магнитных носителях большие объемы информации.
Во времена второго поколения активно стали развиваться языки программирования высокого уровня. Первыми из них были ФОРТРАН, АЛГОЛ, КОБОЛ.
Составление программы перестало зависеть от модели машины, сделалось проще, понятнее, доступнее.
Программирование как элемент грамотности стало широко распространяться, главным образом среди людей с высшим образованием.
3.3 Третье поколение эвм
Третье поколение ЭВМ создавалось на новой элементной базе — интегральных схемах. С помощью очень сложной технологии специалисты научились монтировать на маленькой пластине из полупроводникового материала, площадью менее 1 см, достаточно сложные электронные схемы.
Их назвали интегральными схемами (ИС)
Первые ИС содержали в себе десятки, затем — сотни элементов (транзисторов, сопротивлений и др.).
Когда степень интеграции (количество элементов) приблизилась к тысяче, их стали называть большими интегральными схемами — БИС; затем появились сверхбольшие интегральные схемы — СБИС.
ЭВМ третьего поколения начали производиться во второй половине 60-х годов, когда американская фирма IBM приступила к выпуску системы машин IBM-360. Это были машины на ИС.
Немного позднее стали выпускаться машины серии IBM-370, построенные на БИС.
В Советском Союзе в 70-х годах начался выпуск машин серии ЕС ЭВМ (Единая Система ЭВМ) по образцу IBM-360/370.
Переход к третьему поколению связан с существенными изменениями архитектуры ЭВМ.
Появилась возможность выполнять одновременно несколько программ на одной машине. Такой режим работы называется мультипрограммным (многопрограммным) режимом.
Скорость работы наиболее мощных моделей ЭВМ достигла нескольких миллионов операций в секунду.
На машинах третьего поколения появился новый тип внешних запоминающих устройств —магнитные диски.
Как и на магнитных лентах, на дисках можно хранить неограниченное количество информации.
Широко используются новые типы устройств ввода-вывода: дисплеи, графопостроители.
В этот период существенно расширились области применения ЭВМ. Стали создаваться базы данных, первые системы искусственного интеллекта, системы автоматизированного проектирования (САПР) и управления (АСУ).
ЭВМ третьего поколения
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:
Ø наличие арифметических устройств, памяти, устройств ввода/вывода и управления;
Ø кодирование и хранение программы в памяти, подобно числам;
Ø двоичная система счисления для кодирования чисел и команд;
Ø автоматическое выполнение вычислений на основе хранимой программы;
Ø наличие как арифметических, так и логических операций;
Ø иерархический принцип построения памяти;
Ø 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 | 3 | 3 | 1 | 2 | 1 | 1 и 2 | 3 | 1 |
| Форма представления данных | С плавающей запятой | С плавающей запятой | С фиксированной запятой, символьная | С фиксированной запятой, символьная | С плавающей и фиксированной запятой, символьная | С плавающей и фиксированной запятой, символьная | С плавающей запятой, символьная | С плавающей запятой, символьная |
| Длина машинного слова (дв.разр.) | 45 | 45 | 24 | 37 | 48 | 37 | 45 | 48 |
| 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 8192 | Ферритовый сердечник 4096-16384 | Ферритовый сердечник 4096-16384 | Ферритовый сердечник 8192 | Ферритовый сердечник 8192-65536 | Ферритовый сердечник 16384-65636 | Ферритовый сердечник 16384-32768 | Ферритовый сердечник 32768-131071 |
| ВЗУ, тип, емкость (слов) | НМЛ 8 млн. | НМЛ 16 млн. | НМЛ 8 млн. | НМЛ до 5 млн. | НМЛ 12 млн. НМБ 130 тыс. | НМЛ до 16 млн. | НМЛ до 32 млн. НМБ до 192 тыс. | НМЛ 32 млн. НМБ 512 тыс. |
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 интегральные схемы (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 (!).
Интегральные схемы. Эвм 3-го поколения
Приоритет в изобретении интегральных схем, ставших элементной базой ЭВМ третьего поколения, принадлежит американским ученым Д. Килби и Р. Нойсу, сделавшим это открытие независимо друг от друга. Массовый выпуск интегральных схем начался в 1962 году, а в 1964 начал быстро осуществляться переход от дискретных элементов к интегральным. Упоминавшийся выше ЭНИАК размерами 9´15 метров в 1971 году мог бы быть собран на пластине в 1,5 квадратных сантиметра. Началось перевоплощение электроники в микроэлектронику.
Несмотря на успехи интегральной техники и появление мини-ЭВМ, в 60-х годах продолжали доминировать большие машины. Таким образом, третье поколение компьютеров, зарождаясь внутри второго, постепенно вырастало из него.
Первая массовая серия машин на интегральных элементах стала выпускаться в 1964 году фирмой IBM. Эта серия, известная под названиемIBM-360, оказала значительное влияние на развитие вычислительной техники второй половины 60-х годов. Она объединила целое семейство ЭВМ с широким диапазоном производительности, причем совместимых друг с другом. Последнее означало, что машины стало возможно связывать в комплексы, а также без всяких переделок переносить программы, написанные для одной ЭВМ, на любую другую из этой серии. Таким образом, впервые было выявлено коммерчески выгодное требование стандартизации аппаратного и программного обеспечения ЭВМ.
В СССР первой серийной ЭВМ на интегральных схемах была машина «Наири-3», появившаяся в 1970 году. Со второй половины 60-х годов Советский Союз совместно со странами СЭВ приступил к разработке семейства универсальных машин, аналогичного системе ibm-360. В 1972 году началось серийное производство стартовой, наименее мощной модели Единой Системы – ЭВМ ЕС-1010, а еще через год – пяти других моделей. Их быстродействие находилась в пределах от десяти тысяч (ЕС-1010) до двух миллионов (ЕС-1060) операций в секунду.
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.
Именно в период развития третьего поколения возникла чрезвычайно мощная индустрия вычислительной техники, которая начала выпускать в больших количествах ЭВМ для массового коммерческого применения. Компьютеры все чаще стали включаться в информационные системы или системы управления производствами. Они выступили в качестве очевидного рычага современной промышленной революции.
Сверхбольшие интегральные схемы (сбис). Эвм 4-го поколения
Начало 70-х годов знаменует переход к компьютерам четвертого поколения – на сверхбольших интегральных схемах (СБИС). Другим признаком ЭВМ нового поколения являются резкие изменения в архитектуре.
Техника четвертого поколения породила качественно новый элемент ЭВМ – микропроцессор. В 1971 году пришли к идее ограничить возможности процессора, заложив в него небольшой набор операций, микропрограммы которых должны быть заранее введены в постоянную память. Оценки показали, что применение постоянного запоминающего устройства в 16 килобит позволит исключить 100‑200 обычных интегральных схем. Так возникла идея микропроцессора, который можно реализовать даже на одном кристалле, а программу в его память записать навсегда. В то время в рядовом микропроцессоре уровень интеграции соответствовал плотности, равной примерно 500 транзисторам на один квадратный миллиметр, при этом достигалась очень хорошая надежность.
К середине 70-х годов положение на компьютерном рынке резко и непредвиденно стало изменяться. Четко выделились две концепции развития ЭВМ. Воплощением первой концепции стали суперкомпьютеры, а второй – персональные ЭВМ.
Из больших компьютеров четвертого поколения на сверхбольших интегральных схемах особенно выделялись американские машины «Крей-1» и «Крей-2», а также советские модели «Эльбрус-1» и «Эльбрус-2». Первые их образцы появились примерно в одно и то же время – в 1976 году. Все они относятся к категории суперкомпьютеров, так как имеют предельно достижимые для своего времени характеристики и очень высокую стоимость.
В машинах четвертого поколения сделан отход от архитектуры фон Неймана, которая была ведущим признаком подавляющего большинства всех предыдущих компьютеров.
Многопроцессорные ЭВМ, в связи с громадным быстродействием и особенностями архитектуры, используются для решения ряда уникальных задач гидродинамики, аэродинамики, долгосрочного прогноза погоды и т.п. Наряду с суперкомпьютерами в состав четвертого поколения входят многие типы мини-ЭВМ, также опирающиеся на элементную базу из сверхбольших интегральных схем.
Пятое поколение ЭВМ
ЭВМ пятого поколения – это ЭВМ будущего. Программа разработки, так называемого, пятого поколения ЭВМ 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. Пятое поколение ЭВМ это правительственная программа в Японии по развитию вычислительной техники и искусственного интеллекта. Если говорить о предыдущих поколениях то первое это ламповые компьютеры, второе – транзисторные, третье – интегральные схемы, четвертое – микропроцессоры. Но пятое поколение не имеет отношение к данной градации. Как предыдущее поколения. Пятое поколение компьютеров это название «плана действий» по развитию IT-индустрии. И не смотря на то, что пятое поколение базируется на микропроцессорах как и четвертое т.е. у них общая элементная база. А именно по этому критерию разделяют компьютеры на поколения. Тем не менее сегодняшние компьютеры относят к пятому поколению.
Заключение
К сожалению, невозможно в рамках реферата охватить всю историю компьютеров. Можно было бы еще долго рассказывать о том, как в маленьком городке Пало-Альто (штат Калифорния) в научно-исследовательском центре Xerox PARK собрался цвет программистов того времени, чтобы разработать революционные концепции, в корне изменившие образ машин, и проложить дорогу для компьютеров конца XX века. Как талантливый школьник Билл Гейтс и его друг Пол Аллен познакомились с Эдом Робертсом и создали удивительный язык БЕЙСИК для компьютера Altair, что позволило разрабатывать для него прикладные программы. Как постепенно менялся облик персонального компьютера, появились монитор и клавиатура, накопитель на гибких магнитных дисках, так называемых дискетах, а затем и жесткий диск. Неотъемлемыми принадлежностями стали принтер и «мышь». Можно было бы рассказать и о невидимой войне на компьютерных рынках за право устанавливать стандарты между огромной корпорацией IBM, и молодой Apple, дерзнувшей с ней соревноваться, заставившей весь мир решать, что же лучшеMacintoshилиPC? И о многих других интересных вещах, происходивших совсем недавно, но ставших уже историей.
Для многих мир без компьютера – далекая история, примерно такая же далекая, как открытие Америки или Октябрьская революция. Но каждый раз, включая компьютер, невозможно перестать удивляться человеческому гению, создавшему это чудо.
Современные персональные IВМ РС-совместимые компьютеры являются наиболее широко используемым видом компьютеров, их мощность постоянно увеличивается, а область применения расширяется. Эти компьютеры могут объединяться в сети, что позволяет десяткам и сотням пользователей легко обмениваться информацией и одновременно получать доступ к общим базам данных. Средства электронной почты позволяют пользователям компьютеров с помощью обычной телефонной сети посылать текстовые и факсимильные сообщения в другие города и страны и получать информацию из крупных банков данных. Глобальная система электронной связиIntеrnеt обеспечивает за крайне низкую цену возможность оперативного получения информации из всех уголков земного шара, предоставляет возможности голосовой и факсимильной связи, облегчает создание внутрикорпоративных сетей передачи информации для фирм, имеющих отделения в разных городах и странах.
Однако возможности IВМ РС-совместимых персональных компьютеров по обработке информации все же ограничены, и не во всех ситуациях их применение оправдано.
Для понимания истории компьютерной техники рассмотренный реферат имеет, по крайней мере, два аспекта: первый – вся деятельность, связанная с автоматическими вычислениями, до создания компьютера ENIACрассматривалась как предыстория; второй – развитие компьютерной техники определяется только в терминах технологии аппаратуры и схем микропроцессора.
Список литературы
1. Озерцовский С. «Микропроцессоры Intel: от 4004 до Pentium Pro», журнал ComputerWeek#41 – 1996г.
2. Фролов А.В.,Фролов Г.В. «Аппаратное обеспечение IBM PC» – М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1992г.
3. Фигурнов В.Э. «IBMPCдля пользователя» – М.: «Инфра-М», 1995г.
4. Фигурнов В.Э. «IBMPCдля пользователя. Краткий курс» – М.: 1999г.
5. Гук М. «Аппаратные средства IBMPC» – СПб: «Питер», 1997г.
А также материалы и техническая документация из разнообразных ресурсов Internet.