инфопособие2013

7.Какие машины являются наиболее типичными представителями электромеханического периода?

8.В какой период развития началась автоматизация вычислительной техники?

9.В какой период развития вычислительной техники появилась клавиатура для ввода данных?

10.Кто является создателем первого языка программирования и как он назывался?

11.Кем была разработана первая программно-управляемая универсальная вычислительная машина?

12.Почему созданная в электронный период электромеханическая вычислительная машина РВМ-1 продолжала эксплуатироваться до 1964 года?

13.Чем обусловлена была необходимость перехода от электромеханических машин к электронным?

14.Какие машины называются машинами фон-неймановского типа?

15.Подготовьте реферат или сообщение по следующим темам: «Вклад Ч. Бэббиджа и А. Лавлейс в разработку принципов функционирования автоматических цифровых вычислительных машин». «Советская вычислительная техника электромеханического периода».

33

Глава 3. ПОКОЛЕНИЯ ЭВМ

Компьютеры, как и люди, имеют свои поколения. И как у людей, каждое новое поколение отличается от старого (по производительности, емкости, памяти, стоимости, габаритам, размерам и т. д.) примерно в 10 раз. Такой огромный темп развития за всю историю человечества еще не имела ни одна отрасль промышленности.

Для того чтобы показать какими темпами происходит модернизация вычислительной техники, часто приводят следующие сравнения: если бы такими темпами развивалось самолетостроение в течение 25 лет, то аэробус ИЛ-86 в настоящее время по цене был бы доступен каждому, совершал бы облет земного шара за 20 мин и тратил бы 20 литров горючего.

Поколения ЭВМ отличаются друг от друга элементной базой, логической архитектурой и программным обеспечением. Однако не всегда удается определить четкую грань между ними. Не всегда так же можно точно указать время смены поколений. В табл. 3.1 указано только начало четвертого поколения ЭВМ. Это связано с тем, что несмотря на качественное изменение элементной базы компьютеров, их технических характеристик (даже не в десятки, а в десятки тысяч раз), расширения функций компьютеров, четко определить к какому поколению относится компьютерная техника сегодняшнего дня нельзя. Причины этого будут рассмотрены в этой главе

3.1.Первое поколение ЭВМ

Впервом поколении (1943 – 1959) элементной базой ЭВМ была

электронная лампа, в которой использовался эффект Эдисона (рис. 3.1, а). Великий изобретатель сделал это открытие между делом и не запатентовал его, хотя патентовал все свои изобретения, он не увидел в нем никакой практической ценности. Это позволило быстро распространить данное изобретение на электронные устройства.

Электронные лампы Эдисона к	тому времени уже	использовались
в радиотехнике, именно к ним	обратились создатели	компьютерной
техники.

Электронная лампа – это прибор, работа которого осуществляется за счет изменения потока электронов, двигающихся в вакууме от катода к аноду. Движение электронов происходит за счет термоэлектронной эмиссии – испускания электронов с поверхности нагретых металлов. Здесь

34

используется свойство металлов, которые	обладают	большой
концентрацией свободных электронов с	различной	энергией,

а следовательно, и скоростями движения. По мере нагревания металла энергия электронов возрастает, и некоторые из них преодолевают потенциальный барьер на границе металла.

				Таблица 3.1
		Поколения ЭВМ
Основные	Первое	Второе	Третье	Четвертое
характеристики	(1949 – 1958)	(1959 – 1963)	(1964 – 1976)	(1977...
Элементная база	Электронные	Транзисторы,	ИС, СБИС	Сверхбольшие
ЭВМ	лампы, реле	параметроны		ИС (СБИС)
Производитель-	До 3х105 о/с	До 3х106 о/с	До 3х107 o/c	Более
ность				3х107 o/c
центрального
процессора
Тип	Триггеры,	Миниатюрные	Полупроводни	Полупроводни-
оперативной	ферритовые	ФС	ковая БИС	ковая
памяти (ОП)	сердечники			СБИС
	(ФС)
Объем ОП	До 64 КБ	До 512 КБ	До 16 МБ	Более 16 МБ
Типичные	EDSAC	RCA-501,	IBM/360,	IBM/370,
модели	ENIAC	IBM-7090,	PDP, VAX,	SX-2,
поколения	UNIAC	БЭСМ-6	ЕС ЭВМ,	IBM PC/XT/AT,
	БЭСМ		СМ ЭВМ	PS/2, Cray, сети
Характерное	Коды,	Языки	ППП,	БЗ, ЭС, системы
программное	автокоды,	программиро-	СУБД, САПРы,	параллельного
обеспечение	ассемблеры	вания,	ЯВУ,	программиро-
		диспетчеры	операционные	вания
		АСУ, АСУТП	системы

Принцип работы электронной лампы следующий. Если на вход лампы подается логическая единица (например, напряжение 2 В), то на выходе с лампы мы получим либо логический ноль (напряжение менее 1 В), или логическую единицу (2 В). Логическую единицу получим, если управляющее напряжение отсутствует, так как ток беспрепятственно пройдет от катода к аноду. Если же на сетку подать отрицательное напряжение, то электроны, идущие от катода к аноду, будут отталкиваться от сетки. В результате, ток протекать не будет и на выходе с лампы будет логический ноль. На этом принципе, строились все логические элементы ламповых ЭВМ.

35

В ЭВМ	первого поколения оперативная память выполнялась
на триггерах,	затем на ферритовых сердечниках (рис. 3.1, б),

быстродействие 5 – 30 тыс. арифметических операций в секунду.

а

б

Рис. 3.1 Элементная база ЭВМ первого поколения: а) электронная лампа; б) память на магнитных сердечниках

Память на магнитных сердечниках хранила данные в виде направления намагниченности небольших ферритовых колец. Каждое кольцо сохраняло 1 бит информации, а вся память представляла собой прямоугольную матрицу. Через кольца пропускались провода возбуждения. Аналогичные провода пропускались через кольца вдоль столбцов матрицы. Ток, проходящий через эти провода, устанавливал направление намагниченности колец. Таким образом, в каждом колечке могли храниться 1 или 0 в зависимости от направления намагниченности.

Для считывания данных с выбранного ферритового кольца на него по проводам возбуждения подавались такие импульсы тока, что их сумма приводила к намагниченности кольца в определенном направлении независимо от первоначального намагничивания.

При изменении намагниченности кольца в проводе считывания возникал индукционный ток. Измеряя ток, можно было определить, насколько изменилось направление намагниченности в кольце, а следовательно, узнать хранимое им значение. Как видите, процесс считывания уничтожал данные (так же, как и в современной динамической памяти), поэтому после считывания было необходимо заново записать данные.

36

От программиста требовалось хорошее знание архитектуры ЭВМ и ее программных возможностей. Программирование осуществлялось в машинных кодах, позднее на ассемблере и автокоде.

Первые ЭВМ использовались в основном для научных расчетов. К машинам первого поколения относятся Leo (1951), DEDUCE (1954) –

Англия; ENIAC (1950), MARK-3, SWAC (1950), IAS, BINAC, UNIVAC (1951), MANIAC, WhirlWind-1, ORVAC, IBM-701 (1952) – США; GAVVA-40 (1952) – Франция; МЭСМ (1951), БЭСМ (1952), Минск-1, Урал-2, М-20 – СССР.

Машины первого поколения размещались в огромных залах величиной со спортивный зал (рис. 3.2). Тысячи электронных ламп быстро нагревали помещение, высокая температура снижала надежность ЭВМ. Отвод тепла стал одной из самых важных проблем организации эффективной работы ЭВМ. Поэтому возникла первостепенная задача замены элементной базы другой более экономичной и меньших габаритов. Такой элементной базой стали полупроводниковые элементы или транзисторы.

Рис. 3.2. Электронная вычислительная машина ENIAC 1946 г.

37

Сегодняшние суперкомпьютеры занимают не меньше места (рис. 3.3) при этом по производительности, конечно, не могут быть сравнимы с первыми ЭВМ.

Рис. 3.3. Суперкомпьютер BlueGene/L, построенный компанией IBM совместно с министерством энергетики США

Работа на ЭВМ первого поколение была уделом избранных, специально подготовленных математиков-программистов. Программное обеспечение ЭВМ первого поколения составляли программы, написанные в двоичной системе счисления. Только к концу этого периода появились мнемонические языки программирования – автокоды, ассемблеры, а в 1955 году первый язык программирования высокого уровня – Fortran. В рамках первого поколения появляются прообразы операционных систем, программного обеспечения, которое освободило современных пользователей от прямого управления ресурсами ЭВМ.

38

3.2. Второе поколение ЭВМ

Применение транзисторов (рис. 3.4) в вычислительной технике дало начало второму поколению (1959 – 1963) компьютеров. На компьютерах с транзисторами начал действовать «закон десяти» – улучшение за десять лет всех характеристик компьютера примерно в десять и более раз. Второе поколение начинается с 1959 г., но иногда указывается 1955 г., – год создания ЭВМ для межконтинентальной ракеты ATLAS. Затем в 1959 г. в США была создана ЭВМ RCA-501. Новая технология повысила надежность и производительность машин, уменьшила их габариты и потребляемую мощность. Все это способствовало расширению сферы применения ЭВМ. Они стали участвовать в управлении технологическим процессами, решать экономические задачи и т. д. Со второго поколения ЭВМ начали делить на малые, средние и большие.

Переход на новую элементную базу оказался неизбежным, так как рост производительности и надежность ЭВМ первого поколения достигли своего максимума. Основные причины, приведшие к необходимости замены электронных ламп, были следующими:

Рис. 3.4. Транзисторы – элементная база компьютеров второго поколения

39

1.Нить накаливания в электронных лампах со временем теряет свои эмиссионные свойства и перегорает. В среднем срок службы лампы не превышал 10 000 ч. Таким образом, в ЭВМ, состоящей из 104 электронных ламп почти каждый час, выходила из строя одна электронная лампа. Столь низкие показатели надежности заставляли разработчиков применять сложные и дорогостоящие способы повышения надежности, что сильно сдерживало рост производительности ЭВМ. При этом, срок службы транзисторов был больше чем у электронных ламп в тысячи раз.

2.ЭВМ на электронных лампах требуют мощных источников питания, при этом почти 75 % энергии растрачивается на тепловые потери. Это, в свою очередь, приводит к необходимости организации дорогостоящих и сложных систем охлаждения. Транзисторы потребляют на порядок меньше энергии и слабее греются.

3.Большие габариты электронных ламп. Самые миниатюрные радиолампы не позволяли в одном кубическом дециметре разместить более 1000 элементов, в то же время использование транзисторов позволяло на порядок увеличить плотность монтажа.

4.Радиолампы – это хрупкий элемент. Их установка требует осторожности и аккуратности и с большим трудом поддается автоматизации. В то же время транзисторы гораздо более надежны и прочны, это позволяет легко автоматизировать процесс их производства и монтажа, что приводит к снижению себестоимости транзисторов и ЭВМ

вцелом.

Таким образом, основой ЭВМ второго поколения стало использование новой элементной базы – полупроводниковых транзисторов (триодов), составляющих основную часть конструкции ЭВМ.

К машинам второго поколения относятся: «Stretch», IBM-7090,

LARC (1960), TRADIC (США); Simens-2002 (ФРГ); Senac (Япония);

ATLAS (1962, Англия); «Раздан» (1960), БЭСМ-3М, 4М-220, М-222,

серия «МИР», «Наири» (малые ЭВМ), «Минск», «Урал», БЭСМ-3М, 4М-220 (средние ЭВМ) «Днепр» М-4000 (управляющие ЭВМ) (СССР).

Особо следует отметить БЭСМ-6 (1966), имеющую основную и промежуточную память объемами соответственно 128 и 512 КБ, быстродействие 1 млн. о/с, она по своим характеристикам может соперничать с машинами 3-го и 4-го поколения, работала до середины

80-х гг. XX в.

Кроме новой элементной базы и быстродействия второе поколение характеризуется новыми архитектурными решениями и развитием технологии программирования. В ЭВМ второго поколения обеспечивается совмещение функциональных операций – режим разделения времени. Реализовано совмещение центрального процессора по обработке данных и

40

каналов ввода-вывода, а также распараллеливание операций выборки команд и данных из памяти. Созданы развитые макроассемблеры, повышающие уровень общения с ЭВМ. В ассемблерах впервые появляются средства раздельной компиляции и перемещаемости программ, которые явились первым шагом к виртуализации ресурсов и появлению специальных промежуточных языков, а также новых системных программ-загрузчиков и компоновщиков.

Конец 50-х гг. – это начало этапа автоматизации программирования.

В это время появляются языки Commercial Translator, FACT, MathMathic и

программно-ориентированные языки высокого уровня (ЯВУ): Fortran (1955), Algol-60, AKU-400 и др. Создаются библиотеки стандартных программ на различных языках программирования и разного назначения, то есть появляется программное обеспечение (software) и становится ясно, что программный продукт должен стать неотъемлемой частью машины и поставляться пользователю вместе с аппаратной частью (hardware).

Вэто время были разработаны первые системы пакетной обработки, которые автоматизировали всю последовательность действий оператора по организации вычислительного процесса. Ранние системы пакетной обработки явились прообразом современных операционных систем и стали первыми системными программами, предназначенными не для обработки данных, а для управления вычислительным процессом.

В1957 г. компанией Bell Labs была разработана операционная система BESYS (BellOperatingSystem), а в 1962 г. компанией General Electric операционная система GCOS (General Comprehensive Operating

System), ориентированная для работы на мейнфреймах.

Но по мере развития вычислительной техники, требующей все более

иболее компактных решений, полупроводниковые приборы стали тормозить процесс повышения эффективности машин. Компактность машины нужна не только для уменьшения объема, занимаемого ею, но и повышения производительности ее процессора. Длинные проводники, связывающие полупроводниковые элементы, задерживали процесс распространения сигнала по схеме и тем самым снижали еѐ быстродействие. На рис. 3.5, в качестве примера представлены фотографии первого суперкомпьютера Cray-1 (1974) и его задней стойки.

Для обеспечения производительности этого компьютера, проводники, которые соединяют более 1600 схемных плат центрального процессора, их общее число около 300 тысяч, подобраны по длине таким образом, чтобы сигналы проходили между любыми двумя точками за требуемый интервал времени с разбросом не более 1 нc. Рабочий цикл машины 12,5 нc.

41

а

б

Рис. 3.5. Первый суперкомпьютер Cray-1 : а) суперкомпьютер Cray-1; б) вид его задней стойки

3.3. Третье поколение ЭВМ

Быстрая схема должна быть микроскопических размеров. Так возникла мысль о микроэлектронном исполнении схем. Решила эту задачу микроэлектронная технология. Именно она породила третье поколение компьютеров(1964 – 1974 гг.)

В этом поколении элементную базу компьютеров образовали так называемые интегральные схемы. Замечательное отличие такой схемы заключается в том, что все ее элементы (транзисторы, резисторы конденсаторы) и соединения между ними создаются на небольшой пластине кристалла (обычно кремния) площадью порядка 1 см2 (рис. 3.6). Технология, использующая процессы травления и напыления, позволяет создавать схемы с чрезвычайно мелкими элементами,поэтому такие схемы и стали называть интегральными микросхемами. Именно эта технология определила дальнейшее развитие вычислительной техники и следующие поколения компьютеров.

Использование интегральных схем позволило получить ряд преимуществ:

42