инфопособие2013

1. Увеличилась надежность ЭВМ. Надежность интегральных схем – на порядок выше надежности аналогичных схем на дискретных компонентах. Повышение надежности в первую очередь обусловлено уменьшением межсхемных соединений, являющихся одним из слабейших звеньев в конструкции ЭВМ, а это в свою очередь, привело

кзначительному снижению стоимости эксплуатации ЭВМ.

2.За счет повышения плотности упаковки электронных схем уменьшилось время передачи сигнала по проводникам и, как следствие, увеличилось быстродействие ЭВМ.

Рис. 3.6. Интегральная схема вычислительного утройства

3. Производство интегральных схем хорошо поддается автоматизации, что при серийном производстве резко уменьшает себестоимость производства и способствует популяризации и расширению области применения ЭВМ.

4. Высокая плотность упаковки электронных схем уменьшила на несколько порядков габариты, массу и потребляемую мощность ЭВМ, что позволило использовать их в недоступных до этого областях науки и техники, таких как авиация и космическая техника.

43

Появление интегральных схем позволило усовершенствовать структурную схему ЭВМ второго поколения. Неразрывно связанные устройства управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) были объедены в единый блок, который стал называться процессором. Причем, в процессоре могло быть несколько арифметико-логических устройств, каждое из которых выполняло свою функцию, например одно АЛУ было ориентированно на работу с целыми числами, другое – с числами с плавающей точкой, а третье – с адресами. Также могло быть несколько устройств управления, одно – центральное, и несколько – периферийных, используемых для управления отдельными блоками ЭВМ.

Часто ЭВМ состояли из нескольких процессоров, что позволяло максимально полно использовать открывшиеся перспективы

впараллельном решении задач.

ВЭВМ третьего поколение уже четко выделяется иерархия памяти. ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) делится на независимые блоки с собственными системами управления, работающие параллельно, а структура оперативной памяти делится на страницы и сегменты. Развивается и внутренняя память процессора – создаются предпосылки к вводу кэширования памяти – использования промежуточных буферов для уменьшения времени доступа к памяти.

Наряду с совершенствованием логических устройств и памяти полным ходом шла модернизация устройств ввода-вывода. Быстродействие новых ЭВМ требовало более быстрой и надежной системы ввода-вывода данных, чем устройства чтения перфокарт и телетайпы. На смену им пришли клавиатуры, панели графического ввода, дисплеи со световым карандашом, плазменные панели, растровые графические системы и другие устройства.

Большое разнообразие периферийных устройств, их сравнительно большое быстродействие, необходимость отделить операции ввода-вывода от вычислительного процесса привели к созданию специализированного контроллера мультиплексного канала (КМК), позволившего процессорам работать параллельно с вводом-выводом данных.

Использование интегральных технологий значительно снизило стоимость ЭВМ, что незамедлительно привело к повышению спроса. Многие организации приобрели ЭВМ и успешно их эксплуатировали. Немаловажным фактором становится стремление к стандартизации и выпуску целых серий ЭВМ программно совместимых снизу вверх.

Возникает огромная потребность в прикладных программных продуктах, а так как рынок программного обеспечения еще не развит, и найти готовое, надежное и дешевое программное обеспечение практически невозможно, возникает гигантский рост популярности программирования и спроса на грамотных разработчиков программных продуктов. Каждое

44

предприятие стремится организовать свой штат программистов, возникает специализированные коллективы, занимающиеся разработкой программного обеспечения и стремящиеся занять кусочек ещѐ неосвоенной ниши на арене быстро растущей компьютерной технологии.

Рынок программного обеспечения быстро развивается, создаются пакеты программ для решения типовых задач, проблемноориентированные программные языки и целые программные комплексы для управления работой ЭВМ, которые впоследствии получат название

операционные системы (ОС).

К концу 1960-х гг. уже был создан целый ряд операционных систем, реализующий множество необходимых функций по управлению ЭВМ. Всего эксплуатировалось более сотни различных ОС.

Наиболее развитые операционные системы третьего поколения

ЭВМ:

• OS/360, разработанная фирмой IBM в 1964 г. для управления мейнфреймами;

• MULTICS– одна из первых операционных систем

сразделением времени исполнения программ;

•UNIX, разработанная в 1969 г. и впоследствии разросшаяся до целого семейства операционных систем, многие из которых являются одними из самых популярных на сегодняшний день;

ОС «Диспак», разработана в 1971 г. для машины БЭСМ-6. Использование операционных систем упростило работу с ЭВМ и

способствовало популяризации электронной вычислительной техники.

На фоне значительного роста интереса к электронной вычислительной технике в США, Европе, Японии и других странах,

вСССР наблюдается спад прогресса в этой области науки в связи с тем, что в 1969 году Советский Союз заключил соглашение о сотрудничестве

вразработке Единой системы ЭВМ, за образец которой была взята одна

из лучших на	тот		момент	ЭВМ –	IBM/360.	Ориентация	СССР
на зарубежные	достижения			в дальнейшем привела к значительному
отставанию в области вычислительной техники
К третьему поколению относится серия машин IBM System/360 (или
просто – IBM/360)		выпускались с 1964 года и IBM/370 – относится уже
к 3,5 поколению,		а	также серия PDP.		В Англии	фирмой ICL	было

выпущено семейств машин «System 4», в ФРГ машины серии 004 разработанные фирмой Siemens, в Японии фирмой HITACHI машины серии «Hytac-8000». Проблемам создания машин третьего поколения стали уделять большое внимание Голландия, Болгария, Венгрия, Чехословакия, Польша, Куба. Страны СЭВ выпускали совместно с Советским Союзом машины серии «Ряд-1» и «Ряд-2» это ЕС-1010, ЕС-1020,...1065 (выпускались с 1972 г.) и машины серии СМ – малые ЭВМ, совместимые

45

с серией PDP. В рамках программы «Ряд-2» были созданы две операционные системы ДОС-3 и ОС-6.0.

ЭВМ третьего поколения, как правило, программно-совместимы снизу вверх, их неотъемлемой частью становятся операционные системы, которые начали брать на себя задачи управления памятью, устройствами ввода-вывода и другими ресурсами. Появились системы управления базами данных (СУБД), системы автоматизирования проектных работ

(САПР), совершенствуются АСУ и АСУТП. Создаются пакеты прикладных программ (ППП) различного назначения. Появляются новые и совершенствуются существующие языки программирования, их количество достигает уже 3000.

3.4. Четвѐртое поколение ЭВМ

Дальнейшее совершенствование технологии позволило создать

сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) (рис. 3.7, а), содержащие

100000 транзисторов и более. Именно СБИС стали основой элементарной базы компьютеров четвертого поколения(1975 – 1990?) Процессор, реализованный на одной СБИС, получил название

микропроцессора (рис. 3.7, б).

а)

б)

Рисунок 3.7. Элементная база ЭВМ четвертого поколения: а) сверхбольшие интегральные схемы; б) микропроцессор

46

Парк всех машин четвертого поколения можно условно разделить на пять основных классов: микроЭВМ, персональные компьютеры, специальные ЭВМ, ЭВМ общего назначения и суперЭВМ. Но из этого многообразия, лишь ПК и суперЭВМ определяют лицо четвертого поколения.

ЭВМ четвертого поколения можно характеризовать тремя основными показателями: элементной базой (СБИС), персональным характером использования (ПК) и нетрадиционной архитектурой

(супер-ЭВМ).

Элементная база способствовала миниатюризации ВТ, повышению ее надежности, позволила создавать мини- и микроЭВМ по своим возможностям превосходящие большие ЭВМ предыдущего поколения.

Основой для создания ПК стало создание универсального процессора на одном кристалле. Первый микропроцессор Intel 4004 был создан в 1971 г. и содержал 2250 элементов, а в 1974 г. был создан микропроцессор Intel 8080, содержащий уже 4500 элементов он послужил основой для создания первого ПК Altair-8800. Этот компьютер рассылался по почте, стоил 397 долларов и имел возможности для расширения периферийными устройствами. Для Altair-8800 П. Аллен и У. Гейтс создали транслятор с языка Basic.

В1979 году выпускается 16-битный микропроцессор Motorola-68000 состоящий из 70 тыс. элементов , в 1981 г. – 32-битный Hewley Packard

с450 тыс. элементами. Приступили к производству компьютеров фирмы

Apple Computers, Tandy Radio Shark, Commodore. В 1981 г. фирма IBM

начинает выпуск PC/XT/AT и PS/2.

Вэто время начала формироваться ПК-индустрия. Лавинообразно растет программное обеспечение, направленное не только на решение производственных и научных задач, но иудовлетворяющее потребности рядовых граждан, в том числе и ПО для развлечений. С каждым годом парк персональных компьютеров увеличивается, появляются все новые модели с новым интуитивно-понятным интерфейсом программного обеспечения, включая операционные системы. Для того чтобы ориентироваться в мире ПК для пользователей и программистов начинают выходить популярные журналы и газеты, устраиваться выставки, задействована реклама. Учебные заведения готовят специалистов различного профиля для работы на персональных компьютерах и разработки для них программного обеспечения.

Подробно структура, состав, программное обеспечение персональных компьютеров будет рассмотрены далее.

Врамках четвертого поколения происходит дальнейшая интеллектуализация ВТ, определяемая созданием более развитых интерфейсов «человек – ЭВМ», баз знаний, экспертных систем, систем

47

параллельного программирования и др. Проявляется тенденция создания ЭВМ под программное обеспечение, а не наоборот. Возрастает доля функций ОС, повышается уровень машинного языка. За счет повышения качества каналов связи развивается телекоммуникационная обработка информации (создание глобальных компьютерных сетей).

По своим возможностям ПК четвертого поколения превосходят многие мощные ЭВМ третьего поколения. Никого уже не удивляет, что память современных ПК превышает уже сотни МБ, а память жесткого магнитного диска имеет размерность в ГБ и даже в ТБ. Компьютер оснащен не только дисководами для гибких дисков, но и устройством для считывания информации с компакт-дисков.

3.5. СуперЭВМ

Несмотря на то, что персональные компьютеры мы видим везде, производство компьютеров не ограничивается только ими. Для решения научных задач, задач повышенной сложности, управления сложными объектами необходимы ЭВМ, возможности которых гораздо больше, чем у самых мощных ПК, такими машинами являются суперЭВМ. Для суперЭВМ характерна нетрадиционная архитектура и высокая производительность, измеряемая в флопсах

FLOPS – это английская аббревиатура, расшифровывающаяся как

Floating point Operations per Second, что можно перевести на русский, как операции с плавающей запятой в секунду – 1 мегафлопс = 1 млн. операций с плавающей точкой в секунду.

Первой суперЭВМ можно считать Amdahl 470V16 (1975)

совместимую с серией IBM (рис.3.8,	а).	К началу 90-х годов ХХ века
к классу суперЭВМ относят модели,	имеющие среднее быстродействие
20 мегафлопсов Первой моделью такой		производительности является

ILLIAC-IV (1966, США) (рис.3.8, б) , затем появилась Cray-серия (1976) – быстродействие 130 мегафлопсов, Cyber 205 (400 мегафлопсов), RP-3, FACOM VP-200, SK-2.

В процессе реализации СССР стратегических интересов в новой военной технике и в крупных научно-технических проектах, начиная с 60-х гг., возникает потребность в создании мощных вычислительных средств для решения следующих задач в интересах Министерства обороны:

обслуживание полетов космических аппаратов и обработка получаемой информации (советская космическая программа);

сбор и обработка спутниковой, телеметрической, радиолокационной информации в военных и гражданских целях (коммуникационные системы и средства связи);

48

а

б

Рис. 3.8. Первые супер-ЭВМ: а) Amdahl 470V16 (1975); б) ILLIAC-IV (1966)

оперативная обработка бортовой информации и управление подвижными и удаленными объектами (военно-морские и военновоздушные силы);

проведение научно-технических расчетов и моделирование при конструировании новых образцов военной техники (особенно летательных аппаратов и средств морского базирования);

проведение научно-технических расчетов и управление сложными техническими комплексами и физическими экспериментами (термоядерный синтез и т. п.).

Поэтому в Советском Союзе началась работа над созданием отечественных суперЭВМ серии «Эльбрус», а также ЕС-1191 и ЕС-1066 (рис. 3.9, а, б). Компьютер «Эльбрус-1» был построен в 1978 г. на 15 лет раньше западных машин и воплотил принципы суперскалярной архитектуры. «Эльбрус-2» имел идентичную архитектуру, но более совершенную элементную базу.

В 1986 г. началась разработка суперЭВМ «Эльбрус»-3», основанная на совершенно новых архитектурных идеях. В нем впервые в мире были реализованы явный параллеризм на уровне операций и широкое командное слово – принципы, которые составляют основы современной технологии

EPIC (explicitly parallel instruction computing).

49

В начале 1990-х гг. в учебниках и статьях, посвященных истории развития компьютерной техники появлялись пессимистичные утверждения, что после прекращения работ над «Эльбрусами», в силу известных событий, возврат к ним в дальнейшем вряд ли произойдет, но идеи, заложенные в архитектуру, были настолько революционными, что с 1992 года между фирмой Sun и группой специалистов-разработчиков «Эльбрусов», создавших фирму МЦСТ (Московский Центр SPARCтехнологий)заключен контракт, предполагающий реализацию идей заложенных в «Эльбрусе-3» на западных технологиях. А в 2000 году компанией МЦСT был создан процессор «Эльбрус-2000» (E2r) в котором воплощены идеи «Эльбруса-3» в доработанном и усовершенствованном виде. На основе этих идей созданы также процессоры Crusoe компанией

Transmeta и IA-64 фирмами Intelи HP.

а

б

Рис. 3.9. Первые советские суперЭВМ: а) «Эльбрус»-1; б) ЕС-1066

В 1999 году усилиями российских НИИ («Квант», института прикладной математики РАН) и промышленных предприятий создан 96процессорнный суперкомпьютер МВС-1000 производительностью 1 млрд о/с с телекоммуникационным доступом, в том числе и по Internet.

50

Мощность современных суперкомпьютеров достигает 10,51 петафлопс и скорость их все время увеличивается. По состоянию на июнь 2011 г. система K Cоmputer (рис. 3.10) имела 68 544 8-ядерных процессоров Sparc64 VIII f, что составляло 548 352 вычислительных ядра, произведенных компанией Fujitsu по 45-нанометровому техпроцессу.

Рис. 3.10. Суперкомпьютер K Computer фирмы Fujitsu

Суперкомпьютеры применяются там, где нужно быстро произвести расчеты огромного объема:

проектирование инженерных сооружений, автомобилей, судов и летательных аппаратов

проектирование электронных и полупроводниковых устройств вычислительная гидродинамика (CFD)

моделирование атмосферы и мирового океана, предсказание

погоды

различные задачи математической физики астрофизика и космические исследования

молекулярные науки, генетика, медицина и разработка лекарственных препаратов

параллельные СУБД, электронная коммерция и информационные системы

виртуальная реальность и визуализация, обработка изображений

атомная энергетика и военные задачи бортовые, встроенные, real-time системы.

51

В настоящее время суперкомпьютерами оснащены ведущие вузы России. Так, в МГУ им. М.В Ломоносова установлен отечественный суперкомпьютер «СКИФ МГУ» — совместная разработка МГУ, Института

программных систем РАН и	компании «Т-Платформы», выполненная
в рамках суперкомпьютерной	программы «СКИФ-ГРИД» Союзного

государства России и Белоруссии. Это суперкомпьютер, работы над

усовершенствованием	которого продолжаются, занимал 36-е место
в рейтинге TOP500.	Его пиковая производительность составляет 60

Тфлопс, а в тесте Linpack – около 47 Тфлопс. За все время существования суперкомпьютеров «СКИФ» пять из них к 2011 г. входило в рейтинг

TOP500.

В Сибирском федеральном университете также есть свой суперкомпьютер, установленный в институте космических и информационных технологий. Это суперкомпьютер с кластерной архитектурой в состав которого входят 224 вычислительных узла IBM BladeCenterHS21 Cluster. При установке, он также входил в список TOP500

(рис. 3.11).

3.6.Поколения ЭВМ: пятое или шестое?

Сначала четвертого поколения ЭВМ (1977), прошло более 30 лет, но на сегодняшний день, несмотря на бурное развитие компьютерной техники, повлекшее за собой не менее бурный процесс информатизации, мы не можем определить, к какому поколению относится современная компьютерная техника. Логично заключить, что вслед за четвертым

поколением ЭВМ, должно было последовать пятое. И, действительно,

в1981 г. были сформулированы требования, определяющие черты пятого поколения: «Пятое поколение зародилось в недрах четвертого поколения и

взначительной мере его черты определяются результатами работы японского Комитета научных исследований в области ЭВМ пятого поколения, опубликованными в 1981г. Отчет Комитета имел огромный резонанс в научном мире, несмотря на национальный характер. Авторы проекта поставили целью наметить план информатизации, направленный на содействие решению актуальнейших проблем японского общества. Ввиду же высокого уровня развития Японии он несомненно представлял интерес для остального мира и оказал большое влияние на развитие компьютерной информатики во всех развитых странах. Согласно этому проекту ЭВМ и вычислительные системы пятого поколения помимо более высокой производительности и надежности при более низкой стоимости, вполне обеспечиваемые СБИС и другими новейшими технологиями,

52