Полная версия

Главная arrow Информатика arrow Вычислительная техника

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И КЛАССИФИКАЦИЯ ЭВМ

Поколения ЭВМ

В истории развития ВТ можно выделить несколько поколений больших ЭВМ, отличающихся элементной базой, функционально-логической организацией, конструктивно-технологическим исполнением, программным обеспечением, техническими и эксплуатационными характеристиками, степенью доступа в ЭВМ со стороны пользователей. Смене поколений сопутствовало изменение основных технико-эксплуатационных и технико-экономических показателей ЭВМ, в первую очередь таких, как быстродействие, емкость памяти, надежность и стоимость. Одной из основных тенденций развития является стремление уменьшить трудоемкость подготовки программ решаемых задач, облегчить связь операторов с машинами, повысить эффективность использования последних. Все это связано с постоянным ростом сложности и трудоемкости задач, для решения которых применяются ЭВМ.

1. Основным активным элементом ЭВМ первого поколения являлась электронная лампа, остальные компоненты электронной аппаратуры - это обычные резисторы, конденсаторы, трансформаторы. Для построения оперативной памяти ЭВМ применяются ферритовые сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса. В качестве устройства ввода-вывода сначала использовалась стандартная телеграфная аппаратура (телетайпы, ленточные перфораторы, трансмиттеры, аппаратура счетно-перфорационных машин), а затем специально для ЭВМ были разработаны электромеханические запоминающие устройства на магнитных лентах, барабанах, дисках и быстродействующие печатающие устройства.

Машины первого поколения имели значительные размеры, потребляли большую мощность, имели сравнительно малое быстродействие, малую емкость оперативной памяти, невысокую надежность работы и недостаточно развитое программное обеспечение.

В ЭВМ этого поколения были заложены основы логического построения машин и продемонстрированы возможности цифровой вычислительной техники.

Первый электронный цифровой компьютер широкого назначения ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer - электронный цифровой интегратор и вычислитель) был спроектирован в Пенсильванском университете под руководством Джона Моучли (John Mauchly) и Джона Преспера Эккерта (John Presper Eckert). Проект создавался в конце второй мировой войны с учетом потребности вооруженных сил США. Армейская лаборатория исследования баллистики (BRL - Ballistics Research Laboratory), которая занималась подготовкой баллистических таблиц, используемых для точной наводки крупнокалиберных орудий, в условиях дефицита времени испытывала огромные затруднения при выполнении необходимых расчетов. Для этих расчетов привлекались свыше 200 вычислителей с настольными механическими калькуляторами, на которых решались уравнения баллистики с использованием численных методов. На подготовку таблицы для одного типа орудия затрачивалось от нескольких часов до нескольких дней.

Дж. Мочли, профессор электротехники Пенсильванского университета, и Дж. Эккерт, один из его аспирантов, предложили спроектировать универсальную вычислительную машину на электронных лампах, которая могла бы справиться и с теми задачами, что решались в BRL. В 1943 году началась работа над проектом ENIAC. То, что было создано, по тем временам казалось техническим монстром. Машина весила около 30 тонн, занимала 15 000 кв. футов (примерно 1400 кв. м), содержала более 18 000 электронных ламп, 15 000 реле и потребляла около 140 кВт электроэнергии. Но по скорости вычислений машина превосходила любые электромеханические калькуляторы и могла выполнять около 5 000 сложений в секунду.

ENIAC была, по сути, не двоичной, а десятичной вычислительной машиной. Основной недостаток машины заключался в том, что программирование вычислений в ней выполнялось вручную путем перекоммутации электрических кабелей и с помощью электрических переключателей.

Проект был завершен в 1946 году. Машине нашли применение в Манхэттенском проекте при выполнении расчетов, связанных с созданием водородной бомбы. ENIAC эксплуатировалась в BRL вплоть до 1955 года, после чего была разобрана.

Важным выводом является то, что машина, спроектированная для одной области, нашла свое применение в другой, и это показало огромное преимущество идеи универсальной вычислительной машины, способной решать широкий круг задач.

К этому же времени относится возникновение идеи, воплощение которой находит свое отражение в современных архитектурах компьютеров. Эта идея известна под именем концепции хранимой программы, которую обычно связывают с группой создателей ENIAC, в частности с именем математика Джон фон Неймана (John von Neumann), который был консультантом проекта. В 1945 году фон Нейман опубликовал работу «Предварительный доклад о машине EDVAC», посвященную обсуждению логической структуры нового компьютера EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Calculator - электронный автоматический калькулятор дискретных величин). Идея заключалась в следующем.

Ввести новую программу в ENIAC или изменить что-либо в имеющейся было исключительно трудно. Значительно проще было бы программировать машину в том случае, если бы можно было представить программу в таком же виде, как и данные, и хранить ее примерно таким же способом. Тогда ввод новой программы свелся бы к вводу массива команд в память (или изменению имеющегося там массива), а компьютер в процессе вычислений извлекал бы их из памяти.

Прототипом всех последующих компьютеров общего назначения с хранимой программой стал компьютер, известный под именем IAS (Institut for Advanced Studies), структура которого показана на рисунке 1.1.

Структура компьютера IAS

Рис. 1.1 Структура компьютера IAS

Оперативная память - в ней хранятся данные и команды программы.

Арифметическое и логическое устройство (АЛУ) - обрабатывает данные, представленные в двоичной системе счисления.

Устройство управления выполнением программы (УУ) - анализирует команды программы, извлекаемые из памяти, и организует их выполнение.

Оборудование ввода-вывода - работает в соответствии с сигналами, поступающими от УУ.

За малым исключением такую структуру и распределение функций имеют все современные ЭВМ, и ее общепринято называть структурой машины фон Неймана.

К отечественным ЭВМ первого поколения относятся ЭВМ БЭСМ-1, БЭСМ-2, «Стрела», семейство ЭВМ «Урал», «Минск-1» и др.

В СССР первая малая электронная счетная машина (МЭСМ) была создана в 1951 году (принята в эксплуатацию с 25 декабря 1951 года) под руководством С.А. Лебедева. Она имела универсальное арифметическое устройство, которое выполняло 50 арифметических или логических операций в секунду, и потребляла мощность 25 кВт.

2. На смену лампам в машинах второго поколения (конец 50-х годов) пришли транзисторы. Полупроводниковый прибор под таким названием изобретен специалистами фирмы Bell Labs в 1947 году. В отличие от ламповых ЭВМ транзисторные машины обладали большими быстродействием, емкостью оперативной памяти, надежностью. Существенно уменьшены размеры, масса и потребляемая мощность. Большим достижением явилось применение печатного монтажа. Повысилась надежность электромеханических устройств ввода- вывода, удельный вес которых увеличился.

В период доминирования ЭВМ второго поколения:

  • - появились машины для решения научно-технических и экономических задач, для управления производственными процессами и различными объектами (управляющие машины);
  • - внедряются АЛУ и УУ с более сложной структурой и функциональными возможностями;
  • - увеличение объема памяти привело к отказу от программирования в кодах машинных команд и широкому внедрению в практику программирования языков высокого уровня. Вследствие этого существенно упростился процесс подготовки задач к решению на ЭВМ и составление программ на этих языках стало под силу самим пользователям
  • - развиваются методы и приемы программирования вычислений, высшей ступенью которых является автоматическое программирование, требующее минимальных затрат труда математиков-программистов;
  • - наряду с однопрограммными появились многопрограммные (мультипрограммные) ЭВМ. В отличие от однопрограммных машин, в которых программы выполняются только поочередно, в многопрограммных ЭВМ возможна совместная реализация нескольких программ за счет организации параллельной работы основных устройств машины.

Первыми ЭВМ малой мощности на новой элементной базе выпустили фирмы NCR и RCA. Вслед за ними выпуск компьютеров серии 7000 освоила и компания IBM. В этот же период появился первый мини-компьютер фирмы DEC под названием PDP-1.

Структура типичного представителя ЭВМ (вычислительный комплекс IBM 7094) второго поколения представлена на рисунке 1.2.

Вычислительный комплекс IBM 7094

Рис. 1.2 Вычислительный комплекс IBM 7094

Здесь уже проявились отличия от структуры ЭВМ IAS. Это:

  • - каналы данных как независимые модули ввода-вывода, обладающие собственным процессором и собственной системой команд;
  • - мультиплексор, который играет роль центрального коммутатора (диспетчера доступа) при пересылке информации между каналами данных, центральным процессором и оперативной памятью.

Отечественные ЭВМ второго поколения - ЭВМ БЭСМ-6, «Минск», «Урал» и др.

3. Третье поколение ЭВМ (конец 60-х - начало 70-х годов) характеризуется широким применением интегральных схем. Интегральная микросхема изобретена в 1958 году и представляет собой законченный функциональный логический блок, соответствующий достаточно сложной транзисторной схеме. Благодаря использованию интегральных схем удалось существенно улучшить технические и эксплуатационные характеристики машин. Этому способствовало также применение многослойного печатного монтажа.

Технология производства интегральных микросхем основана на том, что все базовые электронные компоненты - транзисторы, резисторы и конденсаторы - изготавливаются из одного и того же полупроводникового материала, в качестве которого, как правило, используется кремний. С помощью специальной процедуры металлизации между сформированными компонентами на пластине кремния образуются электрические связи.

К третьему периоду развития ЭВМ относят:

  • - появление закона Мура. Один из основателей фирмы Intel Гордон Мур в 1965 году подметил тенденцию, что каждый год количество транзисторов в одном чипе (чип - одна из ячеек размером несколько миллиметров на размеченном монокристалле кремния) удваивается. Начиная с 70-х годов прошлого века, плотность упаковки компонентов удваивалась, в среднем, каждые 18 месяцев. Закон сохраняет свою силу до нынешнего времени;
  • - увеличение объема оперативной памяти и ее быстродействия;
  • - увеличение производительности за счет использования элементной базы с лучшими динамическими характеристиками;
  • - расширение набора различных электромеханических устройств для ввода и вывода информации;
  • - дальнейшее развитие программного обеспечения, особенно операционных систем. Развитые операционные системы многопрограммных машин, снабженных периферийными устройствами ввода-вывода с автономными пультами абонентов, обеспечивают управление работой ЭВМ в различных режимах: пакетной обработки, разделения времени, запрос-ответ и др.;
  • - существенно расширены возможности по обеспечению непосредственного доступа к ним со стороны абонентов, находящихся на различных, в том числе и значительных (десятки и сотни километров), расстояниях. Удобство общения абонента с машиной достигается за счет развитой сети абонентских пунктов, связанных с ЭВМ информационными каналами связи, и соответствующего программного обеспечения.
  • - при разработке машин третьего поколения применяются различные методы автоматизации проектирования. Основной объем документации, необходимой для монтажа, разрабатывается с помощью ЭВМ.

Типичными представителями ЭВМ третьего поколения можно считать большой компьютер семейства System/360 корпорации IBM и миникомпьютер PDP-8 корпорации DEC (рисунок 1.3).

Типичный представитель ЭВМ третьего поколения

Рис. 1.3 Типичный представитель ЭВМ третьего поколения

Новшеством здесь было то, что модели PDP-8 имели структуру с системной магистралью, которая в настоящее время является фактическим стандартом при проектировании подавляющего большинства мини- и микрокомпьютеров. Системная магистраль Omnibus состояла из 96 сигнальных линий, по которым передавались управляющие сигналы, коды адресов и данных. Процесс управления работой магистрали возложили на центральный процессор. Архитектура с центральной магистралью обеспечивает чрезвычайную гибкость при комплектовании вычислительных комплексов разной конфигурации из стандартных компонентов.

В СССР и странах Варшавского договора создается и получает дальнейшее развитие ЕС ЭВМ - Единой системы электронных вычислительных машин, созданной совместными усилиями коллективов стран СССР, НРБ, ВНР, ГДР, ПНР и ЧССР.

ЕС ЭВМ представляет собой семейство (ряд) программно-совместимых машин, построенных на единой элементной базе, на единой конструктивнотехнологической основе, с единой структурой, единой системой программного обеспечения, единым унифицированным набором внешних устройств. Архитектура машин ЕС ЭВМ была заимствована у компьютеров IBM 360/370. Промышленный выпуск первых моделей ЕС ЭВМ был начат в 1972 г.

Для решения сравнительно небольших задач управления различными процессами применялись ЭВМ с упрощенной системой команд, например, СМ- 1а СМ-4, «Электроника 100» и др.

4. Для машин четвертого поколения (конец 70-х - начало 80-х годов) характерно применение больших интегральных схем (БИС). БИС называют микросхемы высокой степени интеграции, которые содержат более 1000 компонентов в чипе, сверхбольшие БИС (СБИС) содержат свыше 10 000 компонентов. В настоящее время СБИС содержат порядка 100 000 компонентов. Высокая степень интеграции способствует увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, повышению ее надежности и быстродействия, снижению стоимости. Это, в свою очередь, оказывает существенное воздействие на логическую структуру ЭВМ и ее программное обеспечение. Более тесной становится взаимозависимость структуры машины и ее программного обеспечения, особенно операционной системы.

С появлением в США в 1971 году микросхемы 4004 фирмы Intel, которая (микросхема) содержала все компоненты процессора в одном корпусе, появился новый класс устройств - микропроцессоры. Первый микропроцессор 4004 обладал скромными возможностями - он мог складывать два 4-разрядных числа, а умножение выполнялось путем многократного сложения.

Наиболее существенное событие для развития микропроцессоров произошло в 1974 году с выпуском микропроцессора общего назначения модели 8080. Прежние модели годились только для построения процессоров специализированных ЭВМ, а процессор 8080 предназначался для ЭВМ самого широкого применения. Начал развиваться новый класс вычислительных машин - микро- ЭВМ. Появление микроЭВМ - наиболее яркое событие в области вычислительной техники, это динамично развивающийся сектор отрасли.

С внедрением компьютеров решение задач информатизации общества поставлено на реальную основу.

  • 5. Основную концепцию машин пятого поколения (начало 80-х годов - начало 90-х) можно сформулировать следующим образом:
    • - ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных инструкций программы;
    • - ЭВМ со многими сотнями параллельно работающих процессоров, позволяющих строить системы обработки данных и знаний, эффективные сетевые компьютерные системы.
  • 6. Шестое поколение характеризуется использованием электронных и оптоэлектронных ВМ с массовым параллелизмом, нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.
 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>