Характеристика первого поколения эвм. Основные характеристики эвм различных поколений - реферат

Эра электронных вычислительных машин началась в 40-х годах XX века и связана с работами таких теоретиков и практиков вычислительной техники как Алан Тьюринг (Великобритания), Конрад Цузе (Германия), Клод Шеннон, Джон Атанасофф, Говард Эйкен, Преспер Экерт, Джон фон Нейман (США) и других ученых и инженеров.

В 1943 году по заказу ВМФ США при финансовой и технической поддержке фирмы IBM под руководством Г. Эйкена была создана первая универсальная цифровая вычислительная машина Mark 1.Она достигала 17 м в длину и более 2,5 м в высоту. В качестве переключательных устройств использовались электромеханические реле, данные вводились на перфоленте в десятичной системе счисления . Эта машина могла выполнять сложение и вычитание 23-разрядных чисел за 0,3 с, умножать два числа за 3 с и использовалась для расчета траектории полета артиллерийских снарядов.

За два года до этого в Германии под руководством К. Цузе была создана электромеханическая вычислительная машина Z-3, основанная на двоичной системе счисления. Эта машина была значительно меньше машины Эйкена и гораздо дешевле в производстве. Она использовалась для расчетов, связанных с конструированием самолетов и ракет. Но дальнейшее ее развитие (в частности, идеи перевода на вакуумные электронные лампы) не получили поддержки правительства Германии.

В Великобритании в конце 1943 года вошла в строй вычислительная машина Colossus, в которой вместо электромеханических реле содержалось около 2000 электронных ламп. В ее разработке активное участие принял математик А. Тьюринг с его идеями по формализации описания расчетных задач. Но эта машина имела узкоспециализированный характер: была предназначена для дешифровки немецких кодов путем перебора различных вариантов. Скорость обработки достигала 5000 символов в секунду.

Первой ламповой универсальной цифровой вычислительной машиной считают ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), которая была создана в 1946 году по заказу Министерства обороны США под руководством П. Экерта. Она содержала более 17000 электронных ламп и работала с десятичной арифметикой. По своим размерам (около 6 м в высоту и 26 м в длину) машина более чем вдвое превосходила Mark-1, но и быстродействие ее было намного больше – до 300 операций умножения в секунду. На этом компьютере были проведены расчеты, подтверждающие принципиальную возможность создания водородной бомбы.

Следующая модель (1945-1951 гг.) тех же разработчиков – машина EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) имела более вместительную внутреннюю память, в которую можно было записывать не только данные, но и программу. Система кодировки была уже двоичной, что позволило значительно сократить количество электронных ламп.

В этой разработке в качестве консультанта принимал участие талантливый математик Д. фон Нейман. В 1945 году он опубликовал "Предварительный доклад о машине EDVAC ", в котором описал не только конкретную машину, но и сумел обрисовать формальную, логическую организацию компьютера, выделил и детально обрисовал ключевые компоненты того, что сейчас называют "архитектурой фон Неймана" (рис. 1).

Исходной точкой отсчета истории нашей отечественной вычислительной техники считается 1948 год, когда сотрудники Энергетического института АН СССР Исаак Брук и Башир Рамеев получили авторское свидетельство на изобретение "Автоматическая цифровая вычислительная машина". В том же 1948 году в Институте электротехники АН УССР под руководством академика Сергея Лебедева начались работы над проектом создания МЭСМ - малой электронной счетной машины.

В период с 1948 по 1952 гг. создавались опытные образцы, единичные экземпляры вычислительных машин, которые, также как и в США, использовались одновременно как для проведения особо важных расчетов (зачастую засекреченных), так и для отладки конструкторских и технологических решений.
Рис. 1 - Архитектура "машины фон Неймана"

В дальнейшем работы в области создания ЭВМ велись в нескольких направлениях.

Например, проекты С.А. Лебедева. МЭСМ, введенная в строй в декабре 1951 года, стала первой действующей ЭВМ в СССР. В 1953 году С.А. Лебедев стал директором московского Института точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ) и возглавил разработку серии знаменитых БЭСМ (больших электронных счетных машин): от БЭСМ-1 до БЭСМ-6. Каждая машина этой серии на момент своего создания была лучшей в классе универсальных ЭВМ.

БЭСМ-1 (1953 г.) имела 5000 электронных ламп, выполняла 8...10 тыс. операций в секунду. Ее особенностью стало введение операций над числами с плавающей запятой с обеспечением большого диапазона используемых чисел. На БЭСМ-1 были испытаны в реальной эксплуатации три типа оперативной памяти объемом 1024 39-разрядных слова:

1. на электроакустических ртутных трубках (линиях задержки); память такого типа использовалась в EDSAC и EDVAC;
2. на электронно-лучевых трубках (потенциалоскопах);
3. на ферритовых магнитных сердечниках.

Внешняя память была выполнена на магнитных барабанах и магнитных лентах.

Особое место в истории развития отечественной вычислительной техники занимает БЭСМ-6, серийно выпускавшаяся с 1967 года в течение 17 лет. В ее архитектуре был реализован принцип распараллеливания вычислительных процессов, и ее производительность – 1 млн. операций в секунду – была рекордной для середины 60-х годов. На БЭСМ-6 появились первые полноценные операционные системы, мощные трансляторы, ценнейшая библиотека стандартных подпрограмм, реализующих численные методы решения различных задач, всё – отечественного производства.

К концу 60-х годов в нашей стране выпускалось около 20 типов ЭВМ общего назначения - серии БЭСМ (Москва, С.А.Лебедев), Урал (Пенза, Б.И.Рамеев), Днепр, Мир (Киев, В.М.Глушков), Минск (Минск, В. Пржиялковский) и другие, а также специализированные машины преимущественно для оборонного ведомства. Кстати, в отличие от Запада, где "двигателями прогресса" в области вычислительной техники были не только военные, но и представители делового мира, в СССР ими были только военные. Но постепенно и ученые, и хозяйственники, и чиновники стали осознавать роль вычислительных машин в экономике страны и насущную необходимость в разработке машин нового поколения.

Встал вопрос о переходе к индустрии ЭВМ. В декабре 1969 году на правительственном уровне было принято решение выбрать в качестве промышленного стандарта для универсальных вычислительных машин единой серии (ЕС ЭВМ) серии машин IBM S/360. Первая машина этой серии – ЕС-1020 была выпущена в 1971 году.
Производство ЕС ЭВМ было налажено совместно с другими социалистическими странами в рамках СЭВ (Совета по экономической взаимопомощи). Многие ученые выступили против копирования систем IBM, но предложить что-то взамен в качестве единого стандарта не смогли.
Конечно, идеальным вариантом была бы реализация архитектурных принципов IBM в сотрудничестве с самой компанией, и не семейства почти пятилетней давности, а самых современных моделей, и в сочетании с всесторонней поддержкой собственных разработок. Но на всё у государства не хватало средств, и пошли по более простому варианту. Так начался закат отечественной индустрии вычислительной техники.
Отметим, что отставание от Запада было обусловлено вовсе не решением копировать машины IBM. Технологическая база производства элементов, на которых строились компьютеры, стала с угрожающей быстротой отставать от мировой. Чем больше требовалось вкладывать средств в развитие микроэлектроники, тем труднее было поддерживать необходимый уровень. Отставание элементной базы, неповоротливость централизованной экономики, отсутствие конкуренции, зависимость разработчиков и производителей от чиновников Госплана не позволили повторить компьютерную революцию, которая происходила в годы создания ЕС на Западе.

Если в качестве основной характеристики ЭВМ принять ее элементную базу, то в истории их развития можно выделить четыре поколения (таблица).
Таблица - Основные характеристики ЭВМ различных поколений

Что мы назовем компьютерами пятого поколения?
В настоящее время прорабатывается несколько принципиально отличающихся направлений:

1. оптический компьютер, в котором все компоненты будут заменены их оптическими аналогами (оптические повторители, оптоволоконные линии связи, память на принципах голографии;
2. молекулярный компьютер, принцип действия которого будет основан на способности некоторых молекул находиться в различных состояниях;
3. квантовый компьютер, состоящий из компонентов субатомного размера и работающий по принципам квантовой механики.

Этот принцип реализован наличием ОЗУ. Это принципиально важное решение, т.к. первоначально автоматические вычислительные устройства разрабатывались так, что команды либо поступали из устройства ввода, либо зашивались прямо в электрические схемы, и для решения новой задачи надо было перепаивать схемы. Еще Чарльз Бэббидж предполагал, что на “складе” (памяти) должны храниться только числа, а команды должны вводиться при помощи перфокарт. Решение, что команды и данные хранятся в памяти на равноправных началах, было реализовано в первых электронно-вычислительных машинах.

Принцип программного управления

Этот принцип реализован наличием УУ. Принцип программного управления заключается в том, что компьютер работает по программе, хранящейся в памяти. Программа состоит из команд (ссылка на рисунок).

Последовательное выполнение операций

Последовательное выполнение операций заключается в том, что команды исполняются одна за другой, выполнение новой команды начинается после завершения выполнения предыдущей. В современных компьютерах наряду с последовательной обработкой существует возможность параллельной обработки нескольких процессов, что значительно убыстряет работу и расширяет возможности компьютера. Но в первых разработках этого не было.

Двоичное кодирование

Информация в компьютере хранится и обрабатывается в закодированном виде. Для кодирования используется двоичная система счисления. Это объясняется удобством технической реализации двоичных знаков 0 и 1, которые интерпретируются электрическими сигналами высокого и низкого напряжения, и простотой действий с двоичными числами. Надо заметить, что этот принцип был первоначально реализован не во всех ЭВМ. Первенец американской вычислительной техники - компьютер “Марк-1” производил вычисления в десятичной системе, но техническая реализация десятичной кодировки была очень сложна, и от нее в дальнейшем отказались.

Использование электронных элементов и электрических схем

Использование электронных элементов и электрических схем обеспечивает наибольшую надежность работы компьютера по сравнению с электромеханическими реле, которые использовались в первых конструкциях вычислительных устройств.

Поколения эвм и перспективы развития вычислительной техники

В истории развития вычислительных средств можно выделить три исторических этапа, временные рамки которых представлены в Таблица 1.

Таблица 1 Этапы развития вычислительных средств

Сравнивая эти временные периоды, можно сказать, что время, за которое человечество сделало колоссальнейший скачок от первых ЭВМ до современных супер-ЭВМ, является мигом “между прошлым и будущим”.

Период с 1945 года до сер. 90-х г.г. развития средств вычислительной техники принято разделять четыре этапа, которые характеризуются качественными изменениями в аппаратных и программных средствах. Эти этапы называют поколениями. Основные характеристики каждого поколения представлены в таблице 2. Однако, надо заметить, что границы между поколениями четко не очерчены. В процессе развития вычислительной техники разрабатывались модели ЭВМ, имеющие признаки нового поколения.

Таблица 2 Поколения ЭВМ

Первое поколение ЭВМ

Первое поколение ЭВМ создавалось на электронных лампах в период с 1944 по 1954 гг.

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. Дело в том, что металлы обладают большой концентрацией свободных электронов, обладающих различной энергией, а, следовательно, и скоростями движения. По мере нагревания металла энергия электронов возрастает, и некоторые из них преодолевают потенциальный барьер на границе металла.

Принцип работы электронной лампы следующий. Если на вход лампы подается логическая единица (например, напряжение 2 Вольта), то на выходе с лампы мы получим либо логический ноль (напряжение менее 1В), или логическую единицу (2В). 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, и, в результате, ток протекать не будет, и на выходе с лампы будет логический ноль. Используя этот принцип, строились все логические элементы ламповых ЭВМ.

В простейшем случае катодом служит нить из тугоплавкого металла (например, вольфрама), накаливаемая электрическим током, а анодом – небольшой металлический цилиндр. При подаче напряжения на катода под действием термоэлектронной эмиссии с катода начнут исходить электроны, которые в свою очередь будут приниматься анодом.

Применение электронных ламп резко повысило вычислительные возможности ЭВМ, что способствовало быстрому переходу от первых автоматических релейных вычислительных машин к ламповым ЭВМ первого поколения.

Однако, не обошлось без проблем. Использование электронных ламп омрачала их низкая надежность, высокое энергопотребление и большие габариты. Первые ЭВМ были поистине гигантских размеров и занимали несколько комнат в научно-исследовательских институтах. Обслуживание таких ЭВМ было крайне сложным и трудоемким, постоянно выходили из строя лампы, происходили сбои при вводе данных, и возникало множество других проблем. Не менее сложными и дорогостоящими приходилось делать и системы питания (нужно было прокладывать специальные силовые шины для обеспечения питания ЭВМ и делать сложную разводку, чтобы подвести кабели ко всем элементам), и системы охлаждения (лампы сильно грелись, от чего еще чаще выходили из строя).

Несмотря на это, конструкция ЭВМ быстро развивалась, скорость вычисления достигала нескольких тысяч операций в секунду, емкость ОЗУ – порядка 2048 машинных слов. В ЭВМ первого поколения программа уже хранилась в памяти, и использовалась параллельная обработка разрядов машинных слов.

Создаваемые ЭВМ, в основном, были универсальными и использовались для решения научно-технических задач. Со временем производство ЭВМ становится серийным, и они начинают использоваться в коммерческих целях.

В этот же период происходит становление архитектуры Фон-неймановского типа, и многие постулаты, нашедшие свое применение в ЭВМ первого поколения, остаются популярными и по сей день.

Основные критерии разработки ЭВМ, сформулированные Фон-Нейманом в 1946 году, перечислены ниже:

1. ЭВМ должны работать в двоичной системе счисления;

2. все действия, выполняемые ЭВМ, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательного набора команд. Каждая команда должна содержать код операции, адреса операндов и набор служебных признаков;

3. команды должны храниться в памяти ЭВМ в двоичном коде, так как это позволяет:

а) сохранять промежуточные результаты вычислений, константы и другие числа в том же запоминающем устройстве, где размещается программа;

б) двоичная запись команд позволяет производить операции над величинами, которыми они закодированы;

в) появляется возможность передачи управления на различные участки программы, в зависимости от результатов вычислений;

4. память должна иметь иерархичную организацию, так как скорость работы запоминающих устройств значительно отстает от быстродействия логических схем;

5. арифметические операции должны выполняться на основе схем, выполняющих только операции сложения, а создание специальных устройств – нецелесообразно;

6. для увеличения быстродействия необходимо использовать параллельную организацию вычислительного процесса, т.е. операции над словами будут производиться одновременно во всех разрядах слова.

Стоит отметить, что ЭВМ первого поколения создавались не с нуля. В то время уже были наработки в области построения электронных схем, например, в радиолокации и других смежных областях науки и техники. Однако, наиболее серьезные вопросы были связаны с разработкой запоминающих устройств. Ранее они практически не были востребованы, поэтому какого-либо серьезного опыта в их разработки накоплено не было. Следовательно, каждый прорыв в разработке запоминающих устройств приводил к серьезному шагу вперед в конструировании ЭВМ, так как разработка быстродействующей и емкой памяти – это неотъемлемое условие разработки мощной и быстродействующей ЭВМ.

Первые ЭВМ использовали в качестве запоминающего устройства – статические триггеры на ламповых триодах. Однако, получить запоминающее устройство на электронных лампах приемлемой емкости требовало неимоверных затрат. Для запоминания одного двоичного разряда требовалось два триода, при этом для сохранения информации они должны были непрерывно потреблять энергию. Это, в свою очередь, приводило к серьезным выделениям тепла и катастрофическому снижению надежности. В результате, запоминающее устройство было крайне громоздким, дорогим и ненадежным.

В 1944 году начал разрабатываться новый тип запоминающих устройств, основанный на использовании ультразвуковых ртутных линий задержки. Идея была заимствована из устройства уменьшения помех от неподвижных предметов и земли, разработанного для радаров во время Второй Мировой Войны.

Чтобы убрать неподвижные объекты с экрана радара отражённый сигнал разделяли на два, один из которых посылался непосредственно на экран радара, а второй задерживался. При одновременном выводе на экран нормального и запаздывающего сигналов любое появлявшееся из-за задержки и обратной полярности совпадение стиралось, оставляя только подвижные объекты.

Задержка сигнала осуществлялась с помощью линий задержки - наполненных ртутью трубок с пьезокристаллическим преобразователем на концах. Сигналы от радарного усилителя посылались на пьезокристалл в одном конце трубки, и тот, получая импульс, генерировал небольшое колебание ртути. Колебание быстро передавалось на другой конец трубки, где другой пьезокристалл его инвертировал и передавал на экран.

Ртуть использовалась, потому что её удельное акустическое сопротивление почти равно акустическому сопротивлению пьезокристаллов. Это минимизировало энергетические потери, происходящие при передаче сигнала от кристалла к ртути и обратно.

Для использования в качестве памяти, ртутные линии задержки были несколько доработаны. На принимающем конце трубки был установлен повторитель, который посылал входной сигнал обратно на вход линии задержки, таким образом, импульс, посланный в систему хранения данных, продолжал циркулировать в линии задержки, а, следовательно, сохранялся бит информации до тех пор, пока было электропитание.

Каждая линия задержки сохраняла не один импульс (бит данных), а целый набор импульсов, количество которых определялось скоростью прохождения импульса через ртутную линию задержки (1450 м/с), длительностью импульсов, интервалом между ними и длинной трубки.

Впервые такое устройство хранения данных было использовано в английской ЭВМ – ЭДСАК, вышедшей в свет в 1949 году.

Память на ртутных линиях задержки была огромным шагом вперед, по сравнению с памятью на ламповых триодах, и привела к скачку в развитии вычислительной техники. Однако, она обладала рядом серьезных недостатков:

1. линии задержки требовали строгой синхронизации с устройством считывания данных. Импульсы должны были поступать на приёмник именно в тот момент, когда компьютер был готов считать их;

2. для минимизации энергетических потерь, происходящих при передаче сигнала в линии задержки, ртуть надо содержать при температуре в 40°C, так как при этой температуре ртути удается достигнуть максимального согласования акустических сопротивлений ртути и пьезокристаллов. Это тяжелая и некомфортная работа;

3. изменение температуры ртути также приводило к уменьшению скорости прохождения звука. Приходилось поддерживать температуру в строго заданных рамках, либо регулировать тактовую частоту компьютера, подстраиваясь под скорость распространения звука в ртути при текущей температуре;

4. сигнал мог отражаться от стенок и концов трубки. Приходилось применять серьезные методы для устранения отражений и тщательно настраивать положение пьезокристаллов;

5. скорость работы памяти на ртутных линиях задержки была невелика и ограничивалась скоростью звука в ртути. В результате, она была слишком медленной и значительно отставала от вычислительных возможностей ЭВМ, что сдерживало их развитие. В результате, скорость ЭВМ с памятью на ультразвуковых ртутных линиях задержки составляла несколько тысяч операций в секунду;

6. ртуть – чрезвычайно токсичный и дорогой материал, применение которого связано с необходимостью соблюдения жестких норм безопасности.

Поэтому требовалась новая, более быстрая память для продолжения развития ЭВМ. Вскоре, после создания первой ЭВМ на ультразвуковых ртутных линиях задержки, начались работы по исследованию нового типа памяти, использующего электронно-лучевые трубки, представляющие собой модификацию осциллографических трубок.

Впервые, способ хранения данных с помощью электронно-лучевых трубок был разработан в 1946 году Фредериком Уильямсом. Изобретение Уильямсона могло сохранять всего один бит и работало следующим образом.

С помощью электронно-лучевой трубки пучок электронов фокусировался на участке пластины, покрытой специальным веществом. В результате, этот участок под действием вторичной эмиссии испускал электроны и приобретал положительный заряд, который сохранялся доли секунды, даже после отключения луча. Если через короткие интервалы времени повторять бомбардировку электронами, то заряд участка можно сохранять столько, сколько потребуется.

Если же луч, не отключая, чуть передвинуть на соседний участок, то электроны, испущенные соседним участком, будут поглощены первым участком, и он примет нейтральный заряд.

Таким образом, в ячейку, состоящую из двух смежных участков, можно быстро записывать 1 бит информации. Ячейка без заряда – 1, ячейка с положительным зарядом – 0.

Для считывания сохраненного бита информации, с противоположной стороны пластины прикреплялись электроды, измеряющие величину изменения заряда ячейки, а сама ячейка подвергалась повторному воздействию лучом электронов. В результате, независимо от первоначального состояния, она получала положительный заряд. Если ячейка уже имела положительный заряд, то изменение ее заряда было меньше, чем, если бы она имела нейтральный заряд. Анализируя величину изменения заряда, определяли значение сохраненного в этой ячейке бита.

Однако, процесс считывания данных уничтожал информацию, сохраненную в ячейке, поэтому после операции чтения приходилось повторно записывать данные. В этом процесс работы с памятью на электронно-лучевых трубках был очень похож на работу с современной динамической памятью.

Первый компьютер с такой памятью появился летом 1948 года и позволял сохранять до тридцати двух тридцати двух разрядных двоичных слов.

Со временем память на электронно-лучевых трубках была заменена памятью с магнитными сердечниками. Этот тип памяти был разработан Дж. Форрестером и У. Папяном, и введен в эксплуатацию в 1953 году.

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.

В простейшем случае устройство памяти было следующим.

Вдоль строк матрицы через кольца пропускались провода возбуждения (на рисунке они выделены зеленым цветом). Аналогичные провода пропускались через кольца вдоль столбцов матрицы (синий цвет).

Ток, проходящий через эти провода, устанавливал направление намагниченности колец. Причем, сила тока была такова, что один провод не мог изменить направление намагниченности, а, следовательно, направление намагниченности изменялось только в кольце, находящемся на пересечении красного и синего провода. Это было необходимо, так как на каждый провод возбуждения было нанизано несколько десятков ферритовых колец, а изменять состояние нужно было только в одном кольце.

Если в выбранном кольце изменять состояние намагниченности не требовалось, то подавали ток в провод запрета (красный цвет) в направлении, противоположном току в проводах возбуждения. В результате, сумма токов была недостаточной для изменения намагниченности кольца.

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 его, можно было определить, насколько изменилось направление намагниченности в кольце, а, следовательно, узнать хранимое им значение.

Как видите, процесс считывания уничтожал данные (также, как и в современной динамической памяти), поэтому после считывания было необходимо заново записать данные.

Вскоре, этот тип памяти стал доминирующим, вытеснив электронно-лучевые трубки и ультразвуковые ртутные линии задержки. Это дало еще один скачок в производительности ЭВМ.

Дальнейшее развитие и совершенствование ЭВМ позволило им прочно занять свою нишу в области науки и техники.

К числу передовых ЭВМ первого поколения можно отнести:

ENIAC - первый широкомасштабный электронный цифровой компьютер, созданный в 1946 году по заказу армии США в лаборатории баллистических исследований для расчётов таблиц стрельбы. В эксплуатацию введен 14 февраля 1946 года;

EDVAC - одна из первых электронных вычислительных машин, разработанная в лаборатории баллистических исследований армии США, представленная публике в 1949 году;

EDSAC - электронная вычислительная машина, созданная в 1949 году в Кембриджском Университете (Великобритания) группой во главе с Морисом Уилксом;

UNIVAC - универсальный автоматический компьютер, созданный в 1951 году Д. Моучли и Дж. Преспер Эккерт;

IAS - ЭВМ Института Перспективных Исследований, разработанная под руководством Дж. Неймана в 1952 году;

Whirlwind – ЭВМ, созданная в Массачусетском Технологическом Университете в марте 1951 года;

МЭСМ - Малая Электронная Счетная Машина – первая отечественная ЭВМ, созданная в 1950 году С.А. Лебедевым;

БЭСМ - Большая Электронная Счетная Машина, разработанная Институтом Точной Механики и Вычислительной Техники Академии наук СССР.

Все эти и многие другие вычислительные машины первого поколения подготовили надежную стартовую площадку для победного марша ЭВМ по всему миру.

Стоит отметить, что не было резкого перехода от ЭВМ первого поколения на электронных лампах к ЭВМ второго поколения на транзисторах. Электронные лампы постепенно заменялись, вытесняясь твердотельными транзисторами. В первую очередь, были вытеснены электронные лампы из устройств хранения данных, а затем постепенно они вытеснялись из арифметико-логических устройств.

Слева, схематично изображен переход от чисто ламповых ЭВМ к ЭВМ второго поколения.

За время существования ламповых ЭВМ их структура, изображенная на рисунке ниже, не претерпела серьезных изменений. Переход ко второму поколению ЭВМ также не внес существенных изменений в их структурное построение. В основном, изменилась только элементная база. Серьезные изменения структуры построения ЭВМ начались ближе к третьему поколению ЭВМ, когда начали появляться первые интегральные схемы.

С помощью устройства ввода данных (УВв), в ЭВМ вводились программы и исходные данные к ним. Введенная информация целиком или полностью запоминалась в оперативном запоминающим устройстве (ОЗУ). Затем, при необходимости, она заносилась во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), откуда по мере надобности могла подгружаться в ОЗУ.

После ввода данных или считывания их из ВЗУ, программная информация, команда за командой, считывалась из ОЗУ и передавалась в устройство управления (УУ).

Устройство управления дешифрировало команду, определяло адреса операндов и номер следующей команды, которую нужно было считать из ОЗУ. Затем, путем принудительной координации всех элементов ЭВМ, УУ организовывало исполнение команды и запрашивало следующую. Цепи сигналов управления показаны на рисунке штриховыми линиями.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняло арифметические и логические операции над данными. Основной частью АЛУ является вычислительное ядро, в состав которого входят сумматоры, счетчики, регистры, логические преобразователи и др.

Промежуточные результаты, полученные после выполнения отдельных команд, сохранялись в ОЗУ. Результаты, полученные после выполнения всей программы вычисления, передавались на устройство вывода (УВыв). В качестве УВыв использовались: экран дисплея, принтер, графопостроитель и т.д.

Как видно из приведенной выше структурной схемы, ЭВМ первого поколения имели сильную централизацию. Устройство управления отвечало не только за выполнение команд, но и контролировало работу устройств ввода и вывода данных, пересылку данных между запоминающими устройствами и другие функции ЭВМ. Также были жестко стандартизированы форматы команд, данных и циклов выполнения операций.

Все это позволяло несколько упростить аппаратуру ЭВМ, ужасно сложную, громоздкую и без изысков организации вычислительного процесса, но значительно сдерживало рост их производительности.

Первая ЭВМ на электронных лампах была создана в США и называлась ЭНИАК. Она оказала существенное влияние на направление развития вычислительной техники. Вскоре, за примером США последовали и многие другие промышленно-развитые страны (Великобритания, Швейцария, СССР и др.), уделявшие развитию вычислительной техники в послевоенный период много внимания.

Однако, наибольшее значение в развитии вычислительной техники оказали исследования, проводимые в США, СССР и Великобритании. В других же странах, например во Франции, ФРГ, Японии, ЭВМ, относящиеся к первому поколению, не получили серьезного развития. В частности, для ФРГ, Испании и Японии даже трудно отделить рамки перехода от ЭВМ первого поколения к ЭВМ второго поколения, так как, наряду с первыми ламповыми ЭВМ, в конце пятидесятых годов начинали создаваться и первые ЭВМ на полупроводниковой основе.

Список используемой литературы

1. История развития вычислительной техники. Ланина Э.П. ИрГТУ, Иркутск – 2001 г.

2. Развитие вычислительной техники. Апокин И.А. М., "Наука", 1974 г.

3. Курс физики. Трофимова Т.И. Москва "Высшая школа", 2001 г.

Введение

1. Первое поколение ЭВМ 1950-1960-е годы

2. Второе поколение ЭВМ: 1960-1970-е годы

3. Третье поколение ЭВМ: 1970-1980-е годы

4. Четвертое поколение ЭВМ: 1980-1990-е годы

5. Пятое поколение ЭВМ: 1990-настоящее время

Заключение

Введение

Начиная с 1950 года, каждые 7-10 лет кардинально обновлялись конструктивно-технологические и программно-алгоритмические принципы построения и использования ЭВМ. В связи с этим правомерно говорить о поколениях вычислительных машин. Условно каждому поколению можно отвести 10 лет.

ЭВМ проделали большой эволюционный путь в смысле элементной базы (от ламп к микропроцессорам) а также в смысле появления новых возможностей, расширения области применения и характера их использования.

Деление ЭВМ на поколения - весьма условная, нестрогая классификация вычислительных систем по степени развития аппаратных и программных средств, а также способов общения с ЭВМ.

К первому поколению ЭВМ относятся машины, созданные на рубеже 50-х годов: в схемах использовались электронные лампы. Команд было мало, управление - простым, а показатели объема оперативной памяти и быстродействия - низкими. Быстродействие порядка 10-20 тысяч операций в секунду. Для ввода и вывода использовались печатающие устройства, магнитные ленты, перфокарты и перфоленты.

Ко второму поколению ЭВМ относятся те машины, которые были сконструированы в 1955-65 гг. В них использовались как электронные лампы, так и транзисторы. Оперативная память была построена на магнитных сердечниках. В это время появились магнитные барабаны и первые магнитные диски. Появились так называемые языки высокого уровня, средства которых допускают описание всей последовательности вычислений в наглядном, легко воспринимаемом виде. Появился большой набор библиотечных программ для решения различных математических задач. Машинам второго поколения была свойственна программная несовместимость, которая затрудняла организацию крупных информационных систем, поэтому в середине 60х годов наметился переход к созданию ЭВМ, программно совместимых и построенных на микроэлектронной технологической базе.

Третье поколение ЭВМ. Это машины, создаваемые после 60х годов, обладающих единой архитектурой, т.е. программно совместимых. Появились возможности мультипрограммирования, т.е. одновременного выполнения нескольких программ. В ЭВМ третьего поколения применялись интегральные схемы.

Четвертое поколение ЭВМ. Это нынешнее поколение ЭВМ, разработанных после 1970 г. Машины 4го поколения проектировались в расчёте на эффективное использование современных высокоуровневых языков и упрощение процесса программирования для конечного пользователя.

В аппаратурном отношении для них характерно использование больших интегральных схем как элементной базы и наличие быстродействующих запоминающих устройств с произвольной выборкой, объемом несколько Мбайт.

Машины 4-го поколения- многопроцессорные, многомашинные комплексы, работающие на внеш. память и общее поле внеш. устройств. Быстродействие достигает десятков миллионов операций в сек, память - нескольких млн. слов.

Переход к пятому поколению ЭВМ уже начался. Он заключается в качественном переходе от обработки данных к обработке знаний и в повышении основных параметров ЭВМ. Основной упор будет сделан на «интеллектуальность».

На сегодняшний день реальный «интеллект», демонстрируемый самыми сложными нейронными сетями, находится ниже уровня дождевого червя, однако, как бы ни были ограничены возможности нейронных сетей сегодня, множество революционных открытий, могут быть не за горами.

1. Первое поколение ЭВМ 1950-1960-е годы

Логические схемы создавались на дискретных радиодеталях и электронных вакуумных лампах с нитью накала. В оперативных запоминающих устройствах использовались магнитные барабаны, акустические ультразвуковые ртутные и электромагнитные линии задержки, электронно-лучевые трубки (ЭЛТ). В качестве внешних запоминающих устройств применялись накопители на магнитных лентах, перфокартах, перфолентах и штекерные коммутаторы.

Программирование работы ЭВМ этого поколения выполнялось в двоичной системе счисления на машинном языке, то есть программы были жестко ориентированы на конкретную модель машины и «умирали» вместе с этими моделями.

В середине 1950-х годов появились машинно-ориентированные языки типа языков символического кодирования (ЯСК), позволявшие вместо двоичной записи команд и адресов использовать их сокращенную словесную (буквенную) запись и десятичные числа. В 1956 году был создан первый язык программирования высокого уровня для математических задач - язык Фортран, а в 1958 году - универсальный язык программирования Алгол.

ЭВМ, начиная от UNIVAC и заканчивая БЭСМ-2 и первыми моделями ЭВМ «Минск» и «Урал», относятся к первому поколению вычислительных машин.

2. Второе поколение ЭВМ: 1960-1970-е годы

Логические схемы строились на дискретных полупроводниковых и магнитных элементах (диоды, биполярные транзисторы, тороидальные ферритовые микротрансформаторы). В качестве конструктивно-технологической основы использовались схемы с печатным монтажом (платы из фольгированного гетинакса). Широко стал использоваться блочный принцип конструирования машин, который позволяет подключать к основным устройствам большое число разнообразных внешних устройств, что обеспечивает большую гибкость использования компьютеров. Тактовые частоты работы электронных схем повысились до сотен килогерц.

Стали применяться внешние накопители на жестких магнитных дисках1 и на флоппи-дисках - промежуточный уровень памяти между накопителями на магнитных лентах и оперативной памятью.

В 1964 году появился первый монитор для компьютеров - IBM 2250. Это был монохромный дисплей с экраном 12 х 12 дюймов и разрешением 1024 х 1024 пикселов. Он имел частоту кадровой развертки 40 Гц.

Создаваемые на базе компьютеров системы управления потребовали от ЭВМ более высокой производительности, а главное - надежности. В компьютерах стали широко использоваться коды с обнаружением и исправлением ошибок, встроенные схемы контроля.

В машинах второго поколения были впервые реализованы режимы пакетной обработки и телеобработки информации.

Первой ЭВМ, в которой частично использовались полупроводниковые приборы вместо электронных ламп, была машина SEAC (Standarts Eastern Automatic Computer), созданная в 1951 году.

В начале 60-х годов полупроводниковые машины стали производиться и в СССР.

3. Третье поколение ЭВМ: 1970-1980-е годы

В 1958 году Роберт Нойс изобрел малую кремниевую интегральную схему, в которой на небольшой площади можно было размещать десятки транзисторов. Эти схемы позже стали называться схемами с малой степенью интеграции (Small Scale Integrated circuits - SSI). А уже в конце 60-х годов интегральные схемы стали применяться в компьютерах.

Логические схемы ЭВМ 3-го поколения уже полностью строились на малых интегральных схемах. Тактовые частоты работы электронных схем повысились до единиц мегагерц. Снизились напряжения питания (единицы вольт) и потребляемая машиной мощность. Существенно повысились надежность и быстродействие ЭВМ.

В оперативных запоминающих устройствах использовались миниатюрнее ферритовые сердечники, ферритовые пластины и магнитные пленки с прямоугольной петлей гистерезиса. В качестве внешних запоминающих устройств широко стали использоваться дисковые накопители.

Появились еще два уровня запоминающих устройств: сверхоперативные запоминающие устройства на триггерных регистрах, имеющие огромное быстродействие, но небольшую емкость (десятки чисел), и быстродействующая кэш-память.

Начиная с момента широкого использования интегральных схем в компьютерах, технологический прогресс в вычислительных машинах можно наблюдать, используя широко известный закон Мура. Один из основателей компании Intel Гордон Мур в 1965 году открыл закон, согласно которому количество транзисторов в одной микросхеме удваивается через каждые 1,5 года.

Ввиду существенного усложнения как аппаратной, так и логической структуры ЭВМ 3-го поколения часто стали называть системами.

Так, первыми ЭВМ этого поколения стали модели систем IBM (ряд моделей IBM 360) и PDP (PDP 1). В Советском Союзе в содружестве со странами Совета Экономической Взаимопомощи (Польша, Венгрия, Болгария, ГДР и др1.) стали выпускаться модели единой системы (ЕС) и системы малых (СМ) ЭВМ.

В вычислительных машинах третьего поколения значительное внимание уделяется уменьшению трудоемкости программирования, эффективности исполнения программ в машинах и улучшению общения оператора с машиной. Это обеспечивается мощными операционными системами, развитой системой автоматизации программирования, эффективными системами прерывания программ, режимами работы с разделением машинного времени, режимами работы в реальном времени, мультипрограммными режимами работы и новыми интерактивными режимами общения. Появилось и эффективное видеотерминальное устройство общения оператора с машиной - видеомонитор, или дисплей.

Большое внимание уделено повышению надежности и достоверности функционирования ЭВМ и облегчению их технического обслуживания. Достоверность и надежность обеспечиваются повсеместным использованием кодов с автоматическим обнаружением и исправлением ошибок (корректирующие коды Хеммин-га и циклические коды).

Модульная организация вычислительных машин и модульное построение их операционных систем создали широкие возможности для изменения конфигурации вычислительных систем. В связи с этим возникло новое понятие «архитектура» вычислительной системы, определяющее логическую организацию этой системы с точки зрения пользователя и программиста.

4. Четвертое поколение ЭВМ: 1980-1990-е годы

Революционным событием в развитии компьютерных технологий третьего поколения машин было создание больших и сверхбольших интегральных схем (Large Scale Integration - LSI и Very Large Scale Integration - VLSI), микропроцессора (1969 г.) и персонального компьютера. Начиная с 1980 года практически все ЭВМ стали создаваться на основе микропроцессоров. Самым востребованным компьютером стал персональный.

Логические интегральные схемы в компьютерах стали создаваться на основе униполярных полевых CMOS-транзисторов с непосредственными связями, работающими с меньшими амплитудами электрических напряжений (единицы вольт), потребляющими меньше мощности, нежели биполярные, и тем самым позволяющими реализовать более прогрессивные нанотехнологии (в те годы - масштаба единиц микрон).

Первый персональный компьютер создали в апреле 1976 года два друга, Стив Джобе (1955 г. р.) - сотрудник фирмы Atari, и Стефан Возняк (1950 г. р.), работавший на фирме Hewlett-Packard. На базе интегрального 8-битного контроллера жестко запаянной схемы популярной электронной игры, работая вечерами в автомобильном гараже, они сделали простенький программируемый на языке Бейсик игровой компьютер «Apple», имевший бешеный успех. В начале 1977 года была зарегистрирована Apple Сотр., и началось производство первого в мире персонального компьютера Apple.

5. Пятое поколение ЭВМ: 1990-настоящее время

Особенности архитектуры современного поколения компьютеров подробно рассматриваются в данном курсе.

Кратко основную концепцию ЭВМ пятого поколения можно сформулировать следующим образом:

1. Компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных инструкций программы.

2. Компьютеры с многими сотнями параллельно работающих процессоров, позволяющих строить системы обработки данных и знаний, эффективные сетевые компьютерные системы.

Шестое и последующие поколения ЭВМ

Электронные и оптоэлектронные компьютеры с массовым параллелизмом, нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

Заключение

Все этапы развития ЭВМ принято условно делить на поколения.

Первое поколение создавалось на основе вакуумных электроламп, машина управлялась с пульта и перфокарт с использованием машинных кодов. Эти ЭВМ размещались в нескольких больших металлических шкафах, занимавших целые залы.

Втрое поколение появилось в 60-е годы 20 века. Элементы ЭВМ выполнялись на основе полупроводниковых транзисторов. Эти машины обрабатывали информацию под управлением программ на языке Ассемблер. Ввод данных и программ осуществлялся с перфокарт и перфолент.

Третье поколение выполнялось на микросхемах, содержавших на одной пластинке сотни или тысячи транзисторов. Пример машины третьего поколения - ЕС ЭВМ. Управление работой этих машин происходило с алфавитно-цифровых терминалов. Для управления использовались языки высокого уровня и Ассемблер. Данные и программы вводились как с терминала, так и с перфокарт и перфолент.

Четвертое поколение было создано на основе больших интегральных схем (БИС). Наиболее яркие представители четвертого поколения ЭВМ - персональные компьютеры (ПК). Персональной называется универсальная однопользовательская микроЭВМ. Связь с пользователем осуществлялась посредством цветного графического дисплея с использованием языков высокого уровня.

Пятое поколение создано на основе сверхбольших интегральных схем (СБИС), которые отличаются колоссальной плотностью размещения логических элементов на кристалле.

Предполагается, что в будущем широко распространится ввод информации в ЭВМ с голоса, общения с машиной на естественном языке, машинное зрение, машинное осязание, создание интеллектуальных роботов и робототехнических устройств.

Поколения ЭВМ.

Можно выделить 4 основные поколения ЭВМ. Но деление компьютерной техники на поколения - весьма условная, нестрогая классификация по степени развития аппаратных и программных средств, а также способов общения с компьютером.

Идея делить машины на поколения вызвана к жизни тем, что за время короткой истории своего развития компьютерная техника проделала большую эволюцию, как в смысле элементной базы (лампы, транзисторы, микросхемы и др.), так и в смысле изменения её структуры, появления новых возможностей, расширения областей применения и характера использования. Этот прогресс показан в данной таблице:

Немногим более 50 лет прошло с тех пор, как появилась первая электронная вычислительная машина. За этот короткий для развития общества период сменилось несколько поколений вычислительных машин, а первые ЭВМ сегодня являются музейной редкостью. Сама история развития вычислительной техники представляет немалый интерес, показывая тесную взаимосвязь математики с физикой (прежде всего с физикой твердого тела, полупроводников, электроникой) и современной технологией, уровнем развития которой во многом определяется прогресс в производстве средств вычислительной техники.

Электронно-вычислительные машины у нас в стране принято делить на поколения. Для компьютерной техники характерна прежде всего быстрота смены поколений - за ее короткую историю развития уже успели смениться четыре поколения и сейчас мы работаем на компьютерах пятого поколения. Что же является определяющим признаком при отнесении ЭВМ к тому или иному поколению? Это прежде всего их элементная база (из каких в основном элементов они построены), и такие важные характеристики, как быстродействие, емкость памяти, способы управления и переработки информации. Конечно же, деление ЭВМ на поколения в определенной мере условно. Существует немало моделей, которые по одним признакам относятся к одному, а по другим - к другому поколению. И все же, несмотря на эту условность поколения ЭВМ можно считать качественными скачками в развитии электронно-вычислительной техники.

Первое поколение ЭВМ (1948 - 1958 гг.)

Элементной базой машин этого поколения были электронные лампы – диоды и триоды. Машины предназначались для решения сравнительно несложных научно-технических задач. К этому поколению ЭВМ можно отнести: МЭСМ, БЭСМ-1, М-1, М-2, М-З, “Стрела”, “Минск-1”, “Урал-1”, “Урал-2”, “Урал-3”, M-20, "Сетунь", БЭСМ-2, "Раздан". Они были значительных размеров, потребляли большую мощность, имели невысокую надежность работы и слабое программное обеспечение. Быстродействие их не превышало 2-3 тысяч операций в секунду, емкость оперативной памяти-2К или 2048 машинных слов (1K=1024) длиной 48 двоичных знаков. В 1958 г. появилась машина M-20 с памятью 4К и быстродействием около 20 тысяч операций в секунду. В машинах первого поколения были реализованы основные логические принципы построения электронно-вычислительных машин и концепции Джона фон Неймана, касающиеся работы ЭВМ по вводимой в память программе и исходным данным (числам). Этот период явился началом коммерческого применения электронных вычислительных машин для обработки данных. В вычислительных машинах этого времени использовались электровакуумные лампы и внешняя память на магнитном барабане. Они были опутаны проводами и имели время доступа 1х10-3 с. Производственные системы и компиляторы пока не появились. В конце этого периода стали выпускаться устройства памяти на магнитных сердечниках. Надежность ЭВМ этого поколения была крайне низкой.

Второе поколение ЭВМ (1959 - 1967 гг.)

Элементной базой машин этого поколения были полупроводниковые приборы. Машины предназначались для решения различных трудоемких научно-технических задач, а также для управления технологическими процессами в производстве. Появление полупроводниковых элементов в электронных схемах существенно увеличело емкость оперативной памяти, надежность и быстродействие ЭВМ. Уменьшились размеры, масса и потребляемая мощность. С появлением машин второго поколения значительно расширилась сфера использования электронной вычислительной техники, главным образом за счет развития программного обеспечения. Появились также специализированные машины, например ЭВМ для решения экономических задач, для управления производственными процессами, системами передачи информации и т.д. К ЭВМ второго поколения относятся:

ЭВМ М-40, -50 для систем противоракетной обороны;

Урал -11, -14, -16 - ЭВМ общего назначения, ориентированные на решение инженерно-технических и планово-экономических задач;

Минск -2, -12, -14 для решения инженерных, научных и конструкторских задач математического и логического характера;

Минск-22 предназначена для решения научно-технических и планово-экономических задач;

БЭСМ-3 -4, -6 машин общего назначения, ориентированных на решение сложных задач науки и техники;

М-20, -220, -222 машина общего назначения, ориентированная на решение сложных математических задач;

МИР-1 малая электронная цифровая вычислительная машина, предназначенная для решения широкого круга инженерно-конструкторских математических задач,

"Наири" машина общего назначения, предназначеная для решения широкого круга инженерных, научно-технических, а также некоторых типов планово-экономических и учетно-статистических задач;

Рута-110 мини ЭВМ общего назначения;

и ряд других ЭВМ.

ЭВМ БЭСМ-4, М-220, М-222 имели быстродействие порядка 20-30 тысяч операций в секунду и оперативную память-соответственно 8К, 16К и 32К. Среди машин второго поколения особо выделяется БЭСМ-6 , обладающая быстродействием около миллиона операций в секунду и оперативной памятью от 32К до 128К (в большинстве машин используется два сегмента памяти по 32К каждый).

Данный период характеризуется широким применением транзисторов и усовершенствованных схем памяти на сердечниках. Большое внимание начали уделять созданию системного программного обеспечения, компиляторов и средств ввода-вывода. В конце указанного периода появились универсальные и достаточно эффективные компиляторы для Кобола, Фортрана и других языков.

Была достигнута уже величина времени доступа 1х10-6 с, хотя большая часть элементов вычислительной машины еще была связана проводами.

Вычислительные машины этого периода успешно применялись в областях, связанных с обработкой множеств данных и решением задач, обычно требующих выполнения рутинных операций на заводах, в учреждениях и банках. Эти вычислительные машины работали по принципу пакетной обработки данных. По существу, при этом копировались ручные методы обработки данных. Новые возможности, предоставляемые вычислительными машинами, практически не использовались.

Именно в этот период возникла профессия специалиста по информатике, и многие университеты стали предоставлять возможность получения образования в этой области.