Лекция 2 ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ краткий

Лекция № 2 ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ (краткий исторический экскурс в развитие вычислительной техники) Знание истории развития вычислительной техники (ВТ) как основы компьютерной информатики — необходимый составной элемент компьютерной культуры

основные этапы развития ВТ можно условно привязать к следующей хронологической шкале: Ручной — с 50 -го тысячелетия до н. э. (? ) Механический — с середины 17 -го века Электромеханический — с 90 -х годов 19 -го века Электронный — с 40 -х годов 20 -го века **** При этом следует иметь в виду, что хорошо зарекомендовавшие себя средства всех четырех этапов, развития ВТ используются человечеством и в настоящее время для автоматизации различного рода вычислений.

1. Ручной этап развития вычислительной техники Ручной период автоматизации вычислений начался на заре человеческой цивилизации и базировался на использовании частей тела, в первую очередь пальцев рук и ног. Пальцевый счет уходит корнями в глубокую древность, встречаясь в том или ином виде у всех народов и в наши дни.

Фиксация результатов счета производилась различными способами: нанесение насечек, счетные палочки, узелки и др. , группировки и перекладывания предметов. За несколько веков затем сформировался счет на абаке — наиболее развитом счетном приборе древности, сохранившимся до наших дней в виде различного типа счётов.

Абак явился первым развитым счетным прибором в истории человечества, основным отличием которого от предыдущих способов вычислений было выполнение вычислений по разрядам. Таким образом -использование счётов уже предполагает наличие некоторой позиционной системы счисления, например, десятичной, троичной, пятеричной

Многовековой путь совершенствования счётов (абака) привел к созданию счётного прибора законченной классической формы, используемого вплоть до эпохи расцвета клавишных настольных ЭВМ (т. е. до наших дней). Хорошо приспособленные к выполнению операций сложения и вычитания, счёты оказались недостаточно эффективным прибором для выполнения операций умножения и деления.

Поэтому открытие логарифмов и создание логарифмических таблиц, позволивших заменять умножение и деление соответственно сложением и вычитанием, явилось следующим крупным шагом в развитии вычислительных систем ручного этапа. В этот период появляется целый ряд модификаций логарифмических таблиц. Однако в практической работе использова ние логарифмических таблиц имеет ряд неудобств.

Чтобы устранить эти неудобства Дж. Непер в качестве альтернативного метода предложил специальные счётные палочки (названные впоследствии палочками Непера), позволявшие производить операции умножения и деления непосредственно над исходными числами. В основу метода Непер положил способ умножения решеткой (решётка это специальная таблица, в которую специальным образом записываются перемножаемые числа).

После заполнения всех клеток решетки производится суммирование по наклонным полоскам решетки а в нижнем ряду получается результат. В настоящее время на физ. -мат. факультетах изучают дисциплину палочковое исчисление, исчисление используя её методы в при разработке вычислительных алгоритмов.

2. Механический этап развития вычислительной техники Развитие механики в 17 веке стало предпосылкой создания вычислительных устройств и приборов, использующих механический принцип вычислений с помощью элементов, обеспечивающих автоматический перенос старшего разряда. Первая механическая машина была описана в 1623 г. В. Шиккардом. Затем Б. Паскаль предложил более совершенную машину, в которой использовалась новая схема переноса старших разрядов.

С 1642 г. первая действующая модель машины Паскаля, а затем серия из 50 машин способствовали широкой известности изобретения и формированию общественного мнения о возможности автоматизации умственного труда. До нашего времени дошло только 8 машин Паскаля, из которых одна является 10 -разрядной. Именно машина Паскаля положила начало механического этапа развития ВТ. В 17— 18 веках предлагался целый ряд различно го типа суммирующих устройств и арифмометров, пока в 19 в. растущий объем вычислительных работ не определил устойчивого спроса на механические счетные устройства и не способствовал их производству на коммерческой основе.

Венцом этой работы стал арифмометр Лейбница, позволяющий использовать 8 разрядное множимое и 9 -разрядный множительс получением 16 -разрядного произведения. По сравнению с машиной Паскаля это принципиально новое вычислительное устрой ство, существенно ускоряющее выполнение операций умножения и деления. В 17— 18 в. в. был предложен целый ряд вычислительных инструментов по образцу Паскаля и Лейбница (с той или иной степенью модернизации), на основе палочек Непера, либо оригинальные разработки.

В 1881 г. I. Томас организовывает в Париже серийное производство арифмометров, который использовался даже при расчетах, связанных с подготовкой плана ГОЭЛРО в 1920 г. Арифмометр многократно усовершенствовался и использовался для различных вычислительных процессов вплоть до 60 -х годов 20 века. В 30 -е годы 19 в. англичанин Бэбидж предложил аналитическую машину, исполь зующую принцип программного управления, явившуюся предшественницей современных ЭВМ.

В 1843 г. Адой Лавлейс (внучка поэта Байрона) для машины Бэбиджа была написана первая в мире достаточно сложная программа вычисления чисел Бернулли. Проект аналитической машины не был реализован, но получил весьма широкую известность и заслужил высокую оценку целого ряда ученых, в первую очередь математиков. Аналитическая машина предназначалась для вычисления любого алгоритма (в нашей терминоло гии) и была задумана чисто механической. К тому времени (1831 г. ) появившиеся электромеханические реле были ещё недостаточно надежными.

Аналитическая машина состояла из следующих четырех основных частей: 1. блок хранения исходных, промежуточных данных и результатов вычислений. Он состоял из набора зубчатых колес, идентифицирующих цифры подобно арифмометру. Колеса объединялись в регистры для хранения многоразрядных десятичных чисел. Этот блок Бэбидж называл складом (в современной терминологии это оперативная память); 2. блок обработки чисел из склада, названный мельницей (в современной терминологии это арифметическое устройство (АУ). Быстродействие данного блока Бэбидж оценивал так: сложение / вычитание — 1 с;

Умножение (двух 50 -разрядных чисел) и деление (100 -разрядное число на 50 -разрядное) — 1 мин; 3. Блок управления последовательностью вычислений (в современной терминологии это устройство управления (УУ). 4. Блок ввода исходных данных и печати результатов (в современной терминологии это устройство ввода / вывода (УВВ). Для устройства управления Ч. Бэбидж предложил механизм, использующий специальные управляющие перфокарты.

По идее Бэбиджа управление должно осуществляться парой жакардовских механизмов с набором перфокарт в каждом. Один механизм с картами операций должен быть соединен с АУ и настраивать его на выполнение арифметических операций согласно кодам перфокарт. Второй должен был управлять переносом чисел из ОП в АУ и обратно. Более того УУ было снабжено устройствами, обеспечивающими обратный ход механизмов, необходимый для организации условной передачи управления (условного перехода в вычислениях). Следовательно, с помощью карт Жаккарда — прообраза современных перфокарт предполагалось реализовать автоматическое управление процессом механических вычислений в машине Бэбиджа.

В качестве основного способа вывода данных из аналитической машины планировалось использо вание перфокарт. Наряду с этим машина должна была обеспечивать вывод промежуточных и конечных результатов на бумажный носитель. В качестве еще одного устройства планировалось использование графопостроителя, обеспечивающего вывод графиков - кривых по результатам вычислений. Бэбидж планировал создание устройств для вывода результатов на металлические пластинки, а для хранения информации — специальных металлических дисков, вращающихся на оси; оба типа носителей можно рассматривать как первые прототипы современных магнитных карт и дисков.

Машина Бэбиджа использовала десятиричную систему счисления, однако он рассматривал и другие системы с основаниями 2, 5 и 100. Но возрастание габаритов машины заставило отказаться от двоичной системы счисления. Большой объём работ по созданию прог рамм для машины Бэббиджа выполнила Ады Лавлейс. Эта работа была высоко оценена уже в 20 столетии -её имя было присвоено очень мощному языку встроенных управляющих систем. Язык АДА, АДА используется Пентагоном (США) в военных системах, космонавтике и т. п.

Машина Бэббиджа и программы, выполнен- ные Адой Лавлейс не были реализованы массово. История науки и техники знает немало подобных примеров, но проекты аналити ческой машины Бэббиджа совместно с Адой Лавлейс оставили заметный след в истории развития ВТ. Многие функциональные узлы совре менных ЭВМ и многие термины программирования сохранили своё название и до настоящего времени.

3. Электромеханический этап развития вычислительной техники явился наименее продолжительным и охватывает всего около 60 лет от первого табулятора Г. Холлерита (1887 г. ) до первой ЭВМ ENIAC (1945 г. ). Предпосылками создания проектов данного этапа явились как необходимость проведения массовых расчетов (экономика, статистика, управление, планирование и др. ), так и развитие прикладной электро -техники (электропривод и электромеханические реле), позволившие создавать электромеханические вычислительные устройства, обладающие более высокой производительностью и более широкой сферой применения, чем предыдущие этапы.

Первый счетно аналитический комплекс, комплекс предназначенный для обработки информации на перфокарточных носителях был создан в США Г. Холлеритом в 1887 г. и состоял из ручного перфоратора, сортировочной машины и табулятора. Используя идеи Жаккарда и Бэбиджа, Г. Холлерит в качестве информационного носителя использовал перфокарты (хотя им рассматривался и перфоленточный вариант); все остальные компоненты комплекса были выполнены на основе простейших электромеханических реле. Первое испытание комплекса было произведено в 1887 г. в Балтиморе (США) при составлении таблиц смертности населения, а заключительные в 1889 г. на примере обработки итогов переписи населения.

Табулятор Холлерита очень быстро получил международное признание, используясь для переписей населения в США и Австро-Венгрии (1890), Канаде (1891 г. ) и России (1897 г. ). В 1897 г. Холлерит организовал фирму Tabulating Machine Company по производству табуляторов и сопутствующего им оборудования, которая в 1921 г. объединившись с тремя другими фирмами, получает название IBM (International Business Machines Corporation), ныне широко известная как одна из лидеров среди компьютерных корпораций мира.

В Москве (СССР) в 1931 г. создаётся специальный завод счетно-аналитических машин (САМ) и реконструируется завод счётных машин, выпускающих арифмометры Феликс. В экономических вузах вводят курс "Механизация учёта", издаётся журнал под аналогичным названием, а в Московском учётно-статистическом институте создается факультет, готовящий специалистов по механизированному учёту. Значение работ Г. Холлерита для развития ВТ определяется двумя основными факторами.

Во-первых, он стал основоположником нового направления в ВТ — счетно перфорационного (счетно аналитического), состоящего в применении табуляторов и сопутствующего им оборудования для выполнения широкого круга экономических и научно-технических расчетов. На основе этой ВТ были созданы машинно-счетные станции для механизированной обработки экономической информации, послужившие прообразом современных вычислительных центров (ВЦ). В 20— 30 -е годы 19 века применение счетно перфорационной техники становится определяющим фактором развития ВТ; только появление ЭВМ ограничило её применение.

Во-вторых, даже после прекращения использования табуляторов основным носителем информации (ввод/вывод) для ЭВМ длительное время остаётся перфокарта. Даже в наше время использование большого числа разнообразных устройств ввода/вывода информации не отменило полностью использования перфокарточной технологии на больших и супер-ЭВМ. **** Все устройства представлены полностью в музее истории вычислительной техники (Москва, пл. Лубянка, Политехнический музей).

Параллельно с цифровой вычислительной техникой на этом этапе развивается и аналоговая вычислительная техника, позволяющая механическим (планиметры для интегрирования, астроля бия для астрономических измерений, интеграторы для составления баллистических таблиц управления артиллерийским огнем и т. п. ) или электрическим путём (электроинтеграторов для исследования дифф. уравнений в частных производных, аналоговые вычислительные машины для исследования переходных процессов в сложных электрич. цепях, расчетный стол для исследования комплексов энергетических систем методами физического моделирования и т. п. ) производить сложные вычисления за относительно малое время.

ЛЕКЦИЯ 3 Электромеханический этап развития ВТ (продолжение)

Заключительный период (40 -е годы 20 в. ) элек тромеханическою этапа развития ВТ характеризуется созданием целого ряда сложных релейных и релейномеханических систем с программным управлением, характеризующихся алгоритмической универсальностью и способных выполнять слож ные научно-технические вычисления в автомати ческом режиме со скоростями, на порядок превышающими скорость работы арифмометров с электроприводом. Наиболее крупные проекты данного периода были выполнены в Германии (К. Цузе) и США (Д. Атанасоп, Г. Айкен и Д. Стиблиц). Данные проекты можно рассматривать в качестве прямых предшественников универсальных ЭВМ.

Конрад Цузе (К. Zuse) явился пионером создания универсальном вычислительной машины с прог раммным управлением и хранением информации в запоминающем устройстве (ЗУ). Однако его первая модель Z-1 (положившая начало серии Z-машин) идейно уступала конструкции Бэбиджа — в ней не предусматривалась условная передача управления. Машина Z-1 была механической, имела память на механическом ЗУ ёмкостью на 16 чисел (по 24 бита) и управля лась программой на перфоленте; работа производилась в двоичной системе счисления, а команды были трех адресными, т. е. содержали код операции и адреса трех ячеек памяти (где записывались два исходных числа и результат).

При активной поддержке военного ведомства Цузе в 1939— 1941 гг. создаёт Z 3, явившуюся первой программно управляемой универсальной вычисли тельной машиной. Машина Z 3 выполняла 9 арифметических одноадресных действий: сложение, вычитание, деление, извлечение квадратного корня, деление на 1/2, 2, 10, 1/10 и 1 (схемная реализация); программа размещалась на 8 -канальной перфоленте (кинолента). Машина работала в двоичной системе счисления с плавающей точкой, время выполнения сложения и умножения составляло соответственно 0, 3 и 4. . . 5 с, использовался клавишный ввод данных и вывод результатов на световое табло. Сама машина была чисто релейной, и содержала 2600 реле.

Однако и эта машина не имела команд условного перехода, что не позволяло ей решать сложные задачи с ветвящимися алгоритмами. Цузе до конца второй мировой войны интенсивно работал в следующих основных направлениях: Первое завершает работу над моделью Z-4, которая успешно эксплуатировалась до 1955 г. Второе направление работ связано с созданием специальной ВТ для технологических задач, связанных с производством оружия и ракет Фау-1; эти работы можно рассматривать как пионерские в области создания АСУТП. Третье направление связано с исследованиями по вопросам программирования и архитектуры ВТ.

Здесь им был высказан целый ряд весьма прогрессивных для своего времени идей, включая ленточ ные вычислительные структуры, структуру команд ЭВМ, параллельное программирование. Четвертое направление было связано с применением электроники в ВТ, но по ряду причин (слабая элементная база) не получило существенного развития. Основные работы Цузе развивались в тех же нап равлениях, что и в США, но в более скромных масштабах, его работы стали известны только в 1947 г. и оказали определенное влияние на весь последующий ход развития ВТ и оставили в ее истории свой след.

В этот период во многих странах создают релейно-механические машины с применением ламповой электроники: Bell-б (США), BARK (Швеция), ARK (Англия), APRA (Нидерланды), РВМ-1 (СССР), а также серия однотипных машин фирмы IBM, объединенных названием "Релейная вычислительная машина со штеккерным управлением", и модель SSEC {Selective Sequence Electronic Calculator). Модель SSEC, построенная в 1948 г. на электромеханических реле и электронных лампах, имела перед ЭВМ ENIAC преимущество по объему памяти при решении ряда задач и эксплуатирова лась в коммерческих целях до 1952 г. , пока ее не сменила ЭВМ IBM-701.

Последним же крупным проектом релейной ВТ следует считать построенную в 1957 г. в СССР релейную вычислительную машину (РВМ 1) и эксплуатирующуюся до конца 1964 г. в основном для решения экономических задач. Например, на ней производился перерасчет цен на товары в связи с денежной реформой 1961 г. Создание модели РВМ 1 хоть и было весьма запоздалым, но венцом развития релейной ВТ; РВМ 1 на целом ряде задач того времени была вполне конкурентоспособна с уже появившимися ЭВМ, весьма надежна и ее быстродействие было на уровне первых малых ЭВМ: например, MARK 2 выполняла операцию умножения за 700 мкс, а РВМ 1 — за 50 мс.

Основные успехи электромеханического этапа развития ВТ. Прежде всего существенно возросли производительность и надежность ВТ, на что повлияла более быстрая элементная база и сокращение ручного труда по вводу / выводу данных. Во-вторых, на данном этапе развития ВТ происходит индустриализация обработки информации. Особенно это было заметно по концентрации вычислительных мощностей в СССР, начиная с создания в 30 -х годах машинно-счетных станций, которые к 1936 г. превратились в крупнейшие в мире предпри- ятия механизированного учета (даже при условии большей насыщенности вычислительными средствами США).

Впоследствии эти станции явились основой создания современных вычислительных центров (ВЦ) , оборудованных ЭВМ различных типов и классов. Наконец на электромеханическом этапе была реализована идея Бэбиджа создания универсальной вычислительной машины с программным управлением, по сложности соизмеримая с наиболее сложными техническими системами того времени. Многие наработки данного этапа легли в основу развития современного этапа развития ВТ — электронного. Электронные элементы обладали большим превосходством в быстродействии, что, в конечном счете, и определило переход от релейной к электронной технологии.

4. Электронный этап развития вычислительной техники В силу физико-технической природы релейная ВТ не позволяла существенно повысить скорость вычислений; для этого потребовался переход на электронные безинерционные элементы высокого быстродействия. К началу 40 -х гг. 20 в. электроника уже располагала необходимым набором таких элементов. С изобретением М. Бонч-Бруевичем в 1913 г. триггера электронного реле с двумя устойчивы ми состояниями, выполненного на трёхэлектрод ных лампах –триодах (лампа изобретена в 1906 г. ) начал зарождаться электронный этап развития ВТ.

Первой специализированной ЭВМ, предназначенной для дешифровки можно считать английскую машину Colossus, созданную в 1943 г. при участии А. Тьюринга. Машина содержала около 2000 электронных ламп и обладала достаточно высоким быстродействием, но она была узко специализирован ной, поэтому первой ЭВМ принято считать Numerical Integrator and Compute , созданную в США в конце 1945 г. Первоначально предназначенная для решения задач баллистики, машина ока залась универсальной, способной решать различные задачи. Главным консультантом проект являлся Д. Моучли, а главным конструктором Д. Эккерт. Позднее суд Америки опротестовал их первенство в пользу Дж. Атанасова.

В апреле 1943 г. Военные ведомства США приступили к проекту нового компьютера ENIAC (Electronic Discrete Automatic Variable Computer), который был совершеннее первого, проект был полностью завершён в декабре 1945 г. ; в качестве испытательной задачи выбрана задача оценки принципиальной возможности создания водородной бомбы. Машина успешно выдержала испытания, обработав 1 млн. перфокарт фирмы IBM с исходными данными. По сравнению с уже существующей автоматической релейно-механической машиной MARK 1 машина ENIAC была по размерам больше чем в 2 раза (высота 6 м, ширина 4 м, длина 30 м; вес 30 т);

Она превосходила первую по быстродействию и в 1000 раз. Машина содержала 18000 электронных ламп 16 - ти различных типов, 1500 реле, 70000 резисторов, 10000 конденсаторов, потребляемая мощность 140 к. Вт. Более совершенной была EDVAC. Полностью завершенная в 1952 г. , ЭВМ содержала более 3500 ламп 19 различных типов и около 27 000 других электронных элементов; операции сложения и умножения выполнялись за 1 и 2 мкс. В последующем EDVAC использовалась для решения задач военного характера. И хотя работа над проектом EDVAC не закончилась созданием первой универсальной ЭВМ с хранимой в памяти программой, она оказала огромное влияние на весь последующий ход развития ВТ.

К проекту ЭВМ в качестве научного консультанта был привлечён Джон фон Нейман к тому времени уже имевший большой авторитет в научном мире как математик, участвовавший в проектах разработки атомной и водородной бомб. Творчески переработав и обобщив материалы по разработке проекта Фон Нейман в июне 1945 г. готовит итоговый 101 -страничный научный отчет "Предварительный доклад о машине EDVAC ‘’. Отчет содержал описание машины и ее логических возможностей. Более того, фон Нейман на основе анализа проектных решений, а также идей Цузе и А. Тьюринга (известна машина Тьюринга) впервые представил логическую организацию компьютера безотносительно от его элементной базы, что позволило заложить основы проектирования ЭВМ.

Фон Нейман выделил и детально описал пять базовых компонентов универсального компьютера и принцип его функционирования (архитектура фон Неймана): 1. арифметико-логическое устройство (АЛУ), 2. устройство управления (УУ), ответственное за функционирование всех основных компонент компьютера, 3. запоминающее устройство (ОП) , 4. система ввода и 5. система вывода информации (ВУ). Была обоснована необходимость использования двоичной системе счисления, электронной техно логии и определён порядок выполнения операций.

Принципы организации, предложенные фон Нейманом, стали общепринятыми по двум причинам: 1. ведущие разработчики ВТ того времени уже использовали их в той или иной мере. 2. авторитет автора придал им академичность. Сам же вопрос приоритета этих принципов долго служил причиной тяжбы между рядом известных разработчиков ВТ того времени. Рассмотрим подробнее структуру ЭВМ по схеме фон Неймана

Структура ЭВМ по схеме фон Неймана АЛУ УУ ОП ВУ Управляющие связи , т. е. команды и ответы ( сигналы ) об исполнении или не исполнении Информационные связи т. е. данные, промежуточные и окончательные результаты.

М. Уилкс (Англия, Кембриджский университет) с группой разработчиков ознакомившись с идеями Дж. фон Неймана смог на два года раньше (в 1949 г. ) завершить разработку первой в мире ЭВМ с хранимыми в памяти программами. Его компьютер EDSAC {Electronic Delay Storage nаnе Calculator) работал в двоичной системе счисле ния, выполнял адресные команды в количестве 18 и оперировал как с короткими, так и с длин ными словами. Быстродействие компьютера характеризуют простые команды, выполнявши еся за 1, 5 мс. Ряд операций обеспечивался выполнением специальных подпрограмм прообраза современного микропрогмирования;

Итак первая электронная ЭВМ появилось в Англии в и США в 1949 г. В СССР в 1951 г. созданы ЭВМ БЭСМ – 1, а в 1953 г. – ( Стрела ). Так положено начало развитию электронной вычислительной техники в мире. Еще одно существенное новшество состояло в том, что машина EDSAC была снабжена детальным учебником по программированию, т. о. положено начало документированию разработок ВТ. Компьютер EDSAС положил начало новому этапу развития ВТ, названному позднее первым поколением универсальных ЭВМ.

В 1948 г. изобретён транзистор – трёхэлектродный управляемый полупроводниковый прибор – достаточно малый по сравнению с электронной лампой. Размеры ЭВМ уменьшились до нескольких шкафов , величиной с холодильник. На протяжении более 40 лет развития ВТ появи лось, сменяя друга, несколько поколений ЭВМ. Появление новых поколений мотивировалось расширением сферы и развитием методов применения ЭВМ, требовавших более производительной, дешевой и надежной ВТ, а также созданием новых электронных технологий.

Так как ЭВМ представляет собой систему, состоя щую из технических и программных средств, то под поколением естественно понимать модели ЭВМ, характеризуемые одинаковыми технологическими и программными решениями (элементная база, логическая архитектура, программное обеспечение). На первых порах данного этапа использовалось программирование в кодах ЭВМ (машинный код), затем появились авто ассемблеры в определенной , мере автоматизирующие процесс программирования задач. Как правило, ЭВМ первого поколения были выполнены на электронных лампах, имели большие размеры и энергоёмкость, Они использовались для научно-технических расчетов.

В 1965 г. созданы интегральные схемы или микросхемы, которые позволяли делать в 10, а затем в 100 раз меньше блоки ЭВМ. В 1968 г. выпущен в США первый микро-компьютер. По мере развития технических средств ЭВМ изменили соде -ржание и структуру отдельных блоков, кроме того для расширения вычислительных и других возможностей ЭВМ были сильно развиты внешние или периферийные устройства. В современных ЭВМ арифметическое устройство и блок управления объединены и названы процессор. Процессор, выполненной по интегральной технологии в виде одного кристалла (БИС) называется микропроцессором.

Процесс программирования больше напоминал искусство, которым занимался узкий круг математиков, инженеров-электриков и физиков. В 1954 академик А. А. Ляпунов создал первую в мире программирующую программу ПП-1, являющуюся прообразом современного транслятора. В 1956 г. в США создан первый алгоритмический язык FORTRAN, что означало: FOR - от FORMULA - формула. TRAN - от TRANSLAITER-транслятор – переводчик, в котором были использованы идеи академика А. А. Ляпунова.

Второе поколение начинается с ЭВМ RCA-501, созданной в 1959 г. в США на полупроводниковой элементной базе. Следует отметить, что еще в 1955 г. в США была создана бортовая транзисторная ЭВМ для межконтинентальной баллистической ракеты ATLAS. Полупроводниковая технология позволила резко повысить надёжность ЭВМ, снизить ее габариты и потребляемую мощность, а также значительно повысить производительность. Это позволило создавать ЭВМ с большими логическими возможностями, что способствовало распространению сферы применения ЭВМ на решение задач инженерно-экономических, управления производственными процессами, летательными аппаратами.

Массовое производство ЭВМ позволило присту пить к созданию автоматизированных систем управления предприятиями (АСУ), целыми отраслями производства и технологическими процессами (АСУТП). Однако данный этап развития обеспечивался не только собственно развитием ЭВМ, большую роль здесь играло и развитие сопутствующего оборудования – периферийных устройств (средств ввода / вывода, внешняя память и др. ). При этом от поколения к поколению создавалось всё больше технических и программных средств, облегчающих использование ЭВМ, что значительно расширяло круг пользователей.

Первый микропроцессор Intel-4004 был создан в 1971 г. и содержал 2250 элементов, а первый универсальный микропроцессор Intel-8080, явившийся стандартом микрокомпьютерной технологии и созданный в 1974 г. , содержал уже 4500 элементов и послужил основой для создания первых ПК. В 1979 г. выпускается один из самых мощных и универсальных 16 -битный микропроцессор Motorolla-68000 с 70 тыс. элементами, а в 1981 г. — первый 32 -битный микропроцессор Hewlett Packard с 450 тыс. элементами. Выпускались и другие микропроцессоры, но названные были лидерами своего времени. Применение в ЭВМ БИС характерно для третьего этапа развития.

Границы перехода от одного поколения ЭВМ к другому становятся все более размытыми. Так, БИС-технология и микропроцессоры, считающиеся наряду с СБИС-технологией одной из основных характеристик 4 -го поколения, применялись и на завершающей стадии 2 -го и 3 -го поколений. Сказанное относится и к истории создания супер. ЭВМ в значительной мере определяющих лицо 4 го поколения. ЭВМ этого класса характеризуются как высокой производительностью (не менее 20 млн. операций в секунду), так и не традиционной архитектурой, отличной от архитектуры Фон Неймана. Новая архитектура будет предметом отдельной лекции.

Развитие супер- ЭВМ обусловлено необходимостью решения сложных задач, требующих большого времени и не поддающихся обработке вычислительными машинами других классов. К таким задачам относятся многие задачи ядерной физики, космологии и астрономии, моделирования сложных систем, статистики, метео и др. Модель Amdahl 470 V 16, созданную в 1975 г. можно считать открывающей собственно класс супер-ЭВМ. Ниже приведена таблица наиболее характерных ЭВМ всех поколений.

Поколение ЭВМ Первое Второе Третье Четвёртое (1949 - (1959 -1963) (1964 -1976) (1977 -н. в. ) 1958) 1. Элементная Электро- Транзис- Интеграль- Сверхбобаза ЭВМ нные торы, ные льшие ИС лампы, парамет- схемы: ИС, (СБИС) реле роны БИС 2. Производи- до 3 х105 до 3 х106 до 3 х107 > 3 х108 тельность ЦП оп/с 3. Тип триггеры, Миниатю- полупрово оперативной феррито- рные фер - дниковые памяти (ОП) вые сер- ритовые БИС СБИС дечники сердечни(МЭ) ки (ММЭ)

Объём ОП до 64 Кб до 512 Кб до 16 Мб более 512 Мб 4. Характерные типы ЭВМ - малые средние супер-ЭВМ средние большие ПК большие мини- и специальные микро-ЭВМ сети ЭВМ 5. Типичные EDSAC RSA-501 IBM-360 модели ENIAS IBM-7090 PDP, VAX ЭВМ БЭСМ-6 ЕС ЭВМ СМ ЭВМ SX-2 IBM PS/XT/AT Pentium 6. Програм- машинные Языки прог ОС, ЯВУ, системы прогмное обес - коды, ассем раммирова ППП, СУБД, раммирования, -блеры, ния, АСУ, поисковые печение САПРы, макро- асс. АСУТП системы и др.

Начало 21 столетия можно считать и началом пятого поколения ЭВМ. Новейшие достижения науки и техники позволили создать мини и даже микро-ЭВМ (карманные, ноутбуки и др. ) с более высокими параметрами чем большие машины четвёртого поколения. Процесс совершенствования современных ЭВМ идёт в нескольких направлениях: супер-компьютеры, персональные ЭВМ, рабочие станции, мини и микрокомпьютеры и имеет очень высокий темп. Благодаря открытой архитектуре совершенствуются все компоненты: процессор, ОП, ВУ, УВВ, сети.

Одним из важнейших факторов, определяющих в настоящее время уровень развития современного общества и его интеллектуальные возможности, является оснащенность средствами вычислите льной техники. Обилие информации, поступающей от различных сфер деятельности людей в распоряжение общества, должно быть соответствующим образом принято, переработано к виду удобному и доступному каждому пользователю; информация должна длительно храниться, передаваться на большие расстояния и при этом не портиться. Словом с информацией надо работать, чтобы она давала максимальную отдачу, приносила ее владельцу и пользователям максимальную выгоду.

Сферы применения ЭВМ сегодня настолько велики, что трудно указать такую область, где нельзя их эффективно применить. В настоящее время овладение вычислительной техникой становится таким же ключевым элементом нашей культуры, каким в своё время явилось возникновение языка, письменности, математики. Поэтому понимание принципов работы компьютерной техники, умение осознанно использовать её колоссальные возможности в своей области знаний следует рассматривать сегодня как неотъемлемую принадлежность образованного человека, а инженера тем более.

ЛЕКЦИЯ 4 УСТРОЙСТВО ПЕРСОНАЛЬНЫХ ЭВМ

Устройство персональной ЭВМ По мере развития технических средств ЭВМ изменили содержание и структуру отдельных блоков. Кроме того для расширения вычислительных и других возможностей ЭВМ были сильно развиты внешние или периферийные устройства. В современных ЭВМ арифметическое устройство и блок управления объединены и названы процессор. Основные функции процессора: 1. Управление процессом вычисления. 2. Выполнение операций над данными. 3. Хранение некоторых переменных, участвующих в процессе вычисления.

Процессор, выполненной по интегральной технологии в виде одного кристалла (БИС) называется микропроцессором. Возможно использование нескольких БИС в одном микропроцессоре в зависимости от потребностей конкретного устройства. ЭВМ с одним МП называются одно – кристальные микро ЭВМ благодаря миниатюризации её основных компонент, выполненных на современной микроэлектронной элементной базе. Связь между компонентами осуществляется через общую магистраль. Учитывая, что в настоящее время используют только СБИС, в описаниях часто употребляют термин процессор вместомикропроцессор. Тогда структурную схему микро ЭВМ можно упрощенно представить так

структурная схема микро ЭВМ процессор Оперативная память Магистраль (общая шина) Дисплей УВВ ЦПУ ВНЕШНЯЯ ПАМЯТЬ

Полная структурная схема микро ЭВМ будет выглядеть сложнее и рассмотрена на отдельной лекции но все её компоненты соответствуют названным здесь. Такой принцип построения ЭВМ был предложен на фирме IBM США под названием принцип открытой архитектуры и явился революционным по сравнению со схемой Фон Неймана. Этот принцип позволяет неограниченно совершенствовать и разви вать не зависимо от любой из компонентов общую компановку ЭВМ. Это привлекло к активной деятельности по созданию различных внешних устройств и компонентов ЭВМ много других фирм и обеспечило победу фирме IBM в мировой гонке за обладание рынком сбыта компьютеров.

Устройство IBM PC Основные блоки: 1. системный блок, 2. клавиатура, 3. монитор (дисплей). В системном блоке расположены все основные элементы компьютера: 1. 1. Электронные схемы, управляющие работой компьютера (процессор, оперативная память (ОП), контроллеры устройств, подключаемых к общей шине, контроллеры внешних устройств).

1. 2. Блок питания, преобразующий напряжение сети ~ 220 В в уровни напряжения и род тока, необходимые для работы соответствующих устройств. 1. 3. Накопитель (или дисковод) для гибких магнитных (флоппи) дисков (ГМД) или диск А. 1. 4. Накопитель на жёстком магнитном диске (винчестер) или диск С. 1. 5. Накопитель на жёстком диске типа CD-R (RW), DVD или диск D. 1. 6. Видеокарта. 1. 7. Звуковая карта 1. 8. Другие устройства, обеспечивающие работу ПК.