Материал: Захаров, Сайфутдинов - Вычислительная техника

ЧАСТЬ 2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ КОМПЬЮТЕРОВ

6. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ КОМПЬЮТЕРОВ

6.1. Этапы развития ЭВМ

Развитие электронных вычислительных машин (ЭВМ) можно условно разбить на несколько этапов (поколений), которые имеют свои характерные особенности.

Первый этап (ЭВМ первого поколения) — до конца 1950-х гг.

Точкой отсчета эры ЭВМ считают 1946 г., когда был создан электронный циф-

ровой компьютер – ENIAK (Electronic Numerical Integrator and Computer), созданный Джоном Моучли и Преспером Эккертом. Первая ЭВМ содержала 18000 электронных ламп, ее энергопотребление составляло 150 кВт. Вычислительные машины этого поколения строились на электронных лампах, потребляющих огромное количество электроэнергии и выделяющих много тепла.

Числа в ЭВМ вводились с помощью перфокарт и набора переключателей, а программа задавалась соединением гнезд на специальных наборных платах. Производительность такой гигантской ЭВМ была ниже, чем современного калькулятора. Широкому использованию этих ЭВМ препятствовали также низкая надежность, ограниченность их ресурсов и чрезвычайно трудоемкий процесс подготовки, ввод и отладка программ, написанных на языке машинных команд. Основными их пользователями были ученые, решавшие наиболее актуальные научно-технические задачи, связанные с развитием реактивной авиации, ракетостроения и т. д.

Среди известных отечественных машин первого поколения необходимо отметить БЭСМ-1, «Стрела», «Урал», М-20. Характеристики ЭВМ первого поколения (на примере БЭСМ-1, 1953 г.): емкость памяти — 2048 слов; быстродействие — от 7000 до 8000 опер./с; разрядность — 39 разрядов; арифметика — двоичная с плавающей запятой; система команд — трехадресная; устройство ввода — перфолента; количество электронных ламп в аппаратуре — около 4000; внешние запоминающие устройства — барабаны на 5120 слов; магнитная лента — до 120 000 слов; вывод на

111

быструю цифровую печать — 300 строк в минуту. Отечественная ЭВМ М-20 (20 тыс. опер./с) была одной из самых быстродействующих машин первого поколения в мире.

Основной режим использования ЭВМ первого поколения состоял в том, что математик, составивший программу, садился за пульт управления ЭВМ и производил необходимые вычисления. Чаще всего работа за пультом была связана с отладкой своей собственной программы — наиболее длительным по времени процессом. При этом уровень математика-программиста определялся его умением быстро находить и исправлять ошибки в своих программах, хорошо ориентироваться за пультом ЭВМ. В этот период началась интенсивная разработка средств автоматизации программирования, создание входных языков разных уровней, систем обслуживания программ, упрощающих работу на ЭВМ и увеличивающих эффективность ее использования.

Второй этап (ЭВМ второго поколения) — до середины 1960-х гг.

Развитие электроники привело к изобретению в 1948 г. нового полупроводникового устройства — транзистора, который заменил лампы. Создатели транзистора — сотрудники американской фирмы Bell Laboratories, физики У. Шокли, У. Браттейн и Дж. Бардин за это достижение были удостоены Нобелевской премии. Появление ЭВМ, построенных на транзисторах, привело к уменьшению их габаритов, массы, энергопотребления и стоимости, а также к увеличению их надежности и производительности. Одной из первых транзисторных ЭВМ была созданная в 1955 г. бортовая ЭВМ для межконтинентальной баллистической ракеты ATLAS.

Если с технической точки зрения переход к машинам второго поколения четко очерчен переходом на полупроводники, то со структурной точки зрения ЭВМ второго поколения характеризуются расширенными возможностями по вводу-выводу, увеличением емкости запоминающих устройств, развитыми системами программирования.

В рамках второго поколения все более четко проявляется разделение ЭВМ на малые, средние и большие, позволившие существенно расширить сферу применения ЭВМ, приступить к созданию автоматизированных систем управления (АСУ) предприятиями, целыми отраслями и технологическими процессами.

Стиль использования ЭВМ второго поколения характерен тем, что теперь ма- тематик-программист не допускался в машинный зал, а свою программу, обычно записанную на языке высокого уровня, отдавал в группу обслуживания, которая занималась дальнейшей обработкой его задачи — перфорированием и пропуском на ЭВМ.

112

Большой вклад в развитие вычислительной техники внес советский конструктор Сергей Александрович Лебедев. С 1951 г. под его руководством была создана первая в СССР ЭВМ – малая электронно-счетная машина.

Среди известных отечественных ЭВМ второго поколения необходимо отметить БЭСМ-4, М-220 (200 тыс. опер./с), «Наири», «Мир», «Минск», «Раздан», «Днепр». Наилучшей отечественной ЭВМ второго поколения считается БЭСМ-6, созданная в 1966 г. Она имела основную и промежуточную память (на магнитных барабанах) объемами, соответственно, 128 и 512 Кбайт, быстродействие порядка 1 млн опер./с и довольно обширную периферию (магнитные ленты и диски, графопостроители, разнообразные устройства ввода-вывода).

В этот период появились так называемые алгоритмические языки высокого уровня, средства которых допускают описание всей необходимой последовательности вычислительных действий в наглядном, легко воспринимаемом виде. Программа, написанная на алгоритмическом языке, непонятна компьютеру, воспринимающему только язык своих «собственных» машинных команд. Поэтому специальные программы, которые называются трансляторами, переводят программу с языка высокого уровня в машинный код.

Появился широкий набор библиотечных программ для решения разнообразных математических задач. Были созданы мониторные системы, управляющие режимом трансляции и исполнения программ. Из мониторных систем в дальнейшем получили развитие современные операционные системы (ОС) – комплексы служебных программ, обеспечивающих лучшее распределение ресурсов ЭВМ при исполнении пользовательских задач.

Первые ОС автоматизировали работу оператора ЭВМ, связанную с выполнением задания пользователя: ввод в ЭВМ текста программы, вызов нужного транслятора, вызов необходимых библиотечных программ и т. д. Теперь же вместе с программой и данными в ЭВМ вводится инструкция, где перечисляются этапы обработки и приводится ряд сведений о программе и ее авторе. Затем в ЭВМ стали вводить сразу по нескольку заданий пользователей (пакет заданий), ОС стали распределять ресурсы ЭВМ между этими заданиями — появился мультипрограммный режим обработки.

113

Третий этап (ЭВМ третьего поколения) — до начала 1970-х гг.

Элементной базой в ЭВМ третьего поколения являются интегральные схемы. Создание технологии производства интегральных схем, состоящих из десятков электронных элементов, образованных в прямоугольной пластине кремния с длиной стороны не более 1 см, позволило увеличить быстродействие и надежность ЭВМ на их основе, а также уменьшить габариты, потребляемую мощность и стоимость ЭВМ.

Машины третьего поколения — это семейство машин с единой архитектурой, т. е. программно-совместимых. Они имеют развитые операционные системы, обладают возможностями мультипрограммирования, т. е. одновременного выполнения нескольких программ.

Примеры ЭВМ третьего поколения — семейство IBM-360, IBM-370, PDP-8, PDP-11, отечественные ЕС ЭВМ (единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (семейство малых ЭВМ) и др.

Быстродействие компьютеров изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду, емкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов.

В этот период широкое распространение получило семейство мини-ЭВМ. Простота обслуживания мини-ЭВМ, их сравнительно низкая стоимость и малые габариты позволили использовать их коллективами исследователей, разработчиками экспериментаторами и т. д., т. е. непосредственно пользователями. В начале 1970-х гг. с термином мини-ЭВМ связывали уже два существенно различных типа средств вычислительной техники:

универсальный блок обработки данных и выдачи управляющих сигналов, серийно выпускаемых для применения в различных специализированных системах контроля и управления;

универсальную ЭВМ небольших габаритов, проблемно-ориентированную пользователем на решение ограниченного круга задач, – микроЭВМ.

В период ЭВМ третьего поколения произошел крупный сдвиг в области применения компьютеров. Если раньше ЭВМ использовались в основном для научнотехнических расчетов, то в 1960 – 1970-е гг. все больше места стала занимать обработка символьной информации.

114

Четвертый этап (ЭВМ четвертого поколения) — по настоящее время.

Этот этап условно делят на два периода: первый — до конца 1970-х гг. и второй — с начала 1980-х гг. по настоящее время.

Впервый период успехи в развитии электроники привели к созданию больших интегральных схем (БИС), где в одном кристалле размещалось несколько десятков тысяч электронных элементов. Это позволило разработать ЭВМ, имеющие большие объемы памяти и скорости выполнения команд. Разрабатывались новые ОС, позволяющие программистам отлаживать свои программы прямо за дисплеем ЭВМ, что ускоряло разработку программ.

В1971 г. был изготовлен первый микропроцессор — 4-разрядный Intel 4004 – большая интегральная схема (БИС), в которой полностью размещался процессор ЭВМ простой архитектуры. Стала реальной возможность размещения в одной БИС почти всех электронных устройств несложной по архитектуре ЭВМ. Появились микрокалькуляторы и микроконтроллеры — управляющие устройства, построенные на одной или нескольких БИС, содержащих процессор, память и системы связи с датчиками и исполнительными органами в объекте управления. Программа управления объектами вводилась в память ЭВМ либо при изготовлении, либо непосредственно на предприятии.

Споявлением микропроцессоров начал развиваться новый класс компьютеров — микроЭВМ. МикроЭВМ подразделяются на несколько подклассов (рис. 6.1).

МикроЭВМ

Рис. 6.1. Классификация микроЭВМ

115