История развития вычислительной технологии

    Заключительный период электромеханического этапа развития вычислительной техники характеризуется созданием целого ряда сложных релейных и релейно-механических систем с программным управлением, характеризующихся алгоритмической универсальностью и способных выполнять сложные научно-технические вычисления в автоматическом режиме со скоростями, на порядок превышающими скорость работы арифмометров с электропроводом. Эти аппараты можно рассматривать в качестве прямых предшественников универсальных ЭВМ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. ПОКОЛЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПЬЮТЕРОВ

    Историю развития современных ЭВМ разделяют на 4 поколения. 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 таблице (см. Приложение).

    I поколение (до 1955 г.)

    Все ЭВМ I-го поколения были сделаны на основе электронных ламп, что делало их ненадежными - лампы приходилось часто менять. Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами, которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства. Лампы потребляли огромное количество электроэнергии и выделяли много тепла.

    Притом для каждой машины использовался свой язык программирования. Набор команд был небольшой, схема арифметико-логического устройства и устройства управления достаточно проста, программное обеспечение практически отсутствовало. Показатели объема оперативной памяти и быстродействия были низкими. Для ввода-вывода использовались перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства, оперативные запоминающие устройства были реализованы на основе ртутных линий задержки электроннолучевых трубок.

    Эти неудобства начали преодолевать путем интенсивной разработки средств автоматизации программирования, создания систем обслуживающих программ, упрощающих работу на машине и увеличивающих эффективность её использования. Это, в свою очередь, потребовало значительных изменений в структуре компьютеров, направленных на то, чтобы приблизить её к требованиям, возникшим из опыта эксплуатации компьютеров.

    Основные компьютеры первого поколения

    · 1946г. ЭНИАК. В 1946 г. американские инженер-электронщик Дж. П. Эккерт и физик Дж. У. Моучли в Пенсильванском университете сконструировали, по заказу военного ведомства США, первую электронно-вычислительную машину - “Эниак” (Electronic Numerical Integrator and Computer), которая предназначалась для решения задач баллистики. Она работала в тысячу раз быстрее, чем "Марк-1", выполняя за одну секунду 300 умножений или 5000 сложений многоразрядных чисел. Размеры: 30 м. в длину, объём - 85 м3., вес - 30 тонн. Использовалось около 20000 электронных ламп и 1500 реле. Мощность ее была до 150 кВт.

    · 1949г. ЭДСАК. Первая машина с хранимой программой - ”Эдсак” - была создана в Кембриджском университете (Англия) в 1949 г. Она имела запоминающее устройство на 512 ртутных линиях задержки. Время выполнения сложения было 0,07 мс, умножения - 8,5 мс.

    · 1951г. МЭСМ. В 1948г. году академик Сергей Алексеевич Лебедев предложил проект первой на континенте Европы ЭВМ – Малой электронной счетно-решающей машины (МЭМС). В 1951г. МЭСМ официально вводится в эксплуатацию, на ней регулярно решаются вычислительные задачи. Машина оперировала с 20­разрядными двоичными кодами с быстродействием 50 операций в секунду, имела оперативную память в 100 ячеек на электронных лампах.

    · 1951г. UNIVAC-1. (Англия). В 1951 г. была создана машина “Юнивак”(UNIVAC) - первый серийный компьютер с хранимой программой. В этой машине впервые была использована магнитная лента для записи и хранения информации.

    · 1952-1953г. БЭСМ-2. Вводится в эксплуатацию БЭСМ-2 (большая электронная счетная машина) с быстродействием около 10 тыс. операций в секунду над 39-разрядными двоичными числами. Оперативная память на электронно-акустических линиях задержки - 1024 слова, затем на электронно-лучевых трубках и позже на ферритовых сердечниках. ВЗУ состояло из двух магнитных барабанов и магнитной ленты емкостью свыше 100 тыс. слов.

    II поколение (1958-1964). В 1958 г. в ЭВМ были применены полупроводниковые транзисторы, изобретённые в 1948 г. Уильямом Шокли, они были более надёжны, долговечны, малы, могли выполнить значительно более сложные вычисления, обладали большой оперативной памятью. 1 транзистор способен был заменить ~ 40 электронных ламп и работал с большей скоростью.

    Во II-ом поколении компьютеров дискретные транзисторные логические элементы вытеснили электронные лампы. В качестве носителей информации использовались магнитные ленты ("БЭСМ-6", "Минск-2","Урал-14") и магнитные сердечники, появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, магнитные барабаны и первые магнитные диски.

    В качестве программного обеспечения стали использовать языки программирования высокого уровня, были написаны специальные трансляторы с этих языков на язык машинных команд. Для ускорения вычислений в этих машинах было реализовано некоторое перекрытие команд: последующая команда начинала выполняться до окончания предыдущей.

    Появился широкий набор библиотечных программ для решения разнообразных математических задач. Появились мониторные системы, управляющие режимом трансляции и исполнения программ. Из мониторных систем в дальнейшем выросли современные операционные системы.

    Машинам второго поколения была свойственна программная несовместимость, которая затрудняла организацию крупных информационных систем. Поэтому в середине 60-х годов наметился переход к созданию компьютеров, программно совместимых и построенных на микроэлектронной технологической базе.

    III поколение (1964-1972). В 1960 г. появились первые интегральные системы (ИС), которые получили широкое распространение в связи с малыми размерами, но громадными возможностями. ИС - это кремниевый кристалл, площадь которого примерно 10 мм. 1 ИС способна заменить десятки тысяч транзисторов. 1 кристалл выполняет такую же работу, как и 30-ти тонный “Эниак”. А компьютер с использованием ИС достигает производительности в 10 млн. операций в секунду.

    В 1964 году, фирма IBM объявила о создании шести моделей семейства IBM 360 (System 360), ставших первыми компьютерами третьего поколения.

    Машины третьего поколения — это семейства машин с единой архитектурой, т.е. программно совместимых. В качестве элементной базы в них используются интегральные схемы, которые также называются микросхемами.

    Машины третьего поколения имеют развитые операционные системы. Они обладают возможностями мультипрограммирования, т.е. одновременного выполнения нескольких программ. Многие задачи управления памятью, устройствами и ресурсами стала брать на себя операционная система или же непосредственно сама машина.

    Примеры машин третьего поколения — семейства IBM-360, IBM-370, ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ) и др. Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Ёмкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов.

    IV поколение (с 1972 г. по настоящее время). Четвёртое поколение — это теперешнее поколение компьютерной техники, разработанное после 1970 года.

    Впервые стали применяться большие интегральные схемы (БИС), которые по мощности примерно соответствовали 1000 ИС. Это привело к снижению стоимости производства компьютеров.

    В 1980 г. центральный процессор небольшой ЭВМ оказалось возможным разместить на кристалле площадью 1/4 дюйма (0,635 см2.). БИСы применялись уже в таких компьютерах, как “Иллиак”, ”Эльбрус”, ”Макинтош ”. Быстродействие таких машин составляет тысячи миллионов операций в секунду. Емкость ОЗУ возросла до 500 млн. двоичных разрядов. В таких машинах одновременно выполняются несколько команд над несколькими наборами операндов.

    C точки зрения структуры машины этого поколения представляют собой многопроцессорные и многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних устройств. Ёмкость оперативной памяти порядка 1 - 64 Мбайт.

    Распространение персональных компьютеров к концу 70-х годов привело к некоторому снижению спроса на большие ЭВМ и мини-ЭВМ. Это стало предметом серьезного беспокойства фирмы IBM (International Business Machines Corporation) — ведущей компании по производству больших ЭВМ, и в 1979 г. фирма IBM решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров, создав первые персональные компьютеры- IBM PC.

    В зависимости от возможностей компьютеры разделяют на:

           1) суперкомпьютеры;

           2) большие компьютеры;

           3) маленькие компьютеры;

           4) микрокомпьютеры;

           5) специализированные компьютеры. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    4. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

    Рассмотрим состав и основные характеристики типичного настольного персонального компьютера. Конструктивно он содержит три основных устройства — системный блок, клавиатуру и дисплей. К этим основным компонентам добавляется еще печатающее устройство — принтер, а в состав системного блока входят средства поддержки коммуникаций для связи с дополнительными устройствами, не относящимися непосредственно к основному комплекту ПЭВМ. В таком составе персональный компьютер уже становится пригодным для решения многих задач, свойственных большим и малым ЭВМ.

    Системный блок содержит всю электронную начинку ПЭВМ и специальные устройства для постоянного хранения информации на внешних магнитных носителях — накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) и на жестких несъемных дисках (НМД).

    В состав системного блока входит также блок питания, который преобразует стандартное напряжение электрической сети — 220 или 127 вольт — в напряжение постоянного тока, необходимое для питания электронных компонентов.

    Системный блок обычно размещается в небольшом металлическом или пластмассовом корпусе примерно такого же размера, как обычный проигрыватель или магнитофон. Электронные модули размещаются внутри системного блока на отдельных печатных платах. Одна из них - базовая (ее иногда называют ген платой) - содержит основные электронные компоненты и специальные разъемы, в которые устанавливаются дополнительные платы — адаптеры внешних устройств, расширение оперативной памяти и др.

    Основой машины является микропроцессор — небольшая по размерам кремниевая пластинка, заключенная в корпус с несколькими десятками выводов. В ней сосредоточена сложнейшая логическая схема, которая является "сердцем" машины. Это так называемое арифметико-логическое устройство и устройство управления, в функции которых входит пересылка отдельных команд и данных между внутренними регистрами, управление ходом вычислений, выполнение самих вычислений, управление взаимодействием внешних устройств микропроцессора. Регистры являются главными носителями информации внутри микропроцессора. Число разрядов в каждом регистре (обычно кратное 8) определяет производительность микропроцессора и машины в целом. Микропроцессоры и построенные на их основе машины называют 8-, 16- или 32-разрядными в соответствии с разрядностью внутренних регистров.

    Главным средством ввода информации в ПЭВМ является клавиатура. Хорошая клавиатура имеет несколько групп клавиш: алфавитно-цифровые — для ввода чисел и текстов; функциональные — для переключения с одного вида работы на другой; клавиши со стрелками — для перемещения курсора по экрану дисплея; специальные управляющие клавиши — для смены регистров и режимов ввода (рис. 3) Клавиатура изготавливается так, чтобы удовлетворять эргономическим требованиям: она должна быть удобной для длительной работы; расположение клавиш должно соответствовать стандартам, учитывающим нормальные навыки работы на пишущих машинках. Типичные размеры блока клавиатуры 40 X 450 X 180 мм. К системному блоку она подключается с помощью кабеля.