Этапы развития ЭВМ

4. Первое поколение ЭВМ

Первый этап начинается с создания первой электронно-вычислительной машины (ЭВМ) в 1945 году. Приблизительно в течение 30 лет компьютерами пользовались сравнительно не большое число людей главным образом в научной и производственной области.

Первое поколение ЭВМ – ламповые машины 50-х годов. Скорость Счета самых быстрых машин первого поколения доходило до 20 тысяч операций в секунду (ЭВМ М-20). Для ввода программ и данных использовались перфоленты и перфокарты. Поскольку внутренняя память этих машин была невелика (могла вместить в себя несколько тысяч чисел и команд программы), то они, главным образом, пользовались главным образом для инженерных и научных расчетов. (Это были довольно громоздкие сооружения, содержавшие в себе тысячи ламп, занимавшие иногда сотни квадратных метров, потреблявшие электроэнергию в сотни киловатт).

Программы для таких машин составлялись на языках машинных команд. Это довольно трудоемкая работа. Поэтому программирование в те времена было доступно немногим. В1949 году в США был создан первый полупроводниковый прибор, заменяющий электронную лампу. Он получил название транзистор. Транзисторы быстро внедрялись в радиотехнику.

5. ЭВМ второго поколения.

Второй этап развития компьютерной техники начинается в середине 70-х годов и связан с появлением и распространением персональных компьютеров (ПК). ПК стали широко использоваться не только в науке и производстве, но и системе общего образовании, в сфере обслуживания, в быту. ПК вошли в дом как один из видов бытовой техники наряду с радиоприемниками, телевизорами, магнитофонами.

В 60-х годах транзисторы стали элементной базой для ЭВМ второго поколения . () Переход на полупроводниковые элементы улучшил качество ЭВМ по всем параметрам: они стали компактнее, надежнее, менее энергоемкими.

Быстро действие большинства машин достигало десятков и сотен тысяч операций  в секунду. Объем внутренней памяти возрос в сотни раз по сравнению с ЭВМ первого поколения.

Большое развитие получили устройства внешней (магнитной) памяти: магнитные барабаны, накопители на магнитных лентах. Благодаря этому появилась возможность создавать на ЭВМ информационно-справочные, поисковые системы. Такие системы с необходимостью длительно хранить на магнитных носителях большие объемы информаций.

Во времена второго поколения активно стали развиваться языки программирования высокого уровня. Первыми из них были ФОРТРАН, АЛГОЛ, КОБОЛ. Составление программы перестало зависеть от модели машины, сделалось проще, понятнее, доступнее. Программирование как элемент грамотности стало широко распространяться, главным образом среди людей с высшим образованием.

6. Третье поколение ЭВМ

Третий этап связан с появлением глобальной компьютерной сети Интернет. С появлением Интернета персональный компьютер, который помещается на письменном столе, стал своеобразным окном в огромный мир информации. Появились такие новые понятия, как «мировое информационное пространство», «киберпространство». Распространение Интернета решает важную социальную проблему – проблему «информационного неравенства», которое существуют между людьми, живущих в разных странах и на разных континентов, а также в крупных городах и на периферии. Именно развитие Интернета дает основание говорить о том, что в истории цивилизации наступает этап «информационно-ориентированного общества».

Третье поколение ЭВМ создавалось на новой элементной базе – интегральных схемах(с помощью очень сложной технологии специалисты научились монтировать на маленькой пластине из полупроводникового материала, площадью менее 1 квадратного сантиметра, достаточно сложные электронные схемы. Их называли интегральные схемы ИС).

Первое ИС содержали в себе десятки, затем – сотни элементов (транзисторов, сопротивлений и др.). Когда степь интеграции (количество элементов)приблизилась к тысяче, их стали называть большими интегральными схемами – БИС; затем появились сверхбольшие интегральные схемы – СБИС.

ЭВМ третьего поколения начали производиться во второй половине 60-х годов, когда американская фирма IBM приступила к выпуску системы машин IBM-360. Это была машина на ИС. Немного позднее стали  выпускаться машины серии IBM-370, построенные на БИС. В Советском Союзе в 70-х годах начался выпуск машины серии EC ЭВМ (Единая Система ЭВМ) по образцу IBM-360 / 370.

Переход к третьему поколению связан с существенными изменениями архитектуры ЭВМ. Появилась возможность выполнять одно временно несколько программ на одной машине. Такой режим работы называется мультипрограммным (многопрограммным) режимом.

Скорость работы наиболее мощных моделей ЭВМ достигла нескольких миллионов операций в секунду. На машинах третьего поколения появился новый тип внешних запоминающих устройств – магнитные диски. Как и на магнитных лентах, на дисках модно хранить неограниченное количество информации. Но накопители на магнитных дисках (НМД) работают гораздо быстрее, чем НМЛ. Широко используются новые типы устройств ввода-вывода: дисплеи, графопостроители.

В этот период существенно расширились области применения ЭВМ. Стали создаваться базы данных, первые системы искусственного интеллекта, системы автоматизированного проектирования (САПР) и управления (АСУ).

В70-е годы получило мощное развитие линия малых (мини) ЭВМ. Своеобразным эталоном здесь стали машины американской фирмы DEC серии PDP-11. В нашей стране по этому образцу создавалась серия машин СМ ЭВМ (Система Малых ЭВМ). Они меньше, дешевле, надежнее больших машин. Машины этого типа хорошо приспособлены для целей управления различными техническими объектами: производственными установками, лабораторным оборудованием, транспортными средствами. По этой причине их называют управляющими машинами. Во второй половине 70-х годов производство мини-ЭВМ превысило производство больших машин.

Очередное революционное событие в электронике произошло в 1971 году, когда американская фирма Intel объявила о создании микропроцессора (микропроцессор – это сверх большая интегральная схема, способная выполнять функции основного блока компьютера - процессора).

Микропроцессор – это миниатюрный мозг, работающий по программе, заложенной в его памяти. Первоначально микропроцессоры стали встраивать в различные технические устройства: станки, автомобили, самолеты. Такие микропроцессоры осуществляют автоматическое управление работой этой техники (соединив микропроцессор с устройствами ввода-вывода, внешней памяти, получили новый тип компьютера: микроЭВМ).

7. ЭВМ четвертого поколения.

МикроЭВМ относятся к машинам четвертого поколения. Существенным отличием микроЭВМ от своих предшественников являются их малые габариты (размеры бытового телевизора) и сравнительная дешевизна. Это первый тип компьютеров, который появился в розничной продаже (самой популярной разновидностью ЭВМ сегодня являются персональные компьютеры).

Появление феномена персональных компьютеров связано с именами двух американских специалистов: Стива Джобса и Стива Возняка. В 1976 году на свет появился их первый серийный ПК Apple-1, а в 1977 году – Apple-2.

Сущность того, что такое персональный компьютер, кратко можно сформулировать так: ПК – это микроЭВМ с «дружественным» к пользователю аппаратным и программным обеспечением.

В аппаратном комплекте ПК используются цветной графический дисплей, манипуляторы типа «мышь», «джойстик», удобная клавиатура, удобные для пользователя компактные диски (магнитные и оптические). Программное обеспечение позволяет человеку легко общаться с машиной, быстро усваивать основные приемы работы с ней, получать пользу от компьютера, не прибегая к программированию. Общению человека и ПК может принимать форму игры с красочными картинками на экране, звуковым сопровождением.

Неудивительно, что машины с такими свойствами быстро приобрели популярность, причем не только у специалистов. ПК становится такой же привычной бытовой техникой, как радиоприемник или телевизор. Их выпускают огромными тиражами, продают в магазинах.

С 1980 года «законодателем мод» на рынке ПК становится американская фирма IBM. Ее конструкторам удалось создать такую архитектуру, которая стала фактически международным стандартом на профессиональные ПК. Машины этой серии получили названия IBM PC (Personal Computer).

В конце 80-х годов большую популярность приобрели машины фирмы Apple Corporation марки Macintosh. В США они широко используются в системе образования.

Появление и распространение ПК по своему значению для общественного развития сопоставимо с появлением книгопечатания. Именно ПК сделали компьютерную грамотность массовым явлением. С развитием этого типа машин появилось понятие «информационные технологии», без которых уже становится невозможным обойтись в большинстве областей деятельности человека.

Есть и другая линия в развитии ЭВМ четвертого поколения. Это – суперЭВМ. Машины этого класса имеют быстродействие сотни миллионов и миллиарды операций в секунду. Первой суперЭВМ четвертого поколения была американская машина ILLIAC-4, за ней появилась CRAI, CYVER и др. Из отечественных машин к этой серии относится многопроцессорный вычислительный комплекс ЭЛЬБРУС.

8. Процессоры пятого поколения и выше. Обзор процессоров фирмы Intel.

  В данной главе описывается линейка процессоров фирмы Intel.  Анализируется модельный ряд, начиная с процессоров Intel Pentium I заканчивая самым новым процессором - Intel Pentium 4 Extreme Edition с технологией Hyper-Threading. 

  Анализ будет полный по основным аспектам технических решений, тонкости затронуты не будут. Будут описаны: минимальная и максимальная тактовая частота, минимальный литографический размер (МЛР), набор микросхем (chipset), набор команд, частота ядра, КЭШ-память, оперативная память, частота поддерживаемой системной шины, типы корпусов, технологии связанные с процессорами и т.д.

8.1 Краткая справка процессоров Intel

   Процессор Pentium фирмы Intel объединяет в себе высокую производительность с гибкостью и совместимостью, характеризующими платформу персонального компьютера. В настоящее время процессор Pentium является основой большинства продаваемых ПК и обеспечивает широкие возможности для работы с новым поколением мультимедийного программного обеспечения и Internet. Это способствует созданию новейшего программного обеспечения с мощной реалистичной графикой и возможностью воспроизведения полноэкранного видео. Процессоры Pentium расширяют диапазон микропроцессоров архитектуры Intel до новых вершин, создавая новую область возможностей для компьютерных систем сегодня и в будущем.

8.2 Intel Pentium I, MMX, PRO,  Intel Pentium I

Выпущен в 1993 г. Разрядность шины адреса – 32 бита, таким образом, максимальный размер адресуемой памяти равен 4 Гб. Разрядность шины данных – 64 бита.

Процессоры семейства Pentium I производятся с использованием полупроводниковой технологии и имеют размер элемента разрешения меньше микрона. Процессоры Pentium 75МГц, 90МГц, 100МГц и 120МГц выполнены по 0.6-микронной 3.3V технологии, а процессоры Pentium 120МГц, 133МГц, 150МГц, 166МГц и 200МГц - по 0.35-микронной 3.3V технологии.

Процессоры Pentium I включают в себя:

Суперскалярная архитектура – два параллельно работающих конвейера обработки позволяют одновременно обрабатывать до двух инструкций за такт. Конвейеры носят названия U и V. U-конвейер (U-pipeline) – это АЛУ с полным набором инструкций, он может исполнять все целочисленные инструкции и инструкции с плавающей точкой. V-конвейер (V-pipeline) – АЛУ с ограниченным набором инструкций, может исполнять только простые (выполняемые за один такт – MOV, INC, DEC и т.п.) инструкции – черты RISC-архитектуры.

На кристалле интегрирован ассоциативный кэш первого уровня – L1 размером 16К, который включает в себя раздельные кэши команд и данных (по 8К для команд и для данных). Кэш может быть сконфигурирован как WT (write-trough) – со сквозной записью либо с обратной записью –WB (write-back). Вкратце алгоритм работы WT и WB выглядят так: при сквозной записи (write-through) каждая операция записи одновременно выполняется и в строку кэша, и в ОЗУ. При этом, ЦП при каждой операции записи вынужден ждать окончания относительно долгой записи в ОЗУ. Алгоритм  WB (обратная запись) позволяет уменьшить количество операций записи на шине основной памяти. Если блок памяти, в который должна производиться запись отображён и в кэше, то физическая запись сначала будет воспроизведена в эту действительную строку кэша, и она будет отмечена как грязная (dirty) или модифицированная, т.е. требующая выгрузки в ОЗУ. Только после этой выгрузки строка станет чистой (clean) и её можно будет использвать для кэширования других блоков без потери целостности данных. В ОЗУ данные переписываются только целой строкой.

Каждый из кэшей включает в себя строки длиной 32 байта и содержит буфер TLB – буфер преобразования линейных адресов в физические. Кэш поддерживает протокол MESI, названный по определяемым им состояниям: Modified, Exclusive, Shared и Invalid.

M-state – строка присутствует только в одном кэше и она модифицирована. Доступ к этой строке возможен без регенерации внешнего цикла (по отношению к локальной шине).

E-state - строка присутствует только в одном кэше, но она не модифицирована. Доступ к этой строке возможен без регенерации внешнего цикла. При записи в неё она перейдёт в состояние “M”.

S-state – строка может присутствовать в нескольких кэшах. Её чтение возможно без регенерации внешнего цикла, а запись в неё должна сопровождаться сквозной записью в ОЗУ, что повлечёт за собой аннулирование соответствующих строк в других кэшах.

I-state – строка отсутствуует в кэше, её чтение может привести к генерации цикла заполнения строки. Запись в неё будет сквозной и выйдет на внешнюю шину.

Процессор имеет встроенный усовершенствованный блок вычисления с плавающей точкой. Быстрые алгоритмы полностью переработанного со времён 487-сопроцессоров FPU обеспечивают более чем десятикратное увеличение скорости при работе с основными операциями, включающими ADD, MUL, LOAD и т.п. по сравнению с 487. Конвейерная организация позволяет обрабатывать две целочисленные операции и одну (а при определённых условиях и две) операцию с плавающей точкой за такт.

Применена технология динамического предсказания ветвлений, для этого введены два буфера предвыборки.

Введена возможность оперирования страницами размером 4 Мб в режиме страничной переадресации.