Архитектура и элементарная база компьютеров 5 поколения

При переходе от схем с малой  и средней степенями интеграции к интегральным микросхемам с  большой и сверхбольшой степенями  интеграции оказалось возможным  создание на одной БИС или СБИС функционально законченного устройства обработки информации, выполняющего функции процессора. Такое устройство принято называть микропроцессором. Изобретение микропроцессора привело к появлению еще одного класса ЭВМ - микро-ЭВМ. Определяющим признаком микро-ЭВМ является наличие одного или нескольких микропроцессоров. Создание микропроцессора не только изменило центральную часть ЭВМ, но и привело к необходимости разработки малогабаритных устройств ее периферийной части. Микро-ЭВМ, благодаря малым размерам, высокой производительности, повышенной надежности и небольшой стоимости нашли широкое распространение во всех сферах народного хозяйства и оборонного комплекса. С появлением микропроцессоров и микро-ЭВМ становится возможным создание так называемых интеллектуальных терминалов, выполняющих сложные процедуры предварительной обработки информации.

Успехи в развитии микропроцессоров и микро-ЭВМ привели к появлению  персональных ЭВМ (ПЭВМ), предназначенных  для индивидуального обслуживания пользователя и ориентированных  на решение различных задач неспециалистами  в области вычислительной техники. Все оборудование персональной ЭВМ  размещается в пределах стола. ПЭВМ, выпускаемые в сотнях тысяч и  миллионах экземпляров, вносят коренные изменения в формы использования  вычислительных средств, в значительной степени расширяют масштабы их применения. Они широко используются как для  поддержки различных видов профессиональной деятельности (инженерной, административной, производственной, литературной, финансовой и др.), так и в быту, например для обучения и досуга. Персональный компьютер позволяет эффективно выполнять научно-технические и  финансово-экономические расчеты, организовывать базы данных, подготавливать и редактировать  документы и любые другие тексты, вести делопроизводство, обрабатывать графическую информацию и т.д. Выполнение многих из указанных функций поддерживается многочисленными эффективными универсальными функциональными пакетами программ. На основе ПЭВМ создаются автоматизированные рабочие места (АРМ) для представителей разных профессий (конструкторов, технологов, административного аппарата и др.). Рынок персональных и микро-ЭВМ непрерывно расширяется за счет поставок ведущих мировых фирм: IBM, DEC, Hewlett Packard, Apple (США), COMPARE/, Siemens (Германия), ICL (Англия) и др. Отечественная промышленность, к сожалению, здесь не представлена.

Рынок персональных и микро-ЭВМ  непрерывно расширяется за счет поставок ведущих мировых фирм: IBM, DEC, Hewlett Packard, Apple (США), COMPARE/, Siemens (Германия), ICL (Англия) и др. Отечественная промышленность, к сожалению, здесь не представлена.

Поколения ЭВМ

История поколений ЭВМ:

1. 1946 г. создание машины  ЭНИАК на электронных лампах. Запоминающие устройства (ЗУ) были  построены на электронных. лампах, электронно-лучевых трубках (ЭЛТ) и линиях задержки.

2.60-е годы. ЭВМ построены  на транзисторах, ЗУ на транзисторах, линиях задержки и ферритовых  сердечниках.

3.70-е годы. ЭВМ построены  на интегральных микросхемах  (ИМС). ЗУ на ИМС.

4. Начало создаваться  с 1971 г. с изобретением микропроцессора  (МП). Построены на основе больших интегральных схем (БИС) и сверх БИС (СБИС).

Пятое поколение ЭВМ строится по принципу человеческого мозга, управляется  голосом, используется новая технология на основе арсенида галлия.

ЭВМ предназначены для  обработки информации и отображения  результатов обработки. Для решения  задачи должна быть написана программа.

Во время решения задачи программа и операнды (числа, над  которыми производится операции) находятся  в оперативной памяти (ОЗУ). Быстродействие ОЗУ соизмеримо с быстродействием  АЛУ. В процессе решения задачи АЛУ постоянно взаимодействует с ОЗУ, передавая в ОЗУ промежуточные и конечные результаты, и получая из ОЗУ операнды действия всех частей ЭВМ при решении задачи, осуществляется под воздействием управляющих сигналов, вырабатываемых устройством управления в соответствии с программой, записанной в ОЗУ.

ПЗУ предназначено для  хранения стандартных программ, таких  как sin и cos, констант, е.

Существует еще сверх  ОЗУ (СОЗУ), которое обладает малым  объемом и высоким быстродействием. СОЗУ применяется для кратковременного хранения операндов и промежуточных  результатов.

Качество ЭВМ определяется: объемом ОЗУ (т.е. количеством одновременно хранимых в ОЗУ двоичных слов); быстродействием, определяемым количеством операций в сек. После выполнения задачи, программа  и результаты через устройство вывода записываются во внешнее ЗУ. В качестве внешних ЗУ используются магнитная лента, гибкий магнитный диск, магнитный барабан, перфолента, перфокарты. Программа вводится в ОЗУ с внешних ЗУ или с клавиатуры через устройство ввода.

 Перспективы развития ЭВМ:

Появление новых поколений  ЭВМ обусловлено расширением  сферы их применения, требующей более  производительной, дешевой и надежной вычислительной техники. В настоящее  время стремление к реализации новых  потребительских свойств ЭВМ  стимулирует работы по созданию машин  пятого и последующего поколений. Вычислительные средства пятого поколения, кроме более  высокой производительности и надежности при более низкой стоимости, обеспечиваемые новейшими электронными технологиями, должны удовлетворять качественно новым функциональным требованиям:

• работать с базами знаний в различных предметных областях и организовывать на их основе системы искусственного интеллекта;
• обеспечивать простоту применения ЭВМ путем реализации эффективных систем ввода-вывода информации голосом, диалоговой обработки информации с использованием естественных языков, устройств распознавания речи и изображения;
• упрощать процесс создания программных средств путем автоматизации синтеза программ.

В настоящее время ведутся  интенсивные работы как по созданию ЭВМ пятого поколения традиционной (неймановской) архитектуры, так и  по созданию и апробации перспективных  архитектур и схемотехнических решений. На формальном и прикладном уровнях  исследуются архитектуры на основе параллельных абстрактных вычислителей (матричные и клеточные процессоры, систолические структуры, однородные вычислительные структуры, нейронные  сети и др.). Развитие вычислительной техники с высоким параллелизмом во многом определяется элементной базой, степенью развития параллельного программного обеспечения и методологией распараллеливания алгоритмов решаемых задач.

Проблема создания эффективных  систем параллельного программирования, ориентированных на высокоуровневое  распараллеливание алгоритмов вычислений и обработки данных, представляется достаточно сложной и предполагает дифференцированный подход с учетом сложности распараллеливания и  необходимости синхронизации процессов  во времени.

Наряду с развитием  архитектурных и системотехнических решений ведутся работы по совершенствованию  технологий производства интегральных схем и по созданию принципиально  новых элементных баз, основанных на оптоэлектронных и оптических принципах.

В плане создания принципиально  новых архитектур вычислительных средств  большое внимание уделяется проектам нейрокомпьютеров, базирующихся на понятии  нейронной сети (структуры на формальных нейронах), моделирующей основные свойства реальных нейронов. В случае применения биоэлементов или оптоэлементов могут быть созданы соответственно биологические или оптические нейрокомпыотеры. Многие исследователи считают, что в следующем веке нейрокомпьютсры в значительной степени вытеснят современные ЭВМ, используемые для решения трудноформализуемых задач. Последние достижения в микроэлектронике и разработка элементной базы на основе биотехнологий дают возможность прогнозировать создание биокомпьютеров.

 

 

 

 

 

В вычислительной технике  существует своеобразная периодизация развития электронных вычислительных машин. ЭВМ относят к тому или  иному поколению в зависимости  от типа основных используемых в ней  элементов или от технологии их изготовления. Ясно, что границы поколений в  смысле времени сильно размыты, так  как в одно и то же время фактически выпускались ЭВМ различных типов; для отдельной же машины вопрос о  ее принадлежности к тому или иному  поколению решается достаточно просто.

 

Появление ЭВМ или компьютеров  – одна из существенных примет современной  научно-технической революции. Широкое  распространение компьютеров привело  к тому, что все большее число  людей стало знакомиться с  основами вычислительной техники, а  программирование постепенно превратилось в элемент культуры. Первые электронные  компьютеры появились в первой половине XX века. Они могли делать значительно больше механических калькуляторов, которые лишь складывали, вычитали и умножали. Это были электронные машины, способные решать сложные задачи.

Кроме того, они имели  две отличительные особенности, которыми предыдущие машины не обладали:

Одна из них состояла в  том, что они могли выполнять  определенную последовательность операций по заранее заданной программе или  последовательно решать задачи разных типов.

Поколение первое

Компьютеры на электронных  лампах.

 

 

 

 

 

Компьютеры на основе электронных  ламп появились в 40-х годах XX века. Первая электронная лампа - вакуумный диод - была построена Флемингом лишь в 1904 году, хотя эффект прохождения электрического тока через вакуум был открыт Эдисоном в 1883 году.

Вскоре Ли де Форрест изобретает вакуумный триод - лампу с тремя электродами, затем появляется газонаполненная электронная лампа - тиратрон, пятиэлектродная лампа - пентод и т. д. До 30-х годов электронные вакуумные и газонаполненные лампы использовались главным образом в радиотехнике. Но в 1931 году англичанин Винни-Вильямс построил (для нужд экспериментальной физики) тиратронный счетчик электрических импульсов, открыв тем самым новую область применения электронных ламп. Электронный счетчик состоит из ряда триггеров. Триггер , изобретенный М. А. Бонч-Бруевичем (1918) и - независимо - американцами У. Икклзом и Ф. Джорданом (1919), содержит 2 лампы и в каждый момент может находиться в одном из двух устойчивых состояний; он представляет собой электронное реле. Подобно электромеханическому, оно может быть использовано для хранения одной двоичной цифры. Подробнее об электронной лампе здесь.

Использование электронной  лампы в качестве основного элемента ЭВМ создавало множество проблем. Из-за того, что высота стеклянной лампы - 7см, машины были огромных размеров. Каждые 7-8 мин. одна из ламп выходила из строя, а так как в компьютере их было 15 - 20 тысяч, то для поиска и замены поврежденной лампы требовалось  очень много времени. Кроме того, они выделяли огромное количество тепла, и для эксплуатации "современного" компьютера того времени требовались  специальные системы охлаждения.

Чтобы разобраться в запутанных схемах огромного компьютера, нужны  были целые бригады инженеров. Устройств ввода в этих компьютерах не было, поэтому данные заносились в память при помощи соединения нужного штеккера с нужным гнездом.

 

Примерами машин I-го поколения могут служить Mark 1, ENIAC, EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator), - первая машина с хранимой программой. UNIVAC (Universal Automatic Computer). Первый экземпляр Юнивака был передан в Бюро переписи населения США. Позднее было создано много разных моделей Юнивака, которые нашли применение в различных сферах деятельности. Таким образом, Юнивак стал первым серийным компьютером. Кроме того, это был первый компьютер, где вместо перфокарт использовалась магнитная лента.

Поколение второе

Транзисторные компьютеры.

1 июля 1948 года на одной  из страниц "Нью-Йорк Таймс", посвященной радио и телевидению,  было помещено скромное сообщение  о том, что фирма "Белл  телефон лабораториз" разработала электронный прибор, способный заменить электронную лампу. Физик-теоретик Джон Бардин и ведущий экспериментатор фирмы Уолтер Брайттен создали первый действующий транзистор. Это был точечно-контактный прибор, в котором три металлических "усика" контактировали с бруском из поликристаллического германия.

Первые компьютеры на основе транзисторов появились в конце 50-х годов, а к середине 60-х годов  были созданы более компактные внешние  устройства, что позволило фирме  Digital Equipment выпустить в 1965 г. первый мини-компьютер PDP-8 размером с холодильник и стоимостью всего 20 тыс. долларов.

Созданию транзистора  предшествовала упорная, почти 10-летняя работа, которую еще в 1938 году начал  физик теоретик Уильям Шокли. Применение транзисторов в качестве основного элемента в ЭВМ привело к уменьшению размеров компьютеров в сотни раз и к повышению их надежности.

И все-таки самой удивительной способностью транзистора является то, что он один способен трудиться  за 40 электронных ламп и при этом работать с большей скоростью, выделять очень мало тепла и почти не потреблять электроэнергию. Одновременно с процессом замены электронных  ламп транзисторами совершенствовались методы хранения информации. Увеличился объем памяти, а магнитную ленту, впервые примененную в ЭВМ  Юнивак, начали использовать как для ввода, так и для вывода информации. А в середине 60-х годов получило распространение хранение информации на дисках. Большие достижения в архитектуре компьютеров позволило достичь быстродействия в миллион операций в секунду. Примерами транзисторных компьютеров могут послужить "Стретч" (Англия), "Атлас" (США). В то время СССР шел в ногу со временем и выпускал ЭВМ мирового уровня (например "БЭСМ-6").

Поколение третье

Интегральные схемы.

Рисунок 3

Подобно тому, как появление  транзисторов привело к созданию второго поколения компьютеров, появление интегральных схем ознаменовало собой новый этап в развитии вычислительной техники - рождение машин третьего поколения. Интегральная схема, которую также  называют кристаллом, представляет собой  миниатюрную электронную схему, вытравленную на поверхности кремниевого  кристалла площадью около 10 мм ². Подробнее об интегральных схемах здесь.