В соответствии с общепринятой методикой оценки развития вычислительной техники первым поколением считались ламповые компьютеры, вторым -транзисторные, третьим - компьютеры на интегральных схемах, а четвёртым - с использованием микропроцессоров.

Первое поколение ЭВМ (1948–1958) создавалось на основе вакуумных электроламп, машина управлялась с пульта и перфокарт с использованием машинных кодов. Эти ЭВМ размещались в нескольких больших металлических шкафах, занимавших целые залы.

Элементной базой машин этого поколения были электронные лампы – диоды и триоды. Машины предназначались для решения сравнительно несложных научно-технических задач. К этому поколению ЭВМ можно отнести: МЭСМ, БЭСМ-1, М-1, М-2, М-З, «Стрела», Минск-1, Урал-1, Урал-2, Урал-3, М-20, «Сетунь», БЭСМ-2, «Раздан» (рис. 2.1).

ЭВМ первого поколения были значительных размеров, потребляли большую мощность, имели невысокую надежность работы и слабое программное обеспечение. Быстродействие их не превышало 2–3 тысячи операций в секунду, емкость оперативной памяти – 2 кб или 2048 машинных слов (1 кб = 1024) длиной 48 двоичных знаков.

Второе поколение ЭВМ (1959–1967) появилось в 60-е гг. ХХ века. Элементы ЭВМ выполнялись на основе полупроводниковых транзисторов (рис. 2.2, 2.3). Эти машины обрабатывали информацию под управлением программ на языке Ассемблер. Ввод данных и программ осуществлялся с перфокарт и перфолент.

Элементной базой машин этого поколения были полупроводниковые приборы. Машины предназначались для решения различных трудоемких научно-технических задач, а также для управления технологическими процессами в производстве. Появление полупроводниковых элементов в электронных схемах существенно увеличило емкость оперативной памяти, надежность и быстродействие ЭВМ. Уменьшились размеры, масса и потребляемая мощность. С появлением машин второго поколения значительно расширилась сфера использования электронной вычислительной техники, главным образом за счет развития ПО.

Третье поколение ЭВМ (1968–1973). Элементная база ЭВМ – малые интегральные схемы (МИС), содержавшие на одной пластинке сотни или тысячи транзисторов. Управление работой этих машин происходило с алфавитно-цифровых терминалов. Для управления использовались языки высокого уровня и Ассемблер. Данные и программы вводились как с терминала, так и с перфокарт и перфолент. Машины предназначались для широкого использования в различных областях науки и техники (проведение расчетов, управление производством, подвижными объектами и др.). Благодаря интегральным схемам удалось существенно улучшить технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ и резко снизить цены на аппаратное обеспечение. Например, машины третьего поколения по сравнению с машинами второго поколения имеют больший объем оперативной памяти, увеличенное быстродействие, повышенную надежность, а потребляемая мощность, занимаемая площадь и масса уменьшились.

Четвертое поколение ЭВМ (1974–1982). Элементная база ЭВМ – большие интегральные схемы (БИС). Наиболее яркие представители четвертого поколения ЭВМ – персональные компьютеры (ПК). Связь с пользователем осуществлялась посредством цветного графического дисплея с применением языков высокого уровня.

Машины предназначались для резкого повышения производительности труда в науке, производстве, управлении, здравоохранении, обслуживании и быту. Высокая степень интеграции способствовала увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, повышению ее надежности, что привело к увеличению быстродействия ЭВМ и снижению ее стоимости. Все это оказывает существенное воздействие на логическую структуру (архитектуру) ЭВМ и на ее ПО. Более тесной становится связь структуры машины и ее программного обеспечения, особенно операционной системы (ОС) (или монитора) – набора программ, которые организуют непрерывную работу машины без вмешательства человека

Пятое поколение ЭВМ (1990 – настоящее время) создано на основе сверхбольших интегральных схем (СБИС), которые отличаются колоссальной плотностью размещения логических элементов на кристалле.

6. Организация компьютерных систем

Процессоры

На рис. 2.1 показана структура обычного компьютера с шинной организацией. Центральный процессор - это мозг компьютера. Его задача - выполнять программы, находящиеся в основной памяти. Он вызывает команды из памяти, определяет их тип, а затем выполняет одну за другой. Компоненты соединены шиной, представляющей собой набор параллельно связанных проводов, по которым передаются адреса, данные и сигналы управления. Шины могут быть внешними (связывающими процессор с памятью и устройствами ввода-вывода) и внутренними.

Рис. 2.1. Схема компьютера с одним центральным процессором и двумя устройствами ввода-вывода

Процессор состоит из нескольких частей. Блок управления отвечает за вызов команд из памяти и определение их типа. Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические операции (например, сложение) и логические операции (например, логическое И).

Внутри центрального процессора находится память для хранения промежуточных результатов и некоторых команд управления. Эта память состоит из нескольких регистров, каждый из которых выполняет определенную функцию. Обычно размер всех регистров одинаков. Каждый регистр содержит одно число, которое ограничивается размером регистра. Регистры считываются и записываются очень быстро, поскольку они находятся внутри центрального процессора.

Самый важный регистр - счетчик команд, который указывает, какую команду нужно выполнять следующей. Название «счетчик команд» не соответствует действительности, поскольку он ничего не считает, но этот термин употребляется повсеместно1. Еще есть регистр команд, в котором находится выполняемая в данный момент команда. У большинства компьютеров имеются и другие регистры, одни из них многофункциональны, другие выполняют лишь какие-либо специфические функции.

7. Программное обеспечение. Основная память.

Вся совокупность программ, хранящихся на всех устройствах долговременной памяти компьютера, составляет его программное обеспечение (ПО) .

Системное ПО;
- прикладное ПО;
- инструментальное ПО.

Первые проекты электронных вычислительных машин (ЭВМ) появились в конце 30-х — начале 40-х годов XX в. Отметим, что технические предпосылки для ϶ᴛᴏго уже были созданы, развивалась электроника и счетно-аналитическая вычислительная техника. В 1904 г. был изобретен первый ламповый диод, а в 1906 г. — первый триод (ϲᴏᴏᴛʙᴇᴛϲᴛʙенно двух- и трехэлектродная электронная лампа); в 1918 г. — электронное реле (ламповый триггер) Триггерные схемы стали широко применяться в электронике для переключения и релейной коммутации.

Другой технической предпосылкой создания ЭВМ стало развитие электромеханической счетно-аналитической техники. Благодаря накопленному опыту в области развития вычислительной техники в середине 30-х годов стало возможным создание программно-управляемых вычислительных машин, а построение ВМ на электронных схемах открывало широкие перспективы, связанные с увеличением надежности и быстродействия.

ЭВМ появились, когда возникла острая необходимость в проведении трудоемких и точных расчетов. Уровень прогресса в таких областях науки и техники, как, например, атомная энергетика, аэрокосмические исследования, во многом зависел от возможности выполнения сложных расчетов, кᴏᴛᴏᴩые нельзя было осуществить в рамках электромеханических счетных машин. Требовался переход к вычислительным машинам, работающим с большей производительностью.

В истории развития ЭВМ выделяют пять этапов, ϲᴏᴏᴛʙᴇᴛϲᴛʙующих пяти поколениям ЭВМ.

Период машин первого поколения начинается с переходом к серийному производству ЭВМ в начале 50-х годов XX в. В них были реализованы основные принципы, предложенные Джоном фон-Нейманом.

1. Принцип хранимой программы. Машина имеет память, в кᴏᴛᴏᴩой хранятся программа, данные и результаты промежуточных вычислений. Программа вводится в машину, так же как и данные, в виде двоичных кодов (а не штекерным методом, т.е. коммутацией проводов в определенной последовательности)

2. Адресный принцип. В команде указываются не сами числа, над кᴏᴛᴏᴩыми нужно выполнять арифметические действия, а адреса ячеек памяти, где данные числа находятся.

3. Автоматизм . После ввода программы и данных машина работает автоматически, выполняя предписания программы без вмешательства человека. Стоит сказать, для ϶ᴛᴏго машина запоминает адрес выполняемой команды, а каждая команда содержит указание об адресе следующей команды. Указание может быть одним из трех типов: неявным (перейти к команде, следующей по адресу за выполняемой), безусловным (перейти к команде по заданному адресу), условным (проверить заданное условие и в зависимости от его выполнения перейти к команде по тому или иному адресу)

4. Переадресация. Адреса ячеек памяти, указанные в команде, можно вычислять и преобразовывать как числа.

Структура ЭВМ, в кᴏᴛᴏᴩой реализованы принципы фон-Неймана, впоследствии получила название структуры «фон-Неймана» (или классической) Все дальнейшее развитие ЭВМ шло двумя путями: совершенствование структуры фон-Неймана и поиск новых структур.

Отметим, что технической основой элементной базы процессоров первых ЭВМ были электронные вакуумные лампы (ЭВЛ), а в качестве оперативных запоминающих устройств использовались электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) Это были громоздкие по габаритам машины, занимающие много места и потребляющие много электроэнергии. Стоит заметить, что они делали несколько тысяч операций в секунду и обладали памятью в несколько тысяч машинных слов. Эти машины предполагали монопольный режим использования, т.е. в распоряжении пользователя были все ресурсы машины и ее управление. Программист повествовал ϲʙᴏю программу в машинных кодах и отлаживал ее за пультом машины, кᴏᴛᴏᴩая на время отладки была полностью в его распоряжении. При ϶ᴛᴏм 90% времени машина простаивала в ожидании команд, т.е. использование машинных ресурсов было малоэффективным из-за отсутствия развитой операционной системы. Использовались ЭВМ первого поколения в основном для научных расчетов. Первой отечественной ЭВМ была МЭСМ (малая электронная счетная машина), разработанная в 1947 — 1951 гг. под руководством акад. С.А. Лебедева. В 1952 г. была введена в эксплуатацию БЭСМ (большая электронная счетная машина), созданная под руководством С.А. Лебедева. В 1955 г. начался выпуск малой ЭВМ «Урал-1» (руководитель проекта Б.И. Рамеев) Примером зарубежной серийной модели ЭВМ будет IBM-701 (США)

Второе поколение ЭВМ (конец 50-х — середина 60-х годов) называют транзисторно-ферритовым, так как транзисторы (твердые диоды и триоды) заменили электронные лампы в процессорах, а ферритовые (намагничиваемые) сердечники — электронно-лучевые трубки в оперативных запоминающих устройствах.

Применение транзисторов существенно повлияло на характеристики и структуру машин. Транзисторные схемы позволили повысить плотность монтажа электронной аппаратуры на порядок и существенно (на несколько порядков) снизить потребляемую электроэнергию. Срок службы транзисторов на два-три порядка превосходил срок службы электронных ламп. Скорость ЭВМ возросла до сотен тысяч операций в секунду, а память — до десятков тысяч машинных слов.

Создание долговременной памяти на магнитных дисках и лентах, а также возможность подключения к ЭВМ изменяемого состава внешних устройств существенно расширили функциональные возможности вычислительных машин.

В организации вычислительного процесса крупным достижением было совмещение во времени вычислений и ввода-вывода информации, переход от монопольного режима использования ресурсов машины к пакетной обработке. Задания для ЭВМ (на перфокартах, магнитных лентах или дисках) собирались в пакет, кᴏᴛᴏᴩый обрабатывался без перерыва между заданиями. Это позволило более экономно использовать ресурсы машины.

В программировании были разработаны методы программирования в символических обозначениях, созданы первые алгоритмические языки и трансляторы с данных языков, созданы библиотеки стандартных программ.

В наибольшей степени широкое применение нашли отечественные ЭВМ, такие, как БЭСМ-4, М-220, «Минск-32». Типичным представителем зарубежной ЭВМ второго поколения будет IBM-7090.

Третье поколение ЭВМ (конец 60-х — начало 70-х годов) характеризуется появлением в качестве элементной базы процессора интегральных полупроводниковых схем (вместо отдельных транзисторов), что привело к дальнейшему увеличению скорости до миллиона операций в секунду и памяти до сотен тысяч слов.

ЭВМ третьего поколения также характеризуются крупнейшими сдвигами в архитектуре ЭВМ, их программном обеспечении, организации взаимодействия человека с машиной. Это прежде всего наличие развитой конфигурации внешних устройств (алфавитно-цифровые терминалы, графопостроители и т.п.) с использованием стандартных средств сопряжения, развитая операционная система, обеспечивающая работу в мультипрограммном режиме (несколько одновременно размещаемых в оперативной памяти программ совместно используют ресурсы процессора) Метод использования ресурсов ЭВМ — режим разделения времени совместно с пакетной обработкой. Высокое быстродействие позволяет время обслуживания пользователей разбить на кванты, обрабатывая в течение кванта задание каждого, возвращаться к пользователю за такое малое время, что у него за дисплеем создается иллюзия, что он один пользуется ресурсами машины.

Решающее значение в развитии вычислительной техники во всем мире сыграло создание семейства вычислительных машин на интегральных схемах с широким диапазоном вычислительной мощности и совместимых снизу вверх на уровне машинных языков, внешних устройств, модулей конструкции и системы элементов. Программная совместимость снизу вверх машин одного и того же семейства предполагает, что любая программа, выполнявшаяся на младшей машине, должна без всяких переделок выполняться на старшей.

Широкое распространение получили также семейства мини-ЭВМ. Сущность их конструкторского решения состояла в такой минимизации аппаратуры центрального процессора, кᴏᴛᴏᴩая позволяла на уровне технологии того времени создать универсальные ЭВМ, способные осуществлять управление в реальном масштабе времени, при кᴏᴛᴏᴩом темп выдачи управляющих воздействий на объект управления согласован со скоростью протекания процессов в ϶ᴛᴏм объекте.

В нашей стране в период машин третьего поколения была создана Единая Система ЭВМ (ЕС ЭВМ), в основных чертах копирующая IBM-360 и IBM-370, а также серия мини-ЭВМ СМ ЭВМ, ориентированная на зарубежные модели. Вклад отечественной науки в мировое развитие электронной вычислительной техники в ϶ᴛᴏт период связан с промышленным внедрением многопроцессорной ЭВМ М-10.

В период машин третьего поколения произошел крупный сдвиг в области применения ЭВМ. В случае если раньше ЭВМ использовались в основном для научно-технических расчетов, то в 60 — 70-е годы первое место стала занимать обработка символьной информации, в основном экономической.

Машины серии ЕС ЭВМ имеют универсальное назначение, а основной областью применения СМ ЭВМ будет автоматизация технологических процессов, научных экспериментов и испытательных установок, проектно-конструкторских работ.

Переход к машинам четвертого поколения — ЭВМ на больших интегральных схемах (БИС) — происходил во второй половине 70-х годов и завершился приблизительно к 1980 г. Отметим, что теперь на одном кристалле размером 1 см 2 стали размещаться сотни тысяч электронных элементов. Скорость и объем памяти возросли в десятки тысяч раз по сравнению с машинами первого поколения и составили примерно 10 9 оп/с и 10 7 слов ϲᴏᴏᴛʙᴇᴛϲᴛʙенно.

Характерными особенностями машин четвертого поколения будут тесная связь аппаратурной и программной реализаций в структуре машины, отход от принципа минимизации аппаратуры и поручение ей функций программы, что стало возможным благодаря относительно низкой стоимости БИС.

Развитие архитектуры ЭВМ в период машин четвертого поколения привело к появлению структур, в кᴏᴛᴏᴩых вычислительный процесс может протекать по нескольким ветвям параллельно, что приводит к увеличению производительности вычислительных машин. Идея параллелизма была технически реализована в многопроцессорных системах, состоящих из двух или более взаимосвязанных процессоров, работающих с общей памятью и управляемых общей операционной системой.

В результате возросшего быстродействия ЭВМ стало возможным расширить оперативную память за счет введения виртуальной памяти основанной на страничном обмене информации между внешней и основной памятью.

В наибольшей степени крупным достижением, связанным с применением БИС, стало создание микропроцессоров, а затем на их основе микроЭВМ. В случае если прежние поколения ЭВМ требовали для ϲʙᴏего расположения специальных помещений, системы вентиляции, специального оборудования для электропитания, то требования, предъявляемые к эксплуатации микроЭВМ, ничем не отличаются от условий эксплуатации бытовых электроприборов. При ϶ᴛᴏм они имеют достаточно высокую производительность, экономичны в эксплуатации и дешевы. МикроЭВМ могут быть использованы в измерительных комплексах, системах числового программного управления, в управляющих системах различного назначения.

Дальнейшее развитие микроЭВМ привело к созданию персональных компьютеров (ПК), широкое распространение кᴏᴛᴏᴩых началось с 1975 г., когда фирма IBM выпустила ϲʙᴏй первый персональный компьютер IBM PC. Сейчас такие компьютеры (совместимые с IBM PC) составляют около 90% всех производимых в мире ПК. В ПК реализован принцип открытой архитектуры, кᴏᴛᴏᴩый означает, что по мере улучшения характеристик основных блоков ПК возможна легкая замена устаревших частей, а модернизированный блок будет совместим с ранее используемым оборудованием. Другими преимуществами ПК будут развитые средства диалога, высокая надежность, удобство эксплуатации, наличие программного обеспечения, охватывающего практически все сферы человеческой деятельности.

В период машин четвертого поколения стали также серийно производиться и суперЭВМ. Рост степени интеграции БИС стал технологической основой производительности ЭВМ. В нескольких серийных моделях была достигнута производительность свыше 1 млрд. операций в секунду. К числу наиболее значительных разработок машин четвертого поколения относится ЭВМ «Крей-3», спроектированная на базе принципиально новой технологии — замены кремниевого кристалла арсенидом галлия, имеющая производительность до 16 млрд. операций в секунду. Примером отечественной суперЭВМ будет многопроцессорный вычислительный комплекс «Эльбрус» с быстродействием до 1,2-10 8 оп/с.

С конца 80-х годов в истории развития вычислительной техники наступила пора пятого поколения ЭВМ. Отметим, что технологические, конструкторские, структурные и архитектурные идеи машин пятого поколения принципиально отличаются от машин предшествующих поколений. Прежде всего их структура и архитектура отличаются от фон-неймановской (классической) Высокая скорость выполнения арифметических вычислений дополняется высокими скоростями логического вывода. Даже скорость предполагается выражать в единицах логического вывода. Машина состоит из нескольких блоков. Блок общения обеспечивает интерфейс между пользователем и ЭВМ на естественном языке и дисциплина программирования как наука для пользователя перестает в будущем быть актуальной. Не стоит забывать, что важное место в структуре ЭВМ занимает блок, представляющий базу знаний, в кᴏᴛᴏᴩом хранятся знания, накопленные человечеством в различных предметных областях, кᴏᴛᴏᴩые постоянно расширяются и пополняются. Следующий блок, называемый решателем, организует подготовку программы решения задачи на основании знаний, получаемых из базы знаний и исходных данных, полученных из блока общения. Ядро вычислительной системы составляет ЭВМ высокой производительности. Материал опубликован на http://сайт

В связи с появлением новой базовой структуры ЭВМ в машинах пятого поколения широко могут быть использованы модели и средства, разработанные в области искусственного интеллекта.

Электронно-вычислительная машина (ЭВМ) представляет собой устройство для обработки информации. Под обработкой информации понимается процесс преобразования исходных данных в результатные.

Принципиальным признаком современных ЭВМ, отличающим их от всех ранее применяемых средств вычислительной техники, является их способность работать автоматически по заданной программе без непосредственного участия человека в вычислительном процессе.

ЭВМ – наиболее эффективное средство для решения экономических задач. Применение ЭВМ позволяет: повысить уровень автоматизации управленческого труда; уменьшить время на получение необходимых решений; резко уменьшить количество ошибок при расчетах; увеличить надежность работы управленческого персонала; дает возможность увеличить объем перерабатываемой информации; заниматься поиском оптимальных решений; выполнять функции контроля результатов; передавать данные на расстояние; создавать автоматизированные банки данных; производить анализ данных в процессе обработки информации и т.д.

Можно выделить 4 основные поколения ЭВМ . 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.

К ПЕРВОМУ ПОКОЛЕНИЮ (1945-1955) относят машины, построенные на электронных лампах накаливания . Эти машины стоили очень дорого, занимали огромные площади, были не совсем надежны в работе, имели маленькую скорость обработки информации и могли хранить очень мало данных. Каждая машина имеет свой язык, нет ОС. Использовались перфокарты, перфоленты, магнитные ленты.Создавались они в единичных экземплярах и использовались в основном для военных и научных целей. В качестве типичных примеров машин первого поколения можно указать американские компьютеры UNIVAC, IBM-701, IBM-704, а также советские машины БЭСМ и М-20. Типичная скорость обработки данных для машин первого поколения составляла 10-20 тысяч операций в секунду.

Ко ВТОРОМУ ПОКОЛЕНИЮ (1955-1965) относят машины, построенные на транзисторных элементах. У этих машин значительно уменьшились стоимость и габариты, выросли надежность, скорость работы и объем хранимой информации. Скорость обработки данных у машин второго поколения возросла до 1 миллиона операций в секунду. Появились первые ОС, первые языки программирования: Фортон (1957), Алгон (1959). Средства хранения информации: магнитные барабаны, магнитные диски. Представители: IBM 604, 608, 702.

Машины ТРЕТЬЕГО ПОКОЛЕНИЯ (1965-1980) выполнены на интегральных схемах. Площадь такой схемы порядка одного квадратного миллиметра, но по своим функциональным возможностям интегральная схема эквивалентна сотням и тысячам транзисторных элементов. Из-за очень маленьких размеров и толщины интегральную схему иногда называют микросхемой , а также чипом (chip - тонкий кусочек). Благодаря переходу от транзисторов к интегральным схемам изменились стоимость, размер, надежность, скорость и емкость машин. Это машины семейства IBM/360. Популярность этих машин оказалась настолько велика, что во всем мире их стали копировать или выпускать похожие по функциональным возможностям и совпадающие по способам кодирования и обработки информации. Причем программы, подготовленные для выполнения на машинах IBM, с успехом выполнялись на их аналогах, так же как и программы, написанные для выполнения на аналогах, могли быть выполнены на машинах IBM. Такие модели машин принято называть программно-совместимыми. В нашей стране такой программно-совместимой с семейством IBM/360 была серия машин ЕС ЭВМ, в которую входило около двух десятков различных по мощности моделей. Начиная с третьего поколения вычислительные машины становятся повсеместно доступными и широко используются для решения самых различных задач. Характерным для этого времени является коллективное использование машин, так как они все еще достаточно дороги, занимают большие площади и требуют сложного и дорогостоящего обслуживания. Носителями исходной информации все еще являются перфокарты и перфоленты, хотя уже значительный объем информации сосредотачивается на магнитных носителях - дисках и лентах. Скорость обработки информации у машин третьего поколения достигала нескольких миллионов операций в секунду. Появились оперативные памяти – сотни Кб. Языки программирования: Бейсик (1965), Паскаль (1970), Си (1972). Появилась совместимость программ.

ЧЕТВЕРТОЕ ПОКОЛЕНИЕ (1980- настоящее время). Происходит переход от обычных интегральных схем к большим интегральным схемам и сверхбольшим (БИС и СБИС). Если обычные интегральные схемы эквивалентны тысячам транзисторных элементов, то большие интегральные схемы заменяют уже десятки и сотни тысяч таких элементов. Среди них следует упомянуть семейство машин IBM/370, а также модель IBM 196, скорость которой достигла 15 миллионов операций в секунду. Отечественными представителями машин четвертого поколения являются машины семейства «Эльбрус». Отличительная черта четвертого поколения - наличие в одной машине нескольких (обычно 2-6, иногда до нескольких сотен и даже тысяч) центральных, главных устройств обработки информации - процессоров, которые могут дублировать друг друга или независимым образом выполнять вычисления. Такая структура позволяет резко повысить надежность машин и скорость вычислений. Другая важная особенность - появление мощных средств, обеспечивающих работу компьютерных сетей. Это позволило впоследствии создавать и развивать на их основе глобальные, всемирные компьютерные сети. Появились суперкомпьютеры (космические аппараты), персональные компьютеры. Появились пользователи-непрофессионалы. Оперативная память до нескольких Гб. Многопроцессорные системы, компьютерные сети, мультимедиа (графика, анимация, звук).

В компьютерах ПЯТОГО ПОКОЛЕНИЯ произойдет качественный переход от обработки данных к обработке знаний. Архитектура компьютеров будущего поколения будет содержать два основных блока. Один из них – это традиционный компьютер. Но теперь он лишен связи с пользователем. Эту связь осуществляет блок, называемый термином «интеллектуальный интерфейс». Его задача – понять текст, написанный на естественном языке и содержащий условие задачи, и перевести его в работающую программу для компьютера.

Электронно-вычислительную технику принято делить на поколения

Смены поколений чаще всего были связаны со сменой элементной базы ЭВМ, с прогрессом электронной техники.

Это всегда приводило к росту вычислительной мощности ЭВМ, то есть быстродействия и объема памяти.

Но это не единственное следствие смены поколений. При таких переходах, происходили существенные изменения в архитектуре ЭВМ, расширялся круг задач, решаемых на ЭВМ, менялся способ взаимодействия между пользователем и компьютером.

3.1 Первое поколение эвм

Первое поколение ЭВМ - ламповые машины 50-х годов. Скорость счета самых быстрых машин первого поколения доходила 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, использовались для инженерных и научных расчетов, не связанных с переработкой больших объемов данных.

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.

В 1949 году в США был создан первый полупроводниковый прибор, заменяющий электронную лампу. Он получил название транзистор. Транзисторы быстро внедрялись в радиотехнику.

3.2 Второе поколение эвм

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

Быстродействие большинства машин достигло 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 связаны с необходимостью длительно хранить на магнитных носителях большие объемы информации.

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.

3.3 Третье поколение эвм

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 см, достаточно сложные электронные схемы.

Их назвали интегральными схемами (ИС)

Когда степень 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 были машины на ИС.

Немного позднее стали выпускаться машины серии IBM-370, построенные на БИС.

В Советском Союзе в 70-х годах начался выпуск машин серии ЕС ЭВМ (Единая Система ЭВМ) по образцу IBM-360/370.

Переход к третьему поколению связан с существенными изменениями архитектуры ЭВМ.

Появилась возможность выполнять одновременно 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 можно хранить неограниченное количество информации.

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).

Второе поколение ЭВМ

Второе поколение ЭВМ создавалось в период с 1955 по 1964 года. На самом деле, четко ограничивать рамки поколений сложно, так как в одно и то же время выпускались ЭВМ, относящиеся к разным поколениям, да и сам переход от поколения к поколению был не резким, а постепенным. Вначале заменялись одни элементы ЭВМ, затем – другие, и так, постепенно, за несколько лет, осуществлялся переход.

Переход на новую элементную базу оказался неизбежным, так как рост производительности и надежность ЭВМ первого поколения достигли своего максимума. Основные причины, приведшие к необходимости замены электронных ламп, были следующими:

1. Нить накаливания в электронных лампах со временем теряет свои эмиссионные свойства и перегорает. В среднем, срок службы лампы не превышал 10 000 часов. Таким образом, в ЭВМ, состоящей из 104 электронных ламп, в среднем, каждый час, выходила из строя одна электронная лампа. Столь низкие показатели надежности были головной болью разработчиков, заставляли применять сложные и дорогостоящие способы повышения надежности, и сильно сдерживали рост производительности ЭВМ. Для сравнения, транзисторы в то время имели срок службы, превосходящий срок службы электронных ламп в тысячи раз.

2. ЭВМ на электронных лампах требуют мощных источников питания, при этом почти 75% энергии растрачивается на тепловых потерях. Это, в свою очередь, приводит к необходимости организации дорогостоящих и сложных систем охлаждения. Транзисторы потребляют на порядок меньше энергии и слабее греются.

3. Большие габариты электронных ламп. Самые миниатюрные радиолампы не позволяли в одном кубическом дециметре разместить более 1000 элементов, в то же время использование транзисторов позволяло на порядок увеличить плотность монтажа.

4. Радиолампы – это хрупкий элемент. Его установка требует осторожности и аккуратности, и с большим трудом поддается автоматизации. В то же время транзисторы - гораздо более надежны и прочны, что позволяет легко автоматизировать процесс их производства и монтажа, а это приводит к снижению себестоимости транзисторов и ЭВМ в целом.

Таким образом, основой ЭВМ второго поколения стало использование новой элементной базы - полупроводниковых транзисторов (триодов), составляющих основную часть конструкции ЭВМ.

История создания транзисторов началась еще 22 октября 1925 года, когда Юлием Эдгаром Лилиенфельдом был зарегистрирован патент на принцип работы полевого транзистора. Теория работы полевых транзисторов - проще биполярных, поэтому обоснована и запатентована она была значительно раньше биполярных транзисторов. В общем случае принцип действия полевого транзистора аналогичен работе электронных ламп. Исток в полевом транзисторе подобен катоду вакуумного триода, затвор - сетке, сток - аноду. Однако, трудности в практической реализации полевых транзисторов позволили создать действующую модель лишь в 1960 году, значительно позже создания биполярного транзистора, и только в девяностых годах технология полевых транзисторов стала доминировать над биполярными.

Первый действующий транзистор был биполярным, и создали его в 1947 году ведущие специалисты Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн из фирмы «Bell Labs». Официальная демонстрация устройства состоялась 23 декабря 1947 года, и именно эта дата считается официальным днем изобретения транзистора.

Первый биполярный транзистор представлял собой прибор, в котором два металлических контакта соединялись с бруском из поликристаллического германия. Его копия изображена на фотографии справа.

Таким образом, основой ЭВМ второго поколения стали биполярные транзисторы, представляющие собой три последовательно расположенные слоя полупроводников: эмиттера, базы и коллектора.

Полупроводники - это вещества, удельное сопротивление которых изменяется в зависимости от температуры, наличия примесей или изменением освещенности. При построении транзисторов использовали полупроводники с различными примесными проводимостями.

Примеси бывают двух типов – донорной и акцепторной. При добавлении донорной примеси в полупроводнике образуются «лишние» электроны. Такие полупроводники называются полупроводниками n-типа. Например, для кремния с валентностью n = 4 донорной примесью является мышьяк с валентностью n=5. Каждый атом примеси мышьяка приведет к образованию одного электрона проводимости.

При добавлении акцепторной примеси в полупроводнике образуются «лишние» частицы с положительным зарядом, численно равным заряду электрона. Такие частиц называются дырками, а полупроводники с лишними дырками называются полупроводниками p-тип. Например, для кремния акцепторной примесью является индий с валентностью n = 3. Каждый атом индия приведет к образованию лишней «дырки».

При контакте двух полупроводников различного типа, электроны из полупроводника n-типа начинают переходить в полупроводник p-типа, а дырки из полупроводника p-типа - в полупроводник n-типа. Однако, как только пограничный слой полупроводника n-типа «насытится» дырками, а пограничный слоя полупроводника р-типа насытится электронами, процесс диффузии дырок и электронов прекратится из-за образования, так называемого, запирающего слоя.

Но стоит подать на полупроводник n-типа отрицательное напряжение, а на полупроводник р-типа - положительное, как запирающий слой разрушится, и диффузия дырок и электронов возобновится. Если же на полупроводник n-типа подать положительное напряжение, а на p-типа – отрицательное, то запирающий слой увеличится. То есть, при подаче на коллектор логической единицы (например, напряжение -5 вольт), на эмиттере можем получить либо логический ноль (напряжение меньше 1 вольта), либо логическую единицу (напряжение 5 вольт). Логическую единицу получаем, если на базу подаем положительное напряжение (например, 5 вольт), иначе на эмиттере имеем логический ноль. На основе этих элементов и строились ЭВМ второго поколения.

Как видите, принцип работы полупроводниковых транзисторов не сильно отличается от принципа работы электронных ламп. Однако, их использование позволило значительно усовершенствовать ЭВМ без существенных изменений в структурной схеме. Так производительность ЭВМ выросла примерно на два порядка, а габариты уменьшились на порядок. Значительно (на несколько порядков) повысилась надежность. При этом стоимость ЭВМ снизилась!

Эту ситуацию хорошо иллюстрирует переход от ламповых ЭВМ на полупроводниковые ЭВМ, выполненный фирмой IBM в линейке моделей 709 и 7090. IBM 709 – это ламповая ЭВМ, созданная в августе 1958 года. IBM 7090 – это полупроводниковая ЭВМ, созданная в июне 1960 года, схожая по структуре с IBM 7090. При этом полупроводниковая ЭВМ была более, чем в 6 раз, быстрее своего лампового собрата.

Для сравнения, в таблице слева приведены усредненные данные по производительности и габаритам для ЭВМ первого и второго поколения. Данные взяты из книги «Развитие вычислительных машин», авторы Апокин И.А., Мейстров Л.Е.

Стоит отметить, что замена электронных ламп на новые элементы шла не только в одном направлении (использование транзисторов). Были предприняты и другие способы усовершенствования ЭВМ. Так в Японии в 1958 году серийно выпускались ЭВМ на параметронах.

Параметрон – это электронный элемент, принцип действия которого основан на особенностях параметрического возбуждения и усиления электрических колебаний. Как описано в большой советской энциклопедии, простейший параметрон представляет собой колебательный контур, настроенный на частоту f0. При периодическом изменении под воздействием сигнала накачки с частотой fn, равной примерно 2*f0, одного из энергоёмких параметров контура, в нём возникает колебание с частотой fm = fn/2, когерентное по отношению к возбуждающему колебанию. При этом фаза возбуждённых в параметроне колебаний может принимать одно из двух отличающихся на 180° значений, условно обозначаемых (0, p), и сколь угодно долго находиться в этом состоянии. Именно эта способность параметрона и позволяет использовать его в качестве основы для построения ЭВМ.

Также были выпущены ЭВМ (в СССР – Сетунь, а во Франции - КАБ-500), использующие вместо электронных ламп магнитные элементы (ферритовые сердечники) в качестве логических элементов и запоминающих устройств.

Однако, эти направления развития ЭВМ не выдержали конкуренции с транзисторами, так как транзисторы были более технологическими, легче подвергались миниатюризации и позволяли использовать технологии интегральных схем.

Существенный рост производительности и повышение надежности, снижение массы, габаритов и потребляемой мощности значительно повысили спрос на ЭВМ и расширили область их применения. Появились предпосылки для использования ЭВМ в авиации, космонавтике, машиностроении и других быстро развивающихся областях науки и техники.

Наметились явные тенденции к значительному росту парка ЭВМ и их мощностей. На графике справа приведены тенденции развития парка ЭВМ для США по данным, приведенным в книге «Развитие вычислительных машин», авторы Апокин И.А., Мейстров Л.Е.

При этом основные тенденции развития ЭВМ были связаны с совершенствованием элементной базы, поэтому структурная схема ЭВМ, изображенная на рисунке ниже, не претерпела кардинальных изменений, по сравнению со структурной схемой ЭВМ первого поколения. Однако, наметились тенденции к распараллеливанию вычислительных ресурсов ЭВМ и многопрограммному принципу работы.

ЭВМ, зачастую, содержали несколько параллельно работающих устройств управления, несколько оперативных запоминающих устройств и даже несколько арифметико-логических блоков. Причем часто устройства, выполняющие одну и ту же функцию, могли быть, как однотипные, так и специализированные. Например, могло быть одно центральное арифметико-логическое устройство и несколько вспомогательных устройств, оптимизированных для решения специфических задач.

Так в ЭВМ «Ханиуэлл-800», разработанной в США в 1960 году, использовалось несколько параллельно работающих оперативных запоминающих устройств, подчиняющихся одному устройству управления. Это позволяло значительно компенсировать медленную работу схем памяти на магнитных сердечниках и более эффективно использовать потенциал логических схем. А в ЭВМ «Гамма-60», созданной во Франции в 1960 году, было несколько устройств управления, работающих с одним блоком оперативной памяти. Подобная структурная схема выгодна при сложной и длительной обработке данных, сравнительно небольших объемов. ЭВМ RW-400, разработанная в США в 1960 году фирмой «Рамо Вулдридж», была снабжена несколькими независимыми блоками оперативной памяти и несколькими устройствами управления. Такая структурная схема в наибольшей степени соответствовала принципам параллельной работы и позволяла значительно повысить производительность ЭВМ.

Структурная схема ЭВМ второго поколения, отражающая тенденции развития вычислительной техники, изображена на рисунке снизу.

На схеме:

УВв – устройство ввода;
УВыв – устройство вывода;
ОЗУ – одно или несколько оперативных запоминающих устройств;
АЛУ - одно или несколько арифметико-логических устройств;
УУ - одно или несколько устройств управления;
ВЗУ – внешнее запоминающее устройство.

Изменение структуры ЭВМ в сторону использования различных принципов параллелизма привело к созданию ряда требований, предъявляемых к многопрограммным ЭВМ, верно сформулированных Б.Л. Райли в книге «Communs ACM»:

1. Программы, вводимые в ЭВМ или сохраненные в ПЗУ, должны быть независимы от абсолютных машинных адресов.

2. Должна иметься система приоритетов программ, с помощью которой можно с минимальной задержкой выбирать соответствующую программу, когда появляется возможность выбора между несколькими программами.

3. Должна быть предусмотрена система, которая сохраняла бы текущее состояние каждой исполняемой программы.

4. Любой регистр или любой другой элемент системы, не используемый в данный момент времени, должен быть доступен для любой другой параллельно выполняемой программы.

5. Должна быть обеспечена система прерываний выполняемой программы методом опроса (устройство управления переключается в соответствии с состоянием опрашиваемых устройств) или методом приостановки (сигналы из других устройств поступают в устройство управления и вызывают соответствующую передачу управления другой программе).

6. Должны существовать прямые связи между двумя любыми устройствами системы, которые могут обмениваться информацией. Не следует использовать некое третье устройство в качестве промежуточного элемента при обмене.

7. Система должна быть организована таким образом, чтобы осуществление наблюдения и управления, необходимых для выполнения нескольких программ, не требовало бы совсем или требовало бы минимум дополнительного времени.

8. Объем преобразования и пересылок данных внутри системы должен быть сведен к минимуму.

Усложнение структуры ЭВМ второго поколения, возможность распараллеливания задач, идеи мультипрограммирования, расширение области применения сделали процесс программирования сложной, трудоемкой и востребованной работой. Требовались инструменты для облегчения этой задачи и уменьшения времени разработки программ. Поэтому стали бурно развиваться алгоритмические языки программирования. К концу шестидесятых годов их насчитывалось уже более 1000. Среди них наиболее известными были:

Алгол , разработанный в 1957 году и ориентированный на научно-технические расчеты;

Фортран , разработанный специалистами фирмы IBM 1957 году для задач численного анализа. Этот язык программирования широко используется и по сей день;

Кобол , разработанный в США в 1958 году, ориентированный на решение экономических задач;

Лисп , разработанный в 1958 году в США и ориентированный на символьную обработку данных, и процессы принятия решений. На данный момент широко используется;

ИПЛ , разработанный в США в Массачусетском Технологическом Институте в 1960 году. Позволял манипулировать словами и выражениями на естественном языке. В этом языке впервые появилось понятие списка;

ПЛ-1 , разработанный фирмой IBM в 1960 году. Универсальный язык программирования.

Широкое развитие языков программирования еще больше способствовало популярности ЭВМ и их внедрению во все новые и новые области применения. Перечислим наиболее значимые разработки в области вычислительной техники, относящиеся ко второму поколению ЭВМ:

ТХ-0 - первый экспериментальный компьютер на транзисторах, разработанный в 1953 году в Массачусетском Технологическом Институте (в 1955 году был введен в эксплуатацию).

TRADIC – одна из первых транзисторных ЭВМ, созданная в США в 1955 году. В ее состав входило 800 транзисторов и 11 000 германиевых диодов.

Stretch (IBM-7030) , разработанная в 1960 годах в США фирмой IBM, оказала сильнейшее влияние на развитие вычислительной техники. В этой ЭВМ были собраны практически все известные на 1960 год достижения в области вычислительной техники. Широкое использование принципов параллельной работы, большой набор команд (свыше 600), огромное количество высококачественных элементов (169000 транзисторов) позволили достичь небывалой производительности. Так операция сложения 64-разрядных чисел с плавающей запятой выполнялась за 1,5 мкс, а операция умножения – за 2,7 мкс. Всего было выпущено 5 экземпляров этой машины.

FX1 , рразработана Линкольновской лабораторией технологического института в апреле 1961 года. Основной целью разработки было достижение максимальных вычислительных возможностей, для чего использовались самые передовые достижения в технологии. Например, впервые, в качестве основного запоминающего устройства была использована память на магнитных пленках.

CDC 6600 – ЭВМ, разработанная фирмой Control Data в 1960 году по заказу комиссии по атомной энергетике США. В этой ЭВМ широко использовались принципы параллельной обработки данных, для которой предназначался центральный процессор с запоминающим устройством на 131 тысячу слов и десять периферийных вычислителей, каждый из которых был снабжен своей памятью на 4096 слов. До выпуска первых ЭВМ на интегральных схемах (1065 год) CCD-6600 оставалась самой быстродействующей ЭВМ в мире. Ее производительность превышала три миллиона операций в секунду.

Раздан 2 , созданная в СССР в 1961 году. ЭВМ предназначалась для научно-технических и инженерных расчетов. Производительность этой ЭВМ составляла примерно 5000 операций в секунду. Оперативное запоминающее устройство было выполнено на ферритовых сердечниках, внешнее запоминающее устройство – накопитель на магнитной ленте.

Минск-2 – ЭВМ, разработанная Минским заводом вычислительной техники им. Серго Орджоникидзе в 1963 году. Она предназначалась для решения научно-технических и планово-экономических задач.

МИР - малая электронная цифровая вычислительная машина, разработанная в Институте Кибернетики АН УССР под руководством В. М. Глушкова в 1965 году.

БЭСМ-6 – ЭВМ, созданная в 1966 году в СССР на элементной базе второго поколения. В ее состав входило 60 000 транзисторов и 200 000 полупроводниковых диодов, а производительность достигала 1 миллиона операций в секунду.

Список можно продолжать еще очень долго, и все это говорит о том, что ЭВМ второго поколения показали, что будущее человечества тесно связано с развитием и использованием вычислительной техники. С этого момента ЭВМ стали неотъемлемой частью жизни человечества.

Список используемой литературы

1. История развития вычислительной техники. Ланина Э.П. ИрГТУ, Иркутск – 2001 г.

2. Развитие вычислительной техники. Апокин И.А. М., "Наука", 1974 г.

3. Химия 8-9 класс. Жуков С.Т.

4. Большпя советская энциклопедия. Изд. «Советская энциклопедия», 1978 г.

5. Музей электронных раритетов.

6. Википедия (русскоязычная).