Поколение ЭВМ

Введение

 

      Слово  «компьютер»  означает  «вычислитель»,   т.е.   устройство   для

 

вычислений. Потребность  в  автоматизации  обработки  данных,  в  том  числе  вычислений, возникла очень давно.  Более  1500  лет  тому  назад  для  счета использовались счетные палочки, камешки и т.д.

 

      В наше время  трудно  представить   себе,  что  без  компьютеров   можно

 

обойтись. А ведь не так давно, до начала 70-х  годов  вычислительные  машины были доступны весьма ограниченному кругу  специалистов, а их применение,  как правило, оставалось окутанным завесой секретности и мало  известным  широкой публике. Однако в 1971 году произошло  событие,  которое  в  корне  изменило ситуацию и с фантастической скоростью превратило  компьютер  в  повседневный рабочий инструмент десятков миллионов людей. В  том,  вне  всякого  сомнения знаменательном году еще почти никому не известная фирма Intel из  небольшого американского городка с красивым  названием  Санта-Клара  (шт.  Калифорния), выпустила первый микропроцессор. Именно ему  мы  обязаны  появлением  нового класса вычислительных систем –  персональных  компьютеров,  которыми  теперь пользуются, по существу, все, от учащихся начальных  классов  и  бухгалтеров до ученых и инженеров.

 

      В конце XX века  невозможно представить себе  жизнь  без  персонального компьютера. Компьютер прочно вошел в нашу  жизнь,  став  главным  помощником человека. На  сегодняшний  день  в  мире  существует  множество  компьютеров различных фирм, различных групп сложности, назначения и поколений.

 

      В  данном  реферате  мы  рассмотрим  историю  развития  вычислительной техники,  а   также  краткий  обзор   о  возможностях  применения  современных вычислительных  систем  и   дальнейшие   тенденции   развития   персональных компьютеров.

Начальный этап развития вычислительной техники.

 

Все началось с идеи научить машину считать или хотя бы складывать многоразрядные целые числа. Еще около 1500 г. великий  деятель эпохи Просвещения Леонардо да Винчи разработал эскиз 13-разрядного суммирующего устройства, что явилось первой дошедшей до нас попыткой решить указанную задачу. Первую же действующую суммирующую машину построил в 1642 г. Блез Паскаль – знаменитый французский физик, математик, инженер. Его 8-разрядная машина сохранилась до наших дней.

 

 

 

Рис.1. Блез Паскаль (1623 – 1662) и его счетная машина

 

От замечательного курьеза, каким  восприняли современники машину Паскаля, до создания практически полезного  и широко используемого агрегата – арифмометра (механического вычислительного  устройства, способного выполнять 4 арифметических действия) – прошло почти 250 лет. Уже в начале XIX века уровень развития ряда наук и областей практической деятельности (математики, механики, астрономии, инженерных наук, навигации и др.) был столь высок, что они настоятельнейшим образом требовали выполнения огромного объема вычислений, выходящих за пределы возможностей человека, не вооруженного соответствующей техникой. Над ее созданием и совершенствованием работали как выдающиеся ученые с мировой известностью, так и сотни людей, имена многих из которых до нас не дошли, посвятивших свою жизнь конструированию механических вычислительных устройств.

 

Еще в 70-х годах нашего века на полках магазинов стояли механические арифмометры  и их “ближайшие родственники”, снабженные электрическим приводом – электромеханические клавишные вычислительные машины. Как это часто бывает, они довольно долго удивительным образом соседствовали с техникой совершенно иного уровня – автоматическими цифровыми вычислительными машинами (АЦВМ), которые в просторечии чаще называют ЭВМ (хотя, строго говоря, эти понятия не совсем совпадают). История АЦВМ восходит еще к первой половине прошлого века и связана с именем замечательного английского математика и инженера Чарльза Бэббиджа. Им в 1822 г. была спроектирована и почти 30 лет строилась и совершенствовалась машина, названная вначале “разностной”, а затем, после многочисленных усовершенствований проекта, “аналитической”. В “аналитическую” машину были заложены принципы, ставшие фундаментальными для вычислительной техники.

 

1. Автоматическое выполнение операций.

 

Для выполнения расчетов большого объема существенно не только то, как-быстро выполняется отдельная арифметическая операция, но и то, чтобы между  операциями не было “зазоров”, требующих  непосредственного человеческого вмешательства. Например, большинство современных калькуляторов не удовлетворяют этому требованию, хотя каждое доступное им действие выполняют очень быстро. Необходимо, чтобы операции следовали одна за другой безостановочно.

 

2. Работа по вводимой “на ходу” программе.

 

Для автоматического выполнения операций программа должна вводиться в  исполнительное устройство со скоростью, соизмеримой со скоростью выполнения операций. Бэббидж предложил использовать для предварительной записи программ и ввода их в машину перфокарты, которые к тому времени применялись для управления ткацкими станками.

 

3. Необходимость специального устройства  – памяти – для хранения  данных (Бэббидж назвал его “складом”).

 

 

 

Рис. 2. Чарльз Бэббидж (1792 – 1871) и его  “аналитическая машина”

 

Эти революционные идеи натолкнулись на невозможность их реализации на основе механической техники, ведь до появления первого электромотора  оставалось почти полвека, а первой электронной радиолампы – почти  век! Они настолько опередили  свое время, что были в значительной мере забыты и переоткрыты в следующем столетии.

 

Впервые автоматически действующие  вычислительные устройства появились  в середине XX века. Это стало возможным  благодаря использованию наряду с механическими конструкциями  электромеханических реле. Работы над релейными машинами начались в 30-е годы и продолжались с переменным успехом до тех пор, пока в 1944 г. под руководством Говарда Айкена – американского математика и физика – на фирме IBM (International Business Machines) не была запущена машина “Марк-1”, впервые реализовавшая идеи Бэббиджа (хотя разработчики, по-видимому, не были с ними знакомы). Для представления чисел в ней были использованы механические элементы (счетные колеса), для управления – электромеханические. Одна из самых мощных релейных машин РВМ-1 была в начале 50-х годов построена в СССР под руководством Н.И.Бессонова; она выполняла до 20 умножений в секунду с достаточно длинными двоичными числами.

 

Однако, появление релейных машин  безнадежно запоздало и они были очень быстро вытеснены электронными, гораздо более производительными и надежными.

 

Начало современной истории  электронной вычислительной техники

 

Подлинная революция в вычислительной технике произошла в связи  с применением электронных устройств. Работа над ними началась в конце 30-х годов одновременно в США, Германии, Великобритании и СССР. К этому времени электронные лампы, ставшие технической основой устройств обработки и хранения цифровой информации, уже широчайшим образом применялись в радиотехнических устройствах.

 

Первой действующей ЭВМ стал ENIAC (США, 1945 – 1946 гг.). Его название по первым буквам соответствующих английских слов означает “электронно-числовой интегратор и вычислитель”. Руководили ее созданием  Джон Моучли и Преспер Эккерт, продолжившие начатую в конце 30-х годов работу Джорджа Атанасова. Машина содержала порядка 18 тысяч электронных ламп, множество электромеханических элементов. Ее энергопотребление равнялось 150 кВт, что вполне достаточно для обеспечения небольшого завода.

 

Практически одновременно велись работы над созданием ЭВМ в Великобритании. С ними связано прежде всего имя Аллана Тьюринга – математика, внесшего также большой вклад в теорию алгоритмов и теорию кодирования. В 1944 г. в Великобритании была запущена машина “Колосс”.

 

Эти и ряд других первых ЭВМ не имели важнейшего с точки зрения конструкторов последующих компьютеров качества – программа не хранилась в памяти машины, а набиралась достаточно сложным образом с помощью внешних коммутирующих устройств.

 

Огромный вклад в теорию и  практику создания электронной вычислительной техники на начальном этапе ее развития внес один из крупнейших американских математиков Джон фон Нейман. В историю науки навсегда вошли “принципы фон Неймана”. Совокупность этих принципов породила классическую (фон-неймановскую) архитектуру ЭВМ. Один из важнейших принципов – принцип хранимой программы – требует, чтобы программа закладывалась в память машины так же, как в нее закладывается исходная информация. Первая ЭВМ с хранимой программой (EDSAC) была построена в Великобритании в 1949 г.

 

                                             

 

Рис. 3. Джон фон Нейман (1903-1957)            Рис. 4. Сергей Александрович Лебедев (1902-1974)

 

В нашей  стране вплоть до 70-х годов создание ЭВМ велось почти полностью самостоятельно и независимо от внешнего мира (да и сам этот “мир” был почти полностью зависим от США). Дело в том, что электронная вычислительная техника с самого момента своего первоначального создания рассматривалась как сверхсекретный стратегический продукт, и СССР приходилось разрабатывать и производить ее самостоятельно. Постепенно режим секретности смягчался, но и в конце 80-х годов наша страна могла покупать за рубежом лишь устаревшие модели ЭВМ (а самые современные и мощные компьютеры ведущие производители – США и Япония – и сегодня разрабатывают и производят в режиме секретности).

 

Первая  отечественная ЭВМ – МЭСМ (“малая электронно-счетная машина”) -была создана в 1951 г. под руководством Сергея Александровича Лебедева, крупнейшего  советского конструктора вычислительной техники, впоследствии академика, лауреата государственных премий, руководившего созданием многих отечественных ЭВМ. Рекордной среди них и одной из лучших в мире для своею времени была БЭСМ-6 (“большая электронно-счетная машина, 6-я модель”), созданная в середине 60-х годов и долгое время бывшая базовой машиной в обороне, космических исследованиях, научно-технических исследованиях в СССР. Кроме машин серии БЭСМ выпускались и ЭВМ других серий – “Минск”, “Урал”, М-20, “Мир” и другие, созданные под руководством И.С.Брука и М.А.Карцева, Б.И.Рамеева, В.М.Глушкова, Ю.А.Базилевского и других отечественных конструкторов и теоретиков информатики.

 

С началом  серийного выпуска ЭВМ начали условно делить по поколениям; соответствующая  классификация изложена ниже.

 

 

 

Рис. 5. Первая в мире ЭВМ ENIAC

 

Поколения ЭВМ

 

В истории  вычислительной техники существует своеобразная периодизация ЭВМ по поколениям. В ее основу первоначально был  положен физико-технологический  принцип: машину относят к тому или  иному поколению в зависимости от используемых в ней физических элементов или технологии их изготовления. Границы поколений во времени размыты, так как в одно и то же время выпускались машины совершенно разного уровня. Когда приводят даты, относящиеся к поколениям, то скорее всего имеют в виду период промышленного производства; проектирование велось существенно раньше, а встретить в эксплуатации весьма экзотические устройства можно и сегодня.

 

В настоящее  время физико-технологический принцип  не является единственным при определении принадлежности той или иной ЭВМ к поколению. Следует считаться и с уровнем программного обеспечения, с быстродействием, другими факторами, основные из которых сведены в прилагаемую табл. 1.

 

Следует понимать, что разделение ЭВМ по поколениям весьма относительно. Первые ЭВМ, выпускавшиеся до начала 50-х годов, были “штучными” изделиями, на которых отрабатывались основные принципы; нет особых оснований относить их к какому-либо поколению. Нет единодушия и при определении признаков пятого поколения. В середине 80-х годов считалось, что основной признак этого (будущего) поколения – полновесная реализация принципов искусственного интеллекта. Эта задача оказалась значительно сложнее, чем виделось в то время, и ряд специалистов снижают планку требований к этому этапу (и даже утверждают, что он уже состоялся). В истории науки есть аналоги этого явления: так, после успешного запуска первых атомных электростанций в середине 50-х годов ученые объявили, что запуск многократно более мощных, дающих дешевую энергию, экологически безопасных термоядерных станций, вот-вот произойдет; однако, они недооценили гигантские трудности на этом пути, так как термоядерных электростанций нет и по сей день.

 

В то же время  среди машин четвертого поколения  разница чрезвычайно велика, и поэтому в табл. 1 соответствующая колонка разделена на две: А и Б. Указанные в верхней строчке даты соответствуют первым годам выпуска ЭВМ. Здесь ограничимся кратким комментарием.

Таблица 1. Поколения ЭВМ

 

 

 

Чем младше поколение, тем отчетливее классификационные признаки. ЭВМ  первого, второго и третьего поколений  сегодня, в конце 90-х годов –  в лучшем случае музейные экспонаты. Машина первого поколения – десятки  стоек, каждая размером с большой  книжный шкаф, наполненных электронными лампами, лентопротяжными устройствами, громоздкие печатающие агрегаты, и все это на площади сотни квадратных метров, со специальными системами охлаждения, источниками питания, постоянно гудящее и вибрирующее (почти как в цехе машиностроительного завода). Обслуживание – ежечасное. Часто выходящие из строя узлы, перегорающие лампы, и вместе с тем невиданные, волшебные возможности для тех, кто, например, занят математическим моделированием. Быстродействие до 1000 операций/с и память на 1000 чисел делало доступным решение задач, к которым раньше нельзя было и подступиться.

 

Приход полупроводниковой техники (первый транзистор был создан в 1948 г., а первая ЭВМ с их использованием – в 1956 г.) резко изменил вид  машинного зала -более нормальный температурный режим, меньший гул (лишь от внешних устройств) и, самое главное, возросшие возможности для пользователя. Впрочем, непосредственного пользователя к машинам первых трех поколений почти никогда не подпускали – около них колдовали инженеры, системные программисты и операторы, а пользователь чаще всего передавал в узкое окошечко или клал на стеллаж в соседнем помещении рулон перфоленты или колоду перфокарт, на которых была его программа и входные данные задачи. Доминировал для машин первого и второго поколении монопольный режим пользования машиной и/или режим пакетной обработки; в третьем поколении добавился более выгодный экономически и более удобный для пользователей удаленный доступ – работа через выносные терминалы в режиме разделения времени.

 

Уже начиная со второго поколения, машины стали делиться на большие, средние  и малые по признакам размеров, стоимости, вычислительных возможностей. Так, небольшие отечественные машины второго поколения (“Наири”, “Раздан”, “Мир” и др.) с производительностью порядка 104 оп/с были в конце 60-х годов вполне доступны каждому вузу, в то время как упомянутая выше БЭСМ-6 имела профессиональные показатели (и стоимость) на 2 – 3 порядка выше.

 

В начале 70-х годов, с появлением интегральных технологий в электронике, были созданы микроэлектронные устройства, содержащие несколько десятков транзисторов и резисторов на одной небольшой (площадью порядка 1 см2 ) кремниевой подложке. Без пайки и других привычных тогда в радиотехнике действий на них “выращивались” электронные схемы, выполняющие функции основных логических узлов ЭВМ (триггеры, сумматоры, дешифраторы, счетчики и т.д.). Это позволило перейти к третьему поколению ЭВМ. техническая база которого – интегральные схемы.