Введение
1. Поколения ЭВМ
1.1 Механические и электромеханические
ЭВМ
Первым механическим
счетным устройством, которое существовало не на бумаге, а
работало, была счетная машина, построенная
в 1642 году выдающимся французским ученым
Блезом Паскалем. Механический «компьютер»
Паскаля мог складывать и вычитать. «Паскалина»
– так называли машину – состояла из набора
вертикально установленных колес с нанесенными
на них цифрами от 0 до 9. При полном обороте
колеса оно сцеплялось с соседним колесом
и поворачивало его на одно деление. Число
колес определяло число разрядов – так,
два колеса позволяли считать до 99, три
– уже до 999, а пять колес делали машину
«знающей» даже такие большие числа как
99999. Считать на «Паскалине» было очень
просто.
В 1673 году немецкий математик и философ
Готфрид Вильгельм Лейбниц создал механическое
счетное устройство, которое не только
складывало и вычитало, но и умножало и
делило. Машина Лейбница была сложнее
«Паскалины». Числовые колеса, теперь
уже зубчатые, имели зубцы девяти различных
длин, и вычисления производились за счет
сцепления колес. Именно несколько видоизмененные
колеса Лейбница стали основой массовых
счетных приборов – арифмометров, которыми
широко пользовались не только в ХIХ веке,
но и сравнительно недавно наши дедушки
и бабушки.
Арифмометры получили очень широкое
применение. На них выполняли даже
очень сложные расчеты, например,
расчеты баллистических таблиц для
артиллерийских стрельб. Существовала
и специальная профессия — счетчик —
человек, работающий с арифмометром, быстро
и точно соблюдающий определенную последовательность
инструкций (такую последовательность
инструкций впоследствии стали называть
программой). Но многие расчеты производились
очень медленно — даже десятки счетчиков
должны были работать по несколько недель
и месяцев. Причина проста — при таких
расчетах выбор выполняемых действий
и запись результатов производились человеком,
а скорость его работы весьма ограничена.
Первая счетная машина, использующая
электрическое реле, была сконструирована
в 1888 г. американцем немецкого происхождения
Германом Холлеритом и уже в 1890 г. применялась
при переписи населения. В качестве носителя
информации применялись перфокарты. Они
были настолько удачными, что без изменений
просуществовала до наших дней.
А первой электронной вычислительной
машиной принято считать машину ENIAC (Electronic
Numerical Integrator and Computer - электронный числовой
интегратор и вычислитель), разработанную
под руководством Джона Моучли и Джона
Экера в Пенсильванском университете
в США. ENIAC содержал 17000 электронных ламп,
7200 кристаллических диодов, 4100 магнитных
элементов и занимал площадь в 300 кв. метром.
Он в 1000 раз превосходил по быстродействию
релейные вычислительные машины и был
построен в 1945 г.Компьютеры 40-х и 50-х годов
были доступны только крупным компаниям
и учреждениям, так как они стоили очень
дорого и занимали несколько больших залов.
1.2 ЭВМ на электронных лампах (1948-1958)
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”, M-20, "Сетунь",
БЭСМ-2, "Раздан". Они были значительных
размеров, потребляли большую мощность,
имели невысокую надежность работы и слабое
программное обеспечение. Быстродействие
их не превышало 2—3 тысяч операций в секунду,
емкость оперативной памяти—2К или 2048
машинных слов (1K=1024) длиной 48 двоичных
знаков. В 1958 г. появилась машина M-20 с памятью
4К и быстродействием около 20 тысяч операций
в секунду. В машинах первого поколения
были реализованы основные логические
принципы построения электронно-вычислительных
машин и концепции Джона фон Неймана, касающиеся
работы ЭВМ по вводимой в память программе
и исходным данным (числам). Этот период
явился началом коммерческого применения
электронных вычислительных машин для
обработки данных. В вычислительных машинах
этого времени использовались электровакуумные
лампы и внешняя память на магнитном барабане.
Они были опутаны проводами и имели время
доступа 1х10-3 с. Производственные системы
и компиляторы пока не появились. В конце
этого периода стали выпускаться устройства
памяти на магнитных сердечниках. Надежность
ЭВМ этого поколения была крайне низкой.
1.3 ЭВМ на транзисторах (1959 — 1967 гг.)
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 увеличело 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
программного обеспечения. Появились
также специализированные машины, например
ЭВМ для решения экономических задач,
для управления производственными процессами,
системами передачи информации и т.д.
ЭВМ БЭСМ-4, М-220,
М-222 имели быстродействие порядка 20—30
тысяч операций в секунду и
оперативную память—соответственно
8К, 16К и 32К. Среди машин второго
поколения особо выделяется БЭСМ-6, обладающая быстродействием
около миллиона операций в секунду и оперативной
памятью от 32К до 128К (в большинстве машин
используется два сегмента памяти по 32К
каждый). Данный период характеризуется
широким применением транзисторов и усовершенствованных
схем памяти на сердечниках. Большое внимание
начали уделять созданию системного программного
обеспечения, компиляторов и средств ввода-вывода.
В конце указанного периода появились
универсальные и достаточно эффективные
компиляторы для Кобола, Фортрана и других
языков. Была достигнута уже величина
времени доступа 1х10-6 с, хотя большая часть
элементов вычислительной машины еще
была связана проводами. Вычислительные
машины этого периода успешно применялись
в областях, связанных с обработкой множеств
данных и решением задач, обычно требующих
выполнения рутинных операций на заводах,
в учреждениях и банках. Эти вычислительные
машины работали по принципу пакетной
обработки данных. По существу, при этом
копировались ручные методы обработки
данных. Новые возможности, предоставляемые
вычислительными машинами, практически
не использовались. Именно в этот период
возникла профессия специалиста по информатике,
и многие университеты стали предоставлять
возможность получения образования в
этой области.
1.4 ЭВМ на интегральных схемах (1968-1973)
Элементная
база ЭВМ - малые интегральные схемы
(МИС). 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. Например, машины третьего поколения
по сравнению с машинами второго поколения
имеют больший объем оперативной памяти,
увеличилось быстродействие, повысилась
надежность, а потребляемая мощность,
занимаемая площадь и масса уменьшились.
В СССР в 70-е годы получают дальнейшее
развитие АСУ. Закладываются основы государственной
и межгосударственной, охватывающей страны
- члены СЭВ (Совет Экономической Взаимопомощи)
системы обработки данных. Разрабатываются
универсальные ЭВМ третьего поколения
ЕС, совместимые как между собой (машины
средней и высокой производительности
ЕС ЭВМ), так и с зарубежными ЭВМ третьего
поколения (IBM-360 и др. - США). В разработке
машин ЕС ЭВМ принимают участие специалисты
СССР, Народной Республики Болгария (НРБ),
Венгерской Народной Республики (ВНР),
Польской Народной Республики (ПНР), Чехословацкой
Советской Социалистической Республики
(ЧССР) и Германской Демократической Республики
(ГДР). В то же время в СССР создаются многопроцессорные
и квазианалоговые ЭВМ, выпускаются мини-ЭВМ
"Мир-31", "Мир-32", "Наири-34".
Для управления технологическими процессами
создаются ЭВМ сериии АСВТ М-6000 и М-7000 (разработчики
В.П.Рязанов и др.). Разрабатываются и выпускаются
настольные мини-ЭВМ на интегральных микросхемах
М-180, "Электроника -79, -100, -125, -200", "Электроника
ДЗ-28", "Электроника НЦ-60" и др.
Характерной чертой данного периода явилось
резкое снижение цен на аппаратное обеспечение.
Этого удалось добиться главным образом
за счет использования интегральных схем.
Обычные электрические соединения с помощью
проводов при этом встраивались в микросхему.
Это позволило получить значение времени
доступа до 2х10 -9 с. В этот период на рынке
появились удобные для пользователя рабочие
станции, которые за счет объединения
в сеть значительно упростили возможность
получения малого времени доступа, обычно
присущего большим машинам. Дальнейший
прогресс в развитии вычислительной техники
был связан с разработкой полупроводниковой
памяти, жидкокристаллических экранов
и электронной памяти. В конце этого периода
произошел коммерческий прорыв в области
микроэлектронной технологии. Возросшая
производительность вычислительных машин
и только появившиеся многомашинные системы
дали принципиальную возможность реализации
таких новых задач, которые были достаточно
сложны и часто приводили к неразрешимым
проблемам при их программной реализации.
Начали говорить о "кризисе программного
обеспечения". Тогда появились эффективные
методы разработки программного обеспечения.
Создание новых программных продуктов
теперь все чаще основывалось на методах
планирования и специальных методах программирования.
Этот период связан с
бурным развитием вычислительных машин
реального времени. Появилась тенденция,
в соответствии с которой в задачах управления
наряду с большими вычислительными машинами
находится место и для использования малых
машин. Так, оказалось, что миниЭВМ исключительно
хорошо справляется с функциями управления
сложными промышленными установками,
где большая вычислительная машина часто
отказывает. Сложные системы управления
разбиваются при этом на подсистемы, в
каждой из которых используется своя миниЭВМ.
На большую вычислительную машину реального
времени возлагаются задачи планирования
(наблюдения) в иерархической системе
с целью координации управления подсистемами
и обработки центральных данных об объекте.
Программное обеспечение для малых вычислительных
машин вначале было совсем элементарным,
однако уже к 1968 г. появились первые коммерческие
операционные системы реального времени,
специально разработанные для них языки
программирования высокого уровня и кросс-системы.
Все это обеспечило доступность малых
машин для широкого круга приложений.
Сегодня едва ли можно найти такую отрасль
промышленности, в которой бы эти машины
в той или иной форме успешно не применялись.
Их функции на производстве очень многообразны;
так, можно указать простые системы сбора
данных, автоматизированные испытательные
стенды, системы управления процессами.
Следует подчеркнуть, что управляющая
вычислительная машина теперь все чаще
вторгается в область коммерческой обработки
данных, где применяется для решения коммерческих
задач. МиниЭВМ начали применяться
и для решения инженерных задач, связанных
с проектированием. Проведены первые эксперименты,
показавшие эффективность использования
вычислительных машин в качестве средств
проектирования. Применение распределенных
вычислительных систем явилось базой
для децентрализации решения задач, связанных
с обработкой данных на заводах, в банках
и других учреждениях. Вместе с тем для
данного периода характерным является
хронический дефицит кадров, подготовленных
в области электронных вычислительных
машин. Это особенно касается задач, связанных
с проектированием распределенных вычислительных
систем и систем реального времени.
1.5 ЭВМ на больших и сверхбольших ИС (1974-1982)
Элементная база ЭВМ - большие интегральные
схемы (БИС). Машины предназначались
для резкого повышения производительности
труда в науке, производстве, управлении,
здравоохранении, обслуживании и быту.
Высокая степень интеграции способствует
увеличению плотности компоновки электронной
аппаратуры, повышению ее надежности,
что ведет к увеличению быстродействия
ЭВМ и снижению ее стоимости. Все это оказывает
существенное воздействие на логическую
структуру (архитектуру) ЭВМ и на ее программное
обеспечение. Более тесной становится
связь структуры машины и ее программного
обеспечения, особенно операционной системы
(или монитора)—набора программ, которые
организуют непрерывную работу машины
без вмешательства человека. К этому поколению
можно отнести ЭВМ ЕС: ЕС-1015, -1025, -1035, -1045,
-1055, -1065 (“Ряд 2”), -1036, -1046, -1066, СМ-1420, -1600,
-1700, все персональные ЭВМ (“Электроника
МС 0501”, “Электроника-85”, “Искра-226”,
ЕС-1840, -1841, -1842 и др.), а также другие типы
и модификации. К ЭВМ четвертого поколения
относится также многопроцессорный вычислительный
комплекс "Эльбрус". "Эльбрус-1КБ"
имел быстродействие до 5,5 млн. операций
с плавающей точкой в секунду, а объем
оперативной памяти до 64 Мб. У "Эльбрус-2"
производительность до 120 млн. операций
в секунду, емкость оперативной памяти
до 144 Мб или 16 Мслов ( слово 72 разряда),
максимальная пропускная способность
каналов ввода-вывода - 120 Мб/с.