Поколения ЭВМ

Поколения ЭВМ

Важной вехой в  истории ЭВМ является работа Джона фон Неймана, опубликованная в 1956 году.

Впервые возможность  построения цифровой ВМ была доказана английским математиком Тьюрингом в 1936 году. Он показал, что любой алгоритм реализуется с помощью его дискретного автомата, который был назван машиной Тьюринга. Независимо это же доказал Пост (машина Поста).

Физически первая цифровая ВМ была сконструирована  в 1935 году фирмой Белл (США). Такого же вида машина была сконструирована для  специальных задач под руководством К. Цузе (1941, Германия). Попытку построения универсальной ЭВМ предпринял Эйкен (США). Она получила название "Марк-1". Спроектирована и изготовлена в Гарвардском университете.

Характеристики ВМ (работали с 23 разрядными десятичными цифрами):

1. Программа вводилась покомандно с перфоленты.
2. Сложение 2-х чисел 0.3 секунды.
3. Умножение 2-х чисел 6 секунд.
4. Деление 2-х чисел 11 секунд.

Релейная основа была ненадежна. Для ЭВМ были разработаны  специальные реле, на которых была разработана ВМ "Марк-2".

Реальный  отсчет ВТ ведется с перехода от реле к триггерам. Триггер был изобретен в 1918 году в России Бонч-Бруевичем. Первая ЭВМ, разработанная на электронных компонентах, изготовлена в 1942 году ("Эниак") в Пенсильванском университете под руководством Мокли и Эккерта. В 1943 году под руководством Тьюринга была разработана ЭВМ "Колос". После рассекречивания архивов в 70-х годах оказалось, что первую ЭВМ, которая получила название "ABC", разработал в 1939 году американец болгарского происхождения Атанасофф.

Всего в  развитии ЭВМ можно выделить пять поколений: 

Первое  поколение

Второе  поколение

Третье  поколение

Четвертое поколение

Пятое поколение 
 
 
 
 

Первое  поколение

Первым поколением ЭВМ стали ламповые ЭВМ, промышленный выпуск которых был начат в  начале 50-х годов.

В нашей стране началом выпуска  можно считать начало 50-х годов - появление "МЭСМ". "МЭСМ" была разработана под руководством Лебедева. В 1952-1953 годах на ее основе была разработана "БЭСМ-1" (Большая электронная счетная машина). А на ее основе был произведен серийный выпуск машины "БЭСМ-2".

В это же время в США выпускают  машину "Эдвак". Технические характеристики машины "БЭСМ-2" были гораздо выше. Это было связано с тем, что в "БЭСМ-2", использовались два совершенно новых принципа: конвейеризации и стека. Для "БЭСМ-2" быстродействие АЛУ составляло порядка 10000 операций в секунду. В 1953 году была разработана машина "Стрела" под руководством Базилевского. А также в Московском Энергетическом институте под руководством академика Брука были разработаны ЭВМ получившие название "М".

В Минске был создан завод по производству ЭВМ, где началось серийное производство машин "Минск". В городе Пензе  появился ОКБ (отдел конструкторского бюро) под руководством академика  Рамеева, где разработали и выпускали серийно ЭВМ "Урал".

Структура ЭВМ первого поколения полностью  соответствовала машине фон Неймана. Технические характеристики машин  были значительно ниже характеристик  современных ПК. Программирование велось в машинных кодах. Емкость ОЗУ  составляла 2 тысячи слов, а ввод информации производился с перфоленты и кинопленки.

Ламповые ЭВМ имели большие  габариты и массу, потребляли много  энергии и были очень дорогостоящими, что резко сужало круг пользователей  ЭВМ, а следовательно, объем производства этих машин. Основными их пользователями были ученые, решавшие наиболее актуальные научно-технические задачи, связанные с развитием атомной энергетики, реактивной авиации, ракетостроения и т. п. Увеличению количества решаемых задач препятствовали низкие надежность и производительность ламповых машин, ограниченность их ресурсов и чрезвычайно трудоемкий процесс подготовки, ввода и отладки программ, написанных на языке машинных команд.

Повышение быстродействия ЭВМ шло за счет увеличения ее памяти и улучшения архитектуры: использование двоичных кодов для  представления чисел и команд, а также размещение их в увеличивающейся  памяти ЭВМ упростили структуру  процессора и повысили производительность обработки данных. Для ускорения  процесса подготовки программ стали  создавать первые языки автоматизации  программирования (языки символического кодирования и автокоды). 
 
 

Второе  поколение

В 1948 году физики-теоретики Джон Бардин и Уильям Шокли совместно с ведущим экспериментатором фирмы "Белл телефон лабораториз" Уолтером Браттейном 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.

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").

Появление ЭВМ, построенных на транзисторах, привело  к уменьшению их габаритов, массы, энергозатрат и стоимости, а также к увеличению надежности и производительности. Это сразу расширило круг пользователей и, следовательно, номенклатуру решаемых задач. Стали создавать алгоритмические языки для инженерно-технических (АЛГОЛ, ФОРТРАН) и экономических (КОБОЛ) расчетов.

Но и на этом этапе основной задачей технологии программирования оставалось обеспечение  экономии машинных ресурсов (машинного  времени и памяти). Для ее решения  стали создавать операционные системы (комплексы служебных программ, обеспечивающих лучшее распределение ресурсов ЭВМ  при исполнении пользовательских задач).

Первые операционные системы (ОС) просто автоматизировали работу оператора ЭВМ, связанную  с выполнением задания пользователя: ввод в машину текста программы, вызов  нужного транслятора, вызов потребовавшихся  для программы библиотечных подпрограмм, вызов компоновщика для размещения этих подпрограмм и основной программы  в памяти ЭВМ, ввод исходных данных и т. д. Теперь же вместе с программой и данными в ЭВМ вводилась  еще и инструкция, где перечислялись этапы обработки и приводился ряд сведений о программе и ее авторе. Затем в ЭВМ стали вводить сразу по несколько заданий пользователей (пакет заданий), операционные системы стали распределять ресурсы ЭВМ между этими заданиями — появился мультипрограммный режим обработки данных (например, пока выводятся результаты одной задачи, производятся расчеты для другой и в память вводятся данные для третьей). 
 
 
 
 

Третье  поколение

За счет создания технологии производства интегральных микросхем (ИС) удалось добиться увеличения быстродействия и надежности полупроводниковых  схем, а также уменьшения их габаритов, потребляемой мощности и стоимости. Интегральные микросхемы состоят из десятков электронных элементов, образованных в прямоугольной пластине кремния  с длиной стороны не более 1 см. Такая  пластина (кристалл) размещается в  небольшом пластмассовом корпусе, размеры которого, как правило, определяются только числом “ножек” (выводов от входов и выходов электронной  схемы, созданной на кристалле).

Это позволило  не только повысить производительность и снизить стоимость универсальных  ЭВМ (больших ЭВМ), но и создать  малогабаритные, простые, дешевые и  надежные машины — мини-ЭВМ. Мини-ЭВМ  первоначально предназначались  для замены аппаратно-реализованных  контроллеров (устройств управления) в контуре управления каким-либо объектом, в автоматизированных системах управления технологическими процессами, системах сбора и обработки экспериментальных  данных, различных управляющих комплексах на подвижных объектах и т. д.

Появление мини-ЭВМ позволило сократить  сроки разработки контроллеров. Вместо длительной процедуры разработки и  создания сложной электронной схемы  надо было лишь купить готовый универсальный  “полуфабрикат” контроллера, чтобы  потом запрограммировать его  на выполнение требуемых функций. Правда, такое универсальное устройство, как правило, обладало функциональной избыточностью (для создаваемого контроллера  могли не потребоваться некоторые  команды мини-ЭВМ, часть ее памяти, высокое быстродействие и т. п.). Однако низкая цена серийной мини-ЭВМ, большое  число серийных устройств связи с объектом управления и хорошее программное обеспечение обычно обусловливали экономическую эффективность использования такого программируемого контроллера.

Организации, покупавшие мини-ЭВМ для создания контроллеров, довольно быстро поняли, что на этих машинах можно решать и вычислительные задачи — традиционные задачи больших ЭВМ. Простота обслуживания мини-ЭВМ, их сравнительно низкая стоимость  и малые габариты позволяли снабдить этими машинами небольшие коллективы исследователей, разработчиков, экспериментаторов  и обучающихся, т. е. дать их прямо  в руки пользователей ЭВМ. В начале 70-х годов с термином мини-ЭВМ  связывали уже два существенно различных типа средств вычислительной техники:

• универсальный блок обработки данных и выдачи управляющих сигналов, серийно выпускаемый для применения в различных специализированных системах контроля и управления;
• универсальную ЭВМ небольших габаритов, проблемно-ориентированную пользователем на решение ограниченного круга задач в рамках одной лаборатории, технологического участка, т. е. задач, в решении которых оказывались заинтересованными 10—20 человек, работавших над одной проблемой.

Самое главное в  тот период: унификация ЭВМ по конструктивно - технологическим параметрам. ЭВМ  третьего поколения начинают выпускаться  сериями или семействами, совместимыми моделями. Дальнейшее развитие математического  и программного обеспечения приводит к созданию пакетных программ для  решения типовых задач, проблемно - ориентированных программных языков (для решения задач отдельной  категории) и впервые создаются  уникальные программные комплексы, - операционные системы (разработаны IBM). 

Четвертое поколение

Успехи в развитии электроники привели к созданию больших интегральных схем (БИС), где  в одном кристалле размещалось  несколько десятков тысяч электрических  элементов. Это позволило разработать  более дешевые ЭВМ, имеющие большую  память и меньший цикл выполнения команды: стоимость байта памяти и одной машинной операции начала резко снижаться. Но так как затраты на программирование почти не сокращались, то на первый план вышла задача экономии человеческих, а не машинных ресурсов.

Разрабатывались новые операционные системы, позволяющие  программистам отлаживать свои программы  прямо за дисплеем ЭВМ (в диалоговом режиме), что облегчало работу пользователей  ЭВМ и ускоряло разработку программ. Это полностью противоречило  концепциям первых этапов информационной технологии: “процессор выполняет  лишь ту часть работы по обработке  данных, которую люди принципиально  выполнить не могут,— массовый счет”. Стала прослеживаться другая тенденция: “все, что могут делать машины, должны делать машины; люди выполняют лишь ту часть работы, которую нельзя автоматизировать”.

В 1971 г. была изготовлена БИС, в которой полностью  размещался процессор ЭВМ простой  архитектуры. Стала реальной возможность  размещения в одной БИС (на одном  кристалле) почти всех электронных  устройств несложных по архитектуре  ЭВМ, т. е. возможность серийного  выпуска простых ЭВМ стоимостью 5—50 руб. (без учета стоимости  внешних устройств). Появились дешевые (карманные клавишные ЭВМ) и управляющие  устройства, построенные на одной  или нескольких БИС, содержащих процессор, память и системы связи с датчиками  и исполнительными органами в  объекте управления (т.е. с внешними устройствами такой специализированной ЭВМ). Программы управления подачей  топлива в двигатель автомобиля, движением электронной игрушки  или заданным режимом стирки белья  вводились в память ЭВМ либо при  изготовлении подобного контроллера, либо непосредственно на предприятиях, выпускающих автомобили, игрушки, стиральные машины и т.п.