ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИЙ

 

Содержание:

	1. История создания ЭВМ 2. История создания первого компьютера IBM PC 3. Типы и классификация  ЭВМ 4. Поколения ЭВМ

 

Основные понятия:

ЭВМ – электронно-вычислительная машина.

ПЭВМ – персональная электронно-вычислительная машина.

ЦВМ – цифровая вычислительная машина, работающая с информацией, представленной в цифровом виде.

Микрокомпьютер (микро-ЭВМ) – ЭВМ на основе микропроцессора.

Миникомпьютер (мини-ЭВМ) – занимают промежуточное положение между микро-ЭВМ и супер-ЭВМ. В отличие от супер-ЭВМ, мини-ЭВМ обладают меньшим объемом памяти и имеют более низкое быстродействие. По сравнению с микро-ЭВМ мини-ЭВМ обеспечивают работу с большим числом внешних устройств, обладают большим объемом оперативной памяти и имеют более высокое быстродействие.

Суперкомпьютер (супер-ЭВМ) – вычислительная машина, относящаяся к классу самых мощных машин в данное время, на сегодняшний день это машина с быстродействием порядка одного миллиарда операций в секунду.

       Мэйнфрэйм (большая ЭВМ) – занимает промежуточное положение между супер-ЭВМ и мини-ЭВМ; Мэйнфреймы имеют производительность не менее 10 MIPS и могут обслуживать одновременно до 1000 пользователей.

PC (Personal Computer) – персональная  ЭВМ.

 

1. История создания ЭВМ

Предпосылками создания ЭВМ явилось желание ускорения и упрощения процесса вычислений путем полной автоматизации. Как свидетельствует история, первые попытки автоматизации вычислений предпринимались довольно давно.

Со временем потребности в более крупных и более точных вычислениях стали возрастать, поэтому ученые пытались изобретать арифметические машины. Одна из первых, известных на сегодняшний день, такого рода машина была создана французским ученым Блезом Паскалем, в 1643 г. («Счетные десятичные колеса»). В этой машине была решена задача переноса десятков, однако эта машина выполняла только сложение чисел в десятичной системе счисления.

Наиболее значительные события в области создания ЭВМ, относятся к Готфриду Вильгельму Лейбницу (1646-1716). После посещения Лейбницем в Париже голландского математика и астронома Христиана Гюйгенса, который производил свои многочисленные вычисления вручную, Лейбниц писал: «… это недос­тойно таких замечательных людей, подобно рабам, терять время на вычислительную работу, которую можно было бы доверить кому угодно при использовании машин». В 1673 г. Лейбниц сконструировал арифмометр, позволяющий выполнять четыре основные арифметические действия в десятичной системе счисления. Лейбниц первым понял значение и роль двоичной системы счисления. В рукописи на латинском языке, написанной в марте 1679 г., Лейбниц разъясняет, как выполнять вычисления в двоичной системе: «…Вычисления такого рода можно было бы выполнять и на машине. Несомненно, очень просто и без особых затрат это можно сделать сле­дующим образом: нужно проделать отверстия в банке так, чтобы их можно было открывать и закрывать. Открытыми будут те отверстия, которые соответствуют 1, а закрытыми – соответствующие 0.».

Начиная с XVIII века, арифмометры получили широкое применение и дали начало клавишным счетным машинам. Но и эти устройства со временем перестали удовлетворять потребности людей.

Впервые состав и назначение функциональных средств автоматической вычислительной машины определил в 1834 г. английский математик и экономист Чарльз Бэббидж (1792-1871) в своем неосуществленном проекте аналитической машины. Проект содержал более 200 чертежей различных узлов. Особо необходимо отметить такие составные части, как хранилище для чисел, устройство для производства арифметических действий над числами, устройство для ввода и вывода чисел. С 1834 г. и до конца жизни Бэббидж работал над проектом аналитической машины, не пытаясь ее построить. Только в 1906 г. его сын выполнил демонстрационные модели некоторых частей машины. Если бы аналитическая машина была завершена, то, по оценкам Бэббиджа, на сложение и вычитание потребовалось 2 сек., на умножение и деление – 1 мин. В 1942 г. в Женеве была опубликована небольшая рукопись итальянского военного инженера Л.Ф. Менабреа «Очерк об аналитической машине, изобретенной Чарльзом Бэббиджем», написанная на основе лекций, прочитанных Бэббиджем в 1840 г. в Турине. Рукопись Менабреа с одобрения Бэббиджа перевела на английский язык его ученица и помощница, дочь поэта Дж. Г. Байрона – Ада Лавлейс, сопроводив перевод подробными комментариями. Бэббидж в своей аналитической машине использовал идею программного управления Жаккара с помощью перфокарт, но только развил и вывел эту идею за рамки чисто периодического повторения, применив ее для вычислений и реализовав управление в зависимости от текущего результата вычислений. 

Итак, суть достижений Бэббиджа  и Лавлейс можно кратко описать следующим образом:

а) сформулирована идея программного управления процессом вычислений;

б) предложено использовать перфокарты для ввода и вывода данных и для целей управления;

в) изобретена система предварительного переноса для ускорения вычислений;

г) применен способ изменения хода вычислений, который в дальнейшем получил название команды условного перехода;

д) введены понятия циклов операций и рабочих ячеек. Потомки по достоинству оценили их вклад в вычислительную науку, присвоив их имена двум языкам программирования – АДА и БЭББИДЖ.

Большой вклад в алгебраизацию логики сделал английский ученый Джордж Буль (1815-1864). В 1847 г. вышла его работа с характерным названием – «Математический анализ логики, являющийся опытом исчисления дедуктивного рассуждения», а в 1854 г. – другая, «Исследование законов мышления, на которых основаны математические теории логики и вероятности». В них он заложил основы символической алгебры, алгебры логики высказываний, которая представляла собой систему символов и правил, применимую к различным объектам. Буль ввел три основные операции: И, ИЛИ, НЕ.

После Бэббиджа значительный вклад в развитие техники автономной обработки информации внес американский изобретатель Герман Голлерит, основоположник счетно-перфорационной техники. Голлерит впервые (1889) построил ручной перфоратор, который был использован для нанесения цифровых данных на перфокарты. Им была построена суммирующая машина, названная табулятором, которая прощупывала отверстия на перфокартах, воспринимала их как соответствующие числа и подсчитывала эти числа. Машины Голлерита были использованы в обработке данных переписи населения в США, Канаде, Австрии, России (1897) и других странах. В 1896 г. Голлерит основал всемирно известную фирму Computer Tabulating Recording, которая в дальнейшем была преобразована в фирму International Business Machines (IBM).

В 1943 г. американец Говард Айткен, используя работы Бэббиджа и достижения современной науки, на одном из предприятий фирмы IBM построил релейную машину «Марк-1». Программы в его машине вводились с помощью перфокарт, арифметическое и запоминающее устройства были выполнены с помощью электромагнитных реле. Марк-1 имела хорошее, для своего времени, быстродействие (1000 операций в секунду), но из-за ненадежности реле КПД машины был низким.

Еще раньше немецким ученым Конрадом Цузе были построены аналогичные машины, которые назывались Z1 (1938), Z2 (1939) и Z3 (1941). Во всех этих машинах использовалась двоичная система счисления, однако, было предусмотрено автоматическое преобразование десятичных чисел в двоичные и обратно.  Ввод данных в Z3 осуществлялся с помощью десятичной клавиатуры, а время сложения выполнялось за 0,3 с. Все эти машины были уничтожены во время бомбардировок в ходе второй мировой войны.

В 1943 г. под руководством Джона Маучли и Преспера Эккерта были начаты работы по созданию электронной цифровой вычислительной машины (ЦВМ) ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), где реле и электромеханические счетчики заменили на триггеры - электронные лампы. Осенью 1944 г. к работе был привлечен знаменитый математик и физик Джон фон Нейман, который изучил суть проблемы и в июне 1945 г. выдвинул основные архитектурно-функциональные принципы построения ЦВМ. В феврале 1946 г. состоялась демонстрация новой машины. ENIAC работала с тактовой частотой в 100 кГц и в три раза быстрее чем Марк-1, так операцию сложения она выполняла за 0,2 мсек., а умножения за 2,8 мсек. Также ENIAC обладала большей надежностью, но для того, чтобы задать программу, приходилось потратить много времени, от нескольких часов до нескольких дней, а её энергопотребление составляло 150 кВт/ч. Необходимо было создать более совершенную вычислительную систему отвечающую основным архитектурно-функциональным принципам построения ЦВМ.

Первая  такая ЭВМ, построенная по принципам  Джона  фон  Неймана, была выпущена в мае 1949 г. в Кембридже, английским исследователем Морисом Уилксом, и называлась EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator).

В нашей стране первая ЭВМ была создана в 1951 г. Называлась она МЭСМ – малая электронная счет­ная машина. Конструктором МЭСМ был Сергей Алексеевич Лебедев. Также под руководством С. А. Лебедева в 50-х годах были построены серийные ламповые ЭВМ БЭСМ-1 (большая электронная счетная машина, с быст­родействием 8.000 оп/сек.), БЭСМ-2, М-20, БЭСМ-6. Ряд последующих идей и разработок С. А. Лебедева спо­собствовал созданию более совершенных машин следующих поколений.  

Еще одна разработка малой вычислительной машины под названием «Урал» была закончена в г. Пензе в 1954 г. коллективом сотрудников под руководством Б. И. Рамеева. Эта машина стала родоначальником целого семейства отечественных компьютеров, последняя серия которых («Урал-16») была выпущена в 1967 году.  Простота машины, удачная конструкция, высокое быстродействие («Урал-16» - 100 тыс. оп/сек.) и вместе с тем невысокая цена обусловили ее широкое распространение. 

Выдающимся достижением 50-х - 60-х годов была отечественная машина БЭСМ-6. Это первая отечественная и одна из первых в мире ЭВМ с быстродействием 1 миллион операций в секунду. Серийный выпуск БЭСМ-6 был начат в 1967 г. Позднее, в 70-х и 80-х годах, в Советском Союзе выпускали компьютеры серии ЕС ЭВМ (Единая Система ЭВМ) по образцу IBM-360 и IBM-370. Это были машины, построенные на интегральных схемах и больших интегральных схемах.

Компьютеры 40-50-х годов были очень большими, занимали целые залы, стоили очень дорого и были доступны только крупным фирмам. Однако производящие компании стремились сделать продукцию компактнее и дешевле. Это удалось осуществить с помощью транзисторов, изобретенных в 1948 году, компьютеры на их основе были в сотни раз меньше и значительно дешевле.

Считается, что первой мини-ЭВМ была 12-разрядная машина PDP-5 (Programmed Data Processor-5), созданная фирмой DEC (Digital Equipment Corp.) Эта машина была спроектирована для управления атомным реактором. В 1965 г. та же фирма выпустила первый серийный мини-компьютер PDP-8 (длина слова 12 бит и емкость памяти – 4096 слов) размером с холодильник и стоимостью 20 тыс. долларов. Эра отечественных мини-ЭВМ началась в 1959 г., когда в ВЦ МГУ была разработана вычислительная машина «Сетунь», работающая в троичной системе счисления. В 1962-1964 гг. ЭВМ «Сетунь» выпускалась серийно.

В 1958 г. Фрэнк Розенблатт из Корнеллского университета разработал модель перцептрона, которая должна была имитировать элементарную операцию нейрона, участвующего в процессе человеческого мышления. Через два года Розенблатт создал перцептрон «Марк-1» - это была одна из первых попыток на практике создать машину, обладающую искусственным интеллектом. В «мозг» машины информация поступала от «глаза», созданного из фотоэлементов. Перцептрон знал все буквы алфавита и в процессе работы обучался распознанию особенностей каждой буквы. Однако возможности машины были ограничены (машина была чувствительна к написанию, т. е. не могла распознать частично закрытые буквы и буквы другого размера или написания) и поэтому широкого применения не получила.

Очередное революционное открытие в электронике произошло в 1971 г. Тогда был сделан первый шаг на пути к персональному компьютеру. Марсиан Хофф из фирмы Intel сконструировал первый микропроцессор (Intel-4004). Возможности его были довольно скромны по сравнению с процессорами больших ЭВМ, он мог обрабатывать одновременно только 4 бита информации (процессоры больших ЭВМ обрабатывали 16 или 32 бита одновременно), но Intel-4004 положил начало дальнейшему развитию ПЭВМ. Тремя годами позже фирма Intel выпустила 8 битовый микропроцессор Intel-8008. В том же 1971 г. фирма Syntronix выпустила первый матричный принтер, а фирма IBM выпустила первый гибкий магнитный диск и дисковод для него.  

Первый персональный компьютер (ПК) Altair 8800, выпущенный фирмой MITS в 1975 году, был основан на восьмибитовом микропроцессоре 8080 фирмы Intel. Последовавшие за ним компьютеры других фирм рабо­тали на 8-разрядных микропроцессорах Intel 8080, Motorola 6800, Zilog Z-80.

В конце 1975 г. Пол Аллен и Билл Гейтс (основатели фирмы Microsoft) создали интерпретатор языка Basic (разработанный в 1964 г. Дж. Кемени и Т. Курцем), что упростило обращение с компьютером и способствовало популярности ПЭВМ.

Успех идеи персональных компьютеров был бесспор­ным. Несмотря на то, что 8-битовая архитектура микро­процессора сильно ограничивала объем доступной памяти и общую производительность, одним из самых популярных персональных компьютеров стал 8-разрядный Apple II фирмы Apple Computer, который в апреле 1977 г. создали Стив Джобс и Стефен Возняк (Рис. 2).

Техническая информация об Apple II была опубли­кована. Это дало возможность независимым произво­дителям выпускать аппаратуру, которой пользователи Apple II могли дополнять свои компьютеры. Другими словами, архитектура компьютера Apple II была открытой. В 1980 г. компания выпустила компьютер Apple III, а в 1983 г. – «Lisa», самый дорогой компьютер компании Apple (10 тыс. долларов), в составе которого впервые появилась мышь.

В 1993 г. главой фирмы Apple стал Майкл Спиндлер, который начал ее реорганизацию с учетом цен на рынке ПК. В том году фирма продала в США больше ПК, чем любая другая фирма, включая IBM, Dell и Compaq. Начиная с 1994 г. фирмой выпускается серия «Macintosh LC» на МП «Motorola 68020 и 68030» с тактовой частотой 16-25 МГц. Сейчас компания Apple занимается выпуском компьютеров серии G3 на базе одноименного процессора с тактовыми частотами 233 и 266 МГц и более.       

Параллельно со становлением и разработкой обычных персональных компьютеров проходила разра­ботка портативных компьютеров. Первый портативный компьютер ZX 8 появился в 1980 г. и стоил 10 фунтов стерлингов, его создателем был англичанин Клайв Синклер. В 1981 г. Синклер начал производить ZX 81, который стоил 100 долларов и был доступен всем желающим. В следующем году появился компьютер ZX Spectrum с оперативной памятью 48 Кбайт, производством которого до 1990 г. занималась фирма Amstrad. К 1984 г. в производство портативных компьютеров включились такие мощные фирмы, как Apple, IBM и д. р. В октябре 1991 г. фирма Apple выпустила серию портативных компьютеров Power book, которые внесли много нового в идеологию и дизайн компьютеров notebook. В 90-х гг. появились отечественные компьютеры класса notebook ИВК 4001, ИВК 4002 с 486-м микропроцессором, оперативной памятью 20 Мбайт, с цветным экраном и возмож­ностью подключения дополнительных устройств.

Успех персональных и портативных компьютеров стал поводом для беспокойства корпорации IBM. В 1981 г. на рынок персональных ЭВМ вышла фирма IBM, выпустив 12 августа первый IBM PC компьютер с процессором Intel-8088. Для того, чтобы создать новый компьютер в кратчайшие сроки и с минимальными затратами, фирме IBM пришлось конструировать свой компьютер на основе независимо производимых компонентов. Программное обеспечение было поручено разработать небольшой фирме Microsoft.

В марте 1983 года фирмой IBM был выпущен компьютер IBM PC XT, имеющий встроенный жесткий диск, а в апреле 1985 года – персональный компьютер IBM PC XT на базе микропроцессора Intel 80286.

В 1982 г. появи­лись первые «родственники» и «двойники» (клоны) персональных компьютеров IBM. Отдельные «двойники» даже превосходили по своим параметрам последнюю модель персонального компьютера фирмы IBM. К концу 1986 г. так называе­мые IBM PC-совместимые компьютеры производили уже около 50 компаний, а ежегодная продажа IBM PC-со­вместимых компьютеров сторонними фирмами превзошла по объему продаж оригинальных компьютеров IBM. Также необходимо отметить и то, что фирма IBM не была первой в использовании МП Pentium. Первой оказалась фирма Compaq, которая в 1993 г. выпустила новые модели семейства Desk Pro/M, Prosignia и System Pro с микропроцессорами Pentium. 

Корпорации IBM не удалось вернуть себе монопо­лию на производство персональных компьютеров, архитектура которых была первоначально разработана ею. Сейчас компьютеры с архитектурой IBM PC, основанные на микропроцессорах серии Intel 80х86 и со­вместимых с ними, занимают, если усреднить различ­ные оценки, более 80% рынка, их выпуском занимают­ся несколько тысяч фирм во всем мире. Самыми производительными микропроцессорами являются микропроцессоры типа Pentium, выпускаемые с 1993 г. И поэтому большинство  новых компьютеров выпуска­ется на базе микропроцессоров Intel Pentium, Pentium II и Pentium III.

2. История создания первого компьютера IBM PC

Хотя большинство людей не знают, но до выпуска PC у фирмы IBM уже было несколько небольших компьютеров. Одним из первых был компьютер System/23 Datamaster с процессором 8085А фирмы Intel, кото­рый был предшественником процессора 8088, выбранным для PC. Другим небольшим компьютером был Displaywriter, представлявший собой авто­номный специализированный текстовый процессор на базе микропроцессо­ра 8086.

Инженеры, работавшие над компьютером System/23, создали еще два компьютера: IBM 5100 и 5110. В них применялся процессор ОР micro самой фирмы IBM; ОР означает отдел Office Products (офисные изделия), который продавал эти компьютеры. Компьютеры 5100 и 5110 были небольшими ин­терактивными компьютерами, поставлявшимися в двух вариантах. Один из них работал на языке Бейсик, а второй — на языке APL (математический язык программирования), также компьютеры имели дисплей на основе электронно-лучевой трубки с экраном 7,5x10 см и накопитель на магнитной ленте. Но, однако, IBM 5100 и IBM 5110 не пользовались таким же спросом как, например, Althaire 8080 или Apple II, так как цена, например, IBM 5100 была около 11 тыс. долларов. 

К 1980 г. уже несколько фирм выпускали небольшие компьютеры на базе процессоров типа 8086 и 8088. Такие компьютеры приобретали люби­тели и энтузиасты. В фирме IBM несколько сотрудников задумались над тем, почему бы не разработать новый микрокомпьютер для новой сферы рынка. В мае 1980 г. два высших руководителя фирмы, председатель Фрэнк Кэри и президент Джон Опель решили, что такой компьютер стал бы ценным дополнением производственной линии фирмы IBM. Они поставили задачу: создать такой компьютер.

В фирме IBM назначение проекту кодового названия означает, что работа над проектом должна быть начата. Данный проект был назван Группой тринадцати, поскольку в состав рабочей группы входили восемь инженеров и пять специалистов по маркетингу. Сотрудники этой группы знали друг друга по прежней работе. В июле 1980 г. они собрались в городе Бока Ратон (Воса Raton) во Флориде и начали формально действовать как комитет. Цель их встречи состояла в определении направления работ фирмы IBM в области персональных компьютеров.

Когда Группа тринадцати взялась за дело, фирма IBM еще не решила выпускать персональный компьютер. В это время рынок микрокомпьюте­ров был занят несколькими фирмами, среди которых лидировали фирма Apple Computer с компьютером Apple II и фирма Tandy с компьютером TRS-80. Сотрудники фирмы IBM проанализировали рынок и решили, что место для IBM есть, но что фирма должна выпустить совершенно новый компьютер.

Они начали работать над макетным образцом и одновременно искали подходящее название для нового компьютера. В то время особой популяр­ностью пользовались компьютеры Apple II, поэтому название должно было отражать какой-то новый «продукт». Группа перебрала почти все фрукты, растущие во Флориде, но, в конце концов, остановилась на описательном названии Personal Computer (персональный компьютер).

В сентябре 1980 г. Билл Лоу, руководитель Группы тринадцати, встретился с Кэри и Опелем и продемонстрировал экспериментальный обра­зец. Он не имел формальной операционной системы и был построен на базе микропроцессора 8085А. Руководителям образец понравился, и они дали добро на проект, результатом которого должны были стать разработка и выпуск IBM PC.

Руководителем проекта был назначен Филип Дон Эстридж. Рабо­тая в гигантской фирме, где нормой были длительные разработки и соб­ственная технология, Эстридж смог менее чем за год создать самую от­крытую систему фирмы IBM. По словам одного из сотрудников Группы тринадцати, Дон Эстридж оказался «как бы Стивом Джобсом (основатель фирмы Apple Computer) внутри фирмы IBM и смог вытянуть работу».

Эстридж разработал поэтапный план разработки, производства и постав­ки нового типа компьютера. Он принял основные идеи разработки Груп­пы тринадцати и превратил их в компьютер, удовлетворяющий рынок.

Возможно, самым выдающимся вкладом Эстриджа оказалась поддержка принципа открытой системы, т.е. того принципа, которого не придержи­валось руководство фирмы. Эстридж в некотором смысле оказался дисси­дентом, который сумел убедить руководство в разработке открытого для внешнего мира компьютера. Любой мог разрабатывать адаптеры и пери­ферийные устройства для нового компьютера. Как пояснил один из раз­работчиков первого PC, была поставлена цель «сделать PC настолько до­ступным, чтобы любой, кто захотел бы разрабатывать аппаратные и программные средства, мог это осуществить». По существу, открытая архи­тектура PC позволила многочисленным фирмам выпускать совместимые компьютеры, которые сейчас называются клонами.

К тому времени, как Дон Эстридж возглавил проект, Группа тринад­цати определила некоторые спецификации компьютера. Самым важным решением стало использование микропроцессора 8088 фирмы Intel, хотя рассматривались и другие микропроцессоры. Этот выбор объяснялся тем, что инженеры IBM имели большой опыт работы с микропроцессорами фирмы Intel.

Большинство подходов в разработке оказались успешными, но было и два важных ограничения. Первый касался ширины шины. Естественным выбором для PC должен бы быть 16-битовый про­цессор 8086. В то время уже появились 16-битовые адаптеры и перифе­рийные устройства, но они были дорогими. Чтобы снизить стоимость PC, разработчики предпочли процессор 8088, который функционально эквива­лентен процессору 8086, но имеет 8-битовую шину. Более узкая шина снижает производительность компьютера. Сначала, в пе­риод примитивного состояния персональных компьютеров, это ограничение было приемлемым. Однако вскоре появились более быстрые процессоры и жесткие диски и 8-битовая шина стала узким местом. В компьютере PC AT, объявленном в августе 1984 г., уже появилась 16-битовая шина.

Второе ограничение было гораздо важнее. Операционная система PC (DOS) могла использовать для программ и данных только 640 Кбайт памяти. Это ограничение в то время казалось несущественным, потому что в первом PC было всего 64 Кбайт памяти. Процессор 8088 может адресо­вать 1 Мбайт, но такую память в небольшом компьютере в то время было невозможно предвидеть. В 1980 г. даже дорогие миникомпьютеры имели память всего в 0,5 - 1 Мбайт. Только в больших компьютерах, которые стоили миллионы долларов, имелись мегабайты памяти.

Предвидя будущий рост, разработчики PC умножили размер памяти PC на 10. Они полагали, что вряд ли кто-то будет использовать больше 640 Кбайт, поэтому адреса от 640 Кбайт до 1 Мбайт зарезервировали для специальных целей.

Однако стоимость микросхем памяти неуклонно снижалась. В то же время PC с новыми процессорами могли работать со многими мегабайтами памяти, а новые программы требовали все большего от доступной оперативной памяти. Но поскольку появились бесчисленные программы для DOS, которые зависели от зарезервированных адресов, стало невозможным прямо изменить DOS для работы выше 640 Кбайт.

Конечно, нужно помнить о том, что в 1980 г. никто не ожидал, насколько популярными станут персональные компьютеры. Вначале ожидалось, что про­дажи PC будут ограничены несколькими сотнями тысяч. Кто мог предсказать, что через десять лет у миллионов людей будут свои мощные компьютеры с несколькими мегабайтами памяти?

 

3. Типы и классификация  ЭВМ

Типы ЭВМ

Хотя все ЭВМ производят расчеты, тем ни менее не все они осуществляют их одинаковым образом, существует три основных типа компьютеров:

·    аналоговые - основаны на измерении физических величин;

·    цифровые - основаны на использовании системы счисления и операциях в ней;

·  

 гибридные (аналогово-цифровые).

 

Исторически первыми были аналоговые ЭВМ. В аналоговых вычислительных машинах математиче­ские величины представлены не числами, а конкретными, скачкообразно меняющимися данными, например, изменение скорости, напряжения тока, уровня жидкости, и ответ они дают по тому же принципу, непрерывно. Средствами ввода/вывода в этих машинах являются генераторы (источники ЭДС) и измерители (амперметры, вольтметры, осциллографы). Аналоговые вычислительные машины (АВМ) применяют преимущественно для решения конкретных математических задач. Главный их недостаток в том, что они не универсальны, для каж­дого класса математических задач требуется отдельная специальная вычислительная машина, а достоинство заключается в том, что результаты измерений физических процессов получаются быстрее.

Под цифровой электронной вычислительной машиной понимается сложное устройство, воспринимаю­щее различные виды информации в форме данных, представленных в цифровой форме, перерабатывающее их с большой скоростью и выдающее результаты этих действий как информацию. Цифровая вычислительная ма­шина использует двоичную или дискретную систему счисления, то есть существует только два состояния: ноль и единица. То есть цифровые вычислительные системы оперируют с величинами, представленными в цифровой форме. Они универсальны, ибо решение ими любой математической задачи, в какой бы она форме ни была, в конечном счете, сводится к выполнению простейших арифметических действий.

Вычислительные машины, объединяющие в своем составе как цифровые, так и аналоговые устройства, носят название гибриды.

Классификация ЭВМ

Основная классификация ЭВМ строится по параметрам работы центрального процессора (ЦП), наиболее показательным из них является быстродействие ЦП.

По такой классификации все ЭВМ подразделяются на следующие основные классы:

·    супер-ЭВМ

·    большие ЭВМ

·    мини-ЭВМ

·    микро-ЭВМ

Помимо этого существуют промежуточные классы, а также специализированные ЭВМ, производительность которых зависит от выполняемых функций.

К супер-ЭВМ относятся мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов – десятки миллиардов операций в секунду. Типовая модель супер-ЭВМ 2000 г будет иметь следующие характе­ристики:

•   высокопараллельная многопроцессорная вычислительная система с быстродействием примерно 10⁵ MFLOPS;

•   емкость: оперативной памяти 10 Гбайт, дисковой памяти 1-10 Тбайт (1 Тбайт =1024Гбайт);

•   разрядность 64; 128 бит.

Фирма Cray Research намерена к 2000 г. создать суперЭВМ производительностью 1 TFLOPS = 10⁶ MFLOPS.

Создать такую высокопроизводительную ЭВМ по современной технологии на одном микропроцессоре не представляется возможным ввиду ограничения, обусловленного конеч­ным значением скорости распространения электромагнитных волн (300 000 км/сек.), ибо время распространения сигнала на расстояние несколько миллиметров (линейный размер стороны МП) при быстродействии 100 млрд. оп/сек. становится соизмеримым со временем вы­полнения одной операции. Поэтому супер-ЭВМ создаются в виде высокопараллельных многопроцессорных вычислительных систем (МПВС).

Высокопараллельные МПВС имеют несколько разновидностей:

•     магистральные (конвейерные) МПВС, в которых процессоры одновременно выполняют разные операции над последовательным потоком обрабатываемых дан­ных. По принятой классификации такие МПВС относятся к системам с многократным потоком команд и однократным потоком данных (МКОД или MISD — Multiple Instruction Single Data);

•     векторные МПВС, в которых все процессоры одновременно выполняют одну команду над различными данными — однократный поток команд с многократным потоком данных (ОКМД или SIMD — Single Instruction Multiple Data);

•     матричные МПВС, в которых МП одновременно выполняют разные операции над несколькими последовательными потоками обрабатываемых данных — мно­гократный поток команд с многократным потоком данных (МКМД или MIMD — Multiple Instruction Multiple Data).

Первая суперЭВМ была задумана в 1960 г. и создана в 1972 г. (машина ILLIAC IV с производительностью 20 MFLOPS), а начиная с 1974 г. лидерство в разработке супер-ЭВМ захватила фирма Cray Research, выпустившая ЭВМ Cray 1 производительностью 160 MFLOPS и объемом оперативной памяти   64 Мбайта, а в 1984 г. — ЭВМ Cray 2, в пол­ной мере реализовавшую архитектуру MSIMD и ознаменовавшую появление нового поко­ления супер-ЭВМ. Производительность Cray 2 — 2000 MFLOPS, объем оперативной памяти — 2 Гбайта. Классическое соотношение, ибо критерий сбалансированности ресур­сов ЭВМ — каждому MFLOPS производи­тельности процессора должно соответствовать не менее 1 Мбайта оперативной памяти.

В настоящее время в мире насчитывается несколько тысяч супер-ЭВМ (в 1991 г. — 900 шт.), начиная от офисных Cray EL до мощных Cray 3, Cray 4, Cray Y-MP C90 фирмы Cray Research, Cyber 205 фирмы Control Data, SX-3 и SX-X фирмы NEC, VP 2000 фирмы Fujitsu (Япония), VPP 500 фирмы Siemens (ФРГ) и др., производительнос­тью несколько десятков тысяч MFLOPS; среди лучших супер-ЭВМ можно отметить и оте­чественные суперкомпьютеры.

В сфере супер-ЭВМ Россия, пожалуй, впервые представила собственные оригинальные модели ЭВМ. Все остальные: и ПК, и малые, и универсальные ЭВМ, за редким исключением (например, ЭВМ Рута 110), на базе отечественной технологии копировали зарубежные разработки (в первую очередь, разработки фирм США).

В СССР, а позднее в России была разработана и реализуется (сейчас, правда, почти заморожена) государственная программа разработки суперкомпьютеров. По этой программе были разработаны и частично выпущены такие супер-ЭВМ, как повторяющая архитектуру Сray Электроника СС БИС; оригинальные разработки: ЕС 1191, 1195, 1191.01, 1191.10.

Большие ЭВМ за рубежом часто называют мэйнфреймами (Mainframe). К мэйнфрей­мам относят, как правило, компьютеры, имеющие следующие характеристики:

•   производительность не менее 10 MIPS;

•   основную память емкостью от 64 до 10000 Мбайт;

•   внешнюю память не менее 50 Гбайт;

•   многопользовательский режим работы (обслуживают одновременно от 16 до 1000 пользователей).

Основные направления эффективного применения мэйнфреймов — это решение науч­но-технических задач, работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации, работа с большими базами данных, управление вычислительными сетями и их ресурса­ми. Последнее направление — использование мэйнфреймов в качестве больших серверов вычислительных сетей, часто отмечается специалистами среди наиболее актуальных.

Родоначальником современных больших ЭВМ, по стандартам которой в последние несколько десятилетий развивались ЭВМ этого класса в большинстве стран мира, является фирма IBM. Ее модели IBM 360 и IBM 370, их архитектура и программное обеспечение взяты за основу и при создании отечественной системы больших машин ЕС ЭВМ.

Среди лучших современных разработок мэйнфреймов за рубежом следует в первую очередь отметить: американские IBM 390, IBM 4300 (4331,4341,4361,4381), пришедшие на смену IBM 380 в 1979 г., и IBM ES/9000, созданные в 1990 г., а также японские компьютеры М 1800 фирмы Fujitsu.

Малые ЭВМ (мини-ЭВМ) — надежные, недорогие и удобные в эксплуатации компьютеры, обладающие более низкими, по сравнению с мэйнфреймами, возможностями.

Мини-ЭВМ (и наиболее мощные из них супермини-ЭВМ) обладают следую­щими характеристиками:

•   производительность — до 100 MIPS;

•   емкость основной памяти — 4-512 Мбайт;

•   емкость дисковой памяти — 2 - 100 Гбайт;

•   число поддерживаемых пользователей — 16-512.

Все модели мини-ЭВМ разрабатываются на основе микропроцессорных наборов ин­тегральных микросхем, 16-, 32-, 64-разрядных микропроцессоров. Основные их особеннос­ти: широкий диапазон производительности в конкретных условиях применения, аппаратная реализация большинства системных функций ввода-вывода информации, простая реализа­ция микропроцессорных и многомашинных систем, высокая скорость обработки прерыва­ний, возможность работы с форматами данных различной длины.

К достоинствам мини-ЭВМ можно отнести: специфичную архитектуру с большой мо­дульностью, лучшее, чем у мэйнфреймов, соотношение производительность/цена, повы­шенная точность вычислений.

Мини-ЭВМ ориентированы на использование в качестве управляющих вычислитель­ных комплексов. Традиционная для подобных комплексов широкая номенклатура перифе­рийных устройств дополняется блоками межпроцессорной связи, благодаря чему обеспечивается реализация вычислительных систем с изменяемой структурой.

Наряду с использованием для управления технологическими процессами мини-ЭВМ успешно применяются для вычислений в многопользовательских вычислительных системах, в системах автоматизированного проектирования, в системах моделирования несложных объектов, в системах искусственного интеллекта.

Родоначальником современных мини-ЭВМ можно считать компьютеры PDP-11 (Program Driven Processor — программно-управляемый процессор) фирмы DEC (Digital Equip ment Corporation — Корпорация дискретного оборудования, США), они явились прообразом и отечественных мини-ЭВМ — Системы Малых ЭВМ (СМ ЭВМ): СМ 1 2,3,4,1400, 1700 и др.

В настоящее время семейство мини-ЭВМ PDP-11 включает большое число моделей — от VAX-11 до VAX-3600; мощные модели мини-ЭВМ класса 800 (VAX-8250, 8820); супермини-ЭВМ класса 9000 (VAX-9410,9430) и др.

Модели VAX обладают широким диапазоном характеристик:

·        количество процессоров — от 1 до 16;

·        производительность — от 1 до 600 MIPS;

·        емкость основной памяти — от 4 Мбайт до 2 Гбайт;

·        емкость дисковой памяти — от 2 до 300 Гбайт;

·        число каналов ввода-вывода — до 32.

Иными словами, мини-ЭВМ VAX полностью перекрывают весь диапазон характеристик этого класса компьютеров и в подклассе супермини стирают грань с мэйнфреймами.

Среди прочих мини-ЭВМ следует отметить:

•   однопроцессорные: IBM 43 81, HP 9000;

•   многопроцессорные: Wang VS 7320, AT&T 3В 4000;

•   супермини-ЭВМ HS 4000, по характеристикам не уступающая мэйнфреймам.

Персональный компьютер для удовлетворения требованиям общедоступности и универсальности применения должен иметь следующие характеристики:

•  малую стоимость, находящуюся в пределах доступности для индивидуального поку­пателя;

•  автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;

• гибкость архитектуры, обеспечивающую ее адаптивность к разнообразным примене­ниям в сфере управления, науки, образования, в быту;

•  "дружественность" операционной системы и прочего программного обеспечения, обу­словливающую возможность работы с ней пользователя без специальной профессио­нальной подготовки;

•  высокую надежность работы (более 5000 час. наработки на отказ).

Среди зарубежных ПК следует отметить компьютеры американской фирмы IBM: IBM PC/XT, IBM PC/AT на микропроцессорах 80286 (16-разрядные), IBM PS/2 8030 -PS/2 8080 (PS — Personal System), все PS, кроме PS/2 8080, — 16-разрядные, PS/2 8080 — 32-разрядная, IBM PC на МП 80386 и 80486 (32-разрядные), IBM PC на МП Pentium и Pen­tium Pro (64-разрядные).

Широко известны персональные компьютеры, выпускаемые американскими фирмами:

Compaq Computer, Apple (Macintosh), Hewlett Packard, Dell, DEC, а также фирмами Великоб­ритании: Spectrum, Amstrad; Франции: Micral; Италии: Olivetty; Японии: Toshiba, Panasonic и Partner.

Наибольшей популярностью в настоящее время пользуются персональные компьюте­ры клона (архитектуры определенного направления) IBM, первые модели которых появи­лись в 1981г. Существенно им уступают по популярности персональные компьютеры клона DEC (Digital Equipment Corporation), в частности широко известные ПК Macintosh фирмы Apple, занимающие по распространимости 2-е место.

В начале 90-х гг. мировой парк компьютеров составлял примерно 150 млн. шт., из них около 90% — это персональные компьютеры, в частности профессиональные ПК типа IBM PC - более 100 млн. шт. (около 75% всех ПК); профессиональные ПК типа DEC - около 5 млн. шт.

За рубежом самыми распространенными моделями компьютеров в настоящее время являются IBM PC с микропроцессорами Pentium II и Pentium III.

Производство ПК с процессорами ниже Pentium III практически уже прекра­щено.

Отечественная промышленность (страны СНГ) выпускала DEC-совместимые (диало­говые вычислительные комплексы ДВК-1 —ДВК-4 на основе Электроники МС-1201, Элек­троники 85, Электроники 32 и др.) и IBM PC-совместимые ( ЕС 1840 — ЕС 1842, ЕС 1845, ЕС1849, ЕС1861, Искра 1030, Искра 4816, Нейрон И9.66 и др.) компьютеры. Остальные типы отечественных ПК (Агат, Микроша, Спектр, Орбита, БК и др.) существенно уступают по своим характеристикам вышеназванным.

Данная классификация с течением времени меняется; так супер-ЭВМ 10-ти летней давности по своим вычислительным возможностям отстают от современных микро-ЭВМ.

4. Поколения ЭВМ

Под поколениями ЭВМ понимают все типы и модели вычислительных машин, разработанные различными конструкторскими коллективами, выпускаемые в различных странах многими предприятиями и фирмами, но построенные на одних и тех же научных и технических принципах.

Смена поколений связана с изменением физических принципов работы и технологий производства элементов, входящих в ЭВМ.

Сейчас уже насчитывается пять поколений ЭВМ, разрабатываются основные элементы и принципы машин шестого поколения.

Проектирование ЭВМ первого поколения началось после 1946 г. К особенностям этих компьютеров относится применение вакуумно-ламповой техники, использование систем памяти на ртутных линиях задержки, магнитных барабанах, электронно-лучевых трубках (трубках Вильямса). Для ввода-вывода данных использова­лись перфоленты и перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства. В компьютерах первого поколе­ния была реализована концепция хранимой программы. Несмотря на ограниченные возможности и низкую на­дежность, компьютеры данного поколения сумели хорошо зарекомендовать себя при решении сложнейших задач, таких, как прогнозирование погоды, энергетических задач, задач военного характера и др. Проекты и реализация машин «Марк-1», EDSAC и EDVAC в Англии и США, МЭСМ в СССР заложили основы для раз­вертывания работ по созданию ЭВМ вакуумно-ламповой технологии – серийных ЭВМ первого поколения. Раз­работка первой электронной серийной машины UNIVAC (Universal Automatic Computer) начата примерно в 1947 г. Эккертом и Маучли. Первый образец машины был выпущен  весной 1951 г. Работала она с тактовой частотой 2,25 МГц и содержала 5000 электронных ламп. Сильным сдерживающим фактором в работе конст­рукторов ЭВМ начала 50-х годов было отсутствие быстродействующей памяти. Исследователи тех лет сосредо­точили свое внимание на запоминающих свойствах ферритовых колец, нанизанных на проволочные матрицы. В 1951 г. в 22-ом томе «Journal of Applid Physics» Дж. Форрестер опубликовал статью о применении магнитных сердечников для хранения цифровой информации. В машине «Whirlwind-1» впервые была применена память на магнитных сердечниках. В разработку электронных компьютеров включилась фирма IBM. В 1952 г. она выпустила свой первый промышленный электронный компьютер IBM 701. В 1956 г. фирмой IBM были разработаны плавающие магнитные головки на воздушной подушке. Изобретение их позволило создать новый тип памяти – дисковые ЗУ. Позже в компьютерах первого поколения были применены программные прерывания (UNIVAC-1103). В 1951 г. фирмой Ferranti начат серийный выпуск машины
«Марк-1». А через 5 лет фирма Ferranti вы­пустила ЭВМ «Pegasus», в которой впервые нашла воплощение концепция регистров общего назначения. Новая элементарная база ЭВМ – полупроводниковые и магнитные элементы зарождались в недрах старой. Сначала лампы были заменены германиевыми диодами в оперативной памяти, затем в арифметическом и управляющем устройствах. Позже в оперативной памяти для реализации логических функций стали применять феррит-диод­ные ячейки. И наконец, качественный скачок – двойные вакуумные триоды и пентоды, на которых выполнены статические и динамические триггеры, были заменены транзисторами.

Второе поколение ЭВМ, появившееся после 1955 г., характеризовалось заменой электронных ламп как основных компонентов компьютера на транзисторы. Компьютеры стали более надежными, быстродействие их повысилось, потребление энергии уменьшилось. С появлением памяти на магнитных сердечниках цикл ее работы уменьшился до десятков микросекунд. Стоимость компьютера оставалась пока высокой. Главный принцип структуры – централизация. В этот период расширился диапазон применяемых систем ввода-вывода, появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, устройства памяти на магнитных дисках. Для компьютеров второго поколения характерно использование первых языков программирования высокого уровня, которые получили свое развитие в компьютерах следующего поколения. В 1961г. был создан первый компьютер, реализующий принцип виртуальной памяти. Этот компьютер был создан сотрудниками Манчестерского университета под руководством Г. Килбурна и назывался «Atlas». С появлением этой машины стала возможной динамическая трансляция адресов аппаратными средствами. Машина «Atlas» имела высокую производительность – около 900 тыс. оп/с, которая была достигнута за счет совершенствования принципов мультипрограммной работы и применения высокочастотных транзисторов. В компьютерах второго поколения появилась возможность пакетной обработки данных (Урал-16).

Компьютеры третьего поколения вышли на арену в 1964 г. Они проектировались на основе интегральной схемы малой степени интеграции (МИС – 10¹ – 10² компонентов на кристалл) и средней степени интеграции (10¹ – 10³ компонентов на кристалл). Кроме основного технологического признака поколения наиболее важным критерием, отличающим его от второго поколения, является критерий, основанный на понятии архитектуры. Термин «архитектура компьютера» был введен в начале 60-х гг. группой разработчиков фирмы IBM. Он предназначался для описания общей программной модели семейства компьютеров IMB/360 на уровне языка ассемблера. Идея проектирования семейства компьютеров с одной и той же архитектурой, в основу которой положено главным образом программное обеспечение, была успешно реализована многими разработчиками компьютерных систем. Неотъемлемой частью компьютеров третьего поколения стали операционные системы, которые стали брать на себя задачи управления памятью, устройствами ввода-вывода и другими ресурсами; появилась возможность мультипрограммирования. Очень важным становится создание надежных к отказу компьютеров, развивается диагностика и резервирование. Например, в то время фирма Bell пыталась достигнуть надежности, характеризующейся двумя часами простоя за 40 лет. К концу 60-х гг. появились мини-компьютеры. Экономичность мини-компьютеров быстро расширила сферу их применения: управление, передача данных, автоматизация научных экспериментов и т.д. В рамках рассматриваемого поколения в 1971 г. появился первый микропроцессор, как неожиданный результат работы фирмы Intel над схемами калькуляторов.

С технологической точки зрения компьютеры четвертого поколения характеризуются использованием при их создании больших интегральных схем (БИС – 10³-10⁵ компонентов на кристалл) и сверхбольших интегральных схем (СБИС – 10⁵-10⁷ компонентов на кристалл). Началом данного поколения считается 1975 год, когда фирмой Amdahl Corp были выпущены 6 компьютеров AMDAHL 470V/6, в которых впервые были применены большие интегральные схемы в качестве элементной базы. В компьютерах этого поколения стали использоваться быстродействующие системы памяти на интегральных схемах – МОК ЗУПВ емкостью в несколько мегабайт. Эти системы памяти работают во взаимодействии с высокоскоростными накопителями на магнитных дисках, и в случае выключения машины данные, содержащиеся в МОК ЗУПВ, сохраняются путем автоматического переноса на диски. При включении машины запуск системы осуществляется при помощи хранимой в ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) программы самозагрузки, обеспечивающей выгрузку операционной системы и резидентного программного обеспечения в МОК ЗУПВ. С широким внедрением микропроцессоров элементами компьютерных систем становятся не электронные компоненты, а функциональные устройства, включающие память, интерактивные терминалы и центральный процессор. Растет сложность микропроцессоров. Феноменально падает их стоимость и соответственно уменьшается стоимость аппаратных средств, в то время как стоимость программного обеспечения непрерывно увеличивается. В данный период в развитии компьютерной технологии произошло еще одно знаменательное событие – появление в середине 70-х гг. первых персональных компьютеров. Персональные компьютеры предоставили индивидуальному пользователю практически такие же вычислительные ресурсы, какими в 60-е годы обладали большие компьютеры, а в 70-е годы – миникомпьютеры. Иногда четвертое поколение называют поколением пользователей. К концу 80-х годов четко определилось существование двух классов компьютеров, определяющих развитие компьютерного мира: суперкомпьютеров, имеющих многопроцессорную архитектуру и использующих принципы параллелизма, и персональных компьютеров. Все остальные классы типа: большие и малые компьютеры, микро- и мини-компьютеры, суперминикомпьютеры и прочие остались в прошлом.

Впервые сообщения о проектировании компьютеров пятого поколения в 1982 г., когда была опубликована японская программа создания компьютеров данного поколения, намечаемых к выпуску в 90-х годах. Глав­ный упор при создании компьютеров сделан на их «интеллектуальность», т.е. если с первого по четвертое по­коление прогресс был связан в основном с развитием элементной базы, то здесь внимание акцентируется не столько на элементной базе, сколько на переходе от архитектуры, ориентированной на обработку данных, к архитектуре, ориентированной на обработку знаний. Обработка знаний – это одна из областей практического применения искусственного интеллекта, предполагающая использование и обработку  компьютером знаний, которыми владеет человек для решения проблем и принятия решений.  

 

Из анализа развития компьютерной техники можно выделить следующие закономерности развития компьютерных систем. Концепция развития получила признание во многих областях знаний и проявила в них высокую продуктивность. Применение концепции развития оказывается возможным к создаваемым человеком техническим системам различных классов, в том числе и к компьютерным системам. Эти закономерности можно описать следующим образом:

·         Несоответствие темпов эволюции функций и эволюции технологий. Анализ развития технических систем показывает, что темпы эволюции функций опережают темпы эволюции технологий. Всегда потребность общества в реализации новых функций опережает существующие возможности.

·         Взаимосвязь показателей качества компьютерных систем. Основные показатели качества компьютерных систем – характеристики производительности, энергетические характеристики, характеристики надежности и эффективности систем, экономические показатели – взаимосвязаны и взаимозависимы. Улучшение одной группы показателей качества, например, увеличение производительности, неизбежно приводит к ухудшению других – усложнению структуры, увеличению стоимости, снижению надежности.

·         Относительное и временное разрешение противоречий в компьютерных системах. Противоречия, возникающие в компьютерных системах в процессе их развития, разрешаются временно на определенных этапах существования систем конкретного класса и в дальнейшем проявляются в трансформированном виде на новом качественном уровне развития. На различных жизненных циклах компьютерных систем разработчикам приходится разрешать противоречия между функциональными возможностями и сложностью технической реализации соответствующих структур компьютерных систем, между объемом хранимой информации и быстродействием устройств памяти.

·         Повышение функциональной и структурной целостности компьютерных систем. Эта закономерность выражается в функциональной и структурной интеграции отдельных подсистем и сокращении числа промежуточных уровней и видов преобразования вещества, энергии и информации в процессе функционирования компьютерных систем.

·         Направленность процесса развития компьютерных систем. Развитие компьютерных систем всегда направлено на достижение высокой производительности, на повышение эффективности использования и усовершенствование способов общения пользователя с системой.

·         Преемственность функционально-структурной организации компьютерных систем. Компьютерные системы в своих различных конфигурациях воспроизводят предысторию своего развития (неймановскую архитектуру, узлы машины Бэббиджа и т.д.).

·         Адекватность функционально-структурной организации назначению системы. Эффективными и жизнеспособными являются системы, структура которых максимально соответствует реальным функциям.

·         Сжатие этапов развития компьютерных систем.

 

Контрольные вопросы

1.       В чем основное различие между аналоговыми и цифровыми системами?

2.       Назовите основные типы ЭВМ.

3.       Охарактеризуйте поколения ЭВМ. Какой принцип лежит в основе их выделения?

Скачано с www.znanio.ru