Развитие компьютерной техники

Содержание

История технологий и поколений ЭВМ

Механические предпосылки

Электромеханические вычислительные машины

Электронные лампы

ЭВМ 1-ого поколения. Эниак (ENIAC)

Транзисторы. ЭВМ 2-го поколения

Интегральные схемы. ЭВМ 3-го поколения

Сверхбольшие интегральные схемы (СБИС). ЭВМ 4-го поколения

История развития персональных ЭВМ (PC - Personal Computer)

Роль вычислительной техники в жизни человека

Заключение

Список литературы



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.



История технологий и поколений ЭВМ

Механические предпосылки

Начало развития технологий принято считать с Блеза Паскаля, который в 1642г. изобрел устройство, механически выполняющее сложение чисел. Его машина предназначалась для работы с 6-8 разрядными числами и могла только складывать и вычитать, а также имела лучший, чем все до этого, способ фиксации результата. Машина Паскаля имела размеры 36(13(8 сантиметров, этот небольшой латунный ящичек было удобно носить с собой. Инженерные идеи Паскаля оказали огромное влияние на многие другие изобретения в области вычислительной техники.

Следующего этапного результата добился выдающийся немецкий математик и философ Готфрид Вильгельм Лейбниц, высказавший в 1672 году идею механического умножения без последовательного сложения. Уже через год он представил машину, которая позволяла механически выполнять четыре арифметических действия, в Парижскую академию. Машина Лейбница требовала для установки специального стола, так как имела внушительные размеры: 100(30(20 сантиметров.

В 1812 году английский математик Чарльз Бэббидж начал работать над так называемой разностной машиной, которая должна была вычислять любые функции, в том числе и тригонометрические, а также составлять таблицы. Свою первую разностную машину Бэббидж построил в 1822 году и рассчитывал на ней таблицу квадратов, таблицу значений функции y=x2+x+41 и ряд других таблиц. Однако из-за нехватки средств эта машина не была закончена, и сдана в музей Королевского колледжа в Лондоне, где хранится и по сей день. Однако эта неудача не остановила Бэббиджа, и в 1834 году он приступил к новому проекту - созданию Аналитической машины, которая должна была выполнять вычисления без участия человека. С 1842 по 1848 год Бэббидж упорно работал, расходуя собственные средства. К сожалению, он не смог довести до конца работу по созданию Аналитической машины - она оказалась слишком сложной для техники того времени. Но заслуга Бэббиджа в том, что он впервые предложил и частично реализовал, идею программно-управляемых вычислений. Именно Аналитическая машина по своей сути явилась прототипом современного компьютера. Эта идея и ее инженерная детализация опередили время на 100 лет!

Уроженец Эльзаса Карл Томас, основатель и директор двух парижских страховых обществ в 1818 году сконструировал счетную машину, уделив основное внимание технологичности механизма, и назвал ее арифмометром. Уже через три года в мастерских Томаса было изготовлено 16 арифмометров, а затем и еще больше. Таким образом, Томас положил начало счетному машиностроению. Его арифмометры выпускали в течение ста лет, постоянно совершенствуя и меняя время от времени названия.

Начиная с XIX века, арифмометры получили очень широкое применение. На них выполнялись даже очень сложные расчеты, например, расчеты баллистических таблиц для артиллерийских стрельб. Существовала даже особая профессия - счетчик - человек, работающий с арифмометром, быстро и точно соблюдающий определенную последовательность инструкций (такую последовательность действий впоследствии стали называть программой). Но многие расчеты производились очень медленно, т.к. при таких расчетах выбор выполняемых действий и запись результатов производились человеком, а скорость его работы весьма ограничена. Первые арифмометры были дороги, ненадежны, сложны в ремонте и громоздки. Поэтому в России стали приспосабливать к более сложным вычислениям счеты. Например, в 1828 году генерал-майор Ф.М. Свободской выставил на обозрение оригинальный прибор, состоящий из множества счетов, соединенных в общей раме. Основным условием, позволявшим быстро вычислять, было строгое соблюдение небольшого числа единообразных правил. Все операции сводились к действиям сложения и вычитания. Таким образом, прибор воплощал в себе идею алгоритмичности.

Пожалуй, одно из последних принципиальных изобретений в механической счетной технике было сделано жителем Петербурга Вильгодтом Однером. Построенный Однером в 1890 году арифмометр фактически ничем не отличается от современных подобных ему машин. Почти сразу Однер с компаньоном наладил и выпуск своих арифмометров - по 500 штук в год. К 1914 году в одной только России насчитывалось более 22 тысяч арифмометров Однера. В первой четверти XX века эти арифмометры были единственными математическими машинами, широко применявшимися в различных областях деятельности человека. В России эти громко лязгающие во время работы машинки получили прозвище «Железный Феликс». Ими были оснащены практически все конторы.

Электромеханические вычислительные машины

В первые десятилетия XX века конструкторы обратили внимание на возможность применения в счетных устройствах новых элементов - электромагнитных реле. В 1941 году немецкий инженер Конрад Цузе, построил вычислительное устройство, работающее на таких реле.

Почти одновременно, в 1943 году, американец Говард Эйкен с помощью работ Бэббиджа на основе техники XX века - электромеханических реле - смог построить на одном из предприятий фирмы IBM легендарный гарвардский «Марк- 1» (а позднее еще и «Марк-2»). «Марк-1» имел в длину 15 метров и в высоту 2,5 метра, содержал 800 тысяч деталей, располагал 60 регистрами для констант, 72 запоминающими регистрами для сложения, центральным блоком умножения и деления, мог вычислять элементарные трансцендентные функции. Машина работала с 23-значными десятичными числами и выполняла операции сложения за 0,3 секунды, а умножения - за 3 секунды. Однако Эйкен сделал две ошибки: первая состояла в том, что обе эти машины были скорее электромеханическими, чем электронными; вторая - то, что Эйкен не придерживался той концепции, что программы должны храниться в памяти компьютера как и полученные данные.

Примерно в то же время в Англии начала работать первая вычислительная машина на реле, которая использовалась для расшифровки сообщений, передававшихся немецким кодированным передатчиком. К середине XX века потребность в автоматизации вычислений (в том числе для военных нужд - баллистики, криптографии и т.д.) стала настолько велика, что над созданием машин, подобных "Марк-1" и "Марк-2" работало несколько групп исследователей в разных странах.

Работа по созданию первой электронно-вычислительной машины была начата, по-видимому, в 1937 году в США профессором Джоном Атанасовым, болгарином по происхождению. Эта машина была специализированной и предназначалась для решения задач математической физики. В ходе разработок Атанасов создал и запатентовал первые электронные устройства, которые впоследствии применялись довольно широко в первых компьютерах. Полностью проект Атанасова не был завершен, однако через три десятка лет в результате судебного разбирательства профессора признали родоначальником электронной вычислительной техники.

Электронные лампы

В 1883 году Томас Эдисон, пытаясь продлить срок службы лампы с угольной нитью, ввел в ее вакуумный баллон платиновый электрод и пропустил через него положительное напряжение. Заметив, что в вакууме между электродом и нитью протекает ток он не смог найти никакого объяснения столь необычному явлению. Эдисон ограничился тем, что подробно описал его, на всякий случай взял патент и отправил лампу на Филадельфийскую выставку.

Американский изобретатель не распознал открытия исключительной важности - термоэлектронная эмиссия. Он не понял, что его лампа накаливания с платиновым электродом по существу была первой в мире электронной лампой.

Первым, кому пришла в голову мысль о практическом использовании «эффекта Эдисона» был английский физик Дж.А. Флеминг (1849 - 1945). Работая с 1882 года консультантом эдисоновской компании в Лондоне, он узнал о «явлении» от самого Эдисона. Свой диод - двухэлектродную лампу Флейминг создал в 1904 году.

В октябре 1906 года американский инженер Ли де Форест изобрёл электронную лампу - усилитель, или аудион, как он её тогда назвал, имевший третий электрод - сетку. Им был введён принцип, на основе которого строились все дальнейшие электронные лампы, - управление током, протекающим между анодом и катодом, с помощью других вспомогательных элементов.

В 1910 году немецкий инженеры Либен, Рейнс и Штраус сконструировали триод, сетка в котором выполнялась в форме перфорированного листа алюминия и помещалась в центре баллона, а чтобы увеличить эмиссионный ток, они предложили покрыть нить накала слоем окиси бария или кальция.

В 1911 году американский физик Ч. Д. Кулидж предложил применить в качестве покрытия вольфрамовой нити накала окись тория - оксидный катод - и получил вольфрамовую проволоку, которая произвела переворот в ламповой промышленности.

В 1915 году американский физик Ирвинг Ленгмюр сконструировал двухэлектронную лампу - кенотрон, применяемую в качестве выпрямительной лампы в источниках питания. В 1916 году ламповая промышленность стала выпускать особый тип конструкции ламп - генераторные лампы с водяным охлаждением.

Идея лампы с двумя сетками - тетрода была высказана в 1919 году немецким физиком Вальтером Шоттки и независимо от него в 1923 году - американцем Э. У. Халлом, а реализована эта идея англичанином Х. Дж. Раундом во второй половине 20-х годов.

В 1929 году голландские учёные Г. Хольст и Б. Теллеген создали электронную лампу с 3-мя сетками - пентод. В 1932 году был создан гептод, в 1933 - гексод и пентагрид, в 1935 году появились лампы в металлических корпусах. Дальнейшее развитие электронных ламп, улучшение их характеристик и функциональных возможностей привело к созданию на их основе совершенно новых электронных приборов.

ЭВМ 1-ого поколения. Эниак (ENIAC)

Начиная с 1943 года группа специалистов под руководством Говарда Эйкена, Дж. Моучли и П. Эккерта в США начала конструировать вычислительную машину на основе электронных ламп, а не на электромагнитных реле. Эта машина была названа ENIAC (Electronic Numeral Integrator And Computer) и работала она в тысячу раз быстрее, чем «Марк-1». ENIAC содержал 18 тысяч вакуумных ламп, занимал площадь 9(15 метров, весил 30 тонн и потреблял мощность 150 киловатт. ENIAC имел и существенный недостаток - управление им осуществлялось с помощью коммутационной панели, у него отсутствовала память, и для того чтобы задать программу приходилось в течение нескольких часов или даже дней подсоединять нужным образом провода. Худшим из всех недостатков была ужасающая ненадежность компьютера, так как за день работы успевало выйти из строя около десятка вакуумных ламп.

Чтобы упростить процесс задания программ, Моучли и Эккерт стали конструировать новую машину, которая могла бы хранить программу в своей памяти. В 1945 году к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман, который подготовил доклад об этой машине. В этом докладе фон Нейман ясно и просто сформулировал общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств, т.е. компьютеров. Это первая действующая машина, построенная на вакуумных лампах, официально была введена в эксплуатацию 15 февраля 1946 года. Эту машину пытались использовать для решения некоторых задач, подготовленных фон Нейманом и связанных с проектом атомной бомбы. Затем она была перевезена на Абердинский полигон, где работала до 1955 года.

ENIAC стал первым представителем 1-го поколения компьютеров. Любая классификация условна, но большинство специалистов согласилось с тем, что различать поколения следует исходя из той элементной базы, на основе которой строятся машины. Таким образом, первое поколение представляется ламповыми машинами.

Устройство и работа компьютера по «принципу фон Неймана»

Необходимо отметить огромную роль американского математика фон Неймана в становлении техники первого поколения. Нужно было осмыслить сильные и слабые стороны ENIAC и дать рекомендации для последующих разработок. В отчете фон Неймана и его коллег Г. Голдстайна и А.Беркса (июнь 1946 года) были четко сформулированы требования к структуре компьютеров. Отметим важнейшие из них:

машины на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления;

программа, как и исходные данные, должна размещаться в памяти машины;

программа, как и числа, должна записываться в двоичном коде;

трудности физической реализации запоминающего устройства, быстродействие которого соответствует скорости работы логических схем, требуют иерархической организации памяти (то есть выделения оперативной, промежуточной и долговременной памяти);

арифметическое устройство (процессор) конструируется на основе схем, выполняющих операцию сложения; создание специальных устройств для выполнения других арифметических и иных операций нецелесообразно;

в машине используется параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над числами производятся одновременно по всем разрядам).

На следующем рисунке показано, каковы должны быть связи между устройствами компьютера согласно принципам фон Неймана (одинарные линии показывают управляющие связи, пунктир - информационные).

Практически все рекомендации фон Неймана впоследствии использовались в машинах первых трех поколений, их совокупность получила название «архитектура фон Неймана». Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 году английским исследователем Морисом Уилксом. С той поры компьютеры стали гораздо более мощными, но подавляющее большинство из них сделано в соответствии с теми принципами, которые изложил в своем докладе в 1945 года Джон фон Нейман.

Новые машины первого поколения сменяли друг друга довольно быстро. В 1951 году заработала первая советская электронная вычислительная машина МЭСМ, площадью около 50 квадратных метров. МЭСМ имела 2 вида памяти: оперативное запоминающее устройство, в виде 4 панелей высотой в 3 метра и шириной 1 метр; и долговременная память в виде магнитного барабана объемом 5000 чисел. Всего в МЭСМ было 6000 электронных ламп, а работать с ними можно было только после 1,5-2 часов после включения машины. Ввод данных осуществлялся с помощью магнитной ленты, а вывод - цифропечатающим устройством сопряженным с памятью. МЭСМ могла выполнять 50 математических операций в секунду, запоминать в оперативной памяти 31 число и 63 команды (всего было 12 различных команд), и потребляла мощность равную 25 киловаттам.

В 1952 году на свет появилась американская машина EDWAC. Стоит также отметить построенный ранее, в 1949 году, английский компьютер EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator) - первую машину с хранимой программой. В 1952 году советские конструкторы ввели в эксплуатацию БЭСМ - самую быстродействующую машину в Европе, а в следующем году в СССР начала работать «Стрела» - первая в Европе серийная машина высокого класса. Среди создателей отечественных машин в первую очередь следует назвать имена С.А. Лебедева, Б.Я. Базилевского, И.С. Брука, Б.И. Рамеева, В.А. Мельникова, М.А. Карцева, А.Н. Мямлина. В 50-х годах появились и другие ЭВМ: «Урал», М- 2, М-3, БЭСМ-2, «Минск-1», - которые воплощали в себе все более прогрессивные инженерные решения.

Проекты и реализация машин «Марк-1», EDSAC и EDVAC в Англии и США, МЭСМ в СССР заложили основу для развёртывания работ по созданию ЭВМ вакуумноламповой технологии - серийных ЭВМ первого поколения. Разработка первой электронной серийной машины UNIVAC (Universal Automatic Computer) была начата примерно в 1947 г. Эккертом и Маучли. Первый образец машины (UNIVAC-1) был построен для бюро переписи США и пущен в эксплуатацию весной 1951 г. Синхронная, последовательного действия вычислительная машина UNIVAC- 1 создана на базе ЭВМ ENIAC и EDVAC. Работала она с тактовой частотой 2,25 МГц и содержала около 5000 электронных ламп.

По сравнению с США, СССР и Англией развитие электронной вычислительной техники в Японии, ФРГ и Италии задержалось. Первая японская машина "Фуджик" была введена в эксплуатацию в 1956 году, серийное производство ЭВМ в ФРГ началось лишь в 1958 году.

Возможности машин первого поколения были достаточно скромны. Так, быстродействие их по нынешним понятиям было малым: от 100 («Урал-1») до 20 000 операций в секунду (М-20 в 1959 году). Эти цифры определялись в первую очередь инерционностью вакуумных ламп и несовершенством запоминающих устройств. Объем оперативной памяти был крайне мал - в среднем 2 048 чисел (слов), этого не хватало даже для размещения сложных программ, не говоря уже о данных. Промежуточная память организовывалась на громоздких и тихоходных магнитных барабанах сравнительно небольшой емкости (5 120 слов у БЭСМ-1). Медленно работали и печатающие устройства, а также блоки ввода данных. Если же остановиться подробнее на устройствах ввода-вывода, то можно сказать, что с начала появления первых компьютеров выявилось противоречие между высоким быстродействием центральных устройств и низкой скоростью работы внешних устройств. Кроме того, выявилось несовершенство и неудобство этих устройств. Первым носителем данных в компьютерах, как известно, была перфокарта. Затем появились перфорационные бумажные ленты или просто перфоленты. Они пришли из телеграфной техники после того, как в начале XIX в. отец и сын из Чикаго Чарлз и Говард Крамы изобрели телетайп.

ЭВМ первого поколения, эти жесткие и тихоходные вычислители, были пионерами компьютерной техники. Они довольно быстро сошли со сцены, так как не нашли широкого коммерческого применения из-за ненадежности, высокой стоимости, трудности программирования.

Транзисторы. ЭВМ 2-го поколения

Элементной базой второго поколения стали полупроводники. Без сомнения, транзисторы можно считать одним из наиболее впечатляющих чудес XX века.

Патент на открытие транзистора был выдан в 1948 году американцам Д. Бардину и У.Браттейну, а через восемь лет они вместе с теоретиком В. Шокли стали лауреатами Нобелевской премии. Скорости переключения уже первых транзисторных элементов оказались в сотни раз выше, чем ламповых, надежность и экономичность - тоже. Впервые стала широко применяться память на ферритовых сердечниках и тонких магнитных пленках, были опробованы индуктивные элементы - параметроны.

Первая бортовая ЭВМ для установки на межконтинентальной ракете - «Атлас» - была введена в эксплуатацию в США в 1955 году. В машине использовалось 20 тысяч транзисторов и диодов, она потребляла 4 киловатта. В 1961 году наземные компьютеры «стретч» фирмы «Бэрроуз» управляли космическими полетами ракет «Атлас», а машины фирмы IBM контролировали полет астронавта Гордона Купера. Под контролем ЭВМ проходили полеты беспилотных кораблей типа «Рейнджер» к Луне в 1964 году, а также корабля «Маринер» к Марсу. Аналогичные функции выполняли и советские компьютеры.

В 1956 г. фирмой IBM были разработаны плавающие магнитные головки на воздушной подушке. Изобретение их позволило создать новый тип памяти - дисковые запоминающие устройства, значимость которых была в полной мере оценена в последующие десятилетия развития вычислительной техники. Первые запоминающие устройства на дисках появились в машинах IBM-305 и RAMAC. Последняя имела пакет, состоявший из 50 металлических дисков с магнитным покрытием, которые вращались со скоростью 12000 об/мин. НА поверхности диска размещалось 100 дорожек для записи данных, по 10000 знаков каждая.

Первые серийные универсальные ЭВМ на транзисторах были выпущены в 1958 году одновременно в США, ФРГ и Японии.

В Советском Союзе первые безламповые машины «Сетунь», «Раздан» и «Раздан-2» были созданы в 1959-1961 годах. В 60-х годах советские конструкторы разработали около 30 моделей транзисторных компьютеров, большинство которых стали выпускаться серийно. Наиболее мощный из них - «Минск-32» выполнял 65 тысяч операций в секунду. Появились целые семейства машин: «Урал», «Минск», БЭСМ.

Рекордсменом среди ЭВМ второго поколения стала БЭСМ-6, имевшая быстродействие около миллиона операций в секунду - одна из самых производительных в мире. Архитектура и многие технические решения в этом компьютере были настолько прогрессивными и опережающими свое время, что он успешно использовался почти до нашего времени.

Специально для автоматизации инженерных расчетов в Институте кибернетики Академии наук УССР под руководством академика В.М. Глушкова были разработаны компьютеры МИР (1966) и МИР-2 (1969). Важной особенностью машины МИР-2 явилось использование телевизионного экрана для визуального контроля информации и светового пера, с помощью которого можно было корректировать данные прямо на экране.

Построение таких систем, имевших в своем составе около 100 тысяч переключательных элементов, было бы просто невозможным на основе ламповой техники. Таким образом, второе поколение рождалось в недрах первого, перенимая многие его черты. Однако к середине 60-х годов бум в области транзисторного производства достиг максимума - произошло насыщение рынка. Дело в том, что сборка электронного оборудования представляла собой весьма трудоемкий и медленный процесс, который плохо поддавался механизации и автоматизации. Таким образом, созрели условия для перехода к новой технологии, которая позволила бы приспособиться к растущей сложности схем путем исключения традиционных соединений между их элементами.

Интегральные схемы. ЭВМ 3-го поколения

Приоритет в изобретении интегральных схем, ставших элементной базой ЭВМ третьего поколения, принадлежит американским ученым Д. Килби и Р. Нойсу, сделавшим это открытие независимо друг от друга. Массовый выпуск интегральных схем начался в 1962 году, а в 1964 начал быстро осуществляться переход от дискретных элементов к интегральным. Упоминавшийся выше ЭНИАК размерами 9(15 метров в 1971 году мог бы быть собран на пластине в 1,5 квадратных сантиметра. Началось перевоплощение электроники в микроэлектронику.

Несмотря на успехи интегральной техники и появление мини-ЭВМ, в 60-х годах продолжали доминировать большие машины. Таким образом, третье поколение компьютеров, зарождаясь внутри второго, постепенно вырастало из него.

Первая массовая серия машин на интегральных элементах стала выпускаться в 1964 году фирмой IBM. Эта серия, известная под названием IBM- 360, оказала значительное влияние на развитие вычислительной техники второй половины 60-х годов. Она объединила целое семейство ЭВМ с широким диапазоном производительности, причем совместимых друг с другом. Последнее означало, что машины стало возможно связывать в комплексы, а также без всяких переделок переносить программы, написанные для одной ЭВМ, на любую другую из этой серии. Таким образом, впервые было выявлено коммерчески выгодное требование стандартизации аппаратного и программного обеспечения ЭВМ.

В СССР первой серийной ЭВМ на интегральных схемах была машина «Наири- 3», появившаяся в 1970 году. Со второй половины 60-х годов Советский Союз совместно со странами СЭВ приступил к разработке семейства универсальных машин, аналогичного системе ibm-360. В 1972 году началось серийное производство стартовой, наименее мощной модели Единой Системы - ЭВМ ЕС- 1010, а еще через год - пяти других моделей. Их быстродействие находилась в пределах от десяти тысяч (ЕС-1010) до двух миллионов (ЕС-1060) операций в секунду.

В рамках третьего поколения в США была построена уникальная машина «ИЛЛИАК-4», в составе которой в первоначальном варианте планировалось использовать 256 устройств обработки данных, выполненных на монолитных интегральных схемах. Позднее проект был изменен, из-за довольно высокой стоимости (более 16 миллионов долларов). Число процессоров пришлось сократить до 64, а также перейти к интегральным схемам с малой степенью интеграции. Сокращенный вариант проекта был завершен в 1972 году, номинальное быстродействие «ИЛЛИАК-4» составило 200 миллионов операций в секунду. Почти год этот компьютер был рекордсменом в скорости вычислений.

Именно в период развития третьего поколения возникла чрезвычайно мощная индустрия вычислительной техники, которая начала выпускать в больших количествах ЭВМ для массового коммерческого применения. Компьютеры все чаще стали включаться в информационные системы или системы управления производствами. Они выступили в качестве очевидного рычага современной промышленной революции.

Сверхбольшие интегральные схемы (СБИС). ЭВМ 4-го поколения

Начало 70-х годов знаменует переход к компьютерам четвертого поколения - на сверхбольших интегральных схемах (СБИС). Другим признаком ЭВМ нового поколения являются резкие изменения в архитектуре.

Техника четвертого поколения породила качественно новый элемент ЭВМ - микропроцессор. В 1971 году пришли к идее ограничить возможности процессора, заложив в него небольшой набор операций, микропрограммы которых должны быть заранее введены в постоянную память. Оценки показали, что применение постоянного запоминающего устройства в 16 килобит позволит исключить 100-200 обычных интегральных схем. Так возникла идея микропроцессора, который можно реализовать даже на одном кристалле, а программу в его память записать навсегда. В то время в рядовом микропроцессоре уровень интеграции соответствовал плотности, равной примерно 500 транзисторам на один квадратный миллиметр, при этом достигалась очень хорошая надежность.

К середине 70-х годов положение на компьютерном рынке резко и непредвиденно стало изменяться. Четко выделились две концепции развития ЭВМ. Воплощением первой концепции стали суперкомпьютеры, а второй - персональные ЭВМ.

Из больших компьютеров четвертого поколения на сверхбольших интегральных схемах особенно выделялись американские машины «Крей-1» и «Крей-2», а также советские модели «Эльбрус-1» и «Эльбрус-2». Первые их образцы появились примерно в одно и то же время - в 1976 году. Все они относятся к категории суперкомпьютеров, так как имеют предельно достижимые для своего времени характеристики и очень высокую стоимость.

В машинах четвертого поколения сделан отход от архитектуры фон Неймана, которая была ведущим признаком подавляющего большинства всех предыдущих компьютеров.

Многопроцессорные ЭВМ, в связи с громадным быстродействием и особенностями архитектуры, используются для решения ряда уникальных задач гидродинамики, аэродинамики, долгосрочного прогноза погоды и т.п. Наряду с суперкомпьютерами в состав четвертого поколения входят многие типы мини- ЭВМ, также опирающиеся на элементную базу из сверхбольших интегральных схем.

История развития персональных ЭВМ (PC - Personal Computer)

Хотя и персональные компьютеры относятся к ЭВМ 4-го поколения, все же возможность их широкого распространения, несмотря на достижения технологии СБИС, оставалась бы весьма небольшой.

В 1970 году был сделан важный шаг на пути к персональному компьютеру - Маршиан Эдвард Хофф из фирмы Intеl сконструировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большого компьютера. Так появился первый микропроцессор Intеl 4004, который был выпущен в продажу в 1971 г. Это был настоящий прорыв, ибо микропроцессор Intеl 4004 размером менее 3 см был производительнее гигантских машин 1-го поколения. Правда, возможности Intе1 4004 были куда скромнее, чем у центрального процессора больших компьютеров того времени, - он работал гораздо медленнее и мог обрабатывать одновременно только 4 бита информации (процессоры больших компьютеров обрабатывали 16 или 32 бита одновременно), но и стоил он в десятки тысяч раз дешевле. Но рост производительности микропроцессоров не заставил себя ждать.

В 1972 году появился 8-битный микропроцессор Intel 8008. Размер его регистров соответствовал стандартной единице цифровой информации - байту. Процессор Intel 8008 являлся простым развитием Intel 4004.

Но в 1974 году был создан гораздо более интересный микропроцессор Intel 8080. С самого начала разработки он закладывался как 8-битный чип. У него было более широкое множество микрокоманд (множество микрокоманд 8008 было расширено). Кроме того, это был первый микропроцессор, который мог делить числа. И до конца 70-х годов микропроцессор Intel 8008 стал стандартом для микрокомпьютерной индустрии.

Несколько инженеров фирмы имели идеи по усовершенствованию 8080. Они покинули Intel, чтобы реализовать их. Ими была организована Zilog Corporation, которая подарила миру микропроцессор Z80. В действительности Z80 являлся дальнейшей разработкой микропроцессора 8080. Было просто увеличено число его команд, что позволило создать и использовать на персональных компьютерах стандартные операционные системы.

И хотя в 1973 году на рынке и господствовала горстка производителей, в том числе ibm, dec, hewlett-Packard, и их доходы этих фирм исчислялись миллиардами долларов и основывались, главным образом, на больших системах (мэйнфреймах) и миникомпьютерах, но до них еще не дошла важность микропроцессоров, и компании не строили планы об использовании этого новшества. Это оставило щелку для мелких предпринимателей, которые незамедлительно разработали новую технологию, радикально изменившую стандарты конструирования и применения компьютеров.

Кроме того, огромную роль в популяризации персональных компьютеров сыграли компьютерные журналы. Такие издания как «Radio Electronics» и «Popular Electronics» разжигали интерес к потенциалу микрокомпьютеров. По всей территории США возникли клубы любителей. Самым примечательным был компьютерный клуб Homebrew, образованный в марте 1975 года в Менло-Парке (штат Калифорния). В состав его первых членов входили Стив Джобс и Стив Возняк, позднее основавшие компанию Apple Macintosh.

Поэтому, когда появился первый микрокомпьютер, на него сразу же возник огромный спрос среди тысяч любителей, интерес которых подпитывался ежемесячно появлявшимися статьями в журналах.

Этим первым микрокомпьютером был «Altair-8800», созданный в 1974 году небольшой компанией в Альбукерке (штат Нью-Мексико). История его создания такова: Эд Робертс, организовавший в 1968 году компанию MITS (Micro Instrumentation and Telemetry Systems), занимался производством калькуляторов. В 1973 году вследствие жесткой конкуренции со стороны Texas Instruments он оказался на грани банкротства, и вынужден был искать новую нишу на рынке. Робертса заинтересовал микропроцессор 8080, выпущенный Intel в апреле 1974 года, и уверенный в том, что этот микропроцессор может стать основой микрокомпьютера, он сам создал такую машину.

Этот компьютер продавался по цене около 500 дол. И хотя возможности его были весьма ограничены (оперативная память составляла всего 256 байт, клавиатура и экран отсутствовали), а также имелись серьезные недостатки по эксплуатации, «Altair-8800» стал бестселлером. Тысячи любителей, всегда мечтавших о собственном компьютере, безрассудно заказывали практически бесполезную для себя вещь. Так, из маленького американского городка, началось триумфальное шествие персонального компьютера по миру, изменяя жизнь, быт и даже мышление людей.

Позже покупатели сами снабжали этот компьютер дополнительными устройствами: монитором для вывода информации, клавиатурой, блоками расширения памяти и т.д. Вскоре эти устройства стали выпускаться другими фирмами. В конце 1975 году Пол Аллен и Билл Гейтс (будущие основатели фирмы Мicrosoft) создали для компьютера «Альтаир» интерпретатор языка Ваsic (Бейсик), что позволило пользователям достаточно просто общаться с компьютером и легко писать для него программы. Это также способствовало популярности персональных компьютеров.

Успех Альтаир-8800 заставил многие фирмы также заняться производством персональных компьютеров. Персональные компьютеры стали продаваться уже в полной комплектации, с клавиатурой и монитором, спрос на них составил десятки, а затем и сотни тысяч штук в год.

В 1979 году фирма Intel выпустила новый микропроцессор Intel 8086/8088. Тогда же и появился первый сопроцессор Intel 8087. Тактовые частоты на которых мог работать микропроцессор Intel-8086/8088: 4.77, 8 и 10 МГц.

В конце 70-х годов распространение персональных компьютеров даже привело к некоторому снижению спроса на большие компьютеры и мини- компьютеры (мини-ЭВМ). Это стало предметом серьезного беспокойства фирмы IВМ - ведущей компании по производству больших компьютеров, и в 1979 году фирма IВМ решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров.

Прежде всего, в качестве основного микропроцессора компьютера был выбран новейший тогда 16-разрядный микропроцессор Intе1 8088. Его использование позволило значительно увеличить потенциальные возможности компьютера, так как новый микропроцессор позволял работать с 1 Мбайтом памяти, а все имевшиеся тогда компьютеры были ограничены 64 Кбайтами. В компьютере были использованы и другие комплектующие различных фирм, а его программное обеспечение было поручено разработать небольшой тогда еще фирме Microsoft. И таким образом в 1981 году появилась первая версия операционной системы для компьютера IBM РС - MS DOS 1.0. В дальнейшем по мере совершенствования компьютеров IВМ РС выпускались и новые версии DOS, учитывающие новые возможности компьютеров и предоставляющие дополнительные удобства пользователю.

В августе 1981 г. новый компьютер под названием «IВМ Personal Computer» был официально представлен публике и вскоре после этого он приобрел большую популярность у пользователей. IBM PC имел 64 Кб оперативной памяти, магнитофон для загрузки/сохранения программ и данных, дисковод и встроенную версию языка BASIС.

Через один-два года компьютер IВМ РС занял ведущее место на рынке, вытеснив модели 8-битовых компьютеров.

Если бы IВМ РС был сделан так же, как другие существовавшие во время его появления компьютеры, он бы устарел через два-три года, и мы давно бы уже о нем забыли.

Однако с компьютерами IВМ РС получилось по-другому. Фирма IВМ не сделала свой компьютер единым неразъемным устройством и не стала защищать его конструкцию патентами. Наоборот, она собрала компьютер из независимо изготовленных частей и не стала держать спецификации этих частей и способы их соединения в секрете. Напротив, принципы конструкции IВМ РС были доступны всем желающим. Этот подход, называемый «принципом открытой архитектуры», обеспечил потрясающий успех компьютеру IВМ РС, хотя и лишил фирму IВМ возможности единолично пользоваться плодами этого успеха. Вот как открытость архитектуры IВМ РС повлияла на развитие персональных компьютеров:

1. Перспективность и популярность IВМ РС сделала весьма привлекательным производство различных комплектующих и дополнительных устройств для IВМ РС. Конкуренция между производителями привела к удешевлению комплектующих и устройств.

2. Очень скоро многие фирмы перестали довольствоваться ролью производителей комплектующих для IВМ РС и начали сами собирать компьютеры, совместимые с IВМ РС. Поскольку этим фирмам не требовалось нести огромные издержки фирмы IВМ на исследования и поддержание структуры громадной фирмы, они смогли продавать свои компьютеры значительно дешевле (иногда в 2-3 раза) аналогичных компьютеров фирмы IВМ.

3. Пользователи получили возможность самостоятельно модернизировать свои компьютеры и оснащать их дополнительными устройствами сотен различных производителей.

Итак, после начала широкого внедрения персональных компьютеров в повседневную жизнь, продолжилось быстрое развитие вычислительной техники. Остановимся на наиболее важном элементе: микропроцессор - это эффективный с технологической и экономической точки зрения инструмент для переработки возрастающих потоков информации.

Новое поколение микропроцессоров идет на смену предыдущему каждые два года и морально устаревает за 3-4 года. Микропроцессор вместе с другими устройствами микроэлектроники позволяют создать довольно экономичные информационные системы.

Причина такой популярности микропроцессора состоит в том, что с их появлением отпала необходимость в специальных схемах обработки информации, достаточно запрограммировать её функцию и ввести в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) микропроцессора.

Через короткий отрезок времени модель IBM PC была усовершенствована. Новая модификация получила название «расширенного» IВМ РС/ХТ (Рersonal Соmрuter/еХТеnded version). В данной модификации производители отказались от использовании магнитофона в качестве накопителя информации, добавили второй дисковод гибких дисков, а также возможность использования жесткого диска емкостью 10-30 МБ. В настоящее время наличие жесткого диска в ПК ХТ является практически обязательным. Модель базировалась на использовании того же микропроцессора - Intel 8088.

В 1982 году фирма Intel выпустила новый микропроцессор Intel 80286, который имел 134 тыс. транзисторов и был разработан по 1,5 микронной технологии (микрон - микрометр или мкм). Он мог работать с 16 Мб оперативной памяти на частотах: 8, 12 и 16 МГц. Его принципиальное новшество - защищенный режим и виртуальная память размером до 1 Гб - не нашли массового применения, процессор большей частью использовался как очень быстрый 8088.

В том же году была выпущена новая модель компьютеров по названием IВМ РС/АТ (Рersonal Computer/Аdvanced Technology - «ПК усовершенствованной технологии»). В связи с использованием нового микропроцессора с сопроцессором 80287 производительность системы возросла более чем вдвое. Она укомплектована дисководами гибких дисков нового типа (с утроенным объемом хранимой информации), жестким диском от 40 МБ и выше. Шина материнской платы ПК расширена до 16 бит.

Накал конкурентной борьбы заставил разработчиков IВМ в конечном счете отказаться от принципа "открытой архитектуры". Новое семейство моделей ПК IВМ получило название РS/2 (Рersonal System 2 - «персональная система/2»). Она абсолютно несовместима с первым поколением на аппаратном уровне, но сохраняет совместимость на уровне программного обеспечением. В модели РS/2 фирма IВМ заявила о своем переходе на новую шинную архитектуру - микроканальную (Мiсrо Сhannel Аrchitecture, МСА). Это позволило отгородиться от сторонних производителей, но ограничило потребителей в выборе: все дополнительные устройства для этих ПК выпускала только сама IВМ; другие фирмы ее практически не поддерживали. Первые модели семейства РS/2 использовали микропроцессор Intel 80286 и фактически копировали ПК АТ, но на базе иной архитектуры.

В 1985 году появился Intel 80386SX и Intel 80386DX. Он открыл класс 32- разрядных процессоров. Микропроцессор Intel 80386 имел 275 тыс. транзисторов и изготавливался по технологии 1,5 мкм. Адресуемое пространство оперативной памяти увеличилось до 4 Гб вследствие увеличения разрядности процессора с 16 бит до 32 бит. Новый микропроцессор работал на частотах: 16, 20-40 МГц.

Новая модель ПК на базе очередном поколения микропроцессоров Intel 80386 (ПК 386) была впервые разработана уже не IВМ, а фирмой Соmpaq. Этот ПК может работать в реально многозадачном и многопользовательском режиме. С некоторым запозданием IВМ выпустила компьютер такого класса - новую модель семейства РS/2. На деле, надежды фирмы IВМ, возлагавшиеся на концепцию новой архитектуры РS/2 - так называемую микроканальную (действительно более прогрессивную в смысле скорости обмена данными), - пока коммерчески не оправдались. Пользователи-неспециалисты оказались практичнее профессионалов и не захотели приобретать ПК, новая конструкция которых не поддержана другими производителями дополнительных устройств. Другие производители (в их числе такие гиганты, как Соmpaq, Zenith, АSТ, Арricot и др.) разработали модели ПК 386 на основе использования прежней архитектуры. С этот момента фирма IВМ, породившая ПК как идеологию, перестала быть его самым популярным производителем. Сотни фирм в десятках стран мира производят модели клона IBМ, включая модель с микропроцессором Intel 80386, причем эти модели раскупаются едва ли не охотнее, чем РS/2 фирмы IВМ. Первое место среди различных вариантов модели ПК 386 (данные 1989 года) занимает микрокомпьютер Соmраq DeskPro/386.

В 1987 г. фирма Microsoft разработала версию 3.3 (3.30) операционной системы MS DOS, которая стала фактическим стандартом на последующие 3-4 года. Эта версия весьма компактна и обладает достаточным набором возможностей, так что на «стандартной IВМ РС АТ» и теперь ее эксплуатация вполне целесообразна.

В 1989 году Intel выпустила новый микропроцессор 80486SX/DX/DX2, имевшие 1,2 млн транзисторов на кристалле, изготовленному по технологии 1 мкм. От 386-го существенно отличается размещением на кристалле первичного кэша и встроенного математического сопроцессора 80487. Микропроцессоры 80486 по-прежнему могли адресовать до 4 Гб оперативной памяти и работали на частотах: 25, 33, 50 и 66 МГц.

После освоения производства процессора Intel 80486 в выпуске моделей ПК 486 лидировали Арricot и Соmpaq, затем - АSТ, Zenith и другие, а сама IВМ неохотно выпускала ПК с этими микропроцессорами.

В июне 1991 года Microsoft выпускает MS-DOS 5.0, который имеет свои особенности: обладает улучшенными интерфейсами меню оболочки, полноэкранным редактором, утилитами на диске и возможностью смены задач. Последующие версии MS-DOS 6.0, MS-DOS 6.21 и MS-DOS 6.22 кроме стандартного набора программ имеют в своем составе программы для резервного копирования, антивирусную программу и другие усовершенствования в операционной системе.

В 1992 году появляется процессор Intel 80486DX4, который работает на учетверенной частоте внешней шины, что позволило увеличить тактовую частоту процессора до 100 МГц.

Следующие основные даты развития операционных систем фирмы Microsoft шли одновременно с развитием аппаратной части персонального компьютера.

6 апреля 1992 - выход Windows 3.1. В ней исправлено множество ошибок, повышена стабильность, добавлены некоторые новые возможности, в том числе масштабируемые шрифты TrueType. Windows 3.x становится самой популярной в США (по числу инсталляций) операционной средой для ПК и остается таковой до 1997г.

27 октября 1992 - выход Windows for Workgroups 3.1. В ней интегрируются функции, ориентированные на обслуживание сетевых пользователей и рабочих групп, в том числе доставки электронной почты, совместного использования файлов и принтеров и календарного планирования. Версия 3.1 стала предвестником бума малых локальных сетей, но потерпела коммерческую неудачу, получив обидное прозвище «Windows for Warehouse» («Windows для складов»).

24 мая 1993 - выпуск Windows NT (сокращение от New Technology - новая технология). Для функционирования первой версии 3.1, изначально ориентированной на аудиторию взыскательных пользователей и рынок серверов, требуется ПК высокого класса; кроме того, продукт не свободен от шероховатостей. Однако Windows NT хорошо принята разработчиками благодаря ее повышенной защищенности, стабильности и развитому API - интерфейсу Win32, упрощающему составлению мощных программ. Проект начинается как OS/2 3.0, но в итоге исходный текст продукта был полностью переработан.

8 ноября 1993 - выпуск Windows for Workgrounds 3.11. В ней обеспечена более полная совместимость с NetWare и Windows NT; кроме того, в архитектуру ОС внесены многие изменения, направленные на повышение производительности и стабильности и позднее нашедшее применения в Windows 95. Продукт был гораздо более доброжелательно встречен корпоративной Америкой.

В 1993 году появились первые процессоры Pentium с частотой 60 и 66 МГц - это были 32-разрядные процессоры с 64-битной шиной данных. Pentium имел 3,1 млн. транзисторов, и был изготовлен по технологии 0,8 мкм; питание 5В. От 486-го его принципиально отличается суперскалярной архитектурой - способностью за один такт выпускать с конвейеров до двух инструкций. Интерес к процессору со стороны производителей и покупателей PC сдерживался его очень высокой ценой. Кроме того, возник скандал с обнаружением ошибки сопроцессора. Хотя фирма Intel математически обосновала не высокую вероятность ее проявления (раз в несколько лет), она все-таки пошла на бесплатную замену уже проданных процессоров на исправленные.

Процессоры Pentium с частотой 75, 90 и 100 МГц, появившиеся в 1994 году, представили уже второе поколение процессоров Pentium (семейство P6). При почти том же числе транзисторов они выполнялись по технологии 0,6 мкм, что позволило снизить потребляемую мощность. От первого поколения они отличались внутреннем умножением частоты и имели другой тип корпуса. Была введена новая шина, которой до этого оснащались большие ЭВМ и в одном ПК могли присутствовать до 4-х процессоров Р6. Появились версии (75 МГц в миниатюрном корпусе) для мобильных применений (блокнотные ПК). Процессоры Pentium второго поколения стали весьма популярны в PC. В 1995 году появились процессоры на 120 и 133 МГЦ, выполненные уже по технологии 0,35 мкм. 1996-й называют годом Pentium - появились процессоры на 150, 166 и 200 МГц, и Pentium стал рядовым процессором для PC широкого применения.

24 августа 1995 года после многочисленных задержек и без беспрецедентной для программного продукта рекламной шумихи на рынке выходит Windows 95. Потеряв голову, в очередях за ней стоят даже люди, не имеющие компьютера. Windows 95 - самая дружественная пользователю версия Windows для инсталляции которой не требуется предварительно устанавливать DOS; ее появление делает ПК более доступным массовому потребителю. Благодаря значительно усовершенствованному интерфейсу наконец-то ликвидировано отставание от платформы Мас и компьютеры Мас оказываются окончательно оттесненными в узкую нишу рынка. В Windows 95 имеется встроенный набор протоколов TCP/IP, утилита Dial-Up Net-working и допускается использование длинных имен файлов.

Параллельно с Pentium развился и процессор Pentium Pro, который отличался новшествами «динамического исполнения инструкций». Кроме того, в его корпусе разместили и вторичный кэш, для начала объемом 256 Кб. Однако на 16-битных приложениях, а также в среде Windows 95 его применение не дало преимуществ. Процессор содержал 5,5 млн. транзисторов ядра, и 15,5 млн. транзисторов для вторичного кэша объемом 256 Кб. Первый процессор с частотой 150 МГц появился в начале 1995 года (технология 0,6 мкм), а уже в конце года появились процессоры с частотой 166, 180, 200 МГц (технология 0,35 мкм), у которых кэш достигал 512 Кб.

После долгих обещаний в начале 1997 года появились процессоры Pentium MMX. Расширение ММХ предполагает параллельную обработку группы операндов одной инструкцией. Технология ММХ призвана ускорять выполнение мультимедийных приложений, в частности операции с изображениями и обработку сигналов. Ее эффективность вызывает споры в среде разработчиков, поскольку выигрыш в самих операциях обработки компенсируется проигрышем на дополнительных операциях упаковки-распаковки. Кроме того, ограниченная разрядность ставит под сомнение применение ММХ в декодерах MPEG-2, в которых требуется обработка 80-битных операндов. Кроме расширения ММХ эти процессоры, по сравнению с обычным Pentium, имеют удвоенный объем первичного кэша, и некоторые элементы архитектуры, позаимствованные у Pentium Pro, что повышает производительность процессора Pentium ММХ и на обычных приложениях. Процессоры Pentium ММХ имеют 4,5 млн транзисторов и выполнены по технологии - 0,35 мкм. По состоянию на июнь 1997 года имеются процессоры с тактовыми частотами 166, 200 и 233 МГц.

Технология ММХ была соединена с архитектурой Pentium Pro - и в мае 1997 года появился процессор Pentium II. Он представляет собой слегка урезанный вариант ядра Pentium Pro с более высокой внутренней тактовой частотой, в которое внесли поддержку ММХ. Трудности размещения вторичного кэша в одном корпусе с процессором преодолели нехитрым способом - кристалл с ядром процессора и набор кристаллов статической памяти и дополнительных схем, реализующих вторичный кэш, разместили на небольшой печатной плате- картридже. Все кристаллы закрыты общей специальной крышкой и охлаждаются специальным вентилятором. Тактовые частоты ядра - 233, 266 и 300 МГц.

Конечно же, перечисленным моделями не исчерпывается весь мировой ассортимент микропроцессоров. Это только представители семейства процессоров, имеющих обобщенное название х86. Ряд фирм (DEC, Motorola, Texas Instruments и другие) имеют разработки, существенно отличающиеся от данного семейства; есть другие классы процессоров и у Intel. Среди них есть гораздо более мощные процессоры относящиеся, к таким классам как RISC, так и CISC архитектуру. Однако процессоры Pentium особенно с поддержкой ММХ, имеют самую сложную в мире систему команд.

Процессоры, совместимые с семейством х86, выпускаются не только фирмой Intel. Традиционный конкурент - AMD - выпускает совместимые процессоры обычного несколько позже, но заметно дешевле, иногда по ряду технических свойств они даже опережают аналогичные процессоры Intel. Фирма Cyrix славится своими быстрыми сопроцессорами.