Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

ГОУ ВПО

Алтайский государственный университет

Физико-технический факультет

Кафедра вычислительной техники и электроники (ВТиЭ)

Курсовая работа

по дисциплине:

Организация и архитектура вычислительных систем

на тему:

История развития ЭВМ и вычислительных систем

Выполнила Рыкова А.А.

студентка 2 курса, 515 гр.

Проверил: к.ф.-м.н.,

доцент П.М. Зацепин

Барнаул 2012

Реферат

Объем работы: 26 страниц

Количество иллюстраций: 13

Количество источников: 4

Объект исследования: История развития ЭВМ и вычислительных систем

Цель работы: Проследить весь путь развития вычислительных систем, начиная с древнейших времен, заканчивая нашим временем и дальнейшими перспективами развития.



Оглавление

• ВВЕДЕНИЕ
• «Нулевое» поколение
• Первое поколение. Ламповые ЭВМ
• Второе поколение. Транзисторные ЭВМ
• Третье поколение. Эпоха интегральных схем
• Четвертое поколение. Транзисторные ЭВМ
• Текущее состояние
• Пятое поколение. Перспективы развития ЭВМ
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
• ПРИЛОЖЕНИЯ


ВВЕДЕНИЕ

Необходимость в вычислениях всегда была неразрывно связана с практической деятельностью человека. Понятие числа возникло задолго до появления письменности. Люди очень медленно и трудно учились считать, передовая свой опыт из поколения в поколение. По мере роста потребностей в вычислениях и развития методов вычислений возникали и развивались приспособления для счета. Сначала простые, затем все сложнее и сложнее. С появление компьютеров и вычислительных машин, наука сделала огромный рывок в развитии. Они же, в свою очередь, за относительно небольшой период, прошли путь в несколько поколений.



«Нулевое» поколение

Древнейшим счетным инструментом, который сама природа предоставила природа в распоряжение человека, была его собственная рука. Для облегчения счета люди стали использовать пальцы - сначала одной руки, затем обеих, а в некоторых племенах и пальцы ног. Счет на пальцах использовался очень долго - время его возникновения определить очень трудно. В XVI в. его приёмы излагались еще в учебниках. В наше время им пользуются остальные народности и маленькие дети, постигающие понятие числа.

Следующим шагом в развитии счета стало использование камешков или других предметов, а для запоминания чисел - зарубок на палках или костях животных, узелков на верёвках. Раннему развитию письменного счета препятствовала сложность арифметических действий при существовании в то время способах записи чисел. Попробуйте перемножить числа 26 и 18 , не записывая их так, как мы привыкли. Вряд ли сразу удастся даже придумать, как это сделать. Кроме того, писать умели немногие, и отсутствовал учебный материал для письма - пергамент начал производится со II в. до н.э., папирус был слишком дорог, а глиняные таблички неудобны в пользовании.

Эти обстоятельства объясняют появление специального счетного прибора, называемого абаком (см. Рис. 1 приложение 1). К V в до н.э. он получил широкое распространение в Египте, Греции, Риме. Абак представлял собой доску с желобками, в которых по позиционному принципу размещали какие-нибудь предметы-камешки, косточки и т.п. историки полагают, что абак был походным инструментом купцов, поскольку значения, приписываемые камешками в различных желобках, соответствовали различным денежным единицам.

В Древнем Риме абак назывался abaculi или calculi. Латинское слово calculus означает камешек, галька. От него произошло в дальнейшем слово calculator - перекладывать камешки, подсчитывать. Сегодня так называется настольное или карманное вычислительное устройство - микрокалькулятор.

Впоследствии абак был усовершенствован - доска была заменена рамкой, камешки - шариками или дисками, нанизанными на нитки или прутики. И получились счеты, которые и в настоящее время еще используются. Русские счеты появились на рубеже XVI и XVII вв.

Примерно в VI в. н.э. в Индии сформировались весьма совершенные способы записи чисел и правила выполнения арифметических операций, называемые ныне десятичной системой счисления. В IX в. великий математик и астроном Абу Джафар Мухаммад ибн Муса аль Хорезми написал знаменитый труд «Правила восстановления и преобразования». В нем он изложил и развил эту систему счета, которая и стала общепринятой в арабском мире. Книга была переведена на латынь - в то время язык науки - в XII в. и оказало сильное влияние на развитие европейской математики. Значки, с помощью которых записываются числа, были придуманы в Индии, но к нам пришли из Персии, поэтому мы называем их арабскими цифрами.

С XIII в. в западной Европе не совсем мирно существует две арифметические школы - абакистов (от абака) и алгоритмиков (от аль Хорезми). Дело в том, что счет на абаке проще, ибо не требует сложения и умножения. В этом отношении способы счета алгоритмиков труднее, но зато позволяют выполнять более сложные вычисления - характерным примером являются умножение и деление. Поэтому, после двух столетий соперничества, в конце концов, победили алгоритмики, чему способствовало, помимо прочего, распространение письменности и бумаги. Однако первым прибором для вычисления был абак. Но он не очень приспособлен для умножения и деления. Поэтому блестящим достижением математики явилось изобретение логарифмов Джоном Непером (1550-1617). Это дало возможность заменить умножение и деление сложением и вычитанием и привело к созданию намного более совершенного и очень полезного инструмента - логарифмической линейки (см. Рис. 2 приложение 1)

Вычисления с помощью логарифмической линейки производятся быстро, просто, но приближенно. И, следовательно, она не годится для точных, например финансовых расчетов.

Эскиз механического суммирующего устройства был разработан еще Леонардо да Винчи (1452-1519) Первая механическая счетная машина была изготовлена в 1623 г. профессором математики Вильгельмом Шиккардом (1592-1636). Но машина Шиккарда вскоре сгорела во время пожара, а рукописи Леонардо да Винчи были обнаружены лишь в 1967 г. Поэтому биография механических вычислительных устройств ведется от суммирующей машины, изготовленной в 1642 г. Блезом Паскалем (1623-1662), в дальнейшем великим математиком и физиком.

В 1673 г. другой великий математик Лейбниц разработал счетное устройство, на котором уже можно было умножать и делить. С некоторыми усовершенствованиями эти машины, а названы они были арифмометрами, использовались до недавнего времени, (см. рис. 3 приложение 1)

Суммирующие машины, изобретавшиеся в XVII-XVIII вв., были ненадежны, неудобны в работе и не были еще по-настоящему необходимыми. Лишь в XIX столетии рост промышленности, транспорта и расширение коммерческой деятельности банков сделали построение быстродействующих и надежных счетных машин актуальной задачей.

Первая фирма, специализировавшаяся по выпуску счетных машин, была основана в США в 1887 г. В России арифмометры начали выпускаться с 1894 г. и производились более 70 лет.

Все вычислительные устройства, о которых шла речь, были ручными, т.е. требовали участия человека в процессе вычислений. Для выполнения каждой операции нужно было набрать исходные данные и привести в движение счетные элементы механизма. Результаты почти всех операций необходимо было записывать. Так возникла идея о создании автоматической вычислительной машины, которая бы работала без участия человека.

Появление ЭВМ или компьютеров - одна из существенных примет современной научно-технической революции. Они имели две отличительные особенности, которыми предыдущие машины не обладали:

1. Выполнение определенной последовательности операций по заранее заданной программе или последовательное решение задач разных типов;

2. Способность хранить информацию в специальной памяти.

В наше время существуют различные классификации компьютерной техники:

*по этапам развития (по поколениям);

*по архитектуре;

*по производительности;

*по условиям эксплуатации;

*по количеству процессоров;

*по потребительским свойствам и т.д.

Четких границ между классами компьютеров не существует. По мере совершенствования структур и технологии производства, появляются новые классы компьютеров, границы существующих классов существенно изменяются.

Идея делить машины на поколения вызвана к жизни тем, что за время короткой истории своего развития компьютерная техника проделала большую эволюцию как в смысле элементной базы (лампы, транзисторы, микросхемы и др.), так и в смысле изменения её структуры, появления новых возможностей, расширения областей применения и характера использования. (См. таблицу приложение 2).

Первое поколение. Ламповые ЭВМ

К первому поколению обычно относят машины, созданные на рубеже 50-х годов. В их схемах использовались электронные лампы и реле. Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами, которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства. Лампы потребляли огромное количество электроэнергии и выделяли много тепла. Набор команд был небольшой, схема арифметико-логического устройства и устройства управления достаточно проста, программное обеспечение практически отсутствовало. Показатели объема оперативной памяти и быстродействия были низкими. Для ввода-вывода использовались перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства. Быстродействие порядка 10-20 тысяч операций в секунду.

Но это только техническая сторона. Очень важна и другая -- способы использования компьютеров, стиль программирования, особенности математического обеспечения.

Программы для этих машин писались на языке конкретной машины. Математик, составивший программу, садился за пульт управления машины, вводил и отлаживал программы и производил по ним счет. Процесс отладки был наиболее длительным по времени.

ЭВМ первого поколения в качестве элементной базы использовали электронные лампы и реле (см. Рис. 4 приложение 2); оперативная память выполнялась на триггерах, позднее на ферритовых сердечниках.

Использование электронной лампы в качестве основного элемента ЭВМ создавало множество проблем. Из-за того, что высота стеклянной лампы - 7 см, машины были огромных размеров. Каждые 7-8 мин. одна из ламп выходила из строя, а так как в компьютере их было 15-20 тысяч, то для поиска и замены поврежденной лампы требовалось очень много времени. Кроме того, они выделяли огромное количество тепла, и для эксплуатации "современного" компьютера того времени требовались специальные системы охлаждения.

ЭВМ первого поколения отличались невысокой надежностью, требовали системы охлаждения и имели значительные габариты. Процесс программирования требовал значительного искусства, хорошего знания архитектуры ЭВМ и ее программных возможностей. Сначала использовалось программирование в кодах ЭВМ (машинный код), затем появились автокоды и ассемблеры, в определенной мере автоматизирующие процесс программирования задач. ЭВМ первого поколения использовались для научно-технических расчетов.

Чтобы разобраться в запутанных схемах огромного компьютера, нужны были целые бригады инженеров. Устройств ввода в этих компьютерах не было, поэтому данные заносились в память при помощи соединения нужного штекера с нужным гнездом.

Разработка первой серии электронной машины UNIAC (Universal Automatic Computer) начата примерно в 1947 году. Д.П. Эккертом и Д. Мочли, основавшими фирму Eckert-Mauchly. Первый образец UNIAC-1 был построен для Бюро переписи США в 1951 г. UNIAC был создан на базе ЭВМ ENIAC (см. Рис. 5 приложение 3) и EDVIAC. Работала с тактовой частотой 2,25 МГц и содержала около 5000 электронных ламп. Емкость памяти -- 1000 12-разрядных десятичных чисел.

Следующим шагом было увеличение быстродействие памяти, для чего учёные стали исследовать свойства ферритовых колец. Впервые память на магнитных сердечниках была применена в машине «Whirlwind-1». Она представляла собой два куба с 32Ч32Ч17 сердечниками, обеспечивающих хранение 2048 слов для 16-разрядных двоичных чисел.

В разработку электронных компьютеров включилась и фирма IBM, которая в 1952 году выпустила первый промышленный компьютер IBM-701. Машина содержала 4000 электронных ламп и 12 000 германиевых диодов. В 1956 году IBM выпустила новый серийный компьютер -- IBM-704, отличавшийся высокой скоростью работы.

После ЭВМ IBM-704 была выпущена машина IBM-709, в архитектурном плане приблизившаяся к машинам второго и третьего поколения.

В 1956 году IBM разработала плавающие магнитные головки на воздушной подушке, изобретение которых позволило создать новый тип памяти -- дисковые запоминающие устройства (ЗУ). Впервые ЗУ на дисках появились в машине IBM-305 и RAMAC-650, которая имела пакет из 50 металлических дисков с магнитным покрытием, вращающиеся со скоростью 1 200 об/мин. На поверхности диска размещалось 100 дорожек для записи данных 10 000 знаков каждая.

Вслед за первым серийным компьютером UNIAC-1 фирма REMINGTON-RAND в 1952 году выпустила ЭВМ UNIAC-1103, которая работала в 50 раз быстрее.

В октябре 1952 году группа сотрудников фирмы REMINGTON-RAND предложила алгебраическую форму записи алгоритмов; на основе этого офицер военно-морских сил США и руководитель группы программистов, капитан Грейс Хопперт разработала первую программу-компилятор A-0.

Фирма IBM также сделала первые шаги в области автоматизации программирования, создав в 1953 году для машины IBM-701 «Систему быстрого кодирования». В 1957 году группа Д. Бэкуса завершила работу над ставшим впоследствии популярным языком программирования высокого уровня ФОРТРАНОМ. Он способствовал расширению сферы деятельности компьютеров.

В 1951 году фирма Ferranti стала выпускать машину «Марк-1». А через 5 лет выпустила ЭВМ «Pegasus», использующую концепцию регистров общего назначения.

В СССР в 1948 году проблемы развития вычислительной техники становятся общегосударственной задачей.

В 1950 году в Институте точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ АН СССР) организован отдел цифровой ЭВМ для разработки и создания большой ЭВМ. Эту работу возглавил С.А. Лебедев (1902--1974). В 1951 году здесь была спроектирована машина БЭСМ, а в 1952 году началась её эксплуатация.

В проекте вначале предлагалось использовать трубки Вильямса, но до 1955 г. в качестве элемента памяти использовали ртутные линии. БЭСМ могла совершать 8 000 оп/с. Серийно она стала выпускаться с 1956 года под названием БЭСМ-2 (см. рис. 6 приложение 3).

Второе поколение. Транзисторные ЭВМ

Второе поколение (период от конца 50-х до конца 60-х годов). В 1949 году в США был создан первый полупроводниковый прибор, заменяющий электронную лампу. Он получил название транзистор. Транзисторы быстро внедрялись в радиотехнику. В 60-х годах транзисторы стали элементной базой для ЭВМ второго поколения. Соединение элементов: печатные платы и навесной монтаж проводов. Габариты значительно уменьшились. Производительность от сотен тысяч до 1 млн. операций в секунду. Быстродействие -- до сотен тысяч операций в секунду, ёмкость памяти -- до нескольких десятков тысяч слов. Упростилась эксплуатация. Во времена второго поколения активно стали развиваться языки программирования высокого уровня, средства которых допускают описание всей необходимой последовательности вычислительных действий в наглядном, легко воспринимаемом виде. Компьютеры второго поколения имели до 32 Кбайт оперативной памяти, а скорость вычислений их была от 200000 до 300000 операций в секунду.

Развитие программного обеспечения характеризуется созданием развитых макроассемблеров, повышающих уровень общения с ЭВМ, но являющихся в основе своей машинно-ориентированными языками низкого уровня. В ассемблерах впервые появляются средства раздельной компиляции и перемещаемости программ, которая явилась первым шагом к виртуализации ресурсов и появлению специальных промежуточных языков, а также новых системных программ - загрузчиков и компоновщиков.

Конец 50-х годов характеризуется началом этапа автоматизации программирования, приведшим к появлению языков программирования B0,Commercial Translator, FACT, MathMatic и, наконец, появлением целого ряда проблемно-ориентированных языков программирования высокого уровня (ЯВУ): Fortran (1957 г.), явившийся первым языком такого класса, Algol-60, АКИ-400 и др. Дальнейшим развитием программной составляющей вычислительной техники было создание развитых библиотек стандартных программ на различных языках программирования и различного назначения, мониторов и диспетчеров для управления режимом работы ЭВМ и планированием ее ресурсов, заложивших прочные основы последующей концепции операционных систем следующего поколения.

Большое развитие получили устройства внешней (магнитной) памяти: магнитные барабаны, накопители на магнитных лентах (см. Рис. 7 приложение 3). Благодаря этому появилась возможность создавать на ЭВМ информационно-справочные, поисковые системы. Такие системы связаны с необходимостью длительно хранить на магнитных носителях большие объемы информации.

В рамках второго поколения все более четко проявляется дифференциация ЭВМ на малые, средние и большие, позволившая существенно расширить сферу применения ВТ, приступить к созданию автоматизированных систем управления предприятиями (АСУ), целыми отраслями (ОАСУ) и технологическими процессами (АСУТП). Однако данный прогресс обеспечивался не только собственно развитием ЭВМ, большую роль здесь играло и развитие сопутствующего оборудования (средства ввода/вывода, внешняя память и др.). При этом, от поколения к поколению данная компонента компьютерной информатики играет все большую роль, во многом определяя уровень интерфейса пользователя с ЭВМ и их возможности по обработке информации.

Первая полностью транзисторная машина «Philco-2000» была сделана в ноябре 1958 года, она содержала 56 тыс. транзисторов, 1 200 диодов, но всё же в её составе было 450 электронных ламп. «Philco-2000» выполняла сложение за 1,7 мкс, умножение -- за 40,3 мкс.

В Англии транзисторная ЭВМ «Elliot-803» была выпущена в 1958 году, в ФРГ -- «Simens-2002» и в Японии H-1 -- в 1958 году, во Франции и Италии -- в 1960 году. В СССР группа разработчиков во главе с Е.Л. Брусиловским в 1960 году в НИИ математических машин в Ереване завершила разработку полупроводниковой ЭВМ «Раздан-2», её серийный выпуск начат в 1961 году. В это же время появились компьютеры и не на полупроводниках. Так, в Японии была выпущена ЭВМ «Senac-1» на параметронах, в СССР -- «Сетунь», а во Франции -- CAB-500 на магнитных элементах. «Сетунь», разработанная в МГУ под руководством Н.П. Брусенцова, стала единственной серийной ЭВМ, работавшая в троичной системе счисления.

Значительным событием в конструировании машин второго поколения стали ЭВМ «Atlas» (выпущена в Англии в 1961 году), в которой были применены концепции виртуальной (кажущейся) памяти, «Stretch» и CDC-6600 (США) и БЭСМ-6 (СССР).

В 1960 году фирма IBM разработала мощную вычислительную систему «Stretch» (IBM-7030), разработчики которой добились 100-кратного увеличения быстродействия: в её состав входило 169 тыс. дрейфовых транзисторов с тактовой частотой переключения в 100 МГц.

Большой вклад в развитие компьютеров второго поколения внесла фирма Control Data, разработавшая в 1960 году ЭВМ CDC-6600 (первый образец был установлен в Лос-Анжелесе в 1964 г.). В архитектуре CDC-6600 было использовано новое решение -- многопроцессорная обработка: многочисленные арифметико-логические устройства с десятью периферийными процессорами, что обеспечивало машине производительность более чем 3 млн. оп/с. В СССР после выпуска первой серийной ЭВМ второго поколения «Раздан-2» было разработано ещё около 30 моделей по такой же технологии. Минским заводом вычислительной техники им. Серго Орджоникидзе в 1963 году была выпущена первая транзисторная ЭВМ «Минск-2», а затем её модификации: «Минск-22», «Минск-22М», «Минск-23» и в 1968 году -- «Минск-32», которые долгое время играли главную роль в автоматизации различных отраслей народного хозяйства.

В Институте кибернетики АН УССР под руководством В. М. Глушкова в 60-е гг. ХХ века разработан ряд различных малых машин: «Проминь» (1962 г.), «Мир», «Мир-1» (1965 г.) и «Мир-2» (1969 г.) -- впоследствии применяемых в вузах и научно-исследовательских организациях.

В 1964 году в Ереване также были созданы малые ЭВМ серии «Наири», отличающихся от ЭВМ «Мир» некоторыми структурными особенностями.

В том же году в Пензе была разработана и пущена в производство серия машин «Урал» (главный конструктор Б. И. Рамеев), позже в 1965 и 1967 гг. появились модификации -- «Урал-11» и «Урал-16». ЭВМ серии «Урал» имели унифицированную систему связи с периферийными устройствами. В 1966 была закончена БЭСМ-6 (см. Рис. 8 приложение 4), в значительной степени воспроизводившая архитектуру системы CDC1604, и вступила в строй в 1967 г. Машина предназначалась для использования в крупных вычислительных центрах для решения научных и экономических задач, требующих большого объема вычислений. По своим структурным характеристикам и архитектуре машина БЭСМ-6 вполне может быть отнесена к машинам 3-го поколения, хотя она и выполнена не на интегральных схемах, а на "навесных" деталях, т. е. на технологической основе машин второго поколения. Ее основные технические характеристики таковы:

· Быстродействие - около 1 млн. операций/сек.;

· Объем ОЗУ - от 32 до 128 тысяч машинных слов;

· Время выполнения сложения с плавающей запятой - 1,1 мк/сек;

· Время умножения - 1,9 мк/сек;

· Время деления - 4,9 мк/сек;

· Время выполнения логических поразрядных операций - 0,5 мк/сек.

· Работа арифметического устройства совмещена с выборкой операндов из памяти.

· Разрядность машинного слова - 48 двоичных разрядов.

· Объем промежуточной памяти на магнитных барабанах - 512 тысяч слов.

Третье поколение. Эпоха интегральных схем

Третье поколение (период от конца 60-х до конца 70-х годов). Элементная база: интегральные схемы (ИС), которые вставляются в специальные гнезда на печатной плате. Увеличилась производительность от сотен тысяч до миллионов операций в секунду. Более оперативно производится ремонт обычных неисправностей. Увеличились объемы памяти. Первые интегральные схемы содержали в себе десятки, затем - сотни элементов (транзисторов, сопротивлений и др.). Когда степень интеграции (количество элементов) приблизилось к тысяче, их стали называть большими интегральными схемами - БИС; затем появились сверхбольшие интегральные схемы - СБИС.

Наиболее важным критерием различия ЭВМ второго и третьего поколений является существенное развитие архитектуры ЭВМ, удовлетворяющей требованиям как решаемых задач, так и работающих на них программистов.

Машины третьего поколения -- это семейства машин с единой архитектурой, т.е. программно-совместимых. В качестве элементной базы в них используются интегральные схемы, которые также называются микросхемами.

Машины третьего поколения имеют развитые операционные системы. Они обладают возможностями мультипрограммирования, т.е. одновременного выполнения нескольких программ. Многие задачи управления памятью, устройствами и ресурсами стала брать на себя операционная система или же непосредственно сама машина.

Значительно более мощным становится программное обеспечение, обеспечивающее функционирование ЭВМ в различных режимах эксплуатации. Появляются развитые системы управления базами данных (СУБД), системы автоматизирования проектных работ (САПР) различного назначения, совершенствуются АСУ, АСУТП и др. Большое внимание уделяется созданию пакетов прикладных программ (ППП) различного назначения. По-прежнему появляются новые и развиваются существующие языки и системы программирования, количество которых достигает уже порядка 3000. Наиболее широкое применение ЭВМ третьего поколения нашли в качестве технической основы создания больших и сверхбольших информационных систем. Важную роль в решении данной проблемы сыграло создание программного обеспечения (СУБД), обеспечивающего создание и ведение баз и банков данных различного назначения. Разнообразие вычислительных и программных средств, а также периферийного оборудования поставило на повестку дня вопросы эффективного выбора комплексов программно-вычислительных средств для тех или иных приложений.

Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Ёмкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов.

На машинах третьего поколения появился новый тип внешних запоминающих устройств - магнитные диски (см. рис. 9 приложение 4). Накопители на магнитных дисках (НМД) работают гораздо быстрее, чем накопители на магнитных лентах (НМЛ). Широко используются новые типы устройств ввода-вывода: дисплеи, графопостроители.

В этот период существенно расширились области применения ЭВМ. Стали создаваться базы данных, первые системы искусственного интеллекта, системы автоматизированного проектирования (САПР) и управления (АСУ).

В 70-е годы получило мощное развитие линия малых (мини) ЭВМ. Своеобразным эталоном здесь стали машины американской фирмы DEC серии PDP. В нашей стране по этому образцу создавалась серия машин СМ ЭВМ (Система малых ЭВМ). Они меньше, дешевле, надежнее больших машин. Машины этого типа хорошо приспособлены для целей управления различными техническими объектами: производственными установками, лабораторным оборудованием, транспортными средствами. По этой причине их называют управляющими машинами. Во второй половине 70-х годов производство мини - ЭВМ превысило производство больших машин.

До конца 60-х гг. фирма IBM в общей сложности выпустила более 20 моделей семейства IBM-360(см. Рис. 10 приложение 4). В модели 85 впервые в мире был применена кэш-память (от фр. cache -- тайник), а модель 195 стала первой ЭВМ на монолитных схемах.

В конце 1970 года фирма IBM стала выпускать новое семейство вычислительных машин -- IBM-370, которой сохранило свою совместимость с IBM-360, но и имело ряд изменений: они были удобны для комплектования многомашинных и многопроцессорных вычислительных систем, работающих на общем поле оперативной памяти.

В Англии фирмой ICL был основан выпуск семейства машин «System-4» (производительность от 15 до 300 тыс. оп/с). В ФРГ были выпущены машины серии 4004 фирмы Siemens (машины этого семейства полностью копировали ЭВМ семейства «Spectra-70»), а в Японии -- машины серии «Hytac-8000», разработанные фирмой Hitachi (это семейство являлось модификацией семейства «Spectra-70»). Другая японская фирма Fujitsu в 1968 году объявила о создании серии ЭВМ «FACOM-230».

В Голландии фирма Philips Gloeilampenfabriken, образованная в 1968 году для выпуска компьютеров, стала выпускать компьютеры серии P1000, сравнимой с IBM-360. В декабре 1969 года ряд стран (НРБ, ВНР, ГДР, ПНР, СССР и ЧССР, а также в 1972 году -- Куба, а в 1973 году -- СРР) подписали Соглашение о сотрудничестве в области вычислительных технологий.

На выставке «ЕСЭВМ-73» (1973 г.) были показаны первые результаты этого сотрудничества: шесть моделей компьютеров третьего поколения и несколько периферийных устройств, а также четыре ОС для них.

С 1975 года начался выпуск новых модернизированных моделей ЕС-1012, ЕС-1022, ЕС-1032, ЕС-1033, имеющих наилучшее соотношение производительность/стоимость, в которых использовались новые логические схемы и схемы полупроводниковой памяти.

Вскоре появились машины второй серии сотрудничества. Наиболее ярким представителем его была мощная модель ЕС-1065, представлявшая собой многопроцессорную системы, состоящую из четырех процессоров и имевшую память 16 Мбайт. Машина была выполнена на интегральных схемах ИС-500 и имела производительность 4--5 млн. оп/с.

вычислительный логарифмический транзисторный интегральный

Четвертое поколение. Транзисторные ЭВМ

Четвертое поколение (от конца 70-х годов по настоящее время). Очередное революционное событие в электронике произошло в 1971 году, когда американская фирма Intel объявила о создании микропроцессора. Первоначально микропроцессоры стали встраивать в различные технические устройства: станки, автомобили, самолеты. Такие микропроцессоры осуществляют автоматическое управление работой этой техники.

Наиболее важный в концептуальном плане критерий, по которому ЭВМ четвертого поколения можно отделить от ЭВМ третьего поколения, состоит в том, что первые проектировались уже в расчете на эффективное использование современных языков программирования и упрощения процесса программирования для проблемного программиста. В аппаратном отношении для них характерно быстродействующих запоминающих устройств (до нескольких десятков миллионов операций в секунду) и ёмкость оперативной памяти порядка 1 -- 64 Мбайт.

Парк всех машин четвертого поколения можно условно разделить на пять основных классов:

· микро-ЭВМ,

· персональные компьютеры (ПК),

· мини-ЭВМ, специальные ЭВМ,

· ЭВМ общего назначения,

· супер-ЭВМ.

Современные ЭВМ превосходят компьютеры предыдущих поколений компактностью, огромными возможностями и доступностью для разных категорий пользователей (см. Рис. 12 приложение 6). Основные технические характеристики современного персонального компьютера: процессор (быстродействие - тактовая частота, разрядность), оперативная и внешняя память (объем памяти, скорость доступа к памяти и др.), видеопамять, средства ввода-вывода, средства коммуникации и др.

Очень важно правильно выбрать конфигурацию компьютера:

· тип основного микропроцессора и материнской платы;

· объем основной и внешней памяти;

· номенклатуру устройств внешней памяти;

· виды системного и локального интерфейсов;

· тип видеоадаптера и видеомонитора;

· типы клавиатуры, принтера, манипулятора, модема и др.

Важнейшей характеристикой является производительность компьютера. Основными факторами повышения производительности ПК являются:

· увеличение тактовой частоты;

· увеличение разрядности микропроцессора;

· увеличение внутренней частоты микропроцессора;

· конвейеризация выполнения операций в микропроцессоре и наличие кэш-памяти команд;

· увеличение количества регистров микропроцессорной памяти;

· наличие и объем кэш-памяти;

· возможность организации виртуальной памяти;

· наличие математического сопроцессора;

· наличие процессора OverDrive;

· пропускная способность системной шины и локальной шины;

· объем ОЗУ и его быстродействие;

· быстродействие накопителя жестких магнитных дисков;

· пропускная способность локального дискового интерфейса;

· организация кэширования дисковой памяти;

· объем памяти видеоадаптера и его пропускная способность;

· пропускная способность мультикарты, содержащей адаптеры дисковых интерфейсов и поддерживающей последовательные и параллельный порты для подключения принтера, мыши и др.

История четвёртого поколения началось с того, что японская фирма Busicom (ныне уже не существует) заказала Intel Corporation изготовить 12 микросхем для использования их в калькуляторах различных моделей. Малый объём каждой партии микросхем увеличивал стоимость их разработки. Однако разработчикам удалось создать такое устройство -- микропроцессор, который мог использоваться во всех микрокалькуляторах. Его тактовая частота -- около 0,75 МГц. Процессор был четырёхразрядным, то есть позволял кодировать все цифры и специальные символы, что было достаточно для калькулятора.

Однако компьютеры работают не только с цифрами, но и с текстом. Для того чтобы закодировать все цифры, буквы и специальные символы, потребовался бы 8-разрядный процессор. Он появился в 1972 году и назывался Intel-8008 (см. рис. 11 приложение 6), а в 1974 году появился процессор Intel-8080. Он был выполнен по NMOS-технологии (англ. N-cannel Metal Oxide Semiconductor), его тактовая частота составила 2 МГц, при этом в самом микропроцессоре было реализовано деление чисел.

Таким образом, история развития электроники подошла к созданию персональных компьютеров (ПК). Во второй половине 70-х гг. появилась потребность в компьютерах для одного рабочего места. Первые такие ПК базировались на 8-разрядных процессорах -- Intel-8080 и процессорах фирмы Zilog Corporation -- Z80. ОС для них разработала компания Digital Research CP/M (англ. Control Program for Microcomputers).

Создателями первого ПК были два молодых американских техника: Стивен Джобс, работавший в фирме Atari, и Стив Возняк из компании HewlettPackard. Летом 1976 года в гараже родителей Джобса они соорудили первый ПК и назвали его «Apple-I» -- «яблоко». Для того чтобы достать необходимые детали Джобсу пришлось продать свой автомобиль «Фольксваген».

В апреле 1977 года они сконструировали ещё один ПК -- Apple-II (в это же время появилась и знаменитая эмблема фирмы Apple -- надкушенное разноцветное яблоко), он имел одноплатную конструкцию и шину расширения, позволяющую подсоединять дополнительные устройства. Клавиатура была помещена в отдельный корпус. В качестве центрального процессора был взят надёжный 8-разрядный 6502. Память составляла всего лишь 8 Кбайт, но для её увеличения использовалась магнитофонная лента, запускаемая с обычного кассетного магнитофона. В дальнейшем к Apple-II были разработаны графические видеоадаптеры, дисковая ОС для управления ОП и нижний регистр для символов, который могли размешаться на экране в 80 столбцах.

За 10 с не большим лет ПК фирмы Apple (образована в 1977 году) завоевал рынок -- было продано более 2 млн. экземпляров. Цена его колебалась в районе 1000 долларов.

Своим коммерческим успехом он обязан в значительной степени его открытой архитектуре и модульной системе, позволяющей расширять системы за счёт добавления новых устройств.

К 1980 году стал очевиден успех идеи ПК. Их рынок достиг нескольких десятков тысяч в год. Крупнейшая электронная корпорация США IBM, лидер в производстве компьютеров, уже совершила одну стратегическую ошибку, уступив рынок мини-ЭВМ компании Digital Equipment Corporation (DEC). Ещё одним поводом для беспокойства стал успех компьютеров фирмы Apple Computer. И IBM решает быстро захватить рынок ЭВМ. Сомнений не было, что для этого нужно создать новую модель ПК. Для этого нужен был новый процессор (взамен устаревшего 6502 или Z80) -- им стал процессор Intel-8088.

В 1976 году компания Intel начала усиленно работать над микропроцессором Intel-8086. Размер его регистров был увеличен вдвое, что дало возможность увеличить в 10 раз производительность по сравнению с 8080. Кроме того, размер адресной шины был увеличен до 16 бит, чем опередил своё время -- ему дополнительно нужна 16-разрядная микросхема.

В 1979 году был разработан новый процессор -- Intel-8088, не отличавшийся от своего предшественника, но он имел 8-разрядную шину данных -- это позволяло использовать популярные в то время 8-разрядные микросхемы. Первоначально процессор работал частотой в 4,77 МГц, но впоследствии другие фирмы разработали совместимые с ним 8- и 10-мегагерцовые процессоры. Итак, 12 августа 1981 года IBM впервые представила свой ПК, который так и назывался IBM PC (англ. Personal Computer). Он имел процессор Intel-8088, два дисковода для гибких дисков по 160 Кбайт и ОП 64 КБайт с возможностью расширения до 512 Кбайт. В ПЗУ PC был помещён язык программирования Бейсик. IBM разработала свой собственный дисплей, который имел хорошую контрастность, символы на нём легко читали и не утомляли глаз мерцанием. В 1983 году IBM выпустила новую модель PC XT (англ. eXtended Technology) с жестким диском -- винчестером -- емкостью 10 Мбайт и ОП 640 Кбайт. Работал PC под управлением MS DOS компании Microsoft -- ныне крупнейшего производителя программного обеспечения.

К 1982 году невероятная популярность нового компьютера привела к созданию многочисленных аналогов. К 1984 году IBM-совместимых компьютеры выпускали более 50 компаний, а в 1986 году объём продаж клонов превысил собственный объем продаж фирмы IBM. Архитектура IBM PC завоевала весь мир: никакой другой фирме, будь то Apple Macintosh, NeXT, Amiga или другим, не удалось занять место рядом с IBM.

Презентация нового PC -- IBM PC AT (англ. Advanced Technology) -- состоялась в 1984 году. AT был построен на основе нового микропроцессора -- Intel-80286, который был представлен в 1982 году. Микропроцессор имел 16-разрядную шину данных и 16-битный внутренние регистры. Первый Intel-80286 работал на частоте в 6 МГц, впоследствии доведенной до 20 МГц. В общем, AT в 5 раз был производительнее, чем XT.

Главным преимуществом Intel-80286 была способность работать с дополнительной памятью. Он имел 24-разрядную адресную шину, что позволяло работать с ОП до 16 Мбайт. Intel-80286 мог работать с виртуальной памятью размером до 1 Гбайта.

Тем временем в январе 1984 г. состоялась презентация первого компьютера Macintosh компании Apple Computer. Эти компьютеры сыграли значительную роль в развитие PC. Он имел 9-дюймовый монитор с чрезвычайно высокой четкостью изображения и занимал мало места на рабочем столе, число соединительных кабелей в системе было минимальным.

В качестве центрального процессора был использован микропроцессор 68000 компании Motorola, в последующих моделях был использован микропроцессор Motorola 68030, а в некоторых они использовались совместно с математическим сопроцессором, а также цветной монитор. Такие PC были очень удобны в домашней работе. В 1985 году компания Intel анонсировала первый 32-разрядный процессор Intel-80386 (Intel-80386DX). Он имел все положительные качества своих предшественников. Вся система команд Intel-80286 полностью совместима с набором команд 386-го. Новый процессор был полностью 32-разрядным и работал на частоте в 16 МГц (позже появились PC с 25, 33 и 40 МГц). С увеличением шины данных до 32 бит число адресных линий было также увеличено до 32, что позволило микропроцессору обращаться прямо к 4 Гбайт физической памяти или к 64 Тбайт (1 Терабайт = 1024 Гбайт) виртуальной памяти. Для поддержания совместимости с Intel-8086 процессор работал в защищённом режиме (англ. Protect mode), также поддерживался реальный режим (англ. Real mode), основным отличием была возможность переходить из одного режима работы в другой без перезагрузки компьютера. Появился также новый режим -- виртуальный (англ. Virtual mode) -- позволявший микропроцессору работать так же, как и неограниченное количество Intel-8086. Это давало возможность процессору выполнять сразу несколько программ. Первая персональная ЭВМ на основе Intel-80386 была изготовлена фирмой Compaq Computers. В апреле 1987 года IBM объявила о создании семейства PS/2 с шиной MCA (англ. MicroChannel Architecture). До этого компьютеры PC AT использовали шину ISA (англ. Industry Standard Architecture). Она была 32-разрядная и имела частоту 10 МГц. В 1989 году девять компаний-клон-мэйкеров (AST, Epson, HewlettPackard, NEC, Olivetti, Tandy, Wyse и Zenith) разработали шины EISA (Extended Industry Standard Architecture). Она, как и MCA, она имела разрядность 32, но в отличие от нее EISA была полностью совместима с ISA.

В 1988 году компанией Intel был разработан микропроцессор Intel-80386SX, в общем, ничем не отличавшийся от Intel-80386DX, однако он стоил дешевле и использовал 16-разрядную внешнюю шину данных.

Текущее состояние

В 1989 году появляется новая разработка компании Intel -- микропроцессор Intel-80486 (Intel-80486DX). Этот процессор ознаменовал начало пятого поколения. Он был полностью совместим с PC семейством Intel-80x86, кроме того, содержал в себе математический сопроцессор и 8 Кбайт кэш-памяти. Этот процессор был более совершенен по сравнению с микропроцессором Intel-80386, его тактовая частота состояла 33 МГц.

В 1991 году Intel представила процессор Intel-80486SX, у которого отсутствовал математический сопроцессор.

А в 1992 году -- процессор Intel-80486DX2, работавший с удвоенной тактовой частотой -- 66 МГц. Впоследствии вышли процессоры с тактовой частотой в 100 МГц.

Кроме компании Intel 486-е процессоры стали выпускать и другие фирмы, например фирмы AMD (англ. Advanced Micro Devices) и Cyrix.

Эти фирмы вносили некоторые усовершенствования в них и продавали по цене от 100 долларов. Вскоре для 486-ых систем стала стандартом шина VL-Bus, разработанная ассоциацией VESA (Video Electronics Standard Association). Пропускная способность составила 132 Мбайт/с.

Создание компьютеров на основе процессоров семейства Intel-80486 позволило многочисленное программное обеспечение.

Второе место после PC фирмы IBM занимает фирма Apple Computer с PC Macintosh. Компьютеры выпускались на основе процессоров фирмы Motorola. Эти компьютеры очень удобны при использовании дома, в офисе и для обучения в школе. Последние модели -- LC 475, LC 575 и LC 630 -- основанные на процессорах Motorola 68LC040, оснащаются дисководом CD-ROM.

Самые производительные компьютеры Macintosh серии Quadra, оснащались процессором 68040 с тактовой частотой до 33 МГц, сопроцессором, имели возможность расширения ОЗУ до 256 Мбайт. Quadra в основном использовались в полиграфическом и рекламном деле, а также в создании мультимедиа-приложений и других задачах, требующих больших вычислительных мощностей и обработки значительных объемов данных; они также подходят для создания программного обеспечения.

С 1993 года выпускаются компьютеры подсемейства AV, которые имели стандартный видеовходы и видеовыходы, что давало возможность выводить информацию, как на экран стандартного дисплея, так и на экран обычного телевизора.

Кроме вышеперечисленных моделей Apple Computer выпускает портативные компьютеры серии PowerBook. Наибольшую популярность завоевали компьютеры семейства Performa, которые оснащались факс-модемом, что, было удобно для надомной работы.

В 1993 году компания Intel начала промышленный выпуск нового процессора -- Intel Pentium (см. рис. 13 приложение 5). Первые модели работали на тактовой частоте 60 и 66 МГц и объединяли в себе до 3,3 млн. транзисторов. Pentium -- это первый 64-разрядный суперскалярный процессор с RISC-ядром, изготовленный по 0,8-микронной технологии BiCMOS. Его основу составляет два пятиступенчатых конвейера, позволяющих выполнять две команды за один такт. Один конвейер выполнял любые операции, как с целочисленными, так и с числами с плавающей точкой, второй выполняет часть целочисленных команд. Все арифметические действия -- сложение, вычитание, умножение и деление -- реализованы аппаратно. Сочетание этих решений резко повысило производительность процессора, ускорить вычисления за счёт уменьшения обращений к ОЗУ. Обеспечивают два внутренних буфера кэш-памяти -- по 8 Кбайт для команд и данных, что позволило работать контейнерам команд не только по чтению, но и по записи.

Процессоры Intel Pentium пользовались огромной популярностью, и Intel решила не отказываться от марки Pentium, называя так и последующие процессоры, хотя они сильно отличались от первых и не относились к пятому поколению. Таковыми являются: OverDrive, Tillamook, Pentium Pro, Pentium II, Pentium III, Pentium 4, Pentium M, Pentium D, Pentium Extreme Edition, Pentium Dual-Core, Pentium G.

На настоящий момент пятерку мировых производителей компьютеров возглавляют Apple, HP(Hewlett-Packard), Dell, Acer Croup и Lenovo.

Пятое поколение. Перспективы развития ЭВМ

Сейчас ведутся интенсивные разработки ЭВМ V поколения. Разработка последующих поколений компьютеров производится на основе больших интегральных схем повышенной степени интеграции, использования оптоэлектронных принципов (лазеры, голография).

Ставятся совершенно другие задачи, нежели при разработке всех прежних ЭВМ. Если перед разработчиками ЭВМ с 1 по 4 поколений стояли такие задачи, как увеличение производительности в области числовых расчётов, достижение большой ёмкости памяти, то основной задачей разработчиков ЭВМ 5 поколения является:

1. Создание развитого человеко-машинного интерфейса (распознавание речи, образов);

2. Развитие логического программирования для создания баз знаний и систем искусственного интеллекта;

3. Создание новых технологий в производстве вычислительной техники;

4. Создание новых архитектур компьютеров и вычислительных комплексов.

Новые технические возможности вычислительной техники должны были расширить круг решаемых задач и позволить перейти к задачам создания искусственного интеллекта. В качестве одной из необходимых для создания искусственного интеллекта составляющих являются базы знаний (базы данных) по различным направлениям науки и техники. Для создания и использования баз данных требуется высокое быстродействие вычислительной системы и большой объем памяти. Универсальные компьютеры способны производить высокоскоростные вычисления, но не пригодны для выполнения с высокой скоростью операций сравнения и сортировки больших объемов записей, хранящихся обычно на магнитных дисках. Для создания программ, обеспечивающих заполнение, обновление баз данных и работу с ними, были созданы специальные объектно-ориентированные и логические языки программирования, обеспечивающие наибольшие возможности по сравнению с обычными процедурными языками. Структура этих языков требует перехода от традиционной фон-неймановской архитектуры компьютера к архитектурам, учитывающим требования задач создания искусственного интеллекта.

Однако мощности будут продолжать расти. Это необходимо для решения глобальных задач, таких как расчет аэродинамики автомобилей и свойств разнообразных наноструктур, ЗD-моделирование. ЭВМ, имеющие максимальную производительность, называются суперкомпьютерами. Сверхмощные компьютеры также относят к 5 поколения компьютеров.

Вот рейтинг компьютеров, начиная с 1993 г. по настоящее время:

· CM-5 (Thinking Machines , июнь 1993 -- ноябрь 1993);

· Numerical Wind Tunnel (Fujitsu , ноябрь 1993 -- июнь 1994);

· Paragon XP/S140 (Intel , июнь 1994 -- ноябрь 1994);

· Numerical Wind Tunnel (Fujitsu , ноябрь 1994 -- июнь 1996);

· SR2201 (Hitachi , июнь 1996 -- ноябрь 1996);

· CP-PACS (Hitachi , ноябрь 1996 -- июнь 1997);

· ASCI Red (Intel , июнь 1997 -- ноябрь 2000);

· ASCI White (IBM , ноябрь 2000 -- июнь 2002);

· Earth Simulator (NEC , июнь 2002 -- ноябрь 2004);

· Blue Gene/L (IBM , ноябрь 2004 -- июнь 2008)ж

· Roadrunner (IBM , июнь 2008 -- ноябрь 2009);

· Jaguar (Cray, ноябрь 2009 -- ноябрь 2010);

· Тяньхэ-1А (Китайский национальный университет оборонных технологий, ноябрь 2010 -- июнь 2011);

· K computer (Fujitsu , июнь 2011 -- июнь 2012);

· Sequoia -- Blue Gene/Q (IBM, июнь 2012 года -- ноябрь 2012);

· Titan (Cray, ноябрь 2012);

Titan -- массово-параллельный суперкомпьютер, построенный на платформе Cray XK7 с гибридной архитектурой (см. рис. 14 приложение 6). Помимо 16-ядерных процессоров AMD Opteron 6274 в каждый из 18.688 узлов суперкомпьютерной системы установлен графический процессор общего назначения NVIDIA Tesla K20x (архитектура Kepler) (см. рис. 15 приложение 6). Таким образом, общее число ядер компьютера составляет 299008. Его мощность составляет 9 МВт, оперативная память710 ТБ (598 ТБ подключено к ЦПУ и 112 ТБ к Tesla), а запоминающее устройство10 Петабайт. Производительность Titana ~20 петафлопс (Flops -- внесистемная единица, используемая для измерения производительности компьютеров, показывающая, сколько операций с плавающей запятой в секунду выполняет данная вычислительная система). Компилятор, специально разработанный для Titanа, автоматически распараллеливает исполнение кода между центральным и графическим процессорам. Сам суперкомпьютер занимает пространство, равное 404 кв. м.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Компьютеры очень важны для современного общества. Без них жизнь была бы намного сложнее. Они везде: в самолетах, автомобилях, на тяжелых производствах, и даже в карманах некоторых из нас.

Наука не стоит на месте. Поэтому компьютерная техника будет развиваться. Человечество стоит на пороге 5 поколения ЭВМ. Развиваются карманные, мини, большие и суперкомпьютеры. Увеличивается их производительность, при уменьшении размеров.

С развитием техники мы будем видеть все новые виды компьютеров, будут появляться новые классы. Интересно, что же будет дальше?



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Информатика. Базовый курс. 2-е издание / Под ред. С.В. Симоновича. - СПб.: Питер, 2005. - 640с.:ил.

2. Информатика и информационные технологии: учебное пособие/Ю.Д. Романова, И.Г. Лесничная, В.И. Шестаков, И.В. Миссинг, П.А. Музычкин; под ред. Ю.В. Романовой.- 3-е издание, перераб. и доп. - М.: Эскмо, 2008. - 592 с. - (Высшее экономическое образование)

3. Информатика, 10-11[Электронный ресурс] / Л.З. Шауцукова. - 420 c.: ил.

4. История развития ЭВМ [Электронный ресурс]



ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Рис. 1. Абак

Рис. 2. Логарифмическая линейка

Рис. 3. Арифмометр Лейбница



ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Таблица 1

Основные характеристики ЭВМ по поколениям

Характеристика Поколения Первое Второе Третье Четвертое Годы применения 1946-1960 1950-1964 1964-1970 1970-1990-e Основной элемент Электронная лампа Транзистор Интегральная схема Большая интегральная схема Количество ЭВМ в мире, шт Сотни Тысячи Сотни тысяч Десятки миллионов Размеры Очень большие(ENIAC, UNIVAC, EDSAC) Значительно меньшие Миникомпьютеры Микрокомпьютеры Быстродействие 1 (условно) 10 1 000 100 000 Носитель информации Перфорированная лента Магнитный диск, м. лента Диск Гибкий диск Объем ОП 64 Кб 512 Кб 16 Мб Более 16 Мб

Рис. 4. Ламповые элементы ЭВМ



ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Рис. 5. ENIAC

Рис. 6. БЭСМ-2

Рис. 7. Устройства магнитной памяти



ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Рис. 8. БЭСМ-6

Рис. 9. Интегральные схемы

Рис. 10. IBM-360



ПРИЛОЖЕНИЕ 5

Рис. 11 Первый 8-разрядный процессор Intel-8008

Рис. 12 ЭВМ четвертого поколения

Рис. 13 Процессор Intel pentium



ПРИЛОЖЕНИЕ 6

Рис. 14. Самый мощный суперкомпьютер Titan