Глава 3. Эволюция эвм

После изучения главы студент должен знать:

• Особенности архитектуры и программно-алгоритмических принципов построения: ЭВМ 1-го поколения (1950 -1960 г.г.); ЭВМ 2-го поколения (1960 -1970 г.г.); ЭВМ 3-го поколения (1970 -1980 г.г.); ЭВМ 4-го поколения (1980 -1990 г.г.); ЭВМ 5-го поколения (1990 -2000 г.г.); ЭВМ 6-го и последующих поколений.

• Основные характеристики отечественных ЕС ЭВМ и СМ ЭВМ.

Поколения ЭВМ

Поколения ЭВМ, начиная с 1950 г., кардинально обновлялись каждые 7–10 лет, изменялись конструктивно-технологические и программно-алгоритмические принципы построения и использования ЭВМ. В связи с этим правомерно говорить о поколениях вычислительных машин, каждому поколению можно отвести 10 лет.

1-е поколение ЭВМ: 1950 – 1960-е годы

Логические схемы создавались на дискретных радиодеталях и электронных вакуумных лампах с нитью накала. В качестве оперативных запоминающих устройствах использовались магнитные барабаны, акустические ультразвуковые ртутные и электромагнитные линии задержки, электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), позже применялись магнитные ферритовые сердечники, а в качестве внешних запоминающих устройств – накопители на магнитных лентах, перфокартах, перфолентах и штекерных коммутаторах. Напряжения питания компьютерных схем составляли десятки–сотни вольт, в случае использования ЭЛТ - киловольты, ЭВМ потребляли несколько десятков киловатт. Архитектура ЭВМ включала центральное устройство управления (УУ), обеспечивающие строго последовательную работу всех основных устройств. Быстродействие ЭВМ определялось тактовой частотой работы устройства управления – десятки-сотни Кгц. Ввод–вывод информации осуществлялся с перфокарт, перфолент, магнитных лент или с клавиатуры.

Программирование работы ЭВМ 1-го поколения выполнялось в двоичной системе счисления на машинном языке, программы были жестко ориентированы на конкретную модель машины. По данным американской статистики для разработки и отладки программы размером 10 тыс. машинных команд затрачивалось примерно столько же человеко-часов работы программистов. В середине 50-х годов появились машинно-ориентированные языки типа языков символического кодирования (ЯСК), вместо двоичной записи команд и адресов стали применять символьную запись и десятичные числа. В 1956 году был создан первый язык программирования высокого уровня для математических задач – язык ФОРТРАН, а в 1958 году универсальный язык программирования АЛГОЛ.

Машины 1-го поколения, по образному выражению академика В.М.Глушкова, это «большие арифмометры», ибо и программы и данные вводились в память ЭВМ непосредственно перед решением каждой конкретной задачи, результаты решения сразу же выводились из машины для дальнейшего неавтоматизированного использования. Сфера применения ЭВМ - научно-технические задачи, для которых характерны малый объем входной и выходной информации и большое количество вычислительных операций ее обработки. Надежность этих машин была крайне низкой – несколько десятков часов наработки на отказ. Для поддержания надежности машины требовали регулярного ежесуточного, еженедельного и ежемесячного профилактического обслуживания, во время которого выявлялись и заменялись потенциально ненадежные элементы (еженедельное обслуживание было более тщательным, нежели ежесуточное, а ежемесячное еще более трудоемким). Работал на машине непосредственно программист, чуть позже – оператор, но и тот и другой общались с ЭВМ посредством громадного пульта, имевшего большое число переключателей (тумблеров) и световых индикаторов (лампочек), отображавших информацию в двоичной системе счисления (горит - не горит лампочка). Организационно ЭВМ эксплуатировались в составе вычислительных центров, причем для эффективного использования каждой ЭВМ необходим был штат 10 – 20 программистов (программы с одной машины на другую как правило не переносились). В те годы количество программистов существенно превышало количество имевшихся ЭВМ (в 1960 году во всем мире насчитывалось всего несколько тысяч машин). Названные ранее ЭВМ, начиная от UNIVAC и заканчивая БЭСМ 2, первыми моделями «Минск», «Урал», относятся к 1-му поколению вычислительных машин.

2-е поколение ЭВМ: 1960 – 1970-е годы

Логические схемы строились на дискретных полупроводниковых⁴ и магнитных элементах (диоды, биполярные транзисторы, тороидальные ферритовые микротрансформаторы). В качестве конструктивно-технологической основы использовались схемы с печатным монтажем (платы из фольгированного гетинакса). Широко стал использоваться блочный принцип конструирования машин, который позволяет подключать к основным устройствам большое число разнообразных внешних устройств, что обеспечивает большую гибкость использования компьютеров.

Тактовые частоты работы электронных схем повысились до сотен Кгц. Напряжение питания схем снизилось до 10–15 вольт, потребляемая мощность до сотен ватт. Надежность работы ЭВМ существенно возросла – до нескольких сотен часов наработки на отказ. Регулярное профилактическое обслуживание по-прежнему требовалось. В оперативных запоминающих устройствах чаще всего использовались миниатюрные тороидальные ферритовые сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса (для хранения одного бита информации требовались 1 или 2 сердечника с наружным диаметром 1–1,2 мм). Постоянные запоминающие устройства были трансформаторные (один тороидальный сердечник наружным диаметром 3 – 4 мм использовался для хранения битов одного разряда нескольких сотен чисел; для хранения кода «1» провод «прошивался» в отверстие сердечника, для хранения кода «0» провод проходил мимо сердечника). Стали применяться внешние накопители на жестких магнитных дисках⁵ и на флоппи-дисках – промежуточный уровень памяти между накопителями на магнитных лентах и оперативной памятью.

В 1964 году появился первый монитор для компьютеров – IBM-2250. Это был монохромный дисплей с экраном 12х12 дюймов и разрешением 1024х1024 пикселов и частотой кадровой развертки 40 Гц. Устройство управления ЭВМ поддерживало систему прерываний программ, многопрограммную работу и параллельность использования устройств машины. Появились первые операционные системы и алгоритмические языки машинно-ориентированного низкоуровневого (ассемблеры) и высокоуровневого программирования (Фортран, Алгол, Кобол, Бейсик и др.). Программы стали переносимыми с одного типа компьютера на другой. Устройства машин и их программы стали больше ориентированы на обработку массивов информации. ЭВМ второго поколения стали применяться не только для решения научно-технических задач, но и для автоматизации процессов технологического и организационного (административного) управления. На базе полупроводниковых ЭВМ стали успешно создаваться автоматизированные системы управления предприятиями (АСУП)⁶ и системы автоматического управления технологическими процессами (САУ ТП). Создаваемые на базе компьютеров системы управления потребовали от ЭВМ более высокой производительности, а главное – надежности. В компьютерах стали широко использоваться коды с обнаружением и исправлением ошибок, встроенные схемы контроля. В машинах 2-го поколения были впервые реализованы режимы пакетной обработки и телеобработки информации.

Первой ЭВМ, в которой частично использовались полупроводниковые приборы вместо электронных ламп, была машина SEAC (Standarts Eastern Automatic Computer), созданная в 1951 году. Одними из первых полностью полупроводниковых машин были: TRADIC (TRAnsistor Digital Computer) – 1956 г. (малая машина), TX-0 (Transistor eXperimental computer – 0) – 1957 г. (малая машина)⁷, IBM 7070 – 1957 г.⁸ (большая машина), Philco – 1957 г., (большая машина), Recomp 2 – 1957 г. (малая машина), Univac Solid State – 1958 г. (большая машина), National Cash-304 -1958 г. (большая машина), Ramington Rand USS – 1958 г. (малая машина), IBM 7090 – 1959 г. (большая машина), IBM 1401 – 1959 г. (малая машина), Univac 3 – 1959 г. (большая машина). Стоимость больших машин составляла от $ 500 000 до $ 2 300 000, малых машин – до $ 300 000. Заслуживает внимания и первая (1961 год) супер-малая полупроводниковая машина IBM 1620, размещавшаяся (без накопителя на магнитной ленте) на конторском столе (стоимость этой машины была $75 000). В начале 60-х годов полупроводниковые машины стали производиться и в СССР. Основные характеристики некоторых полупроводниковых отечественных машин представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1. Характеристики отечественных ЭВМ 2-го поколения

В 60-е годы мировое количество ЭВМ возросло по сравнению с 50-ми годами на порядок. Так в 1966 году количество установленных машин составляло: в США -27000, в Западной Европе – 6000, в Японии – 1900. В середине 60-х и у нас в стране и за рубежом внимание впервые акцентировали на надежности ЭВМ и их системном использовании. Поэтому в СССР было принято постановление ЦК КПСС о разработке семейств ЭВМ на базе крупных компьютерных предприятий о создании строгой системы унификации схем и узлов ЭВМ. Стали разрабатываться программно-совместимые и технически-совместимые системы вычислительных машин. До этого, ввиду дефицита выпускаемых ЭВМ и длительного (иногда несколько лет) срока с момента заказа и до получения машины, ЭВМ часто разрабатывались и создавались небольшими группами специалистов на непрофильных предприятиях, что естественно, не гарантировало их качества. Что касается системного применения ЭВМ, то в середине 60-х годов существенно изменилась технология их использования. Появились технологии создания больших баз данных в памяти ЭВМ, осуществлялась выдвинутая академиком Глушковым программа «АСУПизации» всей страны, массового создания АСУП (автоматизированных систем управления предприятиями). При использовании ЭВМ рекомендовалось и программы, и данные постоянно хранить в памяти машины и использовать ее по мере надобности.

Основные направления совершенствования ЭВМ 2-го поколения:

1. Переход на полупроводниковую элементную базу и печатный монтаж.

2. Блочный принцип конструирования и унификация ячеек и блоков ЭВМ.

3. Облегчение программирования для ЭВМ.

4. Ориентация ЭВМ не только на вычислительную работу, но и на работу с массивами информации.

5. Повышение надежности работы машин, использование кодов с обнаружением и исправлением ошибок и встроенных схем контроля.

6. Расширение областей применения ЭВМ.

3-е поколение ЭВМ: 1970 – 1980 годы

В 1958 году Р. Нойс изобрел малую кремниевую интегральную схему, в которой на небольшой площади можно было размещать десятки транзисторов. Эти схемы позже стали называться схемами с малой степенью интеграции (Small Scale Integrated circuits — SSI). В конце 60-х годов интегральные схемы стали применяться в ЭВМ, логические схемы ЭВМ 3-го поколения уже полностью строились на малых интегральных схемах. Тактовые частоты работы электронных схем повысились до единиц Мгц и снизились напряжение питания (единицы вольт), потребляемая мощность, существенно повысились надежность и быстродействие ЭВМ.

В оперативных запоминающих устройствах использовались миниатюрные ферритовые сердечники, ферритовые пластины и магнитные пленки с прямоугольной петлей гистерезиса. В качестве внешних запоминающих устройств широко стали использоваться дисковые накопители. Появился еще два уровня запоминающих устройств: сверхоперативные запоминающие устройства на тригерных регистрах, имеющие огромное быстродействие, но небольшую емкость (десятки чисел), и быстродействующая КЭШ-память. Операционная система поддерживает технологию использования виртуальной памяти. Ввиду существенного усложнения как аппаратной, так и логической структуры ЭВМ 3-го поколения часто стали называть системами. Первыми ЭВМ этого поколения стали модели систем IBM (ряд моделей IBM 360) и PDP (PDP 1). В Советском Союзе в содружестве со странами Совета Экономической Взаимопомощи (Польша, Венгрия, Болгария, ГДР и др.) стали выпускаться модели Единой Системы (ЕС) и Системы Малых (СМ) ЭВМ.

Основные характеристики некоторых моделей ЕС ЭВМ и СМ ЭВМ показаны в таблице 3.2.

Таблица 3.2. Характеристики некоторых моделей ЕС ЭВМ и СМ ЭВМ

В 1972 году был создан первый суперкомпьютер ILLIAC 4, который имел производительность 20 MFLOPS (миллионов операций сложения чисел с плавающей запятой в секунду). Начиная с 1975 года фирмой Cray Research стали выпускаться суперкомпьютеры, суперкомпьютер Cray 1 имела оперативную память 8 Мбайт и производительность 160 MFLOPS.

В вычислительных машинах 3-го поколения значительное внимание уделялось уменьшению трудоемкости программирования, эффективности исполнения программ в машинах и улучшению общения оператора с машиной. Это обеспечивалось мощными операционными системами, эффективным прерыванием программ, режимом работы с разделением машинного времени, режимом работы в реальном времени, мультипрограммным режимом работы, с развитой системой автоматизации программирования и интерактивным режимом общения пользователей с ЭВМ с помощью видеомонитора или дисплея. Большое внимание уделялось повышению надежности работы ЭВМ, облегчению технического обслуживания. Достоверность информации и надежность ЭВМ обеспечиваются повсеместным использованием кодов с автоматическим обнаружением и исправлением ошибок (корректирующие коды Хемминга и циклические коды). В машинах 3-го поколения существенно более развиты системы телеобработки информации, позволяющие, в частности, пользователям через удаленные терминалы (абонентские пункты) выполнять обработку своей информации на вычислительных центрах коллективного пользования (ВЦКП), передавать и получать информацию по каналам связи с ЭВМ.

На основе машин 3-го поколения были организованы многочисленные информационно-вычислительные сети различного типа и назначения. Акцент в использовании машин был смещен от чисто вычислительной к информационной работе. В систему команд были введены многие операции работы с кодированной буквенной информацией, активно стала использоваться специальная единица информации – байт. Большое развитие получили и разнообразные устройства ввода-вывода информации.

Модульная организация вычислительных машин и модульное построение их операционных систем создали широкие возможности для изменения конфигурации вычислительных систем. В связи с этим возникло новое понятие «архитектура вычислительной системы», определяющей логическую организацию этой системы с точки зрения пользователя и программиста.

4-е поколение ЭВМ: 1980 -1990 годы

Революционным событием в развитии компьютерных технологий четвертого поколения машин было создание больших и сверхбольших интегральных схем, микропроцессора (1969 г.) и персонального компьютера. Начиная с 1980 года практически все ЭВМ стали создаваться на основе микропроцессоров. Самым востребованным компьютером стал персональный.

Логические интегральные схемы в компьютерах стали создаваться на основе униполярных полевых CMOS–транзисторов с непосредственными связями, работающими с меньшими амплитудами электрических напряжений (единицы вольт), меньшей мощности, нежели биполярные, позволяющие реализовать прогрессивные технологии масштаба единиц микрон. Оперативная память стала строиться на интегральных CMOS–транзисторных схемах, причем непосредственно запоминающим элементом в них служила паразитная емкость между электродами (затвором и истоком) этих транзисторов.

Первый персональный компьютер создали в апреле 1976 года два друга: Стив Джобс (1955 -2011 г.г.) — сотрудник фирмы Atari, и Стефан Возняк (1950 г.р.), работавший на фирме Hewlett. На базе интегрального 8-ми битного контроллера жестко запаянной схемы популярной электронной игры, работая вечерами в автомобильном гараже, они сделали простенький программируемый на языке Бейсик игровой компьютер «Apple», который имел бешеный успех. В начале 1977 г. была зарегистрирована фирма Apple Comp., и началось производство первого в мире персонального компьютера «Apple»¹⁰.

Иногда встречающаяся информация о том, что первый ПК был представлен в 1981 году фирмой IBM, не соответствует истине, ибо фирма IBM всего лишь создала компьютер IBM PC (IBM 5150), запущенный в массовое производство. К этому времени фирма Apple уже разработала ПК Apple 2.

ПРИМЕЧАНИЕ

В настоящее время фирма Apple выпускает персональные компьютеры «Макинтош» (Макинтош – один из лучших сортов яблок в США), которые по многим параметрам превосходят компьютеры IBM PC.

В нашей стране поначалу тоже выпускали отечественные микропроцессоры: К580, К588, К1801, К1810 и др. и персональные компьютеры ЕС: 1840, 1841, 1842,1842, 1845, 1850, 1860, Искра 1030, 1031, ДВК, Электроника 85 и др. Но поскольку эти ПК не были конкурентоспособны на мировом рынке, наши компьютерные фирмы сейчас занимаются лишь «отверточной» сборкой ПК из комплектующих, выпускаемых в других странах.

В нашей стране в основном используются ПК типа IBM PC. Это можно объяснить следующими причинами:

• до начала 90-х годов США запрещали поставки в СССР передовых информационных технологий, к которым были отнесены и мощные компьютеры «Макинтош»,

• ПК «Макинтош» были существенно дороже IBM PC (в настоящее время цены на них сблизились),

• для IBM PC разработано значительно большее количество прикладных программ, что облегчает их использование в самых разных прикладных областях.

Эволюция IBM PC:

1981 год, выпуск первой модели IBM PC 5150. Его основные характеристики: процессор i8088 c тактовой частотой 4,75 МГц, емкость оперативной и постоянной памяти по 64 Кб, емкость дискеты 5,25” флоппи дисковода 160 Кб.

1982 год. Удвоена емкость дискет, выпущена MS DOS 1.1.

1983 год. Выпущен IBM PC XT (eXtended Technology), RAM 640 Кб, винчестер — 10 Мб. Анонсирована операционная система DOS 2.0.

1984 год. Выпущен IBM PC AT (Advanced Technology), процессор — i80286, цветной монитор, винчестер — 20 Мб, операционная система DOS 3.1.

1986 год. Выпущен первый laptop (портативный ПК), вес — около 5 кг.

1987 год. Первый ПК с микропроцессором i386, дискеты — 3,5”.

1989 год. Первый ПК с микропроцессором i486.

1992 год. Анонсирована линейка ноутбуков Think Pad.

1994 год. Первый ПК с микропроцессором Pentium.

Новации в IBM PC последних лет указаны при рассмотрении архитектуры современных ПК. Из заслуживающих внимания прочих новых компьютерных разработок следует назвать:

1. 1980 год, фирма Seagate выпустила первый массовый винчестер, емкостью 5 Мб,

2. 1981 год, появился первый модем со скоростью передачи данных 2400 бод, в компьютерах стали применяться микропроцессоры с RISC–архитектурой. Концепция процессоров с набором усеченных команд была выдвинута еще в 1975 году.

3. 1982 год, фирма Intel разработала первые микросхемы столь популярной сейчас флэш-памяти.

4. 1990 год, фирма Apple для ПК Macintosh Portable предложила первый ЖК-монитор на основе активной матрицы.

Для компьютера PDP-11 разработаны операционные системы UNIX и LINUX, весьма удобные для работы в сети Интернет, получившие затем широкое распространение для всех типов ЭВМ. Появились эффективные системы объектно-ориентированного программирования (Visial C++, Visial Basic и др.), существенно облегчающие труд программистов.

Для использования ЭВМ уже не надо было несколько программистов, в середине 80-х годов 1 программист приходился в среднем на 10 машин. Динамика мирового парка универсальных ЭВМ (1) и общей численности профессиональных программистов (2) показана на рис. 3.1 [25, c.146].

5-е поколение ЭВМ: 1990г. – настоящее время

Особенности архитектуры современного поколения компьютеров подробно рассматриваются в данном учебнике. Кратко основную концепцию ЭВМ пятого поколения можно сформулировать следующим образом. Компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, с многими сотнями параллельно работающих процессоров, одновременно выполняющих десятки последовательных инструкций программы, позволяющих строить системы обработки данных и знаний, эффективные сетевые компьютерные системы.

Рис. 3.14 Динамика мирового парка ЭВМ и численности программистов

6-е и последующие поколения ЭВМ

Электронные и оптоэлектронные компьютеры с массовым параллелизмом, нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

ПРИМЕЧАНИЕ

Деление ЭВМ по номерам поколений и временным периодам, как уже говорилось, достаточно условное. У ряда авторов вводится понятие нулевого поколения и приняты существенно иные временные интервалы для поколений.

В табл. 3.3 показана эволюция технологий использования компьютерных систем.

Таблица 3.3. Эволюция компьютерных информационных технологий

Как видно из таблицы, в настоящее время основные цели использования компьютеров — информационное обслуживание и управление, сейчас вычислительные машины и системы по существу выполняют функции информационно-вычислительных систем.