Архитектура развития ЭВМ

 

 

 

 

Реферат

ТЕМА:

Архитектура развития ЭВМ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Первое поколение  ЭВМ 1950-1960-е годы

Архитектура Джона фон Неймана: Он подключился к созданию первой в мире ламповой ЭВМ ENIAC, когда ее конструкция была уже выбрана. В процессе работы, во время многочисленных дискуссий со своими коллегами Г. Голдстайном и А. Берксом, фон Нейман высказал идею принципиально новой ЭВМ. Логические схемы создавались на дискретных радиодеталях и электронных вакуумных лампах с нитью накала. В оперативных запоминающих устройствах использовались магнитные барабаны, акустические ультразвуковые ртутные и электромагнитные линии задержки, электронно-лучевые трубки (ЭЛТ). В качестве внешних запоминающих устройств применялись накопители на магнитных лентах, перфокартах, перфолентах и штекерные коммутаторы.

Программирование работы ЭВМ этого поколения выполнялось  в двоичной системе счисления  на машинном языке, то есть программы  были жестко ориентированы на конкретную модель машины и "умирали" вместе с этими моделями. Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (обычно объединяемые в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода.

В середине 1950-х годов  появились машинно-ориентированные  языки типа языков символического кодирования (ЯСК), позволявшие вместо двоичной записи команд и адресов использовать их сокращенную словесную (буквенную) 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. ЭВМ, начиная от UNIVAC и заканчивая БЭСМ-2 и первыми моделями ЭВМ "Минск" и "Урал", относятся к первому поколению вычислительных машин. 
Пример: IBM 701

 

29 апреля 1952 г. появилась  первая ЭВМ фирмы IBM. В качестве памяти использовался магнитный барабан. Емкость ОЗУ — 20480 байт Производительность 8000 операций в секунду.

Гарвардская архитектура: В 30-х годах правительство США поручило Гарвардскому и Принстонскому университетам разработать архитектуру ЭВМ для военно-морской артиллерии. И в конце 1930-х годов в Гарвардском университете Говардом Эйкеном была разработана архитектура называемая по имени этого университета. Гарвардская архитектура — архитектура ЭВМ, отличительными признаками которой являются: 
1. Хранилище инструкций и хранилище данных представляют собой разные физические устройства. 
2. Канал инструкций и канал данных также физически разделены.

Также в первое поколение  была создана МЭСМ (Малая электронная счётная машина). Первая в СССР и континентальной Европе электронно-вычислительная машина. При этом необходимо учитывать, что первые вычислительные машины, которые можно назвать компьютерами, в континентальной Европе появились в Германии. Но, так как они были релейными, то они скорее электротехнические вычислительные машины, чем электронные. Разрабатывалась лабораторией  с конца 1948 года.

Первоначально МЭСМ задумывалась как макет или модель Большой электронной счётной машины (БЭСМ), первое время буква «М» в названии означала «модель». Работа над машиной носила исследовательский характер, в целях экспериментальной проверки принципов построения универсальных цифровых ЭВМ. После первых успехов и с целью удовлетворения обширных потребностей в вычислительной технике, было принято решение доделать макет до полноценной машины, способной решать реальные задачи. 

 

Второе поколение  ЭВМ: 1960-1970-е годы

Логические схемы строились  на дискретных полупроводниковых и  магнитных элементах (диоды, биполярные транзисторы, тороидальные ферритовые микротрансформаторы). В качестве конструктивно-технологической  основы использовались схемы с печатным монтажом (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 килогерц.

Стали применяться внешние накопители на жестких магнитных дисках 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 12 х 12 дюймов и разрешением 1024 х 1024 пикселов. Он имел частоту кадровой развертки 40 Гц.

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 второго 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. В начале 60-х годов полупроводниковые  машины стали производиться и  в СССР.

Пример: IBM 360-40

 
Изготовлена в 1964 г. Для разных моделей  комбинируется из 19 блоков центрального процессора и 40 типов периферии. Емкость ОЗУ 256 Кбайт. Производительность 246 тыс. опер/сек. 

 

Третье поколение  ЭВМ: 1970-1980-е годы

В 1958 году Роберт 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). А уже в конце 60-х годов  интегральные схемы стали применяться  в компьютерах.

Логические схемы ЭВМ 3-го поколения уже полностью строились  на малых интегральных схемах. Тактовые частоты работы электронных схем повысились до единиц мегагерц. Снизились  напряжения питания (единицы вольт) и потребляемая машиной мощность. Существенно повысились надежность и быстродействие ЭВМ.

В оперативных запоминающих устройствах использовались миниатюрнее  ферритовые сердечники, ферритовые пластины и магнитные пленки с прямоугольной  петлей гистерезиса. В качестве внешних  запоминающих устройств широко стали  использоваться дисковые накопители.

Появились еще два уровня запоминающих устройств: сверхоперативные запоминающие устройства на триггерных регистрах, имеющие огромное быстродействие, но небольшую емкость (десятки чисел), и быстродействующая кэш-память.

Начиная с момента широкого использования интегральных схем в  компьютерах, технологический прогресс в вычислительных машинах можно  наблюдать, используя широко известный  закон Мура. Один из основателей  компании Intel Гордон Мур в 1965 году открыл закон, согласно которому количество транзисторов в одной микросхеме удваивается  через каждые 1,5 года. Ввиду существенного  усложнения как аппаратной, так и  логической структуры ЭВМ 3-го поколения  часто стали называть системами.

Так, 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 др1.) стали выпускаться модели единой системы (ЕС) и системы малых (СМ) ЭВМ.

В вычислительных машинах  третьего поколения значительное внимание уделяется уменьшению трудоемкости программирования, эффективности исполнения программ в машинах и улучшению  общения оператора с машиной. Это обеспечивается мощными операционными  системами, развитой системой автоматизации  программирования, эффективными системами  прерывания программ, режимами работы с разделением машинного времени, режимами работы в реальном времени, мультипрограммными режимами работы и  новыми интерактивными режимами общения. Появилось и эффективное видеотерминальное  устройство общения оператора с  машиной - видеомонитор, или дисплей.

Большое внимание уделено  повышению надежности и достоверности  функционирования ЭВМ и облегчению их технического обслуживания. Достоверность  и надежность обеспечиваются повсеместным использованием кодов с автоматическим обнаружением и исправлением ошибок (корректирующие коды Хеммин-га и циклические  коды). 

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, определяющее логическую организацию этой системы с точки зрения пользователя и программиста

 
Четвертое поколение  ЭВМ: 1980-1990-е годы

Революционным событием в  развитии компьютерных технологий третьего поколения машин было создание больших  и сверхбольших интегральных схем (Large Scale Integration - LSI и Very Large Scale Integration - VLSI), 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), потребляющими меньше мощности, нежели биполярные, и тем самым позволяющими реализовать более прогрессивные нанотехнологии (в те годы - масштаба единиц микрон).

Оперативная память стала  строиться не на ферритовых сердечниках, а также 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 Джобе (1955 г. р.) - сотрудник фирмы Atari, и Стефан Возняк (1950 г. р.), работавший на фирме Hewlett-Packard. На базе интегрального 8-битного контроллера жестко запаянной  схемы популярной электронной игры, работая вечерами в автомобильном  гараже, они сделали простенький  программируемый на языке Бейсик игровой компьютер "Apple", имевший  бешеный успех. В начале 1977 года была зарегистрирована Apple Сотр., и началось производство первого в мире персонального  компьютера Apple 

 

Пятое поколение  ЭВМ: 1990—…

Переход к компьютерам  пятого поколения предполагал переход  к новым архитектурам, ориентированным на создание искусственного интеллекта.

Считалось, что архитектура компьютеров пятого поколения будет содержать два основных блока. Один из них — собственно компьютер, в котором связь с пользователем осуществляет блок, называемый «интеллектуальным интерфейсом». Задача интерфейса — понять текст, написанный на естественном языке или речь, и изложенное таким образом условие задачи перевести в работающую программу.

Основные требования к  компьютерам 5-го поколения: Создание развитого  человеко-машинного интерфейса (распознавание  речи, образов); Развитие логического  программирования для создания баз  знаний и систем искусственного интеллекта; Создание новых технологий в производстве вычислительной техники; 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 компьютерак архитектурам, учитывающим требования задач создания искусственного интеллекта.

Пример: IBM eServer z990. Изготовлен в 2003 г.

 
Физические параметры: вес 2000 кг., потребляемая мощность 21 КВт., площадь 2,5 кв. м., высота 1,94 м., емкость ОЗУ 256 ГБайт, производительность — 9 млрд. инструкций/сек.