История развития вычислительной техники. Поколения ЭВМ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Первые электромеханические цифровые компьютеры

 

Началом новой эры развития вычислительной техники на базе электромеханических  реле стал 1934 г.  выпуск Американской фирмой IBM (International Buisness Machins) алфавитно-цифровых табуляторов, способных выполнять операции умножения. В середине 30-х годов XX в. на основе табуляторов создается прообраз первой локальной вычислительной сети. В Питсбурге (США) в универмаге была установлена система, состоящая из 250 терминалов, соединенных телефонными линиями с 20 табуляторами и 15 пишущими машинками для расчетов с покупателями.

ЭВМ — одно из величайших изобретений середины XX века, изменивших человеческую жизнь во многих ее проявлениях. Вычислительная техника превратилась в один из рычагов обеспечивающих развитие и достижения научно-технического прогресса.

Первым создателем автоматической вычислительной машины считается немецкий учёный Конрад Цузе. Работы им начаты в 1933 году, а в 1936 году он построил модель механической вычислительной машины, в которой использовалась двоичная система счисления, форма представления чисел с «плавающей» запятой, трёхадресная система программирования и перфокарты. В качестве элементной базы Цузе выбрал реле, которые к тому времени давно применялись в различных областях техники. В 1938 году Цузе изготовил модель машины Z1, в следующем году модель Z2, а еще через два года он построил первую в мире действующую вычислительную машину с программным управлением (модель Z3), которая демонстрировалась в Германском научно-исследовательском центре авиации. Это был релейный двоичный компьютер, имеющий память на 64 22-разрядных числа с плавающей запятой. К несчастью, все эти образцы машин были уничтожены во время бомбардировок в ходе Второй мировой войны. После войны Цузе изготовил модели Z4 и Z5. К. Цузе в 1945 году создал язык Plankalkul (от немецкого «исчисление планов»), который относится к ранним формам алгоритмических языков.

Независимо от Цузе построением  релейных автоматических вычислительных машин занимались в США Д. Штибитц  и Г. Айкен.

Д. Штибитц, тогда работавший в фирме Bell, собрал на телефонных реле первые суммирующие схемы. В 1940 году вместе с С. Уильямсом Штибитц построил «вычислитель комплексных чисел», или релейный интерпретатор, который последствии стал известен как специализированный релейный компьютер «Bell-модель 1». В последующие годы были созданы ещё четыре модели этой машины.

Другую идею релейного  компьютера выдвинул в 1937 году аспирант Гарвардского университета Г. Айкен. Его идеей заинтересовалась фирма IBM. В помощь Айкену подключили бригаду инженеров во главе с К. Лейком. Работа по проектированию и постройки машины, названной «Марк-1», началась в 1939 году и продолжалась 5 лет. Машина состояла из стандартных деталей, выпускаемых IBM в то время. Электронные лампы при создании вычислительной машины были впервые применены американским профессором физики и математики Д. Атанасовым. Память машины была энергоёмкая — использовалось 1632 бумажных конденсатора. Всего использовалось 300 электронных ламп. К весне 1942 г. когда монтаж машины был почти завершен, США уже находилось в состоянии войны с Германией, и, к несчастью, проект был свёрнут. В 1939 году Джон Винсент Атанасов и Клиффорд Берри  из Университета штата Айова разработали Atanasoff-Berry Computer (ABC). Это был первый в мире электронный цифровой компьютер.

 

 

В 1942 году профессор электротехнической школы Мура Пенсильванского университета Д. Мочли представил проект «Использование быстродействующих электронных устройств для вычислений», положивший начало созданию первой электронной вычислительной машины ENIAC. Около года проект пролежал без движения, пока им не заинтересовалась Баллистическая исследовательская лаборатория армии США. В 1943 году под руководством Д. Мочли были начаты работы по созданию ENIAC, демонстрация состоялась 15 февраля 1946 года. Новая машина имела «впечатляющие» параметры: 18000 электронных ламп, площадь 90 × 15 м², весила 30 т и потребляла 150 кВт. ENIAC работала с тактовой частотой 100 кГц и выполняла сложение за 0,2 мс, а умножение — за 2,8 мс, что было на три порядка быстрее, чем это могли делать релейные машины. По своей структуре ЭВМ ENIAC напоминала механические вычислительные машины.

Долгое время считалось, что ENIAC единственный электронный компьютер, но в 1975 году Великобритания сообщила о том, что уже с декабря 1945 года в государственном институте  Блетчли-Парк работал первый программируемый  ЭВМ «Колосс». Он стал первым полностью электронным вычислительным устройством, хотя на нём и нельзя было реализовать любую вычислимую функцию. В «Колоссе» использовалось большое количество электровакуумных ламп, ввод информации выполнялся с перфоленты.

 

С точки зрения архитектуры  ЭВМ с хранимой в памяти программой революционными были идеи американского  математика Джона фон Неймана (1903—1957). Оценив ограничения «ЭНИАК», он написал широко цитируемый отчёт, описывающий проект компьютера (EDVAC). Принципы построения этой машины стали известны под названием «архитектура фон Неймана» и послужили основой для разработки первых по-настоящему гибких, универсальных цифровых компьютеров.

 

 

 

6. Пять поколений развития ЭВМ

 

Немногим более 50 лет прошло с тех пор, как появилась первая электронная вычислительная машина. За этот короткий для развития общества период сменилось несколько поколений  вычислительных машин, а первые ЭВМ  сегодня являются музейной редкостью. Сама история развития вычислительной техники представляет немалый интерес, показывая тесную взаимосвязь математики с физикой (прежде всего с физикой  твердого тела, полупроводников, электроникой) и современной технологией, уровнем  развития которой во многом определяется прогресс в производстве средств  вычислительной техники.

Электронно-вычислительные машины у нас в стране принято  делить на поколения. Для компьютерной техники характерна прежде всего  быстрота смены поколений - за ее короткую историю развития уже успели смениться  четыре поколения и сейчас мы работаем на компьютерах пятого поколения. Что  же является определяющим признаком  при отнесении ЭВМ к тому или  иному поколению? Это прежде всего  их элементная база (из каких в основном элементов они построены), и такие  важные характеристики, как быстродействие, емкость памяти, способы управления и переработки информации.

Конечно же, деление ЭВМ  на поколения в определенной мере условно. Существует немало моделей, которые  по одним признакам относятся  к одному, а по другим - к другому  поколению. И все же, несмотря на эту условность поколения ЭВМ  можно считать качественными  скачками в развитии электронно-вычислительной техники.

 

 

 

6.1 Первое поколение ЭВМ. Компьютеры на электронных лампах (1940-е -1955 гг.)

     Быстродействие: несколько десятков тысяч операций в секунду.

Особенности:

• Поскольку лампы имеют существенные размеры и их тысячи, то машины имели огромные размеры.
• Поскольку ламп много и они имеют свойство перегорать, то часто компьютер простаивал из-за поиска и замены вышедшей из строя лампы.
• Лампы выделяют большое количество тепла, следовательно, вычислительные машины требуют специальные мощные охладительные системы.

 

После создания в 1949 г. в Англии модели EDSAC был дан мощный импульс развитию универсальных ЭВМ, стимулировавший появление в ряде стран моделей ЭВМ, составивших первое поколение.

Первое поколение (1945-1954) - ЭВМ на электронных лампах (вроде тех, что были в старых телевизорах). Это доисторические времена, эпоха становления вычислительной техники. Большинство машин первого поколения были экспериментальными устройствами и строились с целью проверки тех или иных теоретических положений. Вес и размеры этих компьютерных динозавров, которые нередко требовали для себя отдельных зданий, давно стали легендой.

Ввод чисел в первые машины производился с помощью перфокарт, а программное управление последовательностью  выполнения операций осуществлялось, например в ENIAC, как в счетно-аналитических  машинах, с помощью штекеров и  наборных полей. Хотя такой способ программирования и требовал много времени для  подготовки машины, то есть для соединения на наборном поле отдельных блоков машины, он позволял реализовывать счетные "способности" ENIAC'а и тем выгодно отличался от способа программной перфоленты, характерного для релейных машин.

  Солдаты, приписанные к этой огромной машине, постоянно носились вокруг нее, скрипя тележками, доверху набитыми электронными лампами. Стоило перегореть хотя бы одной лампе, как ENIAC тут же вставал, и начиналась суматоха: все спешно искали сгоревшую лампу. Одной из причин - возможно, и не слишком достоверной - столь частой замены ламп считалась такая: их тепло и свечение привлекали мотыльков, которые залетали внутрь машины и вызывали короткое замыкание. Если это правда, то термин "жучки" (bugs), под которым подразумевают ошибки в программных и аппаратных средствах компьютеров, приобретает новый смысл. Когда все лампы работали, инженерный персонал мог настроить ENIAC на какую-нибудь задачу, вручную изменив подключение 6 000 проводов. Все эти провода приходилось вновь переключать, когда вставала другая задача.

Первой серийно выпускавшейся  ЭВМ 1-го поколения стал компьютер UNIVAC (Универсальный автоматический компьютер). Разработчики: Джон Мочли (John Mauchly) и Дж. Преспер Эккерт (J. Prosper Eckert). Он был первым электронным цифровым компьютером общего назначения.

UNIVAC, работа по созданию  которого началась в 1946 году  и завершилась в 1951-м, имел  время сложения 120 мкс, умножения  -1800 мкс и деления - 3600 мкс. UNIVAC мог сохранять 1000 слов, 12000 цифр  со временем доступа до 400 мкс  максимально. Магнитная лента  несла 120000 слов и 1440000 цифр. Ввод/вывод  осуществлялся с магнитной ленты,  перфокарт и перфоратора. Его  первый экземпляр был передан  в Бюро переписи населения  США.  
        Программное обеспечение компьютеров 1-го поколения состояло в основном из стандартных подпрограмм.  
         

Машины этого поколения: « ENIAC », «МЭСМ», «БЭСМ», «IBM -701», «Стрела», «М-2», «М-3», «Урал», «Урал-2», «Минск-1», «Минск-12», «М-20» и др. 

Эти машины занимали большую  площадь, использовали много электроэнергии и состояли из очень большого числа  электронных ламп. Например, машина «Стрела» состояла из 6400 электронных  ламп и 60 тыс. штук полупроводниковых  диодов. Их быстродействие не превышало 2—3 тыс. операций в секунду, оперативная  память не превышала 2 Кб. Только у машины «М-2» (1958) оперативная память была 4 Кб, а быстродействие 20 тыс. операций в секунду.

  Основные технические характеристики ЭВМ "УРАЛ-1"  
Структура команд одноадресная.  
Система счисления двоичная.  
Способ представления чисел - с фиксированной запятой и с плавающей запятой по стандартным программам.  

Разрядность-35 двоичных разрядов (10,5 десятичных) и один разряд для  знака числа. 
Диапазон представляемых чисел: от 1 до 10-10.5. 
Время выполнения отдельных операций: 
а) деления - 20 мксек;  
б) нормализации - 20 мсек;  
в) остальных операций-10 мсек. 
Количество команд-29.  
Устройство ввода - на перфорированной киноленте шириной 35 мм.  
Вывод - печатающее устройство. Скорость печати - 100±10 чисел в минуту.  
Машина построена на одноламповых типовых ячейках.  
Питание машины от сети трехфазного переменного тока напряжением 220В ±10%, частотой 50Гц. 
Потребляемая мощность 7,5 кВт. 
Занимаемая площадь 50 кв. м. 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.2 Второе поколение ЭВМ. Компьютеры на транзисторах (1955-1965)

Быстродействие: сотни тысяч  операций в секунду.

       По сравнению  с электронными лампами     использование транзисторов  и полупроводников позволило уменьшить размеры вычислительной техники, повысить надежность, увеличить скорость работы (до 1 млн. операций в секунду) и почти свести на нет теплоотдачу. Работа транзисторов была более стабильна, чем у вакуумных ламп. Развиваются способы хранения информации: широко используется магнитная лента, позже появляются диски. В этот период была замечена первая компьютерная игра. Конец 50-х годов характеризуется началом этапа автоматизации программирования, приведшим к появлению языков программирования B0,Commercial Translator, FACT, MathMatic и, наконец, появлением целого ряда языков программирования высокого уровня (ЯВУ): Fortran (1957 г.), явившийся первым языком такого класса, Algol-60, АКИ-400 и др. Эти усовершенствования позволили значительно упростить и ускорить написание программ для компьютеров.

 На втором поколении компьютеров впервые появилось то, что сегодня называется операционной системой. Соответственно расширялась и сфера применения компьютеров. Теперь уже не только ученые могли рассчитывать на доступ к вычислительной технике; компьютеры нашли применение в планировании и управлении, а некоторые крупные фирмы даже компьютеризовали свою бухгалтерию, предвосхищая моду на двадцать лет.

Первый компьютер на транзисторах TX стал прототипом для компьютеров ветки PDP фирмы DEC, которые можно считать родоначальниками компьютерной промышленности, т.к появилось явление массовой продажи машин. DEC выпускает первый миникомпьютер (размером со шкаф). Зафиксировано появление дисплея.

Фирма IBM также активно  трудится, производя уже транзисторные  версии своих компьютеров.

Компьютер 6600 фирмы CDC, который разработал Сеймур Крей, имел преимущество над другими компьютерами того времени – это его быстродействие, которое достигалось за счет параллельного выполнения команд.

Машины этого поколения: «РАЗДАН-2», «IВМ-7090», «Минск-22,-32», «Урал- 14,-16», «БЭСМ-3,-4,-6», «М-220,-222» и др. 

Основные  технические характеристики ЭВМ "Урал-16":  
Структура команд двухадресная.  
Система счисления двоичная.  
Способ представления чисел: с плавающей запятой.  
Разрядность: 36 двоичных разрядов (мантисса числа — 29 разрядов, знак мантиссы – - 1 разряд, порядок — 5 разрядов, знак порядка — 1 разряд).  

Быстродействие 5000 операций/с.  
Количество команд (основных) 17. Каждая операция имеет 8 модификаций.  
Устройства ввода — вывода обеспечивают ввод информации в машину с фотосчитывающего устройства на киноленте со скоростью 35 чисел/с и вывод результатов вычислений на печатающее устройство со скоростью 20 чисел/с. 
Питание машины от сети переменного тока напряжением 380/220 В, частотой 50 Гц.  
Потребляемая мощность около 3 кВт. 
Занимаемая площадь 20 кв. м.  

6.3 Третье поколение ЭВМ. Компьютеры на интегральных схемах (1965-1980)

       Быстродействие: миллионы операций в секунду.

      Бурный рост использования компьютеров начался с «3-его поколения» вычислительных машин. Начало этому положило изобретение  интегральных схем, которые независимо друг от друга сделали лауреат Нобелевской премии Джек Килби и Роберт Нойс. Интегральная схема представляет собой электронную схему, вытравленную на кремниевом кристалле. На такой схеме умещаются тысячи транзисторов. Следовательно, компьютеры этого поколения были вынуждены стать еще мельче, быстрее и дешевле.

        Последнее  свойство позволяло компьютерам  проникать в различные сферы  деятельности человека. Из-за этого  они становились более специализированными  (т.е. имелись различные вычислительные  машины под различные задачи).