Особенности строения первых ЭВМ

Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования                                «Сибирский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации           (ГБОУ ВПО СибГМУ Минздрава России)

 

Кафедра медицинской информатики

 

 

 

Реферат по медицинской информатике

Тема: «Особенности строения первых ЭВМ»

 

 

 

 

Выполнил:

Студент ФФ группы №3303

ГБОУ ВПО СибГМУ

Минздрава России

П.А. Вертечев

 

Принял:

Ассистент кафедры медицинской информатики

___________А.Н. Прибыльская

 

 

Томск 2013 г.

Оглавление

 

 

Введение

На протяжении всей истории развития человечества, люди искали более простые и одновременно надёжные методы ведения подсчётов разной степени сложности. Делать все подсчёты вручную было бы очень трудоёмким и затратным процессом, и дабы избежать подобных трудностей люди изобрели «абак», представляющий собой дощечку с небольшими углублениями, сделанную из меди, камня или слоновой кости. Подсчёт проводился путём перемещения по этим углублениям камешков и косточек. Абак уже существовал в Греции с 5 века до н.э., у японцев он назывался «серобян», у китайцев - «суанпан». Довольно интересно, что в Древней Греции также создавались и более совершенные устройства. В 1901 году недалеко от греческого острова Антикитера было обнаружен сложный механизм, предназначенный для расчёта местоположения планет. Прибор назвали Антикитерским механизмом. Устройство содержало 37 бронзовых шестерён в деревянном корпусе, на котором были размещены циферблаты со стрелками. Кроме расчётов движения небесных тел, другие функции механизма неизвестны.

Около 500 года н.э. абак был усовершенствован, приняв вид рамки с костяшками, продетыми через нить. В Древней Руси подсчёт проводился при прибора, подобного абаку, называемому «русский шот». В XVII веке этот устройство уже обрёло вид привычных русских счёт.

В начале XVII века математика стала играть ключевую роль в науке, однако её развитию мешало отсутствие устройства, способного на сложные расчёты. В целях решения этой проблемы французский математик и физик Блез Паскаль изобрёл «суммирующую» машину, названной Паскалиной. Особенностью машины явилось то, что кроме сложения она могла выполнять и вычитание.

В 1670-1680 годах немецким математиком Готфрид Лейбниц была сконструирована счётная машина, которая уже могла выполнять все арифметические действия.

В 1878 году русским учёным П. Чебышевым была предложена счётная машина, выполнявшая сложение и вычитание многозначных чисел. В это же время пользуется большой популярностью арифмометр, сконструированный в 1827 году петербургским инженером Однером.  Его конструкция оказалась весьма удачной, так как позволяла выполнять все четыре арифметических действия.

В 30-х годах XX века в СССР был выпущен более совершенный арифмометр «Феликс». Это счётное устройство, а также ряд его модификаций, использовались несколько десятилетий, став основным техническим средством облегчения человеческого труда.

Дальнейшие открытия в области физики позволили человечеству конструировать более сложные и функциональные устройства. Так появились ЭВМ.

Цель работы: изучить особенности строения первых ЭВМ.

Для достижения поставленной цели, мною были сформулированы следующие задачи:

1. Раскрыть понятие ЭВМ
2. Раскрыть особенности строения первых ЭВМ согласно условно выделяемым поколениям их развития                                     
3. Сделать вывод

 

Поколения ЭВМ

Под понятием ЭВМ принято называть серии различных электронных машин, предназначенных для проведения различной степени сложности расчётов и выпускавшихся в период 1930 года по 1980 год, после чего понятие ЭВМ было заменено на термин «компьютер».

Исходя из особенностей строения и функционирования, принято выделять пять поколений ЭВМ:

Первое поколение ЭВМ

В 1824 г. англичанином Стардженом был создан электромагнит - устройство, преобразующее входной электрический ток проволочной катушки, намотанной на железный сердечник, в магнитное поле, образующееся внутри и вне этого сердечника. Магнитное поле фиксировалось (обнаруживалось) своим воздействием на ферромагнитный материал, расположенный вблизи сердечника. Этот материал притягивался к сердечнику электромагнита.

Впоследствии эффект преобразования энергии электрического тока в механическую энергию осмысленного перемещения внешнего ферромагнитного материала (якоря) лег в основу различных электромеханических устройств электросвязи (телеграфии и телефонии), электротехники, электроэнергетики. Одним из первых таких устройств было электромагнитное реле, изобретенное американцем Дж. Генри в 1831 г.

Следует отметить, что первое релейное устройство представляло собой не коммутационное реле.

Электрический сигнал от внешнего источника после преобразования электромагнитом этого реле в магнитное поле приводил в движение якорь, который, перемещаясь, ударял по корпусу металлического колокола, вызывая звуковой сигнал. Очевидно, что электромагнит с внешним якорем лег в основу конструкции и первого коммутационного реле, использованного в телеграфном аппарате, построенном в 1837 г. американским художником и изобретателем С. Бризом (Морзе), создавшим позднее к нему и код - азбуку Морзе.

Аппарат Морзе представлял собой электромеханическое устройство, в котором передатчиком служил телеграфный ключ, а приемником электромагнит с подвижным сердечником, управляющий работой пишущего механизма. Кодовые электрические импульсы от приемника к передатчику передавались по длинным проводам и, поэтому, требовали усиления. Для усиления слабых импульсов тока Морзе, по совету Дж. Генри, использовал его электромагнитное реле, якорь которого уже воздействовал не на колокол, а на подвижный электрический контакт, подключающий батарею питания к приемному электромагниту синхронно с приходом сигнала Морзе. Таким образом, ослабленный импульс электрического тока усиливался и мог уже восприниматься приемным электромагнитом телеграфного аппарата или передаваться дальше. Усиление ослабленного тока с помощью устройства Дж. Генри напоминало смену (по-французски: relais) уставших почтовых лошадей на станциях или передачу эстафеты (relais) уставшим спортсменом, что и послужило названием relais для устройств подобного рода. Поистине широкомасштабное промышленное применение и, как следствие этого, конструктивно-технологическое развитие электромагнитных реле началось после изобретения телефона и усовершенствования первых телефонных станций ручного обслуживания путем использования гнездо-шнуровых коммутаторов. Именно в таких коммутаторах американской фирмой Вестерн-Электрик впервые в 1878 г. было применено электромагнитное реле. Оно еще мало походило на последующие конструкции реле для телефонии, а больше напоминало телеграфный ключ. Широкое внедрение телефонии потребовало массового производства электромагнитных реле, конструкции которых были бы технологичны, дешевы и надежны в работе.

ЭВМ первого поколения в качестве элементной базы использовали электронные лампы и реле; оперативная память выполнялась на триггерах, позднее на ферритовых сердечниках.

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. Процесс программирования больше напоминал искусство, которым занимался весьма узкий круг математиков, электроников и физиков.

Результатом развития EDSAC-проекта стало создание серии ЭВМ LEO (1951 г.), DEDUCE (1954 г., Англия), ENIAC (1950), MARK-3, SWAC (1950), IAS, BINAC, UNIVAC (1951), MANIAC, WhirlWind-1, ORDVAC, IBM 701 (1952, США); Gamma-40 (1952, Франция); МЭСМ (1951),БЭСМ (1952), Минск-1, Урал-2, М-20 (СССР) и др. При этом, ЭВМ UNIVAC могла обрабатывать как числовую, так и символьную информацию и ее производство носило коммерческий характер. Особо следует отметить созданную в 1952 г. под влиянием идей Джона фон Неймана ЭВМ WhirlWind-1 (Вихрь-1), использующую оперативную память на ферритовых сердечниках (впоследствии повсеместно использующихся для запоминающих устройств) и являющуюся самой быстродействующей ЭВМ в середине 50-х годов: 330 тыс. оп/сек (сложение) и 60 тыс. оп/сек (умножение).

Отечественная ЭВМ БЭСМ явилась первой и одной из самых быстродействующих в континентальной Европе. Наиболее важными экспериментальными проектами ЭВМ данного поколения являются: Manchester Mark 1, EDSAC, EDVAC, SEAC, WhirlWind, IAS, ENIAC.

Самыми первыми серийными ЭВМ стали: Ferranti Mark 1, UNIVAC 1, LEO 1.

Второе поколение ЭВМ

Второе поколение характеризуется рядом прогрессивных архитектурных решений и дальнейшим развитием технологии программирования.

В качестве устройств хранения и обработки информации на смену вакуумным лампам пришли транзисторы. Работа транзисторов была более стабильна, чем у вакуумных ламп. Транзисторы выделяли меньше тепла и потребляли меньше энергии. Каждый транзистор представлял собой отдельную деталь, которую нужно впаять в печатную плату - это медленный, трудоемкий процесс. В качестве устройств хранения информации применялась технология памяти на магнитных сердечниках. Она состояла из маленьких (около 1 мм в диаметре) магнитных колец, которые поляризовались в двух направлениях, представляя таким образом бит данных. Эта память собиралась вручную, и поэтому была очень дорогой. 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.

Второе поколение начинается с ЭВМ RCA-501, появившейся в 1959 г. в США и созданной на полупроводниковой элементной базе. Между тем, еще в 1955 г. была создана бортовая транзисторная ЭВМ для межконтинентальной баллистической ракеты ATLAS. Новая элементная технология позволила резко повысить надежность вычислительной техники, снизить ее габариты и потребляемую мощность, а также значительно повысить производительность. Это позволило создавать ЭВМ с большими логическими возможностями и производительностью, что способствовало распространению сферы применения ЭВМ на решение задач планово-экономических, управления производственными процессами и др. 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.

Из зарубежных ЭВМ второго поколения можно отметить такие известные американские модели как IBM 7090, LARC (1960 г.), Stretch (1961 г.) и английскую ATLAS (1962 г.). При этом, если Stretch была первой большой ЭВМ, использующей слова как фиксированной, так и переменной длины, то LARC был последним большим проектом, использующим оперативную память исключительно для хранения десятичных чисел. В ЭВМ ATLAS, являющейся, пожалуй, последним большим проектом второго поколения, был использован ряд новшеств, в дальнейшем нашедших свое развитие в моделях следующего поколения: концепция виртуальной памяти и аппаратная система прерываний (экстракодов) и др. Обе концепции были взяты на вооружение многими последующими разработчиками ЭВМ, а вызовы супервизора (SVC) операционной системы OS/360 широко известной серии IBM System/360 являются прямым следствием этой концепции.

В СССР второе поколение начинается с ЭВМ РАЗДАН (1960 г.) и его вполне можно охарактеризовать такими известными сериями ЭВМ как Наири, Мир (малые ЭВМ); МИНСК, Урал, РАЗДАН, М-220, БЭСМ-4 (средние ЭВМ) и Днепр, М-4000 (управляющие ЭВМ). Наилучшей отечественной ЭВМ 2-го поколения по праву считается модель БЭСМ-6, созданная в 1966 г., имеющая основную и промежуточную (на магнитных барабанах) память объемами соответственно 128К и 512К,быстродействие порядка 1 млн. оп/сек и довольно обширную периферию (магнитные ленты и диски, графопостроители, разнообразные устройства ввода/вывода). Наиболее же массовыми советскими ЭВМ второго поколения были модели МИНСК-22 и МИНСК-32,хорошо себя зарекомендовавшие в эксплуатации при решении широкого круга задач. По ряду архитектурных решений БЭСМ-6 и МИНСК-32 можно отнести к моделям, промежуточным между вторым и третьим поколениями ЭВМ.

Третье поколение ЭВМ

Третье поколение связывается с появлением ЭВМ с элементной базой на интегральных схемах (ИС). В январе 1959 г. Д. Килби была создана первая интегральная схема, представляющая собой тонкую германиевую пластинку длиной в 1 см. Для демонстрации возможностей интегральной технологии фирма Texas Instruments создала для ВВС США бортовой компьютер, содержащий 587 интегральных схем и объемом в 150 раз меньшим, чем у аналогичной ЭВМ старого образца. Но у интегральной схемы Килби был ряд существенных недостатков, которые были устранены с появлением в том же году планарных интегральных схем Р. Нойса. С этого момента ИС-технология начала свое триумфальное шествие, захватывая все новые разделы современной электроники и, в первую очередь, вычислительную технику.

Первые специальные бортовые ЭВМ по ИС-технологии проектируются и строятся по заказам военного ведомства США. Новая технология обеспечивала большие надежность, технологичность и быстродействие вычислительной техники при существенном уменьшении ее габаритов. На одном квадратном миллиметре интегральной схемы оказалось возможным размещать тысячи логических элементов. Однако не только ИС-технология определила появление нового поколения ЭВМ - ЭВМ третьего поколения, как правило, образуют серии моделей, программно совместимых снизу вверх и обладающих возрастающими от модели к модели возможностями. Вместе с тем, данная технология позволяла реализовывать намного более сложные логические архитектуры ЭВМ и их периферийного оборудования, что существенно расширяло функциональные и вычислительные возможности ЭВМ.

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. С разработкой экспериментальных ЭВМ Stretch фирмы IBM и Atlas Манчестерского университета подобная концепция архитектуры ЭВМ стала реальностью; воплотила ее уже на коммерческой основе фирма IBM созданием широко известной серии IBM/360. Частью ЭВМ становятся операционные системы, появились возможности мультипрограммирования; многие задачи управления памятью, устройствами ввода/вывода и другими ресурсами стали брать на себя операционные системы или же непосредственно аппаратная часть ЭВМ.