Поколения ЭВМ

 

 

  
 
 
                 Кафедра «Информатика, прикладная математика и механика»

 
 
 
ПОКОЛЕНИЯ ЭВМ  
Тематический реферат 
по разделу «Технические средства реализации информационных процессов» 
 
 
 

                                   Студент 

11.10.2013

 

 

 

Руководитель

 

11.10.2013

 

 
 
 

 
 
 
 
 
 
2013

 

Оглавление

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Первая страница в  истории создания вычислительных машин  связана с именем 
французского философа, писателя, математика и физика Блеза Паскаля. В 1641 
г. он сконструировал механический вычислитель, который позволял складывать 
и вычитать числа. В 1673 г. выдающийся немецкий ученый Готфрид Лейбниц 
построил первую счетную машину, способную механически выполнять все четыре 
действия арифметики. Ряд важнейших ее механизмов применяли вплоть до 
середины XX в. в некоторых типах машин. К типу машины Лейбница могут быть 
отнесены все машины, в частности и первые ЭВМ, производившие умножение как 
многократное сложение, а деление - как многократное вычитание. Главным 
достоинством всех этих машин являлись более высокие, чем у человека, скорость и точность вычислений. Их создание продемонстрировало 
принципиальную возможность механизации интеллектуальной деятельности 
человека. Появление ЭВМ или компьютеров – одна из существенных примет современной 
научно-технической революции. Первые электронные компьютеры появились в первой половине 
XX века. Они могли делать значительно больше механических калькуляторов, которые лишь складывали, вычитали и умножали. Это были электронные машины, способные решать сложные задачи. В вычислительной технике существует своеобразная периодизация развития электронных вычислительных машин. ЭВМ относят к тому или иному поколению в зависимости от типа основных используемых в ней элементов или от технологии их изготовления. Ясно, что границы поколений в смысле времени сильно 
размыты, так как в одно и то же время фактически выпускались ЭВМ различных 
типов. С каждым новым поколением увеличивалось быстродействие, уменьшались 
потребляемая мощность и масса ЭВМ, повышалась их надежность. При этом 
возрастали их "интеллектуальные" возможности - способность "понимать" 
человека и обеспечивать ему эффективные средства для обращения к ЭВМ.

 

 

ПОКОЛЕНИЯ ЭВМ.

 

Можно выделить 4 основные поколения ЭВМ. 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. Этот прогресс показан в данной таблице:

 

П О К О Л Е  Н И Я   Э В М                              ХАРАКТЕРИСТИКИ

*	Годы применения	Основной элемент	Количество ЭВМ в  мире (шт.)	Быстродействие (операций в секунду)	Носитель информации	Размеры ЭВМ
I	1946-1958	Эл/лампа	Десятки	103-144	Перфокарта, Перфолента	Большие
II	1958-1964	Транзистор	Тысячи	104-106	Магнитная Лента	Значительно меньше
III	1964-1972	ИС	Десятки тысяч	105-107	Диск	Мини-ЭВМ
IV	1972 - настоящее время	БИС	Миллионы	106-108	Гибкий и лазерный диск	Микро ЭВМ

 

I   поколение (до 1955 г.)

  Все ЭВМ I-го поколения были сделаны на основе электронных ламп, что делало их ненадежными - лампы приходилось часто менять. 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.

Притом для каждой машины использовался свой язык программирования. 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 перфоленты¹, перфокарты², магнитные ленты и печатающие устройства, оперативные запоминающие устройства были реализованы на основе ртутных линий задержки электроннолучевых трубок.

Эти неудобства начали преодолевать путем интенсивной разработки средств  автоматизации программирования, создания систем обслуживающих программ, упрощающих работу на машине и увеличивающих эффективность её использования. Это, в свою очередь, потребовало значительных изменений в структуре компьютеров, направленных на то, чтобы приблизить её к требованиям, возникшим из опыта эксплуатации компьютеров.

Первая электронная  лампа - вакуумный диод - была построена  Флемингом лишь в 
1904 году, хотя эффект прохождения электрического тока через вакуум был 
открыт Эдисоном в 1883 году. Вскоре, Ли де Форрест изобретает вакуумный 
триод - лампу с тремя электродами, затем появляется газонаполненная 
электронная лампа - тиратрон, пятиэлектродная лампа - пентод и т. д. До 30- 
х годов электронные вакуумные и газонаполненные лампы использовались 
главным образом в радиотехнике. Но в 1931 году англичанин Винни Вильямс 
построил (для нужд экспериментальной физики) тиратронный счетчик 
электрических импульсов, открыв тем самым новую область применения 
электронных ламп. Электронный счетчик состоит из ряда триггеров. Триггер, изобретенный М. А. Бонч-Бруевичем (1918) и - независимо - американцами У. 
Икклзом и Ф. Джорданом (1919), содержит 2 лампы и в каждый момент может 
находиться в одном из двух устойчивых состояний; он представляет собой 
электронное реле. Подобно электромеханическому, оно может быть использовано 
для хранения одной двоичной цифры. Электронная лампа. 
Использование электронной лампы в качестве основного элемента ЭВМ 
создавало множество проблем. Из-за того, что высота стеклянной лампы - 7см, 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. 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.

Основные  компьютеры первого поколения:

 

•       1946г. ЭНИАК 

В 1946 г. американские инженер-электронщик  Дж. П. Эккерт и физик Дж.У. Моучли в Пенсильванском университете сконструировали, по заказу военного ведомства США, первую электронно-вычислительную машину - “Эниак”, которая предназначалась для решения задач баллистики. Она работала в тысячу раз быстрее, чем "Марк-1", выполняя за одну секунду 300 умножений или 5000 сложений многоразрядных чисел. Размеры: 30 м. в длину, объём - 85 м³. вес - 30 тонн. Использовалось около 20000 электронных ламп и 1500 реле. Мощность ее была до 150 кВт.

•       1949г. ЭДСАК.

Первая машина с хранимой программой – “Эдсак” - была создана в Кембриджском университете (Англия) в 1949 г. Она имела запоминающее устройство на 512 ртутных линиях задержки. Время выполнения сложения было 0,07 мс, умножения - 8,5 мс.

•           1951г. UNIVAC-1. (Англия)

В 1951 г. была создана машина “Юнивак” (UNIVAC) - первый серийный компьютер с хранимой программой. В этой машине впервые была использована магнитная лента для записи и хранения информации.

 

II поколение (1958-1964 гг.) 

В 1958 г. в ЭВМ были применены  полупроводниковые транзисторы, изобретённые в 1948 г. Уильямом Шокли, они были более  надёжны, долговечны, малы, могли выполнить  значительно более сложные вычисления, обладали большой оперативной памятью. 1 транзистор способен был заменить ~ 40 электронных ламп и работает с большей скоростью.

Во II-ом поколении компьютеров  дискретные транзисторные логические элементы вытеснили электронные лампы. В качестве носителей информации использовались магнитные ленты и магнитные сердечники, появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, магнитные барабаны и первые магнитные диски.  

В качестве программного обеспечения стали использовать языки программирования высокого уровня, были написаны специальные трансляторы с этих языков на язык машинных команд. Для ускорения вычислений в этих машинах было реализовано некоторое перекрытие команд: последующая команда начинала выполняться до окончания предыдущей.

Появился широкий набор  библиотечных программ для решения  разнообразных математических задач. Появились мониторные системы, управляющие  режимом трансляции и исполнения программ. Из мониторных систем в дальнейшем выросли современные операционные системы.

Машинам второго поколения была свойственна программная несовместимость, которая затрудняла организацию  крупных информационных систем. Поэтому  в середине 60-х годов наметился  переход к созданию компьютеров, программно совместимых и построенных на микроэлектронной технологической базе.

Эти ЭВМ по сравнению  с ЭВМ первого поколения обладали большими 
возможностями и быстродействием.

Если говорить в общих  чертах о структурных изменениях машин второго 
поколения, то это, прежде всего, появление возможности совмещения операций 
ввода/вывода с вычислениями в центральном процессоре, увеличение объема 
оперативной и внешней памяти, использование алфавитно-цифровых устройств 
для ввода и вывода данных. "Открытый" режим использования машин первого 
поколения сменился "закрытым", при котором программист уже не допускался в 
машинный зал, а сдавал свою программу на алгоритмическом языке оператору 
ЭВМ, который и занимался ее дальнейшим пропуском на машине. Большие достижения в архитектуре компьютеров позволило достичь 
быстродействия в миллион операций в секунду. Примерами транзисторных 
компьютеров могут послужить "Стретч" (Англия), "Атлас" (США).

 

III поколение (1964-1972 гг.) 

В 1960 г. появились первые ИС³, которые получили широкое распространение в связи с малыми размерами, но громадными возможностями. ИС - это кремниевый кристалл, площадь которого примерно 10 мм2. 1 ИС способна заменить десятки тысяч транзисторов. 1 кристалл выполняет такую же работу, как и 30-ти тонный “Эниак”. А компьютер с использованием ИС достигает производительности в 10 млн. операций в секунду.

В 1964 году, фирма IBM⁴ объявила о создании шести моделей семейства IBM 360 (System 360), ставших первыми компьютерами третьего поколения.

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.

Примеры машин третьего поколения — семейства IBM-360, IBM-370, ЕС ЭВМ⁵, СМ ЭВМ⁶ и др. Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Ёмкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов. 

Наиболее быстродействующая ЭВМ ряда ЕС ЭВМ выпускалась заводом ВЭМ (г. Пенза). Она выполняла до 5 млн. опер/с.

В целях защиты от внешних  воздействий интегральные схемы  выпускают в 
защитных корпусах. По количеству элементов различают интегральные схемы: 1-й степени интеграции (до 10 элементов), 2-й степени интеграции (от 10 до 
100) и т. д. Размеры отдельных элементов интегральных схем очень малы (порядка 0,5-10 мкм) и подчас соизмеримы с размерами пылинок (1-100 мкм). Поэтому производство интегральных схем осуществляется в особо чистых 
условиях. Ко всем достоинствам ЭВМ третьего поколения добавилось еще и то, что их 
производство оказалось дешевле, чем производство машин второго поколения. 
Благодаря этому, многие организации смогли приобрести и освоить такие 
машины. А это, в свою очередь, привело к росту спроса на универсальные ЭВМ, предназначенные для решения самых различных задач. Большинство созданных до 
этого ЭВМ являлись специализированными машинами, на которых можно было 
решать задачи какого-то одного типа.  

IV поколение (с 1972 г. по настоящее время)

Четвёртое поколение  — это поколение компьютерной техники, разработанное после 1970 года.