Первое поколение компьютеров (1938-1960гг)
Начало второй мировой войны послужило толчком к пониманию стратегической роли вычислительных машин. Правительства разных стран инициировали проекты, направленные на развитие вычислительной техники. В 1938 году в Германии под руководством инженера Конрада Цузе была создана первая в мире вычислительная машина $Z1$. Она была разработана на основе механических арифмометров. Чуть позже одна за другой появились ее усовершенствованные модели $Z2$, $Z3$ и $Z4$. Все они использовалась для выполнения расчетов при проектировании уранового атомного реактора, баллистических ракет и самолетов. Практически одновременно в Великобритании завершается создание вычислительной машины «Colossus», которая была предназначена для расшифровки сообщений Вермахта. И немецкие модели и английская модель были разработаны исключительно для решения узких задач и не могли применяться широко.
В $1944$ году американец Говард Эйкен усовершенствовал немецкие изобретения при помощи электромеханического реле. Теперь механические детали перемещались электромагнитным сигналом. Компьютер был назван «Mark I» и использовался, как и немецкий предшественник, для баллистических расчетов. Одно вычисление на Mark I требовало порядка $5$ секунд.
В $1946$ году американские ученые Джон Мокли и Джон Эккерт догадались заменить электромеханические реле на электронные вакуумные лампы. Так появился электронный вычислительный интегратор и калькулятор ЭНИАК. Лампы позволили увеличить его скорость работы в $1000$ раз в сравнении с Mark I. ЭНИАК помогал решать все те же баллистические и аэродинамические задачи. Длина ЭНИАКа составляла $30$м., объем – $85м^3$,вес-$30$ тонн.
Рисунок 1.
Определение 1
Первый компьютер, предназначенный для коммерческого использования, появился в $1951$ году в США. Назвали его УНИАК – универсальный автоматический компьютер.
Параллельно в СССР также велись независимые работы по созданию компьютеров. В начале $50$-х под руководством академика С.А.Лебедева были созданы МЭСМ (малая электронная счетная машина) и БЭСМ (большая электронная счетная машина).
Все эти вычислительные машины относятся к первому поколению. Они работали на радиодеталях и вакуумных лампах, в качестве запоминающих устройств использовали магнитные ленты и перфокарты. В каждой был свой собственный способ записи программ – машинный язык, который мог использоваться только для этой модели компьютера. Следовательно, программы написанные для одного компьютера, не могли повторно использоваться на другом.
Классификация ЭВМ по назначению
По назначению ЭВМ можно разделить на три группы: универсальные (общего назначения), проблемно-ориентированные и специализированные.
Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных инженерно-технических задач: экономических, математических, информационных и других задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Они широко используются в вычислительных центрах коллективного пользования и в других мощных вычислительных комплексах.
Характерными чертами универсальных ЭВМ является:
высокая производительность;
разнообразие форм обрабатываемых данных: двоичных, десятичных, символьных, при большом диапазоне их изменения и высокой степени их представления;
обширная номенклатура выполняемых операций, как арифметических, логических, так и специальных;
большая емкость оперативной памяти;
развитая организация системы ввода-вывода информации, обеспечивающая подключение разнообразных видов внешних устройств.
Проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам; они обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами.
К проблемно-ориентированным ЭВМ можно отнести, в частности, всевозможные управляющие вычислительные комплексы.
Специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация ЭВМ позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы.
К специализированным ЭВМ можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения; адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем.К таким компьютерам также относятся, например, бортовые компьютеры автомобилей, судов, самолетов, космических аппаратов. Бортовые компьютеры управляют средствами ориентации и навигации, осуществляют контроль за состоянием бортовых систем, выполняют некоторые функции автоматического управления и связи, а также большинство функций оптимизации параметров работы объекта (например, оптимизацию расхода топлива объекта в зависимости от конкретных условий движения). Специализированные мини-ЭВМ, ориентированные на работу с графикой, называют графическими станциями. Специализированные компьютеры, объединяющие компьютеры предприятия в одну сеть, называют файловыми серверами. Компьютеры, обеспечивающие передачу информации между различными участниками всемирной компьютерной сети, называют сетевыми серверами.
Во многих случаях с задачами специализированных компьютерных систем могут справляться и обычные универсальные компьютеры, но считается, что использование специализированных систем все-таки эффективнее. Критерием оценки эффективности выступает отношение производительности оборудования к величине его стоимости.
ЭВМ первого поколения
Электровакуумные лампы
ЭВМ первого поколения были ламповыми машинами 50-х годов. Их элементной базой были электровакуумные лампы. Эти ЭВМ были весьма громоздкими сооружениями, содержавшими в себе тысячи ламп, занимавшими иногда сотни квадратных метров территории, потреблявшими электроэнергию в сотни киловатт.
Например, одна из первых ЭВМ – ENIAC представляла собой огромный по объему агрегат длиной более 30 метров. Эта машина содержала 18 тысяч электровакуумных ламп и потребляла около 150 киловатт электроэнергии.
Для ввода программ и данных применялись перфоленты и перфокарты. Не было монитора, клавиатуры и мышки.
Использовались эти машины, главным образом, для инженерных и научных расчетов, не связанных с переработкой больших объемов данных.
В 1949 году в США был создан первый полупроводниковый прибор, заменяющий электронную лампу. Он получил название транзистор.
Третье поколение ЭВМ: 1970-1980-е годы
В 1959 году Джек Килби представил технологию изготовления гибридных интегральных схем. В 1960 году Роберт Нойс запатентовал технологию изготовления монолитных кремниевых интегральных схем, в которых 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.
из истории развития компьютеров
История
появления и развития компьютеров является
одним из наиболее впечатляющих явлений ХХ
века. сейчас без
них уже немыслимо огромное количество
областей человеческой деятельности -экономика,
управление, наука, инженерное дело,
издательское дело, образование, культура и
т.д.
Появление
ЭВМ или компьютеров – одна из существенных
примет современной научно-технической
революции. Широкое распространение
компьютеров привело к тому, что все большее
число людей стало знакомиться с основами
вычислительной техники, а программирование
постепенно превратилось в элемент культуры.
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.
Кроме того,
они имели две отличительные особенности,
которыми предыдущие машины не обладали:
—они
могли выполнять определенную
последовательность операций по заранее
заданной программе или последовательно
решать задачи разных типов.
—Способность хранить информацию
в специальной памяти.
Четких
границ между классами компьютеров не
существует. По
мере совершенствования структур и
технологии производства, появляются новые
классы компьютеров, границы существующих
классов существенно изменяются.
Применение транзисторов
Благодаря насыщению рынка ламповыми машинами и усовершенствованию производства транзисторов, в середине пятидесятых годов ряд компаний приступил к выпуску ЭВМ на полупроводниковых триодах. Сначала выпускались в основном компьютеры с элементами смешанного типа. В конце пятидесятых годов в разных странах были выпущены:
- TRADIC — американское цифровое устройство, собранное на 800 транзисторах и 11 тыс. германиевых диодах.
- «Philco-2000» — вычислительная техника на 56 тыс. транзисторах, 1200 диодах и 450 электронных лампах.
- «Elliot-803» — английская ЭВМ на транзисторах, выпущенная в 1958 году.
В то же время советскими специалистами была разработана и запущена в серийное производство полупроводниковая вычислительная машина «Раздан-2». Кроме того, несколько стран выпустили ЭВМ на других элементах: в Японии «Senac-1» — на параметронах, в Советском Союзе — «Сетунь» и Франции — САВ-500 на магнитных компонентах.
Кстати, «Сетунь», сконструированная специалистами МГУ, была единственной машиной, которая функционировала в троичной системе счисления. Важным событием среди ЭВМ второго поколения стал выпуск в Англии аппарата «Atlas», обладающего виртуальной памятью.
Большое значение для усовершенствования компьютеров сыграла ЭВМ CDC-6600 от фирмы Control Data, в которой для обработки данных использовались несколько процессоров, что позволяло проводить более 3 млн действий в секунду.
Кроме ЭВМ «Раздан-2», в Советском Союзе было произведено еще около 30 моделей этого класса. Долгое время на производстве использовались модификации компьютера «Минск», а в вузах для изучения информатики и научно-исследовательских институтах с успехом применялись небольшие ЭВМ «Мир».
Первое поколение
Ламповые ЭВМ стали первыми вычислительными машинами, выпуск которых начался в начале 50-х годов прошлого столетия. Примерно в то время люди начале массово узнавать, что такое ЭВМ.
В Советском Союзе представителем таких машин стал МЭСМ. Руководил разработкой данного компьютера Лебедев. Вскоре на его основе был разработан новый представитель того поколения ЭВМ — БЭСМ. Для серийного производства данная машина получила некоторые улучшения. Она была названа БЭСМ-2.
В Соединенных Штатах о том, что такое ЭВМ, знали также многие. Представителем первого поколения электронных вычислительных машин стал «Эдвак». Однако он значительно уступал по параметрам отечественному компьютеру. Связано это было с тем, что БЭСМ-2 применял новые принципы построения. Советская машина могла совершать около десяти тысяч операций в секунду.
Структурно первое поколения ЭВМ было очень схожим с машиной фон Неймана. Конечно, параметры были во много раз хуже, чем у современных самых малофункциональных представителей компьютерной техники. Программы для ЭВМ первого поколения составлялись при помощи машинного кода.
Представители таких машин отличались огромными габаритами и высоким потреблением энергии. Цена машины являлась неподъемной для простых пользователей. Кроме этого, управлять ими мог только специально обученный оператор ЭВМ, так как все программы были сложны для понимания. Поэтому использовались они лишь учеными для каких-либо научно-технических задач.
Вскоре появились первые языки программирования: символическое кодирование и автокоды.
ПЕРЕНОСНЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ.
Переносные
компьютеры —
быстроразвивающийся подкласс персональных
компьютеров. По прогнозу специалистов, в 1998
г. более 50% пользователей будут
использовать именно переносные машины, а к
2000 г. этот процент возрастет до 81.
Портативные
рабочие станции
— наиболее мощные и крупные переносные ПК.
Они оформляются часто в виде чемодана и
носят жаргонное название Nomadic —
кочевник. Их характеристики аналогичны
характеристикам стационарных ПК — рабочих
станций: мощные микропроцессоры, часто типа
RISC, с тактовой частотой до 300 МГц,
оперативная память емкостью до 64 Мбайт,
гигабайтные дисковые накопители,
быстродействующие интерфейсы и мощные
видеоадаптеры с видеопамятью до 4 Мбайт.
По существу,
это обычные рабочие станции, питающиеся от
сети, но конструктивно оформленные в
корпусе, удобном для переноса, и имеющие,
как и все переносные ПК, плоский
жидкокристаллический видеомонитор класса
не выше VGA. Nomadic обычно имеют модемы и могут
оперативно подключаться к каналам связи
для работы в вычислительной сети.
Этот тип
переносных компьютеров может эффективно
использоваться для выездных презентаций,
особенно при наличии средств мультимедиа,
но может с успехом применяться и в
стационарном варианте, позволяя экономить
место на рабочем столе.
Второе поколение — ЭВМ на транзисторах.
Транзисторы пришли на смену электронным лампам в начале 60-х годов. Транзисторы (которые действуют как электрические переключатели), потребляя меньше электроэнергии и выделяя меньше тепла, занимают и меньше места. Объединение нескольких транзисторных схем на одной плате дает интегральную схему (chip — «щепка», «стружка» буквально, пластинка ). Транзисторы это счетчики двоичных чисел. Эти детали фиксируют два состояния — наличие тока и отсутствие тока, и тем самым обрабатывают информацию, представленную им именно в таком двоичном виде.
В 1953 г.. Уильям Шокли изобрел транзистор с p — n переходом ( junction transistor ). Транзистор заменяет электронную лампу и при этом работает с большей скоростью, выделяет очень мало тепла и почти не потребляет электроэнергию. Одновременно с процессом замены электронных ламп транзисторами совершенствовались методы хранения информации: как устройства памяти стали применяться магнитные сердечники и магнитные барабаны, а уже в 60-е годы получило распространение хранение информации на дисках.
Один из первых компьютеров на транзисторах — Atlas Guidance Computer — был запущен в 1957 г. и использовался при управлении запуском ракеты Atlas.
Созданный в 1957 г.. RAMAC был недорогим компьютером с модульной внешней памятью на дисках, комбинированным оперативным запоминающим устройством на магнитных сердечниках и барабанах. И хотя этот компьютер еще не был полностью транзисторным, он отличался высокой работоспособностью и простотой обслуживания и пользовался большим спросом на рынке средств автоматизации делопроизводства в офисах. Поэтому для корпоративных заказчиков срочно выпустили уже «большой» RAMAC (IBM-305), для размещения 5 Мбайт данных системе RAMAC нужно было 50 дисков диаметром 24 дюйма. Созданная на основе этой модели информационная система безотказно обрабатывала массивы запросов на 10 языках.
В 1959 году IBM создала свой первый полностью транзисторный большой универсальный компьютер модели 7090, способный выполнять 229 тыс. операций в секунду — настоящий транзисторный мэйнфрейм. В 1964 году на основе двух 7090-х мейнфреймов американская авиакомпания SABRE впервые применила автоматизированную систему продажи и бронирования авиабилетов в 65 городах мира.
В 1960 году DEC представила первый в мире миникомпьютер — модель PDP-1 (Programmed Data Processor, программируемый процессор данных), компьютер с монитором и клавиатурой, который стал одним из самых заметных явлений на рынке. Этот компьютер был способен выполнять 100 000 операций в секунду. Сама машина занимала на полу всего 1,5 м2. PDP-1 стал, по сути, первой в мире игровой платформой благодаря студенту MIT Стиву Расселу, который написал для него компьютерную игрушку Star War!
Представители II-го поколения ЭВМ: 1) RAMAC ; 2) PDP -1
В 1968 году Digital впервые наладила серийное производство мини-компьютеров — это был PDP-8: цена их была около $ 10000, а размером модель была холодильник. Именно эту модель PDP-8 смогли покупать лаборатории, университеты и небольшие предприятия.
Отечественные компьютеры того времени можно охарактеризовать так: по архитектурным, схемным и функциональных решений они соответствовали своему времени, но их возможности были ограничены из-за несовершенства производственной и элементной базы. Наибольшей популярностью пользовались машины серии БЭСМ. Серийное производство, достаточно незначительное, началось выпуском ЭВМ «Урал-2» (1958), БЭСМ-2, « Минск-1» и « Урал-3» (все — 1959 г.). В 1960 г. пошли в серию « М-20» и «Урал-4». Максимальной производительностью в конце 1960 располагал «М-20» (4500 ламп, 35 тыс. полупроводниковых диодов, память на 4096 ячеек) — 20 тыс. операций в секунду. Первые компьютеры на полупроводниковых элементах ( «Раздан-2», «Минск — 2», «М-220» и «Днепр» ) находились еще в стадии разработки.
Четвертое поколение
Как только появились микропроцессоры, стали разрабатываться компьютеры четвертого поколения, а термин ЭВМ практически перестал использоваться. В то время фирма Intel создала микросхему Intel-4004, которая стала первым устройством такого типа от известного производителя.
Четвертый вид машин начался с того, что производители компании Busicom из Японии заказали Intel 12 микросхем для применения в различных вычислительных машинах. Был изготовлен четырехразрядный микропроцессор с тактовой частотой 0,75 МГц, что позволяло кодировать цифры, символы и этого вполне хватало для вычислительных машин. Но для компьютера нужны были более мощные интегральные схемы.
Для кодирования цифр, символов и слов необходим был восьмиразрядный процессор, который был разработан в 1972 году. С их выпуском стало возможным производить персональные компьютеры (ПК), потребность в которых возросла в то время. Так появились первые ПК семейства Apple.
В первых девайсах память хранилась на магнитофонных кассетах, так как у самого ПК объем составлял всего 8 Кбайт. За десять лет фирма продала около 2 млн машин. Больших успехов в выпуске компьютеров нового поколения достигла и IBM. Начиная с 1980 года, эта компания стала лидером на рынке ПК, а ее архитектура стала международным стандартом.
Сейчас строится пятое поколение компьютеров, к которым относятся девайсы, устроенные по принципу человеческого мозга и управляемые голосом. Особенно большие усилия прикладывают японские специалисты, но успеха пока они не добились.
Четвертое поколение ЭВМ: на БИС
Большие интегральные схемы — БИС, и сверхбольшие — СБИС, иногда последних выделяют в 5-е поколение ЭВМ. Создание больших интегральных схем (БИС) позволило разместить процессор ЭВМ в одной микросхеме и таким образом резко увеличить быстродействие и уменьшить себестоимость одной ЭВМ.
По мере совершенствования технологии элементы ЭВМ постепенно уменьшались. Наконец пришло время, когда процессор разместили на одной микросхеме. Так появились микропроцессоры, сделавшие возможным появление Персональных Компьютеров, или ПК. Быстродействие резко возросло, компьютеры стали меньше и дешевле.
БИС перевернули и технологию производства, и рынок компьютеров. Себестоимость уменьшилась настолько, что компьютер стал по карману обычному обывателю. Массовое производство резко снизило себестоимость. Так был создан новый рынок, новые горизонты потребления. А где есть спрос — появляется и предложение.
В создании ПК — огромная заслуга Стива Джобса и Стива Возняка. Как говорится, капитализм в чистом виде, спрос рождает предложение. Но куда круче, когда сначала придумывается предложение, которое приходится по сердцу очень многим, порождая огромный спрос на новый продукт. В 1976 году на свет появился первый серийный ПК Apple.
Однако в самом ближайшем будущем проявилось превосходство корпораций над энтузиастами «сарайного» производства. «Законодателем мод» на рынке ПК стала фирма IBM с ее IBM PC (Personal Computer). Практически этот стандарт сохранился до нашего времени, хотя мощность компьютеров выросла в тысячи раз, а операционная система и программные оболочки изменились до неузнаваемости. И это при том, что фирма IBM — давно уже не законодательница мод на рынке ЭВМ. Ее давным-давно обогнали и отобрали значительную часть рынка молодые и агрессивные, которых тоже уже обогнали — еще более молодые.
Первое поколение — ЭВМ с электронными лампами
Первыми компьютерами следует считать британский Colossus (1943 г.) и американский ENIAC (Electronic Numeric Integrator, Analyzer and Computer, 1945 г.).
Colossus I — первая вычислительная машина на лампах, созданная англичанами в 1943 г., для раскодирования немецких военных шифров; она состояла из 1800 электронных ламп — устройств для хранения информации — и была одним из первых программируемых электронных цифровых компьютеров.
ENIAC — был создан для расчета артиллерийских таблиц баллистики; этот компьютер весил 30 тонн, занимал 1000 квадратных футов и потреблял 130-140 кВт электроэнергии. Компьютер содержал 17468 вакуумных ламп шестнадцати типов, 7200 кристаллических диодов и 4100 магнитных элементов, и содержались они в шкафах общим объемом около 100 м3. ENIAC имел производительность 5000 операций в секунду. Общая стоимость машины составляла $ 750 000. Потребность в потребления электричества — 174 кВт, общее занимаемое пространство — 300 м2.
ENIAC — устройство для расчета артиллерийских таблиц баллистики
Еще один представитель 1-го поколения ЭВМ, на который следует обратить внимание, это EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer). EDVAC интересен тем, что в нем была сделана попытка записывать программы электронным способом в так называемых «ультразвуковых линиях задержки» с помощью ртутных трубок. В 126 таких линиях было возможно сохранять 1024 строк четырехзначных двоичных чисел. Это была «быстрая» память. В качестве «медленной »памяти предполагалось фиксировать числа и команды на магнитном проводе, однако этот метод оказался ненадежным, и пришлось вернуться к телетайпным лентам. EDVAC работал быстрее своего предшественника, сложение занимало 1 мкс, деление — 3 мкс. Он содержал всего 3,5 тыс. электронных ламп и располагался на 13 м2 площади
UNIVAC ( Universal Automatic Computer ) представлял собой электронное устройство с программами, хранящимися в памяти, которые вводились туда уже не с перфокарт, а с помощью магнитной ленты; это обеспечивало высокую скорость чтения и записи информации, а, следовательно, и более высокое быстродействие машины в целом. Одна лента могла содержать миллион символов, записанных в двоичной форме. Ленты могли хранить и программы, и промежуточные данные.
Представители I-го поколения ЭВМ: 1) Electronic Discrete Variable Computer; 2) Universal Automatic Computer
