Тема 2. История развития ЭВМ

История развития ЭВМ условно делится на отрезки, называемые поколениями ЭВМ. ЭВМ, принадлежащие к различным поколениям, отличаются элементной базой, функционально-логической организацией, конструктивно-технологическим исполнением, программным обеспечением, техническими и эксплуатационными характеристиками, степенью доступа к ЭВМ со стороны пользователя.

Смене поколений ЭВМ сопутствуют изменения технических характеристик:

1. быстродействия;

2. емкости памяти;

3. надежности;

4. стоимости.

Основная тенденция развития – стремление уменьшить трудоемкость подготовки программ, облегчить связь операторов и машин, повысить эффективность использования ЭВМ.

Первое поколение (1949-1958)

Основным активным элементом ЭВМ первого поколения является электронная лампа. (Остальные элементы: резисторы, конденсаторы, трансформаторы).

Для построения оперативной памяти применялись ферритовые сердечники. В качестве устройств ввода/вывода (УВВ) сначала использовалось стандартная телеграфная аппаратура, а затем специально для ЭВМ были разработаны электромеханические УВВ на перфокартах и перфолентах.

Машины этого поколения характеризуются:

1. огромными размерами;

2. малым быстродействием;

3. малой емкостью оперативной памяти (ОП);

4. невысокой надежностью;

5. недостаточно развитым программным обеспечением (ПО).

Второе поколение (1959-1963)

Основной активный элемент ЭВМ второго поколения – транзистор.

Все показатели улучшены по сравнению с I поколением: уменьшены размеры, стоимость, масса и потребляемая мощность, повышена надежность и быстродействие, увеличен объём памяти.

Отличительные черты поколения:

1. применение печатного монтажа;

2. дифференциация по применению (специализация);

3. в программном обеспечении (ПО) – появление алгоритмических языков;

4. появление многопрограммных ЭВМ (совместная реализация программ за счет организации параллельной работы основных устройств ЭВМ);

5. применение УВВ на магнитных носителях (магнитные ленты, барабаны, диски).

Третье поколение (1964-1976)

Характеризуется широким применением интегральных схем (ИС) с многослойным печатным монтажом. ИС (кристалл) - это законченный функциональный блок, соответствующий сложной транзисторной схеме, вытравленной на поверхности кремниевого кристалла. Позднее стали применяться ИС малой (10-100 компонентов на кристалл) и средней (100-1000 компонентов на кристалл) степени интеграции

Отличительные черты поколения (при улучшении основных показателей по сравнению со вторым поколением):

1. увеличение количества используемых УВВ;

2. ПО получило дальнейшее развитие, особенно операционные системы (используются различные режимы работы: пакетный, разделения времени, запрос-ответ и т.п.);

3. возможность удаленного доступа пользователей к ЭВМ, находящихся на значительных расстояниях;

4. виртуальное использование ЭВМ в режиме разделения времени (вследствие различия инерционности человека и машины у пользователя создается впечатление, что ему одному предоставлено машинное время).

5. применение методов автоматического проектирования;

6. тенденция к унификации ЭВМ;

7. основной носитель информации – магнитный диск.

Четвёртое поколение (1977-до настоящего времени)

Характеризуется применением больших интегральных схем (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС). Высокая степень интеграции способствует высокой плотности компоновки электронной аппаратуры, повышению быстродействия, снижению стоимости.

Отличительные черты поколения (при дальнейшем улучшении основных показателей):

1. тенденция к унификации ЭВМ и развитию мини- и микро-ЭВМ;

2. использование быстродействующих систем памяти и МОП-технологий;

3. создание машин, представляющих единую систему (ЕС ЭВМ);

4. появление первых персональных компьютеров и рабочих станций;

5. основной носитель информации – гибкий магнитный диск.

Пятое поколение (настоящее время)

Зарождается в недрах четвёртого поколения ЭВМ и в значительной мере определяется результатами работы Японского комитета по научным исследованиям в области ЭВМ. Согласно этому проекту ЭВМ пятого поколения (кроме высокой производительности и надежности при более низкой стоимости, вполне обеспечиваемые СБИС и другими новейшими технологиями) должны удовлетворять следующим качественно новым функциональным требованиям:

1. обеспечить простоту применения ЭВМ путем реализации систем ввода/вывода информации голосом; диалоговой обработки информации с использованием естественных языков; возможности обучаемости, ассоциативных построений и логических выводов;

2. упростить процесс создания программных средств путем автоматизации синтеза программ по спецификациям исходных требований на естественных языках;

3. улучшить основные характеристики и эксплуатационные качества ВТ для удовлетворения различных социальных задач, улучшить соотношения затрат и результатов, быстродействия, легкости, компактности ЭВМ; обеспечить их разнообразие, высокую адаптируемость к приложениям и надежность в эксплуатации.

Учитывая сложность реализации поставленных перед пятым поколением задач, вполне возможно разбиение его на более обозримые и лучше ощущаемые этапы, первый из которых во многом реализован в рамках настоящего четвертого поколения.

Сравнительная характеристика ЭВМ различных поколений по некоторым наиболее важным показателям приводится в таблице 1.1.

Табл.1.1.

Сравнительная характеристика ЭВМ различных поколений

Поколение ЭВМ	Первое 1949- 1958	Второе 1959- 1963	Третье 1964-1976	Четвертое 1977-…	Пятое …
Элементная база	Электронные лампы	Транзисторы	ИС малой и средней степени интеграции	БИС, СБИС	СБИС
Производи-тельность ЦП	До 10^5 оп/с	До 10^6 оп/с	До 10^7 оп/с	Более 10^7 оп/с	Более 10^8 оп/с (?)
Тип ОЗУ	Ферритовые сердечники	Миниатюрные ферритовые сердечники	Полупроводниковые на БИС	Полупроводниковые на СБИС	Полупроводниковые на СБИС
Объем ОЗУ	До 64 Кб	До 512 Кб	До 16 Мб	Более 16 Мб	Более? Мб
Характерные типы ЭВМ	-	Малые, средние, большие, специальные	Большие, средние, мини- и микро-ЭВМ	Супер-ЭВМ, ПК, специальные, общие, сети	Супер-ЭВМ, ПК, специальные, общие, сети
Типичные модели	EDSAC, ENIAC, БЭСМ	RCA-501, IBM 7090 БЭСМ-6	IBM/360, PDP, ЕС ЭВМ, СМ ЭВМ	SX-2, IBM PC/XT/AT, PS/2,Cray, сети	?
Языки программирования	Машинные коды	+ ассемблеры	+ процедурные ЯВУ	+непроцедурные ЯВУ	+ новые непроцедурные ЯВУ
Характерное ПО	Коды, автокоды, ассемблеры	Языки программирования, диспетчеры, АСУ,	ППП, СУБД, САПРы, ЯВУ, ОС	Базы знаний, системы параллельного программирования	Базы знаний, системы параллельного программирования
Средства связи с пользователем	Пульт управления и перфокарты	Перфокарты и перфоленты	Алфавитно-цифровые терминалы	Монохромные, цветные дисплеи, клавиатура, мышь	Устройства голосовой связи

Тема 3. Классификация ЭВМ

Тема 3. 1.Классификация ЭВМ по назначению

По назначению ЭВМ можно разделить на три группы: универсальные (общего назначения), проблемно-ориентированные и специализированные.

1. Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных видов задач: научных, инженерно-технических, экономических, информационных, управленческих и других задач. В качестве универсальных ЭВМ используются различные типы компьютеров, начиная от супер-ЭВМ и кончая персональными ЭВМ. Решаемые на этих компьютерах задачи отличаются сложностью алгоритмов и объемами обрабатываемых данных. Причем одни универсальные ЭВМ могут работать в многопользовательском режиме (в вычислительных центрах коллективного пользования, в локальных компьютерных сетях и т.д.), другие - в однопользовательском режиме.

2. 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. На проблемно-ориентированных ЭВМ, в частности, создаются всевозможные управляющие вычислительные комплексы.

3. Специализированные ЭВМ используются для решения еще более узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация ЭВМ позволяет четко специализировать их структуру, во многих случаях существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы.

Тема 3.2. Классификация ЭВМ по функциональным возможностям и размерам

По функциональным возможностям и размерам ЭВМ можно разделить (рис. 1.1) на супер-ЭВМ, большие, малые и микро-ЭВМ.

Рис. 1.1. Классификация ЭВМ по функциональным возможностям и размерам

Функциональные возможности ЭВМ обуславливаются основными технико-эксплуатационными характеристиками.

Некоторые сравнительные параметры названных классов современных ЭВМ приведены в таблице 1.2.

Табл. 1.2.

Сравнительные параметры различных классов ЭВМ

Параметр	Супер-ЭВМ	Большие ЭВМ	Малые ЭВМ	Микро-ЭВМ
Производит. MIPS	1000-100000	10-1000	1-100	1-100
Емкость ОП Мбайт	2000-10000	64-10 000	4-512	4-256
Емкость ВЗУ Гбайт	500-5000	50-1000	2-100	0,5-10
Разрядность бит	64-128	32-64	16-64	8-64

Исторически первыми появились большие ЭВМ, элементная база которых прошла путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой степенью интеграции.

1. Супер-ЭВМ - мощные, высокоскоростные вычислительные машины (системы) с производительностью от сотен миллионов до триллионов операций с плавающей точкой в секунду. Супер-ЭВМ выгодно отличаются от больших универсальных ЭВМ по быстродействию числовой обработки, а от специализированных машин, обладающих высоким быстродействием в сугубо ограниченных областях, возможностью решения широкого класса задач с числовыми расчетами.

При производительности порядка нескольких GFLOPS можно еще обойтись одним векторно-конвейерным процессором (однопроцессорные супер-ЭВМ). Создание высокопроизводительной супер-ЭВМ с быстродействием порядка TFLOPS по современной технологии на одном процессоре не представляется возможным. Это связано с ограничением, обусловленным конечным значением скорости распространения электромагнитных волн (300 000 км/сек), так как время распространения сигнала на расстояние нескольких миллиметров (линейный размер стороны микропроцессора) при быстродействии 100 млрд. оп/с становится соизмеримым с временем выполнения одной операции. Поэтому супер-ЭВМ с такой производительностью создаются в виде высокопараллельных многопроцессорных вычислительных систем.

В настоящее время в мире насчитывается несколько тысяч супер-ЭВМ, начиная с простых офисных до мощных: Cyber 205 (фирмы Control Data), VP 2000 (фирмы Fujitsu), VPP500 (фирмы Siemens) и др., производительностью несколько десятков GFLOPS.

2. Большие ЭВМ часто называют мэйнфреймами (Mainframe). Они поддерживают многопользовательский режим работы (обслуживают одновременно от 16 до 1000 пользователей).

Основные направления эффективного применения мэйнфреймов - это решение научно-технических задач, работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации, работа с большими базами данных, управление вычислительными сетями и их ресурсами. Последнее направление - использование мэйнфреймов в качестве больших серверов вычислительных сетей - часто отмечается специалистами среди наиболее актуальных.

Примерами больших ЭВМ может служить семейство больших машин ЕС ЭВМ, IBM ES/9000 (1990г.), IBM S/390 (1997г.), а также японские компьютеры М1800 фирмы Fujitsu.

3. Малые ЭВМ (мини-ЭВМ) - надежные, недорогие и удобные в эксплуатации компьютеры, обладающие несколько более низкими по сравнению с мэйнфреймами возможностями. В многопользовательском режиме поддерживаются 16 - 512 пользователей.

Основные их особенности:

а) широкий диапазон производительности в конкретных условиях применения,

б) аппаратная реализация большинства системных функций ввода-вывода информации,

в) простая реализация многопроцессорных и многомашинных систем,

г) высокая скорость обработки прерываний,

д) возможность работы с форматами данных различной длины.

К достоинствам мини-ЭВМ можно отнести:

а) специфическую архитектуру с большой модульностью;

б) лучшее, чем у мэйнфреймов, соотношение производительность/ стоимость;

в) широкая номенклатура периферийных устройств;

г) повышенную точность вычислений.

Мини-ЭВМ успешно применяются:

а) в качестве управляющих вычислительных комплексов.

б) вычислений в многопользовательских вычислительных системах,

в) в системах автоматизированного проектирования,

г) в системах моделирования и искусственного интеллекта,

Одними из первых мини-ЭВМ были компьютеры PDP-11 фирмы DEC (США), Система Малых ЭВМ (СМ ЭВМ): СМ1, 2,3,4,1400, 1700 и др. В настоящее время семейство мини-ЭВМ включает большое число моделей от VAX-11 до VAX 8000, супермини-ЭВМ класса VAX 9000 и др.

4. Микро-ЭВМ по назначению можно разделить на универсальные и специализированные.

4.1.1.Универсальные многопользовательские ЭВМ - это мощные микро ЭВМ, используемые в компьютерных сетях, оборудованные несколькими видеотерминалами и функционирующие в режиме разделения времени, что позволяет эффективно работать на них сразу нескольким пользователям. Это универсальные серверы (Server) компьютерных сетей, обрабатывающие запросы от всех станций сети, выделенный для обработки запросов от всех станций вычислительной сети, предоставляющий этим станциям доступ к общим системным ресурсам (вычислительным мощностям, базам данных, библиотекам программ, принтерам, факсам и др.) и распределяющий эти ресурсы.

Эту интенсивно развивающуюся группу компьютеров обычно относят к микро-ЭВМ, но по своим характеристикам мощные серверы скорее можно отнести к малым ЭВМ и даже к мэйнфреймам, а супер серверы приближаются к супер-ЭВМ.

4.1.2. Универсальные однопользовательские ЭВМ или персональные компьютеры (ПК) должныудовлетворять требованиям общедоступности и универсальности применения и иметь следующие характеристики:

а) малую стоимость, находящуюся в пределах доступности для индивидуального покупателя;

б) автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;

в) гибкость архитектуры, обеспечивающую ее адаптивность к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования, в быту;

г) «дружественность» операционной системы и прочего программного обеспечения для пользователя;

д) высокую надежность работы (более 5000 ч. наработки на отказ).

Наибольшей популярностью в настоящее время пользуется ПК архитектурного направления (платформы) IBM с микропроцессорами фирмы Intel. По конструктивным особенностям ПК можно разделить на стационарные и переносные (мощные переносные компьютеры (рабочие станции) массой до 15 кг; портативные (наколенные) компьютеры типа «LapTop» массой 5-10кг; компьютеры-блокноты (Note Book и Sub Note Book) массой 1,5-4 кг и др.).

4.2.Специализированные ЭВМ ориентированы на решение определенного (постоянного) класса задач в течение периода своей эксплуатации. Ориентация специализированных ЭВМ осуществляется различными способами:

а) специальной аппаратурной организацией самих ЭВМ или их внешних связей;

б) созданием для ЭВМ специального программного обеспечения;

в) введением дополнительных аппаратных блоков, расширяющих те или иные функции, возлагаемые на ЭВМ,

г) и др.

Сферы использования таких ЭВМ как в нашей стране, так и за рубежом имеют устойчивую тенденцию к расширению. Можно выделить следующие основные области применения специализированных ЭВМ:

а) промышленное производство и транспорт;

б) военная техника и оборона;

в) непромышленная сфера.

Примером специализированных однопользовательских микро-ЭВМ, ориентированных для выполнения определенного круга задач (графических, инженерных, издательских и др.), являются рабочие станции (Work Station).

4.2.1.Специализированные многопользовательские микро-ЭВМ (спец. серверы) осуществляющие управление базами и архивами данных, многопользовательскими терминалами, поддерживающими факсимильную связь, электронную почту и др.

Специализированные серверы используются для устранения наиболее «узких» мест в работе сети, а именно: создания и управления базами и архивами данных, поддержка многоадресной факсимильной связи и электронной почты, управления многопользовательскими терминалами (принтером, плоттером и др.

Файл-сервер используется для работы с файлами данных, имеет объемные дисковые ЗУ.

Архивационный сервер (сервер резервного копирования) предназначен для резервного копирования информации, использует накопители на магнитной ленте (стриммеры) со сменными картриджами.

Факс-сервер, почтовый сервер - выделенные компьютеры для организации эффективной многоадресной факсимильной связи или электронной почты.

4.2.2.Встраиваемые микро-ЭВМ входят составным элементом в промышленные и транспортные системы, технические устройства и аппараты, бытовые приборы. Они способствуют существенному повышению их эффективности функционирования, улучшению технико-экономических и эксплуатационных характеристик.

4.2.3.Специализированные однопользовательские ЭВМ или рабочие станции (Work station), - это однопользовательская система с мощным процессором и многозадачной ОС, имеющая развитую графику с высоким разрешением, большую дисковую и оперативную память и встроенные сетевые средства.

Рабочие станции появились на рынке ЭВМ почти одновременно с ПК и находились впереди по своим вычислительным возможностям. Переломным моментом в развитии рабочих станций стало появление новой архитектуры микропроцессоров RISC, позволившей резко поднять производительность ЭВМ. Современные рабочие станции сопоставимы, а иногда даже превосходят ПК по своим характеристикам. Современная рабочая станция - это не просто большая вычислительная мощность, это тщательно сбалансированные возможности всех подсистем машины, чтобы ни одна из них не стала «узким местом», сводя на нет преимущества других. Всё это в значительной мере и определяло их область применения и проблемную ориентацию: автоматизированное проектирование, банковское дело, управление производством, разведка и добыча нефти, связь, издательская деятельность и др.

Лидером на мировом рынке рабочих станций является американская фирма Sun Microsystems. Архитектура SPARC, разработанная фирмой Sun и использующаяся в её машинах, стала фактически стандартом де-факто. Традиционно доминирующей ОС на рынке рабочих станций была система Unix и ей подобные системы (Solaris и др). В последнее время наблюдается некоторый рост использования операционных систем VAX VMS и в ещё большей степени Windows NT.

Дата добавления: 2014-01-20