Поколения ЭВМ. ЭВМ первого поколенияв качестве элементной базы использовали элек­тронные лампы и реле

ЭВМ первого поколенияв качестве элементной базы использовали элек­тронные лампы и реле.

Первое: элементарная база — лампы, оперативная память на электронно-лучевых трубках и ферритовых сердечниках, быстродействие до 20000 оп/сек., охлаждение, однопрограммность.

Изобретение в 1948 г. транзисторов и запоминающих устройств на магнитных сердечниках оказало глубокое воздействие на вычислительную технику. Ненадежные вакуумные лампы, которые требовали большой мощ­ности для нагревания катода, заменялись небольшими германиевыми (впо­следствии кремниевыми) транзисторами. Компьютеры, построенные в сере­дине 50-х годов XX в., стали называть машинами второго поколения.

Второе: 60 гг, элементарная база — полупроводниковые транзисторы, быстродействие 10⁴–10⁵ оп/сек. Объем памяти — до 150 слов при длине слова до 50 двоичных разрядов. Программирование велось на алгоритмических языках Фортран, Алгол, Кобол.

Революционный прорыв в миниатюризации и повышении надежности компьютеров произошел в 1958 г., когда американский инженер Д. Килби (Jack Kilby) разработал первую интегральную микросхему. В середине 60-х годов появилось третье поколение ЭВМ, основу элементной базы которых составляли микросхемы малой и средней степени интеграции.

Третье: элементарная база — интегральные схемы (ИС), быстродействие 10⁶–10⁷ оп/сек. Резко снижены габариты и энергопотребление ЭВМ. Оперативная память строилась на ИС и достигала объема 10⁵–10⁶ байт. Унифицировались периферийные устройства. Появился широкий выбор языков программирования. Стали использоваться операционные системы, позволяющие резко повысить производительность и организовать многопрограммный и терминальный режимы.

Другая революция в технологии изготовления ЭВМ произошла в 1971 г., когда американский инженер Маршиан Эдвард Хофф (Marcian Е. Hoft) объединил основные элементы компьютера в один небольшой кремниевый чип (кристалл), который он назвал микропроцессором. Первый микропроцессор получил маркировку Intel 4004.

ЭВМ четвертого поколения строятся на интегральных микросхемах с большой степенью интеграции. На одном кристалле размещается целая микроЭВМ. Заметим, что переход от третьего поколения ЭВМ к четвертому не был революционным. Отличия коснулись не столько принципов построе­ния ЭВМ, сколько плотности упаковки элементов в микросхемах.

Четвертое: элементарная база — большие и сверхбольшие ИС (БИС и СБИС). Быстродействие 10⁷–10⁸ оп/сек. Формируются два направления — многопроцессорные и персональные ЭВМ. Появляются компьютерные сети. Разрабатывается специализированное программное обеспечение, позволяющее оперативно программировать решение задач определенного класса (например, в таких областях как статистика, инженерная графика, научно-технические расчеты и т.д.).

Развитие ЭВМ идет по пути непрерывного повышения быстродейст­вия, надежности, расширения функциональных возможностей, уменьшения габаритов и потребляемой мощности, упрощения правил работы на компью­тере. Среди ЭВМ четвертого поколения появились персональные компьюте­ры (ПК или ПЭВМ), которые позволяют индивидуально работать каждому пользователю.

Первой ПЭВМ можно считать компьютер Altair-8800, созданный в 1974 г. Э. Робертсом. Для этого компьютера П. Аллен и Б. Гейтсв 1975 г. создали транслятор с популярного языка Basic. Впоследствии П. Аллен и Б. Гейтс создали известную компанию Microsoft.

В 1976 г. Стивен П. Джобе и Стефан Г. Возниакосновали в гараже Пало-Алъто (Калифорния) предприятие Apple Computer. После шести меся­цев работы Возниаку удалось собрать действующий макет под названием Apple 1. В настоящее время компания с таким названием хорошо известна многим пользователям ЭВМ.

В настоящее время ведется разработка ЭВМ пятого поколения, ха­рактерными особенностями которых будут способность к самообучению и наличие речевого ввода и вывода информации.

Таким образом, вычислительная техника постоянно впитывала в себя самые последние достижения науки, техники и технологии (электронные лампы, транзисторы, микроэлектроника, лазеры, средства связи), благодаря чему ее развитие идет необычайно высокими темпами.

В следующем столетии, когда на смену электронным приборам придут квантовые, оптические или биоэлектронные приборы, то современные нам ЭВМ будут казаться будущим пользователям такими же монстрами, какими нам кажутся вычислительные машины 40-х годов XX в.

Классическая архитектура ЭВМ и принципы фон Неймана

Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман. Он подключился к созданию первой в мире ламповой ЭВМ ENIAC в 1944 г., когда ее конструкция была уже выбрана. В процессе работы во время многочисленных дискуссий со своими коллегами Г. Голдстайном и А. Берксом фон Нейман высказал идею принципиально новой ЭВМ. В 1946 г. ученые изложили свои принципы построения вычислительных машин в ставшей классической статье «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства». С тех пор прошло полвека, но выдвинутые в ней положения сохраняют актуальность и сегодня.

В статье убедительно обосновывается использование двоичной системы для представления чисел (нелишне напомнить, что ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде). Авторы убедительно проде­монстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации, удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации — тексто­вую, графическую, звуковую и другие, но двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.

Еще одной поистине революционной идеей, значение которой трудно переоце­нить, является предложенный Нейманом принцип «хранимой программы». Перво­начально программа задавалась путем установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием: например, для изменения программы машины ENIAC требовалось несколько дней (в то время как собственно расчет не мог продолжаться более нескольких минут — выходили из строя лампы). Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений.

Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются устройст­во управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (обычно объеди­няемые в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода. Схема устройства такой ЭВМ представлена на рис. 2.1. Следует отметить, что внешняя память отличается от устройств ввода и вывода тем, что данные в нее заносятся в виде, удобном компьютеру, но недоступном для непосредственного восприятия человеком. Так, накопитель на магнитных дисках относится к внешней памяти, а клавиатура — устройство ввода, дисплей и печать — устройства вывода.

Устройство управления и арифметико-логическое устройство в современных компьютерах объединены в один блок — процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств (сюда относятся выбор­ка команд из памяти, кодирование и декодирование, выполнение различных, в том числе и арифметических, операций, согласование работы узлов компьютера). Более детально функции процессора будут обсуждаться ниже.

Рис. 2.1. Архитектура ЭВМ, построенной на принципах фон Неймана. Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации, пунктирные — управляющих сигналов от процессора к остальными узлам ЭВМ

Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы. Запоминающее уст­ройство у современных компьютеров «многоярусно» и включает оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), хранящее ту информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (исполняемая программа, часть необхо­димых для нее данных, некоторые управляющие программы), и внешние запоми­нающие устройства (ВЗУ) гораздо большей емкости, чем ОЗУ, но с существенно более медленным доступом (и значительно меньшей стоимостью в расчете на 1 байт хранимой информации). На ОЗУ и ВЗУ классификация устройств памяти не закан­чивается — определенные функции выполняют и СОЗУ (сверхоперативное запоми­нающее устройство), и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), и другие подвиды компьютерной памяти.

В построенной по описанной схеме ЭВМ происходит последовательное считы­вание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специаль­ным устройством — счетчиком команд в УУ. Его наличие также является одним из характерных признаков рассматриваемой архитектуры.

Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название «фон-неймановской архитектуры». Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день — фон-неймановские машины. Исключение составляют лишь отдельные разновидности систем для параллельных вычислений, в которых отсутствует счетчик команд, не реализована классическая концепция переменной и имеются другие существенные принципиальные отличия от классической модели (примерами могут служить потоковая и редукционная вычислительные машины).

По-видимому, значительное отклонение от фон-неймановской архитектуры произойдет в результате развития идеи машин пятого поколения, в основе обработ­ки информации в которых лежат не вычисления, а логические выводы.

Дата добавления: 2014-01-06