Третье поколение компьютеров

Лекция №5

Третье поколение компьютеров разрабатывалось с 1964 по 1974 год на новой элементной базе, осуществился переход к интегральной технологии.

Развивающаяся авиационная и космическая техника предъявляли повышенные требования к электронным устройствам, в том числе и к компьютерам, требуя высокой надежности, уменьшения габаритов и потребляемой мощности, высокого быстродействия.

Впервые идея создания интегральных схем - устройств, вмещающих в себя, как минимум, фрагменты электронных схем, начала активно обсуждаться в 1952 году в Англии. Начало этому положил эксперт по радарам Дж. Даммер (G.W.A. Dummer). В 1952 году Дж.В. Даммер выдвинул идею создания монолитной полупроводниковой интегральной схемы, но только в 1962 году началось промышленное производство интегральных схем.

В сентябре 1958 года Джек Килби продемонстрировал руководству Texas Instruments первый рабочий экземпляр интегральной схемы – на небольшом кристалле полупроводника инженеру удалось разместить несколько компонентов электронной схемы, таких как транзисторы, резисторы, конденсаторы и пр. Килби использовал в качестве полупроводникового материала кристалл германия, который сегодня не столь популярен, как кремний.

Таким образом, достижение Джека Килби заключается в практической реализации идей его английского коллеги, Джеффри Даммера, однако значение этого шага столь велико, что в 2000 году Килби становится лауреатом Нобелевской премии, именно за его разработки конца 50-хх годов.

Благодаря интегральным схемам удалось значительно улучшить технические и эксплуатационные характеристики компьютеров. Быстрыми темпами развивалась технология производства больших интегральных схем. В 1971 году фирма Intel выпустила первый 4-х разрядный микропроцессор, выполненный на одном кристалле и способный выполнять набор из 45 команд, в то время его называли микропрограммным компьютером на одном кристалле.

Первый, 4-х разрядный микропроцессор компании Intel - 4004:

Микропроцессор содержал 2300 транзисторов на кристалле, тактовая частота составляла 108 кГц, быстродействие 60000 оп/сек., адресуемая память 640 байт. В 1974г. эта же фирма выпустила 8-разрядный микропроцессор 8080, выполняющий набор из 75 команд. Технологической основой разработки полупроводниковых интегральных схем явилась планарная диффузионная технология изготовления кремниевых транзисторов. Серийный выпуск полупроводниковых интегральных схем был налажен в США в 1961г.

Появление ИС означало подлинную революцию в вычислительной технике. Всего одна микросхема способна заменить тысячи, миллионы транзисторов. Один крошечный кристалл обладает значительно большими вычислительными возможностями, чем 30-тонный Эниак! Быстродействие ЭВМ третьего поколения возросло в 100 раз, а габариты значительно уменьшились.

Первый экспериментальный компьютер на интегральных схемах был создан фирмой "Тексас Инструментс" по контракту с ВВС США. Разработка велась 9 месяцев и была завершена в 1961г. Компьютер имел всего 15 команд, был одноадресным, тактовая частота была 100 кгц, емкость запоминающего устройства всего 30 чисел, для представления чисел использовалось 11 двоичных разрядов. Для создания компьютера использовалось 587 интегральных схем, потребляемая мощность составляла всего 16вт., вес 585 гр., занимаемый объем 100 кубических сантиметров.

Отметим существенные признаки компьютеров третьего поколения.

· Осуществился переход к новой элементной базе - переход от дискретных полупроводниковых элементов к интегральным схемам. Снова уменьшились габариты и потребляемая мощность компьютеров, возросла надежность.

· В центральный процессор вводится система прерываний. Все управление компьютером автоматизировано. Управление осуществляет комплекс программ, объединенный в операционную систему(ОС). Пользователь общается с компьютером через ОС, которая синхронизирует работу аппаратной части, используя систему прерывания и таймер - электронные часы. Широко используется многопрограммный режим работы.

· Развивается иерархия памяти. Оперативная память делится на блоки с независимыми системами управления. Эти блоки могут работать одновременно. Структура оперативной памяти делится на страницы и сегменты.

· Создаются семейства, ряды компьютеров, программно совместимых снизу вверх.

· Вводятся специальные периферийные процессоры (каналы) для управления внешними запоминающими устройствами и периферийными устройствами. В компьютерах третьего поколения появился расширенный набор внешних устройств. Были разработаны устройства внешней памяти с увеличенной емкостью и скоростью передачи данных.

· Первые устройства внешней памяти на магнитных дисках появились в начале 60-х годов, после того как в 1956г. фирма IBM разработала плавающие магнитные головки на магнитной подушке. Емкость магнитных дисков стала на порядок больше, чем емкость магнитных барабанов, применявшихся ранее.

· Появились устройства ввода графической информации с чертежа, оптические читающие устройства, графопостроители.

· Машины третьего поколения оперируют с произвольной буквенно-цифровой информацией, единица адресации памяти байт, а не слово (длина слова стала 4 байта, используются полуслова и двойные слова). У машин третьего поколения появилась возможность параллельной работы устройств и, как следствие, возможность работы нескольких пользователей в режиме разделения времени.

· Широко разрабатывается класс больших универсальных компьютеров (мэйнфреймов), повышается эффективность использования компьютеров, используется мультипрограммный режим работы. Мейнфреймы долгое время оставались наиболее мощными (не считая суперкомпьютеров) вычислительными системами общего назначения, обеспечивающими непрерывный круглосуточный режим эксплуатации. Они строились на одном или нескольких процессорах, каждый из которых мог оснащаться векторными сопроцессорами (ускорителями операций для получения сверхвысокой производительности).

Компьютер IBM360, выпущенный в 1964 году, можно считать типичным универсальным компьютером третьего поколения, определившим общие черты компьютеров этого класса.

Архитектура IBM/360 была настолько удачной, что стала де-факто промышленным стандартом вплоть до сегодняшнего дня. Многие другие фирмы стали выпускать совместимые с IBM/360 компьютеры. В СССР IBM/360 была клонирована в серии машин ЕС ЭВМ. Благодаря широкому распространению IBM/360, изобретённые для неё 8-битные символы и 8-битный байт как минимально адресуемая ячейка памяти стали стандартом для всей компьютерной техники. Также IBM/360 была первой 32-разрядной компьютерной системой.

Шестнадцатеричная система счисления, широко применявшаяся в документации IBM/360, практически вытеснила ранее доминировавшую восьмеричную.

Старшие модели семейства IBM/360 и последовавшее за ними семейство IBM/370 были одними из первых компьютеров с виртуальной памятью (соответственно, со страничной и сегментной адресацией памяти) и первыми серийными компьютерами, поддерживающими реализацию виртуальных машин.

В 1969 году Советский Союз заключил соглашение о сотрудничестве в разработке Единой системы ЭВМ (ЕС ЭВМ) и системы малых ЭВМ (СМ ЭВМ). За образец была взята лучшая в то время американская система IBM360.

Ориентация в дальнейшем советской промышленности на изучение "зарубежных технологий" привела к стойкому отставанию в области вычислительной техники. В 1972 году были созданы первые аналоги (клоны) компьютеров фирмы IBM, получившие название ЕС ЭВМ. Единая с американской система электронных вычислительных машин была разработана странами СЭВ (Совета экономической взаимопомощи - Болгарией, Венгрией, ГДР, Польшей, Чехословакией и СССР) и базировалась на архитектуре IBM 360/370.

Дальнейшее развитие компьютеров этого класса предусматривало преемственность и совместимость, в IBM370 была сохранена система команд IBM360, для повышения производительности компьютера был введен принцип конвейерного управления с опережающей обработкой команд.

Была введена параллельная и конвейерная обработка данных в операционном блоке, использовалась виртуальная память (особая организация управления памятью, которая позволяет рассматривать всю память компьютера, как основную), КЭШ память (буферная память, позволяющая согласовать скорости обмена данными быстрых и медленных устройств памяти). На базе универсальных компьютеров стало возможно создание вычислительных систем, обслуживающих удаленных пользователей.

ЭВМ ЕС-1010 (быстродействие до 10 тыс. операций в секунду, объем оперативной памяти от 8 до 64 Кб):

ЕС-1020,ЕС-1021 (15 тыс. операций в секунду, от 16 до 64 Кб):

ЕС-1030,ЕС-1033, ЕС-1040,ЕС-1045, ЕС-1050 (500 тыс. операций в секунду, от 256 до 1024 Кб):

ЕС-1055, ЕС-1060 (1,0-1,3 млн. операций в секунду, от 2048 до 8192 Кб):

ЕС-1061, ЕС-1066 (более 2 млн. операций в секунду, 8192 Кб):

Кроме того был налажен широкий выпуск микро и миниЭВМ, таких как Электроника-60, Электроника-100/125, Электроника-79, СМ-3, СМ-4 и др.

Эти машины, как машины третьего поколения, оперируют с произвольной буквенно-цифровой информацией, единица адресации памяти 1 байт, (длина слова 4 байта), используются полуслова и двойные слова, используется возможность параллельной работы устройств и работа нескольких пользователей в режиме разделения времени.

Электроника 100/25:

Первой ЭВМ, разработанной в Советском Союзе на интегральных микросхемах была, построенная в 1970г. в Ереванском научно-исследовательском институте математических машин, ЭВМ "Наири3" и ее модификации "Наири3-1" и "Наири3-2" (на интегральных гибридных микросхемах).

Электронная цифровая вычислительная машина "Наири-3" была предназначена для решения широкого круга инженерных, научно-технических, планово-экономических и учетно-статистических задач.

В машине использовался упрощенный машинный язык, облегчающий программирование, а также, был введен специальный режим автоматического программирования, позволявший вводить задачи на обычном математическом языке. Часто встречающиеся задачи могли выполняться на машине без предварительной подготовки при помощи внутренней библиотеки программ.

Для непосредственного выполнения арифметических операций и вычисления ряда функций был предусмотрен режим "счетной машины". Основной особенностью ЭВМ "Наири-3" было двухступенчатое построение микропрограммного устройства управления, обеспечивающее хранение больших массивов микропрограмм.

В 1972 году фирмой MITS (Micro Instrumentation and Telemetry Sistems - микро аппаратура и телеметрические системы) был разработан первый циф-ровой компьютер MITS816, доступный для персонального использования. В 1973 году фирма Xerox выпустила первый персональный компьютер Alto, укомплектованный монитором.

Компьютер Alto:

Ведутся работы по созданию сверхбыстродействующих компьютеров (суперкомпьютеров), в 1964 году был создан компьютер CDC6600, а в 1969 году - CDC7600, вошедшие в семейство CYBER. Для повышения быстродействия в суперкомпьютерах использовались методы конвейерной и парал-лельной обработки при помощи процессора сложной структуры, состоящего из матрицы процессоров обработки данных и специального управляющего процессора, который распределяет задачи и управляет потоком данных в системе.

В начале 70-х годов были выпущены первые машины семейства PDP11, объединенные единой архитектурой, но отличающиеся высокой производи-тельностью. Эта архитектура стала образцовой в классе миникомпьютеров. Продолжением этой линии можно считать суперминикомпьютеры

Digital Equipment Corp VAX11/730, 750, 780 и т.д. Правда, система команд VAX заметно отличается от системы команд семейства PDP11, разрядность машинного слова 32 (в два раза больше), увеличено адресное пространство, емкость оперативного запоминающего устройства возросла до 8 Мбайт.

Для начальной загрузки системного программного обеспечения использовался терминал (консоль). Загрузка системных программ производилась с накопителя на гибких магнитных дисках. Связь центрального процессора VAX с оперативной памятью и внешними устройствами осуществлялась че-рез синхронное межсоединение. Физически оно представляло собой набор разъемов, в которые вставлялись модули на печатных платах. Разрядность ячеек памяти 1 байт.

В состав центрального процессора VAX входило:

§ логическое устройство, управлявшее извлечением команд из памяти и их выполнением;

§ арифметико-логическое устройство;

§ шестнадцать доступных программисту 32 разрядных регистра.

В эти годы появилось и новое поколение терминальных устройств с клавиатурой для ввода информации и дисплеем.

Создаются сверхпроизводительные компьютеры с конвейерной (потоковой), матричной, ассоциативной и мультипроцессорной архитектурой. Каждый тип архитектуры предназначен для решения своего типа задач, Эти компьютеры уже не являются универсальными в широком смысле слова.

В 1972 году был создан сверхпроизводительный компьютер ILIAC4 (США) с конвейерной архитектурой, включавшей 64 процессора. Это был наиболее крупный проект среди компьютеров третьего поколения.

Разрабатывали компьютер сотрудники Илинойского университета во главе с Д.Слотником. Компьютер был предназначен для решения системы уравнений в частных производных при помощи итерационных разностных схем.

Решение такой задачи может быть ускорено в 64 раза по сравнению с последовательным вычислением на однопроцессорном компьютере. Максимальное быстродействие компьютера 200млн.операций в секунду. Оперативная память была выполнена на интегральных схемах.

При разработке компьютера ILIAC4 планировалось использование всех достижений того времени для того, чтобы получить максимально высокую производительность, превышающую на один или два порядка производительность самых быстродействующих в то время компьютеров, таких как "Барроуз8500" (август 1967 года), IBM360/90 (ноябрь 1967 года), "Контрол Дейта 7600". В проекте было решено использовать мультипроцессорную организацию, высокую степень интеграции микросхем, применять наиболее быстродействующие элементы интегральной технологии.

IBM 360/90:

В процессе реализации проект подвергся существенным изменениям.

Первый вариант проекта, разработанный в 1966 году предусматривал использование 8 вычислительных комплексов. Каждый вычислительный комплекс должен был содержать 16 устройств обработки данных, параллельно под-ключающихся к общему оперативному устройству памяти.

Во втором варианте структуры ILIAC4 в состав системы должно было войти 256 устройств обработки данных, состоящих из процессоров, выполненных в виде монолитных полупроводниковых интегральных схем.

В качестве носителя информации в запоминающем устройстве предполагалось использовать тонкие магнитные пленки, или полупроводниковые интегральные схемы. Устройства обработки данных должны были составить 4 массива по 64 устройства в каждом. Для общего управления системой планировалось использовать компьютер "Барроуз 8500". Система должна была иметь номи-нальное быстродействие 1млрд.оп/сек. Но стоимость проекта оказалась слишком велика и был реализован сокращенный вариант проекта с быстродействием 200млн.оп/сек.

В 1974 году создается компьютер STAR100 с конвейерной архитектурой, максимальная производительность 100 млн.операций в секунду.

В 1975 году создается ассоциативный компьютер STARAN4. Его максимальное быстродействие составляло 300 млн.операций в секунду. Основная операция - сравнение.

Дата добавления: 2014-01-07