Поколения ЭВМ. Основные характеристики ЭВМ. Поколения эвм, основные характеристики эвм разных поколений

Введение

1. Первое поколение ЭВМ 1950-1960-е годы

2. Второе поколение ЭВМ: 1960-1970-е годы

3. Третье поколение ЭВМ: 1970-1980-е годы

4. Четвертое поколение ЭВМ: 1980-1990-е годы

5. Пятое поколение ЭВМ: 1990-настоящее время

Заключение

Введение

Начиная с 1950 года, каждые 7-10 лет кардинально обновлялись конструктивно-технологические и программно-алгоритмические принципы построения и использования ЭВМ. В связи с этим правомерно говорить о поколениях вычислительных машин. Условно каждому поколению можно отвести 10 лет.

ЭВМ проделали большой эволюционный путь в смысле элементной базы (от ламп к микропроцессорам) а также в смысле появления новых возможностей, расширения области применения и характера их использования.

Деление ЭВМ на поколения - весьма условная, нестрогая классификация вычислительных систем по степени развития аппаратных и программных средств, а также способов общения с ЭВМ.

К первому поколению ЭВМ относятся машины, созданные на рубеже 50-х годов: в схемах использовались электронные лампы. Команд было мало, управление - простым, а показатели объема оперативной памяти и быстродействия - низкими. Быстродействие порядка 10-20 тысяч операций в секунду. Для ввода и вывода использовались печатающие устройства, магнитные ленты, перфокарты и перфоленты.

Ко второму поколению ЭВМ относятся те машины, которые были сконструированы в 1955-65 гг. В них использовались как электронные лампы, так и транзисторы. Оперативная память была построена на магнитных сердечниках. В это время появились магнитные барабаны и первые магнитные диски. Появились так называемые языки высокого уровня, средства которых допускают описание всей последовательности вычислений в наглядном, легко воспринимаемом виде. Появился большой набор библиотечных программ для решения различных математических задач. Машинам второго поколения была свойственна программная несовместимость, которая затрудняла организацию крупных информационных систем, поэтому в середине 60х годов наметился переход к созданию ЭВМ, программно совместимых и построенных на микроэлектронной технологической базе.

Третье поколение ЭВМ. Это машины, создаваемые после 60х годов, обладающих единой архитектурой, т.е. программно совместимых. Появились возможности мультипрограммирования, т.е. одновременного выполнения нескольких программ. В ЭВМ третьего поколения применялись интегральные схемы.

Четвертое поколение ЭВМ. Это нынешнее поколение ЭВМ, разработанных после 1970 г. Машины 4го поколения проектировались в расчёте на эффективное использование современных высокоуровневых языков и упрощение процесса программирования для конечного пользователя.

В аппаратурном отношении для них характерно использование больших интегральных схем как элементной базы и наличие быстродействующих запоминающих устройств с произвольной выборкой, объемом несколько Мбайт.

Машины 4-го поколения- многопроцессорные, многомашинные комплексы, работающие на внеш. память и общее поле внеш. устройств. Быстродействие достигает десятков миллионов операций в сек, память - нескольких млн. слов.

Переход к пятому поколению ЭВМ уже начался. Он заключается в качественном переходе от обработки данных к обработке знаний и в повышении основных параметров ЭВМ. Основной упор будет сделан на «интеллектуальность».

На сегодняшний день реальный «интеллект», демонстрируемый самыми сложными нейронными сетями, находится ниже уровня дождевого червя, однако, как бы ни были ограничены возможности нейронных сетей сегодня, множество революционных открытий, могут быть не за горами.

1. Первое поколение ЭВМ 1950-1960-е годы

Логические схемы создавались на дискретных радиодеталях и электронных вакуумных лампах с нитью накала. В оперативных запоминающих устройствах использовались магнитные барабаны, акустические ультразвуковые ртутные и электромагнитные линии задержки, электронно-лучевые трубки (ЭЛТ). В качестве внешних запоминающих устройств применялись накопители на магнитных лентах, перфокартах, перфолентах и штекерные коммутаторы.

Программирование работы ЭВМ этого поколения выполнялось в двоичной системе счисления на машинном языке, то есть программы были жестко ориентированы на конкретную модель машины и «умирали» вместе с этими моделями.

В середине 1950-х годов появились машинно-ориентированные языки типа языков символического кодирования (ЯСК), позволявшие вместо двоичной записи команд и адресов использовать их сокращенную словесную (буквенную) запись и десятичные числа. В 1956 году был создан первый язык программирования высокого уровня для математических задач - язык Фортран, а в 1958 году - универсальный язык программирования Алгол.

ЭВМ, начиная от UNIVAC и заканчивая БЭСМ-2 и первыми моделями ЭВМ «Минск» и «Урал», относятся к первому поколению вычислительных машин.

2. Второе поколение ЭВМ: 1960-1970-е годы

Логические схемы строились на дискретных полупроводниковых и магнитных элементах (диоды, биполярные транзисторы, тороидальные ферритовые микротрансформаторы). В качестве конструктивно-технологической основы использовались схемы с печатным монтажом (платы из фольгированного гетинакса). Широко стал использоваться блочный принцип конструирования машин, который позволяет подключать к основным устройствам большое число разнообразных внешних устройств, что обеспечивает большую гибкость использования компьютеров. Тактовые частоты работы электронных схем повысились до сотен килогерц.

Стали применяться внешние накопители на жестких магнитных дисках1 и на флоппи-дисках - промежуточный уровень памяти между накопителями на магнитных лентах и оперативной памятью.

В 1964 году появился первый монитор для компьютеров - IBM 2250. Это был монохромный дисплей с экраном 12 х 12 дюймов и разрешением 1024 х 1024 пикселов. Он имел частоту кадровой развертки 40 Гц.

Создаваемые на базе компьютеров системы управления потребовали от ЭВМ более высокой производительности, а главное - надежности. В компьютерах стали широко использоваться коды с обнаружением и исправлением ошибок, встроенные схемы контроля.

В машинах второго поколения были впервые реализованы режимы пакетной обработки и телеобработки информации.

Первой ЭВМ, в которой частично использовались полупроводниковые приборы вместо электронных ламп, была машина SEAC (Standarts Eastern Automatic Computer), созданная в 1951 году.

В начале 60-х годов полупроводниковые машины стали производиться и в СССР.

3. Третье поколение ЭВМ: 1970-1980-е годы

В 1958 году Роберт Нойс изобрел малую кремниевую интегральную схему, в которой 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.

4. Четвертое поколение ЭВМ: 1980-1990-е годы

Революционным событием в развитии компьютерных технологий третьего поколения машин было создание больших и сверхбольших интегральных схем (Large Scale Integration - LSI и Very Large Scale Integration - VLSI), микропроцессора (1969 г.) и персонального компьютера. Начиная с 1980 года практически все ЭВМ стали создаваться на основе микропроцессоров. Самым востребованным компьютером стал персональный.

Логические интегральные схемы в компьютерах стали создаваться на основе униполярных полевых CMOS-транзисторов с непосредственными связями, работающими с меньшими амплитудами электрических напряжений (единицы вольт), потребляющими меньше мощности, нежели биполярные, и тем самым позволяющими реализовать более прогрессивные нанотехнологии (в те годы - масштаба единиц микрон).

Первый персональный компьютер создали в апреле 1976 года два друга, Стив Джобе (1955 г. р.) - сотрудник фирмы Atari, и Стефан Возняк (1950 г. р.), работавший на фирме Hewlett-Packard. На базе интегрального 8-битного контроллера жестко запаянной схемы популярной электронной игры, работая вечерами в автомобильном гараже, они сделали простенький программируемый на языке Бейсик игровой компьютер «Apple», имевший бешеный успех. В начале 1977 года была зарегистрирована Apple Сотр., и началось производство первого в мире персонального компьютера Apple.

5. Пятое поколение ЭВМ: 1990-настоящее время

Особенности архитектуры современного поколения компьютеров подробно рассматриваются в данном курсе.

Кратко основную концепцию ЭВМ пятого поколения можно сформулировать следующим образом:

1. Компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных инструкций программы.

2. Компьютеры с многими сотнями параллельно работающих процессоров, позволяющих строить системы обработки данных и знаний, эффективные сетевые компьютерные системы.

Шестое и последующие поколения ЭВМ

Электронные и оптоэлектронные компьютеры с массовым параллелизмом, нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

Заключение

Все этапы развития ЭВМ принято условно делить на поколения.

Первое поколение создавалось на основе вакуумных электроламп, машина управлялась с пульта и перфокарт с использованием машинных кодов. Эти ЭВМ размещались в нескольких больших металлических шкафах, занимавших целые залы.

Втрое поколение появилось в 60-е годы 20 века. Элементы ЭВМ выполнялись на основе полупроводниковых транзисторов. Эти машины обрабатывали информацию под управлением программ на языке Ассемблер. Ввод данных и программ осуществлялся с перфокарт и перфолент.

Третье поколение выполнялось на микросхемах, содержавших на одной пластинке сотни или тысячи транзисторов. Пример машины третьего поколения - ЕС ЭВМ. Управление работой этих машин происходило с алфавитно-цифровых терминалов. Для управления использовались языки высокого уровня и Ассемблер. Данные и программы вводились как с терминала, так и с перфокарт и перфолент.

Четвертое поколение было создано на основе больших интегральных схем (БИС). Наиболее яркие представители четвертого поколения ЭВМ - персональные компьютеры (ПК). Персональной называется универсальная однопользовательская микроЭВМ. Связь с пользователем осуществлялась посредством цветного графического дисплея с использованием языков высокого уровня.

Пятое поколение создано на основе сверхбольших интегральных схем (СБИС), которые отличаются колоссальной плотностью размещения логических элементов на кристалле.

Предполагается, что в будущем широко распространится ввод информации в ЭВМ с голоса, общения с машиной на естественном языке, машинное зрение, машинное осязание, создание интеллектуальных роботов и робототехнических устройств.

Поколения ЭВМ.

Можно выделить 4 основные поколения ЭВМ. Но деление компьютерной техники на поколения - весьма условная, нестрогая классификация по степени развития аппаратных и программных средств, а также способов общения с компьютером.

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
I	II	III	IV
Годы применения	1946-1958	1958-1964	1964-1972	1972 - настоящее время
Основной элемент	Эл.лампа	Транзистор	ИС	БИС
Количество ЭВМ в мире (шт.)	Десятки	Тысячи	Десятки тысяч	Миллионы
Быстродействие (операций в секунду)	10 3 -14 4	10 4 -10 6	10 5 -10 7	10 6 -10 8
Носитель информации	Перфокарта, Перфолента	Магнитная Лента	Диск	Гибкий и лазерный диск
Размеры ЭВМ	Большие	Значительно меньше	Мини-ЭВМ	микроЭВМ

Немногим более 50 лет прошло с тех пор, как появилась первая электронная вычислительная машина. За этот короткий для развития общества период сменилось несколько поколений вычислительных машин, а первые ЭВМ сегодня являются музейной редкостью. Сама история развития вычислительной техники представляет немалый интерес, показывая тесную взаимосвязь математики с физикой (прежде всего с физикой твердого тела, полупроводников, электроникой) и современной технологией, уровнем развития которой во многом определяется прогресс в производстве средств вычислительной техники.

Электронно-вычислительные машины у нас в стране принято делить на поколения. Для компьютерной техники характерна прежде всего быстрота смены поколений - за ее короткую историю развития уже успели смениться четыре поколения и сейчас мы работаем на компьютерах пятого поколения. Что же является определяющим признаком при отнесении ЭВМ к тому или иному поколению? Это прежде всего их элементная база (из каких в основном элементов они построены), и такие важные характеристики, как быстродействие, емкость памяти, способы управления и переработки информации. Конечно же, деление ЭВМ на поколения в определенной мере условно. Существует немало моделей, которые по одним признакам относятся к одному, а по другим - к другому поколению. И все же, несмотря на эту условность поколения ЭВМ можно считать качественными скачками в развитии электронно-вычислительной техники.

Первое поколение ЭВМ (1948 - 1958 гг.)

Элементной базой машин этого поколения были электронные лампы – диоды и триоды. Машины предназначались для решения сравнительно несложных научно-технических задач. К этому поколению ЭВМ можно отнести: МЭСМ, БЭСМ-1, М-1, М-2, М-З, “Стрела”, “Минск-1”, “Урал-1”, “Урал-2”, “Урал-3”, M-20, "Сетунь", БЭСМ-2, "Раздан". Они были значительных размеров, потребляли большую мощность, имели невысокую надежность работы и слабое программное обеспечение. Быстродействие их не превышало 2-3 тысяч операций в секунду, емкость оперативной памяти-2К или 2048 машинных слов (1K=1024) длиной 48 двоичных знаков. В 1958 г. появилась машина M-20 с памятью 4К и быстродействием около 20 тысяч операций в секунду. В машинах первого поколения были реализованы основные логические принципы построения электронно-вычислительных машин и концепции Джона фон Неймана, касающиеся работы ЭВМ по вводимой в память программе и исходным данным (числам). Этот период явился началом коммерческого применения электронных вычислительных машин для обработки данных. В вычислительных машинах этого времени использовались электровакуумные лампы и внешняя память на магнитном барабане. Они были опутаны проводами и имели время доступа 1х10-3 с. Производственные системы и компиляторы пока не появились. В конце этого периода стали выпускаться устройства памяти на магнитных сердечниках. Надежность ЭВМ этого поколения была крайне низкой.

Второе поколение ЭВМ (1959 - 1967 гг.)

Элементной базой машин этого поколения были полупроводниковые приборы. Машины предназначались для решения различных трудоемких научно-технических задач, а также для управления технологическими процессами в производстве. Появление полупроводниковых элементов в электронных схемах существенно увеличело емкость оперативной памяти, надежность и быстродействие ЭВМ. Уменьшились размеры, масса и потребляемая мощность. С появлением машин второго поколения значительно расширилась сфера использования электронной вычислительной техники, главным образом за счет развития программного обеспечения. Появились также специализированные машины, например ЭВМ для решения экономических задач, для управления производственными процессами, системами передачи информации и т.д. К ЭВМ второго поколения относятся:

ЭВМ М-40, -50 для систем противоракетной обороны;

Урал -11, -14, -16 - ЭВМ общего назначения, ориентированные на решение инженерно-технических и планово-экономических задач;

Минск -2, -12, -14 для решения инженерных, научных и конструкторских задач математического и логического характера;

Минск-22 предназначена для решения научно-технических и планово-экономических задач;

БЭСМ-3 -4, -6 машин общего назначения, ориентированных на решение сложных задач науки и техники;

М-20, -220, -222 машина общего назначения, ориентированная на решение сложных математических задач;

МИР-1 малая электронная цифровая вычислительная машина, предназначенная для решения широкого круга инженерно-конструкторских математических задач,

"Наири" машина общего назначения, предназначеная для решения широкого круга инженерных, научно-технических, а также некоторых типов планово-экономических и учетно-статистических задач;

Рута-110 мини ЭВМ общего назначения;

и ряд других ЭВМ.

ЭВМ БЭСМ-4, М-220, М-222 имели быстродействие порядка 20-30 тысяч операций в секунду и оперативную память-соответственно 8К, 16К и 32К. Среди машин второго поколения особо выделяется БЭСМ-6 , обладающая быстродействием около миллиона операций в секунду и оперативной памятью от 32К до 128К (в большинстве машин используется два сегмента памяти по 32К каждый).

Данный период характеризуется широким применением транзисторов и усовершенствованных схем памяти на сердечниках. Большое внимание начали уделять созданию системного программного обеспечения, компиляторов и средств ввода-вывода. В конце указанного периода появились универсальные и достаточно эффективные компиляторы для Кобола, Фортрана и других языков.

Была достигнута уже величина времени доступа 1х10-6 с, хотя большая часть элементов вычислительной машины еще была связана проводами.

Вычислительные машины этого периода успешно применялись в областях, связанных с обработкой множеств данных и решением задач, обычно требующих выполнения рутинных операций на заводах, в учреждениях и банках. Эти вычислительные машины работали по принципу пакетной обработки данных. По существу, при этом копировались ручные методы обработки данных. Новые возможности, предоставляемые вычислительными машинами, практически не использовались.

Именно в этот период возникла профессия специалиста по информатике, и многие университеты стали предоставлять возможность получения образования в этой области.

Первые проекты электронных вычислительных машин (ЭВМ) появились в конце 30-х — начале 40-х годов XX в. Отметим, что технические предпосылки для ϶ᴛᴏго уже были созданы, развивалась электроника и счетно-аналитическая вычислительная техника. В 1904 г. был изобретен первый ламповый диод, а в 1906 г. — первый триод (ϲᴏᴏᴛʙᴇᴛϲᴛʙенно двух- и трехэлектродная электронная лампа); в 1918 г. — электронное реле (ламповый триггер) Триггерные схемы стали широко применяться в электронике для переключения и релейной коммутации.

Другой технической предпосылкой создания ЭВМ стало развитие электромеханической счетно-аналитической техники. Благодаря накопленному опыту в области развития вычислительной техники в середине 30-х годов стало возможным создание программно-управляемых вычислительных машин, а построение ВМ на электронных схемах открывало широкие перспективы, связанные с увеличением надежности и быстродействия.

ЭВМ появились, когда возникла острая необходимость в проведении трудоемких и точных расчетов. Уровень прогресса в таких областях науки и техники, как, например, атомная энергетика, аэрокосмические исследования, во многом зависел от возможности выполнения сложных расчетов, кᴏᴛᴏᴩые нельзя было осуществить в рамках электромеханических счетных машин. Требовался переход к вычислительным машинам, работающим с большей производительностью.

В истории развития ЭВМ выделяют пять этапов, ϲᴏᴏᴛʙᴇᴛϲᴛʙующих пяти поколениям ЭВМ.

Период машин первого поколения начинается с переходом к серийному производству ЭВМ в начале 50-х годов XX в. В них были реализованы основные принципы, предложенные Джоном фон-Нейманом.

1. Принцип хранимой программы. Машина имеет память, в кᴏᴛᴏᴩой хранятся программа, данные и результаты промежуточных вычислений. Программа вводится в машину, так же как и данные, в виде двоичных кодов (а не штекерным методом, т.е. коммутацией проводов в определенной последовательности)

2. Адресный принцип. В команде указываются не сами числа, над кᴏᴛᴏᴩыми нужно выполнять арифметические действия, а адреса ячеек памяти, где данные числа находятся.

3. Автоматизм . После ввода программы и данных машина работает автоматически, выполняя предписания программы без вмешательства человека. Стоит сказать, для ϶ᴛᴏго машина запоминает адрес выполняемой команды, а каждая команда содержит указание об адресе следующей команды. Указание может быть одним из трех типов: неявным (перейти к команде, следующей по адресу за выполняемой), безусловным (перейти к команде по заданному адресу), условным (проверить заданное условие и в зависимости от его выполнения перейти к команде по тому или иному адресу)

4. Переадресация. Адреса ячеек памяти, указанные в команде, можно вычислять и преобразовывать как числа.

Структура ЭВМ, в кᴏᴛᴏᴩой реализованы принципы фон-Неймана, впоследствии получила название структуры «фон-Неймана» (или классической) Все дальнейшее развитие ЭВМ шло двумя путями: совершенствование структуры фон-Неймана и поиск новых структур.

Отметим, что технической основой элементной базы процессоров первых ЭВМ были электронные вакуумные лампы (ЭВЛ), а в качестве оперативных запоминающих устройств использовались электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) Это были громоздкие по габаритам машины, занимающие много места и потребляющие много электроэнергии. Стоит заметить, что они делали несколько тысяч операций в секунду и обладали памятью в несколько тысяч машинных слов. Эти машины предполагали монопольный режим использования, т.е. в распоряжении пользователя были все ресурсы машины и ее управление. Программист повествовал ϲʙᴏю программу в машинных кодах и отлаживал ее за пультом машины, кᴏᴛᴏᴩая на время отладки была полностью в его распоряжении. При ϶ᴛᴏм 90% времени машина простаивала в ожидании команд, т.е. использование машинных ресурсов было малоэффективным из-за отсутствия развитой операционной системы. Использовались ЭВМ первого поколения в основном для научных расчетов. Первой отечественной ЭВМ была МЭСМ (малая электронная счетная машина), разработанная в 1947 — 1951 гг. под руководством акад. С.А. Лебедева. В 1952 г. была введена в эксплуатацию БЭСМ (большая электронная счетная машина), созданная под руководством С.А. Лебедева. В 1955 г. начался выпуск малой ЭВМ «Урал-1» (руководитель проекта Б.И. Рамеев) Примером зарубежной серийной модели ЭВМ будет IBM-701 (США)

Второе поколение ЭВМ (конец 50-х — середина 60-х годов) называют транзисторно-ферритовым, так как транзисторы (твердые диоды и триоды) заменили электронные лампы в процессорах, а ферритовые (намагничиваемые) сердечники — электронно-лучевые трубки в оперативных запоминающих устройствах.

Применение транзисторов существенно повлияло на характеристики и структуру машин. Транзисторные схемы позволили повысить плотность монтажа электронной аппаратуры на порядок и существенно (на несколько порядков) снизить потребляемую электроэнергию. Срок службы транзисторов на два-три порядка превосходил срок службы электронных ламп. Скорость ЭВМ возросла до сотен тысяч операций в секунду, а память — до десятков тысяч машинных слов.

Создание долговременной памяти на магнитных дисках и лентах, а также возможность подключения к ЭВМ изменяемого состава внешних устройств существенно расширили функциональные возможности вычислительных машин.

В организации вычислительного процесса крупным достижением было совмещение во времени вычислений и ввода-вывода информации, переход от монопольного режима использования ресурсов машины к пакетной обработке. Задания для ЭВМ (на перфокартах, магнитных лентах или дисках) собирались в пакет, кᴏᴛᴏᴩый обрабатывался без перерыва между заданиями. Это позволило более экономно использовать ресурсы машины.

В программировании были разработаны методы программирования в символических обозначениях, созданы первые алгоритмические языки и трансляторы с данных языков, созданы библиотеки стандартных программ.

В наибольшей степени широкое применение нашли отечественные ЭВМ, такие, как БЭСМ-4, М-220, «Минск-32». Типичным представителем зарубежной ЭВМ второго поколения будет IBM-7090.

Третье поколение ЭВМ (конец 60-х — начало 70-х годов) характеризуется появлением в качестве элементной базы процессора интегральных полупроводниковых схем (вместо отдельных транзисторов), что привело к дальнейшему увеличению скорости до миллиона операций в секунду и памяти до сотен тысяч слов.

ЭВМ третьего поколения также характеризуются крупнейшими сдвигами в архитектуре ЭВМ, их программном обеспечении, организации взаимодействия человека с машиной. Это прежде всего наличие развитой конфигурации внешних устройств (алфавитно-цифровые терминалы, графопостроители и т.п.) с использованием стандартных средств сопряжения, развитая операционная система, обеспечивающая работу в мультипрограммном режиме (несколько одновременно размещаемых в оперативной памяти программ совместно используют ресурсы процессора) Метод использования ресурсов ЭВМ — режим разделения времени совместно с пакетной обработкой. Высокое быстродействие позволяет время обслуживания пользователей разбить на кванты, обрабатывая в течение кванта задание каждого, возвращаться к пользователю за такое малое время, что у него за дисплеем создается иллюзия, что он один пользуется ресурсами машины.

Решающее значение в развитии вычислительной техники во всем мире сыграло создание семейства вычислительных машин на интегральных схемах с широким диапазоном вычислительной мощности и совместимых снизу вверх на уровне машинных языков, внешних устройств, модулей конструкции и системы элементов. Программная совместимость снизу вверх машин одного и того же семейства предполагает, что любая программа, выполнявшаяся на младшей машине, должна без всяких переделок выполняться на старшей.

Широкое распространение получили также семейства мини-ЭВМ. Сущность их конструкторского решения состояла в такой минимизации аппаратуры центрального процессора, кᴏᴛᴏᴩая позволяла на уровне технологии того времени создать универсальные ЭВМ, способные осуществлять управление в реальном масштабе времени, при кᴏᴛᴏᴩом темп выдачи управляющих воздействий на объект управления согласован со скоростью протекания процессов в ϶ᴛᴏм объекте.

В нашей стране в период машин третьего поколения была создана Единая Система ЭВМ (ЕС ЭВМ), в основных чертах копирующая IBM-360 и IBM-370, а также серия мини-ЭВМ СМ ЭВМ, ориентированная на зарубежные модели. Вклад отечественной науки в мировое развитие электронной вычислительной техники в ϶ᴛᴏт период связан с промышленным внедрением многопроцессорной ЭВМ М-10.

В период машин третьего поколения произошел крупный сдвиг в области применения ЭВМ. В случае если раньше ЭВМ использовались в основном для научно-технических расчетов, то в 60 — 70-е годы первое место стала занимать обработка символьной информации, в основном экономической.

Машины серии ЕС ЭВМ имеют универсальное назначение, а основной областью применения СМ ЭВМ будет автоматизация технологических процессов, научных экспериментов и испытательных установок, проектно-конструкторских работ.

Переход к машинам четвертого поколения — ЭВМ на больших интегральных схемах (БИС) — происходил во второй половине 70-х годов и завершился приблизительно к 1980 г. Отметим, что теперь на одном кристалле размером 1 см 2 стали размещаться сотни тысяч электронных элементов. Скорость и объем памяти возросли в десятки тысяч раз по сравнению с машинами первого поколения и составили примерно 10 9 оп/с и 10 7 слов ϲᴏᴏᴛʙᴇᴛϲᴛʙенно.

Характерными особенностями машин четвертого поколения будут тесная связь аппаратурной и программной реализаций в структуре машины, отход от принципа минимизации аппаратуры и поручение ей функций программы, что стало возможным благодаря относительно низкой стоимости БИС.

Развитие архитектуры ЭВМ в период машин четвертого поколения привело к появлению структур, в кᴏᴛᴏᴩых вычислительный процесс может протекать по нескольким ветвям параллельно, что приводит к увеличению производительности вычислительных машин. Идея параллелизма была технически реализована в многопроцессорных системах, состоящих из двух или более взаимосвязанных процессоров, работающих с общей памятью и управляемых общей операционной системой.

В результате возросшего быстродействия ЭВМ стало возможным расширить оперативную память за счет введения виртуальной памяти основанной на страничном обмене информации между внешней и основной памятью.

В наибольшей степени крупным достижением, связанным с применением БИС, стало создание микропроцессоров, а затем на их основе микроЭВМ. В случае если прежние поколения ЭВМ требовали для ϲʙᴏего расположения специальных помещений, системы вентиляции, специального оборудования для электропитания, то требования, предъявляемые к эксплуатации микроЭВМ, ничем не отличаются от условий эксплуатации бытовых электроприборов. При ϶ᴛᴏм они имеют достаточно высокую производительность, экономичны в эксплуатации и дешевы. МикроЭВМ могут быть использованы в измерительных комплексах, системах числового программного управления, в управляющих системах различного назначения.

Дальнейшее развитие микроЭВМ привело к созданию персональных компьютеров (ПК), широкое распространение кᴏᴛᴏᴩых началось с 1975 г., когда фирма IBM выпустила ϲʙᴏй первый персональный компьютер IBM PC. Сейчас такие компьютеры (совместимые с IBM PC) составляют около 90% всех производимых в мире ПК. В ПК реализован принцип открытой архитектуры, кᴏᴛᴏᴩый означает, что по мере улучшения характеристик основных блоков ПК возможна легкая замена устаревших частей, а модернизированный блок будет совместим с ранее используемым оборудованием. Другими преимуществами ПК будут развитые средства диалога, высокая надежность, удобство эксплуатации, наличие программного обеспечения, охватывающего практически все сферы человеческой деятельности.

В период машин четвертого поколения стали также серийно производиться и суперЭВМ. Рост степени интеграции БИС стал технологической основой производительности ЭВМ. В нескольких серийных моделях была достигнута производительность свыше 1 млрд. операций в секунду. К числу наиболее значительных разработок машин четвертого поколения относится ЭВМ «Крей-3», спроектированная на базе принципиально новой технологии — замены кремниевого кристалла арсенидом галлия, имеющая производительность до 16 млрд. операций в секунду. Примером отечественной суперЭВМ будет многопроцессорный вычислительный комплекс «Эльбрус» с быстродействием до 1,2-10 8 оп/с.

С конца 80-х годов в истории развития вычислительной техники наступила пора пятого поколения ЭВМ. Отметим, что технологические, конструкторские, структурные и архитектурные идеи машин пятого поколения принципиально отличаются от машин предшествующих поколений. Прежде всего их структура и архитектура отличаются от фон-неймановской (классической) Высокая скорость выполнения арифметических вычислений дополняется высокими скоростями логического вывода. Даже скорость предполагается выражать в единицах логического вывода. Машина состоит из нескольких блоков. Блок общения обеспечивает интерфейс между пользователем и ЭВМ на естественном языке и дисциплина программирования как наука для пользователя перестает в будущем быть актуальной. Не стоит забывать, что важное место в структуре ЭВМ занимает блок, представляющий базу знаний, в кᴏᴛᴏᴩом хранятся знания, накопленные человечеством в различных предметных областях, кᴏᴛᴏᴩые постоянно расширяются и пополняются. Следующий блок, называемый решателем, организует подготовку программы решения задачи на основании знаний, получаемых из базы знаний и исходных данных, полученных из блока общения. Ядро вычислительной системы составляет ЭВМ высокой производительности. Материал опубликован на http://сайт

В связи с появлением новой базовой структуры ЭВМ в машинах пятого поколения широко могут быть использованы модели и средства, разработанные в области искусственного интеллекта.

После создания в 1949 г. в Англии модели EDSAC был дан мощный импульс развитию универсальных ЭВМ, стимулировавший появление в ряде стран моделей ЭВМ, составивших первое поколение. На протяжении более 40 лет развития вычислительной техники(ВТ) появилось, сменяя друг друга, несколько поколений ЭВМ.

ЭВМ первого поколения в качестве элементной базы использовали электронные лампы и реле; оперативная память выполнялась на триггерах, позднее на ферритовых сердечниках; быстродействие было, как правило, в пределах 5-30 тыс. арифметических оп/с; они отличались невысокой надежностью, требовали систем охлаждения и имели значительные габариты. Процесс программирования требовал значительного искусства, хорошего знания архитектуры ЭВМ и ее программных возможностей. На первых порах данного этапа использовалось программирование в кодах ЭВМ (машинный код), затем появились автокоды и ассемблеры. Как правило, ЭВМ первого поколения использовались для научно-технических расчетов, а сам процесс программирования больше напоминал искусство, которым занимался весьма узкий круг математиков, инженеров-электриков и физиков.

ЭВМ EDSAC, 1949 г.

ЭВМ 2-го поколения

Создание в США 1 июля 1948 г. первого транзистора не предвещало нового этапа в развитии ВТ и ассоциировалось, прежде всего, с радиотехникой. На первых порах это был скорее опытный образец нового электронного прибора, требующий серьезного исследования и доработки. И уже в 1951 г. Уильям Шокли продемонстрировал первый надежный транзистор. Однако стоимость их была достаточно велика (до 8 долларов за штуку), и только после разработки кремниевой технологии цена их резко снизилась, способствовав ускорению процесса миниатюризации в электронике, захватившего и ВТ.

Общепринято, что второе поколение начинается с ЭВМ RCA-501, появившейся в 1959 г. в США и созданной на полупроводниковой элементной базе. Между тем, еще в 1955 г. была создана бортовая транзисторная ЭВМ для межконтинентальной баллистической ракеты ATLAS. Новая элементная технология позволила резко повысить надежность ВТ, снизить ее габариты и потребляемую мощность, а также значительно повысить производительность. Это позволило создавать ЭВМ с большими логическими возможностями и производительностью, что способствовало распространению сферы применения ЭВМ на решение задач планово-экономических, управления производственными процессами и др. В рамках второго поколения все более четко проявляется дифференциация ЭВМ на малые, средние и большие. Конец 50-х годов характеризуется началом этапа автоматизации программирования, приведшим к появлению языков программирования Fortran (1957 г.), Algol-60 и др.

ЭВМ 3-го поколения

Третье поколение связывается с появлением ЭВМ с элементной базой на интегральных схемах (ИС). В январе 1959 г. Джеком Килби была создана первая ИС, представляющая собой тонкую германиевую пластинку длиной в 1 см. Для демонстрации возможностей интегральной технологии фирма Texas Instruments создала для ВВС США бортовой компьютер, содержащий 587 ИС, и объемом (40см3) в 150 раз меньшим, чем у аналогичной ЭВМ старого образца. Но у ИС Килби был ряд существенных недостатков, которые были устранены с появлением в том же году планарных ИС Роберт Нойса. С этого момента ИС-технология начала свое триумфальное шествие, захватывая все новые разделы современной электроники и, в первую очередь, вычислительную технику.

Значительно более мощным становится программное обеспечение, обеспечивающее функционирование ЭВМ в различных режимах эксплуатации. Появляются развитые системы управления базами данных (СУБД), системы автоматизирования проектных работ (САПР); большое внимание уделяется созданию пакетов прикладных программ (ППП) различного назначения. По-прежнему появляются новые и развиваются существующие языки и системы программирования.

ЭВМ 4-го поколения

Конструктивно-технологической основой ВТ 4-го поколения становятся большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) интегральные схемы, созданные соответственно в 70-80-х гг. Такие ИС содержат уже десятки, сотни тысяч и миллионы транзисторов на одном кристалле (чипе). При этом БИС-технология частично использовалась уже и в проектах предыдущего поколения (IВМ/360, ЕС ЭВМ ряд-2 и др.). Наиболее важный в концептуальном плане критерий, по которому ЭВМ 4-го поколения можно отделить от ЭВМ 3-го поколения, состоит в том, что первые проектировались уже в расчете на эффективное использование современных ЯВУ и упрощения процесса программирования для проблемного программиста. В аппаратном отношении для них характерно широкое использование ИС-технологии и быстродействующих запоминающих устройств. Наиболее известной серией ЭВМ четвертого поколения можно считать IВМ/370, которая в отличие от не менее известной серии IВМ/360 3-го поколения, располагает более развитой системой команд и более широким использованием микропрограммирования. В старших моделях 370-й серии был реализован аппарат виртуальной памяти, позволяющий создавать для пользователя видимость неограниченных ресурсов оперативной памяти.

Феномен персонального компьютера (ПК) восходит к созданию в 1965 г, первой мини-ЭВМ PDP-8, которая появилась в результате универсализации специализированного микропроцессора для управления ядерным реактором. Машина быстро завоевала популярность и стала первым массовым компьютером этого класса; в начале 70-х годов число машин превысило 100 тысяч шт. Дальнейшим важным шагом был переход от мини- к микро-ЭВМ; этот новый структурный уровень ВТ начал формироваться на рубеже 70-х годов, когда появление БИС дало возможность создать универсальный процессор на одном кристалле. Первый микропроцессор Intel-4004 был создан в 1971 г. и содержал 2250 элементов, а первый универсальный микропроцессор Intel-8080, явившийся стандартом микрокомпьютерной технологии и созданный в 1974 г., содержал уже 4500 элементов и послужил основой для создания первых ПК. В 1979 г. выпускается один из самых мощных и универсальных 16-битный микропроцессор Motorolla-68000 с 70 000 элементами, а в 1981 г. - первый 32-битный микропроцессор Hewlett Packard с 450 тыс. элементами.

ПЭВМ Altair-8800

Первым ПК можно считать Altair-8800, созданный на базе микропроцессора Intel-8080 в 1974 г. Эдвардом Робертсом. Компьютер рассылался по почте, стоил всего 397 долларов и имел возможности для расширения периферийными устройствами (всего 256 байт ОЗУ!!!). Для Altair-8800 Пол Аллен и Бил Гейтс создали транслятор с популярного языка Basic, существенно увеличив интеллектуальность первого ПК (впоследствии они основали знаменитую теперь компанию Microsoft Inc). Комплектация ПК цветным монитором привела к созданию конкурирующей модели ПК Z-2; через год после появления первого ПК Altair-8800 их в производство ПК включилось более 20 различных ком-паний и фирм; начала формироваться ПК-индустрия (собственно производство ПК, их сбыт, периодические и непериодические издания, выставки, конференции и т.д.). А уже в 1977 г. были запущены в серийное производство три модели ПК Apple-2 (фирма Apple Computers), TRS-80 (фирма Tandy Radio Shark) и PET (фирма Commodore), из которых в конкурентной борьбе сначала отстающая фирма Apple становится вскоре лидером производства ПК (ее модель Apple-2 имела огромный успех). К 1980 г. корпорация Apple выходит на Уолл-стрит с самым большим акционерным капиталом и годовым доходом в 117 млн долларов.

Но уже в 1981 г. фирма IBM, во избежание потери массового рынка, начинает выпуск своих ныне широко известных серий ПК IBM PC/XT/AT и PS/2, открывших новую эпоху персональной ВТ. Выход на арену ПК-индустрии гиганта IBM ставит производство ПК на промышленную основу, что позволяет решить целый ряд важных для пользователя вопросов (стандартизация, унификация, развитое программное обеспечение и др.), которым фирма уделяла большое внимание уже в рамках производства серий IBM/360 и IBM/370. Можно с полным основанием полагать, что за короткий период времени, прошедший с дебюта Altair-8800 до IBM PC, к ВТ приобщилось больше людей, чем за весь долгий период - от аналитической машины Бэбиджа до изобретения первых ИС.

Первой ЭВМ, открывающей собственно класс супер-ЭВМ, можно считать модель Amdahl 470V16, созданную в 1975 г. и совместимую с IBM-серией. Машина использо-вала эффективный принцип распараллеливания на основе конвейерной обработки команд, а элементная база использовала БИС-технологию. В настоящее время к классу супер-ЭВМ относят модели, имеющие среднее быстродействие не менее 20 мегафлопсов (1 мегафлопс = 1 млн операций в с плавающей точкой в секунду). Первой моделью с такой производительностью явилась во многом уникальная ЭВМ ILLIAC-IV, созданная в 1975 г. в США и имеющая максимальное быстродействие порядка 50 мегафлопсов. Данная модель оказала огромное влияние на последующее развитие супер-ЭВМ с матричной архитектурой. Яркая страница в истории супер-ЭВМ связана с Cray-серией С. Крея, первая модель Cray-1 которой была создана в 1976 г. и имела пиковое быстродействие в 130 мегафлопсов. Архитектура модели базировалась на конвейерном принципе векторной и скалярной обработки данных с элементной базой на СБИС. Именно данная модель положила начало классу современных супер-ЭВМ. Следует отметить, что не смотря на ряд интересных архитектурных решений, успех модели был достигнут, в основном, за счет удачных технологических решений. Последующие модели Cray-2, Cray Х-МР, Cray-3, Cray-4 довели производительность серии до порядка 10 тыс. мегафлопсов, а модель Cray МР, использующая новую архитектуру на 64 процессорах и элементную базу на новых кремниевых микросхемах, обладала пиковой производительностью порядка 50 гигафлопсов.

Завершая экскурс в историю современной ВТ с той или иной детализацией отдельных ее этапов, следует сделать несколько существенных замечаний. Прежде всего, имеет место все более гладкий переход одного поколения ЭВМ к другому, когда идеи нового поколения в той или иной мере созревают и даже реализуются в предыдущем поколении. Особенно это заметно при переходе на ИС-технологию производства ВТ, когда определяющий акцент поколений все больше смещается с элементной базы на другие показатели: логическая архитектура, программное обеспечение, интерфейс с пользователем, сферы приложений и др. Появляется самая разнообразная ВТ, характеристики которой не укладываются в традиционные классификационные рамки; складывается впечатление, что мы находимся в начале своего рода универсализации ВТ, когда все ее классы стремятся к нивелированию своих вычислительных возможностей. Многие элементы пятого поколения в той или иной мере характерны и в наши дни.

В соответствии с элементной базой и уровнем развития программных средств выделяют четыре реальных поколения ЭВМ, краткая характеристика которых приведена в таблице:

Параметры сравнения	Поколения ЭВМ
				четвертое
Период времени
Элементная база (для УУ, АЛУ)	Электронные (или электрические) лампы	Полупроводники (транзисторы)	Интегральные схемы	Большие интегральные схемы (БИС)
Основной тип ЭВМ			Малые (мини)
Основные устройства ввода	Пульт, перфокарточный, перфоленточный ввод		Алфавитно-цифровой дисплей, клавиатура	Цветной графический дисплей, сканер, клавиатура
Основные устройства вывода	Алфавитно-цифровое печатающее устройство (АЦПУ), перфоленточный вывод		Графопостроитель, принтер
Внешняя память	Магнитные ленты, барабаны, перфоленты, перфокарты		Перфоленты, магнитный диск	Магнитные и оптические диски
Ключевые решения в ПО	Универсальные языки программирования, трансляторы	Пакетные операционные системы, оптимизирующие трансляторы	Интерактивные операционные системы, структурированные языки программирования	Дружественность ПО, сетевые операционные системы
Режим работы ЭВМ	Однопрограммный	Пакетный	Разделения времени	Персональная работа и сетевая обработка данных
Цель использования ЭВМ	Научно-технические расчеты	Технические и экономические расчеты	Управление и экономические расчеты	Телекоммуникации, информационное обслуживание

Эволюция использования компьютеров. Проект ЭВМ пятого поколения

Рассмотренная технология проектирования программ реализует последовательное преобразование целого ряда сигналов, т.е. их кодирование:

Эта схема имеет два недостатка:

1. процесс подготовки задачи к решению на ЭВМ несоизмеримо продолжительнее самого решения: многие месяцы подготовки задачи несопоставимы с несколькими минутами ее решения компьютером;

1. цепочка «заказчик – ЭВМ» работает в общем случае как неисправный телефон в силу того, что в процессе общения участники этой цепочки используют несколько языков (естественный, математический, язык графических символов, язык программирования и т.д.), часть из которых неоднозначна по смыслу высказываний. Из-за этого результаты решения задачи требуется согласовывать с заказчиком и, возможно, вносить в программу изменения. Это также удлиняет процесс подготовки программного продукта.

Таким образом, продолжительность подготовки задачи к ее автоматизированному решению - одна из причин совершенствования традиционной технологии этой процедуры.

Вторая причина связана с объективной эволюцией использования компьютеров, которая показана в таблице:

Параметр	Эволюция использования компьютеров
					с 90-х г.г. 20-го века
Критерий эффективности использования ЭВМ	Машинные ресурсы	Машинные ресурсы	Человеческие ресурсы: трудоемкость разработки и сопровождения программ	Трудоемкость формализации профессиональных знаний	Полнота и скорость доступа к информации
Расположение пользователя	Машинный зал	Отдельное помещение	Терминальный зал	Рабочий стол	Произвольное мобильное
Тип пользователя	Инженер- программист	Профессиональный программист	Программист -пользователь	Пользователь с общей компьютерной подготовкой	Слабо обученный пользователь
Тип диалога	Работа за пультом	Обмен перфоносителями и машинными программами	Интерактивный (клавиатура и экран)	Интерактивный по жесткому меню	Интерактивный, графический интерфейс

Как видно из таблицы, компьютер «приближается» к конечному пользователю, который не является хорошо подготовленным в области общения с компьютером и испытывает значительные затруднения в решении своих прикладных задач с использованием компьютера. В этой связи возникает проблема организации нового типа взаимодействия конечного пользователя и компьютера. Эта проблематика получила выражение в проекте ЭВМ пятого поколения, который был опубликован в начале 80-х годов 20-го столетия в Японии.

Основная идея этого проекта – сделать общение конечного пользователя с компьютером максимально простым, подобным общению с любым бытовым прибором. Для решения поставленной задачи предлагались следующие направления:

1. разработка простого интерфейса, позволяющего конечному пользователю вести диалог с компьютером для решения своих задач. Подобный интерфейс может быть организован двумя способами: естественно-языковым и графическим. Поддержка естественно-языкового диалога – очень сложная и не решенная пока задача. Реальным является создание графического интерфейса, что и сделано в ряде программных продуктов, например, в ОС Windows’xx. Этот интерфейс обладает наглядностью, не требует специальных знаний. Однако разработка доступных интерфейсов решает проблему только наполовину – позволяет конечному пользователю обращаться к заранее спроектированному программному обеспечению, не принимая участие в его разработке;

1. привлечение конечного пользователя к проектированию программных продуктов. Это направление позволило бы включить заказчика непосредственно в процесс создания программ, что в конечном итоге сократило бы время разработки программных продуктов и, возможно, повысило бы их качество. Подобная технология связана с автоформализацией профессиональных знаний конечного пользователя и предполагает два этапа проектирования программных продуктов:

• программистом создается «пустая» универсальная программная оболочка, способная наполняться конкретными знаниями и с их использованием решать практические задачи. Например, эту оболочку можно было бы заполнить правилами составления квартальных и иных балансов предприятий, и тогда она могла бы решать задачи бухгалтерского учета. Либо можно было внести туда правила зачисления абитуриентов, которые изложены ранее и использованы в примерах. В этом случае мы бы получили программный продукт, аналогичный тому, что проектировали выше, и т.д.;
• конечный пользователь заполняет созданную программистом программную оболочку, вводя в нее знания, носителем которых (в некоторой предметной области) он является. Здесь может использоваться понятный интерфейс, который обсуждался выше. После этого программный продукт готов к эксплуатации.

Таким образом, предлагаемая в проекте ЭВМ пятого поколения технология подготовки прикладных задач к решению на компьютере включает два этапа и представлена на рисунке:

Программист

а) программист создает пустую программную оболочку;

Заказчик

б) заказчик (конечный пользователь) наполняет оболочку знаниями

Наполненная знаниями конечного пользователя программная оболочка готова к решению тех прикладных задач, правила решения которых внес в нее конечный пользователь. Таким образом, начинается эксплуатация программного продукта.

Предлагаемая технология имеет много серьезных проблем, связанных с представлением и манипулированием знаниями. Тем не менее, с ней связывают прорыв в области проектирования прикладных программных продуктов.