2.Эволюция вычислительной техники. Основные характеристики и области

применения ЭВМ различных классов

Эволюция средств ВТ.

С развитием науки и технологий средства автоматизации вычислений непрерывно совершенствовались. Современное состояние ВТ являет собой результат многолетней эволюции.

В традиционной трактовке эволюцию ВТ представляется как последовательная смена ее поколений. Появление термина «поколение» относится к 1964 году, когда фирма IBM выпустила серию компьютеров IBM 360, назвав эту серию «компьютерами третьего поколения». Сам термин имеет разные определения и наиболее популярные приводятся ниже»

• поколения вычислительных машин – это сложившееся разбиение ВМ на классы, определяемые элементной базой и производительностью.

• Поколения компьютеров – нестрогая классификация ВС по степени развития аппаратных и программных средств.

При описании эволюции ВТ можно использовать хронологический или технологический подходы. Хронологический подход – это описание развития средств автоматизации по годам, существенно повлиявших на становление ВТ. Для нас лучше рассматривать эволюцию ВТ в терминах архитектурных решений и технологий (технологический подход).

В качестве узловых моментов, определяющих появление нового поколения ВТ, обычно выбираются технологические прорывы, кардинально изменяющие дальнейшее развитие средств автоматизации вычислений. Тогда начальный этап развития средств автоматизации вычислений можно говорить о «механической» эре (нулевое поколение – 1492 - 1945). «Механическая» эра в эволюции ВТ связана с механическими, а позже – электромеханическими вычислительными устройствами. Основным элементом механических устройств было зубчатое колесо. Затем (с ХХ века) роль базового элемента переходит к электромагнитному реле. Не умаляя значения многих идей «механической» эры, можно отметить, что ни одно из созданных устройств нельзя с полным основанием назвать вычислительной машиной.

Затем следуют шесть поколений ВМ или ВС, связанные с развитием элементной базой: электронные лампы, полупроводниковые приборы, интегральные схемы малой степени интеграции, большие (БИС), сверхбольшие (СБИС) и ультрабольшие.

Первое поколение (1937 – 1953). В построении ВМ использовались электронно-вакуумные лампы вместо электромагнитных реле. Предполагалось, что по надежности электронные лампы ненамного лучше, чем реле. В 1951г. под руководством Лебедева С.А была построена малая вычислительная машина (МЭСМ), потом в 1953г. поступила в эксплуатацию новая ВМ БЭСМ с быстродействием 8000 – 10000 операций в секунду. Несмотря на свою примитивность, ВМ первого поколения оказались весьма полезными для инженерных целей и в прикладных науках, так как намного ускоряло вычисления. Технология программирования в этом периоде была на зачаточном уровне. Первые программы составлялись в машинных кодах – числах, непосредственно записываемых в память ВМ. Лишь в 50-х годах началось использование языка ассемблера, позволявшего вместо числовой записи команд использовать символьную их нотацию, а потом переводить специальной программной (называемой ассемблером) в соответствующие числовые коды.

Второе поколение (1954 – 1962).

Поводом для выделения этого поколения стали технологические измене- ния – переход от электронных ламп к полупроводниковым приборам (диоды, транзисторы). Произошли изменения в области построения памяти. Вместо ртутных линий задержки стали применять память на магнитных сердечниках. Главным преимуществом памяти на магнитных сердечниках стал произвольный доступ к данным, когда в любой момент времени стал доступен любой элемент данных. Такой технологический прогресс позволил произвести изменения в (1) архитектуре ВМ – упростили доступ к элементам массива с помощью специальных индексных регистров. Кроме того в (2) структуре ВМ добавляется блок обработки чисел с плавающей запятой. До этого обработка таких чисел производилась с помощью подпрограмм. Третье нововведение (3) – это появление в составе ВМ процессора ввода/вывода (УВВ), который позволил освободить центральный процессор от рутинных операций по управлению вводом/выводом. Также произошли значительные события в области программного обеспечения – создание языков программирования высокого уровня: Фортрана (1956), Алгола (1958) и Кобола (1959).

Как видно второе поколение характеризуется рядом достижений в элементной базе, структуре ВМ и программном обеспечении. Так в нашей стране были разработаны и запущены в производство ВМ серии Урал, БЭСМ-2, Минск-1, Минск-2, Минск-22.

Третье поколение (1963-1972).

Основные технологические достижения связаны с переходом от дискретных полупроводниковых элементов к интегральным микросхемам (малой и средней степени интеграции) и началом применения полупроводниковых запоминающих устройств. В архитектуре ВМ стали применять микропрограммирование как эффективная техника построения устройств управления сложных процессоров, а также разработка систем параллельной обработки данных. В области программного обеспечения определяющими вехами стали первые операционные системы и реализация режима разделения времени. Появляется ранняя версия операционной системы UNIX. В нашей стране была разработана БЭСМ-6 с производительностью 1 млн операций в сек.

Четвертое поколение (1972 – 1984).

Отчет ведется с перехода на интегральные микросхемы большой (около 1000 транзисторов ) и сверхбольшой (100 000 транзисторов на кристалл) степени интеграции. Поэтому стало возможным уместить в одну микросхему не только центральный процессор (ЦП), но и саму ВМ (ЦП, основную память и УВВ). Это время становления и последующего шествия микропроцессоров и микроЭВМ.

В 1975 году выдвинута идея ВМ с сокращенным набором команд (RISC, Redused Instruction Set Computer). Это позволяет упрощать схемотехнику процессора и добиваться резкого сокращения времени выполнения каждой из «простых» команд. Более сложные команды реализуются как подпрограммы, составленные из быстрых «простых» команд. На смену большим ВМ, работающим в режиме разделения времени, приходят индивидуальные микроЭВМ и рабочие станции (сетевой сервер).

Пятое поколение (1984 – 1990).

Происходит стремительное развитие ВС с сотнями процессоров, что явилось прогрессом в области параллельных вычислений. Ранее параллелизм выражался в виде конвейеризации, векторной обработки и распределения работы между небольшим числом процессоров. В архитектуре ВС сформировались два различных подхода: архитектура с совместно используемой памятью и архитектура с распределенной памятью (каждый процессор имеет свою память).

RISC-архитектура становится базовой архитектурой для рабочих станций ((workstations). Происходит стремительное развитие глобальных и локальных компьютерных сетей. Это стимулировало изменения в технологии работы индивидуальных пользователей, отдающие предпочтение подключенным к сети индивидуальным рабочим станциям. Такой подход позволяет для решения небольших задач задействовать индивидуальную машину, а при необходимости в большой вычислительной мощности обратиться к ресурсам подсоединенных к той же сети мощных файловых серверов или суперЭВМ.

Шестое поколение (1990 -).

Поводом для начала отчета нового поколения стали успехи в области параллельных вычислений и резко возросший уровень рабочих станций. Это породил интерес к гетерогенным (неоднородным) вычислениям, когда программа, запущенная на одной рабочей станции, может найти в локальной сети не занятые в данный момент другие станции для распараллеливания вычислений на этих простаивающих станциях.

Верхняя граница шестого поколения еще не определена. Последующие события в области построения ВМ и ВС дадут повод говорить об очередном поколении.

Основные характеристики и области применения ЭВМ различных классов. ЭВМ из единичных экземпляров превратились в предмет массового применения. Изделия вычислительной техники делят на поколения в основном по элементной базе. С этих позиций следует рассматривать основные характеристики и области применения ЭВМ.

ЭВМ первого поколения использовались, как правило, для выполнения научно-технических расчетов. Машины характеризовались быстродействием (число операций в секунду), обьемом памяти, стоимостью, надежностью (наработка на отказ), габаритно-весовыми характеристиками, потребляемой мощностью и т.д.).

Научно-технические расчеты характеризуются относительно небольшим обьемом входной и выходной информации, но очень большим числом сложных операций с высокой точностью над входной информацией.

ЭВМ второго (1954-1962) поколения (полупроводниковые приборы) расширило на порядок параметры ЭВМ. Это позволило резко расширить области применения ЭВМ. В рамках второго поколения выделились следующие области применения ЭВМ:

• ЭВМ для научно-технических расчетов, т.к ЭВМ имели большое быстродействие и развитую систему команд процессора с относительно небольшой внешней памятью и устройствами ввода-вывода;

• ЭВМ для планово-экономических расчетов, когда ЭВМ должны иметь многоуровневую память, развитую систему устройств ввода-вывода, но относительно простым и дешевым процессором с системой команд для выполнения простых арифметических операций (сложение и вычитание) с фиксированной запятой.

Одновременно в эти годы развивается система программирования. В рамках второго поколения разделялись языки программирования на математические (фортран) и экономические (Кобол).

Со временем границы между выделенными классами ЭВМ стали размываться, т.к. стали появляться ЭВМ общего назначения (универсальные) , которые одинаково хорошо могли решать как научно-технические, так и планово-экономические задачи. Этому способствовало то, что такие ЭВМ имели мощный процессор, большую память, большой выбор УВВ. Такие ЭВМ стали выпускать различной вычислительной мощностью: большие, средние и малые.

В рамках третьего поколения стал усиленно развиваться новый класс ЭВМ – управляющие ЭВМ. Такие машины стали работать в контуре управления обьектом или технологическим процессом. К таким ЭВМ предьявляются специфические требования: высокая надежность, способность работать в экстремальных ситуациях (внешних условиях – перепады температур, давления, питающих напряжений, высокий уровень электромагнитных помех). Эти особенности привели к появлению нового класса машин - миниЭВМ, а затем и микроЭВМ. Иногда эти классы обьединяли понятием проблемно-ориентированных ЭВМ.

Наряду с этим выпускались единичные специализированные машины – суперЭВМ, которые предназначены для решения задач, недоступных для серийных ЭВМ.

В это время стало появляться семейство ЭВМ (IBM 360 и ЕС ЭВМ в России). Они обьединяются общими архитектурными, структурными решениями и выпускались нескольких классов – малые, средние, большие и очень большие. Наиболее известными примерами семейств ЭВМ третьего поколения являются: IBM 360 и его советский аналог ЕС ЭВМ, включающий следующие малые ЭВМ – ЕС 1010, ЕС-1020, средние ЕС-1022, ЕС-1-35 и др; семейство ЭВМ, использующие при построении ЦП типа 80х86.

Общими для семейства являются внутренний язык, что позволяет реализовать совместимость программ на уровне машинных кодов и преемственность программного обеспечения.