1.6. Четвёртое поколение

Основными техническими новинками стали:

• применение интегральных схем с большой LSI (до 1000 транзисторов на кристалле) и сверхбольшой VLSI (до 100000 транзисторов на кристалле) степенью интеграции, что привело к созданию микропроцессоров;

• вытеснение запоминающих устройств с магнитными сердечниками устройствами на основе полупроводников;

• появление RISC-архитектуры с ограниченным набором команд и реализацией команд расширенного набора программными средствами, что упрощает процессоры и убыстряет их работу.

Основными архитектурами становятся векторные и параллельные архитектуры, появляются индивидуальные микроЭВМ и рабочие станции – сетевые компьютеры, использующие ресурсы сервера.

В области программного изобретения заметно появление языков FP и Prolog, принципиально отличающихся от ранее известных процедурных языков, а также появление языка С и его применение для написания операционной системы UNIX для машины PDP-11.

1.7. Пятое поколение

Пятое поколение характерно наличием в вычислительных системах большого количества процессоров (100 и более), имеющих возможности, достаточные для выполнения задач отдельных пользователей.

Машины этого поколения имеют архитектуру с совместно используемой и распределённой памятью, а также архитектура с параллельным выполнением одной операции множеством процессоров.

В первом случае процессоры работают с общей памятью и связаны с ней через шины. Представителем этого направления является система Sequent Balance 8000, в которой имеется 20 процессоров, оснащённых своей КЭШ-памятью и разделяемая процессорам большая основная память

Во втором случае каждый процессор имеет свою память, а связь между процессорами осуществляется сетью взаимосвязей (внутри машинный аналог сети). Представителем такой архитектуры является система iPSC-1, часто называемая "гиперкубом".

Третья архитектура предусматривает работу множества процессоров под управлением одного управляющего устройства, причём каждый процессор выполняет одну и ту же операцию со своим набором данных. Такая архитектура применяется в вычислительных машинах Connection Machine и MP-1.

RISC-архитектура становится базовой архитектурой для рабочих станций. Процветает применение вычислительных сетей, в которых рабочие станции передают решение сложных задач мощным вычислительным машинам, присоединённым к сети.

Векторные вычислительные системы усложняются и становятся многопроцессорными.

1.8. Шестое поколение

Особенностями машин и систем этого поколения являются:

• массовое применение параллельных вычислений на уровне объединённых в сеть большого числа вычислительных машин, обозначаемое аббревиатурой МРР (массовый параллелелизм);

• высокий уровень рабочих станций, позволивший применять гетерогенные вычисления, при которых программа, запущенная на одной станции, находит в сети простаивающие процессоры и использует их для выполнения своих параллельных вычислений;

• взрывное расширение глобальных сетей.

1.9. Классификация эвм

Классификация вычислительных машин и систем производится по множеству признаков (рис. 1.1): по этапам создания (рассмотрена выше), принципу действия, назначению, вычислительной мощности (размеру и функциональным возможностям).

Говоря о классификации по принципу действия, следует понимать разницу между аналоговыми и цифровыми сигналами. Материальным носителем информации является сигнал – одна или несколько порций энергии любого вида: электромагнитной, механической, звуковых колебаний, световой и др. Каждый импульс имеет ряд характеризующих его параметров. Для сигнала постоянного тока это может быть сила тока или величина напряжения, для импульсов постоянного тока параметрами являются период следования, амплитуда (наибольшая величина), и длительность импульса, для синусоидального сигнала – амплитуда, частота и начальная фаза колебания.

Аналоговым сигналом (рис. 1.2) называется сигнал, у которого хотя бы один параметр (например, амплитуда) зависит от содержания передаваемой информации. Такой параметр называется информативным. На рис. 1.2,а показан сигнал, у которого информативным параметром (В) является напряжение или ток, на рис. 1.2,б – аналоговый сигнал у которого информативным параметром (В) может быть как напряжение (ток), так и длительность импульса t_И или периода Т₀, причем временные отрезки не должны измеряться цифровыми методами.

.

Рис. 1.1. Классификация ЭВМ

а)	tИ T0 t, время б)
N или i1,i2,i3,i4=F(Информация) t, время в)	N или i1,i2,i3,i4=F(Информация) t, время г)
Рис. 1.2. Аналоговый (а,б) и цифровой (в,г) сигналы

Например, числа 0, 1, 2, 3 и т.д. могут передаваться синусоидальными сигналами с амплитудами 0, 1, 2, 3 и т.д. вольт (В) или частотами 10, 20, 30 и т. д. кГц (синусоидальный сигнал с частотой ноль является сигналом постоянного тока, поэтому ряд частот начат с 10 кГц). Аналоговый сигнал может быть считан в любой момент времени и при наличии соответствующего измерительного прибора может быть представлен бесконечным множеством уровней. Недостаток аналогового сигнала – сложность преобразования информации в сигнал (кодирование информации) и обратного преобразования (декодирования), а также сложность защиты сигнала от помех и искажений.

На рис. 1,в показан сигнал, передающийся по одной паре проводов последовательно следующими во времени импульсами постоянного тока. Параметры импульсов постоянны, а количество импульсов N, а также наличие или отсутствие i₁, i₂, i₃, i₄ того или иного импульса в последовательности импульсов зависят от передаваемой информации и однозначно соответствуют ей.

На рис. 1,г показан сигнал, передающийся импульсами постоянного тока по нескольким проводам, и передающий четыре порции информации. Как и на рис. 1,в информацию несут, или количество импульсов N (нерационально), или наличие или отсутствие i₁, i₂, i₃, i₄ того или иного импульса в каждой комбинации импульсов.

Описанные сигналы называются дискретными или цифровыми. Сигнал рис. 1,в передаёт информацию в последовательном, а рис. 1,г – в параллельном коде. Поскольку количество импульсов не может быть бесконечным, количество уровней сигнала ограничено. Каждая комбинация импульсов создаётся в течение конечного отрезка времени, поэтому дискретный сигнал может быть считан в отдельные моменты времени, что является его недостатком. Достоинствами дискретного сигнала является лёгкость кодирования и декодирования информации, более высокая защищённость от помех, а также возможность защиты его от искажений различными методами.

Аналоговыми машинами называются вычислительные машины, использующие только аналоговые сигналы, дискретными – только дискретные сигналы, а гибридными – машины, использующие сигналы обоих типов.

Аналоговые машины состоят из высокоточных усилителей с настраиваемыми входными цепями и цепями обратной связи. Они позволяют моделировать линейные и нелинейные объекты, просты и удобны в эксплуатации, легко программируются, скорость решения задач регулируется оператором до сколь угодно больших значений. Однако, точность решения задач невысокая. Такие машины хороши для решения алгебраических и дифференциальных уравнений и их систем без сложной логики.

Цифровые машины более точны, позволяют моделировать сложные алгоритмы, но имеют более высокую трудоёмкость программирования и обслуживания. Тем не менее, они в настоящее время наиболее широко распространены в системах обработки информации.

Классификация вычислительных машин и систем по назначению основана на широте круга решаемых задачи их направленности. Универсальные вычислительные машины предназначены для решения широкого круга в задач разных областях деятельности человека и работают с информацией, представленной в разнообразных формах. Обычно это вычислительные машины коллективного пользования.

Проблемно-ориентированные вычислительные машины решают более узкий круг задач, например управление технологическими объектами, регистрация, накопление и обработка относительно небольших объёмов данных. Аппаратные и программные ресурсы их значительно слабее, чем у универсальных.

Специализированные машины решают ещё более узкий круг задач. Поэтому за счёт специализированной структуры имеют невысокую стоимость при высоких производительности и надёжности. Применяются, например, для управления несложными техническими устройствами.

Классификация вычислительных машин по размеру и функциональным возможностям основана на значениях множества их параметров, к которым относятся:

• быстродействие, измеряемое количеством операций средней продолжительности с плавающей точкой в 1 с;

• разрядность и формы представления чисел, с которыми оперирует ВМ;

• номенклатура, ёмкость и взаимодействие всех запоминающих устройств;

• номенклатура и технико-экономические характеристики внешних устройств хранения, обмена и ввода-вывода информации;

• типы и пропускная способность устройств связи и сопряжения узлов ВМ между собой (внутримашинные интерфейсы);

• способность ЭВМ работать одновременно с несколькими пользователями и выполнять одновременно несколько программ;

• типы и технико-эксплуатационные характеристики операционных систем;

• наличие и функциональные возможности установленного программного обеспечения;

• программная совместимость с другими ВМ (способность выполнять программы, написанные для других ВМ);

• возможность подключения ВМ к каналам связи;

• эксплуатационная надёжность ВМ;

• коэффициент полезного времени.

Следует отметить, что границы параметров ВМ и ВС весьма переменчивы. Более стабильны размеры машин разных классов. Так персональные компьютеры (микроЭВМ) размещаются на рабочем столе, малые ЭВМ занимаю часть небольшой комнаты, большие можно разместить в большом зале. СуперЭВМ представляют собой ВМ наивысшей производительности, достижимой в момент их производства.

Контрольные вопросы:

1. Что такое вычислительная машина?

2. Что такое вычислительная система?

3. Какое понятие носит более общий характер: "вычислительная машина" или "вычислительная система"? Почему?

4. Что такое функциональная организация вычислительной машины и вычислительной системы?

5. Что такое структурная организация вычислительной системы?

6. Что такое архитектура вычислительной машины?

7. Нулевое поколение вычислительных машин относится к 1937 – 1953 гг. Какие вычислительные средства относятся к этому поколению?

8. Первое поколение вычислительных машин относится к 1937 – 1953 гг. Какова элементная база вычислительных машин первого поколения?

9. Второе поколение вычислительных машин относится к 1954 – 1962 гг. Какова элементная база вычислительных машин второго поколения?

10. Третье поколение вычислительных машин относится к 1963 – 1972 гг. Какова элементная база вычислительных машин третьего поколения?

11. Четвёртое поколение вычислительных машин относится к 1972 – 1984 гг. Какова элементная база вычислительных машин четвёртого поколения?

12. Пятое поколение вычислительных машин относится к 1984 – 1990 гг. Какова элементная база вычислительных машин пятого поколения?

13. Шестое поколение вычислительных машин относится к 1990 и более поздним гг. Чем характерны вычислительные машины шестого поколения?

14. Вычислительные машины первого поколения строились на электронных лампах. Как Вы представляете себе устройство и принцип действия электронной лампы?

15. Начиная со второго поколения, в основе вычислительных машин лежит полупроводниковая техника. Как Вы представляете себе понятие "полупроводник" и его принцип действия?

16. Вычислительные машины второго поколения строились на дискретных электронных элементах. Что означает понятие "дискретные элементы" в данном контексте?

17. Третье поколение вычислительных машин строилось на интегральных схемах малой степени интеграции. Что такое интегральная схема малой степени интеграции?

18. Начиная с четвёртого поколения, основой вычислительных машин стали большие и сверхбольшие интегральные схемы. Что означают термины "большие интегральные схемы" и "сверхбольшие интегральные схемы"?

19. В вычислительных машинах разных поколений применялись следующие элементные базы: электронные лампы, дискретные полупроводниковые элементы, интегральные микросхемы малой, большой и сверхбольшой степени интеграции. Чем вызвана такая эволюция элементной базы? Ведь технология производства элементов вычислительных машин усложнялась и удорожалась.

20. В пятом поколении вычислительных машин появились много процессорные системы. С какой целью были введены многопроцессорные системы и каковы были возможности процессоров машин пятого поколения.

21. Шестое поколение вычислительных машин характеризуются массовым параллелелизмом обработки данных. Что означает термин "массовый параллелелизм обработки данных"? Какими средствами он обеспечивается?

22. Что такое вычислительные сети?

23. Какие преимущества и перспективы даёт широкая поддержка вычислительных сетей?

24. Огромный класс вычислительных машин нулевого поколения были основаны на одном и том же типе вычислительного механизма. Эти машины, в конце концов, получили названия арифмометра и вычислительной клавишной машины. Что было основой упомянутых вычислительных машин?

25. Дайте характеристику "аналитической машины" Бэббиджа.

26. До 1937 – 1939 гг. в арифмометрах, калькуляторах и клавишных вычислительных машинах применялись зубчатые колеса и ступенчатые валики. Какие элементы заменили их в последующие годы?

27. Какие вычислительные машины претендуют на почётное звание "Первый в мире компьютер"?

28. Назовите первые электронные вычислительные машины в России.

29. В машинах второго поколения отказались от запоминающих устройств на основе ртутных линий задержки. Какие типы запоминающих устройств появились в машинах второго и четвёртого поколений?

30. В машинах какого поколения появился процессор ввода-вывода?

31. На какой основе в машинах третьего поколения обеспечивалась параллельная обработка данных?

32. Как достигалось совмещение во времени работы центрального процессора и устройств ввода/вывода?

33. Что такое конвейеризация потоков команд и данных?

34. Что такое CISC и RISC архитектуры?

35. Что имеется в виду под векторными архитектурами машин четвёртого поколения?

36. В четвёртом поколении вычислительных машин появились термины "сервер" и "рабочая станция". Что означают эти термины?

37. Что такое распределённая память в машинах пятого поколения?

38. Что такое архитектура "гиперкуб" в машинах пятого поколения?

39. Что такое "архитектура с параллельным выполнением одной операции множеством процессоров"?

40. Что такое массовый параллелелизм (МРР) в машинах шестого поколения?

41. Что такое гетерогенные вычисления?

42. Что такое аналоговый и дискретный сигнал?

43. Объясните принцип действия аналоговой машины? Каковы её возможности, достоинства и недостатки?

44. Что такое цифровые машины?

45. Объясните классификацию вычислительных машин по функциональным возможностям.

46. Что такое универсальные многопользовательские микроЭВМ?

47. Что такое персональные микроЭВМ?

48. Что такое однопользовательские специализированные микроЭВМ?

49. Что такое многопользовательские специализированные микроЭВМ?