1.1. Класифікація сучасних еом

За короткий термін обчислювальні машини зазнали значних змін в принципах схемної реалізації їхніх блоків та вузлів, областях застосування і способах спілкування людини з ЕОМ. Сьогодні в експлуатації знаходиться багато обчислювальних машин, що відрізняються продуктивністю, обсягом пам'яті, характером спеціалізації й універсальності. Різноманіття обчислювальної техніки вимагає відповідної її класифікації. Важко знайти деякий універсальний критерій, універсальну ознаку, по якій можна було б чітко розмежувати обчислювальну техніку. Тому існує багато підходів до класифікації ЕОМ, але найбільше часто використовується поняття покоління обчислювальної техніки.

Ось деякі визначення терміну «покоління комп'ютерів», взятих із 2-х джерел.

• Покоління обчислювальних машин - це сформований останнім часом розподіл обчислювальних машин на класи, обумовлений елементною базою і продуктивністю.(Паулін Г. Малий тлумачний словник з обчислювальної техніки : переклад з німецької М:. Енергія.) Покоління комп'ютерів - нестрога класифікація обчислювальних систем за рівнем розвитку апаратних і останнім часом - програмних засобів.( Тлумачний словник з обчислювальних систем: пер. з англ. М.: Машинобудування, 1990 ).

Твердження поняття приналежності комп'ютерів до того чи іншого покоління і поява самого терміна «покоління» відноситься до 1964 р., коли фірма IBM випустила серію комп'ютерів IBM / 360 на гібридних мікросхемах (монолітні інтегральні схеми в той час ще не випускалися в достатній кількості), назвавши цю серію комп'ютерами третього покоління. Відповідно попередні комп'ютери - на транзисторах і електронних лампах - комп'ютерами другого і першого поколінь. Надалі ця класифікація, що ввійшла у вживання, була розширена і з'явилися комп'ютери четвертого і п'ятого поколінь.

Для розуміння історії розвитку комп'ютерної техніки була введена класифікація яка має, принаймі, два аспекти:

• Перший - уся діяльність, пов'язана з комп'ютерами, до створення комп'ютерів ENIAC розглядалася як передісторія;

• Другий - розвиток комп'ютерної техніки визначався безпосередньо в термінах технології апаратури та схем.

Другий аспект підтверджує і головний конструктор фірми DEC, і один з винахідників міні-комп'ютерів Г.Белл, говорячи, що історія комп'ютерної індустрії майже завжди рухалася технологією.

Переходячи до оцінки і розгляду різних поколінь, необхідно, насамперед помітити, що оскільки процес створення комп'ютерів відбувався і відбувається безупинно ( у ньому беруть участь багато розроблювачів з багатьох країн, що мають справу з рішенням різних проблем), важко, а в деяких випадках і даремно, намагається точно встановити, коли те чи інше покоління починалося чи закінчувалося.

Критерії віднесення ЕОМ до визначеного покоління:

• елементна база;

• конструкторсько-технологічні особливості виготовлення;

• схемно-логічна організація;

• програмне забезпечення ЕОМ.

1.1.1. Покоління обчислювальних машин.

Елементна база є тим каталізатором, що визначає розвиток обчислювальної техніки від моменту її появи і дотепер.

В ЕОМ першого покоління основою служили вакуумні електронні лампи. Саме вони визначали габаритні розміри, масу, споживання енергії, швидкісні параметри і, що найважливіше, надійність обчислювальних машин. Кожна лампа займала до 50 см³ і більше обсягів машини, споживала до 5 Вт і більше електроенергії, служила не більш 500 год., вимагала складних прийомів і техніки для охолодження. Таких ламп в одній машині було більш ніж десять тисяч, що визначало велике енергоспоживання, низьку надійність, великі габаритні розміри і малі можливості. Необхідно відзначити, що кожен тип машини був унікальним по схемно-логічній організації, системі команд і ряду інших параметрів і характеристик. Програма, складена для рішення якої-небудь задачі на одному типі ЕОМ, не могла бути перенесена на обчислювальну машину іншого типу. Це був період інтенсивного пошуку ефективних рішень усіх проблем створення ЕОМ.

Проекти і реалізація машин «Марк-1», EDSAC і EDVAC в Англії і США , МЕСМ у СРСР заклали основу для розгортання робіт по створенню ЕОМ вакуумно-лампової технології - серійних ЕОМ першого покоління.

Розробка першої електронної серійної машини UNIVAC (Universal Automatic Computer) була розпочата приблизно в 1947 р. Эккертом та Маучлі, що заснували в грудні того ж року фірму ECKERT-MAUCHLI. Перший зразок машини ( UNIVAC-1 ) був побудований для бюро перепису США і запущений в експлуатацію навесні 1951 р. Синхронна, послідовної дії обчислювальна машина UNIVAC-1 створена на базі ЕОМ ENIAC і EDVAC. Працювала вона з тактовою частотою 2,25 Мгц і містила близько 5000 електронних ламп. Внутрішній запам'ятовуючий пристрій ємністю 1000 12-розрядних десяткових чисел було виконано на 100 ртутних лініях затримки.

Незабаром після введення в експлуатацію машини UNVIAC - 1 її розроблювачі висунули ідею автоматичного програмування. Вона зводилася до того, щоб машина сама могла підготувати таку послідовність команд, які потрібна для вирішення даної задачі.

П'ятидесяті роки - роки розквіту комп'ютерної техніки, роки значних досягнень і нововведень як в архітектурному, так і в науково-технічному відношенні. Відмінні риси в архітектурі сучасної ЕОМ у порівнянні з нейманівською архітектурою вперше з'явилися в ЕОМ першого покоління.

Сильним стримуючим фактором у роботі конструкторів ЕОМ початку 50-х років була відсутність швидкодіючої пам'яті. За словами одного з піонерів обчислювальної техніки - Д. Эккерта, архітектура машини визначається пам'яттю. Дослідники зосередили свої зусилля на запам'ятовуючих властивостях феритових кілець, нанизаних на дротові матриці.

У 1951 р. у 22 – му томі «Journal of Applid Phisics» Дж. Форрестер опублікував статті про застосування магнітних сердечників для збереження цифрової інформації. У машині «Whirlwind - 1» уперше була застосована пам'ять на магніті. Вона являла собою 2 куби з розмірами 32 32 17 сердечниками, що забезпечували збереження 2048 слів для 16 - розрядних двійкових чисел з одним розрядом контролю на парність.

У розробку електронних комп'ютерів включилася фірма IBM. У 1952 р. вона випустила свій перший промисловий електронний комп'ютер IBM 701, що являв собою синхронну ЕОМ рівнобіжної дії, що містить 4000 електронних ламп і 12000 германієвих діодів. Удосконалений варіант машини IBM 704 відрізнявся високою швидкістю роботи, у ньому використовувалися індексні регістри і дані представлялися у формі з плаваючою комою.

Після ЕОМ IBM 704 була випущена машина IBM 709, що в архітектурному плані наближалася до машин другого і третього поколінь. У цій машині вперше була застосована непряма адресація і вперше з'явилися канали вводу- виводу.

У 1956 р. фірмою IBM були розроблені магнітні голівки на повітряній подушці. Цей винахід дозволив створити новий тип пам'яті - дискові ЗП, вагомість якого була повною мірою оцінена в наступні десятиліття розвитку обчислювальної техніки. Перші ЗП на дисках з'явилися в машинах IBM 305 і RAMAC.

Остання мала пакет, що складався із 50 металевих дисків з магнітним покриттям, що оберталися зі швидкістю 12000 об / хв. На поверхні диска розміщалося 100 доріжок для запису даних, по 10000 знаків кожна.

Слідом за першим серійним комп'ютером UNIVAC-1 фірма Remington-Rand у 1952 р. випустила ЕОМ UNIVAC-1103, що працювала в 50 разів швидше. Пізніше в комп'ютері UNIVAC-1103 уперше були застосовані програмні переривання.

Співробітники фірми Remington - Rand використовували алгебраїчну форму запису алгоритмів за назвою «Short Cocle» (перший інтерпретатор, створений у 1949 р. Джоном Маучлі). Крім того, необхідно відзначити офіцера ВМФ США і керівника групи програмістів, у той час капітана ( надалі єдина жінка у ВМФ – адмірал ) Грейс Хопер, що розробила першу программу-компілятор А-О. (До речі, термін «компілятор» уперше ввела Г. Хопер у 1951 р.). Ця програма-компілятор робила трансляцію на машинну мову всієї програми, записаної в зручній для обробки алгебраїчній формі.

Фірма IBM також зробила перші кроки в області автоматизації програмування, створивши в 1953 р. для машини IBM 701 «Систему швидкого кодування». У СРСР А. А. Ляпунов запропонував одну з перших мов програмування. У 1957 р. група під керівництвом Д. Бекуса завершила роботу над популярною першою мовою, що стала в наслідку мовою програмування високого рівня, яка отримала назву ФОРТРАН. Мова, реалізована вперше на ЕОМ IBM 704, сприяла розширенню сфери застосування комп'ютерів.

У Великобританії в липні 1951 р. на конференції в Манчестерському університеті. М. Уілкс зачитав доповідь «Найкращий метод конструювання автоматичної машини», що став піонерською роботою по основах мікропрограмування. Запропонований ним метод проектування пристроїв керування знайшов широке застосування.

Свою ідею мікропрограмування М. Уілкс реалізував у 1957 р. при створенні машини EDSAC-2. М. Уілкс разом з Д. Уіллером і С. Гіллям у 1951 р. написали перший підручник з програмування «Складання програм для електронних рахункових машин» (російський переклад - 1953 р.).

У 1951 р. фірмою Ferranti почато серійний випуск машини «Марк-1». А через 5 років фірма Ferranti випустила ЕОМ «Pegasus», у якій уперше знайшла втілення концепція регістрів загального призначення (РЗП). З появою РЗП усунуте розходження між індексними регістрами й акумуляторами, і в розпорядженні програміста виявився не один, а кілька регістрів - акумуляторів.

У СРСР в 1948 р. проблеми розвитку обчислювальної техніки стають загальнодержавним завданням. Розгорнулися роботи зі створення серійних ЕОМ першого покоління.

У 1950 р. в Інституті точної механіки й обчислювальної техніки (ІТМ і ОТ) був організований відділ цифрових ЕОМ для розробки і створення великих ЕОМ. У 1951 р. тут була спроектована машина ВЕРМ (Велика Електронна Рахункова Машина), а в 1952 р. почалася її пробна експлуатація.

У проекті спочатку передбачалося застосувати пам'ять на трубках Вільямса, але до 1955 р. як елементи пам'яті в ній використовувалися ртутні лінії затримки. По тим часам ВЕРМ була дуже продуктивною машиною - 800 оп / с. Вона мала триадресну систему команд, а для спрощення програмування широко застосовувався метод стандартних програм, що надалі поклав початок модульному програмуванню, пакетам прикладних програм. Серійно машина стала випускатися в 1956 р. за назвою ВЕРМ - 2.

У цей же період у КБ, керованому М. А. Лесечко, почалося проектування іншої ЕОМ, що одержало назву «Стріла». Освоювати серійне виробництво цієї машини було доручено московському заводу САМ. Головним конструктором став Ю. А. Базилевський, а одним з його помічників - Б. И. Рамеєв, надалі конструктор серії «Урал». Проблеми серійного виробництва визначили деякі особливості «Стріли»: невисока в порівнянні з ВЕРМ швидкодія, просторий монтаж і т.д. У машині, як зовнішня пам'ять застосовувалися 45 – стежкові магнітні стрічки, а оперативна пам'ять - на трубках Вільямса. «Стріла» мала велику розрядність і зручну систему команд.

Перша ЕОМ «Стріла» була встановлена у відділенні прикладної математики Математичного інституту АН (МІАН), а наприкінці 1953 р. почалося серійне її виробництво.

У лабораторії електросхем енергетичного інституту під керівництвом И. С. Брука в 1951 р. побудували макет невеликих ЕОМ першого покоління за назвою М-1.

У наступному році тут була створена обчислювальна машина М-2, що поклала початок створенню економічних машин середнього класу. Одним з ведучих розроблювачів даної машини був М. А. Карцев, що вніс згодом великий внесок у розвиток вітчизняної обчислювальної техніки. У машині М-2 використовувалися 1879 ламп, менше, ніж у «Стрілі», а середня продуктивність складала 2000 оп/с. Були задіяні 3 типи пам'яті: електростатична на 34 трубках Вільямса, на магнітному барабані і на магнітній стрічці з використанням звичайного для того часу магнітофона МАГ - 8.

У 1955 - 1956 р.р. колектив лабораторії випустив малу ЕОМ М-3 зі швидкодією 30 оп/с і оперативною пам'яттю на магнітному барабані. Особливість М-3 полягала втому, що для центрального пристрою керування був використаний асинхронний принцип роботи. Необхідно відзначити, що в 1956 р. колектив І. С. Брука відділився від складу енергетичного інституту й утворив Лабораторію керуючих машин і систем, що стала згодом Інститутом електронних керуючих машин (ІЕКМ)

Ще одна розробка малої обчислювальної машини за назвою «Урал» була закінчена в 1954 р. колективом співробітників під керівництвом Рамеєва. Ця машина стала родоначальником цілого сімейства «Уралів», остання серія яких («Урал -16»), була випущена в 1967 р. Простота машини, вдала конструкція, невисока собівартість обумовили її широке застосування.

У 1955р. був створений Обчислювальний центр Академії наук, призначений для ведення наукової праці в області машинної математики і для надання відкритого обчислювального обслуговування іншим організаціям Академії.

В другій половині 50-х років у СРСР було випущено ще 8 типів машин по вакуумно - ламповій технології. З них найбільш вдалою була ЕОМ М-20, створена під керівництвом С. А. Лебедєва, що у 1954 р. очолив ІТМ і ОТ.

Машина відрізнялася високою продуктивністю ( 20 тис. оп/с), що було досягнуто використанням досконалої елементної бази і відповідної функціонально-структурної організації. Як відзначають А. И. Єршов і М. Р. Шура - Бура, ця солідна основа покладала велику відповідальність на розроблювачів, оскільки машина, а більш точно її архітектура, мала втілитися в декількох великих серіях (М - 20, ВЕРМ -3М, ВЕРМ-4, М-220, М-222). Серійний випуск ЕОМ М-20 був початий у 1959 р.

У 1958 р. під керівництвом В. М. Глушкова ( 1923 - 1982) в Інституті кібернетики АН України була створена обчислювальна машина «Київ», що мав продуктивність 6-10 тис. оп/с. ЕОМ «Київ» вперше в нашій країні використовувалася для дистанційного керування технологічними процесами.

У той же час у Мінську під керівництвом Г. П. Лопато і В. В. Пржиялковського почалися роботи зі створення першої машини відомого надалі сімейства «Мінськ- 1». Вона випускалася мінським заводом обчислювальних машин у різних модифікаціях: « Мінськ - 1», «Мінськ - 11», «Мінськ - 12», «Мінськ - 14». Машина широко використовувалася в обчислювальних центрах нашої країни. Середня продуктивність машини складала 2-3 тис. оп/с.

При розгляді техніки комп'ютерів першого покоління, необхідно особливо зупинитися на одному з пристроїв уведення-виводу. З початку появи перших комп'ютерів з^’явилося протиріччя між високою швидкодією центральних пристроїв і низкою швидкістю роботи зовнішніх пристроїв. Крім того, виявилася недосконалість і незручність цих пристроїв.

Першим носієм даних у комп'ютерах, як відомо, була перфокарта. Потім з'явилися перфораційні паперові стрічки або просто перфострічки. Вони прийшли з телеграфної техніки після того, як на початку XIX в. батько і син з Чикаго Чарлз і Говард Крами винайшли телетайп. Перфострічки стали заміняти перфокарти в табуляторах, а потім у перших комп'ютерах - у релейних машинах Д. Штибтця і Г. Айкена, в англійських машинах «Колос» із Блетчи - Парку й ін.

У 1948 р. американські дослідники Дж. Бардін і У.Браттен, вивчаючи підсилювальні властивості кристалічного детектора, виявлені в 1922 р. співробітником Нижегородської радіолабораторії Лосєвим О.В., відкрили транзисторний ефект. Це дало могутню зброю в руки фахівців в області радіоелектроніки й обчислювальної техніки. Адже один транзистор займав менш 1 см ³ обсягу машини, споживав менше 0,1 Вт електроенергії, служив десятки тисяч годин.

З'явилося друге покоління ЕОМ. Істотно змінилася технологія виготовлення вузлів ЕОМ, оскільки з'явився друкований монтаж. Це дозволило різко зменшити габаритні розміри всієї машини, підвищити надійність, поліпшити ряд інших експлуатаційних показників. Наприклад, швидкодія зросла з 35 до 50100 тис. операцій у секунду, а ЕОМ БЕСМ-6, що експлуатувалася довго, виявилася найбільш ефективною і могутньою із всіх ЕОМ другого покоління. Її швидкодія складала мільйон операцій у секунду. Такі показники були досягнуті не стільки завдяки новій елементній базі, скільки схемно-логічній побудові вузлів, блоків і всієї системи. Цей етап розвитку вітчизняної обчислювальної техніки прославлений ЦОМ серії «Мир», єдиної, котра була продана розвинутій капіталістичній країні.

Третє покоління ЕОМ будувалося на інтегральних схемах, що представляли собою неподільний монолітний виріб, що виконував складні функції в складі різних блоків і вузлів ЕОМ. На одному кристалі формувалася складна електронна схема, що містила сотні і тисячі транзисторів. Кардинально змінився технологічний процес виготовлення обчислювальної машини. На платі групувалися не окремі активні і пасивні елементи (транзистори, резистори і т.п.), а цілі вузли, що реалізують складні функції. Безумовно, це важливо для підвищення якості і надійності апаратури. Але до цього часу істотно змінилися схемно-логічна організація ЕОМ, принципи програмного забезпечення і багато чого іншого.

На жаль, цей етап розвитку обчислювальної техніки виявився початком постійно зростаючого відставання вітчизняних розробок. Ряд суб'єктивних факторів призвів до того, що в СРСР пішли по шляху копіювання закордонних зразків ЕОМ, першою з який була IBM-360. На сліпе повторення цієї машини пішло близько п'яти років. Була отримана нова елементна база - мікросхеми серії ДО-155 (аналог Intel, але набагато менш надійні) і перша машина із серії ЄС.

У надрах третього покоління зародилося четверте. Для його реалізації були створені нові інтегральні схеми. Якщо до 1975 р. ступінь інтеграції досяг 10⁴ компонентів на кристал, то до 1985 р. - більш 10⁶. Істотно змінювалися й експлуатаційні показники. Для ЕОМ третього покоління характерні швидкості обробки інформації в сотні тисяч і мільйони операцій у секунду, а для четвертого - десятки мільйонів. Окремі комплекси дозволили досягти сотень мільйонів операцій у секунду. Сьогодні йде інтенсивне дослідницьке й експериментальне пророблення варіантів ЕОМ наступних поколінь.

Розвиток обчислювальної техніки з моменту її появи послідовно і цілеспрямовано орієнтувався на підвищення продуктивності при виконанні чисельних розрахунків. Комп'ютери мали істотно обмежені можливості введення і відображення даних, що, у свою чергу, стримувало їхнє поширення і створювало значні незручності користувачу.

ЕОМ п'ятого покоління орієнтовані на значне спрощення процесу взаємодії з не підготовленим користувачем. Вирішення задачі при цьому буде відбуватися без попередньої розробки алгоритму і реалізації програми.

Чого чекає суспільство від ЕОМ наступного століття?

В наступні роки, коли передбачається широке поширення ЕОМ п'ятого покоління, системи обробки інформації стануть найважливішим структуроутворюючим фактором життя суспільства, охоплюючи економіку, мистецтво, науку, керування, міжнародні відносини, утворення, культуру і т.д. Системи обробки інформації повинні будуть задовольняти і ті нові потреби, що виникнуть у зв'язку зі змінами в навколишнім середовищі. Ці системи покликані не тільки зіграти активну роль у вирішенні очікуваних соціальних ускладнень, але і сприяти прогресу суспільства в найбільш бажаному напрямку, що, в свою чергу, дозволить повніше використовувати їхні перспективні можливості.