Информатика_140800 / 2011-2012-учебный год / 1_семестр / Сам_изуч / Эволюция ЭВМ

1 Эволюция ЭВМ

Механические вычислительные машины

Первая счетная машина с хранимой программой была построена французским ученым Блезом Паскалем в 1642 г. Она была механической с ручным приводом и могла выполнять операции сложения и вычитания.

В 1672 г. Готфрид Лейбниц построил механическую машину, которая могла делать также операции умножения и деления.

Впервые машину, работающую по программе, разработал в 1834 г. английский ученый Чарльз Беббидж. Она содержала запоминающее устройство, вычислительное устройство, устройство ввода с перфокарты и печатающее устройство. Все устройства машины Беббиджа, включая память, были механическими и содержали тысячи шестеренок, при изготовлении которых требовалась точность недоступная в XIX в. Машина реализовывала любые программы, записанные на перфокарте, поэтому впервые для написания таких программ потребовался программист. Первым программистом была англичанка Ада Ловлейс, в честь которой уже в наше время был назван язык программирования Ada.

В начале XIX века компьютером называлась профессия человека занимающегося расчетами, вычислениями.

Электронные вычислительные машины

В развитии ЭВМ выделяют пять поколений.

Под поколением понимают все типы и модели ЭВМ, разработанные различными конструкторско-техническими коллективами, но построенных на одних и тех же научных и технических принципах.

Появление каждого нового поколения определялось тем, что появлялись новые базовые элементы, технология изготовления которых принципиально отличалась от предыдущего поколения.

Первое поколение. (1946 – середина 50-х гг.). В 1943 г. профессор Гарвардского университета Эйкен создал вычислительную перфорационную машину «Марк -1» на электромагнитных реле. В 1946 г. была создана ламповая вычислительная машина учеными Пенсильванского университета под руководством Джона Моучли ENIAC (Electronic Numeral Integrator And Computer – электронный числовой интегратор и компьютер), которая содержала 18 900 ламп, потребляла 150 кВт электроэнергии и выполняла 5 тыс. операций сложения в секунду. Так появились компьютеры первого поколения.

Особенности:

- элементная база электронно-вакуумные лампы;

- габариты – в виде шкафов и занимали машинные залы;

- программирование осуществлялось в машинных командах, а отладка за пультом управления;

- данные вводились с помощью перфокарт и магнитных лент с хранимыми программами;

- быстродействие – 10 – 100 тыс. оп./с.;

Они были очень громоздки и применялись в основном в крупных научных центрах.

Основоположником отечественной вычислительной техники стал электротехник Сергей Лебедев. Под его руководством в 1950 г. была создана самая быстродействующая малая электронная машина.

Второе поколение (средина 50 – середина 60 г.г.). В 1949 г. американские физики Уолтер Браттейн и Джон Бардин изобрели транзистор, а в 1954 г. Гордон Тил применил кремний для изготовления транзистора. Транзисторы заменили электронные лампы и с 1955 г. стали выпускаться компьютеры на транзисторах, это стали компьютеры второго поколения.

Особенности:

• элементная база – транзисторы;

• габариты – однотипные стойки, требующие машинный зал;

• быстродействие – сотни тысяч – 1 млн. оп./с;

• понижено энергопотребление;

• повысилась надежность;

• появилась память на магнитных дисках;

• появились первые операционные системы;

• программирование осуществлялось с использованием языков высокого уровня (фортран, бейсик, алгол и д.р.);

• структура эвм – микропрограммный способ управления;

• эксплуатация – упростилась.

Наивысшим достижением отечественной вычислительной техники созданной коллективом С.А. Лебедева явилась разработка в 1966 году полупроводниковой ЭВМ БЭСМ-6 с производительностью 1 млн. операций в секунду.

Машинам второго поколения была свойственна программная несовместимость, которая затрудняла организацию крупных информационных систем. Поэтому в середине 60-х годов наметился переход к созданию компьютеров, программно совместимых и построенных на микроэлектронной технологической базе.

Третье поколение (60 – 70 г.г.). В 1958 г. Джек Килби изобрел первую интегральную схему, а Роберт Нойс – первую промышленную интегральную схему (Chip).

ИС - это кремниевый кристалл, площадь которого примерно 10 мм². Одна интегральная система способна заменить десятки тысяч транзисторов. Один кристалл выполняет такую же работу, как и 30-ти тонный “Эниак”. В 1964 году, фирма IBM объявила о создании шести моделей семейства IBM 360 (System 360), ставших первыми компьютерами третьего поколения. Особенности:

• элементная база – интегральные схемы, большие интегральные схемы (ИС, БИС);

• габариты – однотипные стойки, требующие машинный зал;

• единая архитектура, то есть программно совместимые;

• быстродействие – сотни тысяч – миллионы оп./с;

• эксплуатация – оперативно производится ремонт;

• программирование – подобен II поколению;

• обладают возможностями мультипрограммирования, т.е. одновременного выполнения нескольких программ;

• структура ЭВМ – принцип модульности и магистральности;

• появились дисплеи, магнитные диски;

• задачи управления памятью, устройствами и ресурсами стала брать на себя операционная система или же непосредственно сама машина.

Примеры машин третьего поколения — семейства IBM-360, IBM-370, ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ) и др. Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Ёмкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов. В конце 60-х появились мини-компьютеры.

Четвертое поколение (70 – по н/в) В 1971 г. был создан первый микропроцессор Intel 4004. Он состоял из 2300 транзисторов на площади 15 мм кв. и с тактовой частотой 108 КГц мог выполнять 45 различных команд и обладал такой вычислительной мощью как первый электронный компьютер, занимавший целую комнату.

В середине 70-х гг. были разработаны компьютеры четвертого поколения на больших и сверх больших ИС (до миллиона компонентов на кристалл). Также появились первые персональные компьютеры. В 1974 г. на основе процессора Intel 8080 был создан первый такой компьютер MITS Altair 8800. В 1977 г. компания Apple выпустила свой компьютер Apple II с графическими возможностями, цветным монитором и звуком. И наконец, 1981 г. появился компьютер IBM PC. Он был на базе процессора Intel 8088 c тактовой частотой 4,77 МГц, работающий под управлением операционной системы PC Dos 1.0, лицензия на которую принадлежала Биллу Гейтсу. Базовая цена 1565 долларов. Удачная конструкция этого компьютера стала использоваться в качестве стандарта ПК в конце XX века.

Быстродействие таких машин составляет тысячи миллионов операций в секунду. В таких машинах одновременно выполняются несколько команд над несколькими наборами операндов. С точки зрения структуры машины этого поколения представляют собой многопроцессорные и многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних устройств. Ёмкость оперативной памяти порядка 1 - 64 Мбайт.

Пятое поколение. В настоящее время ведутся работы по созданию ЭВМ пятого поколения. Программа разработки, таких ЭВМ была принята в Японии в 1982 г.

Разработка новых поколений компьютеров производится на основе БИС повышенной степени интеграции, использование оптоэлектронных принципов (лазеры, голография). Развитие идет также по пути "интеллектуализации" компьютеров, устранения барьера между человеком и компьютером. Компьютеры будут способны воспринимать информацию с рукописного или печатного текстов, человеческого голоса, с бланков, узнавать пользователя по голосу, осуществлять перевод с одного языка на другой.

В компьютерах пятого поколения произойдет качественный переход от обработки данных к обработке знаний.

Архитектура компьютера будущего поколения будет содержать два основных блока. Один из них - это традиционный компьютер, но теперь он лишен связи с пользователем. Эту связь осуществляет блок так называемый интеллектуальный интерфейс. Эго задача - понять текст, написанный на естественном языке и содержащий условие задачи, и перевести его в работающую программу компьютера.

Будет также решаться проблема децентрализации вычислений с помощью компьютерных сетей, как больших, находящихся на значительном расстоянии друг от друга, так и миниатюрных компьютеров, размещенных на одном кристалле полупроводника. Обработка знаний - использование и обработка компьютером знаний, которыми владеет человек для решения проблем и принятия решений.