инфопособие2011
.pdf
Информатика |
33 |
|
|
протекать не будет, и на выходе с лампы будет логический ноль. Используя этот принцип, строились все логические элементы ламповых ЭВМ.
В ЭВМ первого поколения оперативная память выполнялась на триггерах, затем на ферритовых сердечниках (рис. 3.1 б), быстродействие 5- 30 тыс. арифметических операций в секунду.
а) Электронная лампа |
б) память на магнитных сердечниках |
Рисунок 3.1 Элементная база ЭВМ первого поколения
Память на магнитных сердечниках хранила данные в виде направления намагниченности небольших ферритовых колец. Каждое кольцо сохраняло 1 бит информации, а вся память представляла собой прямоугольную матрицу. Через кольца пропускались провода возбуждения. Аналогичные провода пропускались через кольца вдоль столбцов матрицы. Ток, проходящий через эти провода, устанавливал направление намагниченности колец. Таким образом, в каждом колечке могли храниться 1 или 0, в зависимости от направления намагниченности.
Для считывания данных с выбранного ферритового кольца, на него по проводам возбуждения подавались такие импульсы тока, что их сумма приводила к намагниченности кольца в определенном направлении, независимо от первоначального намагничивания.
При изменении намагниченности кольца в проводе считывания возникал индукционный ток. Измеряя его, можно было определить, насколько изменилось направление намагниченности в кольце, а, следовательно, узнать хранимое им значение. Как видите, процесс считывания уничтожал данные (также, как и в современной динамической памяти), поэтому после считывания было необходимо заново записать данные.
34 |
Глава 3. ПОКОЛЕНИЯ ЭВМ |
|
|
От программиста требовалось хорошее знание архитектуры ЭВМ и ее программных возможностей. Программирование осуществлялось в машинных кодах, позднее на ассемблере и автокоде.
Первые ЭВМ использовались в основном для научных расчетов. К машинам первого поколения относятся Leo (1951), DEDUCE (1954, Англия); ENIAC (1950), MARK-3, SWAC (1950), IAS, BINAC, UNIVAC (1951), MANIAC, WhirlWind-1, ORVAC, IBM-701 (1952 США); GAVVA-40
(1952, Франция); МЭСМ (1951), БЭСМ (1952), Минск-1, Урал-2, М-20 (СССР).
Машины первого поколения размещались в огромных залах (типа спортивных) (рис. 3.2). Тысячи электронных ламп быстро нагревали помещение, высокая температура снижала надежность ЭВМ. Отвод тепла стал одной из самых важных проблем организации эффективной работы машины. Поэтому возникла первостепенная задача замены электронных ламп другим более экономичным и меньших габаритов. Таким элементом оказался полупроводниковый элемент или транзистор.
Рисунок 3.2 ЭВМ ENIAC 1946 г.
Интересно, что (журнал«Наука и жизнь» №1, 2001 г.) фирмой IBM создан новый суперкомпьютер, который занимает площадь более двух баскетбольных площадок, однако, его производительность не сравнима с
Информатика |
35 |
|
|
производительностью первых ЭВМ – 12 миллиардов операций в секунду. Общая длина проводов, соединяющих его 8 192 процессора – 3 500 километров. Сегодняшние суперкомпьютеры занимают не меньше места
(рис. 3.4).
Рисунок 3.4 Суперкомпьютер BlueGene/L, построенный компанией IBM совместно с министерством энергетики США
Программное обеспечение ЭВМ первого поколения составляли программы, написанные в двоичной системе счисления. К концу этого периода появились мнемонические языки программирования – автокоды, ассемблеры, а в 1955 году первый язык программирования высокого уровня
– ФОРТРАН, Такой комплекс программ, который в настоящее время является необходимым не только для компьютеров всех видов, но и для средств связи (мобильные телефоны) – операционная система только начал разрабатываться. Поэтому программирование на ЭВМ первого поколение было уделом избранных, специально подготовленных математиковпрограммистов.
3.2 Второе поколение
Применение транзисторов(рис. 3.5) в вычислительной технике дало начало второму поколению (1959-1963 г.г.) компьютеров. На компьютерах с транзисторами начал действовать закон «10» - улучшение за десять лет всех характеристик компьютера примерно в десять и более раз. Второе поколение начинается с 1959 года, но иногда указывается 1955 год, год создания ЭВМ для межконтинентальной ракеты ATLAS, затем в 1959 году в США была
36 |
Глава 3. ПОКОЛЕНИЯ ЭВМ |
|
|
создана ЭВМ RCA-501. Новая технология повысила надежность и производительность машин, уменьшила их габариты и потребляемую мощность. Все это способствовало расширению сферы применения ЭВМ. ЭВМ стали участвовать в управлении технологическим процессами, решать экономические задачи и т.д. Со второго поколения ЭВМ стали делить на малые, средние и большие.
Переход на новую элементную базу оказался неизбежным, так как рост производительности и надежность ЭВМ первого поколения достигли своего максимума. Основные причины, приведшие к необходимости замены электронных ламп, были следующими:
1. Нить накаливания в электронных лампах со временем теряет свои эмиссионные свойства и перегорает. В среднем, срок службы лампы не превышал 10 000 часов. Таким образом, в ЭВМ, состоящей из 104 электронных ламп, в среднем, каждый час, выходила из строя одна электронная лампа. Столь низкие показатели надежности заставляли разработчиков применять сложные и дорогостоящие способы повышения надежности, что сильно сдерживали рост производительности ЭВМ. Для сравнения, транзисторы в то время имели срок службы, превосходящий срок службы электронных ламп в тысячи раз.
Рисунок 3.5 Транзисторы – элементная база компьютеров второго поколения
2. ЭВМ на электронных лампах требуют мощных источников питания, при этом почти 75% энергии растрачивается на тепловых потерях. Это,
Информатика |
37 |
|
|
в свою очередь, приводит к необходимости организации дорогостоящих и сложных систем охлаждения. Транзисторы потребляют на порядок меньше энергии и слабее греются.
3.Большие габариты электронных ламп. Самые миниатюрные радиолампы не позволяли в одном кубическом дециметре разместить более 1000 элементов, в то же время использование транзисторов позволяло на порядок увеличить плотность монтажа.
4.Радиолампы – это хрупкий элемент. Его установка требует осторожности и аккуратности, и с большим трудом поддается автоматизации.
Вто же время транзисторы гораздо более надежны и прочны, что позволяет легко автоматизировать процесс их производства и монтажа, а это приводит к снижению себестоимости транзисторов и ЭВМ в целом.
Таким образом, основой ЭВМ второго поколения стало использование новой элементной базы – полупроводниковых транзисторов (триодов),
составляющих основную часть конструкции ЭВМ.
К машинам второго поколения относятся: «Stretch», IBM-7090, LARC
(1960), TRADIC (США); Simens-2002 (ФРГ); Senac (Япония); ATLAS (1962,
Англия); РАЗДАН (1960), БЭСМ3М, 4М-220, М-222, серия «Мир», «Наири» (малые ЭВМ), Минск, Урал, БЭСМ3М, 4М-220 (средние ЭВМ) Днепр М-4000 (управляющие ЭВМ) (СССР).
Особо следует отметить БЭСМ-6 (1966), имеющую основную и промежуточную память объемами соответственно 128 Кбайт и 512 Кбайт, быстродействие 1 млн. о/с, которая по своим характеристикам может соперничать с машинами 3-го и 4-го поколения, работала она, по крайней мере, до середины 80-х годов XX века.
Кроме новой элементной базы и быстродействия, второе поколение характеризуется новыми архитектурными решениями и развитием технологии программирования. В ЭВМ второго поколения обеспечивается совмещение функциональных операций, они стали работать в режиме разделения времени. Реализовано совмещение центрального процессора по обработке данных и каналов ввода-вывода, а также распараллеливание операций выборки команд и данных из памяти. Созданы развитые макроассемблеры, повышающие уровень общения с ЭВМ. В ассемблерах впервые появляются средства раздельной компиляции и перемещаемости программ, которые явились первым шагом к виртуализации ресурсов и появления специальных промежуточных языков, а также новых системных программ-загрузчиков и компоновщиков.
Конец 50-х годов - это начало этапа автоматизации программирования.
В это время появляются языки CommercialTranslator, FACT, MathMathic, и
38 |
Глава 3. ПОКОЛЕНИЯ ЭВМ |
|
|
программно-ориентированные языки высокого уровня (ЯВУ): Fortran (1955), Algol-60, AKU-400 и др. Стали создаваться библиотеки стандартных программ на различных языках программирования и разного назначения. То есть появляется программное обеспечение (software), и становится ясно, что программный продукт должен стать неотъемлемой частью машины и должен поставляться пользователю вместе с аппаратной частью (hardware).
Вэто время были разработаны первые системы пакетной обработки, которые автоматизировали всю последовательность действий оператора по организации вычислительного процесса. Ранние системы пакетной обработки явились прообразом современных операционных систем, они стали первыми системными программами, предназначенными не для обработки данных, а для управления вычислительным процессом.
В1957 году компанией BellLabs была разработана операционная система BESYS (BellOperatingSystem). А в 1962 году была разработана компанией GeneralElectric операционная система GCOS (GeneralComprehensiveOperatingSystem), ориентированная для работы на Мейнфреймах.
Входе реализации систем пакетной обработки был разработан формализованный язык управления заданиями, с помощью которого программист сообщал системе и оператору, какие действия и в какой последовательности он хочет выполнить на вычислительной машине. Типовой набор директив обычно включал признак начала отдельной работы, вызов транслятора, вызов загрузчика, признаки начала и конца исходных данных.
Но по мере развития вычислительной техники, требующей все более и более компактных решений, полупроводниковые приборы стали тормозить процесс повышения эффективности машин. Компактность машины нужна не только для уменьшения объема, занимаемого ею, но и для повышения производительности ее процессора. Длинные проводники, связывающие полупроводниковые элементы, задерживали процесс распространения сигнала по схеме, и тем самым снижали ее быстродействие. На рисунке 3.6, в качестве примера, представлены фотографии первого суперкомпьютера Cray-1 (1974 г.)и его задней стенки. Для обеспечения производительности компьютера,проводники, которые соединяют более 1600 схемных плат центрального процессора, и, общее число которых, около 300 тысяч, подобраны по длине таким образом, чтобы сигналы проходили между любыми двумя точками за требуемый интервал времени с разбросом не более 1 нc. Рабочий цикл машины равен 12,5 нc.
Информатика |
39 |
|
|
3.3 Третье поколение
Быстрая схема должна быть микроскопических размеров. Так возникла мысль о микроэлектронном исполнении схем. Решила эту задачу микроэлектронная технология. Именно она породила третье поколение компьютеров(1964-1974 г.г)
а) |
б) |
Рисунок 3.6 а) суперкомпьютер Cray-1 и б) вид его задней стойки
В этом поколении элементную базу компьютеров образовали так называемые интегральные схемы. Замечательное отличие такой схемы заключается в том, что все ее элементы (транзисторы, резисторы конденсаторы) и соединения между ними создаются на небольшой пластине кристалла (обычно кремния) площадью порядка 1 см2(рис. 3.7). Технология, использующая процессы травления и напыления, позволяет создавать схемы с чрезвычайно мелкими элементами. Именно поэтому такие схемы и стали называть интегральными микросхемами. Именно эта технология определила дальнейшее развитие вычислительной техники и следующие поколения компьютеров.
Использование интегральных схем позволило получить ряд преимуществ:
1. Увеличилась надежность ЭВМ. Надежность интегральных схем – на порядок выше надежности аналогичных схем на дискретных
40 |
Глава 3. ПОКОЛЕНИЯ ЭВМ |
|
|
компонентах.Повышение надежности, в первую очередь, обусловлено уменьшением межсхемных соединений, являющихся одним из слабейших звеньев в конструкции ЭВМ. Повышение надежности, в свою очередь, привело к значительному снижению стоимости эксплуатации ЭВМ.
2. За счет повышения плотности упаковки электронных схем, уменьшилось время передачи сигнала по проводникам и, как следствие, увеличилось быстродействие ЭВМ.
3. Производство интегральных схем хорошо поддается автоматизации, что при серийном производстве резко уменьшает себестоимость производства и способствует популяризации и расширению области применения ЭВМ.
4. Высокая плотность упаковки электронных схем уменьшила на несколько порядков габариты, массу и потребляемую мощность ЭВМ, что позволило использовать их в недоступных до этого областях науки и техники, таких как авиация и космическая техника.
Рисунок 3.7 Интегральная схема вычислительного утройства
Информатика |
41 |
|
|
Появление интегральных схем позволило усовершенствовать структурную схему ЭВМ второго поколения. Так сильно связанные устройства управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) были объедены в единый блок, который стал называться процессором. Причем, в процессоре могло быть несколько арифметико-логических устройств, каждое из которых выполняло свою функцию, например, одно АЛУ было ориентированно на работу с целыми числами, другое – с числами с плавающей точкой, а третье – с адресами. Также могло быть несколько устройств управления, одно – центральное, и несколько – периферийных, используемых для управления отдельными блоками ЭВМ.
Часто ЭВМ состояли из нескольких процессоров, что позволяло максимально полно использовать открывшиеся перспективы в параллельном решении задач.
В ЭВМ третьего поколение уже четко выделяется иерархия памяти. ОЗУ делится на независимые блоки с собственными системами управления, работающие параллельно. Структура оперативной памяти делится на страницы и сегменты. Развивается и внутренняя память процессора – создаются предпосылки к вводу кэширования памяти.
Наряду с совершенствованием логических устройств и памяти, полным ходом шла модернизация устройств ввода-вывода. Быстродействие новых ЭВМ требовало более быстрой и надежной системы ввода-вывода данных, чем устройства чтения перфокарт и телетайпы. На смену им пришли клавиатуры, панели графического ввода, дисплеи со световым карандашом, плазменные панели, растровые графические системы и другие устройства.
Большое разнообразие периферийных устройств, их сравнительно большое быстродействие, необходимость отделить операции ввода-вывода от вычислительного процесса привело к созданию специализированного контроллера мультиплексного канала (КМК), позволившего процессорам работать параллельно с вводом-выводом данных.
Использование интегральных технологий значительно снизило стоимость ЭВМ, что незамедлительно привело к повышению спроса. Многие организации приобрели ЭВМ и успешно их эксплуатировали. Немаловажным фактором становится стремление к стандартизации и выпуску целых серий ЭВМ программно совместимых снизу вверх.
Возникает огромная потребность в прикладных программных продуктах, а так как рынок программного обеспечения еще не развит, и найти готовое, надежное и дешевое программное обеспечение практически невозможно, возникает гигантский рост популярности программирования и спроса на грамотных разработчиков программных продуктов. Каждое
42 |
Глава 3. ПОКОЛЕНИЯ ЭВМ |
|
|
предприятие стремится организовать свой штат программистов, возникает специализированные коллективы, занимающиеся разработкой программного обеспечения и стремящиеся занять кусочек еще неосвоенной ниши на арене быстро растущей компьютерной технологии.
Рынок программного обеспечения быстро развивается, создаются пакеты программ для решения типовых задач, проблемно-ориентированные программные языки и целые программные комплексы для управления работой ЭВМ, которые впоследствии получат название – операционные системы.
К концу 1960-х годов уже был создан целый ряд операционных систем, реализующий множество необходимых функций по управлению ЭВМ. Всего эксплуатировалось более сотни различных ОС.
Среди наиболее развитых операционных систем были:
OS/360, разработанная фирмой IBM в 1964 году для управления мейнфреймами;
MULTICS– одна из первых операционных систем с разделением времени исполнения программ;
UNIX, разработанная в 1969 году и, впоследствии, разросшаяся до целого семейства операционных систем, многие из которых являются одними из самых популярных на сегодняшний день.
Использование операционных систем упростило работу с ЭВМ и способствовало популяризации электронной вычислительной техники.
На фоне значительного роста интереса к электронной вычислительной техники в США, Европе, Японии и других странах, в СССР наблюдается спад прогресса в этой области науки в связи с тем, что в 1969 году Советский Союз заключил соглашение о сотрудничестве в разработке Единой системы ЭВМ, за образец которой была взята одна из лучших на тот момент ЭВМ – IBM/360. Ориентация СССР на зарубежные достижения в дальнейшем привела к значительному отставанию в области вычислительной техники
Ктретьему поколению относится серия машин IBM/360 выпускались
с1964 года и IBM/370 – относится уже к 3,5 поколению, а также серия PDP. В Англии фирмой ICL было выпущено семейств машин «System 4», в ФРГ машины серии 004 разработанные фирмой Siemens, в Японии фирмой HITACHI машины серии «Hytac-8000». Проблемам создания машин третьего поколения стали уделять большое внимание Голландия, Болгария, Венгрия,
Чехословакия, Польша, Куба. Страны СЭВ выпускали совместно с Советским Союзом машины серии «Ряд-1» и «Ряд-2» это ЕС-1010, ЕС1020,...1065 (выпускались с 1972 года) и машины серии СМ – малые ЭВМ,