ЛЕКЦИЯ №1

Задачи и содержание курса. Определение схемотехники ЭВМ. Краткая история развития схемотехнической базы ЭВМ.

План:

1. Задачи и содержание курса.

2. Понятие схемотехники ЭВМ.

3. Краткая история развития схемотехнической базы ЭВМ.

Ключевые слова:

ЭВМ, устройство, узел, элементы, электро-радиоэлементы, вычислительная система (ВС), элементная база ЭВМ, поколения ЭВМ, интегральная схема, схемотехника ЭВМ, большие интегральные схемы (БИС).

Современные ЭВМ строятся на типовых электронных схемах, изучение которых предусматривается в отдельном курсе «Схемотехника».

Задачей курса «Схемотехника» является изучение схемотехнической базы современных компьютеров.

В результате изучения студенты должны знать:

• номенклатуру, характеристики и функциональное назначение ИС, выпускаемых промышленностью для ЭВМ и АЦВС.

• овладеть основными методами проектирования схем на основе матричных БИС.

• уметь проектировать на основе ИС комбинационные и последовательностные схемы.

• иметь навыки измерения параметров, наладки и испытания устройств на основе ИС.

Как известно, любая вычислительная система (ВС), и в том числе электронная вычислительная машина (ЭВМ) состоит из устройств, которые предназначены для приема, временного хранения, обработки и выдачи информации.

В число основных устройств ЭВМ входят: процессор, память, устройство управления, устройства ввода-вывода.

В свою очередь устройства строятся на основе типовых узлов (регистров, счетчиков, дешифраторов и т.п.), а те состоят из элементов (логических, триггеров и т.п.). Элементы составляют элементарную базу компьютера и состоят из электрорадиоэлементов (транзистор, диод, триод и т.п.). В курсе «Схемотехника» изучаются элементы и узлы ЭВМ.

Ступени развития схемотехнической базы и определили поколения ЭВМ.

Первой работающей универсальной ВМ была спроектированная в 1942 г. Релейно-механическая машина «МАРК-1» (США). Однако, ее надежность, надежность работы электромагнитных реле не оправдала надежд ее создателей.

Первой ЭВМ была ЭНИАК (США, 1946), в которой было использовано 18 тысяч электронных ламп и 1500 электромеханических реле. Потребляемая мощность этой ЭВМ составляла 150кВТ.

Электронные лампы стали элементной базой машин первого поколения, основной схемой которых явился симметричный триггер на лампах. К числу машин первого поколения можно отнести МЭСМ (СССР, 1951), БЭСМ (1952) «СТРЕЛА» (1953), машины серии «УРАЛ». Наиболее совершенной ЭВМ первого поколения была машина М-20, которая обладала быстродействием 20 тыс. опер./сек.

С появлением в середине 50-х годов транзисторов на схему ЭВМ первого поколения пришли ЭВМ второго поколения, построенные на полупроводниковых приборах.

Полупроводниковая схемотехника позволила создать новые элементы и ВМ с меньшей мощностью потребления энергии и превосходящих ламповых ЭВМ по быстродействию и надежности. Повышения быстродействия достигалось за счет повышения скорости переключения элементов и изменений в структуре машины.

В СССР были разработаны полупроводниковые ЭВМ различного назначения:

– малые ЭВМ серий «Каири», «Мир», Проминь»;

– средние ЭВМ (5-30 тыс. опр/сек) типа Минск-22, Минск-32, Раздан-2, Раздан-3, БЭСМ-4, М-220.

Почти для всех ЭВМ второго поколения было характерно применнеие индивидуальной системы элементов а также параллелизация в работе отдельных блоков, что позволило значительно повысить быстродействие машин по сравнению с ЭВМ первого поколения.

В конце 50-х годов во всем мире началась работа по микроминиатюризации элементов и электронной аппаратуры в целом. Вначале работы велись в направлении уменьшения размеров электронных компонент и усовершенствования методов сборки элементов. Значительным успехом в этом направлении было создание микромодульных конструкций. При этом плотность компоновки возросла в 5-8 раз, однако надежность возрасла ненамного, а стоимость практически не изменилась.

В начале 60-х годов возникло новое направление в электронике - интегральная электроника, занимающаяся созданием функциональных элементов РЭП в виде интегральных схем (ИС).

Использование ИС в качестве элементов ЭВМ привело не только к уменьшению массы и габаритных размеров в целом, но и улучшились все остальные параметры: надежность, быстродействие, стоимость и т.д. Таким образом использование ИС для построения ЭВМ стала революцией в ВТ и способствовало появлению третьего поколения ЭВМ.

Основные отличия ЭВМ третьего поколения от предыдущих:

ЭВМ третьего поколения оперируют произвольной буквенно-цифровой информацией. В ней фактически соединилось два направления предыдущих поколения ЭВМ: ЭВМ для делового и коммерческого применения с обработкой алфавитной информации и ЭВМ для научных учереждений с обработкой цифровой информации.

Изменился порядок работы ЭВМ третьего поколения - эти машины построены по принципу независимой параллельной работы различных их устройств. Независимую работу обеспечивают каналы (мультиплексныеи селекторные), управляемые специальными устройствами, куда поступает информация от пользователей ЭВМ.

Типичные представители ЭВМ третьего поколения - машин единой системы (ЕС ЭВМ). Их созданы совместными усилиями ученых и специалистов НРБ, ВНР, ГДР, СССР, ПНР, ЧССР. Промышленный выпуск начат в 1972 году. Их быстродействие было около 6 млн. опр/сек.

Машины четвертого поколения создаются на основе БИС.

В одной такой схеме объемом в доли кубического сантиметра размещается блок, занимавший в ЭВМ первого поколения целый шкаф. В результате достигнуто существенное повышение производительности ЭВМ. Если в машинах третьего поколения быстродействие достигает 20-30 млн. опер/сек, то в машинах четвертого поколения - сотни млн. опер/сек. Соответственно возрастает и объем внешней памяти до сотни Терабайт.

Производительность ВС повышается двумя путями:

– развитие элементной базы;

– развитие архитектуры.

Если в первом направлении практически достигнут предел (скорость переключения ограничивается скоростью света), то во втором направлении имеются большие резервы, которые открываются в связи с параллельной обработкой информации.

Системы пятого поколения в структурном аспекте будут отличаться именно применением таких параллельных структур.

Второй отличительной особенностью ВС пятого поколения будет способность производить не только числовые расчеты, но и обработку смысловой информации с выполнением операций анализа и вывода. Необходимость в таких ситемах определяется расширением областей применнения ЭВМ в таких нетрадиционных областях, как образование, медицина, услуги населению.

Третьей особенностью ВС пятого поколения станет элементная база. Это будут не только СБИС, но и созданные на их основе ЭВМ, имеющие некоторое сходство по структуре с человеческим интеллектом, а также оптоэлектроника с использованием когерентного излучения.

Перспективно также параллельное преобразование информации, представленной в виде голограмм и соответствующих вычислительных сред.

Связь между основными параметрами схемотехники и поколениями ЭВМ.

Признак, параметр	Поколения
	I (1946-1955г.г.)	II (1955-1965г.г.)	III (1965-1970г.г.)	IV (1970-1980г.г.)	V (с 1980г.)
Основные элеметы	реле, лампы	п/п приборы	ИС	БИС	СБИС
Быстродействие задержка/эл.	1 мс	1 мкс	10 нс	1 нс	< 1 нс
Плотность	0,1	2-3	10-20	1000	> 10000

Вопросы для контроля:

1. Что является задачей курса «Схемотехника»?

2. Что изучается в курсе «Схемотехника»?

3. Каковы основные этапы развития схемотехники ЭВМ?

4. Чем отличаются ЭВМ III и IV поколений от машин II поколения?

5. Каковы основные параметры различных поколений ЭВМ?

Литература:

1. Угрюмов Е.П. Проектирование элементов и узлов ЭВМ – М.; Высш.шк., 1987, с.3-5.

2. Схемотехника ЭВМ. Учебник для ВУЗов под редакцией Соловьева Г.Н. – М.; Высш.шк., 1985, с.3-8.