Лекция 1 Поколения ЭВМ
учебно-методическое пособие

Лекция 1. Поколения средств вычислительной техники

В истории развития вычислительной техники можно выделить четыре периода: домеханический, механический, электромеханический и электронно-вычислительный.

В Домеханический период создавалась не вычислительная техника, а счетные устройства, древнейшими из которых являются разного вида счеты.

Началом механического периода можно считать 1623г., когда была описана и реализована в единственном экземпляре механическая счетная машина, предназначавшаяся для выполнения четырех арифметических операций с 6-разрядными числами.

Электромеханический период развития вычислительной техники (ВТ) обусловлен развитием прикладной электротехники, позволившей создавать электромеханические вычислительные устройства.

Электронно-вычислительный период связан с развитием электроники и микроэлектроники и начинается созданием в США в 1946 г. Первой ЭВМ – машины ENIAC.

В 1938 г. Конрад Цузе (Германия) в домашних условиях собрал электромеханическую машину Z1 с программным управлением, клавиатурой для ввода задач, памятью на 64 числа и панелью с лампочками, на которой высвечивался результат вычислений. Она могла обрабатывать 22-разрядные двоичные числа с плавающей запятой. В следующей модели Z2 использовался вывод информации на перфоленту.

В 1941 г. К. Цузе создал третью модель — Z3, основанную на электромеханических реле и работавшую в двоичной системе счисления. Машина Z3 состояла из 600 реле счетного устройства и 2 000 реле устройства памяти. Она механически последовательно, шаг за шагом, считывала программу и производила 15 … 20 вычислительных операций в секунду.

Идеи создания вычислительных машин с применением электронных устройств возникли в конце 1930-х — начале 1940-х гг. независимо друг от друга в различных странах.

В 1937 г. Джон Атанасов (США) начал разработку специализированной вычислительной машины, впервые в мире применив электронные лампы в количестве 300 шт.

К 1943 г. при участии Алана Тьюринга в Великобритании была создана вычислительная машина «Колосс» с использованием 2 000 электронных ламп. Работы А. Тьюринга были секретными — впервые в мире машина была успешно применена для расшифровки радиограмм военного командования фашисткой Германии, засекречивание которых производилось на автоматической аппаратуре «Энигма», имеющей значительную стойкость к декодированию.

На основе описания аналитической машины Ч. Бэббиджа в 1944 г. в США была построена машина «Марк-1» на электромеханических реле, которая программировалась при помощи бумажной перфоленты.

Машина имела длину 15,3 м, высоту 2,4 м, массу около 35 т, длину проводов — более 800 км, количество соединений — более 3 млн. Она оперировала десятичными числами длиной до 23 разрядов; время перемножения чисел составляло 4 с. Машина «Марк-1» применялась военно-морскими силами США для решения различных задач оборонного характера.

Начиная с 1944 г. в работе над созданием вычислительной техники принял участие американский математик Джон фон Нейман. В 1946 г. он вместе с Г. Голдстайном и А. Берксом опубликовал важную для развития вычислительной техники статью «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства». В ней были высказаны две основные идеи, которые используются сейчас во всех ЭВМ: применение двоичной системы счисления и принцип хранимой программы.

Можно считать, что в 1940-е гг. закончилась эра механических и электромеханических вычислительных машин, называемых машинами нулевого поколения.

Первое поколение ЭВМ. Основной перелом в области информационных технологий начался после Второй мировой войны с появлением первых аналоговых и цифровых ЭВМ, в которых логические, запоминающие и другие устройства реализовывались на электронных приборах. С этого времени осуществляют отсчет поколений электронных вычислительных машин, напрямую связанных с развитием электроники и микроэлектроники, оказавших основное влияние на функциональные возможности, производительность, память, надежность, габаритные размеры, массу и потребляемую мощность ЭВМ.

В вычислительных машинах первого поколения основными элементами были электровакуумные устройства: электронные лампы и электронно-лучевые трубки.

В 1946 г. в США была построена первая электронная вычислительная машина «Эниак» (ENIAC). В машине использовалось 18 тыс. электронных ламп; ее масса составляла 30 т, потребляемая мощность — 160 кВт; она занимала площадь 170 м2 . ENIAC работала в двоичной системе счисления, выполняла около 5 тыс. операций сложения и 300 операций умножения в секунду, ее память составляла всего 20 слов.

Первой ЭВМ с хранимой программой стала английская машина ЭДСАК, построенная в 1949 г. в Кембридже под руководством профессора М. Уилкса.

Совершенствование первых образцов вычислительных машин привело к созданию в 1951 г. ЭВМ UNIVAC (США), предназначенной для коммерческого использования. Эта ЭВМ могла обрабатывать как цифровую, так и символьную информацию. Машина UNIVAC стала первой серийно выпускаемой ЭВМ, различные модели которой предназначались для свободной продажи.

В 1952 г. Джон фон Нейман разработал первый компьютер MANIAC I, использующий программы, записанные на гибком магнитном носителе — ленте.

Огромный вклад в развитие отечественных ЭВМ внес российский ученый, акад. Сергей Алексеевич Лебедев. Под его руководством была создана первая в России лаборатория по разработке ЭВМ, а затем (в 1951 г.) построена первая советская ЭВМ — малая (16-разрядная) электронная счетная машина (МЭСМ), собранная из 6 000 электронных ламп с быстродействием около 3 000 опер./с. В 1952 г. под руководством С. А. Лебедева была построена старшая модель семейства больших электронных счетных машин (БЭСМ) — БЭСМ-1, которая была в то время самой быстродействующей ма- шиной в Европе (8 000 … 10 000 опер./с). БЭСМ-1 и последовавшие за ней БЭСМ-2 и М-20 (20 тыс. опер./с) использовали серийные отечественные электронные лампы.

В 1954 г. под руководством Башира Искандаровича Рамеева была разработана архитектура и система команд ЭВМ «Урал». В 1957 г. была выпущена ламповая ЭВМ «Урал-1», которая, несмотря на невысокую производительность (100 опер./с) и оперативную память на магнитных барабанах (1 024 слова) была эффективна для инженерных расчетов и пользовалась большим спросом. Она стала первой моделью целого семейства «Урал», относилась к разряду недорогих машин и в течение длительного времени применялась в ведомственных вычислительных центрах.

В первом поколении машин был реализован метод хранимой программы; для ввода-вывода сначала использовались бумажные перфокарты и перфоленты, магнитная лента, а затем магнитные барабаны и печатающие устройства. Основной язык программирования — машинный код. Применение электронных ламп создавало множество проблем — из-за низкой надежности практически через несколько минут работы одна лампа выходила из строя, а так как в ЭВМ их было десятки тысяч, то для поиска неисправности и ремонта требовалось непрерывное обслуживание.

Второе поколение ЭВМ. Это поколение берет свое начало с 1956 г. с разработки в Массачусетском технологическом институте США первого компьютера на полупроводниковых элементах — транзисторах. Серийные ЭВМ на транзисторах стали производиться с 1958 г. К этому времени были спроектированы высокоскоростной принтер, носители информации на магнитной ленте и магнитных дисках. Появилась возможность создания бортовых ЭВМ военного назначения.

В 1958 г. американской компьютерной компанией Control Data, был разработан первый в мире транзисторный компьютер CDC 1604 для научных исследований, а через два года он был освоен в серийном производстве.

В 1960 г. в России перешли к созданию нового поколения семейства полупроводниковых машин: «Урал-11», «Урал-14» и «Урал-16». Появились новые семейства машин («Минск», МИР, БЭСМ и т. д.), большинство которых стали выпускаться серийно.

Среди ЭВМ второго поколения особо выделяется БЭСМ-6 (1957 г.). В то время это была одна из самых производительных вычислительных машин в мире с быстродействием около 1 млн опер./с.

Архитектура и многие технические решения в большинстве советских ЭВМ были настолько прогрессивными, что они дошли до нашего времени. Например, в машине МИР-2 телевизионный дисплей использовался совместно со световым пером, позволяющим изменять и корректировать данные прямо на экране.

В 1961 г. фирма DEC (Digital Equipment Corporation) спроектировала первую мини-ЭВМ из семейства PDP (Programmed Data Processor — программируемый цифровой процессор).

Логические схемы ЭВМ второго поколения строились на дискретных полупроводниковых приборах (диоды, транзисторы) и магнитных элементах (ферритовых сердечниках). В качестве конструктивно-технологической основы впервые стали широко использоваться платы с печатным монтажом. Тактовые частоты работы электронных схем повысились до сотен килогерц. При разработке программ кроме ассемблера стали применять языки программирования высокого уровня, такие как «Алгол» и «Фортран». В этот период возникла необходимость в профессии программиста.

Третье поколение ЭВМ. Проектирование ЭВМ третьего поколения началось в 1962 г. с выпуска кремниевых интегральных схем малой, а затем средней степени интеграции. Возникло новое направление в создании принципиально новой элементной базы — микроэлектроника; была основана корпорация Intel (Integrated Electronics Technologies Incorporаted), специализирующаяся на производстве интегральных микросхем.

В 1964 г. компания IBM (International Business Machines) выпустила семейство серийных (около 20 тыс. экземпляров) ЭВМ IBM- 360 различной производительности, но с общей архитектурой и полной программной совместимостью, которые были настолько востребованы, что стали основой для унификации, стандартизации и реализации принципов аппаратно-программной совместимости следующих поколений компьютеров.

В 1965 г. начался выпуск первых серийных мини-ЭВМ фирмы DEC — PDP-8, доступных по цене для средних и мелких коммерческих компаний.

Со второй половины 1960-х гг. СССР совместно со странами Совета Экономической Взаимопомощи (ГДР, Венгрия, Болгария, Польша, Чехословакия) стал разрабатывать ряд универсальных ЭВМ Единой системы (ЕС), аналогичных машинам IBM, и системы малых (СМ) ЭВМ. В 1972 г. началось серийное производство младшей модели семейства — ЕС-1010, а спустя год, — и других моделей. Их быстродействие составляло от 10 тыс. (ЕС-1010) до 2 млн (ЕС-1060) опер./с.

Первой серийной отечественной ЭВМ на интегральных гибридных схемах была машина «Наири-3», появившаяся в 1970 г. Особенности этой ЭВМ: наличие постоянного запоминающего устройства и микропрограммный принцип управления обработкой информации. ЭВМ «Наири-3» создавалась по агрегатно-блочному (модульному) принципу.

В США в 1972 г. была построена уникальная машина ИЛЛИАК-4, поставившая рекорд по скорости вычислений (200 млн опер./с). Такое быстродействие было достигнуто за счет отказа от классической архитектуры ЭВМ — перехода к параллельной обработке данных с использованием матрицы из 64 процессоров.

В период развития третьего поколения во всем мире начали выпускать в больших количествах универсальные ЭВМ для массового коммерческого применения. Этому способствовало появление новых языков программирования («Бейсик», «Паскаль»), операционных систем реального времени, совершенствование диалога пользователя с компьютером (использование графического интерфейса, манипулятора «мышь») и прикладных программ (текстовый процессор).

Четвертое поколение ЭВМ. Возникновение ЭВМ четвертого поколения вызвано бурным развитием микроэлектроники и созданием качественно новых функциональных устройств — микропроцессоров на базе больших (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС). Первый 4-разрядный микропроцессор Intеl 4004 был создан в конце 1971 г. корпорацией Intеl. В 1972 г. была представлена 8-разрядная микросхема 8008. Подтверждая известный закон Мура, который предполагает, что количество элементов на интегральных микросхемах должно удваиваться каждые полтора года, в 1974 г. был создан микропроцессор 8080, затем 8086, 80286, 80386, 80486 и современные процессоры семейства Pentium на СБИС.

Исходя из функционального назначения и производительности возникла устоявшаяся на несколько лет классификация ЭВМ (суперЭВМ, большие ЭВМ, мини-ЭВМ и микро-ЭВМ), которая в настоящее время устаревает, например исчез термин «мини- ЭВМ».

Наша промышленность с начала 1980 г. выпускала на интегральных схемах IBM-совместимые мини-ЭВМ серии ЕС, семейство СМ ЭВМ; микро-ЭВМ «Электроника 60», диалоговые вычислительные комплексы (ДВК), так называемые бытовые компьютеры серии БК.

Для средних учебных заведений сотрудниками института ядерной физики МГУ была разработана микро-ЭВМ «Корвет» (со встроенным интерпретатором языка Basic), которой некоторое время оснащались школы для проведения уроков по информатике.

Микро-ЭВМ привлекли в России настолько огромное внимание тысяч радиолюбителей, что возник настоящий бум в производстве самодельных домашних компьютеров. Одним из первых был «Радио-86РК», затем «Спектрум», на базе которого существовал ряд совместимых моделей, имеющих самый обширный фонд программного обеспечения.

В качестве дисплея использовался телевизор, программы загружались с катушечных и кассетных бытовых магнитофонов.

В 1980-х гг. в Советском Союзе появился целый ряд микропроцессорных плат «Электроника С5-21», позволяющий создавать многоплатные микро-ЭВМ требуемой конфигурации по принципу открытой архитектуры. Набор плат включал в себя одноплатную ЭВМ с уникальной системой команд и возможностью организации многомашинных систем; платы оперативного запоминающего устройства, постоянного запоминающего устройства, перепрограммируемого запоминающего устройства с ультрафиолетовым стиранием, параллельных и последовательных каналов ввода - вывода. В начале 1990-х гг. была спроектирована однокристалльная ЭВМ «Электроника С5-31», которая нашла применение в специальной технике.

К сожалению, в это время фактически прекратилась разработка отечественной элементной базы, а массовое производство ЭВМ в значительной мере переориентировалось на тиражирование зарубежной вычислительной техники на покупных комплектующих элементах иностранного производства. В какой-то мере этому способствовало отсутствие унификации в отечественном программном обеспечении.

К середине 1970-х гг. особо выделились две тенденции развития четвертого поколения машин: суперЭВМ и персональные компьютеры.

В 1976 г. компания Cray Research построила суперЭВМ «Крей-1», производившую 100 млн опер./с. В 1985 г. суперкомпьютер «Крей-2» имел быстродействие 1,2 млрд опер./с, а в 1997 г. суперЭВМ Janus корпорации Intel преодолела рубеж в 1 трлн опер./с.

К данному классу машин относились советские многопроцессорные вычислительные комплексы «Эльбрус-1» (производительность — до 10 млн опер./с) и «Эльбрус-2» (производительность — до 125 млн опер./с), в которых для отвода теплоты пришлось впервые использовать водяное охлаждение плат.

Возникновение персонального компьютера непосредственно связано с появлением и совершенствованием микро-ЭВМ, поэтому эти термины в литературе иногда использовали как синонимы. В настоящее время трудно определить, когда был произведен первый полнофункциональный персональный компьютер. Некоторые считают, что первая персональная ЭВМ была разработана в 1973 г. во Франции (ее автор — Труонг Тронг Ти).

В 1973 г. компанией Xerox был представлен персональный микрокомпьютер Alto, в котором впервые был применен принцип вывода программ и файлов на экран в виде графических окон. В следующем году в продажу поступил компьютер Altair-8800, созданный малоизвестной американской фирмой, который сразу стал популярным, хотя его возможности были очень ограниченными (оперативная память — 256 байт, клавиатура и экран отсутствовали). Этой популярности компьютера способствовало создание Биллом Гейтсом (один из основателей фирмы Microsoft) интерпретатора языка «Бейсик», что позволило непрофессиональным пользователям самостоятельно достаточно просто писать для него программы.

Массовое производство и внедрение в практику персональных компьютеров связано с именем Стива Джобса — руководителя и основателя американской фирмы Apple Computer, наладившей в 1977 г. выпуск персональных компьютеров Apple.

В 1981 г. фирма IBM выпустила свой первый микрокомпьютер IBM PC (Personal Computer — персональный компьютер) с открытой архитектурой, основанный на 16-разрядном микропроцессоре 8088 фирмы Intel.

Компьютер поставлялся с монохромным текстовым дисплеем, имел два дисковода для 5-дюймовых гибких магнитных дискет на 160 Кбайт, оперативную память 64 Кбайт и первую версию дисковой операционной системы MS DOS, заказанной у фирмы Microsoft.

В 1982 г. СССР начал выпуск ПЭВМ «Агат».

В 1984 г. компания Apple представила компьютер «Макинтош» (Macintosh) на базе микропроцессора Motorola 68000 со встроенными средствами экранного взаимодействия с пользователем — графическим интерактивным интерфейсом, позволявшим вводить команды управления в виде небольших изображений — значков (пиктограмм), выбирая их с помощью манипулятора «мышь».

С этими новшествами и накопителями на 3,5-дюймовых дискетах персональный компьютер стал еще более доступным непрофессиональным пользователям.

Принцип открытой архитектуры настолько повлиял на развитие ПЭВМ, что произошел стремительный рост не только производства различных комплектующих и дополнительных устройств для компьютеров IВМ РС, но и числа фирм, выпускающих совместимые с ними разнообразные вычислительные машины.

С этого времени рост промышленного производства персональных компьютеров стали обеспечивать и другие производители: Соmpaq, Zenith, АSТ, Арricot, которые за основу проектирования взяли открытую архитектуру и стандарты IBM PC.

Пользователи таких ПЭВМ получили возможность продлевать жизненный цикл своих компьютеров — самостоятельно модернизировать их аппаратную часть, оснащая современными устройствами различных производителей и не заботясь о совместимости программных продуктов.

В настоящее время производится такое разнообразие компьютеров, что практически невозможно отследить всю существующую номенклатуру машин четвертого поколения и тем более предсказать их развитие (рис. 1.1).

На развитие четвертого поколения ЭВМ в значительной степе- ни повлияло непрерывное совершенствование операционных си- стем Windows, пришедших на смену DOS.

Пятое поколение ЭВМ. К ЭВМ пятого поколения относятся обучающиеся системы с искусственным интеллектом, обеспечивающие переход от обработки информации к формализованной обработке профессиональных знаний с использованием естественных языков. Для решения задач распознавания рукописного ввода, речи и изображений с 1990-х гг. стали использовать модель биологического нейрона и искусственную нейтронную сеть на его основе.

По своей сути нейрон является простейшим сумматором входных сигналов, преобразующих их сумму в значение функции, зависящей от состояния самого нейрона. Каждый нейрон может иметь несколько входов и один выход. Нейронная сеть образуется соединением выходов одних нейронов с входами других. Нейронная сеть эквивалентна цифровой сложной схеме и, следовательно, может стать основой нейрокомпьютера. Программирование сети заключается в ее обучении для решения конкретной задачи, которое соответственно меняет структуру сети, изменяя связи между нейронами.

Возможность разработки таких ЭВМ тесно связана с созданием качественно новых компонентов с использованием достижений нанотехнологий, возможно, на иных физических принципах. Компьютеры с нейронной структурой, организованной распределенной сетью большого числа (от нескольких десятков до 108 ) параллельно работающих простых элементов — нейронов — смогут воспроизводить функционирование сложных биологических структур.

Традиционно продолжается совершенствование технологии производства СБИС. Например, корпорация Intel предполагает не применять для сборки микропроцессоров отдельно изготовленные корпуса, а «выращивать» их вокруг кристалла микросхемы. По предварительным оценкам это позволит создавать многоядерные процессоры, содержащие более миллиарда транзисторов и работающие на тактовых частотах до 20 ГГц.

Суперкомпьютеры в настоящее время широко используют параллельные вычисления. Как показывают исследования, в среднем вычислительная мощь настольных ПЭВМ отстает от уровня производительности суперкомпьютеров на 13 лет, так как по производительности современные персональные компьютеры практически полностью соответствуют суперкомпьютерам того времени. С внедрением многоядерных процессорных архитектур параллельное программирование начинает распространяться и на ПЭВМ. Количество систем, построенных на базе многоядерных процессоров, резко возрастет, поэтому развитие суперкомпьютеров начинает влиять на перспективы формирования архитектуры персональных компьютеров следующих поколений.

Программы разработки ЭВМ пятого поколения приняты во многих странах и, возможно, в ближайшем времени мы узнаем результат от их реализации.

Контрольные вопросы

1. Приведите примерные временные периоды существования отдельных поколений ЭВМ.

2. Какие факторы учитываются при смене поколений ЭВМ? Какой из этих фактором принято считать первостепенным?

3. Сравните технические характеристики ЭВМ первого, второго и третьего поколений.

4. Какие причины обусловили появление компьютеров четвертого поколения?

5. Почему при производстве ПЭВМ взята за основу архитектура и стандарты IBM PC?

6. Перечислите характерные черты четвертого поколения.

7. Осветите историю развития отечественных ЭВМ.

8. Какие ЭВМ можно отнести к ЭВМ пятого поколения?

Список литературы

Аппаратное обеспечение ЭВМ/ В.Д. Сидоров, Н.В. Струмпэ. – 3-е изд. – М.: Издательский центр «Академия», 2014. -  336с.

Аппаратное обеспечение ЭВМ. Практикум / Н.В. Струмпэ, В.Д. Сидоров. – 3-е изд. – М.: Издательский центр «Академия», 2013. -  160с.