Таблица сравнения эвм разных поколений. Лекция: поколения эвм, основные характеристики эвм разных поколений

В соответствии с общепринятой методикой оценки развития вычислительной техники первым поколением считались ламповые компьютеры, вторым -транзисторные, третьим - компьютеры на интегральных схемах, а четвёртым - с использованием микропроцессоров.

Первое поколение ЭВМ (1948–1958) создавалось на основе вакуумных электроламп, машина управлялась с пульта и перфокарт с использованием машинных кодов. Эти ЭВМ размещались в нескольких больших металлических шкафах, занимавших целые залы.

Элементной базой машин этого поколения были электронные лампы – диоды и триоды. Машины предназначались для решения сравнительно несложных научно-технических задач. К этому поколению ЭВМ можно отнести: МЭСМ, БЭСМ-1, М-1, М-2, М-З, «Стрела», Минск-1, Урал-1, Урал-2, Урал-3, М-20, «Сетунь», БЭСМ-2, «Раздан» (рис. 2.1).

ЭВМ первого поколения были значительных размеров, потребляли большую мощность, имели невысокую надежность работы и слабое программное обеспечение. Быстродействие их не превышало 2–3 тысячи операций в секунду, емкость оперативной памяти – 2 кб или 2048 машинных слов (1 кб = 1024) длиной 48 двоичных знаков.

Второе поколение ЭВМ (1959–1967) появилось в 60-е гг. ХХ века. Элементы ЭВМ выполнялись на основе полупроводниковых транзисторов (рис. 2.2, 2.3). Эти машины обрабатывали информацию под управлением программ на языке Ассемблер. Ввод данных и программ осуществлялся с перфокарт и перфолент.

Элементной базой машин этого поколения были полупроводниковые приборы. Машины предназначались для решения различных трудоемких научно-технических задач, а также для управления технологическими процессами в производстве. Появление полупроводниковых элементов в электронных схемах существенно увеличило емкость оперативной памяти, надежность и быстродействие ЭВМ. Уменьшились размеры, масса и потребляемая мощность. С появлением машин второго поколения значительно расширилась сфера использования электронной вычислительной техники, главным образом за счет развития ПО.

Третье поколение ЭВМ (1968–1973). Элементная база ЭВМ – малые интегральные схемы (МИС), содержавшие на одной пластинке сотни или тысячи транзисторов. Управление работой этих машин происходило с алфавитно-цифровых терминалов. Для управления использовались языки высокого уровня и Ассемблер. Данные и программы вводились как с терминала, так и с перфокарт и перфолент. Машины предназначались для широкого использования в различных областях науки и техники (проведение расчетов, управление производством, подвижными объектами и др.). Благодаря интегральным схемам удалось существенно улучшить технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ и резко снизить цены на аппаратное обеспечение. Например, машины третьего поколения по сравнению с машинами второго поколения имеют больший объем оперативной памяти, увеличенное быстродействие, повышенную надежность, а потребляемая мощность, занимаемая площадь и масса уменьшились.

Четвертое поколение ЭВМ (1974–1982). Элементная база ЭВМ – большие интегральные схемы (БИС). Наиболее яркие представители четвертого поколения ЭВМ – персональные компьютеры (ПК). Связь с пользователем осуществлялась посредством цветного графического дисплея с применением языков высокого уровня.

Машины предназначались для резкого повышения производительности труда в науке, производстве, управлении, здравоохранении, обслуживании и быту. Высокая степень интеграции способствовала увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, повышению ее надежности, что привело к увеличению быстродействия ЭВМ и снижению ее стоимости. Все это оказывает существенное воздействие на логическую структуру (архитектуру) ЭВМ и на ее ПО. Более тесной становится связь структуры машины и ее программного обеспечения, особенно операционной системы (ОС) (или монитора) – набора программ, которые организуют непрерывную работу машины без вмешательства человека

Пятое поколение ЭВМ (1990 – настоящее время) создано на основе сверхбольших интегральных схем (СБИС), которые отличаются колоссальной плотностью размещения логических элементов на кристалле.

6. Организация компьютерных систем

Процессоры

На рис. 2.1 показана структура обычного компьютера с шинной организацией. Центральный процессор - это мозг компьютера. Его задача - выполнять программы, находящиеся в основной памяти. Он вызывает команды из памяти, определяет их тип, а затем выполняет одну за другой. Компоненты соединены шиной, представляющей собой набор параллельно связанных проводов, по которым передаются адреса, данные и сигналы управления. Шины могут быть внешними (связывающими процессор с памятью и устройствами ввода-вывода) и внутренними.

Рис. 2.1. Схема компьютера с одним центральным процессором и двумя устройствами ввода-вывода

Процессор состоит из нескольких частей. Блок управления отвечает за вызов команд из памяти и определение их типа. Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические операции (например, сложение) и логические операции (например, логическое И).

Внутри центрального процессора находится память для хранения промежуточных результатов и некоторых команд управления. Эта память состоит из нескольких регистров, каждый из которых выполняет определенную функцию. Обычно размер всех регистров одинаков. Каждый регистр содержит одно число, которое ограничивается размером регистра. Регистры считываются и записываются очень быстро, поскольку они находятся внутри центрального процессора.

Самый важный регистр - счетчик команд, который указывает, какую команду нужно выполнять следующей. Название «счетчик команд» не соответствует действительности, поскольку он ничего не считает, но этот термин употребляется повсеместно1. Еще есть регистр команд, в котором находится выполняемая в данный момент команда. У большинства компьютеров имеются и другие регистры, одни из них многофункциональны, другие выполняют лишь какие-либо специфические функции.

7. Программное обеспечение. Основная память.

Вся совокупность программ, хранящихся на всех устройствах долговременной памяти компьютера, составляет его программное обеспечение (ПО) .

Системное ПО;
- прикладное ПО;
- инструментальное ПО.

Учебник состоит из двух разделов: теоретического и практического. В теоретической части учебника изложены основы современной информатики как комплексной научно-технической дисциплины, включающей изучение структуры и общих свойств информации и информационных процессов, общих принципов построения вычислительных устройств, рассмотрены вопросы организации и функционирования информационно-вычислительных сетей, компьютерной безопасности, представлены ключевые понятия алгоритмизации и программирования, баз данных и СУБД. Для контроля полученных теоретических знаний предлагаются вопросы для самопроверки и тесты. Практическая часть освещает алгоритмы основных действий при работе с текстовым процессором Microsoft Word, табличным редактором Microsoft Excel, программой для создания презентаций Microsoft Power Point, программами-архиваторами и антивирусными программами. В качестве закрепления пройденного практического курса в конце каждого раздела предлагается выполнить самостоятельную работу.

Книга:

В соответствии с элементной базой и уровнем развития программных средств выделяют четыре реальных поколения ЭВМ, краткая характеристика которых приведена в таблице 1.

ЭВМ первого поколения обладали небольшим быстродействием в несколько десятков тыс. оп./сек. В качестве внутренней памяти применялись ферритовые сердечники.

Основной недостаток этих ЭВМ – рассогласование быстродействия внутренней памяти и АЛУ и УУ за счет различной элементной базы. Общее быстродействие определялось более медленным компонентом – внутренней памятью – и снижало общий эффект. Уже в ЭВМ первого поколения делались попытки ликвидировать этот недостаток путем асинхронизации работы устройств и введения буферизации вывода, когда передаваемая информация «сбрасывается» в буфер, освобождая устройство для дальнейшей работы (принцип автономии). Таким образом, для работы устройств ввода-вывода использовалась собственная память.

Существенным функциональным ограничением ЭВМ первого поколения являлась ориентация на выполнение арифметических операций. При попытках приспособления для задач анализа они оказывались неэффективными.

Языков программирования как таковых еще не было, и для кодирования своих алгоритмов программисты использовали машинные команды или ассемблеры. Это усложняло и затягивало процесс программирования. К концу 50-х годов средства программирования претерпевают принципиальные изменения: осуществляется переход к автоматизации программирования с помощью универсальных языков и библиотек стандартных программ. Использование универсальных языков повлекло возникновение трансляторов.

Программы выполнялись позадачно, т. е. оператору надо было следить за ходом решения задачи и при достижении конца самому инициировать выполнение следующей задачи.

Начало современной эры использования ЭВМ в нашей стране относят к 1950 году, когда в институте электротехники АН УССР под руководством С.А. Лебедева была создана первая отечественная ЭВМ под названием МЭСМ – Малая Электронная Счетная Машина. В течение первого этапа развития средств вычислительной техники в нашей стране создан ряд ЭВМ: БЭСМ, Стрела, Урал, М-2.

Второе поколение ЭВМ – это переход к транзисторной элементной базе, появление первых мини-ЭВМ.

Получает дальнейшее развитие принцип автономии – он реализуется уже на уровне отдельных устройств, что выражается в их модульной структуре. Устройства ввода-вывода снабжаются собственными УУ (называемыми контроллерами), что позволило освободить центральное УУ от управления операциями ввода-вывода.

Совершенствование и удешевление ЭВМ привели к снижению удельной стоимости машинного времени и вычислительных ресурсов в общей стоимости автоматизированного решения задачи обработки данных, в то же время расходы на разработку программ (т. е. программирование) почти не снижались, а в ряде случаев имели тенденции к росту. Таким образом, намечалась тенденция к эффективному программированию, которая начала реализовываться во втором поколении ЭВМ и получает развитие до настоящего времени.

Начинается разработка на базе библиотек стандартных программ интегрированных систем, обладающих свойством переносимости, т. е. функционирования на ЭВМ разных марок. Наиболее часто используемые программные средства выделяются в ППП для решения задач определенного класса.

Совершенствуется технология выполнения программ на ЭВМ: создаются специальные программные средства – системное ПО.

Цель создания системного ПО – ускорение и упрощение перехода процессором от одной задачи к другой. Появились первые системы пакетной обработки, которые просто автоматизировали запуск одной программы за другой и тем самым увеличивали коэффициент загрузки процессора. Системы пакетной обработки явились прообразом современных операционных систем, они стали первыми системными программами, предназначенными для управления вычислительным процессом. В ходе реализации систем пакетной обработки был разработан формализованный язык управления заданиями, с помощью которого программист сообщал системе и оператору, какую работу он хочет выполнить на вычислительной машине. Совокупность нескольких заданий, как правило, в виде колоды перфокарт, получила название пакета заданий. Этот элемент жив до сих пор: так называемые пакетные (или командные) файлы MS DOS есть не что иное, как пакеты заданий (расширение в их имени bat является сокращением от английского слова batch, что означает пакет).

К отечественным ЭВМ второго поколения относятся «Проминь», «Минск», «Раздан», «Мир».

В 70-х годах возникают и развиваются ЭВМ третьего поколения. В нашей стране это ЕС ЭВМ, АСВТ, СМ ЭВМ. Данный этап – переход к интегральной элементной базе и создание многомашинных систем, поскольку значительного увеличения быстродействия на базе одной ЭВМ достичь уже не удавалось. Поэтому ЭВМ этого поколения создавались на основе принципа унификации, что позволило комплексировать произвольные вычислительные комплексы в различных сферах деятельности.

Расширение функциональных возможностей ЭВМ увеличило сферу их применения, что вызвало рост объема обрабатываемой информации и поставило задачу хранения данных в специальных базах данных и их ведения. Так появились первые системы управления базами данных – СУБД.

Изменились формы использования ЭВМ: введение удаленных терминалов (дисплеев) позволило широко и эффективно внедрить режим разделения времени и за счет этого приблизить ЭВМ к пользователю и расширить круг решаемых задач.

Обеспечить режим разделения времени позволил новый вид операционных систем, поддерживающих мультипрограммирование. Мультипрограммирование – это способ организации вычислительного процесса, при котором на одном процессоре попеременно выполняются несколько программ. Пока одна программа выполняет операцию ввода-вывода, процессор не простаивает, как это происходило при последовательном выполнении программ (однопрограммный режим), а выполняет другую программу (многопрограммный режим). При этом каждая программа загружается в свой участок внутренней памяти, называемый разделом. Мультипрограммирование нацелено на создание для каждого отдельного пользователя иллюзии единоличного использования вычислительной машины, поэтому такие операционные системы носили интерактивный характер, когда в процессе диалога с ЭВМ пользователь решал свои задачи.

Первые проекты электронных вычислительных машин (ЭВМ) появились в конце 30-х — начале 40-х годов XX в. Отметим, что технические предпосылки для ϶ᴛᴏго уже были созданы, развивалась электроника и счетно-аналитическая вычислительная техника. В 1904 г. был изобретен первый ламповый диод, а в 1906 г. — первый триод (ϲᴏᴏᴛʙᴇᴛϲᴛʙенно двух- и трехэлектродная электронная лампа); в 1918 г. — электронное реле (ламповый триггер) Триггерные схемы стали широко применяться в электронике для переключения и релейной коммутации.

Другой технической предпосылкой создания ЭВМ стало развитие электромеханической счетно-аналитической техники. Благодаря накопленному опыту в области развития вычислительной техники в середине 30-х годов стало возможным создание программно-управляемых вычислительных машин, а построение ВМ на электронных схемах открывало широкие перспективы, связанные с увеличением надежности и быстродействия.

ЭВМ появились, когда возникла острая необходимость в проведении трудоемких и точных расчетов. Уровень прогресса в таких областях науки и техники, как, например, атомная энергетика, аэрокосмические исследования, во многом зависел от возможности выполнения сложных расчетов, кᴏᴛᴏᴩые нельзя было осуществить в рамках электромеханических счетных машин. Требовался переход к вычислительным машинам, работающим с большей производительностью.

В истории развития ЭВМ выделяют пять этапов, ϲᴏᴏᴛʙᴇᴛϲᴛʙующих пяти поколениям ЭВМ.

Период машин первого поколения начинается с переходом к серийному производству ЭВМ в начале 50-х годов XX в. В них были реализованы основные принципы, предложенные Джоном фон-Нейманом.

1. Принцип хранимой программы. Машина имеет память, в кᴏᴛᴏᴩой хранятся программа, данные и результаты промежуточных вычислений. Программа вводится в машину, так же как и данные, в виде двоичных кодов (а не штекерным методом, т.е. коммутацией проводов в определенной последовательности)

2. Адресный принцип. В команде указываются не сами числа, над кᴏᴛᴏᴩыми нужно выполнять арифметические действия, а адреса ячеек памяти, где данные числа находятся.

3. Автоматизм . После ввода программы и данных машина работает автоматически, выполняя предписания программы без вмешательства человека. Стоит сказать, для ϶ᴛᴏго машина запоминает адрес выполняемой команды, а каждая команда содержит указание об адресе следующей команды. Указание может быть одним из трех типов: неявным (перейти к команде, следующей по адресу за выполняемой), безусловным (перейти к команде по заданному адресу), условным (проверить заданное условие и в зависимости от его выполнения перейти к команде по тому или иному адресу)

4. Переадресация. Адреса ячеек памяти, указанные в команде, можно вычислять и преобразовывать как числа.

Структура ЭВМ, в кᴏᴛᴏᴩой реализованы принципы фон-Неймана, впоследствии получила название структуры «фон-Неймана» (или классической) Все дальнейшее развитие ЭВМ шло двумя путями: совершенствование структуры фон-Неймана и поиск новых структур.

Отметим, что технической основой элементной базы процессоров первых ЭВМ были электронные вакуумные лампы (ЭВЛ), а в качестве оперативных запоминающих устройств использовались электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) Это были громоздкие по габаритам машины, занимающие много места и потребляющие много электроэнергии. Стоит заметить, что они делали несколько тысяч операций в секунду и обладали памятью в несколько тысяч машинных слов. Эти машины предполагали монопольный режим использования, т.е. в распоряжении пользователя были все ресурсы машины и ее управление. Программист повествовал ϲʙᴏю программу в машинных кодах и отлаживал ее за пультом машины, кᴏᴛᴏᴩая на время отладки была полностью в его распоряжении. При ϶ᴛᴏм 90% времени машина простаивала в ожидании команд, т.е. использование машинных ресурсов было малоэффективным из-за отсутствия развитой операционной системы. Использовались ЭВМ первого поколения в основном для научных расчетов. Первой отечественной ЭВМ была МЭСМ (малая электронная счетная машина), разработанная в 1947 — 1951 гг. под руководством акад. С.А. Лебедева. В 1952 г. была введена в эксплуатацию БЭСМ (большая электронная счетная машина), созданная под руководством С.А. Лебедева. В 1955 г. начался выпуск малой ЭВМ «Урал-1» (руководитель проекта Б.И. Рамеев) Примером зарубежной серийной модели ЭВМ будет IBM-701 (США)

Второе поколение ЭВМ (конец 50-х — середина 60-х годов) называют транзисторно-ферритовым, так как транзисторы (твердые диоды и триоды) заменили электронные лампы в процессорах, а ферритовые (намагничиваемые) сердечники — электронно-лучевые трубки в оперативных запоминающих устройствах.

Применение транзисторов существенно повлияло на характеристики и структуру машин. Транзисторные схемы позволили повысить плотность монтажа электронной аппаратуры на порядок и существенно (на несколько порядков) снизить потребляемую электроэнергию. Срок службы транзисторов на два-три порядка превосходил срок службы электронных ламп. Скорость ЭВМ возросла до сотен тысяч операций в секунду, а память — до десятков тысяч машинных слов.

Создание долговременной памяти на магнитных дисках и лентах, а также возможность подключения к ЭВМ изменяемого состава внешних устройств существенно расширили функциональные возможности вычислительных машин.

В организации вычислительного процесса крупным достижением было совмещение во времени вычислений и ввода-вывода информации, переход от монопольного режима использования ресурсов машины к пакетной обработке. Задания для ЭВМ (на перфокартах, магнитных лентах или дисках) собирались в пакет, кᴏᴛᴏᴩый обрабатывался без перерыва между заданиями. Это позволило более экономно использовать ресурсы машины.

В программировании были разработаны методы программирования в символических обозначениях, созданы первые алгоритмические языки и трансляторы с данных языков, созданы библиотеки стандартных программ.

В наибольшей степени широкое применение нашли отечественные ЭВМ, такие, как БЭСМ-4, М-220, «Минск-32». Типичным представителем зарубежной ЭВМ второго поколения будет IBM-7090.

Третье поколение ЭВМ (конец 60-х — начало 70-х годов) характеризуется появлением в качестве элементной базы процессора интегральных полупроводниковых схем (вместо отдельных транзисторов), что привело к дальнейшему увеличению скорости до миллиона операций в секунду и памяти до сотен тысяч слов.

ЭВМ третьего поколения также характеризуются крупнейшими сдвигами в архитектуре ЭВМ, их программном обеспечении, организации взаимодействия человека с машиной. Это прежде всего наличие развитой конфигурации внешних устройств (алфавитно-цифровые терминалы, графопостроители и т.п.) с использованием стандартных средств сопряжения, развитая операционная система, обеспечивающая работу в мультипрограммном режиме (несколько одновременно размещаемых в оперативной памяти программ совместно используют ресурсы процессора) Метод использования ресурсов ЭВМ — режим разделения времени совместно с пакетной обработкой. Высокое быстродействие позволяет время обслуживания пользователей разбить на кванты, обрабатывая в течение кванта задание каждого, возвращаться к пользователю за такое малое время, что у него за дисплеем создается иллюзия, что он один пользуется ресурсами машины.

Решающее значение в развитии вычислительной техники во всем мире сыграло создание семейства вычислительных машин на интегральных схемах с широким диапазоном вычислительной мощности и совместимых снизу вверх на уровне машинных языков, внешних устройств, модулей конструкции и системы элементов. Программная совместимость снизу вверх машин одного и того же семейства предполагает, что любая программа, выполнявшаяся на младшей машине, должна без всяких переделок выполняться на старшей.

Широкое распространение получили также семейства мини-ЭВМ. Сущность их конструкторского решения состояла в такой минимизации аппаратуры центрального процессора, кᴏᴛᴏᴩая позволяла на уровне технологии того времени создать универсальные ЭВМ, способные осуществлять управление в реальном масштабе времени, при кᴏᴛᴏᴩом темп выдачи управляющих воздействий на объект управления согласован со скоростью протекания процессов в ϶ᴛᴏм объекте.

В нашей стране в период машин третьего поколения была создана Единая Система ЭВМ (ЕС ЭВМ), в основных чертах копирующая IBM-360 и IBM-370, а также серия мини-ЭВМ СМ ЭВМ, ориентированная на зарубежные модели. Вклад отечественной науки в мировое развитие электронной вычислительной техники в ϶ᴛᴏт период связан с промышленным внедрением многопроцессорной ЭВМ М-10.

В период машин третьего поколения произошел крупный сдвиг в области применения ЭВМ. В случае если раньше ЭВМ использовались в основном для научно-технических расчетов, то в 60 — 70-е годы первое место стала занимать обработка символьной информации, в основном экономической.

Машины серии ЕС ЭВМ имеют универсальное назначение, а основной областью применения СМ ЭВМ будет автоматизация технологических процессов, научных экспериментов и испытательных установок, проектно-конструкторских работ.

Переход к машинам четвертого поколения — ЭВМ на больших интегральных схемах (БИС) — происходил во второй половине 70-х годов и завершился приблизительно к 1980 г. Отметим, что теперь на одном кристалле размером 1 см 2 стали размещаться сотни тысяч электронных элементов. Скорость и объем памяти возросли в десятки тысяч раз по сравнению с машинами первого поколения и составили примерно 10 9 оп/с и 10 7 слов ϲᴏᴏᴛʙᴇᴛϲᴛʙенно.

Характерными особенностями машин четвертого поколения будут тесная связь аппаратурной и программной реализаций в структуре машины, отход от принципа минимизации аппаратуры и поручение ей функций программы, что стало возможным благодаря относительно низкой стоимости БИС.

Развитие архитектуры ЭВМ в период машин четвертого поколения привело к появлению структур, в кᴏᴛᴏᴩых вычислительный процесс может протекать по нескольким ветвям параллельно, что приводит к увеличению производительности вычислительных машин. Идея параллелизма была технически реализована в многопроцессорных системах, состоящих из двух или более взаимосвязанных процессоров, работающих с общей памятью и управляемых общей операционной системой.

В результате возросшего быстродействия ЭВМ стало возможным расширить оперативную память за счет введения виртуальной памяти основанной на страничном обмене информации между внешней и основной памятью.

В наибольшей степени крупным достижением, связанным с применением БИС, стало создание микропроцессоров, а затем на их основе микроЭВМ. В случае если прежние поколения ЭВМ требовали для ϲʙᴏего расположения специальных помещений, системы вентиляции, специального оборудования для электропитания, то требования, предъявляемые к эксплуатации микроЭВМ, ничем не отличаются от условий эксплуатации бытовых электроприборов. При ϶ᴛᴏм они имеют достаточно высокую производительность, экономичны в эксплуатации и дешевы. МикроЭВМ могут быть использованы в измерительных комплексах, системах числового программного управления, в управляющих системах различного назначения.

Дальнейшее развитие микроЭВМ привело к созданию персональных компьютеров (ПК), широкое распространение кᴏᴛᴏᴩых началось с 1975 г., когда фирма IBM выпустила ϲʙᴏй первый персональный компьютер IBM PC. Сейчас такие компьютеры (совместимые с IBM PC) составляют около 90% всех производимых в мире ПК. В ПК реализован принцип открытой архитектуры, кᴏᴛᴏᴩый означает, что по мере улучшения характеристик основных блоков ПК возможна легкая замена устаревших частей, а модернизированный блок будет совместим с ранее используемым оборудованием. Другими преимуществами ПК будут развитые средства диалога, высокая надежность, удобство эксплуатации, наличие программного обеспечения, охватывающего практически все сферы человеческой деятельности.

В период машин четвертого поколения стали также серийно производиться и суперЭВМ. Рост степени интеграции БИС стал технологической основой производительности ЭВМ. В нескольких серийных моделях была достигнута производительность свыше 1 млрд. операций в секунду. К числу наиболее значительных разработок машин четвертого поколения относится ЭВМ «Крей-3», спроектированная на базе принципиально новой технологии — замены кремниевого кристалла арсенидом галлия, имеющая производительность до 16 млрд. операций в секунду. Примером отечественной суперЭВМ будет многопроцессорный вычислительный комплекс «Эльбрус» с быстродействием до 1,2-10 8 оп/с.

С конца 80-х годов в истории развития вычислительной техники наступила пора пятого поколения ЭВМ. Отметим, что технологические, конструкторские, структурные и архитектурные идеи машин пятого поколения принципиально отличаются от машин предшествующих поколений. Прежде всего их структура и архитектура отличаются от фон-неймановской (классической) Высокая скорость выполнения арифметических вычислений дополняется высокими скоростями логического вывода. Даже скорость предполагается выражать в единицах логического вывода. Машина состоит из нескольких блоков. Блок общения обеспечивает интерфейс между пользователем и ЭВМ на естественном языке и дисциплина программирования как наука для пользователя перестает в будущем быть актуальной. Не стоит забывать, что важное место в структуре ЭВМ занимает блок, представляющий базу знаний, в кᴏᴛᴏᴩом хранятся знания, накопленные человечеством в различных предметных областях, кᴏᴛᴏᴩые постоянно расширяются и пополняются. Следующий блок, называемый решателем, организует подготовку программы решения задачи на основании знаний, получаемых из базы знаний и исходных данных, полученных из блока общения. Ядро вычислительной системы составляет ЭВМ высокой производительности. Материал опубликован на http://сайт

В связи с появлением новой базовой структуры ЭВМ в машинах пятого поколения широко могут быть использованы модели и средства, разработанные в области искусственного интеллекта.

Таблица - Основные характеристики ЭВМ различных поколений

На протяжении 50 лет появилось, сменяя друг друга, несколько поколений ЭВМ. Бурное развитие ВТ во всем мире определяется только за счет передовых элементной базы и архитектурных решений.
Так как ЭВМ представляет собой систему, состоящую из технических и программных средств, то под поколением естественно понимать модели ЭВМ, характеризуемые одинаковыми технологическими и программными решениями (элементная база, логическая архитектура, программное обеспечение). Между тем, в ряде случаев оказывается весьма сложным провести классификацию ВТ по поколениям, ибо грань между ними от поколения к поколению становиться все более размытой.
Первое поколение.
Элементная база- электронные лампы и реле; оперативная память выполнялась на триггерах, позднее на ферритовых сердечниках. Надежность - невысокая, требовалась система охлаждения; ЭВМ имели значительные габариты. Быстродействие- 5 - 30 тыс. арифметических оп/с; Программирование - в кодах ЭВМ (машинный код), позднее появились автокоды и ассемблеры. Программированием занимался узкий круг математиков, физиков, инженеров - электронщиков. ЭВМ первого поколения использовались в основном для научно-технических расчетов.

Второе поколение.
Полупроводниковая элементная база. Значительно повышается надежность и производительность, снижаются габариты и потребляемая мощность. Развитие средств ввода/вывода, внешней памяти. Ряд прогрессивных архитектурных решений и дальнейшее развитие технологии программирования- режим разделения времени и режим мультипрограммирования (совмещение работы центрального процессора по обработке данных и каналов ввода/вывода, а также распараллеливания операций выборки команд и данных из памяти)
В рамках второго поколения четко стала проявляться дифференциация ЭВМ на малые, средние и большие. Существенно расширилась сфера применения ЭВМ на решение задач - планово - экономических, управления производственными процессами и др.
Создаются автоматизированные системы управления (АСУ) предприятиями, целыми отраслями и технологическими процессами (АСУТП). Конец 50-х годов характеризуется появлением целого ряда проблемно-ориентированных языков программирования высокого уровня (ЯВУ): FORTRAN, ALGOL-60 и др. Развитие ПО получило в создании библиотек стандартных программ на различных языках программирования и различного назначения, мониторов и диспетчеров для управления режимами работы ЭВМ, планированием ее ресурсов, заложивших концепции операционных систем следующего поколения.

Третье поколение.
Элементная база на интегральных схемах (ИС). Появляются серии моделей ЭВМ программно совместимых снизу вверх и обладающих возрастающими от модели к модели возможностями. Усложнилась логическая архитектура ЭВМ и их периферийное оборудование, что существенно расширило функциональные и вычислительные возможности. Частью ЭВМ становятся операционные системы (ОС). Многие задачи управления памятью, устройствами ввода/вывода и другими ресурсами стали брать на себя ОС или же непосредственно аппаратная часть ЭВМ. Мощным становиться программное обеспечение: появляются системы управления базами данных (СУБД), системы автоматизирования проектных работ (САПРы) различного назначения, совершенствуются АСУ, АСУТП. Большое внимание уделяется созданию пакетов прикладных программ (ППП) различного назначения.
Развиваются языки и системы программирования Примеры: -серия моделей IBM/360, США, серийный выпуск -с 1964г; -ЕС ЭВМ, СССР и страны СЭВ с 1972г.
Четвертое поколение.
Элементной базой становятся большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) интегральные схемы. ЭВМ проектировались уже на эффективное использование программного обеспечения (например, UNIX-подобные ЭВМ, наилучшим образом погружаемые в программную UNIX-среду; Prolog-машины, ориентированные на задачи искусственного интеллекта); современных ЯВУ. Получает мощное развитие телекоммуникационная обработка информации за счет повышения качества каналов связи, использующих спутниковую связь. Создаются национальные и транснациональные информационно-вычислительные сети, которые позволяют говорить о начале компьютеризации человеческого общества в целом.
Дальнейшая интеллектуализация ВТ определяется созданием более развитых интерфейсов "человек-ЭВМ", баз знаний, экспертных систем, систем параллельного программирования и др.
Элементная база позволила достичь больших успехов в минитюаризации, повышении надежности и производительности ЭВМ. Появились микро- и мини-ЭВМ, превосходящие по возможностям средние и большие ЭВМ предыдущего поколения при значительно меньшей стоимости. Технология производства процессоров на базе СБИС ускорила темпы выпуска ЭВМ и позволила внедрить компьютеры в широкие массы общества. С появление универсального процессора на одном кристалле (микропроцессор Intel-4004,1971г) началась эра ПК.
Первым ПК можно считать Altair-8800, созданным на базе Intel-8080, в 1974г. Э.Робертсом. П.Аллен и У.Гейтс создали транслятор с популярного языка Basic, существенно увеличив интеллектуальность первого ПК (впоследствии основали знаменитую компанию Microsoft Inc). Лицо 4-го поколения в значительной мере определяется и созданием супер-ЭВМ, характеризующихся высокой производительностью (среднее быстродействие 50 - 130 мегафлопсов. 1 мегафлопс= 1млн. операций в секунду с плавающей точкой) и нетрадиционной архитектурой (принцип распараллеливания на основе конвейерной обработки команд). Супер-ЭВМ используются при решении задач математической физики, космологии и астрономии, моделировании сложных систем и др. Так как важную коммутирующую роль в сетях играют и будут играть мощные ЭВМ, то сетевая проблематика часто обсуждается совместно с вопросами по супер-ЭВМ Среди отечественных разработок супер-ЭВМ можно назвать машины серии Эльбрус, вычислительные системы пс-2000 и ПС-3000, содержащие до 64 процессоров, управляемых общим потоком команд, быстродействие на ряде задач достигалось порядка 200 мегафлопсов. Вместе с тем, учитывая сложность разработки и реализации проектов современных супер-ЭВМ, требующих интенсивных фундаментальных исследований в области вычислительных наук, электронных технологий, высокой культуры производства, серьезных финансовых затрат, представляется весьма маловероятным создание в обозримом будущем отечественных супер-ЭВМ, по основным характеристикам не уступающим лучшим зарубежным моделям.
Следует заметить, при переходе на ИС-технологию производства ЭВМ определяющий акцент поколений все более смещается с элементной базы на другие показатели: логическая архитектура, программное обеспечение, интерфейс с пользователем, сферы приложения и т.д.
Пятое поколение.
Зарождается в недрах четвертого поколения и в значительной мере определяется результатами работы японского Комитета научных исследований в области ЭВМ, опубликованными в 1981г. Согласно этому проекту ЭВМ и вычислительные системы пятого поколения кроме высокой производительности и надежности при более низкой стоимости, вполне обеспечиваемые СБИС и др. новейшими технологиями, должны удовлетворять следующим качественно новым функциональным требованиям:

· обеспечить простоту применения ЭВМ путем реализации систем ввода/вывода информации голосом; диалоговой обработки информации с использованием естественных языков; возможности обучаемости, ассоциативных построений и логических выводов;

· упростить процесс создания программных средств путем автоматизации синтеза программ по спецификациям исходных требований на естественных языках

· улучшить основные характеристики и эксплуатационные качества ВТ для удовлетворения различных социальных задач, улучшить соотношения затрат и результатов, быстродействия, легкости, компактности ЭВМ; обеспечить их разнообразие, высокую адаптируемость к приложениям и надежность в эксплуатации.

Учитывая сложность реализации поставленных перед пятым поколением задач, вполне возможно разбиение его на более обозримые и лучше ощущаемые этапы, первый из которых во многом реализован в рамках настоящего четвертого поколения.

Электронно-вычислительные виды машин в нашей стране делятся на несколько поколений. Определяющими признаками при отнесении устройств к определенному поколению служат их элементы и разновидности таких важных характеристик, как быстродействие, емкость памяти, способы управления и переработки информации. Деление ЭВМ является условным - есть немалое количество моделей, которые, по одним признакам, относятся к одному, по другим - к другому виду поколения. В результате эти виды ЭВМ могут относиться к различным этапам развития техники электронно-вычислительного типа.

Первое поколение ЭВМ

Развитие ЭВМ разделяется на несколько периодов. Поколение устройств каждого периода имеет отличия друг от друга элементными базами и обеспечением математического типа.

1 поколение ЭВМ (1945-1954) - электронно-вычислительные машины на лампах электронного типа (подобные были в телевизорах первых моделей). Это время можно назвать эпохой становления такой техники.

Большая часть машин первого вида поколения называлась экспериментальными типами устройств, которые создавались с целью проверки одних или других положений теорий. Размер и вес компьютерных агрегатов, которые часто нуждались в отдельных зданиях, давно превратились в легенду. Введение чисел в первые машины производилось при помощи перфокарт, а программные управления последовательностями выполнимости функций осуществлялись, к примеру, в ENIAC, как в машинах счетно-аналитического типа, при помощи штекеров и видов наборного поля. Несмотря на то что подобный метод программирования требовал множества времени для того, чтобы подготовить машину - для соединений на наборных полях (коммутационной доске) блоков он давал все возможности для реализации счетных «способностей» ENIAC’а, и с большой выгодой имел отличия от метода программной перфоленты, который характерен для устройств релейного типа.

Как работали эти агрегаты

Сотрудники, которые были приписанными к данной машине, постоянно находились возле нее и осуществляли наблюдение за работоспособностью электронных ламп. Но, как только перегорала хотя бы одна лампа, ENIAC сразу же поднимался, и наставали хлопоты: все в спешке осуществляли поиск сгоревшей лампы. Главной причиной (может быть, и не точной) очень частой замены ламп была следующая: тепло и свечение ламп привлекали мотыльков, они залетали внутрь машины и способствовали возникновению короткого замыкания. Таким образом, 1 поколение ЭВМ было крайне уязвимым относительно внешних условий.

Если вышесказанное является правдой, то термин «жучки» («баги»), под которым подразумеваются ошибки в программном и аппаратном оборудовании компьютерной техники, набирает уже новое значение. Когда все лампы находились в рабочем состоянии, инженерный персонал мог сделать настройку ENIAC на какую-либо задачу, изменив вручную подключения 6 000 проводов. Все провода нужно было снова переключать, если требовалась задача другого типа.

Самые первые серийные машины

Первой серийно выпускавшейся ЭВМ первого поколения стал компьютер UNIVAC (Универсальный автоматический компьютер). Разработчиками данного компьютера были: Джон Мочли (John Mauchly) и Дж. Преспер Эккерт (J. Prosper Eckert). Это был первый тип электронного цифрового компьютера общего назначения. UNIVAC, работы по разработкам которого начались в 1946 году и завершились в 1951, обладал временем сложений 120 мкс, умножений - 1800 мкс и делений - 3600 мкс.

Данные машины занимали много площади, использовали множество электроэнергии и состояли из огромной численности ламп электронного типа. К примеру, машина «Стрела» имела 6400 таких ламп и 60 тысяч штук диодов полупроводникового типа. Быстродействия этого поколения ЭВМ не превышали 2-3 тысяч операций в секунду, объемы оперативной памяти были не больше 2 Кб. Только машина «М-2» (1958) имела оперативную память 4 Кб, а быстродействие ее было 20 тысяч операций в секунду.

ЭВМ второго поколения - существенные отличия

В 1948 году физиками-теоретиками Джоном Бардиным и Уильямом Шокли, вместе с ведущим экспериментатором фирмы «Белл телефон лабораториз» Уолтером Браттейном, был создан первый действующий транзистор. Это был прибор точечно-контактного типа, в котором три металлических «усика» имели контакт с бруском из поликристаллического материала. Таким образом, поколения ЭВМ начали совершенствоваться уже в то далекое время.

Первые виды компьютеров, которые работали на основе транзисторов, отмечают свое появление в конце 1950 годов, а к середине 1960 годов были создано внешние типы устройств с более компактными функциями.

Особенности архитектуры

Одной из удивительных способностей транзистора является то, что он один может осуществлять работу за 40 ламп электронного типа, и даже в этом случае иметь большую скорость работы, выделять минимальное количество теплоты, и практически не употреблять электрические ресурсы и энергию. Вместе с процессами замены ламп электрического типа на транзисторы усовершенствовались способы сохранения информации. Произошло увеличение объема памяти, а магнитная лента, которая впервые была применена в ЭВМ первого поколения UNIVAC, начала использоваться как для введения, так и для выведения информации.

В середине 1960 годов применялось сохранение информации на дисках. Огромные виды достижений в архитектуре компьютеров позволяли получить быстрые действия в миллион операций в секунду! Например, к транзисторным компьютерам 2 поколения ЭВМ можно отнести «Стретч» (Англия), «Атлас» (США). В тот период Советский Союз также выпускал не уступающие вышеуказанным устройствам (к примеру, «БЭСМ-6»).

Создание ЭВМ, которые построены с помощью транзисторов, стало причиной уменьшения их габаритов, масс, затрат энергии и цены на них, а также увеличило надежность и производительность. Это поспособствовало расширению круга пользователей и номенклатуры решаемых задач. Учитывая улучшенные характеристики, которыми обладало 2 поколение ЭВМ, разработчики начали создавать алгоритмические виды языков для инженерно-технического (к примеру, АЛГОЛ, ФОРТРАН) и экономического (к примеру, КОБОЛ) вида расчетов.

Значение ОС

Но даже на этих этапах главной из задач технологий программирования было обеспечение экономии ресурсов - машинного времени и количества памяти. Для решения этой задачи начали создавать прототипы современных операционных систем (комплексы программ служебного типа, которые обеспечивают хорошие распределения ресурсов ЭВМ при исполнениях задач пользователя).

Виды первых операционных систем (ОС) способствовали автоматизации работы операторов ЭВМ, которая связана с выполнением заданий пользователя: ввод в устройство текстов программ, вызовы необходимых трансляторов, вызовы требуемых для программы библиотечных подпрограмм, вызовы компоновщика для размещения данных подпрограмм и программы основного типа в памяти ЭВМ, введение данных исходного типа и т. п.

Теперь, помимо программы и данных, в ЭВМ второго поколения нужно было вводить еще и инструкцию, где находилось перечисление этапов обработки и список сведений о программе и ее авторах. После этого в устройства начали вводить одновременно некоторое количество заданий для пользователей (пакеты с заданиями), в этих видах операционных систем нужно было распределить типы ресурсов ЭВМ между данными типами заданий - возник мультипрограммный режим для обработок данных (к примеру, пока происходит вывод результатов задачи одного типа, делаются расчеты для другого, и в память можно ввести данные для третьего типа задачи). Таким образом, 2 поколение ЭВМ вошло в историю появлением упорядоченных ОС.

Третье поколение машин

За счет созданий технологии производств интегральных микросхем (ИС) получилось добиться увеличений быстрого действия и уровней надежности полупроводниковых схем, а также уменьшения их размеров, потребляемых уровней мощности и стоимости. Интегральные виды микросхем состоят из десятков элементов электронного типа, которые собраны в прямоугольных пластинах кремния, и обладают длиной стороны не больше 1 см. Подобный тип пластины (кристаллов) размещают в пластмассовом корпусе небольших габаритов, размеры в котором можно определить только с помощью числа «ножек» (выводов от входа и выхода электронных схем, созданных на кристаллах).

Благодаря указанным обстоятельствам, история развития ЭВМ (поколения ЭВМ) сделала большой прорыв. Это дало возможность не только для повышения качества работы и снижения стоимости универсальных устройств, но и создать машины малогабаритного, простого, дешевого и надежного типа - мини-ЭВМ. Такие агрегаты сначала были предназначены для замены контроллеров аппаратно-реализованнных назначений в контурах управления какими-либо объектами, в автоматизированных системах управления процессами технологического типа, системах сборов и обработки данных экспериментального типа, различных управляющих комплексах на объектах подвижного типа и т. п.

Главным моментом в то время считались унификации машин с конструктивно-технологическими параметрами. Третье поколение ЭВМ начинает выпуски своих серий или семейств, совместимых типов моделей. Дальнейшие скачки развития математических и программных обеспечений способствуют созданиям программ пакетного типа для решаемости типовых задач, проблемно ориентированного программного языка (для решаемости задач отдельных категорий). Так впервые создаются программные комплексы - виды операционных систем (разработанные IBM), на которых и работает третье поколение ЭВМ.

Машины четвертого поколения

Успешное развитие электронных устройств привело к созданиям больших интегральных схем (БИС), где один кристалл имел пару десятков тысяч элементов электрического типа. Это способствовало тому, что появились новые поколения ЭВМ, элементная база которых имела большой объем памяти и малые циклы для выполнения команд: использование байтов памяти в одной машинной операции начало резко понижаться. Но, так как затраты на программирование практически не имели сокращений, то на первый план ставились задачи экономии ресурсов человеческого, а не машинного типа.

Создавались операционные системы новых видов, которые позволяли программистам делать отладки своих программ прямо за дисплеями ЭВМ (в диалоговом режиме), и это способствовало облегчению работы пользователей и ускорению разработок нового программного обеспечения. Этот момент полностью противоречил концепциям первичных этапов информационных технологий, которые использовали ЭВМ первого поколения: «процессором выполняется только тот объем работы обработок данных, который люди принципиально не могут выполнить, - массовый счет». Стали прослеживаться тенденции иного типа: «Все, что выполнимо машинами, они должны выполнять; людьми выполняется только та часть работ, которую невозможно автоматизировать».

В 1971 году была изготовлена большая интегральная схема, где полностью размещался процессор электронно-вычислительной машины простых архитектур. Стали реальными возможности для размещений в одной большой интегральной схеме (на одном кристалле) практически всех устройств электронного типа, которые не являются сложными в архитектуре ЭВМ, то есть возможности серийных выпусков простых устройств по доступным ценам (не учитывая стоимости устройств внешнего типа). Так было создано 4 поколение ЭВМ.

Появилось много дешевых (карманных клавишных ЭВМ) и управляющих устройств, которые обустроены на одной-единственной либо нескольких больших интегральных схемах, содержащих процессоры, объемы памяти и систему связей с датчиками исполнительного типа в объектах управления.

Программы, которые управляли подачами топлив в двигатели автомобилей, движениями электронных игрушек или заданными режимами стирок белья, устанавливались в память ЭВМ или при изготовлениях подобных видов контроллеров, или непосредственно на предприятиях, которые занимаются выпуском автомобилей, игрушек, стиральных машин и т. д.

На протяжении 1970 годов началось изготовление и универсальных вычислительных систем, которые состояли из процессора, объемов памяти, схем сопряжений с устройством ввода-вывода, размещенных в единой большой интегральной схеме (однокристальные ЭВМ) или в некоторых больших интегральных схемах, установленных на одной плате печатного типа (одноплатные агрегаты). В результате, когда 4 поколение ЭВМ получило распространение, происходило повторение ситуации, возникшей в 1960 годах, когда первые мини-ЭВМ забирали часть работ в больших универсальных электронно-вычислительных машинах.

Характерные свойства ЭВМ четвертого поколения

1. Мультипроцессорный режим.
2. Обработки параллельно-последовательного типа.
3. Высокоуровневые типы языков.
4. Появление первых сетей ЭВМ.

Технические характеристики этих устройств

1. Средние задержки сигналов 0,7 нс./в.
2. Основной вид памяти - полупроводниковый. Время выработок данных из памяти такого типа - 100-150 нс. Емкости - 1012-1013 символов.
3. Применение аппаратной реализации оперативных систем.
4. Модульные построения начали применяться и для средств программного типа.

Впервые персональный компьютер был создан в апреле 1976 года Стивом Джобсом, сотрудником фирмы Atari, и Стивеном Возняком, сотрудником фирмы Hewlett-Packard. На основе интегральных 8-битных контроллеров схемы электронной игры, они создали простейший, запрограммированный на языке BASIC, компьютер игрового типа «Apple», который имел огромные успехи. В начале 1977 года была зарегистрирована компания Apple Comp., и с того времени началось производство первых в мире персональных компьютеров Apple. История поколения ЭВМ отмечает это событие как наиболее важное.

В настоящее время фирма Apple занимается выпусками персональных компьютеров Macintosh, которые за большинством параметров превосходят виды компьютеров IBM PC.

ПК в России

В нашей стране в основном используют виды компьютеров IBM PC. Этот момент объясняется такими причинами:

1. До начала 90-х США не разрешали поставлять в Советский Союз информационные технологии передового типа, к каким и относились мощные компьютеры Macintosh.
2. Устройства Макинтош были намного дороже, чем IBM PC (в настоящее время они имеют примерно одинаковую стоимость).
3. Для IBM PC разработано множественное число программ прикладного типа и это облегчает их использование в самых различных сферах.

Пятый вид поколения ЭВМ

В поздние1980 годы история развития ЭВМ (поколения ЭВМ) отмечает новый этап - появляются машины пятого вида поколения. Возникновение этих устройств связывают с переходами к микропроцессорам. С точки зрения структурных построений характерны максимальные децентрализации управлений, говоря о программных и математических обеспечениях - переходы на работу в программной сфере и оболочке.

Производительность пятого поколения ЭВМ - 10 8 -10 9 операций за секунду. Для этого типа агрегатов характерна многопроцессорная структура, которая созданная на микропроцессорах упрощенных типов, которых применяется множественное количество (решающее поле или среда). Разрабатываются электронно-вычислительные типы машин, которые ориентированы на высокоуровневые типы языков.

В данный период существуют и применяются две противоположные функции: персонификации и коллективизации ресурсов (коллективные доступы к сети).

Из-за вида операционной системы, которая обеспечивает простоту общения с электронно-вычислительными машинами пятого поколения, огромной базы программ прикладного типа из различных сфер человеческой деятельности, а также низких цен ЭВМ становится незаменимой принадлежностью инженеров, исследователей, экономистов, врачей, агрономов, преподавателей, редакторов, секретарей и даже детей.

Развитие в наши дни

Про шестое и более новые поколения развития ЭВМ можно пока только мечтать. Сюда можно отнести нейрокомпьютеры (виды компьютеров, которые созданы на основе сетей нейронного типа). Они пока не могут существовать самостоятельно, но активным образом моделируются на компьютерах современного типа.