Поколение ЭВМ: от ламповых “монстров” к интегральным микросхемам

Четыре поколения вычислительных машин М.А.Карцева

Михаил Александрович Карцев крупный учёный в области вычислительной техники, доктор технических наук, профессор, главный конструктор четырёх поколений ЭВМ и вычислительных комплексов для работы в режиме реального времени, основатель и первый директор НИИ вычислительных комплексов пришел в вычислительную технику, ещё будучи студентом радиотехнического факультета МЭИ. Первые понятия о принципах построения цифровых электронных вычислительных машин он получил от члена-корреспондента АН СССР И.С. Брука, в лаборатории которого в 1950 году он участвовал в создании ЭВМ М-1, проектируя для неё главный программный датчик (устройство управления). При создании следующей машины – ЭВМ М-2 в 1952-1953 годах он уже возглавлял группу инженеров и был признанным лидером разработки.

В 1957 году в Институте электронных управляющих машин (этот институт был образован на базе лаборатории И.С. Брука) разрабатывалось техническое задание на проектирование ЭВМ для экспериментального комплекса РЛС контроля космического пространства. ТЗ утвердили академик АН СССР А.Л. Минц и член-корреспондент АН СССР И.С. Брук. Руководство работами по созданию этой ЭВМ и вводу её в эксплуатацию совместно с РЛС возложили на М.А. Карцева, образовав под его руководством специальную лабораторию №2. Новой ЭВМ присвоили наименование М-4. Спецлаборатория №2 явилась основой для развития коллектива и его роста до уровня Научно-исследовательского института вычислительных комплексов, а машина М-4 определила дальнейшее направление новых разработок М.А. Карцева – создание серии вычислительных машин типа «М» для построения вычислительных комплексов, обеспечивающих решение задач и обработку информации в реальном масштабе времени. М-4 открыла первое поколение машин Карцева такого класса. Авторский коллектив разработки: главный конструктор – к.т.н. М.А.Карцев, основные разработчики – Г.И. Танетов, Л.В. Иванов, Р.П. Шидловский, Ю.В. Рогачев, Г.И. Смирнова, Р.П. Макарова, Е.С. Шерихов, В.П. Кузнецова. Разработка и передача конструкторской документации заводу изготовителю была завершена в 1958году.

М-4 имела вполне современную на тот момент архитектуру ЭВМ для обработки информации в реальном масштабе времени и включала: центральную процессорную часть (устройство управления, арифметическое устройство, внутренние запоминающие устройства – оперативную память, постоянную память программ, констант, таблиц) и систему ввода-вывода информации.

Арифметическое устройство полупроводниковое: триггер строился на транзисторах П16, логические схемы на диодах Д9. Использовалась импульсно-потенциальная система элементов. Потенциальные элементы – диодная логика; импульсно-потенциальные элементы — клапан (двухвходовое И), один вход которого был импульсным, а второй вход – потенциальным. Триггер имел импульсные входы и потенциальные выходы. Основой АУ были однотипные ячейки, каждая из которых содержала один разряд обрабатывающей аппаратуры. В узле управления АУ находилось несколько триггеров, которые с помощью диодной логики при выполнении тех или иных арифметических операций сцеплялись в соответствующие цепочки и кольца. В этом АУ была осуществлена впервые в мире аппаратная реализация операции вычисления квадратного корня.

Центральное управление предназначено для автоматического управления выполнением операций. Оно выбирает из постоянной памяти программ (ПП) инструкции и в соответствии с имеющимися в них указаниями выбирает необходимые константы из постоянной памяти констант (ПК) и данные, подлежащие обработке, из оперативно памяти; производит над этими данными те или иные действия и записывает результаты этих действий в указанные ячейки ОП. По указаниям программы эти результаты могут направляться на кодовые магнитные самописцы типа ПР-16, на устройство отображения информации, на печатающее устройство. Новые данные для обработки поступали в оперативную память машины непосредственно из устройства сопряжения с РЛС (при работе в реальном времени) или вводились с перфоленты при помощи фотоэлектрического считывающего устройства.

Оперативная память представляла собой ферритовое устройство матричного типа на 1024 24-разрядных чисел. В качестве запоминающего элемента использовались сердечники диаметром 1,5 мм (внутренний — 1,1 мм ) и высотой 0,7 мм , изготовленные из магнитного материала ВТ-1. Цикл обращения — 1,4 мкс.

Постоянная память матричного типа, построена на тех же сердечниках что и ОП. Различие только в порядке прошивки информационных обмоток.

Комплект внешних устройств включал фотосчитывающее устройство с перфолент (ФСУ), устройство «быстрой» печати (БП-20) и специализированное абонентское сопряжение для ввода и вывода информации РЛС с параллельным 14-канальным шлейфом. Для контроля информации использовались электронный индикатор для визуального отображения информации (У-5) и кодовые самописцы ПР-16 на магнитной ленте.

ЭВМ М-4 была асинхронной, имела одноадресную систему команд, большой набор арифметических операций, в том числе аппаратно реализованных сложных операций (умножение, двойное сравнение, извлечение квадратного корня и др.) и операций управления. Соблюдался принцип максимальной загрузки всего оборудования. Для преобразования адресов использовалось специальное 10-разрядное устройство. Резервы по производительности использовались для автоматического контроля работы машины путем двойных просчетов отдельных частей программы и запуска тест-программ.

Первое поколение ЭВМ (1948 — 1958 гг.)

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”, M-20, «Сетунь», БЭСМ-2, «Раздан». Они были значительных размеров, потребляли большую мощность, имели невысокую надежность работы и слабое программное обеспечение. Быстродействие их не превышало 2—3 тысяч операций в секунду, емкость оперативной памяти—2К или 2048 машинных слов (1K=1024) длиной 48 двоичных знаков. В 1958 г. появилась машина M-20 с памятью 4К и быстродействием около 20 тысяч операций в секунду. В машинах первого поколения были реализованы основные логические принципы построения электронно-вычислительных машин и концепции Джона фон Неймана, касающиеся работы ЭВМ по вводимой в память программе и исходным данным (числам). Этот период явился началом коммерческого применения электронных вычислительных машин для обработки данных. В вычислительных машинах этого времени использовались электровакуумные лампы и внешняя память на магнитном барабане. Они были опутаны проводами и имели время доступа 1х10-3 с. Производственные системы и компиляторы пока не появились. В конце этого периода стали выпускаться устройства памяти на магнитных сердечниках. Надежность ЭВМ этого поколения была крайне низкой.

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 увеличело 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 программного обеспечения. Появились также специализированные машины, например ЭВМ для решения экономических задач, для управления производственными процессами, системами передачи информации и т.д. К ЭВМ второго поколения относятся:

и ряд других ЭВМ.

ЭВМ БЭСМ-4, М-220, М-222 имели быстродействие порядка 20—30 тысяч операций в секунду и оперативную память—соответственно 8К, 16К и 32К. Среди машин второго поколения особо выделяется БЭСМ-6, обладающая быстродействием около миллиона операций в секунду и оперативной памятью от 32К до 128К (в большинстве машин используется два сегмента памяти по 32К каждый).

Данный период характеризуется широким применением транзисторов и усовершенствованных схем памяти на сердечниках. Большое внимание начали уделять созданию системного программного обеспечения, компиляторов и средств ввода-вывода. В конце указанного периода появились универсальные и достаточно эффективные компиляторы для Кобола, Фортрана и других языков.

Была достигнута уже величина времени доступа 1х10-6 с, хотя большая часть элементов вычислительной машины еще была связана проводами.

Вычислительные машины этого периода успешно применялись в областях, связанных с обработкой множеств данных и решением задач, обычно требующих выполнения рутинных операций на заводах, в учреждениях и банках. Эти вычислительные машины работали по принципу пакетной обработки данных. По существу, при этом копировались ручные методы обработки данных. Новые возможности, предоставляемые вычислительными машинами, практически не использовались.

Именно в этот период возникла профессия специалиста по информатике, и многие университеты стали предоставлять возможность получения образования в этой области.

Чем обусловлено появление

Четвертое поколение ЭВМ наступило после изобретения микропроцессора в 1971 году американской компанией Intel. Изначально микропроцессоры применялись в промышленности, автомобилях и авиации. Большие интегральные системы автоматизировали управление самолетами, станками и автомашинами.

Компьютеры на больших интегральных системах состояли из следующих компонентов:

• плата памяти и дополнительное запоминающее устройство;
• основная панель со сверхбольшой интегральной системой и местом для доппамяти;
• интерфейсы печатной платы и платы дисковода;
• дисковод с функцией считывания и записи информации на магнитные носители;
• внешние магнитные или гибкие носители данных;
• панель для ввода информации.

Все устройства компьютера объединяла единая шина. Она состояла из линии передачи информации, сигналов питания и управления. Это облегчило структуру ЭВМ. Передачу данных производилась с помощью сервисных программ.

Процессор и основное запоминающее устройство были основой ядра персонального компьютера. Основная память состояла из постоянной и оперативной. Постоянное запоминающее устройство записывало и хранило постоянно используемые программы.

Внешние устройства ПК подключались через адаптеры. Ввод-вывод данных осуществлялся через контролеры. Автономный доступ к основной памяти обеспечивал контролер прямого доступа.

Ламповые ЭВМ

Разработка первой серии электронной машины UNIAC (Universal Automatic Computer) начата примерно в 1947 году. Д. П. Эккертом и Д. Мочли, основавшими фирму Eckert-Mauchly. Первый образец UNIAC-1 был построен для Бюро переписи США в 1951 г. UNIAC был создан на базе ЭВМ ENIAC и EDVIAC. Работала с тактовой частотой 2,25 МГц и содержала около 5000 электронных ламп. Ёмкость памяти — 1000 12-разрядных десятичных чисел.

Следующим шагом было увеличение быстродействия памяти, для чего учёные стали исследовать свойства ферритовых колец. Впервые память на магнитных сердечниках была применена в машине «Whirlwind-1». Она представляла собой два куба с 32 × 32 × 17 сердечниками, обеспечивающих хранение 2048 слов для 16-разрядных двоичных чисел.

В разработку электронных компьютеров включилась и фирма IBM, которая в 1952 году выпустила первый промышленный компьютер IBM-701. Машина содержала 4000 электронных ламп и 12 000 германиевых диодов. В 1956 году IBM выпустила новый серийный компьютер — IBM-704, отличавшийся высокой скоростью работы.

После ЭВМ IBM-704 была выпущена машина IBM-709, в архитектурном плане приблизившаяся к машинам второго и третьего поколения.

В 1956 году IBM разработала плавающие магнитные головки на воздушной подушке, изобретение которых позволило создать новый тип памяти — дисковые запоминающие устройства (ЗУ). Впервые ЗУ на дисках появились в машине IBM-305 и RAMAC-650, которая имела пакет из 50 металлических дисков с магнитным покрытием, вращавшихся со скоростью 1200 об/мин. На поверхности диска размещалось 100 дорожек для записи данных 10 000 знаков каждая.

Вслед за первым серийным компьютером UNIAC-1 фирма REMINGTON-RAND в 1952 году выпустила ЭВМ UNIAC-1103, которая работала в 50 раз быстрее.

В октябре 1952 году группа сотрудников фирмы REMINGTON-RAND предложила алгебраическую форму записи алгоритмов; на основе этого офицер военно-морских сил США и руководитель группы программистов, капитан Грейс Хопперт разработала первую программу-компилятор A-0.

Фирма IBM также сделала первые шаги в области автоматизации программирования, создав в 1953 году для машины IBM-701 «Систему быстрого кодирования». В 1957 году группа Д. Бэкуса завершила работу над ставшим впоследствии популярным языком программирования высокого уровня ФОРТРАНОМ. Он способствовал расширению сферы деятельности компьютеров.

В 1951 году фирма Ferranti стала выпускать машину «Марк-1». А через 5 лет выпустила ЭВМ «Pegasus», использующую концепцию регистров общего назначения.

В СССР в 1948 году проблемы развития вычислительной техники становятся общегосударственной задачей.

В 1950 году в Институте точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ АН СССР) организован отдел цифровой ЭВМ для разработки и создания большой ЭВМ. Эту работу возглавил С. А. Лебедев (1902—1974). В 1951 году здесь была спроектирована машина БЭСМ, а в 1952 году началась её эксплуатация. В проекте вначале предлагалось использовать трубки Вильямса, но до 1955 г. в качестве элемента памяти использовали ртутные линии. БЭСМ могла совершать 8 000 оп/с. Серийно она стала выпускаться с 1956 года под названием БЭСМ-2.

Что такое четвертое поколение компьютеров?

Четвертое поколение компьютеров началось с использования микропроцессоров в компьютерных системах. Изобретение микропроцессора произвело революцию в компьютерах, поскольку на одном кремниевом кристалле можно было собрать от сотен до тысяч интегральных схем. В конечном итоге это позволило производителям разработать компьютеры очень компактного размера, которые также могли легко поместиться на столе.

Микропроцессоры обычно разрабатывались с использованием методов LSI (крупномасштабная интеграция) и VLSI (очень крупномасштабная интеграция). Схемы VLSI помогли объединить около 5000 транзисторов и многие другие компоненты схемы на одной микросхеме, называемой микропроцессором. Из-за микропроцессоров компьютеры четвертого поколения были минимизированы, что привело к развитию микрокомпьютеров.

Примечание . Под микропроцессором понимается блок управления, широко используемый в микрокомпьютерах, построенный на небольшом чипе, который может выполнять арифметико-логические операции и помогать взаимодействовать с другими подключенными устройствами. В 1971 году его совместно разработали Федерико Фаггин, Марсиан (Тед) Хофф, Стэнли Мазор и Масатоши Шима.

Микропроцессоры широко использовались в качестве ключевого компонента компьютеров с 1971 по 1980 год. Хотя они все еще используются в компьютерах сегодня, они больше не считаются основной технологией. Поэтому периодом четвертого поколения компьютеров считается с 1971 по 1980 год.

Помимо небольшого размера, компьютеры четвертого поколения были еще более мощными, надежными и недорогими. В конечном итоге это привело к широкому использованию персональных компьютеров (ПК). Это означает, что компьютерные системы стали доступными для массовой аудитории благодаря своей мобильности. Кроме того, в компьютерах использовались распределенные операционные системы, основанные на разделении времени и сети. Что касается языков, компьютеры четвертого поколения использовали языки программирования высокого уровня, такие как C, C ++, DBASE и другие.

Какие характеристики определяют компьютеры четвертого поколения?

В этом случае событием, заставляющим нас задуматься о четвертом революционном действии в области вычислительной техники, является введение микропроцессоров .

Они идут с этим:

• • Очевидное уменьшение размера оборудования.
  • Также разработан чип, который заменяет магнитные кольца памяти.
  • Вы начинаете работать с двумя терминами LSI и VLSI , которые относятся к компонентам чипа.
  • Придуман термин «микрокомпьютер». для обозначения компьютеров, использующих микропроцессоры.
  • Конструкции оборудования намного проще и, следовательно, дешевы.
  • Это, к его вместо этого он заставляет работать на персональных компьютерах , то есть на настольных или домашних компьютерах.
  • Работать над развитием соединения Компьютеры, использующие сети для совместного использования ресурсов.
  • Basic-это основной язык .
  • Появится графический пользовательский интерфейс , который начинает использоваться в конце эпохи и n домашних компьютеров.
  • Также сделан огромный шаг в развитии возможностей суперкомпьютеров .

  ЭВМ первого поколения

  Они были ламповыми машинами 50-х годов. Их элементной базой были электровакуумные лампы. Эти ЭВМ были весьма громоздкими сооружениями, содержавшими в себе тысячи ламп, занимавшими иногда сотни квадратных метров территории, потреблявшими электроэнергию в сотни киловатт.

  Например, одна из первых ЭВМ – ENIAC представляла собой огромный по объему агрегат длиной более 30 метров, содержала 18 тысяч электровакуумных ламп и потребляла около 150 киловатт электроэнергии.

  Для ввода программ и данных применялись перфоленты и перфокарты. Не было монитора, клавиатуры и мышки. Использовались эти машины, главным образом, для инженерных и научных расчетов, не связанных с переработкой больших объемов данных. В 1949 году в США был создан первый полупроводниковый прибор, заменяющий электронную лампу. Он получил название транзистор.

  Сравнение характеристик

  Мы изучили поколения ЭВМ. Таблица ниже позволит нам ориентироваться в соотнесении компьютеров, принадлежащих к той или иной категории, и технологической базы, на которой основано их функционирование. Зависимости следующие:

  Введение

  Человеческое общество по мере своего развития овладевало не только веществом и энергией, но и информацией. С появлением и массовым распространение компьютеров человек получил мощное средство для эффективного использования информационных ресурсов, для усиления своей интеллектуальной деятельности. С этого момента (середина XX века) начался переход от индустриального общества к обществу информационному, в котором главным ресурсом становится информация.

  Возможность использования членами общества полной, своевременной и достоверной информации в значительной мере зависит от степени развития и освоения новых информационных технологий, основой которых являются компьютеры. Рассмотрим основные вехи в истории их развития.

  Начало эпохи

  Первая ЭВМ[1] ENIAC была создана в конце 1945 г. В США.

  Основные идеи, по которым долгие годы развивалась вычислительная техника, были сформулированы в 1946 г. Американским математиком Джоном фон Нейманом. Они получили название архитектуры фон Неймана.

  В 1949 году была построена первая ЭВМ с архитектурой фон Неймана – английская машина EDSAC. Годом позже появилась американская ЭВМ EDVAC.

  В нашей стране первая ЭВМ была создана в 1951 году. Называлась она МЭСМ — малая электронная счетная машина. Конструктором МЭСМ был Сергей Алексеевич Лебедев. Основоположник вычислительной техники в СССР, директор ИТМиВТ, академик АН СССР (1953) и АН УССР (12.02.1945). Герой Социалистического Труда. Лауреат Сталинской премии третьей степени, Ленинской премии и Государственной премии СССР. В 1996 году посмертно награждён медалью «Пионер компьютерной техники» за разработку МЭСМ (Малой Электронной Счётной Машины), первой ЭВМ в СССР и континентальной Европе, а также за основание советской компьютерной промышленности.

  Серийное производство ЭВМ началось в 50-х годах XX века.

  Электронно-вычислительную технику принято делить на поколения, связанные со сменой элементной базы. Кроме того, машины разных поколений различаются логической архитектурой и программным обеспечением, быстродействием, оперативной памятью, способом ввода и вывода информации и т.д.

  Первое поколение

  Первое поколение ЭВМ — ламповые машины 50-х годов. Скорость счета самых быстрых машин первого поколения доходила до 20 тысяч операций в секунду. Для ввода программ и данных использовались перфоленты и перфокарты. Поскольку внутренняя память этих машин была невелика (могла вместить в себя несколько тысяч чисел и команд программы), то они, главным образом, использовались для инженерных и научных расчетов, не связанных с переработкой больших объемов данных. Это были довольно громоздкие сооружения, содержавшие в себе тысячи ламп, занимавшие иногда сотни квадратных метров, потреблявшие электроэнергию в сотни киловатт. Программы для таких машин составлялись на языках машинных команд, поэтому программирование в те времена было доступно немногим.

  

  Второе поколение

  В 1949 году в США был создан первый полупроводниковый прибор, заменяющий электронную лампу. Он получил название транзистор. В 60-х годах транзисторы стали элементной базой дляЭВМ второго поколения. Переход на полупроводниковые элементы улучшил качество ЭВМ по всем параметрам: они стали компактнее, надежнее, менее энергоемкими. Быстродействие большинства машин достигло десятков и сотен тысяч операций в секунду. Объем внутренней памяти возрос в сотни раз по сравнению с ЭВМ первого поколения. Большое развитие получили устройства внешней (магнитной) памяти: магнитные барабаны, накопители на магнитных лентах. Благодаря этому появилась возможность создавать на ЭВМ информационно-справочные, поисковые системы (это связано с необходимостью длительно хранить на магнитных носителях большие объемы информации). Во времена второго поколения активно стали развиваться языки программирования высокого уровня. Первыми из них были ФОРТРАН, АЛГОЛ, КОБОЛ. Программирование как элемент грамотности стало широко распространяться, главным образом среди людей с высшим образованием.

  

  Третье поколение

  Третье поколение ЭВМ создавалось на новой элементной базе — интегральных схемах: на маленькой пластине из полупроводникового материала, площадью менее 1 см 2 монтировались сложные электронные схемы. Их назвали интегральными схемами (ИС). Первые ИС содержали в себе десятки, затем — сотни элементов (транзисторов, сопротивлений и др.). Когда степень интеграции (количество элементов) приблизилась к тысяче, их стали называть большими интегральными схемами — БИС; затем появились сверхбольшие интегральные схемы — СБИС. ЭВМ третьего поколения начали производиться во второй половине 60-х годов, когда американская фирма IBM приступила к выпуску системы машин IBM-360. В Советском Союзе в 70-х годах начался выпуск машин серии ЕС ЭВМ (Единая Система ЭВМ). Переход к третьему поколению связан с существенными изменениями архитектуры ЭВМ. Появилась возможность выполнять одновременно несколько программ на одной машине. Такой режим работы называется мультипрограммным (многопрограммным) режимом. Скорость работы наиболее мощных моделей ЭВМ достигла нескольких миллионов операций в секунду. На машинах третьего поколения появился новый тип внешних запоминающих устройств — магнитные диски. Широко используются новые типы устройств ввода-вывода: дисплеи, графопостроители. В этот период существенно расширились области применения ЭВМ. Стали создаваться базы данных, первые системы искусственного интеллекта, системы автоматизированного проектирования (САПР) и управления (АСУ). В 70-е годы получила мощное развитие линия малых (мини) ЭВМ.

  

  Четвертое поколение

  Очередное революционное событие в электронике произошло в 1971 году, когда американская фирма Intel объявила о создании микропроцессора. Микропроцессор — это сверхбольшая интегральная схема, способная выполнять функции основного блока компьютера — процессора. Первоначально микропроцессоры стали встраивать в различные технические устройства: станки, автомобили, самолеты. Соединив микропроцессор с устройствами ввода-вывода, внешней памяти, получили новый тип компьютера: микроЭВМ. МикроЭВМ относятся к машинам четвертого поколения. Существенным отличием микроЭВМ от своих предшественников являются их малые габариты (размеры бытового телевизора) и сравнительная дешевизна. Это первый тип компьютеров, который появился в розничной продаже.

  Самой популярной разновидностью ЭВМ сегодня являются персональные компьютеры (ПК). Первый ПК появился на свет в 1976 году в США. С 1980 года «законодателем мод» на рынке ПК становится американская фирма IBM. Ее конструкторам удалось создать такую архитектуру, которая стала фактически международным стандартом на профессиональные ПК. Машины этой серии получили название IBM PC (Personal Computer). Появление и распространение ПК по своему значению для общественного развития сопоставимо с появлением книгопечатания. Именно ПК сделали компьютерную грамотность массовым явлением. С развитием этого типа машин появилось понятие «информационные технологии», без которых уже становится невозможным обойтись в большинстве областей человеческой деятельности.

  

  Другая линия в развитии ЭВМ четвертого поколения, это — суперкомпьютер. Машины этого класса имеют быстродействие сотни миллионов и миллиарды операций в секунду. Суперкомпьютер – это многопроцессорный вычислительный комплекс.

  Заключение

  Разработки в области вычислительной техники продолжаются. ЭВМ пятого поколения — это машины недалекого будущего. Основным их качеством должен быть высокий интеллектуальный уровень. В них будет возможным ввод с голоса, голосовое общение, машинное «зрение», машинное «осязание».