Поколения ЭВМ: элементная база. История поколений ЭВМ

Русские Блоги

ENIAC：

В 1946 году ЭВМ был разработан и изготовлен Джоном Мокли с факультета электронной инженерии Пенсильванского университета и одним из его аспирантов Джоном Экаком. Он весит около 30 тонн, занимает площадь 1500 квадратных футов, имеет 18 000 электронных ламп и мощность 140 кВт. Выполняйте 5000 сложений в секунду. Это десятичная машина. Ручное программирование осуществляется подключением и отключением кабельной головки после установки переключателя. Снесен в 1995 году.

Машина фон Неймана:

Основная идея: если программа может существовать в памяти с данными в какой-либо форме, процесс программирования может быть упрощен, компьютер может получать инструкции, перечитывая программу в памяти, и, задав часть значения памяти, он может написать и изменить программу.

Эта идея называется «концепцией хранимой программы».

В 1946 году фон Нейман разработал новый тип компьютера с хранимой программой в Принстонском институте перспективных исследований, названный компьютером IAS. Компьютер IAS стал прототипом универсального компьютера.

В 1947 году Джон Мокли и Джон Экак основали компанию Mokley-Ecak по производству коммерческих компьютеров. Наиболее удачными моделями являются: UNIVAC Ⅰ (Универсальный автоматический компьютер) и UNIVAC Ⅱ.

IBM выпустила свой первый компьютер для хранения программ IBM701 в 1953 году, в основном для научных приложений, и IBM702 в 1955 году, подходящий для коммерческих приложений. Это начальные продукты серии 700/7000, что делает IBM доминирующим производителем компьютеров.

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.

История развития компьютерной техники

Потребность в хранении, преобразовании и передачи информации у человека появилась значительно раньше, чем был создан телеграфный аппарат, первая телефонная станция и электронная вычислительная машина (ЭВМ). Фактически весь опыт, все знания, накопленные человечеством, так или иначе, способствовали появлению вычислительной техники. История создания ЭВМ — общее название электронных машин для выполнения вычислений — начинается далеко в прошлом и связана с развитием практически всех сторон жизни и деятельности человека. Сколько существует человеческая цивилизация, столько времени используется определенная автоматизация вычислений.

История развития компьютерной техники насчитывает около пяти десятилетий. За это время сменилось несколько поколений ЭВМ. Каждое следующее поколение отличалось новыми элементами (электронные лампы, транзисторы, интегральные схемы), технология изготовления которых была принципиально иной. В настоящее время существует общепринятая классификация поколений ЭВМ:

• Первое поколение (1946 — начало 50-х гг.). Элементная база — электронные лампы. ЭВМ отличались большими габаритами, большим потреблением энергии, малым быстродействием, низкой надежностью, программированием в кодах.
• Второе поколение (конец 50-х — начало 60-х гг.). Элементная база — полупроводниковые элементы. Улучшились по сравнению с ЭВМ предыдущего поколения практически все технические характеристики. Для программирования используются алгоритмические языки.
• 3-е поколение (конец 60-х — конец 70-х). Элементная база — интегральные схемы, многослойный печатный монтаж. Резкое снижение габаритов ЭВМ, повышение их надежности, увеличение производительности. Доступ с удаленных терминалов.
• Четвёртое поколение (с середины 70-х — конец 80-х). Элементная база — микропроцессоры, большие интегральные схемы. Улучшились технические характеристики. Массовый выпуск персональных компьютеров. Направления развития: мощные многопроцессорные вычислительные системы с высокой производительностью, создание дешевых микроЭВМ.
• Пятое поколение (с середины 80-х гг.). Началась разработка интеллектуальных компьютеров, которая пока не увенчалась успехом. Внедрение во все сферы компьютерных сетей и их объединение, использование распределенной обработки данных, повсеместное применение компьютерных информационных технологий.

Вместе со сменой поколений ЭВМ менялся и характер их использования. Если сначала они создавались и использовались в основном для решения вычислительных задач, то в дальнейшем сфера их применения расширилась. Сюда можно отнести обработку информации, автоматизацию управления производственно-технологическими и научными процессами и многое другое.

Второе поколение компьютеров: 1956-1963 годы

Электронные вакуумные лампы выделяли большое количество тепла, поглощали много электрической энергии, были громоздкими, дорогими и ненадежными. Как бедствие, компьютеры первого поколения, построенные на вакуумных лампах, обладали низким быстродействием и невысокой надежностью. В 1947 году сотрудники американской компании «Белл» Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Бреттейн изобрели транзистор. Транзисторы выполняли те же функции, что и электронные лампы, но использовали электрические свойства полупроводников. Посравнению с вакуумными трубками транзисторы занимали в 200 раз меньше места и потребляли в 100 раз меньше электроэнергии. В то же время появляются новые устройства для организации памяти компьютеров — ферритовые сердечники изобретением транзистора и использованием новых технологий хранения данных в памяти появилась возможность значительно уменьшить размеры компьютеров, сделать их более быстрыми и надежными, а также значительно увеличить емкость памяти компьютеров.
В 1954 году компания Texas Instruments объявила о начале серийного производства транзисторов, а в 1956 году ученые Массачусетского технологического института создали первый полностью построенный на транзисторах компьютер ТХ-О.

Машинный язык, применявшийся в первом поколении компьютеров, был крайне неудобен для восприятия человеком. Числовая кодировка операций, адресов ячеек и обрабатываемой информации, зависимость вида программы от ее места в памяти не давали возможности следить за смыслом программы. Для преодоления этих неудобств был придуман язык ассемблер. Для записи кодов операций и обрабатываемой информации в ассемблере используются стандартные обозначения, позволяющие записывать числа и текст в общепринятой форме, а для кодов команд — принятые мнемонические обозначения. Для обозначения величин, размещаемых в памяти, можно применять любые имена, отвечающие смыслу программы. После ввода программы ассемблер сам заменяет символические имена на адреса памяти, а символические коды команд на числовые. Использование ассемблера сделало процесс написания программ более наглядным.
В конце 50-х — начале 60-х годов компьютеры второго поколения стали интенсивно использоваться государственными организациями и крупными компаниями для решения различных задач. К 1965 году большая часть крупных компаний обрабатывала финансовую информацию с помощью компьютеров. Постепенно они приобретали черты современного нам компьютера. Так, в этот период были сконструированы такие устройства, как графопостроитель и принтер, носители информации на магнитной ленте и магнитных дисках и др.
Расширение области применения компьютеров потребовало создания новых технологий программирования. Программное обеспечение, написанное на языке ассемблер для одного компьютера, было непригодно для работы на другом компьютере. По этой причине, в частности, не удавалось создать стандартную операционную систему — основную управляющую программу компьютера, так как каждый производитель компьютеров разрабатывал свою операционную систему на своем ассемблере.
Специалисты, использующие в своей деятельности компьютеры, вскоре ощутили потребность в более естественных языках, которые бы упрощали процесс программирования, а также позволяли переносить программы с одного компьютера на другой. Подобные языки программирования получили название языков высокого уровня. Для их использования необходимо иметь компилятор (или интерпретатор), то есть программу, которая преобразует операторы языка в машинный язык данного компьютера.
Одним из первых языков программирования высокого уровня стал Фортран (FORTRAN — FORmula TRANslation), который предназначался для естественного сражения математических алгоритмов и стал необычайно популярен среди ученых. Нa Фортране можно писать большие программы, разбивая задачу на несколько частей (подпрограммы), которые программируются отдельно, а затем объединяются в единое целое. Так как Фортран предназначен в основном для вычислений, в нем отсутствовали развитые средства работы со структурами данных. Этот недостаток был исправлен в языке Кобол (COBOL — Common Business Oriented Language). Кобол специально предназначался для обработки финансово-экономических данных. Кроме того, разработчики постарались сделать Кобол максимально похожим на естественный английский язык, что позволило писать программы на этом языке даже неспециалистам в программировании. Со вторым поколением компьютеров началось развитие индустрии программного обеспечения.
В целом, данный период развития вычислительной техники характеризуется применением для создания компьютеров транзисторов и памяти на ферритовых сердечниках, увеличением быстродействия компьютеров до нескольких сотен тысяч операций в секунду, возникновением новых технологий программирования, языкoв программирования высокого уровня, операционных систем. Компьютеры второго поколения получили широкое распространение, они использовались для научных, инженерных и финансовых расчетов, для обработки больших объемов данных на предприятиях, в банках, государственных организациях.

Пятое поколение компьютеров (1990-…)

Термин «пятое поколение компьютеров» считается спорным. История предыдущих четырех поколений показывает, что усовершенствования происходили за счет увеличения количества элементов на единицу площади. По этой логике от компьютеров пятого поколения ожидались параллельные вычисления — взаимодействие огромного количества процессоров.

В начале $80$-х Япония объявила правительственную программу по разработке компьютеров нового типа. Разработчики делали ставку на параллельные вычисления, многопроцессорность и переход от процедурных языков программирования к языкам, основанным на логике. По мнению специалистов использование таких языков должно было бы сделать программы самообучаемыми и тем самым приблизить человечество на шаг к реализации искусственного интеллекта.

Одновременно в СССР была предпринята попытка создания многопроцессорного компьютера «Марс».

Однако, оказалось, что параллельная работа нескольких процессоров не дает той высокой производительности, которая ожидалась. Разработанные образцы быстро устаревали. Что же касается языков, основанных на логике, выяснилось, что они не позволяют создавать программы необходимого уровня сложности без использования обычных процедурных подходов.

Поэтому многие специалисты считают, что пятое поколение компьютеров не состоялось как таковое, а для дальнейшего совершенствования нужны принципиально новые технологии. Другие утверждают, что все-таки можно называть пятым поколением реализацию параллельных вычислений и облачных технологий.

Второе поколение ЭВМ

Какова дальнейшая история развития ЭВМ? Поколения ЭВМ стали развиваться далее. В 60-х годах получают распространение компьютеры, использующие уже не только вакуумные лампы, но также и полупроводники. Значительно повысилась тактовая частота микросхем – обычным делом считался показатель в 100 тыс. герц и выше. Появились первые магнитные диски как альтернатива перфокартам. В 1964 году компания IBM выпустила уникальный продукт – отдельный компьютерный монитор с достаточно приличными характеристиками – 12-дюймовой диагональю, разрешением 1024 на 1024 точек, а также частотой развертки в 40 Гц.

Чем примечательно третье поколение ЭВМ? Прежде всего, переводом компьютеров с ламп и полупроводников на интегральные схемы, которые, не считая ЭВМ, стали использоваться во множестве других электронных устройств.

Впервые возможности интегральных схем были показаны миру стараниями инженера Джека Килби и компании Texas Instruments в 1959 году. Джек создал небольшую конструкцию, выполненную на пластинке из металла германия, которая, как предполагалось, заменит собой сложные полупроводниковые конструкции. В свою очередь, компания Texas Instruments создала компьютер, собранный на базе подобных пластинок. Самое примечательное, что он был в 150 раз меньше, чем аналогичной производительности полупроводниковая ЭВМ. Технология интегральных схем получила дальнейшее развитие. Большую роль в этом сыграли исследования Роберта Нойса.

Эти аппаратные компоненты позволили, прежде всего, значительно уменьшить габариты ЭВМ. В результате произошло существенное повышение производительности компьютеров. Третье поколение ЭВМ характеризовалось выпуском ЭВМ с тактовой частотой, выражаемой уже в мегагерцах. Уменьшилось также и энергопотребление компьютеров.

Стали более совершенными технологии записи данных и обработки их в модулях ОЗУ. Что касается оперативной памяти, ферритовые элементы стали более емкими, технологически совершенными. Появились сначала прототипы, а затем и первые версии дискет, используемые как внешний носитель данных. В архитектуре ПК появилась кэш-память.Стандартной средой взаимодействия пользователя и компьютера стало окно дисплея.

Происходило дальнейшее совершенствование программных компонентов. Появились полноценные операционные системы, стало разрабатываться самое разнообразное прикладное ПО, были внедрены концепции многозадачности в работу ЭВМ. В рамках ЭВМ третьего поколения появляются такие программы, как системы управления базами данных, а также ПО для автоматизации проектных работ. Появляется все больше языков программирования и сред, в рамках которых осуществляется создание ПО.

Пятое поколение — невидимые компьютеры

В 1981 году правительство Японии объявило о намерениях выделить национальным компаниям 500 миллионов долларов на разработку компьютеров пятого поколения на основе технологий искусственного интеллекта, которые должны были потеснить «тугие на голову» машины четвертого поколения. Наблюдая за тем, как японские компании оперативно захватывают рыночные позиции в самых разных областях промышленности — от фотоаппаратов до стереосистем и телевизоров, — американские и европейские производители в панике бросились требовать у своих правительств аналогичных субсидий и прочей поддержки. Однако несмотря на большой шум, японский проект разработки компьютеров пятого поколения в конечном итоге показал свою несостоятельность и был аккуратно «задвинут в дальний ящик». В каком-то смысле эта ситуация оказалась близка той, с которой столкнулся Беббидж: идея настолько опередила свое время, что для ее реализации не нашлось адекватной технологической базы.

Тем не менее то, что можно назвать пятым поколением компьютеров, все же материализовалось, но в весьма неожиданном виде — компьютеры начали стремительно уменьшаться. Модель Apple Newton, появившаяся в 1993 году, наглядно доказала, что компьютер можно уместить в корпусе размером с кассетный плеер. Рукописный ввод, реализованный в Newton, казалось бы, усложнил дело, но впоследствии пользовательский интерфейс подобных машин, которые теперь называются персональными электронными секретарями (Personal Digital Assistants, PDA), или просто карманными компьютерами, был усовершенствован и приобрел широкую популярность. Многие карманные компьютеры сегодня не менее мощны, чем обычные ПК двух-трехлетней давности.

Но даже карманные компьютеры не стали по-настоящему революционной разработкой. Значительно большее значение придается так называемым «невидимым» компьютерам — тем, что встраиваются в бытовую технику, часы, банковские карточки и огромное количество других устройств. Процессоры этого типа предусматривают широкие функциональные возможности и не менее широкий спектр вариантов применения за весьма умеренную цену. Вопрос о том, можно ли свести эти микросхемы в одно полноценное поколение (а существуют
они с 1970-х годов), остается дискуссионным. Факт в том, что они на порядок расширяют возможности бытовых и других устройств. Уже сейчас влияние невидимых компьютеров на развитие мировой промышленности очень велико, и с годами оно будет возрастать. Одной из особенностей такого рода компьютеров является то, что их аппаратное и программное обеспечение зачастую проектируется методом соразработки.

Пятое поколение

Период расцвета четвертого поколения компьютеров — середина-конец 80-х годов. Но уже в начале 90-х на рынке IT-технологий начали происходить процессы, позволившие начать отсчет новому поколению ЭВМ. Речь идет о значительных шагах вперед, прежде всего, в инженерно-технических наработках, связанных с процессорами. Появились микросхемы с архитектурой, относимой к типу параллельно-векторной.

Пятое поколение ЭВМ — это невероятные темпы роста производительности машин из года в год. Если в начале 90-х тактовая частота микропроцессоров в несколько десятков мегагерц считалась хорошим показателем, то к началу 2000-х никто не удивлялся гигагерцам. Компьютеры, которыми мы пользуемся сейчас, как полагают IT-эксперты, — это также пятое поколение ЭВМ. То есть, технологический задел начала 90-х актуален до сих пор.

ПК, относящиеся к пятому поколению, стали не просто вычислительными машинами, а полноценными мультимедийными инструментами. На них стало возможно монтировать фильмы, работать с изображениями, записывать и обрабатывать звук, создавать инженерные проекты, запускать реалистичные 3D-игры.

Список литературы

1. Алтухов Е.В., Рыбалко Л.А., Савченко В.С. Основы информатики и вычислительной техники, М., «Высшая школа», 1993.
2. Симонович С.В., Евсеев Г.А., Алексеев А.Г. Общая информатика, М., 1998.
3. Шафрин Ю. Информационные технологии, М., 1999.
4. В.Э.Фигурнов, «IBM PC для пользователя», М., «Инфра-М»1996г.
5. Казиев В.М. Математика и информатика (в 3-х частях). – Нальчик, «Полиграфсервис и Т», 2002.

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.

В случае копирования материалов, указание web-ссылки на сайт natalibrilenova.ru обязательно.