Поколения ЭВМ
Можно выделить (5) основных поколений ЭВМ . Но деление компьютерной техники на поколения — весьма условная.
1. Элементная база: электронно-вакуумные лампы.
2. Соединение элементов: навесной монтаж проводами.
3. Габариты: ЭВМ выполнена в виде громадных шкафов.
Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами, которые могли приобрести крупные корпорации и правительства.
Лампы потребляли большое количество электроэнергии и выделяли много тепла.
4. Быстродействие: (10-20) тыс. операций в секунду.
5. Эксплуатация: сложная из-за частого выхода из строя электронно-вакуумных ламп.
6. Программирование: машинные коды. При этом надо знать все команды машины, двоичное представление, архитектуру ЭВМ. В основном были заняты математики-программисты. Обслуживание ЭВМ требовало от персонала высокого профессионализма.
7. Оперативная память: до (2) Кбайт.
8. Данные вводились и выводились с помощью перфокарт, перфолент.
В (1948) году Джон Бардин, Уильям Шокли, Уолтер Браттейн изобрели транзистор, за изобретение транзистора они получили Нобелевскую премию в (1956) г.
В (1958) году создана машина М-20 , выполнявшая (20) тыс. операций в секунду — самая мощная ЭВМ (50-х) годов в Европе.
1. Элементная база: полупроводниковые элементы (транзисторы, диоды).
2. Соединение элементов: печатные платы и навесной монтаж.
3. Габариты: ЭВМ выполнена в виде однотипных стоек, чуть выше человеческого роста, но для размещения требовался специальный машинный зал.
4. Быстродействие: (100-500) тыс. операций в секунду.
5. Эксплуатация: вычислительные центры со специальным штатом обслуживающего персонала, появилась новая специальность — оператор ЭВМ .
6. Программирование: на алгоритмических языках, появление первых операционных систем .
7. Оперативная память: (2-32) Кбайт.
8. Введён принцип разделения времени — совмещение во времени работы разных устройств.
Уже начиная со второго поколения, машины стали делиться на большие, средние и малые по признакам размеров, стоимости, вычислительных возможностей.
Так, небольшие отечественные машины второго поколения (« Наири », « Раздан », « Мир » и др.) были в конце (60)-х годов вполне доступны каждому вузу, в то время как упомянутая выше БЭСМ-6 имела профессиональные показатели (и стоимость) на (2-3) порядка выше.
В (1958) году Джек Килби и Роберт Нойс , независимо друг от друга, изобретают интегральную схему (ИС).
В (1965) году начат выпуск семейства машин третьего поколения IBM-360 (США). Модели имели единую систему команд и отличались друг от друга объёмом оперативной памяти и производительностью.
В (1967) году начат выпуск БЭСМ — 6 ((1) млн. операций в (1) с) и « Эльбрус » ((10) млн. операций в (1) с).
В (1968) году сотрудник Стэндфордского исследовательского центра Дуглас Энгельбарт продемонстрировал работу первой мыши.
В (1969) году фирма IBM разделила понятия аппаратных средств (hardware) и программные средства (software). Фирма начала продавать программное обеспечение отдельно от железа, положив начало индустрии программного обеспечения.
(29) октября (1969) года проходит проверка работы самой первой глобальной военной компьютерной сети ARPANet , связывающей исследовательские лаборатории на территории США.
В (1971) году создан первый микропроцессор фирмой Intel . На (1) кристалле сформировали (2250) транзисторов.
1. Элементная база: интегральные схемы.
2. Соединение элементов: печатные платы.
3. Габариты: ЭВМ выполнена в виде однотипных стоек.
4. Быстродействие: (1-10) млн. операций в секунду.
5. Эксплуатация: вычислительные центры, дисплейные классы, новая специальность — системный программист .
6. Программирование: алгоритмические языки, операционные системы.
7. Оперативная память: (64) Кбайт.
При продвижении от первого к третьему поколению радикально изменились возможности программирования. Написание программ в машинном коде для машин первого поколения (и чуть более простое на Ассемблере) для большей части машин второго поколения является занятием, с которым подавляющее большинство современных программистов знакомятся при обучении в вузе.
Появление процедурных языков высокого уровня и трансляторов с них было первым шагом на пути радикального расширения круга программистов. Научные работники и инженеры сами стали писать программы для решения своих задач.
Уже в третьем поколении появились крупные унифицированные серии ЭВМ. Для больших и средних машин в США это прежде всего семейство IBM 360/370 . В СССР (70)-е и (80)-е годы были временем создания унифицированных серии: ЕС (единая система) ЭВМ (крупные и средние машины), СМ (система малых) ЭВМ и « Электроника » ( серия микро-ЭВМ).
В их основу были положены американские прототипы фирм IBM и DEC (Digital Equipment Corporation). Были созданы и выпущены десятки моделей ЭВМ, различающиеся назначением и производительностью. Их выпуск был практически прекращен в начале (90)-х годов.
Стив Джобс и Стив Возняк организовали предприятие по изготовлению персональных компьютеров « Apple », предназначенных для большого круга непрофессиональных пользователей. Продавался (Apple 1) по весьма интересной цене — (666,66) доллара. За десять месяцев удалось реализовать около двухсот комплектов.
В (1982) году фирма IBM приступила к выпуску компьютеров IBM РС с процессором Intel 8088 , в котором были заложены принципы открытой архитектуры, благодаря которому каждый компьютер может собираться как из кубиков, с учётом имеющихся средств и с возможностью последующих замен блоков и добавления новых.
1. Элементная база: большие интегральные схемы (БИС).
2. Соединение элементов: печатные платы.
3. Габариты: компактные ЭВМ, ноутбуки.
4. Быстродействие: (10-100) млн. операций в секунду.
5. Эксплуатация: многопроцессорные и многомашинные комплексы, любые пользователи ЭВМ.
6. Программирование: базы и банки данных.
7. Оперативная память: (2-5) Мбайт.
8. Телекоммуникационная обработка данных, объединение в компьютерные сети.
Элементной базой являются сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) с использованием оптоэлектронных принципов (лазеры, голография).
Нулевое поколение. Механические вычислители
Предпосылки к появлению компьютера формировались, наверное, с древних времен, однако нередко обзор начинают со счетной машины Блеза Паскаля, которую он сконструировал в 1642 г. Эта машина могла выполнять лишь операции сложения и вычитания. В 70-х годах того же века Готфрид Вильгельм Лейбниц построил машину, умеющую выполнять операции не только сложения и вычитания, но и умножения и деления.
В XIX веке большой вклад в будущее развитие вычислительной техники сделал Чарльз Бэббидж. Его разностная машина, хотя и умела только складывать и вычитать, зато результаты вычислений выдавливались на медной пластине (аналог средств ввода-вывода информации). В дальнейшем описанная Бэббиджем аналитическая машина должна была выполнять все четыре основные математические операции. Аналитическая машина состояла из памяти, вычислительного механизма и устройств ввода-вывода (прямо таки компьютер … только механический), а главное могла выполнять различные алгоритмы (в зависимости от того, какая перфокарта находилась в устройстве ввода). Программы для аналитической машины писала Ада Ловлейс (первый известный программист). На самом деле машина не была реализована в то время из-за технических и финансовых сложностей. Мир отставал от хода мыслей Бэббиджа.
В XX веке автоматические счетные машины конструировали Конрад Зус, Джорж Стибитс, Джон Атанасов. Машина последнего включала, можно сказать, прототип ОЗУ, а также использовала бинарную арифметику. Релейные компьютеры Говарда Айкена: «Марк I» и «Марк II» были схожи по архитектуре с аналитической машиной Бэббиджа.
Урок 60
§35. История и перспективы развития компьютеров
Прогресс вычислительной техники во многом определялся развитием её элементной базы, т. е. тех базовых деталей (элементов), из которых собирались все устройства электронных машин. В истории вычислительной техники было четыре типа таких базовых элементов (рис. 7.2), поэтому говорят о четырёх поколениях компьютеров.
Рис. 7.2
Компьютеры первого поколения (примерно 1945—1955 годы) работали на электронных лампах. Первой электронно-вычислительной машиной (ЭВМ 1) ), которая могла выполнять вычисления по заложенной в неё программе, принято считать ЭНИАК (сокращение от английского словосочетания Electronic Numeric Integrator and Computer) — рис. 7.3 (фото с сайта www.fi.edu). Эта ЭВМ была построена в 1944 году в США.
1) Термин «ЭВМ» использовался в литературе приблизительно до 80-х годов XX века. Сейчас все разновидности вычислительной техники называют компьютерами, но старые модели по традиции именуются ЭВМ.
Рис. 7.3
Используя дополнительные источники, выясните, какие ЭВМ первого поколения были построены в СССР.
Второе поколение (примерно 1955—1965 годы) появилось тогда, когда на смену лампам в электронных схемах пришли транзисторы — приборы для управления электрическими сигналами на основе кристаллов кремния. На транзисторах удалось собрать логические элементы для выполнения вычислений и элементы памяти.
Используя дополнительные источники, найдите ответы на вопросы.
— Кто и когда изобрёл транзистор?
— Когда и где была построена первая ЭВМ на транзисторах? Как она называлась?
ЭВМ на транзисторах были значительно меньше и имели существенно более высокое быстродействие; они потребляли гораздо меньше энергии, были надёжнее и не требовали таких громоздких систем отвода тепла, как ламповые машины. Многие машины второго поколения уже помещались в обычной комнате среднего размера.
Одна из наиболее быстродействующих ЭВМ второго поколения — БЭСМ-6 (СССР, 1967 год), построенная под руководством Сергея Алексеевича Лебедева.
Некоторые ЭВМ этой серии использовались до начала 90-х годов XX века (рис. 7.4).
Появление третьего поколения ЭВМ (примерно 1967-1975 годы) связано с изобретением интегральной микросхемы. Так называется кристалл, в котором размещается целая электронная схема: несколько транзисторов, резисторы, конденсаторы и другие радиодетали.
Используя дополнительные источники, выясните, кто и когда разработал первую интегральную микросхему.
Казалось бы, размеры этих ЭВМ снова должны были существенно уменьшиться, но этого не произошло. Дело в том, что ЭВМ третьего поколения были предназначены для коллективной (многопользовательской) работы. Это было время крупных вычислительных центров, предоставлявших услуги огромному числу пользователей. Поэтому главное внимание уделялось не уменьшению размеров и стоимости машин, а повышению их вычислительной мощности при обработке больших объёмов данных.
В это время начали выпускать семейства вычислительных машин, которые совместимы между собой как аппаратно (все устройства сконструированы по одинаковым стандартам), так и программно (имеют одинаковую систему команд).
Впервые идею общей архитектуры, обеспечивающей выполнение написанных ранее программ на любой новой модели, предложила фирма IBM, которая разработала семейства больших ЭВМ IBM/360 и IBM/370.
Используя дополнительные источники, выясните, какие семейства ЭВМ третьего поколения разрабатывались в нашей стране.
В результате прогресса в электронике существенно увеличилась плотность «упаковки» элементов на кристалле, и в одной микросхеме стали собирать целые узлы, например микропроцессор. Такие микросхемы стали называть БИС (большие интегральные схемы, от 1000 до 10000 элементов на кристалле), а позднее — СБИС (сверхбольшие ИС, более 10 000 элементов). Именно они стали основой четвёртого поколения компьютеров, которое существует примерно с 1975 года до настоящего времени.
Используя дополнительные источники, выясните, когда и кем был разработал первый микропроцессор. Как он назывался и для чего бы предназначен?
Увеличение плотности схемы позволило повысить быстродействие и надёжность компьютеров. Однако при этом увеличивается теплоотдача от миниатюрных деталей, поэтому требуются специальные меры по отводу тепла (например, установка вентиляторов охлаждения).
Первый процессор Intel 8080, предназначенный специально для компьютеров, был выпущен в 1974 году. На его базе был разработан персональный компьютер Альтаир, имевший большой коммерческий успех. Он вошел в историю ещё и потому, что в 1975 году студент Билл Гейтс со своим другом Полом Алленом написали для него транслятор языка программирования BASIC. Чуть позднее они создали известную компанию Microsoft.
В 1976 году два молодых приятеля Стив Джобс и Стив Возник в гараже родителей Джобса собрали ПК Apple, положивший начало известному ныне семейству компьютеров. А в 1981 году был продемонстрирован первый компьютер другого семейства — IBM PC (IBM Personal Computer), потомки которого в нашей стране особенно широко распространены.
Важное направление в компьютерах четвёртого поколения — параллельная (одновременная) обработка данных. Если задачу удаётся разбить на независимые друг от друга подзадачи, то их не обязательно выполнять друг за другом, они могут для экономии времени работать одновременно. Правда, для этого требуется несколько процессоров, но современный уровень техники это позволяет. Более того, в последние годы построены многоядерные процессоры, т. е. несколько процессоров «упакованы» в одном кристалле.
Мощные многопроцессорные компьютеры, в которых выполняется параллельная обработка данных, называют суперкомпьютерами. Это уникальные устройства, поэтому они изготавливаются штучно. В литературе часто упоминаются суперкомпьютеры серии CRAY, разработанные под руководством Сеймура Крэя.
Используя дополнительные источники, выясните, когда был построен первый суперкомпьютер фирмы CRAY. Какое быстродействие он имел?
Все развитые страны ведут жёсткую конкуренцию в области суперкомпьютеров, поскольку обладание такой техникой позволяет решать стратегически важные вычислительные задачи:
• исследование геофизики Земли, прогнозирование изменений климата на планете;
• создание математических моделей молекул (полимеров, кристаллов и т. п.), синтез новых материалов и лекарств;
• расчёт процессов горения и взрыва, а также моделирование других физических задач (полёт летательных аппаратов, расчёт на прочность кузовов автомобилей);
• моделирование и прогнозирование ситуации в экономике;
• моделирование работы человеческого мозга;
• расчеты процессов нефте- и газодобычи, а также сейсморазведки недр;
• проектирование новых электронных устройств.
В 2009 году в МГУ введён в строй самый мощный российский суперкомпьютер «Ломоносов» производительностью около 400 Тфлопс (рис. 7.5г). В его состав входят 8892 многоядерных процессора (общее число ядер — 35 776). На момент запуска «Ломоносов» занимал в мировом рейтинге суперкомпьютеров ТорбОО двенадцатое место. В 2014 году запущен новый суперкомпьютер «Ломоносов-2», который в несколько раз быстрее своего предшественника.
Используя дополнительные источники, выясните, что такое «флопс» и «Тфлопс».
Используя дополнительные источники, выясните, какой суперкомпьютер считается самым мощным в мире на сегодняшний день. Каково его быстродействие?
Настоящая революция в информационных технологиях связана с появлением разнообразных мобильных компьютеров: ноутбуков, планшетных компьютеров, смартфонов, электронных книг (рис. 7.6). Многие из них имеют сенсорные экраны и могут выполнять функции мобильного телефона и GPS-навигатора.
Следующая страница Рост возможностей компьютеров
Cкачать материалы урока
История ЭВМ: от перфокарт до персональных компьютеров
Ровно 33 года назад, 12 августа 1981 года, на свет появился первый массовый персональный компьютер IBM PC, который со временем стали называть просто PC (ПК). То, что для нас уже давно стало привычным делом, в то время было настоящей революцией. M24.ru выделило основные этапы развития электронно-вычислительных машин.
Электронные вычислительные машины того времени представляли из себя массивные конструкции весом в несколько тонн. Каждый новый этап развития ЭВМ был связан не только с техническим прогрессом, но и с программным. Взять хотя бы Windows, который пришел на смену «бездушному» DOS.
Именно IBM, годом основания которой считается 1889 год, внесла огромный вклад в развитие компьютерной техники. Ее прародительница, корпорация CTR (Computing Tabulating Recording) включала в себя сразу три компании и выпускала самое различное электрическое оборудование: весы, сырорезки, приборы учета времени. После смены директора в 1914 году компания начала специализироваться на создании табуляционных машин (для обработки информации). Спустя 10 лет CTR поменяло свое название на International Business Machines или IBM.
M24.ru выделило основные этапы развития ЭВМ и их основных представителей, давших толчок к развитию современных компьютеров.
Еще в 1888 году инженер Герман Холлерит, основатель IBM, создал первую электромеханическую счетную машину — табулятор, который мог считывать и сортировать данные, закодированные на перфокартах (бумажных карточках с отверстиями). Его даже использовали при переписи населения в 1890 году в США.
При этом история компьютеров IBM началась спустя более полувека, в 1941 году, когда был разработан и создан первый программируемый компьютер «Марк 1» весом порядка 4,5 тонн, 17 метров в длину, 2,5 метра – в высоту. Президент IBM вложил в него 500 тысяч долларов. Впервые «Марк 1» был запущен в Гарвардском университете в 1944 году. Чтобы понять, насколько сложна была конструкция машины, достаточно сказать, что общая длина проводов составила 800 км. При этом компьютер осуществлял три операции сложения и вычитания в секунду.
Первое поколение ЭВМ
Первая ЭВМ, основанная на ламповых усилителях, под названием «Эниак» была создана в США в 1946 году. По размерам она была больше, чем «Марк 1»: 26 метров в длину, 6 метров в высоту, а ее вес составлял около 30 тонн. При этом по производительности «Эниак» в 1000 раз превышала «МАРК-1», а на ее создание ушло почти 500 тысяч долларов. Но у нее были существенные недостатки: очень мало памяти для хранения данных и долгое время перепрограммирования – от нескольких часов и до нескольких дней.
Кстати, среди создателей «Эниак» был ученый Джон фон Нейман, предложивший архитектуру ЭВМ, заложенную в компьютерах с конца 1940-х до середины 1950-х годов. Именно он осуществил переход к двоичной системе счисления и хранению полученной информации.
В 1951 году появился первый коммерческий компьютер UNIVAC, и уже в 1952 году вышел «IBM 701». Это был первый крупный ламповый научный коммерческий компьютер, причем создали его достаточно быстро – в течение двух лет. Его процессор работал значительно быстрее, чем у UNIVAC — 2200 операций в секунду против 455. В одну секунду процессор «IBM 701» мог выполнять почти 17 тысяч операций сложения и вычитания.
Второе поколение ЭВМ
Второе поколение ЭВМ использовало в своей основе транзисторы, созданные в 1947 году. Это была очередная революция, в результате которой существенно уменьшились размеры и энергопотребление компьютеров, так как сами биполярные транзисторы в разы меньше вакуумных ламп.
В 1959 году появились первые компьютеры IBM на транзисторах. Они были надежны, и ВВС США стали использовать их в системе раннего оповещения ПВО. А в 1960 году IBM разработала мощную систему Stretch или «IBM-7030». Она была и вправду сильна – создатели добились 100-кратного увеличения быстродействия. В течение трех лет он был самым быстрым компьютером в мире. Однако со временем IBM уменьшила его стоимость, а вскоре и вовсе сняла с производства.
Третье поколение ЭВМ
Третье поколение компьютеров связано с использованием интегральных схем (в которых используется от десятков до сотен миллионов транзисторов), впервые изготовленных в 1960 году американцем Робертом Нойсом.
В 1964 году IBM объявила о начале работы над целой линейкой IBM System/360.
System/360 хорошо продавалась даже спустя шесть лет после анонса системы. За 6 лет IBM выпустила более 30 тысяч машин. Однако затраты на разработку System/360 были очень велики — около пяти миллиардов долларов. Таким образом, System/360 заложила фундамент для следующих поколений, первым из которых был System/370.
Четвертое поколение ЭВМ
Четвертое поколение связано с использованием микропроцессоров. Первый такой микропроцессор под названием «Intel-4004» был создан в 1971 году компанией Intel, до сих пор остающейся в лидерах. Спустя 10 лет IBM выпустила первый персональный компьютер, который так и назывался IBM PC. Самая дорогая конфигурация стоила 3000 долларов и предназначалась для бизнеса, а конфигурация за 1500 долларов – для дома.
Процессор Intel 8088 работал на частоте 4,77 МГц (сейчас этот показатель в тысячи раз больше), а объем ОЗУ — 64 кбайта (сейчас – в миллионы раз больше). Для хранения информации использовались 5,25-дюймовые флоппи-дисководы. Жесткий диск нельзя было установить из-за недостаточной мощности блока питания.
Интересно, что разработкой компьютера занимались всего четыре человека. Причем IBM не запатентовала ни операционную систему DOS, ни BIOS, что породило огромное количество клонов. Уже в 1996 году IBM уступило первое место по продажам ПК на ею же основанном рынке.
Несмотря на то, что современные гаджеты сильно отличаются по характеристикам от своего предшественника, все они относятся к тому же поколению ЭВМ.
Основные толчки для развития компьютеров дала наука (появление ламп, а затем транзисторов). В настоящее время распространяется ввод информации с голоса, общения с машиной на человеческом языке (приложение Siri в iPhone) и активная работа над роботами. Основное мнение, что будущее – за квантовыми компьютерами, которые будут использовать в своей основе молекулы и нейрокомпьютерами, использующими центральную нервную систему человека и непосредственно его мозг. Однако для того, чтобы эти технологии появились, необходимо досконально изучить эти системы.
