Вычислительные машины второго поколения ЭВМ

Компьютеры второго поколения были построены на основе

«Появление электронных вычислительных машин совершило переворот в применении математики для решения важнейших проблем физики, механики, астрономии, химии и других наук.» — академик С.А. Лебедев

Электронная вычислительная машина, компьютер — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

Развитие ЭВМ делится на несколько периодов. Поколения ЭВМ каждого периода отличаются друг от друга элементной базой и математическим обеспечением.

ЭВМ 2-го поколения были разработаны в 1950-х- начале 1960-х гг. В качестве основного элемента были использованы уже не электронные лампы, а полупроводниковые диоды и транзисторы , а в качестве устройств памяти стали применяться магнитные сердечники и магнитные барабаны — далекие предки современных жестких дисков. Компьютеры стали более надежными, быстродействие их повысилось, потребление энергии уменьшилось, уменьшились габаритные размеры машин.

С появлением памяти на магнитных сердечниках цикл ее работы уменьшился до десятков микросекунд. Главный принцип структуры — централизация. Появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, устройства памяти на магнитных дисках. Кроме этого, появилась возможность программирования на алгоритмических языках. Были разработаны первые языки высокого уровня — Фортран, Алгол , Кобол . Быстродействие машин 2-го поколения уже достигала 100-5000 тыс. оп. /сек.

Характерные черты ЭВМ второго поколения

1.Элементная база – транзисторы
2.Соединение элементов – печатные платы и навесной монтаж.
3.Габариты – ЭВМ выполнена в виде однотипных стоек
4.Быстродействие – 100 – 500 тыс. операций в секунду.

5.Программирование – на алгоритмических языках, появление ОС. Оперативная память – 2 – 32 Кбайт.
6.Введен принцип разделения времени.
7.Введен принцип микропрограммного управления.
8.Недостаток – несовместимость программного обеспечения.

БЭСМ-6 была разработана группой инженеров под руководством С.А. Лебедева в 1965г., поступила в производство в 1968 году. Всего было выпущено 367 моделей. БЭСМ-6 – это первая суперЭВМ, сконструированная на элементной базе второго поколения.
БЭСМ-6 имеет достойные технические показатели:
быстродействие – около 1 млн. операций/с.;
объем ОЗУ – от 32 до 128 тысяч слов;
тактовая частота – 9 МГц;
элементная база – 60 тыс. транзисторов;
время умножения – 1,9 мкс;
время деления – 4,9 мкс;
время выполнения логических поразрядных операций – 0,5 мкс.
Для БЭСМ-6 существовало много реализаций популярных на то время языков программирования: Алгол, Фортран, Паскаль, АПЛ, Лисп, Плэнер и т.д.

«МИР» — серийная ЭВМ для инженерных расчётов, создана в 1965 году Институтом кибернетики Академии наук УССР, под руководством академика В. М. Глушкова.

Одна из первых в мире однопользовательских ЭВМ. Выпускалась для использования в учебных заведениях, инженерных бюро, научных организациях. В 1968 году машина Система счисления десятичная (двоично-десятичная). Числа могли быть представлены как целые десятичные со знаком, с десятичным порядком и с плавающей запятой. В комплект машины входила электрическая печатная машинка Soemtron для ввода и вывода информации со скоростью 7 знаков в секунду.

Элементная база семейства «МИР» выполнена на унифицированных потенциальных элементах «МИР-1», выполненных в модульном исполнении.

Характеристики машины « МИР-1 »

Оперативная память: 409612-разрядных слов

Внешняя память: 8-дорожечная перфолента

Быстродействие: 200–300 оп/сек для операций над 5-разрядными числами, типа управления — 50’000 оп/сек, среднее — 3000–4000 оп/сек

Достоинства и недостатки

К положительным показателям ЭВМ второго типа относятся:

• габариты: если ламповые устройства занимали целые здания, то транзисторные машины были чуть выше человеческого роста;
• скорость работы возросла до 500 тыс. операций в секунду;
• оперативная память достигала 32 Килобайт;
• появление новой профессии – оператор ЭВМ;
• создание языков программирования и первых операционных систем;
• относительно низкая цена: компьютеры стали доступны для вузов.

Из недостатков стоит отметить несовместимость программного обеспечения на разных моделях вычислительных машин.

Первое поколение. Компьютеры на электронных лампах (194х-1955)

Быстродействие: несколько десятков тысяч операций в секунду.

Особенности:

• Поскольку лампы имеют существенные размеры и их тысячи, то машины имели огромные размеры.
• Поскольку ламп много и они имеют свойство перегорать, то часто компьютер простаивал из-за поиска и замены вышедшей из строя лампы.
• Лампы выделяют большое количество тепла, следовательно, вычислительные машины требуют специальные мощные охладительные системы.

Примеры компьютеров:

Колоссус – секретная разработка британского правительства (в разработке принимал участие Алан Тьюринг). Это первый в мире электронный компьютер, хотя и не оказавший влияние на развитие компьютерной техники (из-за своей секретности), но помог победить во Второй мировой войне.

Эниак. Создатели: Джон Моушли и Дж. Преспер Экерт. Вес машины 30 тонн. Минусы: использование десятичной системы счисления; множество переключателей и кабелей.

Эдсак. Достижение: первая машина с программой в памяти.

Whirlwind I. Слова малой длины, работа в реальном времени.

Компьютер 701 (и последующие модели) фирмы IBM. Первый компьютер, лидирующий на рынке в течение 10 лет.

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

Четвертое поколение

Значительные успехи в разработках ЭВМ привели к появлению больших интегральных схем. Представляли они собой кристалл, который включал в себя тысячи электронных элементов. Благодаря низкой стоимости и неплохим параметрам ЭВМ на БИС получили огромную популярность.

В апреле 1976 года два друга разработали первый в мире персональный компьютер. Известные многим Стив Джобс и Стив Возняк трудились вечерами в гараже над созданием ПК, который впоследствии получил название Appl и обрел огромную популярность. Уже через год была создана одноименная компания, которая занялась выпуском персональных компьютеров.

Второе поколение компьютеров (1955-1964)

Следующим крупным шагом в истории компьютерной техники, стало изобретение транзистора в 1947 году. Они стали заменой хрупким и энергоёмким лампам. О компьютерах на транзисторах обычно говорят как о «втором поколении», которое доминировало в 1950-х и начале 1960-х. Благодаря транзисторам и печатным платам, было достигнуто значительное уменьшение размеров и объёмов потребляемой энергии, а также повышение надёжности. Например, IBM 1620 на транзисторах, ставшая заменой IBM 650 на лампах, была размером с офисный стол. Однако компьютеры второго поколения по-прежнему были довольно дороги и поэтому использовались только университетами, правительствами, крупными корпорациями.

Быстродействие до миллиона операций в секунду! (сравните несколько тысяч у ламповых компьютеров).

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.

Стали применяться внешние накопители на жестких магнитных дисках и на флоппи-дисках — промежуточный уровень памяти между накопителями на магнитных лентах и оперативной памятью.

В 1964 году появился первый монитор для компьютеров — IBM 2250. Это был монохромный дисплей с экраном 12 х 12 дюймов и разрешением 1024 х 1024 пикселов. Он имел частоту кадровой развертки 40 Гц. Создаваемые на базе компьютеров системы управления потребовали от ЭВМ более высокой производительности, а главное — надежности. В компьютерах стали широко использоваться коды с обнаружением и исправлением ошибок, встроенные схемы контроля. В машинах второго поколения были впервые реализованы режимы пакетной обработки и телеобработки информации.

Первой ЭВМ, в которой частично использовались полупроводниковые приборы вместо электронных ламп, была машина SEAC (Standarts Eastern Automatic Computer), созданная в 1951 году.

Но главные достижения этой эпохи принадлежат к области программ. На втором поколении компьютеров впервые появилось то, что сегодня называется операционной системой. Тогда же были разработаны первые языки высокого уровня — Фортран, Алгол, Кобол. Эти два важных усовершенствования позволили значительно упростить и ускорить написание программ для компьютеров; программирование, оставаясь наукой, приобретает черты ремесла.

Соответственно расширялась и сфера применения компьютеров. Теперь уже не только ученые могли рассчитывать на доступ к вычислительной технике; компьютеры нашли применение в планировании и управлении, а некоторые крупные фирмы даже компьютеризовали свою бухгалтерию, предвосхищая моду на двадцать лет. Элементной базой второго поколения стали полупроводники. Без сомнения, транзисторы можно считать одним из наиболее впечатляющих чудес XX века. Патент на открытие транзистора был выдан в 1948 году американцам Д.Бардину и У.Браттейну, а через восемь лет они вместе с теоретиком В. Шокли стали лауреатами Нобелевской премии. Скорости переключения уже первых транзисторных элементов оказались в сотни раз выше, чем ламповых, надежность и экономичность – тоже. Впервые стала широко применяться память на ферритовых сердечниках и тонких магнитных пленках, были опробованы индуктивные элементы – параметроны. Первая бортовая ЭВМ для установки на межконтинентальной ракете – «Атлас» – была введена в эксплуатацию в США в 1955 году. В машине использовалось 20 тысяч транзисторов и диодов, она потребляла 4 киловатта. В 1961 году наземные компьютеры «стретч» фирмы «Бэрроуз» управляли космическими полетами ракет «Атлас», а машины фирмы IBM контролировали полет астронавта Гордона Купера. Под контролем ЭВМ проходили полеты беспилотных кораблей типа «Рейнджер» к Луне в 1964 году, а также корабля «Маринер» к Марсу. Аналогичные функции выполняли и советские компьютеры. В 1956 г. фирмой IBM были разработаны плавающие магнитные головки на воздушной подушке. Изобретение их позволило создать новый тип памяти – дисковые запоминающие устройства, значимость которых была в полной мере оценена в последующие десятилетия развития вычислительной техники. Первые запоминающие устройства на дисках появились в машинах IBM-305 и RAMAC(Приложение 4). Последняя имела пакет, состоявший из 50 металлических дисков с магнитным покрытием, которые вращались со скоростью 12000 об/мин. На поверхности диска размещалось 100 дорожек для записи данных, по 10000 знаков каждая. Первые серийные универсальные ЭВМ на транзисторах были выпущены в 1958 году одновременно в США, ФРГ и Японии. Появляются первые мини-ЭВМ (например, PDP-8 (Приложение 5)). В Советском Союзе первые безламповые машины «Сетунь», «Раздан» и «Раздан-2» были созданы в 1959-1961 годах. В 60-х годах советские конструкторы разработали около 30 моделей транзисторных компьютеров, большинство которых стали выпускаться серийно. Наиболее мощный из них – «Минск-32» выполнял 65 тысяч операций в секунду. Появились целые семейства машин: «Урал», «Минск», БЭСМ. Рекордсменом среди ЭВМ второго поколения стала БЭСМ-6 (Приложение 6), имевшая быстродействие около миллиона операций в секунду – одна из самых производительных в мире. Архитектура и многие технические решения в этом компьютере были настолько прогрессивными и опережающими свое время, что он успешно использовался почти до нашего времени. Специально для автоматизации инженерных расчетов в Институте кибернетики Академии наук УССР под руководством академика В.М. Глушкова были разработаны компьютеры МИР (1966) и МИР-2 (1969). Важной особенностью машины МИР-2 явилось использование телевизионного экрана для визуального контроля информации и светового пера, с помощью которого можно было корректировать данные прямо на экране. Построение таких систем, имевших в своем составе около 100 тысяч переключательных элементов, было бы просто невозможным на основе ламповой техники. Таким образом, второе поколение рождалось в недрах первого, перенимая многие его черты. Однако к середине 60-х годов бум в области транзисторного производства достиг максимума – произошло насыщение рынка. Дело в том, что сборка электронного оборудования представляла собой весьма трудоемкий и медленный процесс, который плохо поддавался механизации и автоматизации. Таким образом, созрели условия для перехода к новой технологии, которая позволила бы приспособиться к растущей сложности схем путем исключения традиционных соединений между их элементами.