Поколения компьютеров и эволюция средств аппаратной поддержки СПО

История есть не что иное, как последовательная смена отдельных поколений. Это определение справедливо и для истории развития компьютерной техники. Смену поколений определяют в терминах применяемой элементной базы и технологии изготовления электронных схем.

Появление термина «поколение» относится к 1964 г. В этом году корпорация IBM выпустила серию компьютеров IBM/360 на гибридных микросхемах и назвала эту серию компьютерами третьего поколения. Предыдущие компьютеры на электронных лампах и транзисторах стали называть компьютерами первого и второго поколений. Эта классификация вошла в употребление и была расширена с появлением компьютеров четвёртого и пятого поколений.

Началом эры вычислительной техники принято считать год создания компьютера ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer – электронный числовой интегратор и компьютер, США, 1946 г.). За одну секунду машина могла выполнить 5000 операций сложения и 300 операций умножения, что в 100, а то и в 1000 раз быстрее распространенных в то время механических и электромеханических арифмометров. Вся научная и производственная деятельность в сфере вычислительной техники до создания компьютера ENIAC рассматривается как ее предыстория.

Временные границы смены поколений компьютеров достаточно размыты. В процессе смены поколений компьютеров элементная база, архитектура машин, программное обеспечение эволюционировали совместно и оказывали взаимное влияние друг на друга. Появление новых технических возможностей приводило к созданию более прогрессивного системного и прикладного программного обеспечения, а новые идеи в сфере программирования стимулировали поиски технических решений. Поэтому смену поколений компьютеров обычно рассматривают параллельно с совершенствованием и самого СПО.

Процесс создания компьютеров происходит непрерывно. В нём участвуют многие разработчики из многих стран, имеющие дело с решением различных проблем. Если проследить хронологию наиболее значимых событий, оказавших решающие влияние на развитие мировой компьютерной индустрии, то в ней видную роль сыграли и российские ученые: И.С. Брук, В.И. Варшавский, В.М. Глушков, А.А. Дородницын, А.П. Ершов, С.С. Лавров, С. А. Лебедев, Б. И. Рамеев и многие другие.

Отечественная вычислительная техника по элементной базе, инженерным решениям и математическому обеспечению в самом начале своего развития не уступала моделям зарубежных компьютеров, а по отдельным показателям и превосходила их.

Рассмотрим, как происходила смена поколений компьютеров на примере развития вычислительной техники у нас в стране, предварительно сделав одно замечание по поводу терминологии. Слово «компьютер» в то далекое время у нас в стране практически не использовалось, а применялась аббревиатура ЭВМ – электронная вычислительная машина. В данном разделе мы обращаемся к истории и потому сохраняем терминологию того времени.

После окончания Великой Отечественной войны создание цифровых вычислительных машин становится общегосударственной задачей. В конце 1947 г. в Институте электроники Академии наук Украины под руководством академика С.А. Лебедева начались работы по созданию первой отечественной универсальной ламповой ЭВМ – МЭСМ (малой электронной счетной машины). В 1950 г. в институте точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ) организуется отдел цифровых вычислительных машин и развернуты работы по созданию серийных ЭВМ первого поколения. В 1955 г. создается Вычислительный центр Академии наук, предназначенный для ведения научной работы в области машинной математики и для предоставления открытого вычислительного обслуживания другим организациям Академии. В 1958 г. АН СССР в серии «Вопросы советской науки» опубликовала проблемную записку И.С. Брука «Разработка теории, принципов построения и применения специализированных вычислительных и управляющих машин». В этой работе И.С. Брук формулирует основные направления научных исследований по управлению технологическими процессами с помощью вычислительных машин и созданию систем управления, которые включают в себя в качестве необходимого звена человека–оператора управляющей ЭВМ.

Первое поколение компьютеров (1948 — 1958 гг.). Ламповые машины. К этому поколению можно отнести ЭВМ «МЭСМ, «БЭCМ–1», «М–1,–2,–З», «Стрела», «Минск–1», «Урал–1», «Урал–2», «Урал–3», «M–20», «Сетунь», «БЭСМ–2», «Раздан».

Время наработки на отказ первых ламповых машин было крайне малó. Машины имели внушительные габариты и потребляли большую мощность. Быстродействие не превышало 2–3 тыс. операций/с. Но уже ЭВМ «M–20», созданная под руководством академика С.А. Лебедева, отличалась высокой производительностью (20 тыс. операций/с). Такая производительность была достигнута за счет совершенной элементной базы и соответствующей функционально–структурной организации. Как отмечают А.И. Ершов и М.Р. Шура–Бура, «эта солидная основа возлагала большую ответственность на разработчиков, поскольку машине, а более точно её архитектуре, предстояло воплотиться в нескольких крупных сериях («М–20», «БЭСМ – 3М», «БЭСМ – 4», «М – 220», «М – 222»).

Второе поколение компьютеров (1959 — 1967 гг.). Компьютеры на основе транзисторов. 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, управления технологическими процессами и системами передачи информации. Именно в этот период возникла необходимость в профессии специалиста по информатике, и университеты стали предоставлять возможность получения образования в этой области. Первая такая кафедра была открыта в Нижегородском государственном университете профессором Ю. Неймарком, а затем в Московском государственном университете.

К ЭВМ второго поколения относятся:

· «М–4,–5» – создавались для систем противоракетной обороны;

· «Урал –11, –14, –16» – ЭВМ общего назначения, ориентированные на решение инженерно–технических и планово–экономических задач;

· «Минск –2, –12, –14» – создавались для решения инженерных, научных и конструкторских задач математического и логического характера;

· «Минск–22» –предназначалась для решения планово–экономических задач;

· «БЭСМ–3, –4, –6» – машины общего назначения, ориентированные на решение сложных задач в науке и технике;

· «М–20, –220, –222» – машины общего назначения, ориентированные на решение сложных математических задач;

· «МИР–1» – малая электронная цифровая вычислительная машина, предназначалась для решения широкого круга инженерно– конструкторских и математических задач;

· «Наири» – машина общего назначения, предназначенная для решения широкого круга инженерных, научно–технических, а также некоторых типов планово–экономических и учетно–статистических задач.

ЭВМ «БЭСМ–4», «М–220», «М–222» имели быстродействие порядка 20–30 тыс. операций/с и оперативную память соответственно 8К, 16К и 32К. Среди машин второго поколения особо выделяется «БЭСМ–6» с быстродействием около миллиона операций в секунду и оперативной памятью от 32К до 128К.

Третье поколение компьютеров (1968 — 1973 гг.). Компьютеры на основе интегральных микросхем. В СССР в 70–е годы получает развитие АСУ. Закладываются основы государственной и межгосударственной системы обработки данных, охватывающей страны–члены СЭВ (Совет экономической взаимопомощи). Разрабатываются универсальные ЭВМ третьего поколения серии ЕС (Единая система), совместимые как между собой (машины средней и высокой производительности ЕС ЭВМ), так и с зарубежными ЭВМ третьего поколения (IBM/360 и др.).

К машинам третьего поколения относятся «Днепр–2», ЭВМ Единой Системы (ЕС–1010, ЕС–1020, ЕС–1030, ЕС–1040, ЕС–1050, ЕС–1060 и несколько их промежуточных модификаций), «МИР–2», «Наири–2».

Этот период связан с бурным развитием вычислительных машин реального времени. Для управления технологическими процессами создаются ЭВМ серии CM ЭВМ и АСВТ «М–6000» и «М–7000». За 15 лет промышленного выпуска машин серии СМ появилось несколько очередей этих систем.

Четвертое поколение компьютеров (1974 – 1982 гг.). Компьютеры на основе больших и сверхбольших интегральных схем. К этому поколению можно отнести ЭВМ серии ЕС: ЕС–1015, –1025, –1035, –1045, –1055, –1065 («Ряд 2»), –1036, –1046, –1066; машины серии СМ: СМ–1420, –1600, –1700; персональные ЭВМ: «Электроника МС 0501», «Электроника–85», «Искра–226», ЕС–1840, –1841, –1842 и др. Разрабатывались и выпускались настольные мини–ЭВМ на интегральных микросхемах: «Электроника –79/100/125/200», «Электроника ДЗ–28», «Электроника НЦ–60», а также мини–ЭВМ: «Мир–31», «Мир–32», «Наири–34».

Пятое поколение компьютеров. Появление компьютеров пятого поколения относят к 1982 году, когда впервые появилось сообщение о японском проекте создания компьютеров пятого поколения. Кратко основную концепцию компьютеров пятого поколения можно сформулировать следующим образом:

1) компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с параллельно– векторной структурой, одновременно выполняющие десятки последовательных инструкций программы;

2) компьютеры с многими сотнями параллельно работающих процессоров, позволяющих строить системы обработки данных и знаний, эффективные сетевые компьютерные системы. На всех этапах эволюции компьютеров основной задачей технологии программирования была задача обеспечения экономии и производительного использования машинных ресурсов. В период ламповых ЭВМ программирование осуществлялось исключительно на машинном языке. Операционных систем не существовало, все задачи управления вычислительным процессом решались вручную с пульта управления машиной. Программы загружались в память с пульта, с перфокарт, с магнитных лент и выполнялись строго последовательно. Компьютер мог выполнять одновременно только одну операцию: либо сами вычисления, либо ввод/вывод данных. Работой устройств ввода–вывода руководил процессор, что занимало немало времени. В машинах следующих поколений большинство функций управления периферийными устройствами было передано специализированным процессорам, разгружающим центральный процессор и повышающим его производительность. В конце этого периода появляется первое системное программное обеспечение. В США в 1951–1952 гг. создается прообраз первого компилятора с языка FORTAN, а в 1954 г. разрабатывается символический ассемблер для IBM–701.

С появлением машин второго поколения стали создаваться вычислительные центры коллективного пользования. Одновременно изменяется и сам процесс выполнения программ. Выполнение каждой программы стало включать большое количество вспомогательных операций: загрузку транслятора, его запуск и получение результирующей программы в машинных кодах, связывание программы с библиотечными подпрограммами, загрузку программы в оперативную память, запуск программы, вывод результатов на внешнее устройство.

В машинах второго поколения был реализован целый ряд дополнительных средств аппаратной поддержки ОС:

· введена аппаратура преобразования адресов;

· в процессорах появились средства для выполнения привилегированных операций;

· для обмена информации с внешними устройствами стали применяться средства косвенного управления работой внешних устройств (так называемые каналы), с помощью которых процессор мог быть освобожден от необходимости участвовать в операциях ввода– вывода;

· в составе ЭВМ появилась система обработки прерываний, одной из функций которой стала обработка сигналов, поступающих от каналов ввода–вывода;

· в некоторых ЭВМ появились таймеры.

Для повышения эффективности использования компьютеров задания c перфокарт с одинаковыми ресурсами стали собирать вместе, создавая пакет заданий. В результате появились первые ОС, предназначенные для пакетной обработки заданий. Для реализации пакетной обработки применялся формализованный язык управления заданиями, с помощью которого программист сообщал системе и оператору, какую работу он хочет выполнить на вычислительной машине.

Системы пакетной обработки стали прообразом современных операционных систем, они были первыми системными программами, предназначенными для управления вычислительным процессом. Однако «узким местом» для повышения эффективности использования ЭВМ долгое время оставалась малая скорость работы механических устройств ввода–вывода. Поэтому вместо непосредственного чтения пакета заданий с перфокарт начинается использование предварительной записи заданий и данных для их выполнения на магнитные ленты и диски.

Если первые ОС просто автоматизировали работу оператора ЭВМ, связанную с выполнением заданий пользователей, то для машин третьего поколения стали применяться ОС для мультипрограммного и многопользовательского режима обработки данных. Мультипрограммные системы обеспечили возможность более эффективного использования ресурсов ЭВМ, но они еще долгое время оставались пакетными. Пользователь не мог интерактивно взаимодействовать с заданием. Вследствие этого отладка программ по–прежнему занимала много времени. Только появление электронно–лучевых дисплеев и переосмысление возможностей применения клавиатур позволили устранить главный недостаток, характерный для использования машин второго поколения, – отчужденность программиста/пользователя от прямого общения с машиной.

Логическим расширением систем мультипрограммирования стали системы разделения времени. В системах разделения времени появилась возможность одновременной работы с ЭВМ нескольких пользователей. Чтобы уменьшить ограничения на количество работающих пользователей, была внедрена идея неполного нахождения исполняемой программы в оперативной памяти с помощью механизма виртуальной памяти.

В ЭВМ третьего поколения были внедрены:

· развитые системы управления обработкой прерываний программ;

· системы контроля и управления подключенными к компьютеру устройствами;

· средства формирования адресов, обеспечивающие перемещаемость программ и данных;

· средства обеспечения работы виртуальной памяти;

· средства защиты памяти.

В середине 70–х годов появилась идея создания семейств программно–совместимых машин, работающих под управлением одной и той же операционной системы. Несмотря на широкие возможности этой концепции, она имела и отрицательную сторону: сложность и громоздкость операционной системы. Однако идея стандартизации ОС в дальнейшем получила активное развитие за рубежом и в нашей стране.

В начале 80–х годов большие универсальные ЭВМ быстро вытесняются персональными компьютерами. Компьютеры стали использоваться не только специалистами, что потребовало разработки «дружественного» программного обеспечения. Возможность работы первых ПК только в однопрограммном режиме привела к упрощению их операционных систем. В частности, пропала необходимость разделения прав доступа, планирования заданий и т. п. Однако рост сложности и разнообразия задач, решаемых на персональных компьютерах, привел к возрождению практически всех черт, характерных для архитектуры машин третьего поколения, то есть и системного программного обеспечения, и средств аппаратной поддержки СПО.