Нулевое поколение (механическая эра)

Архитектура ЭВМ

Литература:

1. Максимов, Попов, Партыка «Архитектура ЭВМ и вычислительные системы» 2010 г.

2. Цилькер, Орлов «Учебник организации ЭВМ и систем» 2007 г.

 

Основные понятия

Вычислительная машина - комплекс технических и программных средств, предназначенных для автоматизации подготовки и решения задач пользователей.

Вычислительная система – определяют как совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или вычислительных машин, периферийного оборудования и программного обеспечения предназначено для подготовки и решения задач пользователя.

Формально отличие ВС от ВМ выражается в количестве вычислителей.

Поскольку несколько вычислителей позволяют реализовать в ВС параллельную обработку, что так же характерно и для современных ВМ с одним процессором, грань между ВМ и ВС из за этого расплывчата, поэтому часто ВМ можно рассматривать как одну из реализаций ВС. Поскольку ВС часто строится из традиционных ВМ многие из положений относящихся к ВМ могут быть распространены и на ВС.

Архитектура ЭВМ понимают её логическое построение, т.е. то какой машина представляется пользователю и программисту.

Архитектура охватывает перечень и формат команд, формы представления данных, механизмы ввода и вывода, способы адресации памяти и т.п.

При этом круг вопросов физического построения вычислительных средств, например состав устройств, число регистров процессора, емкость памяти, наличие или отсутствие специального блока обработки вещественных чисел, тактовая частота центрального процессора и т.д. принято определять понятием организация ЭВМ.

Поскольку архитектура в столь узком понимании и организация вместе являются двумя сторонами описания вычислительных машин, то часто под архитектурой ВМ понимают совокупность всех вопросов, как архитектуры в узком трактовании так и организации вычислительной машины.

Этапы становления и развития вычислительной техники

Попытки облегчить, в идеале автоматизировать процесс вычислений имеют давнюю историю. С развитием науки и технологий, средства автоматизации вычислений непрерывно совершенствуются.

Современное состояние вычислительной техники являет собой результат многолетней эволюции.

В традиционной трактовке эволюцию вычислительной техники представляют как последовательную смену поколений вычислительных устройств. При описании эволюции обычно используют один из двух подходов: хронологический и технологический.

В первом случае речь идет о хронологии событий существенно повлиявших на становление вычислительной техники, однако больший интерес представляет технологический подход. Когда развитие вычислительной техники рассматривается в терминах архитектурных решений и технологий.

В качестве узловых моментов определяющих появление нового поколения вычислительной техники обычно выбираются революционные идеи или технологические прорывы, кардинально меняющие дальнейшее развитие средств автоматизации вычислений.

Принято говорить о механической эре или нулевом поколении и последовавших за ней шести поколений вычислительных машин и систем.

Первые четыре поколения связывают с элементной базой ВМС, электронные лампы, полупроводниковые приборы, интегральные схемы малой степени интеграции (ИМС), большие интегральные микро схемы (БИС), сверх большие, ультра большие интегральные микросхемы.

Пятое и шестое поколение в общепринятой интерпретации ассоциируется не столько с новой элементной базой, а с интеллектуальными возможностями ВМС.

Нулевое поколение (механическая эра)

1492-1945 г.г. начало с работ Леонардо Давинчи

Прежде всего, следует упомянуть два события, в попытки облегчения вычислений произошедших до нашей эры.

Первые счеты (абак). Изобретены в древнем Вавилоне за 3 тыс. лет до н. э.

Второй, более современный вариант, с косточками на проволочке. Изобретены в Китае 500 лет до н.э.

Механическая эра в ре эволюции вычислительной техники связана с механическими, а позднее с электромеханическими вычислительными устройствами.

Основным элементом механических устройств было зубчатое колесо. А вычислители на их основе получили название арифмометров.

На рубеже 19-20 века в связи с ростом потребности науки в быстроте и качестве вычислений, а так же с развитее теории электрического, перспективным направлением в развитии счетных машин становится применение в них электрических и электромеханических компонентов, а позднее роль базового элемента переходит к электромеханическому реле.

Развитие электромеханических вычислительных машин пошло по двум направлениям:

1. Использование электричества, как движущей силы в нутрии самой счетной машинки. Это направление привело к созданию класса электрических, а в последствии электронных клавишных счетных машин, информация в которых вносилась вручную с помощью клавиатуры, что повысило скорость и точность вычислений, но не обеспечивало достаточную степень автоматизации вычислений.

2. Использование электричества в устройствах ввода и вывода информации при использовании перфокарт. Это повысило скорость ввода и вывода информации, степень автоматизации вычислений, поскольку на перфокарты наносилась, не только числовая, но и программная информация.

В механической эпохе следует выделить наиболее важный момент. В 1833 году английский ученый профессор кембриджского университета Чарльз Беббидж разработал проект автоматическо-аналитической машины, вычислительного устройства по своей схеме и принципов работы в ряде аспектов приближающих к современным ЭВМ.

В ней предлагались следующие устройства: устройство хранения информации на регистрах выполненных на зубчатых колесах, называл он эти устройства «складом», устройство выполнения операции над числами взятыми со склада («фабрика»), для управления последовательностью операций служило устройство управления, использующее перфокарты, устройство ввода – вывода.

Проект Беббиджа был настолько революционен и опередил свое время, что так и не был реализован и более того все материалы по этому открытию, были опубликованы после смерти Беббиджа в 1888 году.

1930 – появляются машины на электромеханических реле

40-вых электромагнитные реле.

Не умоляя значений многих идей механической эры, необходимо отметить, что не одно из созданных устройств нельзя с полным основанием называть ВМ в современном её понимании.

Первое поколение

Относят период 50-60 г.г.

Происходит отход от электромеханических реле в пользу построения логических схем на электронных вакуумных лампах с нитью накала.

В запоминающих устройствах стали применять магнитные барабаны, акустические, ультразвуковые, ртутные, электромагнитные линии задержки, а так же электронно-лучевые трубки.

В качестве внешних запоминающих устройств, стали применять магнитные ленты, перфокарты, магнитные ленты и тому подобное.

Вычислительные устройства этого поколения были громоздкими и могли потреблять напряжение питания от нескольких сотен вольт до нескольких киловольт.

Для вычислительных машин этого поколения характерно наличие центрального устройства управления обеспечивающее строгую последовательность выполнения работы всеми устройствами.

Тактовая частота устройств управления составляла от нескольких десятков до нескольких сотен килогерц.

Ввод вывод так же осуществлялся перфокарт, перфолент, в некоторых случаях с клавиатуры.

Программировались ЭВМ в двоичной системе счисления на машинном языке, и соответственно были жестко ориентированы на аппаратуру.

Сроком жизни ПО, был срок существования самой ВМ.

Лишь к середине 50 годов появился первый символьно ориентированный язык программирования (языки символического кодирования), позволявший вместо двоичной записи команд и адресов применять сокращенные буквенную запись и десятичные числа.

К 1956 году был создан язык программирования математических задач, Fortran

19958 году универсальный язык программирования Algol/

Подавляющее большинство ВМ этого поколения фактически использовались как большие арифмометры, поскольку все программные данные вводились в ВМ непосредственно переде решением конкретной задачи, а выводимые результаты тут же считывались для дальнейшей не автоматизированной обработки.

Как правило, ВМ были ориентированы на выполнение расчетов для научно технических задач. Причем для задач для которых характерны небольшие объемы входных и выходных данных при большом количестве вычислительных операций.

Надежность ВМ данного поколения была крайне низкой (десятки часов наработки на отказ).

Для поддержания работоспособности требовалось проведение регулярного, практически круглосуточного практического обслуживания, для выявления потенциально ненадежных элементов.

На машине работал либо оператор, либо программист, при этом взаимодействие осуществлялось по средствам огромного пульта, с большим числом переключателей (тумблеров), а так же лампочек индикаторных, которые отображали информацию в двоичном коде.

Естественно такие ВМ могли функционировать лишь в рамках вычислительных центров, причем для эффективного использования каждой из них требовался штат программистов 10-20 человек, поскольку программы не переносились с одной ВМ на другую. Количество программистов было больше количеству выпущенных ВМ.

К 1960 году в мире насчитывалось несколько тысяч ВМ, к первой машине данного поколения можно отнести компьютер AnyAc, к отечественным БЭСМ.

Второе поколение

1960-1970 годы.

Логические схемы уже строятся на дискретных полу проводниковых и магнитных элементах: диоды, биполярные транзисторы, тороидальные и фиритовые микро трансформаторы.

Широко стала использоваться технология производства устройства с печатным монтажом на фольгированном гетинаксе.

Вычислительные машины стали конструироваться блочным принципом.

Данный принцип позволил подключать много дополнительных блоков и устройств внешних, что позитивно сказалось на необходимой функциональности ВМ.

Повысилось быстродействие, соответственно снизилась потребляемая мощность и потребляемого питания. Мощность до сотен ват, напряжения до 1-15 вольт.

Среднее время безотказной работы возросло до нескольких сотен часов.

Но при этом все равно требовалось регулярное профилактическое обслуживание.

В оперативно запоминающих устройствах стали применятся миниатюрные тероидальные фиритовые сердечники.

Для постоянных запоминающих устройств применялись трансформаторы.

Впервые начинают применятся жесткие диски в качестве внешних накопителей данных. Первый жесткий диск появился в 1956г. (5 мегабайт).

Флоппи диски и соответствующие дисковые устройства появились так же в это поколение.

В 64 году появляется первый монохромный монитор для компьютера IBM (12х12 дюймов).

Появление первых операционных систем, а так же языки машинно ориентированного низкого уровня и высокого уровня Algol, Fortrun, Basic.

Программы получили возможность переноса между типами ВМ.

Конструкции ЭВМ, их программы стали более ориентированными на обработку уже массивов информации.

ВМ стали применятся для решения не только научно технических задач, но и в задачах автоматизации и управления технологическими процессами, а так же в задачах организационного и административного управления.

На базе полу проводниковых ВМ успешно создавались АСУП и АСУТП.

К концу этого поколения широко стали внедрятся меры по повышению надежности ВМ путем применения кодов с обнаружения кодов с обнаружением и исправлением ошибок.

А так же встроенными схемами контроля и диагностики.

В ВМ данного поколения впервые реализованы режимы пакетной обработки и теле обработки информации.

Основными направления совершенствования ЭВМ второго поколения являются:

1. Переход на полупроводниковую базу и печатный монтаж

2. Блочный принцип конструирования и унификация блоков ЭВМ

3. Облегчение программирования ЭВМ

4. Ориентация ЭВМ не только на вычислительную работу, но и на обработку массивов информации

5. Повышение надежности работы ВМ, использование кодов с обнаружением и исправлением ошибок и встроенных средств контроля

6. Расширение областей применения ВМ.

Третье поколение ЭВМ

1970-1980 годы.

В 1958 году была изобретена малая кремневая интегральная схема.

На этой схеме удалось разместить десятки транзисторов, такие схемы стали основой схем с малой степенью интеграции (ИМС).

С конца 1960 годов интегральные схемы стали применятся ВМ.

Таким образом логические схемы ВМ третьего поколения целиком строились на интегральных схемах.

Тактовые частоты логических схем повысились до нескольких мегагерц (1-10), СО снижением НАПРЯЖЕНЯИ ПИТАНИЯ НЕСКОЛЬКО ВОЛЬТ и потребляемой мощности при существенном росте надежности и быстродействии ВМ.

В оперативно запоминающих устройствах использовались миниатюрные фиритовые сердечники, в последствии фиритовые пластины и магнитные пленки.

В качестве внешних запоминающих устройств стали широко применятся дисковые накопители.

Кроме этого появился новый класс сверх оперативных запоминающих устройств которые уже строились на транзисторных триггерах. Триггерные регистры имеют огромное быстродействие, но не большой объем. В первые была предложена быстродействующая кэш память.

ОС стали поддерживать механизмы виртуальной памяти.

Впервые ввиду существенного усложнения как аппаратной, так и логической структуры, ряд вычислительных машин третьего поколения, справедливо относят к вычислительным системам.

Т.е. этот период характеризуется становлением первых суперкомпьютеров.

1972 г. была выпущена первая ЭВМ нового класса которую принято относить к суперкомпьютерам.

С 1975 г. суперкомпьютеры стали выпускаться серийно.

В ВМ третьего поколения большое внимание уделялось к снижению трудоемкости программирования, а так же эффективности исполнения программ компьютерами и улучшение коммуникации между программистом и ВМ.

Это обеспечивалось развитыми ОС, более эффективными и современными системами программирования, появлением систем работы с прерываниями, режимов работы с разделением времени, режимов работы в реальном времени, а так же мультипрограммными режимами работы и интерактивными режимами общения человека и ВМ.

В этот же период появилось первое устройство отображения информации оператору – видеодисплей.

Помимо улучшения эффективности улучшается и обслуживание ЭВМ. Поскольку в ВМ внедрялись специализированные средства контроля достоверности и надежности информации, путем применения корректирующих кодов.

Большое влияние на развитие ЭВМ к концу этого поколения оказали развитие систем телеобработки информации, когда по средствам удаленного терминала, можно было выполнять обработку информации на вычислительных центрах коллективного пользования, передавая и получая информацию по каналом связи.

Кроме того в это поколения образуются многочисленные информационные сети.

К концу третьего поколения задачи чисто вычислительного характера стали замещаться на информационную работу, благодаря внедрению в процессоры ВМ наборов команд позволяющих работать с символьными данными.

А так же стала применятся специализированная единица хранения информации.

Соответствующее развитие получили и устройства ввода – вывода информации.

Модульная организация ВМ и модульное построение их ОС предоставили широкие возможности, по изменению внутренней конфигурации ВМ и ВС.

В связи с чем и появилось новое понятие – архитектура ВС – определяющая логическую организацию системы с точки зрения пользователя и программиста.