Электронный (середина XX века – настоящее время).

 

Предпосылки

ЭВМ появились, когда возникла острейшая необходимость в очень трудоемких и точных расчетах, особенно в таких областях науки и техники, как атомная физика и теория динамик полета и управления летательными аппаратами, в исследовании; аэродинамики больших скоростей. Между тем доэлектронная вычислительная техника позволяла только в ограниченной степени механизировать процессы вычислений. Требовался переход к элементам, работающим в более быстром темпе.

Технические предпосылки для этого уже были созданы:

В 1878 г. английский ученый Джозеф Сван (1828-1914) изобрел электрическую лампочку. Это была стеклянная колба, внутри которой находилась угольная нить накаливания. Чтобы нить не перегорала, Сван удалил из колбы воздух.

      Другое значительное достижение Суона связано с фотографией: в 1879 г. он запатентовал фотобумагу, покрытую бромидом серебра, до сих пор употребляющуюся для печати чёрно-белых фотоснимков.

    В следующем году американский изобретатель Томас Эдисон (1847-1931) также изобрел лампочку.

В 1880 году Эдисон начал выпуск безопасных лампочек, продавая их по 2,5 доллара. Впоследствии Эдисон и Сван создали совместную компанию "Эдисон энд Сван Юнайтед Электрик Лайт компани".

В 1883 году, экспериментируя с лампой, Эдисон вводит в вакуумный баллон платиновый электрод, подает напряжение и, к своему удивлению, обнаруживает, что между электродом и угольной нитью протекает ток. Поскольку в тот момент главной целью Эдисона было продление срока службы лампы накаливания, этот результат его заинтересовал мало, но патент предприимчивый американец все-таки получил.

 

   

Статический табулятор

Научно-технический прогресс и все возрастающая необходимость в проведении массовых расчетов стимулировали работу над новыми вычислительными средствами. В конце XIX в. были созданы более сложные электромеханические устройства. Самым важным из них было уст­ройство, разработанное американцем Германом Холлеритом.

Американский инженер  Герман Холлерит (1860-1929)  взял патент "на машину для переписи населения". При переписи населения в США, проведенной в 1890 г., Холлерит, с помощью своих машин, смог выполнить за три года то, что вручную делалось бы в течение семи лет, причем гораздо большим числом людей. Расчеты велись уже с помощью  электрического тока.

Изобретение Герман Холлерит включало перфокарту и сортировальную машину. Перфокарта Холлерита оказалась настолько удачной, что в качестве носителя информации использовалась в первых трех поколениях компьютеров.

       Идея наносить данные на перфокарты и затем считывать и обрабатывать их автоматически принадлежала Джону Биллингсу, а ее техническое решение принадлежит Герману Холлериту.

         Табулятор принимал карточки размером с долларовую бумажку. На карточках имелось 240 позиций (12 рядов по 20 позиций). При считывании информации с перфокарт 240 игл пронизывали эти карты. Там, где игла попадала в отверстие, она замыкала электрический контакт, в результате чего увеличивалось на единицу значение в соответствующем счетчике.

     

Первые электромеханические компьютеры

 

Идеи создания электронных вычислительных машин возникли в конце 30-х - начале 40-х гг. независимо друг от друга в четырех странах: СССР, США, Великобритании и Германии. Во время второй мировой войны (с 1939 по 1945г.) были построены несколько первых электромеханических компьютеров:

Немецкий студент Конрад Цузе (1910-1985). Работу по созданию машины он начал в 1934 г., за год до получения инженерного диплома. Конрад (друзья его звали Куно) ничего не знал ни о машине Беббиджа, ни о работах Лейбница, ни о алгебре Буля, которая словно создана для того, чтобы проектировать схемы с использованием элементов, имеющих лишь два устойчивых состояния.

            Тем не менее, он оказался достойным наследником В. Лейбница и Дж. Буля, поскольку вернул к жизни уже забытую двоичную систему исчисления, а при расчете схем использовал нечто подобное булевой алгебре. В 1937г. машина 21 (что означало "Цузе 1") была готова и заработала!
Она была, подобно машине Беббиджа, чисто механической. Использование двоичной системы сотворило чудо - машина занимала всего два квадратных метра на столе в квартире изобретателя! Память (тоже на механических элементах) содержала 64 слова (против 1000 у Беббиджа, что тоже уменьшило размеры машины). Числа и программа вводилась вручную.
Через год в машине появилось устройство ввода данных и программы, использовавшее киноленту, на которую перфорировалась информация, а механическое арифметическое устройство заменило АУ последовательного действия на телефонных реле.

           Она стала первой в мире полностью релейной цифровой   вычислительной   машиной   с   программным   управлением   и   успешно   эксплуатировалась.   

К концу войны К. Цузе создает еще одну релейную вычислительную машину - Z4. Она окажется единственной сохранившейся из всех машин, разработанных им. Остальные будут уничтожены при бомбежке Берлина и заводов, где они выпускались.

Итак, К. Цузе установил несколько вех в истории развития компьютеров: первым в мире использовал при построении вычислительной машины двоичную систему исчисления (1937 г.), создал первую в мире релейную вычислительную машину с программным управлением (1941 г.) и цифровую специализированную управляющую вычислительную машину (1943 г.).

 

В 1937 году американский физик Говард Хатуэй Айкен (1900-1973) начал работать в Гарвардском университете над тезисами своей диссертации. Айкену было около 40 лет - возраст, нетипичный для диссертанта. Еще в 1919 году, будучи студентом, Айкен начал служить в Мэдисонской газовой компании. Добившись некоторых успехов, он в 1928 году перешел в фирму «Вестингауз». Но молодого инженера тянуло к основам науки - математике и физике, и в 1931 году он снова становится студентом Чикагского университета. В следующем году, окончательно порвав с Вестгаузом, он переходит в Гарвард, где завершает свое научное образование.

Теоретическая часть диссертации Айкена содержала решение нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений. Чтобы сократить вычислительную работу, Айкин начал придумывать машины для автоматического решения частных задач. В конце концов он пришел к идее автоматической универсальной вычислительной машины , способной решать широкий круг научно - технических задач.

В 1944 г. ученый Гарвардского университета Говард Айкен создает первую в США (тогда считалось первую в мире!) релейно-механическую цифровую вычислительную машину МАРК-1С1. По своим характеристикам (производительность, объем памяти) она была близка к 2.3, но существенно отличалась размерами (длина 17 м, высота 2,5 м, вес 5 тонн, 500 тысяч механических деталей).

В машине использовалась десятичная система счисления. Как и в машине Беббиджа, в счетчиках и регистрах памяти использовались зубчатые колеса. Управление и связь между ними осуществлялась с помощью реле, число которых превышало 3000. Г. Айкен не скрывал, что многое в конструкции машины он заимствовал у Ч. Беббиджа. "Если бы был жив Беббидж, мне нечего было бы делать", - говорил он. Замечательным качеством машины была ее надежность. Установленная в Гарвардском университете, она проработала там 16 лет!

Вслед за МАРК-1 ученый создает еще три машины (МАРК-2, МАРК-3 и МАРК-4) - тоже с использованием реле, а не электронных ламп, объясняя это ненадежностью последних.

 

По каким критериям классифицируют компьютеры?

 

Существуют различные классификации компьютерной техники:

  • по этапам развития (по поколениям);

  • по архитектуре;

  • по производительности;

  • по условиям эксплуатации;

  • по количеству процессоров;

  • по потребительским свойствам и т.д.

 

Направления развития

 

 

1. Аналоговые вычислительные машины (АВМ).

 

В АВМ все математические величины представляются как непрерывные значения каких-либо физических величин. Главным образом, в качестве машинной переменной выступает напряжение электрической цепи. Их изменения происходят по тем же законам, что и изменения заданных функций. В этих машинах используется метод математического моделирования (создаётся модель исследуемого объекта). Результаты решения выводятся в виде зависимостей электрических напряжений в функции времени на экран осциллографа или фиксируются измерительными приборами. Основным назначением АВМ является решение линейных и дифференцированных уравнений.

Достоинства АВМ:

·       высокая скорость решения задач, соизмеримая со скоростью прохождения электрического сигнала;

·       простота конструкции АВМ;

·       лёгкость подготовки задачи к решению;

·       наглядность протекания исследуемых процессов, возможность изменения параметров исследуемых процессов во время самого исследования.

Недостатки АВМ:

·       малая точность получаемых результатов (до 10%);

·       алгоритмическая ограниченность решаемых задач;

·       ручной ввод решаемой задачи в машину;

·       большой объём задействованного оборудования, растущий с увеличением сложности задачи

 

 

2. Электронные вычислительные машины (ЭВМ).  

 

В отличие от АВМ, в ЭВМ числа представляются в виде последовательности цифр. В современных ЭВМ числа представляются в виде кодов двоичных эквивалентов, то есть в виде комбинаций 1 и 0. В ЭВМ осуществляется принцип программного управления. ЭВМ можно разделить на цифровые, электрифицированные и счётно-аналитические (перфорационные) вычислительные машины.

ЭВМ разделяются на большие ЭВМ, мини-ЭВМ и микроЭВМ. Они отличаются своей архитектурой, техническими, эксплуатационными и габаритно-весовыми характеристиками, областями применения.

Достоинства ЭВМ:

·         высокая точность вычислений;

·         универсальность;

·         автоматический ввод информации, необходимый для решения задачи;

·         разнообразие задач, решаемых ЭВМ;

·         независимость количества оборудования от сложности задачи.

Недостатки ЭВМ:

·       сложность подготовки задачи к решению (необходимость специальных знаний методов решения задач и программирования);

·       недостаточная наглядность протекания процессов, сложность изменения параметров этих процессов;

·       сложность структуры ЭВМ, эксплуатация и техническое обслуживание;

·       требование специальной аппаратуры при работе с элементами реальной аппаратуры

 

 

3. Аналого-цифровые вычислительные машины (АЦВМ).

 

АЦВМ - это такие машины, которые совмещают в себе достоинства АВМ и ЭВМ. Они имеют такие характеристики, как быстродействие, простота программирования и универсальность. Основной операцией является интегрирование, которое выполняется с помощью цифровых интеграторов.

В АЦВМ числа представляются как в ЭВМ (последовательностью цифр), а метод решения задач как в АВМ (метод математического моделирования).

 

      Четких границ между классами компьютеров не существует. По мере совершенствования структур и технологии производства, появляются новые классы компьютеров, границы существующих классов существенно изменяются.

 

Поколения ЭВМ

 

Идея делить машины на поколения вызвана к жизни тем, что за время короткой истории своего развития компьютерная техника проделала большую эволюцию как в смысле элементной базы (лампы, транзисторы, микросхемы и др.), так и в смысле изменения её структуры, появления новых возможностей, расширения областей применения и характера использования.

 

Признаки отличающие одно поколение от другого:

1.    элементная база,

2.   быстродействие,

3.   объем оперативной памяти,

4.   устройства ввода-вывода,

5.   программное обеспечение.

 

 

Ø  Поколение I

Ø  Поколение II

Ø  Поколение III

Ø  Поколение IV

 

Поколение

Элементная база

Быстродействие
(операций в секунду)


Объем ОП

Устройства ввода-вывода

Программное обеспечение

Примеры

Первое поколение

1945-1955

 

Электронные лампы

10-20 тыс.


2 Кб

 

Пульт управления, 

перфокарта

Машинные языки

ENIAC (США)
МЭСМ, БЭСМ (СССР)

 

Второе поколение

 1955 - 1965

 

Транзисторы

100-500 тыс.


2-32 Кб

Перфокарты, перфоленты, АЦПУ, магнитный барабан

Алгоритмические языки, диспетчерские системы,

пакетный режим

IBM 701 (США)
БЭСМ-6, БЭСМ-4, Минск-22, Минск-32 (СССР)

Третье поколение

1965 - 1980

Интегральные схемы (ИС)

 1 млн.


64 Кб

 

Видеотерминальные системы

Операционные системы, 

режим разделения времени

IBM 360 (США)
ЕС 1030, 1060 (СССР)

Четвертое поколение

 1980 - настоящее время

Большие интегральные схемы (БИС) и сверхбольшие интегральные схемы (СБИС)

10-100 млн.


2-3 Кб

Цветной графический дисплей, мышь

Базы и банки данных

ILLIAS 4 (США)

Эльбрус (СССР)

 

  I поколение (1945 — 1955 гг.)

 

Элементная база

Электронные лампы (диоды и триоды) и реле; оперативная память выполнялась на триггерах, позднее на ферритовых сердечниках.  Надежность - невысокая, требовалась система охлаждения.

Устройства ввода/вывода и хранения  данных

Для ввода-вывода использовались перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства, оперативные запоминающие устройства были реализованы на основе ртутных линий задержки электроннолучевых трубок.

 

ЭВМ имели значительные габариты. Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами, которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства. Лампы потребляли огромное количество электроэнергии и выделяли много тепла.

Быстродействие

Быстродействие- 5 - 30 тыс. арифметических оп/с.

Программное управление

    Программирование - в кодах ЭВМ (машинный код), позднее появились автокоды и ассемблеры. Программированием занимался узкий круг математиков, физиков, инженеров - электронщиков. 

   Притом для каждой машины использовался свой язык программирования.    

   Набор команд был небольшой, схема арифметико-логического устройства и устройства управления достаточно проста, программное обеспечение практически отсутствовало.

Сферы применения

 Машины предназначались для решения сравнительно несложных научно-технических задач.

II поколение (1955-1965)

Элементная база

Транзисторы

Устройства ввода/вывода и хранения  данных

Магнитные ленты

 

        Уменьшились размеры, масса и потребляемая мощность. Значительно повышается надежность и производительность, снижаются габариты и потребляемая мощность.

Быстродействие

 

Программное управление

     В качестве программного обеспечения стали использовать языки программирования высокого уровня, были написаны специальные трансляторы с этих языков на язык машинных команд. Для ускорения вычислений в этих машинах было реализовано некоторое перекрытие команд: последующая команда начинала выполняться до окончания предыдущей.

    В конце указанного периода появились универсальные и достаточно эффективные компиляторы для Кобола, Фортрана, Алгола и других языков.

    Появился широкий набор библиотечных программ для решения разнообразных математических задач. Появились мониторные системы, управляющие режимом трансляции и исполнения программ. Из мониторных систем в дальнейшем выросли современные операционные системы.

Сферы применения

 Машины предназначались для решения различных трудоемких научно-технических задач, а также для управления технологическими процессами в производстве.

Появились также специализированные машины, например ЭВМ для решения экономических задач, для управления производственными процессами, системами передачи информации и т.д.

 Вычислительные машины этого периода успешно применялись в областях, связанных с обработкой множеств данных и решением задач, обычно требующих выполнения рутинных операций на заводах, в учреждениях и банках. Эти вычислительные машины работали по принципу пакетной обработки данных. По существу, при этом копировались ручные методы обработки данных. Новые возможности, предоставляемые вычислительными машинами, практически не использовались.

 Создаются автоматизированные системы управления (АСУ) предприятиями, целыми отраслями и технологическими процессами (АСУТП).

          Именно в этот период возникла профессия специалиста по информатике, и многие университеты стали предоставлять возможность получения образования в этой области.

 III поколение (1965-1980) 

Элементная база

малые интегральные схемы (МИС) - микросхемы. Благодаря интегральным схемам удалось существенно улучшить технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ.

Устройства ввода/вывода и хранения  данных

 

 

машины третьего поколения по сравнению с машинами второго поколения имеют больший объем оперативной памяти, увеличилось быстродействие, повысилась надежность, а потребляемая мощность, занимаемая площадь и масса уменьшились.

Усложнилась логическая архитектура ЭВМ и их периферийное оборудование, что существенно расширило функциональные и вычислительные возможности.

Быстродействие

 

Программное управление

Машины третьего поколения - это семейства машин с единой архитектурой, т.е. программно совместимых. 

  Частью ЭВМ становятся операционные системы (ОС). Многие задачи управления памятью, устройствами ввода/вывода и другими ресурсами стали брать на себя ОС или же непосредственно аппаратная часть ЭВМ. Машины третьего поколения имеют развитые операционные системы. Они обладают возможностями мультипрограммирования, т.е. одновременного выполнения нескольких программ. Многие задачи управления памятью, устройствами и ресурсами стала брать на себя операционная система или же непосредственно сама машина.

 Мощным становиться программное обеспечение: появляются системы управления базами данных (СУБД), системы автоматизирования проектных работ (САПРы) различного назначения, совершенствуются АСУ, АСУТП. Большое внимание уделяется созданию пакетов прикладных программ (ППП) различного назначения.

      Развиваются языки и системы программирования.

          Этот период связан с бурным развитием вычислительных машин реального времени.

Сферы применения

Машины предназначались для широкого использования в различных областях науки и техники (проведение расчетов, управление производством, подвижными объектами и др.).

Мини-ЭВМ начали применяться и для решения инженерных задач, связанных с проектированием. Проведены первые эксперименты, показавшие эффективность использования вычислительных машин в качестве средств проектирования.

Применение распределенных вычислительных систем явилось базой для децентрализации решения задач, связанных с обработкой данных на заводах, в банках и других учреждениях. Вместе с тем для данного периода характерным является хронический дефицит кадров, подготовленных в области электронных вычислительных машин. Это особенно касается задач, связанных с проектированием распределенных вычислительных систем и систем реального времени.

 

 IV поколение (с 1980 г. по настоящее время) 

Элементная база

- большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) интегральные схемы.

Устройства ввода/вывода и хранения  данных

 

 

          Все это оказывает существенное воздействие на логическую структуру (архитектуру) ЭВМ и на ее программное обеспечение. Более тесной становится связь структуры машины и ее программного обеспечения, особенно операционной системы (или монитора) — набора программ, которые организуют непрерывную работу машины без вмешательства человека.

 

Быстродействие

 

Программное управление

          ЭВМ проектировались уже на эффективное использование программного обеспечения (например, UNIX-подобные ЭВМ, наилучшим образом погружаемые в программную UNIX-среду; Prolog-машины, ориентированные на задачи искусственного интеллекта); современных ЯВУ. Получает мощное развитие телекоммуникационная обработка информации за счет повышения качества каналов связи, использующих спутниковую связь. Создаются национальные и транснациональные информационно-вычислительные сети, которые позволяют говорить о начале компьютеризации человеческого общества в целом.

        Дальнейшая интеллектуализация ВТ определяется созданием более развитых интерфейсов "человек-ЭВМ", баз знаний, экспертных систем, систем параллельного программирования и др.

 

Сферы применения

      Машины предназначались для резкого повышения производительности труда в науке, производстве, управлении, здравоохранении, обслуживании и быту.

 

 

       

      Высокая степень интеграции способствует увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, повышению ее надежности, что ведет к увеличению быстродействия ЭВМ и снижению ее стоимости.

        C точки зрения структуры машины этого поколения представляют собой многопроцессорные и многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних устройств. Ёмкость оперативной памяти порядка 1 - 64 Мбайт.

 

 

Дополнительный материал*                                                          

Основные характеристики отечественных ЭВМ первого поколения

Характеристики

Первая очередь

Вторая очередь

БЭСМ-1

М-2

Стрела

Урал-1

БЭСМ-2

М-20

Урал-2
Урал-4

Минск-12
Минск-14

Адресность

3

3

3

1

3

3

1

2

Форма представления данных

С плавающей запятой

С фиксированной и плавающей запятой

С плавающей запятой

С плавающей запятой

С плавающей запятой

С плавающей запятой

С фиксированной и плавающей запятой

С фиксированной запятой

Длина машинного слова (дв.разр.)

39

34

43

36

39

45

40

31

Быстродействие (оп/с)

8000-10000

3000

2000

100

10000

20000

5000

2000

ОЗУ, тип, емкость (слов)

ЭЛТ
1024

ЭЛТ
512

ЭЛТ
2048

НМБ
1024

Ферритовый сердечник

4096

4096

2048

2048

ВЗУ, тип, емкость (слов)

НМЛ
120 тыс.
НМБ
512

НМЛ
50 тыс.
НМБ
512

НМЛ
200 тыс.
-

НМЛ
40 тыс.
-

НМЛ
200 тыс.
НМБ
12 тыс.

НМЛ
300 тыс.
НМБ
12 тыс.

НМЛ
3,1 млн.
НМБ
64 тыс.

НМЛ
3,1 млн.
НМБ
64 тыс.

 

 

Основные характеристики отечественных ЭВМ второго поколения

Характеристики

Первая очередь

Вторая очередь

Раздан-2

БЭСМ-4

М-220

Урал-11

Минск-22

Урал-16

Минск-32

М-222

БЭСМ-6

Адресность

2

3

3

1

2

1

1 и 2

3

1

Форма представления данных

С плавающей запятой

С плавающей запятой

С плавающей запятой

С фиксированной запятой, символьная

С фиксированной запятой, символьная

С плавающей и фиксированной запятой, символьная

С плавающей и фиксированной запятой, символьная

С плавающей запятой, символьная

С плавающей запятой, символьная

Длина машинного слова (дв.разр.)

36

45

45

24

37

48

37

45

48

Быстродействие (оп/с)

5 тыс.

20 тыс.

20 тыс.

14-15 тыс.

5 тыс.

100 тыс

до 65 тыс.

27 тыс.

1 млн.

ОЗУ, тип, емкость (слов)

Ферритовый сердечник
2048

Ферритовый сердечник
8192

Ферритовый сердечник
4096-16384

Ферритовый сердечник
4096-16384

Ферритовый сердечник
8192

Ферритовый сердечник
8192-65536

Ферритовый сердечник
16384-65636

Ферритовый сердечник
16384-32768

Ферритовый сердечник
32768-131071

ВЗУ, тип, емкость (слов)

НМЛ
120 тыс.

НМЛ
8 млн.

НМЛ
16 млн.

НМЛ
8 млн.

НМЛ
до 5 млн.

НМЛ
12 млн.
НМБ
130 тыс.

НМЛ
до 16 млн.

НМЛ
до 32 млн.
НМБ
до 192 тыс.

НМЛ
32 млн.
НМБ
512 тыс.