История развития и становления ЭВМ

1.История  развития и становления ЭВМ

По этапам создания и используемой элементной базе ЭВМ условно делятся на поколения:

• Первое поколение, 50-е годы; ЭВМ на электронных вакуумных лампах. Большинство машин первого поколения были экспериментальными устройствами и строились с целью проверки тех или иных теоретических положений. Вес и размеры этих компьютерных динозавров, которые нередко требовали для себя отдельных зданий, давно стали легендой. Ввод чисел в первые машины производился с помощью перфокарт, а программное управление последовательностью выполнения операций осуществлялось, например в ENIAC, как в счетно-аналитических машинах, с помощью штеккеров и наборных полей.    Первой серийно выпускавшейся ЭВМ 1-го поколения стал компьютер UNIVAC (Универсальный автоматический компьютер). Разработчики: Джон Мочли (John Mauchly) и Дж. Преспер Эккерт (J. Prosper Eckert). Он был первым электронным цифровым компьютером общего назначения. UNIVAC, работа по созданию которого началась в 1946 году и завершилась в 1951-м, имел время сложения 120 мкс, умножения -1800 мкс и деления - 3600 мкс

• Второе поколение, 60-е годы; ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах). ЭВМ 2-го поколения были разработаны в 1950—60 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. Второе отличие этих машин — это то, что появилась возможность программирования на алгоритмических языках. 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. Все это позволило резко уменьшить габариты и стоимость компьютеров, которые тогда впервые стали строиться на продажу.  
      Машины этого поколения: «РАЗДАН-2», «IВМ-7090», «Минск-22,-32», «Урал- 14,-16», «БЭСМ-3,-4,-6», «М-220, -222» и др.  
      Применение полупроводников в электронных схемах ЭВМ привели к увеличению достоверности, производительности до 30 тыс. операций в секунду, и оперативной памяти до 32 Кб. Уменьшились габаритные размеры машин и потребление электроэнергии. Но главные достижения этой эпохи принадлежат к области программ. На втором поколении компьютеров впервые появилось то, что сегодня называется операционной системой. 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.

• Третье поколение, 70-е годы; ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни – тысячи транзисторов в одном корпусе).

• Четвертое поколение, 80-е годы; ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах – микропроцессорах (десятки тысяч – миллионы транзисторов в одном

   Обычно считается, что период  с 1975 г. принадлежит компьютерам  четвертого поколения. Их элементной базой стали большие интегральные схемы (БИС. В одном кристалле интегрированно до 100 тысяч элементов). Быстродействие этих машин составляло десятки млн. операций в секунду, а оперативная память достигла сотен Мб. Появились микропроцессоры Стало возможным коммунальное использование мощности разных машин (соединение машин в единый вычислительный узел и работа с разделением времени). 
Однако, есть и другое мнение - многие полагают, что достижения периода 1975-1985 г.г. не настолько велики, чтобы считать его равноправным поколением. Сторонники такой точки зрения называют это десятилетие принадлежащим "третьему-с половиной" поколению компьютеров. И только с 1985г., когда появились супербольшие интегральные схемы (СБИС. В кристалле такой схемы может размещаться до 10 млн. элементов.), следует отсчитывать годы жизни собственно четвертого поколения, здравствующего и по сей день. 
    Развитие ЭВМ 4-го поколения пошло по 2-м направлениям: 
    1-ое направление — создание суперЭВМ - комплексов многопроцессорных машин. Быстродействие таких машин достигает нескольких миллиардов операций в секунду. Они способны обрабатывать огромные массивы информации.   

2-ое направление — дальнейшее  развитие на базе БИС и СБИС  микро-ЭВМ и персональных ЭВМ (ПЭВМ). Первыми представителями  этих машин являются Apple, IBM - PC ( XT , AT , PS /2), « 
    Благодаря появлению и развитию персональных компьютеров (ПК), вычислительная техника становится по-настоящему массовой и общедоступной. Складывается парадоксальная ситуация: несмотря на то, что персональные и миникомпьютеры по-прежнему во всех отношениях отстают от больших машин, львиная доля новшеств - графический пользовательский интерфейс, новые периферийные устройства, глобальные сети - обязаны своим появлением и развитием именно этой "несерьезной" техники.

• Пятое поколение, 90-е годы; ЭВМ с многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы;

На ЭВМ пятого поколения ставятся совершенно другие задачи, нежели при разработке всех прежних ЭВМ. Если перед разработчиками ЭВМ с I по IV поколений стояли такие задачи, как увеличение производительности в области числовых расчётов, достижение большой ёмкости памяти, то основной задачей разработчиков ЭВМ V поколения является создание искусственного интеллекта машины (возможность делать логические выводы из представленных фактов), развитие "интеллектуализации" компьютеров - устранения барьера между человеком и компьютером.  
    Уже сейчас компьютеры способны воспринимать информацию с рукописного или печатного текста, с бланков, с человеческого голоса, узнавать пользователя по голосу, осуществлять перевод с одного языка на другой. Это позволяет общаться с компьютерами всем пользователям, даже тем, кто не имеет специальных знаний в этой области. 
    Многие успехи, которых достиг искусственный интеллект, используют в промышленности и деловом мире. Экспертные системы и нейронные сети эффективно используются для задач классификации (фильтрация СПАМа, категоризация текста и т.д.). Добросовестно служат человеку генетические алгоритмы (используются, например, для оптимизации портфелей в инвестиционной деятельности), робототехника (промышленность, производство, быт - везде она приложила свою кибернетическую руку), а также многоагентные системы. Не дремлют и другие направления искусственного интеллекта, например распределенное представление знаний и решение задач в интернете: благодаря им в ближайшие несколько лет можно ждать революции в целом ряде областей человеческой деятельности.

• Шестое и последующие поколения; оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейтронной структурой – с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейтронных биологических систем.

Каждое следующее поколение ЭВМ имеет по сравнению с предыдущими существенно лучшие характеристики. Так, производительность ЭВМ и емкость всех запоминающих устройств увеличивается, как правило, больше чем на порядок.

    Современные персональные компьютеры (ПК или РС в английской транскрипции) в соответствии с принятой  классификацией надо отнести  к ЭВМ четвертого поколения. Но  с учетом быстро развивающегося  программного обеспечения, многие  авторы публикаций относят их к 5-му поколению.  
    Первые 32-разрядные микропроцессоры появились на мировом рынке в 1983-1984 гг., но их широкое использование в высокопроизводительных ПК началось с 1985 г. после выпуска фирмами Intel и Motorola микропроцессоров 80386 и М68020 соответственно. Эти БИС открыли новое микропроцессорное поколение, реализующее обработку данных на уровне "больших" ЭВМ.  
    Тактовые частоты современных ПК превышают 3 ГГц, объмы ОЗУ свыше 4 ГБ. Емкость накопителей на жестких дисках измеряется уже в террабайтах. Вычислительные мощности ПК просто колоссальны (хотя и остаются еще недостаточными для решения многих прикладных задач). 
    Кроме стационарных (так называемых, настольных) ПК широкое распространение получили сегодня переносные ПК - nootbook, netbook. Большую популярность приобретают планшетные компьютеры и смартфоны, объединяющие функции ПК и телефона.

2.Классификация ЭВМ

различают следующие классификации компьютерной техники: 
- по этапам развития (по поколениям); 
- по архитектуре; 
- по производительности; 
- по условиям эксплуатации; 
- по количеству процессоров; 
- по потребительским свойствам и т.д. 
    Четких границ между классами компьютеров не существует. По мере совершенствования структур и технологии производства, появляются новые классы компьютеров, границы существующих классов существенно изменяются.

по принципу действия 
     Критерием деления вычислительных машин здесь является форма представления информации, с которой они работают 
- аналоговые (АВМ) - вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения).  
Аналоговые вычислительные машины весьма просты и удобны в эксплуатации; программирование задач для решения на них, как правило, нетрудоемкое; скорость решения задач изменяется по желанию оператора и может быть сделана сколь угодно большой (больше ,чем у ЦВМ), но точность решения задач очень низкая (относительная погрешность 2-5%).На АВМ наиболее эффективно решать математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не требующие сложной логики. 
- цифровые (ЦВМ) - вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме. 
- гибридные (ГВМ) - вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме; они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.  
Наиболее широкое применение получили ЦВМ с электрическим представлением дискретной информации - электронные цифровые вычислительные машины, обычно называемые просто электронными вычислительными машинами (ЭВМ), без упоминания об их цифровом характере. 
     по назначению 
- универсальные (общего назначения) - предназначены для решения самых различных технических задач: экономических, математических, информационных и других задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Они широко используются в вычислительных центрах коллективного пользования и в других мощных вычислительных комплексах. 
- проблемно-ориентированные - служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам; они обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами. К проблемно-ориентированным ЭВМ можно отнести, в частности, всевозможные управляющие вычислительные комплексы 
- специализированные - используются для решения узкого крута задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация ЭВМ позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы. К специализированным ЭВМ можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения; адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами, агрегатами и процессами; устройства согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем. 
      по размерам и функциональным возможностям 
- сверхбольшие (суперЭВМ) 
- большие 
- малые 
- мини 
- сверхмалые (микроЭВМ) 
    К суперЭВМ относятся мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов - десятки миллиардов операций в секунду. Супер-компьютеры используются для решения сложных и больших научных задач (метеорология, гидродинамика и т. п.), в управлении, разведке, в качестве централизованных хранилищ информации и т.д.

3.Многоуровневая  компьютерная организация

Задачи, которые формулирует человек, и задачи, кторые может решать компьютер, радикально различны. Причина разлияия может быть определена как различие языков представления задачи человеком для себя и человеком для вычислительной системы.

Задачи решаются выполнением последовательности действий, обозначаемых как команды. Совокупность команд, которые может выполнять компьютер, называют языком. Встроенные в аппаратуру команды образуют машинный язык. Обозначим его L0.

Совокупность команд, удобных для использования человеком, назовем языком L1.

ВС можно рассматривать на разных уровнях организации:

- физический уровень. Аппаратное  обеспечение машины. Язык этого  уровня- правила работы элементарных электронных схем, реализующих базовые функции (операции) заложенной в осову конструкции арифметики (алгебры) На этом уровне определяются правила построения функциональных элементов из физических.

- уровень 0. Цифровой логический уровень. Элементы: вентили, битовые ячейки памяти. Язык этого уровня- набор операций базовой алгебры (булевой алгебры)

- уровень 1. Микроархитектурный уровень. Элементы- триггеры, шифраторы, дешифраторы, счетчики, регистры, объединенные в тракты данных АЛУ, управляемых аппаратно или микропрограммами. Язык – множество арифметических операций и регистровых операций.

- уровень 2. Архитектура системы  команд. Язык- набор кодов команд процессора. Прграммы интерпретируются микрпрограммой уровня 1 или транслируются в коды уровня 1

- уровень 3. Архитектура операционной  системы. На этом уровне выполняется  организация памяти, реализация  многозадачного режима работы  ВС, управление периферийными устройствами. Как правило, имеется интерпретируемый язык- набор команд ОС. Сам интерпретатор находится на 2 уровне.

- уровень 4. Прикладной уровень  для аппаратной реализации. Язык  – транслируемый, транслятор называется  ассемблером процессора. Набор символьных  команд на основе человеческого  языка.

- уровень 5. Прикладной уровень  аппаратно-независимой архитектуры. Используются языки высокого  уровня и компиляторы.

Происходит постоянное перетекание функций из аппаратной реализации в программную и обратно для каждого из 0-3 уровней представления системы.

Метод микропрограммирования предложен Морисом Уилксом в 1951 г.

Машина фон Неймана, как и практически каждый современный ЭВМ общего назначения, состоит из четырех основных компонентов:

1. Операционная устройство (ВУ) , который выполняет команды из определенного набора, который называется системой (набором) команд , над порциями информации, хранящейся отделенной от операционного устройства памяти (хотя современные архитектуры имеют в составе операционного устройства дополнительную память (обычно банк регистров ), в которой операнды хранятся сравнительно короткое время непосредственно в процессе проведения вычислений.