Файл: История развития средств вычислительной техники ( Домеханический этап развития, использование простейших счётных приспособлений ).pdf
Добавлен: 29.02.2024
Просмотров: 62
Скачиваний: 0
Переход к т.н. второму поколению ЭВМ произошел в связи с изобретением Эдгаром Лилиенфельдом полевого транзистора в 1926 году когда он получил патент на свое изобретение. Но первый действующий биполярный транзистор был создан только в 1947 году специалистами компании "Bell Telephone
Laboratories" Дж. Бардином, У. Брайттеном и У. Шокли. Официальная демонстрация устройства состоялась 23 декабря 1947 года, и именно эта дата считается официальным днем изобретения транзистора (от англ. transfer - переносить и resistor - сопротивление). Это был точечно-контактный прибор, в котором
три металлических "усика" контактировали с бруском из поликристаллического германия. Дальнейшие исследования полупроводниковых материалов привели к созданию плоскостных кремниевых транзисторов. Транзисторы заменили электронные лампы. Запоминающие устройства на магнитных сердечниках, магнитные барабаны и магнитные ленты полностью вытеснили запоминающие устройства на электронно-лучевых трубках и ртутных линиях задержки, применяемых в компьютерах первого поколения.
Первой и отчасти переходной ЭВМ второго поколения можно считать, созданную в 1959 году в СССР на базе МГУ ЭВМ "Сетунь" (название недалеко протекающей от университета речке). Перед разработчиками стояла цель: спроектировать недорогую машину для решения научно-технических и хозяйственных задач средней сложности в вузах, конструкторских бюро, на заводах, в научно-исследовательских институтах и лабораториях. Т.к. ламповые машины уже тогда казались чересчур громоздкими и энергоемкими, а транзисторы появились недавно и были ненадежными было принято решение элементную базу сделать на магнитных логических элементах. Так же главный конструктор Н. П. Брусенцов решил использовать троичную систему счисления [[53], с.115]. Использование в качестве основного элемента схем машины магнитного усилителя с тактовой частотой 200 кГц вместе с применением троичной системы счисления позволили обеспечить требуемую скорость выполнения операции при помощи простого и экономного арифметического устройства с сумматором последовательного действия. Кроме того, в связи с тем, что при одной и той же точности представления чисел троичное слово в 1,6 раза короче двоичного, операции, подобные сложению, в троичном последовательном арифметическом устройстве выполняются в 1,6 раза быстрее, чем в двоичном.
"Сетунь" - одноадресная машина последовательного действия, оперирующая числами с фиксированной запятой. Машина оперирует 18-разрядными (длинными) и 9-разрядными (короткими) троичными кодами. Память машины состоит из двух ступеней: 1) оперативного запоминающего устройства на ферритовых сердечниках емкостью 162 ячейки по девять троичных разрядов; 2) запоминающего устройства на магнитном барабане емкостью 1944 ячейки по девять троичных разрядов. Ввод данных в машину осуществляется с пятипозиционной бумажной перфоленты, Вывод данных производится путем печати и перфорации на бумажной ленте. Питание машины производится от сети трехфазного тока 220/380 В. Потребляемая мощность — 2,5 кВа. Охлаждение — естественное. Машина оформлена в виде шкафа 2,9×1,85×0,5 м с пультом управления
1,6×0,6×1 м и стола внешних устройств 1,2×0,8×0,75 м. Для установки машины требуется площадь 25–30 кв. м [[54], с.202] (рис.19).
Рис. 19 ЭВМ "Сетунь"
"Сетунь" выпускалась серийно в Казани, но небольшими партиями, по 15–20 машин в год. За пять лет было выпущено 50 машин, 30 из них стояли в вузах.
Один из первых транзисторных ЭВМ в США создан Bell Laboratories в 1955году, его название TRADIC (сокр. от англ. TRAnsistor DIgital Computer или TRansistorized Airborne DIgital Computer). TRADIC содержал 800 транзисторов и 10 000 германиевых диодов. TRADIC имел достаточно малые размеры и вес для установки на стратегических бомбардировщиках B-52 Stratofortress. По существу, это был компьютер специального назначения. Он мог выполнять 1 млн логических операций в секунду. Ранее в 1953 году так же в США был собран
первый экспериментальный компьютер на транзисторах TX-0.
В1964 году по заказу комиссии по атомной энергетике США фирмой Control Data была произведена ЭВМ CDC 6600, разрабатываемая с 1957 года. В этой ЭВМ широко использовались принципы параллельной обработки данных, для которой предназначался центральный процессор с запоминающим устройством на 131 тысячу слов и десять периферийных вычислителей, каждый из которых был снабжен своей памятью на 4096 слов [[55], с.125]. До выпуска первых ЭВМ на интегральных схемах CCD-6600 оставалась самой быстродействующей ЭВМ в мире. Ее производительность превышала три миллиона операций в секунду.
В 1966 году в СССР под руководством С.А. Лебедева учеными Инсти-
тута точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ), разработана на элементной базе второго поколения быстродействующая электронно-счетная машина БЭСМ-6 (первое промышленное внедрение — 1967 г.). В ее состав входило 60 000 транзисторов и 200 000 полупроводниковых диодов, а производительность достигала 1 миллиона операций в секунду (это первая в СССР суперЭВМ с такой производительностью) [[56],с.249].
Основные тенденции развития ЭВМ второго поколения были связаны с совершенствованием элементной базы, поэтому структурная схема ЭВМ не претерпела кардинальных изменений, по сравнению со структурной схемой ЭВМ первого поколения. Однако, наметились тенденции к распараллеливанию вычислительных ресурсов ЭВМ и многопрограммному принципу работы. ЭВМ, зачастую, содержали несколько параллельно работающих устройств управления (УУ), несколько оперативных запоминающих устройств (ОЗУ) и даже несколько арифметико-логических блоков (АЛУ). Причем часто устройства, выполняющие одну и ту же функцию, могли быть, как однотипные, так и специализированные. Например, могло быть одно центральное АЛУ и несколько вспомогательных устройств, оптимизированных для решения специфических задач. Так же как и ранее С помощью устройства ввода данных (УВв), в ЭВМ вводились программы и исходные данные к ним. Введенная информация запоминалась в оперативном запоминающим устройстве (ОЗУ). Затем, при необходимости, она заносилась во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), откуда по мере надобности могла подгружаться в ОЗУ. Промежуточные результаты, полученные после выполнения отдельных команд, сохранялись в ОЗУ. Результаты, полученные после выполнения всей программы вычисления, передавались на устройство вывода (УВыв) (рис.20).
Рис. 20 Структурная схема ЭВМ второго поколения
Усложнение структуры ЭВМ второго поколения, возможность распараллеливания задач, идеи мультипрограммирования, расширение области применения сделали процесс программирования сложной, трудоемкой и востребованной работой. Поэтому стали бурно развиваться алгоритмические языки программирования. К концу шестидесятых годов их насчитывалось уже более 1000. Среди них наиболее известными были: Алгол, разработанный в 1957 году и ориентированный на научно-технические расчеты; Фортран, разработанный специалистами фирмы IBM 1957 году для задач численного анализа; Лисп, разработанный в 1958 году в США и ориентированный на символьную обработку данных, и процессы принятия решений; ИПЛ, разработанный в США в Массачусетском Технологическом Институте в 1960 году. Позволял манипулировать словами и выражениями на естественном языке. В этом языке впервые появилось понятие списка; ПЛ-1, разработанный фирмой IBM в 1960 году.
В 60е годы стремительное развитие приобрела авиация и космическая техника, где требовались не только высокие вычислительные способности техники но и малые размеры и вес. В 1952 г. Дж. Даммер выдвинул идею создания монолитной полупроводниковой интегральной схемы. Осенью 1958 г. Джон Килби из фирмы Texas Instruments впервые создал опытную интегральную схему [[57], с.157]. Промышленное производство интегральных схем началось в 1962 г. Это дало толчок к появлению ЭВМ третьего поколения.
Третье поколение компьютеров разрабатывалось с 1964 по 1974 г. на новой элементной базе – интегральных схемах (ИС). Такие схемы могут содержать десятки, сотни и даже тысячи транзисторов и других элементов, которые физи-
чески неразделимы. Интегральная схема выполняет те же функции, что и аналогичная ей схема на элементной базе ЭВМ второго поколения, при этом она была меньше и надежнее. Первые интегральные схемы были малой плотности, но со временем технология их производства отлаживалась, плотность возрастала. В ЭВМ третьего поколения использовались интегральные схемы малой и средней плотности, позволяющие в одном кристалле объединять сотни элементов. Такие микросхемы могли использоваться, как отдельные операционные схемы – регистры, дешифраторы, счетчики и т.д.
Наиболее значимой среди разработок ЭВМ третьего поколения были IBM System - 360 (Система-360) выпуск которой начался с 1964 года. В конце 1961 г. руководство фирмы IBM решило выработать общую техническую стратегию фирмы. Был создан комитет из представителей всех основных отделов фирмы где особенно активно обсуждались два основных принципа разработки будущих компьютеров IBM.
Первый принцип – любая новая машина должна быть универсальной, т.е. справляться с широким спектром проблем - от решения логических и вычислительных задач научного характера до обработки данных в сфере управления и бизнеса. До начала 60-х г. компьютеры конструировались в расчете либо на научные, либо на управленческие применения. Тем не менее к этому времени компьютеры, предназначенные для научных исследований, все чаще стали применяться в сфере бизнеса, и наоборот. Этот принцип стал частью названия серии, т.е. способность машины работать во всех направлениях на 360 градусов.
Второй принцип – новые компьютеры должны быть совместимы друг с другом. В те годы в фирме IBM насчитывалось около 20 конструкторских бюро. Машины, разрабатывавшиеся в этих бюро, были мало приспособлены для обмена данными или программами между собой. Несовместимость машин различных
моделей была характерна для компьютерной индустрии – каждая модель имела свой собственный процессор и систему ввода-вывода, т.е. аппаратуру и правила связи между вычислительной машиной и такими устройствами, как клавиатура или принтер. Программы, написанные в соответствии с внутренними инструкциями центрального процессора одной машины, были непригодны для других процессоров. Периферийные устройства, предназначенные для какого-либо одного типа системы ввода-вывода, нельзя было подключать к другим машинам. Этот принцип дал начало развитию индустрии производства периферийных устройств фирм не имеющих отношения к IBM но совместимых с IBM/360.
IBM/360 (рис. 21) была первой 32-разрядной компьютерной системой, так же в ней применялась шестнадцатеричная система счисления. Из-за большой популярности IBM/360 решения используемы в ней стали стандартными для всей компьютерной техники, такие как: байт из 8 битов; разделение адресов памяти байтами; размер слова стал равен 32м битам; коммерческое использование микрокода; стандарт IBM для представления числа с плавающей точкой. Старшие модели семейства IBM/360 и последовавшее за ними семейство IBM/370 были одними из первых компьютеров с виртуальной памятью и первыми серийными вычислительными машинами, поддерживающими реализацию виртуальных машин [[58], с.168].
В ЭВМ третьего поколение уже четко выделяется иерархия памяти. ОЗУ делится на независимые блоки с собственными системами управления, работающие параллельно. Структура оперативной памяти делится на страницы и сегменты. Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) подключаются через специальный контроллер селекторного канала (КCК). Их емкость и скорость значительно возрастают. Наряду с совершенствованием логических устройств и памяти, полным ходом шла модернизация устройств ввода-вывода. Быстродействие новых ЭВМ требовало более быстрой и надежной системы ввода-вывода данных, чем устройства чтения перфокарт и телетайпы. На смену им пришли клавиатуры, панели графического ввода, дисплеи со световым карандашом, плазменные панели, растровые графические системы и другие устройства. Большое разнообразие периферийных устройств, их сравнительно большое быстродействие, необходимость отделить операции ввода-вывода от вычислительного процесса привело к созданию специализированного контроллера мультиплексного канала (КМК), позволившего процессорам работать параллельно с вводом-выводом данных. Поэтому структурная схема ЭВМ
Рис. 21 IBM System 360
третьего поколения существенно отличалась от предыдущих поколений (рис.22) [[59]]
Рис. 22 Структурная схема ЭВМ третьего поколения
Архитектура IBM/360 была настолько удачной, что стала де-факто промышленным стандартом вплоть до сегодняшнего дня. Многие другие фирмы стали выпускать совместимые с IBM/360 вычислительные машины, например, семейство 470 фирмы Amdahl, мейнфреймы Hitachi, UNIVAC 9200/9300/9400 и др.
В СССР IBM/360 была клонирована в серии машин ЕС ЭВМ единая система электронных вычислительных машин. В 1968 г. началась работа над первой машиной семейства ЕС - моделью ЕС-1020. Она была разработана Минским филиалом НИЦЭВТ. ЭВМ ЕС-1020 - это первая ЭВМ, обеспечившая полную информационную и программную совместимость с наиболее распространенными западными ЭВМ общего назначения. Состояла из процессора ЕС-2020, блока ОЗУ, внешних ЗУ накопителей на магнитных дисках и накопителей на магнитной ленте, Устройствами ввод-вывода (аппаратура связи оператора с ЭВМ, устройства вывода. Занимаемая основным комплектом площадь в 80–100 м2 и потребляла 21кВА. Всего было выпущено около 755 машин [[60], с.108].
Рынок программного обеспечения быстро развивается, создаются пакеты программ для решения типовых задач, проблемно-ориентированные программные языки и целые программные комплексы для управления работой ЭВМ, которые впоследствии получат название – операционные системы. Концу 1960-х годов уже был создан целый ряд операционных систем, реализующий множество необходимых функций по управлению ЭВМ. Всего эксплуатировалось более сотни различных ОС. Самыми развитые из них были OS/360, разработанная фирмой IBM в1964 году для управления мейнфреймами; MULTICS - одна из первых операционных систем с разделением времени исполнения программ; UNIX, разработанная в 1969 году и, впоследствии, разросшаяся до целого семейства операционных систем, многие из которых являются одними из самых популярных на сегодняшний день.
С развитием технологии производства интегральных схем плотность компоновки элементов постепенно увеличивалась. Стали появляться сверх большие интегральные схемы, и ЭВМ третьего поколения, строящиеся на интегральных схемах малой и средней плотности, постепенно стали вытесняться ЭВМ четвертого поколения на больших и сверх больших интегральных схемах с микропроцессорами. Идея микропроцессора пришла в голову Тэду Хоффу летом 1969 года сотруднику компании Inte, когда он пришел к мнению, что надо создать многоцелевой микрочип, который, нужным образом настроив или запрограммировав, можно было бы использовать в различных приложениях. Другими словами, универсальный компьютер широкого применения на основе микрочипа. Японская компания Busicom планировала выпуск нового мощного настольного калькулятора. Была подготовлена спецификация на двенадцать микрочипов разного назначения (для управления дисплеем, вычислениями, памятью и так далее), которые должны были быть разработаны в Intel в отделе Тэда Хоффа, но количество требуемых микрочипов и их сложность делала задачу практически невыполняемой. Тогда Хофф предложил свою идею, а именно разработать единую логическую микросхему, способную выполнять практически все действия, требуемые Busicom. К сентябрю 1969 года Хофф и его коллега Стэн Мазор примерно набросали архитектуру универсальной логической микросхемы, способной выполнять инструкции программы. Она могла заменить девять из двенадцати микрочипов, требуемых Busicom. Нойс и Хофф представили этот вариант руководству Busicom. Те согласились, что предлагаемый подход лучше. Поскольку это по существу был процессор компьютера, помещенный на микрочип, новое устройство окрестили микропроцессором.Так уже в ноябре 1971 г. компания Intel выпустила важное для развития вычислительной техники устройство – микропроцессор Intel-4004 (рис.22) [[61], с.176].