Лекция 6. Основные классы вычислительных машин

Вычислительные машины могут быть классифицированы по ряду призна-

ков, в частности:

□ по принципу действия;

□ по этапам создания и элементной базе;

□ по назначению;

□ по способу организации вычислительного процесса;

□ по размеру вычислительной мощности;

□ по функциональным возможностям;

□ по способности к параллельному выполнению программ и т. д.

Классификация ЭВМ по принципу действия

По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса (рис. 6.1): аналоговые, цифровые и гибридные.

Рис. 6.1. Классификация вычислительных машин по принципу действия

Критерием деления вычислительных машин на эти три класса является форма представления информации, с которой они работают (рис. 6.2).

Аналоговая форма Цифровая импульсная форма

Рис. 6.2. Две формы представления информации в машинах

□ ЦВМ — цифровые вычислительные машины, или вычислительные машины дискретного действия — работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме.

□ АВМ — аналоговые вычислительные машины, или вычислительные

машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения).

ПРИМЕЧАНИЕ

АВМ весьма просты и удобны в эксплуатации; программирование задач для решения их на этих машинах, как правило, не трудоемкое. Скорость решения задач изменяется по же- ланию оператора и может быть сделана сколь угодно большой (больше чем у ЦВМ), но точ- ность решения задач очень низкая (относительная погрешность до 2–5 %). На АВМ эффек- тивно решаются математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения и не требующие сложной логики.

□ ГВМ — гибридные вычислительные машины, или вычислитель- ные машины комбинированного действия – работают с информацией, пред- ставленной и в цифровой, и в аналоговой форме; они совмещают в себе досто-

инства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

В экономике (да и в науке, и технике) получили подавляюще широкое рас-

пространение ЦВМ с электрическим представлением дискретной информации – электронные цифровые вычислительные машины, обычно называемые просто электронными вычислительными машинами (ЭВМ), без упоминания об их цифровом характере.

Классификация ЭВМ по этапам создания и элементной базе

По этапам создания и элементной базе компьютеры условно делятся на поколения:

□ 1-е поколение, 50-е годы: ЭВМ на электронных вакуумных лампах;

□ 2-е поколение, 60-е годы: ЭВМ на дискретных полупроводниковых при-

борах (транзисторах);

□ 3-е поколение, 70-е годы: компьютеры на полупроводниковых инте-

гральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни–тысячи тран-

зисторов в одном корпусе).

ПРИМЕЧАНИЕ

Интегральная схема – электронная схема специального назначения, выполненная в ви- де полупроводникового кристалла, объединяющего большое число активных элементов (диодов и транзисторов);

□ 4-е поколение, 80–90-е годы: компьютеры на больших и сверхбольших интегральных схемах, основная из которых – микропроцессор (десятки тысяч–

миллионы активных элементов на одном кристалле).

ПРИМЕЧАНИЕ

Большие интегральные схемы столь плотно упаковывают активные элементы, что все электронное оборудование компьютера 1-го поколения (монстра, занимавшего зал площадью

100–150 м2) размещается сейчас в одном микропроцессоре площадью 1,5–2 см2.' Расстояния между активными элементами в сверхбольшой интегральной схеме составляют 0,11–0,15 микрона (для сравнения, толщина человеческого волоса равна нескольким десяткам микронов).

□ 5-е поколение, настоящее время: компьютеры с многими десятками па- раллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с

параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки по-

следовательных инструкций программы;

□ 6-е и последующие поколения: оптоэлектронные компьютеры с массо- вым параллелизмом и нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитек- туру нейронных биологических систем.

Развитие вычислительной техники в современном периоде принято рас-

сматривать с точки зрения смены поколений компьютеров, вызванной перехо-

дом на новую элементную базу.

Нулевое поколение компьютеров.Элементная база – электромеханиче-

ское реле. В 1944 году американский инженер Говард Эйкен при поддержке фирмы IBM сконструировал компьютер, названный «Марк-1».

Однако электромеханические реле работают весьма медленно и недоста-

точно надежно. Поэтому группа американских специалистов начала конструи-

ровать компьютер на основе электронных вакуумных ламп.

Первое поколение компьютеров.Элементная база – электронные лампы.

В 1946 году американские ученые Джон Мокли и Преспер Эккерт сконструиро-

вали компьютер, названный ЭНИАК (электронный вычислительный интегратор и калькулятор). По сравнению с «Марк-1» скорость работы увеличилась в 1000 раз. Однако обнаружилось, что большую часть времени этот компьютер про- стаивал – ведь для задания метода расчетов (программы) в этом компьютере приходилось в течение нескольких часов или даже нескольких дней подсоеди- нять нужным образом провода. А сам расчет после этого мог занять всего лишь несколько минут или даже секунд.

Чтобы упростить и убыстрить процесс задания программ, Мокли и Эккерт стали конструировать новый компьютер, который мог бы хранить программу в своей памяти. К этой работе был привлечен американский математик Джон

фон Нейман, который разработал общие принципы функционирования и эле- менты архитектуры компьютеров, как универсальных вычислительных уст- ройств, которые получили название принципы фон Неймана.

Компьютер, согласно принципам фон Неймана (см. рис. 6.3), должен иметь следующие устройства:

- арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметиче-

ские и логические операции;

- устройство управления (УУ), которое синхронизирует работу всего ком-

пьютера;

- память для хранения программ и данных;

- внешние устройства (ВУ) для ввода-вывода информации.

АЛУ УУ ВУ

- информационные связи

- управляющие связи

Память

Рис. 6.3. Структурная схема компьютера

АЛУ и УУ объединены в единое устройство – процессор (центрально об-

рабатывающее устройство).

Память компьютера состоит из ячеек, каждая из которых имеет свой уни- кальный адрес. Каждая ячейка хранит команду программы или единицу обра- батываемой информации.

В любой момент процессор выполняет одну команду программы, адрес ко-

торой находится в специальном регистре процессора – счетчике команд.

Информация в процессор поступает из памяти или от внешнего устройства.

В каждой команде программы зашифрованы следующие предписания: из каких ячеек взять обрабатываемую информацию; какие операции совершить с этой информацией; в какие ячейки памяти направить результат; как изменить

содержимое счетчика команд, чтобы знать, откуда взять следующую команду для выполнения.

Процессор выполняет программу команду за командой в соответствии с

изменением счетчика команд до тех пор, пока не получит команду остановиться.

В дальнейшем архитектура фон Неймана незначительно изменялась и до-

полнялась, но исходные принципы управления работой компьютера с помощью хранящихся в памяти программ остались нетронутыми. Подавляющее боль- шинство современных компьютеров построено именно по архитектуре фон Неймана.

В 1951 году был создан первый компьютер, предназначенный для коммер- ческого использования, – УНИВАК (универсальный автоматический компью- тер), в котором были реализованы все принципы архитектуры фон Неймана.

Работа по созданию вычислительных машин велась и в СССР. Так, в

1950 году под руководством академика С.А.Лебедева была разработана МЭСМ

(малая электронная счетная машина).

В компьютерах этого поколения использовался машинный язык – способ записи программ (команды в виде двоичных кодов), допускающий их непо- средственное исполнение на компьютере. Для каждого компьютера существо- вал свой собственный машинный язык, что ограничивало область применения компьютеров.

Компьютеры второго поколения имели невысокую производительность: до нескольких тысяч операций в секунду. Область применения была ограничена.

Электронные лампы выделяли большое количество тепла, поглощали мно- го электроэнергии, были громоздкими, дорогими и ненадежными. В 1948 году был изобретен транзистор. Транзисторы выполняли те же функции, что и элек-

тронные лампы, но использовали электрические свойства полупроводников.

Второе поколение компьютеров.Элементная база – транзисторы. В то же время появляются новые устройства для организации памяти компьютеров –

ферритовые сердечники. С изобретением транзистора и использованием новых технологий хранения данных в памяти появилась возможность значительно уменьшить размеры компьютеров, сделать их более надежными и быстрыми.

В 1954 году началось серийное производство транзисторов, а в 1956 году ученые Массачусетского технологического института создали первый полно- стью построенный на транзисторах компьютер.

Машинный язык, применявшийся во втором поколении компьютеров, был крайне неудобен для восприятия человеком. Для преодоления этих неудобств

был придуман язык ассемблер. После ввода программы ассемблер сам заменяет символические имена на адреса памяти, а символические коды команд на чи- словые. Использование ассемблера сделало процесс написания программ более наглядным.

К 1965 году большая часть крупных компаний обрабатывала финансовую информацию с помощью компьютеров.

Вскоре появилась потребность в более естественных языках, которые бы

упрощали процесс программирования. Подобные языки программирования по- лучили названия языков высокого уровня. Для их использования необходимо иметь компилятор (или интерпретатор), то есть программу, которая преобразу- ет операторы языка в машинный язык.

Одним из первых языков программирования стал язык Фортран, который предназначался для математических алгоритмов. Затем появился Кобол, кото-

рый предназначался для обработки финансово-экономических данных.

С третьим поколением компьютеров началось развитие индустрии про-

граммного обеспечения.

В целом, данный период развития вычислительной техники характеризует- ся применением для создания компьютеров транзисторов и памяти на феррито- вых сердечниках, увеличением быстродействия компьютеров до нескольких со- тен тысяч операций в секунду, возникновением новых технологий программи- рования, языков программирования высокого уровня, операционных систем.

После появления транзисторов наиболее трудоемкой операцией при про-

изводстве компьютеров было соединение и спайка транзисторов для создания электронных схем.

В 1959 году Роберт Нойс изобрел способ, позволяющий создавать на од-

ной пластине кремния транзисторы и все необходимые соединения между ни-

ми. Полученные электронные схемы стали называться интегральными схемами или чипами. Впоследствии Роберт Нойс основал компанию Intel по производст- ву интегральных микросхем. Микросхемы работали значительно быстрее тран- зисторов и потребляли значительно меньше энергии.

Третье поколение компьютеров.Элементная база – интегральные мик- росхемы. Первые интегральные микросхемы состояли всего из нескольких эле- ментов. Однако, используя полупроводниковую технологию, ученые довольно

быстро научились размещать на одной интегральной микросхеме сначала де-

сятки, а затем сотни и больше транзисторных элементов.

В 1964 году компания IBM выпустила компьютер IBM System 360, постро-

енный на основе интегральных микросхем. Выпуск этих компьютеров можно считать началом массового производства вычислительной техники.

IBM System 360 относится к классу так называемых мэйнфреймов. Компа-

ния DEC представила модель миникопьютера PDP-8.

В то же время совершенствовалось программное обеспечение. Появились первые коммерческие операционные системы и новые прикладные программы.

В 1964 году появился язык программирования Бейсик (BASIC), предназна-

ченный для обучения начинающих программистов. В 1970 году швейцарец Никлас Вирт разработал язык программирования Паскаль. Созданный как язык для обучения, Паскаль оказался очень удобен для решения многих прикладных задач.

Основой для компьютеров этого поколения послужили интегральные мик- росхемы, что позволило значительно уменьшить стоимость и размеры компью- теров. Началось массовое производство компьютеров. Продолжалось увеличе-

ние скорости обработки информации: до одного миллиона операций в секунду. Появились новые внешние устройства. Появились первые коммерческие опера- ционные системы, специально разработанные для них языки программирования

высокого уровня.

В 1969 году компания Intel выпустила еще одно важное для развития вы-

числительной техники устройство – микропроцессор. Микропроцессор пред-

ставляет собой интегральную микросхему, аналогичную по своим функцио-

нальным возможностям центральному процессору большого компьютера.

В течение следующих десятилетий продолжалось все большее увеличение скорости и интеграции микропроцессоров. Появились сверхбольшие инте-

гральные схемы, включающие сотни тысяч и даже миллионы элементов на один кристалл. Это позволило продолжить уменьшение размеров и стоимости компьютеров и повысить их производительность и надежность.

Практически одновременно с микропроцессорами появились микрокомпь- ютеры, или персональные компьютеры, Отличительной особенностью которых стали небольшие размеры и низкая стоимость. Компьютеры перестали быть

прерогативой крупных компаний и государственных учреждений, а преврати-

лись в товар массового потребления.

Одним из пионеров персональных компьютеров была компания Apple. Ее основатели Стив Джобс и Стив Возняк собрали первую модель персонального

компьютера в 1976 году и назвали ее Apple I. В 1977 году компания Apple

представила следующую модель персонального компьютера - Apple II.

Персональные компьютеры не привлекали крупные компании до 1979 го- да. В конце 70-х годов распространение персональных компьютеров даже при- вело к некоторому снижению спроса на большие и мини-компьютеры. Это ста- ло предметом серьезного беспокойства фирмы IBM – ведущей компанией по производству больших компьютеров и в 1979 году фирма IBM решила попро- бовать свои силы на рынке персональных компьютеров. Однако руководство фирмы недооценило будущую важность этого рынка и рассматривало создание персонального компьютера всего лишь как эксперимент. Чтобы не тратить на этот эксперимент слишком много денег, было решено не конструировать пер- сональный компьютер «с нуля», а использовать узлы, изготовленные другими

фирмами. В качестве основного микропроцессора компьютера был выбран но- вейший тогда 16-разрядный микропроцессор Intel-8088. Программное обеспе- чение было поручено разработать небольшой фирме Microsoft.

В 1981 году новый компьютер под названием IBM PC (персональный ком-

пьютер фирмы IBM) был представлен публике и вскоре приобрел большую по-

пулярность у пользователей.

Если бы IBM PC был сделан так же, как другие существовавшие в то время компьютеры, он бы устарел через 2–3 года и о нем бы давно уже забыли. Одна- ко с компьютерами IBM PC получилось по-другому. Фирма IBM не сделала

свой компьютер единым неразъемным устройством и не стала защищать его конструкцию патентами. Наоборот, она собрала компьютер из независимо из- готовленных узлов и не стала держать в секрете способы их соединения.

Напротив, принципы конструкции IBM PC были доступны всем желающим. Это подход, называемый принципом открытой архитектуры, обеспечил по- трясающий успех компьютеру IBM PC, хотя и лишил фирму IBM возможности

единолично пользоваться плодами этого успеха. Перспективность и популяр- ность IBM PC сделало весьма привлекательным производство различных ком- плектующих и дополнительных устройств для IBM PC. Конкуренция между

производителями привела к удешевлению комплектующих и устройств. Очень скоро многие фирмы стали сами собирать компьютеры, совместимые с IBM PC. Поскольку этим фирмам не требовалось нести огромные издержки фирмы IBM,

они смогли продавать свои компьютеры значительно дешевле. Пользователи получили возможность самостоятельно модернизировать свои компьютеры. Все это привело к удешевлению IBM PC-совместимых компьютеров и стреми- тельному улучшению их характеристик, и как следствие, к росту их популярно-

сти.