Поколения ЭВМ. Их краткая характеристика. Элементная база.
Ответ:
(не стоит паниковать при виде этого вопроса – запомнить нужно основные моменты, а выносить их кусками значит лишь кого-то полного понимания картины)
На данный момент существует четыре поколения ЭВМ.
| Поколения ЭВМ | Первое (1949-1958) | Второе (1959-1963) | Третье (1964-1976) | Четвертое (1977-н.в.) |
| Элементная база ЭВМ | Электронные лампы, реле | Транзисторы, параметроны | ИС, СБИС | Сверхбольшие ИС (СБИС) |
| Производительность центрального процессора | до 3х105 о/с | до 3х106 о/с | до 3х107 o/c | более 3х107 o/c |
| Тип оперативной памяти (ОП) | триггеры, ферритовые сердечники (ФС) | миниатюрные ФС | полупроводниковая БИС | полупроводниковая СБИС |
| Объем ОП | до 64 Кб | до 512 Кб | до 16 Мб | более 16 Мб |
| Типичные модели поколения | EDSAC ENIAC UNIAC БЭСМ | RCA-501, IBM-7090, БЭСМ-6 | IBM/360, PDP, VAX, ЕС ЭВМ, СМ ЭВМ | IBM/370, SX-2, IBM PC/XT/AT, PS/2, Cray, сети |
| Характерное программное обеспечение | Коды, автокоды, ассемблеры | Языки программиро-вания, диспетчеры АСУ, АСУТП | ППП, СУБД, САПРы, ЯВУ, операцион-ные системы | БЗ, ЭС, системы параллельного программирования |
В первом поколении (1943-1959 гг.) элементной базой ЭВМ была электронная лампа, в которой использовался эффект Эдисона.
Электронная лампа – это прибор, работа которого осуществляется за счет изменения потока электронов, двигающихся в вакууме от катода к аноду. Движение электронов происходит за счет термоэлектронной эмиссии – испускания электронов с поверхности нагретых металлов. Здесь используется свойство металлов, которые обладают большой концентрацией свободных электронов с различной энергией, а, следовательно, и скоростями движения. По мере нагревания металла энергия электронов возрастает, и некоторые из них преодолевают потенциальный барьер на границе металла.
В ЭВМ первого поколения оперативная память выполнялась на триггерах, затем на ферритовых сердечниках, быстродействие 5-30 тыс. арифметических операций в секунду.
Память на магнитных сердечниках хранила данные в виде направления намагниченности небольших ферритовых колец. Каждое кольцо сохраняло 1 бит информации, а вся память представляла собой прямоугольную матрицу.
От программиста того времени требовалось хорошее знание архитектуры ЭВМ и ее программных возможностей. Программирование осуществлялось в машинных кодах, позднее на ассемблере и автокоде. Поэтому программирование на ЭВМ первого поколение было уделом избранных, специально подготовленных математиков-программистов.
Первые ЭВМ использовались в основном для научных расчетов.
Машины первого поколения размещались в огромных залах (типа спортивных). Тысячи электронных ламп быстро нагревали помещение, высокая температура снижала надежность ЭВМ.
К концу жизненного цикла первого поколения появился первый язык высокого уровня – ФОРТРАН.
Применение транзисторов в вычислительной технике дало начало второму поколению (1959-1963 гг.) компьютеров. На компьютерах с транзисторами начал действовать закон «10» - улучшение за десять лет всех характеристик компьютера примерно в десять и более раз.
Переход на новую элементную базу оказался неизбежным, так как рост производительности и надежность ЭВМ первого поколения достигли своего максимума. Основные причины, приведшие к необходимости замены электронных ламп, были следующими:
1. Нить накаливания в электронных лампах со временем теряет свои эмиссионные свойства и перегорает. В среднем, срок службы лампы не превышал 10 000 часов. Таким образом, в ЭВМ, состоящей из 104 электронных ламп, в среднем, каждый час, выходила из строя одна электронная лампа.
2. ЭВМ на электронных лампах требуют мощных источников питания, при этом почти 75% энергии растрачивается на тепловых потерях. Это, в свою очередь, приводит к необходимости организации дорогостоящих и сложных систем охлаждения. Транзисторы потребляют на порядок меньше энергии и слабее греются.
3. Большие габариты электронных ламп. Самые миниатюрные радиолампы не позволяли в одном кубическом дециметре разместить более 1000 элементов, в то же время использование транзисторов позволяло на порядок увеличить плотность монтажа.
4. Радиолампы – это хрупкий элемент. Его установка требует осторожности и аккуратности, и с большим трудом поддается автоматизации. В то же время транзисторы гораздо более надежны и прочны, что позволяет легко автоматизировать процесс их производства и монтажа.
Кроме новой элементной базы и быстродействия, второе поколение характеризуется новыми архитектурными решениями и развитием технологии программирования. В ЭВМ второго поколения обеспечивается совмещение функциональных операций, они стали работать в режиме разделения времени. Реализовано совмещение центрального процессора по обработке данных и каналов ввода-вывода, а также распараллеливание операций выборки команд и данных из памяти.
Конец 50-х годов - это начало этапа автоматизации программирования. В это время появляются языки CommercialTranslator, FACT, MathMathic, и 38
программно-ориентированные языки высокого уровня (ЯВУ): Fortran (1955), Algol-60, AKU-400 и др.
В это время были разработаны первые системы пакетной обработки, которые автоматизировали всю последовательность действий оператора по организации вычислительного процесса. Ранние системы пакетной обработки явились прообразом современных операционных систем, они стали первыми системными программами, предназначенными не для обработки данных, а для управления вычислительным процессом.
В 1957 году компанией BellLabs была разработана операционная система Bell Operating System. А в 1962 году была разработана компанией GeneralElectric операционная система General Comprehensive Operating System.
Микроэлектронная технология породила третье поколение ЭВМ (1964-1974 гг.). В этом поколении элементную базу компьютеров образовали так называемые интегральные схемы. Замечательное отличие такой схемы заключается в том, что все ее элементы (транзисторы, резисторы конденсаторы) и соединения между ними создаются на небольшой пластине кристалла (обычно кремния). Технология, использующая процессы травления и напыления, позволяет создавать схемы с чрезвычайно мелкими элементами. Именно поэтому такие схемы и стали называть интегральными микросхемами.
Использование интегральных схем позволило получить ряд преимуществ:
1. Увеличилась надежность ЭВМ. Надежность интегральных схем – на порядок выше надежности аналогичных схем на дискретных 40 компонентах.
2. За счет повышения плотности упаковки электронных схем, уменьшилось время передачи сигнала по проводникам и, как следствие, увеличилось быстродействие ЭВМ.
3. Производство интегральных схем хорошо поддается автоматизации, что при серийном производстве резко уменьшает себестоимость производства и способствует популяризации и расширению области применения ЭВМ.
4. Высокая плотность упаковки электронных схем уменьшила на несколько порядков габариты, массу и потребляемую мощность ЭВМ, что позволило использовать их в недоступных до этого областях науки и техники, таких как авиация и космическая техника.
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. Развивается и внутренняя память процессора – создаются предпосылки к вводу кэширования памяти.
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.
К концу 1960-х годов уже был создан целый ряд операционных систем, реализующий множество необходимых функций по управлению ЭВМ. Всего эксплуатировалось более сотни различных ОС.
Среди наиболее развитых операционных систем были:
1. OS/360, разработанная фирмой IBM в 1964 году для управления мейнфреймами;
2. MULTICS– одна из первых операционных систем с разделением времени исполнения программ;
3. UNIX, разработанная в 1969 году и, впоследствии, разросшаяся до целого семейства операционных систем, многие из которых являются одними из самых популярных на сегодняшний день.
Использование операционных систем упростило работу с ЭВМ и способствовало популяризации электронной вычислительной техники.
На ЭВМ III поколения появились системы управления базами данных (СУБД), системы автоматизирования проектных работ (САПР), совершенствуются АСУ и АСУТП. Создаются пакеты прикладных программ (ППП) различного назначения. Появляются новые и совершенствуются существующие языки программирования, их количество достигло уже 3000.
Сверхбольшие интегральные схемы стали основой элементарной базы компьютеров четвертого поколения (1975-н.в.). Процессор, реализованный на одной СБИС, получил название микропроцессора.
Парк всех машин четвертого поколения можно условно разделить на пять основных классов: микро-ЭВМ, персональные компьютеры, специальные ЭВМ, ЭВМ общего назначения и супер-ЭВМ. Но из этого многообразия, лишь ПК и супер-ЭВМ определяют лицо четвертого поколения.
ЭВМ четвертого поколения можно характеризовать тремя основными показателями: элементной базой, персональным характером использования (ПК) и нетрадиционной архитектурой (супер-ЭВМ).
Элементная база способствовала миниатюризации ВТ, повышению ее надежности, позволила создавать мини- и микро-ЭВМ по своим возможностям превосходящие большие ЭВМ предыдущего поколения.
Основой для создания ПК стало создание универсального процессора на одном кристалле. Первый микропроцессор Intel 4004 был создан в 1971 году и содержал 2250 элементов, а в 1974 году был создан микропроцессор Intel 8080, содержащий уже 4500 элементов и послужил основой для создания первого ПК - Altair-8800. Этот компьютер рассылался по почте, стоил 397 долларов и имел возможности для расширения периферийными устройствами. Для Altair-8800 П. Аллен и У. Гейтс создали транслятор с языка Basic.
Начала формироваться ПК-индустрия. Лавинообразно растет программное обеспечение, направленное не только на решение производственных и научных задач, а удовлетворяющее потребности рядовых граждан, в том числе и ПО для развлечений. С каждым годом парк персональных компьютеров увеличивается, появляются все новые модели с новым интуитивно-понятным интерфейсом программного обеспечения, включая операционные системы.
ПК четвертого поколения по своим возможностям уже превосходят многие мощные ЭВМ третьего поколения. Никого уже не удивляет, что память современных ПК превышает уже сотни мегабайт, а память жесткого магнитного диска имеет размерность в гигабайтах и даже в терабайтах. Компьютер оснащен не только дисководами для гибких дисков, но и устройством для считывания информации с компакт-дисков.