Классификация и тенденции развития ЭВМ. 6

Содержание

 

Введение                                                                                            2

Глава 1. Исторические аспекты  создания и развития ЭВМ           3

1. Формирование основ ЭВМ                                                    3-4
2. Создание первых компьютеров                                             4-6

Глава 2. Классификация ЭВМ                                                         7

2.1. Классификация ЭВМ по принципу  действия                           7-8    

2.2. Классификация ЭВМ по этапам создания                               8-9  

2.3. Классификация ЭВМ  по назначению                                      9-11      

2.4. Классификация ЭВМ  по размерам и функц. возможностям   11-21

Глава 3. Тенденции развития ЭВМ                                                  22

3.1. Разработка шестого  поколения ЭВМ                                      22-24

3.2. Вычислительные сети                                                               24-26

Заключение                                                                                      27-28

Список литературы                                                                         29-30

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение 

ЭВМ – одно из величайших изобретений середины XX века, изменивших нашу жизнь во многих ее проявлениях. Вычислительная техника превратилась в один из основных рычагов, обеспечивающих развитие и достижение научно-технического прогресса.

Новый инструмент – ЭВМ – служит человеку еще только половину века. С расширением области применения средств вычислительной техники о грядущих и предстоящих переменах говорят как о «начале революционных преобразований» или «наступлении новой технической революции». Жизнь показывает, что это не пустые слова. Эти выражения абсолютно точно характеризуют начало компьютерной эры.

Большинство потенциальных пользователей ЭВМ считают компьютеры математическими машинами, предназначенными для решения вычислительных задач. В действительности же компьютеры представляют собой языковые машины: основа их силы заключена в способности манипулировать лингвистическими знаками – символами, которым приписан некоторый смысл. Постепенное освоение логических задач позволило применить ЭВМ в отраслях, далеких от математики. И это очень важно хотя бы потому, что численность вычисления в сфере человеческой деятельности занимают не более 30%.

Трудно отрицать некоторую вероятность  разумного поведения компьютеров. Во всяком случае, ученые всего мира пытаются преодолеть трудности осмысления и создания архитектуры ЭВМ, которая определяет интеллект, пытаются создать системы, обладающие разумным поведением. Однако как бы ни была умна ЭВМ, она всегда будет инструментом, предназначенным для роста производительности труда людей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1

Исторические аспекты  создания и развития ЭВМ

 

1.1. Формирование основ ЭВМ

Научные основы динамики, а с ней  и всей механики были заложены в  XVII веке. При этом большой вклад внес немецкий ученый Г. В. Лейбниц. Основным его открытием стала двоичная арифметика. Лейбниц предложил также арифметизацию логики. Однако центральной фигурой «алгебраического этапа» логики был Джордж Буль. Он сформировал в алгебраическом виде законы мышления и показал, что его алгебра, имея дело с суждениями, оперирует только двумя понятиями: «истинно» и «ложно», для двоичной системы счисления это 1 и 0.

Впервые состав и назначение функциональных средств автоматической вычислительной машины определил в 1834 г. английский математик и экономист Ч. Бэббидж  в своем неосуществленном проекте  аналитической машины. Проект содержал более 200 чертежей различных узлов. Необходимо особо отметить такие составные части, как хранилище для чисел (в современном понятии – память), устройство для производства арифметических действий над числами (Бэббидж назвал его «фабрикой»), устройство, управляющее операциями машины в нужной последовательности, включая перенос чисел из одного места в другое (Бэббидж не дал названия этой части, теперь это устройство управления), устройство для ввода и вывода чисел. Также им была составлена первая программа для решения систем двух линейных уравнений и для вычисления чисел Бернулли.

После Бэббиджа значительный вклад  в технику автоматизации обработки  информации внес американский изобретатель Г. Голлерит. Голлерит является основоположником счетно-перфорационной техники, он впервые построил ручной перфоратор, который был использован для нанесения цифровых данных на перфокарты (на карте пробивались отверстия), и ввел механическую сортировку для раскладки этих перфокарт в зависимости от этих пробивок. Им построена суммирующая машина, названная табулятором, которая прощупывала отверстия на перфокартах, воспринимала их как соответствующие числа и подсчитывала эти числа.

Испанский инженер и изобретатель Л. Торрес де Кеведо также известен своими работами по созданию аналитической машины. Им впервые предпринята попытка представления чисел в форме с «плавающей запятой».

 

 

1.2. Создание первых компьютеров 

Первым создателем автоматической вычислительной машины считается немецкий ученый К. Цузе. В 1936 г. он построил модель механической вычислительной машины, в которой использовалась двоичная система исчисления, форма представления чисел с плавающей запятой, трехадресная система программирования и перфокарты. Условный переход при программировании не был предусмотрен. Затем в качестве элементной базы Цузе выбирает реле, которые  к тому времени давно применялись в различных областях техники.

В 1938 г. Цузе изготовил модель машины Z1 на 16 слов, в следующем году – модель Z2, и еще через 2 года он построил первую в мире действующую вычислительную машину с программным управлением «модель Z3». Это был релейный двоичный компьютер, имеющий память на 64 22-разрядных числа с плавающей запятой: 7 разрядов для порядка и 15 разрядов для мантиссы. В арифметическом блоке использовалась параллельная арифметика. Команда включала операционную и адресную части. Ввод данных осуществлялся с помощью десятичной клавиатуры. Предусмотрен цифровой вывод, а также автоматическое преобразование десятичных чисел  в двоичные и обратно. Время сложения в модели Z3 – 0,3 с, умножение 4,5 с.

Независимо от Цузе построением  релейных автоматических вычислительных машин занимались в США  Д. Штибитц и Г.Айкен.

Д. Штибитц, работавший в фирме BELL, собрал на телефонных реле первые суммирующие схемы. В 1940 г. вместе с С.Уильямсом Штибитц построил специализированный релейный компьютер «BELL – модель 1». Последующие годы были созданы еще 4 модели этой машины. Последняя из них была разработана в 1946 г. – это был компьютер общего назначения, который содержал 9000 реле, занимал площадь 90 м² и весил 10 тонн. Сложение на этой машине выполнялось за 0,3 с, умножение – за 1 с. Для ввода данных использовалась перфолента, для вывода – стандартное телетайпное оборудование.

Другую идею релейного компьютера выдвинул в 1937 г. аспирант Гарвардского университета Г. Айкен. Его машина была создана из деталей фирмы IBM . Она работала с 23-значными    десятичными  числами, выполняла операцию сложения за 0,3 с и операцию умножения за 3 с. Машина не имела операции условного перехода, это было ее недостатком, но свою жизнеспособность она доказала в течение 15 лет непрерывной работы.

Электронные лампы при создании вычислительной машины впервые были применены американским профессором  физики и математики Д. Атанасовым. Вместе с К. Берри он создал работающую настольную модель, после отработки которой они приступили к постройке опытного образца, способного решать систему уравнений с 29 неизвестными.

В 1942 г. профессор Д. Маучли представил проект «Использование быстродействующих электронных устройств для вычислений», который положил начало созданию первой электронной вычислительной машины ENIAC. Новая машина имела «впечатляющие» параметры: 18000 электронных ламп занимало помещение 9*15 м2 весило 30 тонн и потребляло 150 кВт. ENIAC  работала с тактовой частотой 100 кГц и выполняла операцию сложения за 0,2 мс, а умножение – 2,8 мс, что было на три порядка быстрее, чем это могли делать релейные машины.

Долгое время ENIAC считался первым действующим электронным компьютером. Однако в 1975 г. в Великобритании был создан компьютер «Колосс», который можно отнести к компьютерам специального назначения с ограниченной формой операции условного перехода. Количество электронных ламп, используемых в «Колоссе», достигало 2000, машина работала параллельным методом с частотой 5000 импульсов в секунду. В ней применен быстрый ввод с перфолент, память на электронных регистрах, вывод на печатающее устройство. Однако программирование было внешним, этот компьютер так же, как и ENIAC, не хранил в памяти программ.

В 1945 г. в Великобритании была создана Национальная математическая лаборатория, впервые реализовавшая в своих разработках идею хранимой памяти. В созданной в этой лаборатории машине в качестве оперативного запоминающего устройства была использована трубка Вильямса, применение которой позволяло осуществлять произвольную выборку хранимых данных вместо последовательной выборки при использовании ртутных линий задержки, применявшихся в первых серийных ЭВМ первого поколения. Также была создана машина EDSAC. Вскоре в США были выпущены машины BINAC и SEAC, работающие с тактовой частотой 1 МГц и 4 МГц соответственно.

В эти же годы в Киеве создавалась  МЭСМ – первая советская ЭВМ. МЭСМ работала в двоичной системе, с трехадресной системой команд, причем программа  вычислений хранилась в запоминающем устройстве оперативного типа. Эта машина с параллельной обработкой слов представляла собой принципиально новое решение. Она была одной из первых в мире ЭВМ с хранимой в памяти программой.

 

 

Глава 2

Классификация ЭВМ

 

2.1. Классификация ЭВМ по принципу действия

Электронная вычислительная машина, компьютер – комплекс технических  средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса (рис. 1): аналоговые (АВМ), цифровые (ЦВМ) и гибридные (ГВМ).

 

Рис. 1. Классификация вычислительных машин по принципу действия

 

Критерием деления вычислительных машин на эти три класса является форма представления информации, с которой они работают (рис.2).

 

Рис. 2. Две формы представления информации в машинах: а – аналоговая; б – цифровая импульсная

 

Цифровые вычислительные машины (ЦВМ) – вычислительные машины дискретного  действия, работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме.

Аналоговые  вычислительные машины (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.

Гибридные вычислительные машины (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.

 

2.2. Классификация ЭВМ по этапам создания

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

• 1-е поколение, 50-е гг.: ЭВМ на электронных вакуумных лампах;
• 2-е поколение, 60-е гг.: ЭВМ на дискретных полупроводниковых

приборах (транзисторах);

• 3-е поколение, 70-е гг.: ЭВМ на полупроводниковых интегральных

схемах с малой и средней  степенью интеграции (сотни - тысячи транзисторов в одном корпусе);

• 4-е поколение, 80-е гг.: ЭВМ на больших и сверхбольших

интегральных схемах – микропроцессорах (десятки тысяч - миллионы транзисторов в одном кристалле);

• 5-е поколение, 90-е гг.: ЭВМ со 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;

• 6-е и последующие поколения: оптоэлектронные ЭВМ с массовым

параллелизмом и нейронной структурой – с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

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

 

2.3. Классификация ЭВМ по назначению

По назначению ЭВМ можно разделить  на три группы: универсальные (общего назначения), проблемно-ориентированные и специализированные (рис. 3).

Рис. 3. Классификация ЭВМ по назначению

 

Универсальные ЭВМ предназначены  для решения самых различных  инженерно-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.

Характерными чертами универсальных  ЭВМ являются:

• высокая производительность;
• разнообразие форм обрабатываемых данных: двоичных, десятичных,

 символьных, при большом диапазоне  их изменения и высокой точности  их представления;

• обширная номенклатура выполняемых операций, как арифметических,

логических, так и специальных;

• большая емкость оперативной памяти;
• развитая организация системы ввода-вывода информации,

обеспечивающая подключение разнообразных  видов внешних устройств.

Проблемно-ориентированные ЭВМ  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 ЭВМ используются для решения узкого круга задач  или реализации строго определенной группы функций. 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.

 

2.4. Классификация ЭВМ по размерам и функциональным возможностям

По размерам и функциональным возможностям ЭВМ можно разделить на сверхбольшие (суперЭВМ), большие, малые, сверхмалые (микроЭВМ).

 

Рис. 4. Классификация ЭВМ по размерам и вычислительной мощности

 

Функциональные возможности ЭВМ  обусловливают важнейшие технико-эксплуатационные характеристики:

• быстродействие, измеряемое усредненным количеством операций,

выполняемых машиной за единицу  времени;

• разрядность и формы представления чисел, с которыми оперирует

ЭВМ;

• номенклатура, емкость и быстродействие всех запоминающих

 устройств;

• номенклатура и технико-экономические характеристики внешних

устройств хранения, обмена и ввода-вывода информации;

• типы и пропускная способность устройств связи и сопряжения узлов

ЭВМ между собой (внутримашинного  интерфейса);

• способность ЭВМ одновременно работать с несколькими

пользователями и выполнять  одновременно несколько программ (многопрограммность);

• типы и технико-эксплуатационные характеристики операционных

 систем, используемых в машине;

• наличие и функциональные возможности программного обеспечения;
• способность выполнять программы, написанные для других типов

ЭВМ (программная совместимость  с другими типами ЭВМ);

• система и структура машинных команд;
• возможность подключения к каналам связи и к вычислительной сети;
• эксплуатационная надежность ЭВМ;
• коэффициент полезного использования ЭВМ во времени,

определяемый соотношением времени  полезной работы и времени профилактики.

Некоторые сравнительные параметры  названных классов современных  ЭВМ показаны в табл.1.

 

Таблица 1. Сравнительные параметры классов современных ЭВМ

Параметр	СуперЭВМ	Большие ЭВМ	Малые ЭВМ	МикроЭВМ
Производительность, MIPS	1000-100000	10-1000	1-100	1-100
Емкость ОП, Мбайт	2000-10000	64 - 10000	4-512	4-256
Емкость ВЗУ, Гбайт	500-5000	50-1000	2-100	0,5-10
Разрядность, бит	64-128	32-64	16-64	16-64

 

Большие ЭВМ

Исторически первыми появились  большие ЭВМ, элементная база которых  прошла путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой степенью интеграции.

Большие ЭВМ за рубежом часто  называют мэйнфреймами (Mainframe). К мэйнфреймам относят, как правило, компьютеры, имеющие следующие характеристики:

• производительность не менее 10 MIPS;
• основную память емкостью от 64 до 10000 Мбайт;
• внешнюю память не менее 50 Гбайт;
• многопользовательский режим работы (обслуживают одновременно от 16 до 1000 пользователей).

Основные направления эффективного применения мэйнфреймов – это  решение научно-технических задач, работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации, работа с большими базами данных, управление вычислительными сетями и их ресурсами.

Родоначальником современных больших  ЭВМ, по стандартам которой в последние  несколько десятилетий развивались ЭВМ этого класса, является фирма IBM.

Зарубежные фирмы определяют рейтинг  мэйнфреймов, учитывая многие показатели:

• надежность;
• производительность;
• емкость основной и внешней памяти;
• время обращения к основной памяти;
• время доступа и трансфер внешних запоминающих устройств;
• характеристики КЭШ-памяти;
• количество каналов и эффективность системы ввода-вывода;
• аппаратную и программную совместимость с другими ЭВМ;
• поддержку сети и др.

Производительность больших ЭВМ  оказалась недостаточной для ряда задач: прогнозирования метеообстановки, управления сложными оборонными комплексами, моделирования экологических систем и др. Это явилось предпосылкой для разработки и создания суперЭВМ, самых мощных вычислительных систем, интенсивно развивающихся и в настоящее время.

 

 

 

 

 

Малые ЭВМ

Появление в 70-х гг. малых ЭВМ  обусловлено, с одной стороны, прогрессом в области электронной элементной базы, а с другой – избыточностью  ресурсов больших ЭВМ для ряда приложений.

Малые ЭВМ (мини-ЭВМ) – надежные, недорогие и удобные в эксплуатации компьютеры, обладающие несколько более низкими по сравнению с мэйнфреймами возможностями.

Мини-ЭВМ обладают следующими характеристиками:

• производительность – до 100 MIPS;
• емкость основной памяти – 4-512 Мбайт;
• емкость дисковой памяти – 2-100 Гбайт;
• число поддерживаемых пользователей – 16-512.

Все модели мини-ЭВМ разрабатываются  на основе микропроцессорных наборов  интегральных микросхем, 16-, 32-, 64-разрядных  микропроцессоров.

Основные их особенности: широкий  диапазон производительности в конкретных условиях применения, аппаратная реализация большинства системных функций ввода-вывода информации, простая реализация микропроцессорных и многомашинных систем, высокая скорость обработки прерываний, возможность работы с форматами данных различной длины.

К достоинствам мини-ЭВМ можно отнести: специфичную архитектуру с большой  модульностью, лучшее, чем у мэйнфреймов, соотношение производительность/цена, повышенная точность вычислений.

Мини-ЭВМ успешно применяются для управления технологическими процессами и  вычислений в многопользовательских вычислительных системах, в системах автоматизированного проектирования, в системах моделирования несложных объектов, в системах искусственного интеллекта.

Родоначальником современных мини-ЭВМ  можно считать компьютеры PDP-11 (Program Driven Processor – программно-управляемый процессор) фирмы DEC (Digital Equipment Corporation Корпорация дискретного оборудования, США).

В настоящее время семейство  мини-ЭВМ PDP-11 включает большое число моделей - от VAX -11 до VAX -3600; мощные модели мини-ЭВМ класса 8000 (VAX -8250, 8820); супермини-ЭВМ класса 9000 (VAX -9410, 9430) и др.

Среди прочих мини-ЭВМ следует отметить:

• однопроцессорные: IBM 4381, HP 9000;
• многопроцессорные: Wang VS 7320, AT&T 3В 4000;
• супермини-ЭВМ HS 4000, по характеристикам не уступающая мэйнфреймам.

 

Микро ЭВМ

Изобретение в 1969 г. микропроцессора  привело к появлению в 70-х гг. еще одного класса ЭВМ – микроЭВМ (рис. 5).

 

Рис. 5. Классификация микроЭВМ

 

Многопользовательские универсальные микроЭВМ – это мощные микроЭВМ, оборудованные несколькими видеотерминалами и функционирующие в режиме разделения времени, что позволяет эффективно работать на них сразу нескольким пользователям.

Однопользовательские универсальные микроЭВМ (персональные компьютеры) – микроЭВМ, удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности применения.

Быстроразвивающимся подклассом персональных компьютеров являются переносные компьютеры. Большинство переносных компьютеров имеют автономное питание от аккумуляторов, но могут подключаться и к сети.

В качестве видеомониторов у них  применяются плоские с видеопроектором  жидкокристаллические дисплеи, реже –  люминесцентные для презентаций  или газоразрядные.

Жидкокристаллические дисплеи (LCD) бывают с активной и пассивной матрицами.

Наряду с монохромными в последнее  время широко используются и цветные  дисплеи. У цветных дисплеев каждый пиксель состоит из 3 - 4 отдельных  подпикселей, покрытых тонкими светофильтрами разных цветов.

Наращивание аппаратных средств у  многих переносных компьютеров выполняется  подключением плат специальной конструкции, так называемых PCMCIA -карт (спецификация Personal Computer Memory Card International Association), большинство которых поддерживают технологию Plug and Play , не требующую при установке дополнительной платы выключения ПК или какой-либо его дополнительной настройки. Наряду с платами ОЗУ используются более интенсивно платы ПЗУ и Flash -памяти, последние у миниатюрных ПК часто применяются вместо дисковой памяти.

Клавиатура чаще всего чуть укороченная: 84-86 клавиш (вместо 101 у настольных ПК), но может иметься разъем для подключения  и полной клавиатуры; у некоторых  моделей клавиатура раскладная.

В качестве манипулятора (устройства указания) обычно используется не мышь, а трекбол, трекпойнт или трекпад.

Применяются в переносных компьютерах  и сенсорные экраны, в которых  прикосновение к их поверхности  обусловливает перемещение курсора  в место прикосновения или  выбор процедуры по меню, выведенному на экран.