История развития ЭВМ. Поколения ЭВМ

История развития ЭВМ. Поколения  ЭВМ

Оглавление

Введение 3

1. Направления  развития и поколения ЭВМ 6

1.1 Аналоговые  вычислительные машины (АВМ) 6

1.2 Электронные  вычислительные машины (ЭВМ) 7

1.3 Аналого-цифровые  вычислительные машины (АЦВМ) 8

2. Поколения  ЭВМ 8

2.1 Первое  поколение ЭВМ 9

2.2 Второе  поколение ЭВМ 11

2.3 Третье  поколение ЭВМ 13

2.4 Четвертое  поколение ЭВМ 16

2.5 Пятое поколение  ЭВМ 17

3. Персональный  компьютер 19

Заключение 20

Список использованной литературы: 22

  Введение

История компьютера тесным образом связана с попытками  облегчить и автоматизировать большие  объемы вычислений. Даже простые арифметические операции с большими числами затруднительны для человеческого мозга. Поэтому  уже в древности появилось  простейшее счетное устройство - абак¹. В семнадцатом веке была изобретена логарифмическая линейка, облегчающая сложные математические расчеты. В 1642 году Блез Паскаль сконструировал восьмиразрядный суммирующий механизм. Два столетия спустя в 1820 году француз Шарль де Кольмар создал арифмометр, способный производить умножение и деление. Этот прибор прочно занял свое место на бухгалтерских столах.

    Все основные  идеи, которые лежат в основе  работы компьютеров, были изложены  еще в 1833 году английским математиком  Чарльзом Бэббиджем. Он разработал  проект машины для выполнения  научных и технических расчетов, где предугадал основные устройства  современного компьютера, а также  его задачи. Управление такой  машиной должно было осуществляться  программным путем. Для ввода  и вывода данных Бэббидж предлагал  использовать перфокарты - листы  из плотной бумаги с информацией,  наносимой с помощью отверстий.  В то время перфокарты уже  использовались в текстильной  промышленности. Отверстия в них  пробивались с помощью специальных  устройств - перфораторов. Идеи Бэббиджа  стали реально воплощаться в  жизнь в конце 19 века.

   В 1888 году американский  инженер Герман Холлерит сконструировал  первую электромеханическую счетную  машину. Эта машина, названная табулятором,  могла считывать и сортировать  статистические записи, закодированные  на перфокартах. В 1890 году изобретение  Холлерита было впервые использовано  в 11-й американской переписи  населения. Работа, которую пятьсот сотрудников выполняли в течение семи лет, Холлерит сделал с 43 помощниками на 43 табуляторах за один месяц.

    В 1896 году Герман  Холлерит основал фирму Computing Tabulating Recording Company, которая стала основой  для будущей Интернэшнл Бизнес  Мэшинс (International Business Machines Corporation, IBM) - компании, внесшей гигантский вклад в  развитие мировой компьютерной  техники.

    Дальнейшие развития  науки и техники позволили  в 1940-х годах построить первые  вычислительные машины. Создателем  первого действующего компьютера Z1 с программным управлением считают  немецкого инженера Конрада Цузе.

    В феврале 1944 года на одном из предприятий  Ай-Би-Эм (IBM) в сотрудничестве с  учеными Гарвардского университета  по заказу ВМС США была создана  машина "Mark 1". Это был монстр  весом около 35 тонн. В "Mark 1" использовались механические элементы  для представления чисел и  электромеханические - для управления  работой машины. Числа хранились  в регистрах², состоящих из десяти зубных счетных колес. Каждый регистр содержал 24 колеса, причем 23 из них использовались для представления числа (т.е. "Mark 1" мог "перемалывать" числа длинной до 23 разрядов), а одно - для представления его знака. Регистр имел механизм передачи десятков и поэтому использовался не только для хранения чисел; находящееся в одном регистре, число могло быть передано в другой регистр и добавлено к находящемуся там числу(или вычтено из него). Всего в "Mark 1" было 72 регистра и, кроме того, дополнительная память из 60 регистров, образованных механическими переключателями. В эту дополнительную память вручную вводились константы - числа, которые не изменялись в процессе вычислений.

    Умножение и  деление производилось в отдельном  устройстве. Кроме того, машина имела  встроенные блоки, для вычисления sin x, 10x и log x.

    Скорость выполнения  арифметических операций в среднем  составляла: сложение и вычитание  - 0,3 секунды, умножение - 5,7 секунды,  деление - 15,3 секунды. Таким образом  "Mark 1" был "эквивалентен" примерно 20 операторам, работающим  с ручными счетными машинами.

Наконец, в 1946 в США была создана первая электронная вычислительная машина (ЭВМ) - ENIAC (Electronic Numerical integrator and Computer - Электронный числовой интегратор и компьютер). Разработчики: Джон Мочи (John Маuchу) и Дж. Преспер Эккерт (J. Prosper Eckert).

    Он был произведен  на свет в Школе электрической  техники Moore (при университете  в Пенсильвании).

    Время сложения - 200 мкс, умножения - 2800 мкс и  деления - 24000 мкс. 

    Компьютер содержал 17468 вакуумных ламп шестнадцати  типов, 7200 кристаллических диодов  и 4100 магнитных элементов.

    Общая стоимость  базовой машины - 750000 долларов. Стоимость  включала дополнительное оборудование, магнитные модули памяти (по цене 29706,5 доллара) и аренду у IBM (по 82,5 доллара в месяц) устройства  считывания перфокарт ( 125 карт  в минуту). Она также включала  и арендную плату (по 77 долларов  в месяц) за IBM-перфоратор (100 карт  в минуту).

    Потребляемая  мощность ENIAC - 174 кВт. Занимаемое  пространство - около 300 кв. м. 

    В Советском  Союзе первая электронная цифровая  вычислительная машина была разработана  в 1950 году под руководством  академика С. А. Лебедева в  Академии наук Украинской ССР.  Она называлась «МЭСМ» (малая  электронная счётная машина).

    Основоположниками  компьютерной науки по праву  считаются Клод Шеннон - создатель  теории информации, Алан Тьюринг  - математик, разработавший теорию  программ и алгоритмов, и Джон  фон Нейман - автор конструкции  вычислительных устройств, которая  до сих пор лежит в основе  большинства компьютеров. В те  же годы возникла еще одна  новая наука, связанная с информатикой, - кибернетика, наука об управлении  как одном из основных информационных процессов. Основателем кибернетики является американский математик Норберт Винер. Одно время слово "кибернетика" использовалось для обозначения вообще всей компьютерной науки, а в особенности тех ее направлений, которые в 60-е годы считались самыми перспективными: искусственного интеллекта и робототехники. Вот почему в научно-фантастических произведениях роботов нередко называют "киберами". А в 90-е годы это слово опять всплыло для обозначения новых понятий, связанных с глобальными компьютерными сетями - появились такие неологизмы, как "киберпространство"³, "кибермагазины" и т.д.

1. Направления развития и поколения ЭВМ

1.1 Аналоговые вычислительные машины (АВМ)

 В  АВМ  все   математические  величины  представляются  как  непрерывные значения  каких-либо  физических  величин.  Главным  образом,   в   качестве машинной переменной выступает напряжение электрической  цепи.  Их  изменения происходят по тем же законам, что  и  изменения  заданных  функций. В этих машинах используется метод математического моделирования  (создаётся  модель исследуемого объекта). Результаты  решения  выводятся  в  виде  зависимостей электрических  напряжений  в  функции  времени  на  экран  осциллографа  или фиксируются измерительными  приборами.  Основным  назначением  АВМ  является решение линейных и дифференцированных уравнений.

   Достоинства АВМ:

• высокая скорость решения задач, соизмеримая со  скоростью  прохождения
• электрического сигнала;
• простота конструкции АВМ;
• лёгкость подготовки задачи к решению;
• наглядность протекания исследуемых  процессов,  возможность  изменения параметров исследуемых процессов во время самого исследования.

   Недостатки АВМ:

• малая точность получаемых результатов (до 10%);
• алгоритмическая ограниченность решаемых задач;
• ручной ввод решаемой задачи в машину;
• большой объём задействованного оборудования,  растущий  с увеличением сложности задачи.

1.2 Электронные вычислительные машины (ЭВМ)

  В отличие от  предыдущих  машин  в  ЭВМ  числа  представляются  в виде

последовательности цифр. В  современных  ЭВМ  числа  представляются  в  виде кодов  двоичных эквивалентов, то есть в  виде  комбинаций    1  и  0.  В  ЭВМ осуществляется принцип  программного  управления.  ЭВМ  можно  разделить  на цифровые, электрифицированные и  счётно-аналитические   (перфорационные) вычислительные машины.

    ЭВМ разделяются  на большие ЭВМ, мини-ЭВМ   и  микроЭВМ.  Они  отличаются  своей архитектурой,  техническими,  эксплуатационными  и  габаритно-весовыми  характеристиками, областями применения.

   Достоинства ЭВМ:

• высокая точность вычислений;
• универсальность;
• автоматический ввод информации, необходимый для решения задачи;
• разнообразие задач, решаемых ЭВМ;
• независимость количества оборудования от сложности задачи.

   Недостатки ЭВМ:

• сложность подготовки  задачи  к решению (необходимость специальных знаний методов решения задач и программирования);
• недостаточная наглядность протекания  процессов,  сложность изменения
• параметров этих процессов;
• сложность структуры ЭВМ, эксплуатация и техническое обслуживание;
• требование специальной аппаратуры при  работе  с  элементами  реальной аппаратуры.

 1.3 Аналого-цифровые вычислительные машины (АЦВМ)

АЦВМ - это такие машины, которые совмещают в  себе  достоинства  АВМ  и  ЭВМ.  Они  имеют  такие   характеристики,   как   быстродействие,   простота

программирования   и   универсальность.    Основной    операцией    является

интегрирование, которое  выполняется с помощью цифровых интеграторов.

 В АЦВМ числа представляются  как в  ЭВМ  (последовательностью цифр),  а метод решения задач как в АВМ (метод математического моделирования).

2. Поколения ЭВМ

Появление ЭВМ или компьютеров  – одна из существенных примет современной научно-технической революции. Широкое распространение компьютеров привело к тому, что все большее число людей стало знакомиться с основами вычислительной техники, а программирование постепенно превратилось в элемент культуры.

Первые электронные компьютеры появились в первой половине XX века. Они могли делать значительно больше механических калькуляторов, которые лишь складывали, вычитали и умножали. Это были электронные машины, способные решать сложные задачи.

Кроме того, они имели  две отличительные особенности, которыми предыдущие машины не обладали:

I. Одна из них состояла в том, что они могли выполнять

определенную последовательность операций по заранее заданной программе или последовательно решать задачи разных типов.

II. Способность хранить информацию в специальной памяти.

Можно выделить 4 основные поколения ЭВМ.

2.1 Первое поколение ЭВМ

Компьютеры на электронных лампах.

Появление электронно-вакуумной  лампы⁴ позволило учёным реализовать в жизнь идею создания вычислительной машины.

Компьютеры на основе электронных  ламп появились в 40-х годах XX века. Первая электронная лампа - вакуумный  диод - была построена Флемингом  лишь в 1904 году, хотя эффект прохождения  электрического тока через вакуум был  открыт Эдисоном в 1883 году. Вскоре Ли де Форрест изобретает вакуумный триод  – лампу с тремя электродами, затем появляется газонаполненная  электронная лампа - тиратрон, пятиэлектродная  лампа - пентод и т. д. До 30-х годов электронные вакуумные и газонаполненные лампы использовались главным образом в радиотехнике. Но в 1931 году англичанин Винни-Вильямс построил (для нужд экспериментальной физики) тиратронный счетчик электрических импульсов, открыв тем самым новую область применения электронных ламп. Электронный счетчик состоит из ряда триггеров. Триггер , изобретенный М. А. Бонч-Бруевичем (1918) и - независимо - американцами У. Икклзом и Ф. Джорданом (1919), содержит 2 лампы и в каждый момент может находиться в одном из двух устойчивых состояний; он представляет собой электронное реле.

Подобно электромеханическому, оно  может быть использовано для хранения одной двоичной цифры.

Использование электронной  лампы в качестве основного элемента ЭВМ создавало множество проблем. Из-за того, что высота стеклянной лампы - 7см, машины были огромных размеров. Каждые 7-8 мин. одна из ламп выходила из строя, а так как в компьютере их было 15 - 20 тысяч, то для поиска и замены поврежденной лампы требовалось  очень много времени. Кроме того, они выделяли огромное количество тепла, и для эксплуатации "современного" компьютера того времени требовались  специальные системы охлаждения.

Чтобы разобраться в запутанных схемах огромного компьютера, нужны  были целые бригады инженеров. Устройств  ввода в этих компьютерах не было, поэтому данные заносились в память при помощи соединения нужного штекера с нужным гнездом.

Примерами машин I-го поколения  могут служить Mark 1, ENIAC, EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator), - первая машина с хранимой программой.

UNIVAC (Universal Automatic Computer). Первый экземпляр Юнивака был передан в Бюро переписи населения США. Позднее было создано много разных моделей Юнивака, которые нашли применение в различных сферах деятельности. Таким образом, Юнивак стал первым серийным компьютером. Кроме того, это был первый компьютер, где вместо перфокарт использовалась магнитная лента.

2.2 Второе поколение ЭВМ

Транзисторные компьютеры.

1 июля 1948 года на одной из страниц  "Нью-Йорк Таймс", посвященной  радио и телевидению, было помещено  скромное сообщение о том, что  фирма "Белл телефон лабораториз"  разработала электронный прибор, способный заменить электронную  лампу. Физик-теоретик Джон Бардин  и ведущий экспериментатор фирмы  Уолтер Брайттен создали первый действующий транзистор. Это был точечно-контактный прибор, в котором три металлических "усика" контактировали с бруском из поликристаллического германия.

Первые компьютеры на основе транзисторов появились в конце 50-х годов, а к середине 60-х годов были созданы более компактные внешние устройства, что позволило фирме Digital Equipment выпустить в 1965 г. первый мини-компьютер PDP-8 размером с холодильник и стоимостью всего 20 тыс. долларов .

Созданию транзистора  предшествовала упорная, почти 10-летняя работа, которую еще в 1938 году начал  физик теоретик Уильям Шокли. Применение транзисторов в качестве основного  элемента в ЭВМ привело к уменьшению размеров компьютеров в сотни  раз и к повышению их надежности.

И все-таки самой удивительной способностью транзистора является то, что он один способен трудиться за 40 электронных ламп и при этом работать с большей скоростью, выделять очень мало тепла и почти не потреблять электроэнергию.

Логические схемы строились  на дискретных полупроводниковых и  магнитных элементах (диоды, биполярные транзисторы, тороидальные ферритовые микро трансформаторы). В качестве конструктивно-технологической основы использовались схемы с печатным монтажом (платы из фольгированного гетинакса). Широко стал использоваться блочный принцип конструирования машин, который позволяет подключать к основным устройствам большое число разнообразных внешних устройств, что обеспечивает большую гибкость использования компьютеров. Тактовые частоты работы электронных схем повысились до сотен килогерц.

Стали применяться внешние  накопители на жестких магнитных  дисках1 и на флоппи-дисках - промежуточный  уровень памяти между накопителями на магнитных лентах и оперативной  памятью.

В 1964 году появился первый монитор  для компьютеров - IBM 2250. Это был  монохромный дисплей с экраном 12 х 12 дюймов и разрешением 1024 х 1024 пикселов. Он имел частоту кадровой развертки 40 Гц.

Создаваемые на базе компьютеров  системы управления потребовали  от ЭВМ более высокой производительности, а главное - надежности. В компьютерах  стали широко использоваться коды с  обнаружением и исправлением ошибок, встроенные схемы контроля.

В машинах второго поколения  были впервые реализованы режимы пакетной обработки и телеобработки  информации.

Первой ЭВМ, в которой  частично использовались полупроводниковые  приборы вместо электронных ламп, была машина SEAC (Standarts Eastern Automatic Computer), созданная  в 1951 году.

В начале 60-х годов полупроводниковые  машины стали производиться и  в СССР.

Одновременно с процессом  замены электронных ламп транзисторами совершенствовались методы хранения информации. Увеличился объем памяти, а магнитную ленту, впервые примененную в ЭВМ Юнивак, начали использовать как для ввода, так и для вывода информации. А в середине 60-х годов получило распространение хранение информации на дисках. Большие достижения в архитектуре компьютеров позволило достичь быстродействия в миллион операций в секунду! Примерами транзисторных компьютеров могут послужить "Стретч" (Англия), "Атлас" (США). В то время СССР шел в ногу со временем и выпускал ЭВМ мирового уровня (например "БЭСМ-6").

2.3 Третье поколение  ЭВМ

 Интегральные схемы⁵.

Подобно тому, как появление  транзисторов привело к созданию второго поколения компьютеров, появление интегральных схем ознаменовало собой новый этап в развитии вычислительной техники - рождение машин третьего поколения.

Интегральная схема, которую  также называют кристаллом, представляет собой миниатюрную электронную  схему, вытравленную на поверхности  кремниевого кристалла площадью около 10 мм2.

В 1959 году Джек Килби представил технологию изготовления гибридных  интегральных схем. В 1960 году Роберт Нойс запатентовал технологию изготовления монолитных кремниевых интегральных схем, в которых на небольшой площади  можно было размещать десятки  транзисторов. Эти схемы позже  стали называться схемами с малой  степенью интеграции (Small Scale Integrated circuits - SSI). А уже в конце 60-х годов  интегральные схемы стали применяться  в компьютерах.

Логические схемы ЭВМ 3-го поколения уже полностью строились  на малых интегральных схемах. Тактовые частоты работы электронных схем повысились до единиц мегагерц. Снизились  напряжения питания (единицы вольт) и потребляемая машиной мощность. Существенно повысились надежность и быстродействие ЭВМ.

В оперативных запоминающих устройствах использовались миниатюрнее  ферритовые сердечники, ферритовые пластины и магнитные пленки с прямоугольной  петлей гистерезиса. В качестве внешних  запоминающих устройств широко стали  использоваться дисковые накопители. Появились еще два уровня запоминающих устройств: сверхоперативные запоминающие устройства на триггерных регистрах, имеющие  огромное быстродействие, но небольшую  емкость (десятки чисел), и быстродействующая  кэш-память.

Начиная с момента широкого использования интегральных схем в  компьютерах, технологический прогресс в вычислительных машинах можно  наблюдать, используя широко известный закон Мура. Один из основателей компании Intel Гордон Мур в 1965 году открыл закон, согласно которому количество транзисторов в одной микросхеме удваивается через каждые 1,5 года.

Ввиду существенного усложнения, как аппаратной, так и логической структуры ЭВМ 3-го поколения часто стали называть системами.

Так, первыми ЭВМ этого  поколения стали модели систем IBM (ряд моделей IBM 360) и PDP (PDP 1). В Советском  Союзе в содружестве со странами Совета Экономической Взаимопомощи (Польша, Венгрия, Болгария, ГДР и  др1.) стали выпускаться модели единой системы (ЕС) и системы малых (СМ) ЭВМ.

В вычислительных машинах  третьего поколения значительное внимание уделяется уменьшению трудоемкости программирования, эффективности исполнения программ в машинах и улучшению  общения оператора с машиной. Это обеспечивается мощными операционными  системами, развитой системой автоматизации  программирования, эффективными системами  прерывания программ, режимами работы с разделением машинного времени, режимами работы в реальном времени, мультипрограммными режимами работы и  новыми интерактивными режимами общения. Появилось и эффективное видеотерминальное  устройство общения оператора с  машиной - видеомонитор, или дисплей.

Большое внимание уделено  повышению надежности и достоверности  функционирования ЭВМ и облегчению их технического обслуживания. Достоверность  и надежность обеспечиваются повсеместным использованием кодов с автоматическим обнаружением и исправлением ошибок (корректирующие коды Хемминга и циклические коды).

Модульная организация вычислительных машин и модульное построение их операционных систем создали широкие  возможности для изменения конфигурации вычислительных систем. В связи с  этим возникло новое понятие "архитектура" вычислительной системы, определяющее логическую организацию этой системы  с точки зрения пользователя и  программиста.

2.4 Четвертое поколение ЭВМ

Большие интегральные схемы.

Революционным событием в  развитии компьютерных технологий третьего поколения машин было создание больших  и сверхбольших интегральных схем (Large Scale Integration - LSI и Very Large Scale Integration - VLSI), микропроцессора (1969 г.) и персонального компьютера. Начиная с 1980 года практически все  ЭВМ стали создаваться на основе микропроцессоров. Самым востребованным компьютером стал персональный.

Логические интегральные схемы в  компьютерах стали создаваться  на основе униполярных полевых CMOS-транзисторов с непосредственными связями, работающими  с меньшими амплитудами электрических  напряжений (единицы вольт), потребляющими  меньше мощности, нежели биполярные, и  тем самым позволяющими реализовать  более прогрессивные нано технологии (в те годы - масштаба единиц микрон).

Оперативная память стала  строиться не на ферритовых сердечниках, а также на интегральных CMOS-транзисторных  схемах, причем непосредственно запоминающим элементом в них служила паразитная емкость между электродами (затвором и истоком) этих транзисторов.

Первый персональный компьютер  создали в апреле 1976 года два друга, Стив Джобе (1955 г. р.) - сотрудник фирмы Atari, и Стефан Возняк (1950 г. р.), работавший на фирме Hewlett-Packard. На базе интегрального 8-битного контроллера жестко запаянной  схемы популярной электронной игры, работая вечерами в автомобильном  гараже, они сделали простенький  программируемый на языке Бейсик игровой компьютер "Apple", имевший  бешеный успех. В начале 1977 года была зарегистрирована Apple Сотр., и началось производство первого в мире персонального  компьютера Apple.

2.5 Пятое поколение ЭВМ

Кратко основную концепцию  ЭВМ пятого поколения можно сформулировать следующим образом:

Компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной  структурой, одновременно выполняющих  десятки последовательных инструкций программы.

Компьютеры с многими  сотнями параллельно работающих процессоров, позволяющих строить  системы обработки данных и знаний, эффективные сетевые компьютерные системы.

На ЭВМ пятого поколения ставятся совершенно другие задачи, нежели при

разработки 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. Компьютер теперь используется и  дома, это

компьютерные игры, прослушивание  высококачественной музыки, просмотр фильмов.

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.

Параллельно с аппаратным усовершенствованием современных компьютеров разрабатываются и технологические разработки по увеличению количества инструкций. Первой разработкой в этой области стала MMX (MultiMedia eXtension- "мультимедиа–расширение") — технология, которая может превратить "простой" Pentium ПК в мощную мультимедийную систему.

Как известно, на кристалле  процессора Pentium интегрирован математический сопроцессор. Этот функциональный блок, который отвечает за "перемалывание чисел", но на практике, подобные возможности требуются все же достаточно редко, их используют в основном системы САПР и некоторые программы, решающие чисто вычислительные задачи. У большинства пользователей этот блок просто простаивает.

Создавая технологию MMX, фирма Intel стремилась решить две задачи: во-первых, задействовать неиспользуемые возможности, а во-вторых, увеличить

производительность ЦП при  выполнении типичных мультимедиа-программ. С этой целью в систему команд процессора были добавлены дополнительные инструкции (всего их 57) и дополнительные типы данных, а регистры блока вычислений с плавающей запятой выполняют функции рабочих регистров.

Дополнительные машинные команды предназначены для таких операций, как быстрое преобразование Фурье (функция, используемая при декодировании видео), которые зачастую выполняются специальными аппаратными средствами.