Основы информатики и вычислительной техники

ПОКОЛЕНИЯ ЭВМ

Выполнил: ученик 9 «В»

класса, с.о.ш. №32

Кутузов Михаил

Астрахань, 2004 г.

За относительно небольшой период своего развития ЭВМ прошли путь нескольких поколений. Каждое поколение ЭВМ характеризуется определенной сово­купностью логической организации (архитектуры) и используемой конструктивно-технологической (глав­ным образом элементной) базы.

Основным элементом ЭВМ первого поколения была электронная лампа. Промышленный выпуск и эксплуатация таких ЭВМ начались в 50-х го­дах. К первому поколению относятся отечественные ЭВМ БЭСМ-1, БЭСМ-2, «Урал-1», «Урал-2», «Стрела», М-2, М-3, «Минск-1», М-20 и другие, ориентирован­ные в основном на решение научно-технических задач.

Рис. 1. Электронная вычислительная машина первого поколения БЭСМ-2

Машины первого поколения были весьма гро­моздки, потребляли большое количество энергии и имели невысокую надежность. Их производитель­ность не превышала 10—20 тыс. оп/с, а емкость основной памяти — 4 К машинных слов (где К = 2¹⁰ = 1024). В ЭВМ первого поколения, по существу, не было системы программного обеспечения. Про­граммирование было детализировано до уровня ма­шинных команд и выполнялось пользователями на машинном языке данной ЭВМ. Пользователь также осуществлял ввод и отладку программ, обеспечивал управление вычислительным процессом при возникно­вении непредвиденных или недопустимых ситуаций.

Несмотря на указанные недостатки, ЭВМ первого поколения продемонстрировали определенные возмож­ности для автоматизации вычислительных работ, в частности в области космических исследований, ядерной физики и др., способствовали накоплению опыта по применению ЭВМ в других отраслях народ­ного хозяйства.

В конце 50-х годов появились отечественные ЭВМ второго поколения. Их элементной базой стали полупроводниковые приборы — транзисторы, что позволило существенно повысить производитель­ность и надежность ЭВМ при одновременном уменьше­нии ее габаритных размеров, массы и потребляемой мощности.

В ЭВМ второго поколения широко исполь­зовался печатный монтаж, при котором необходимые электрические соединения между элементами созда­вались вытравливанием фольги, нанесенной на изо­ляционный материал.

В СССР были созданы различные по назначению и возможностям полупроводниковые ЭВМ второго поколения, в том числе БЭСМ-4, «Урал-14», «Урал-16», Минск-22», «Минск-32», М-220, М-222, «Мир», «Раздан», «Наири» и многие другие. Производитель­ность этих ЭВМ не превышала 50—100 тыс. оп/с, а емкость основной памяти — 32 К машинных слов. Среди машин второго поколения особо выделяется БЭСМ-6 с производительностью около 1 млн. оп/с и емкостью основной памяти до 128 К машинных слов.

В машинах второго поколения получило также развитие программное обеспечение, в частности заро­дилось так называемое системное программирование, позволившее установить определенное взаимодействие между разрозненными наборами различных программ в процессе их выполнения. Комплексы таких систем­ных программ были первоначально названы операционными системами.

Рис. 2. ЭВМ второго поколения (Мир)

Для повышения производительно­сти труда программистов стали применяться различ­ные алгоритмические языки (Алгол, Фортран и др.), а также библиотечные наборы стандартных программ. В результате развития средств программного обеспе­чения значительно расширилась сфера применения вычислительной техники, появились ЭВМ не только для научно-технических расчетов, но и для решения планово-экономических задач, управления различными производственно-технологическими процессами и т. д.

Последующее интенсивное развитие радиоэлектро­ники привело в 60-х годах к созданию интегральных схем (ИС), а на их основе — к разработке ЭВМ третьего поколения. Интегральная схема является функционально законченным блоком, экви­валентным по своим логическим возможностям доста­точно сложной транзисторной схеме. Она представляет собойпластину полупроводникового материала (обычно кремния), в поверхностном слое которой методами микроэлектронной технологии формируются области, выполняющие функции транзисторов, диодов, резисторов и других компонентов схемы.

ЭВМ третьего поколения характеризуются значи­тельным увеличением производительности и емкости памяти, существенным повышением надежности и вме­сте с тем уменьшением потребляемой мощности, массы и занимаемой площади. Конструктивно машины третьего поколения состоят из типовых элементов и узлов, обеспечивающих высокую плотность компоновки, необходимую помехозащищенность, а, также устой­чивость к механическим и климатическим воздей­ствиям.

Значительное внимание в машинах третьего поко­ления было уделено совершенствованию средств программного обеспечения с точки зрения наиболее эффективного использования технических возможностей ЭВМ, максимальной автоматизации вычислитель­ного процесса, уменьшения трудоемкости подготовки и отладки программ пользователей. В результате этого, начиная с ЭВМ третьего поколения разрознен­ные средства программного обеспечения, превратились в целостную систему.

Отличительной особенностью ЭВМ третьего (и по­следующих) поколений стала возможность их работы в мультипрограммном режиме - многозадачность, при котором за счет организации параллельной работы основных устройств ЭВМ обеспечивается одновременное выполнение про­грамм различных пользователей, повышается эффек­тивность использования ЭВМ и уменьшаются возмож­ные простои ее дорогостоящего оборудования. С при­менением мультипрограммного режима ЭВМ превра­тилась в вычислительный инструмент нового качества. Теперь на базе ЭВМ стало возможным создание вычислительных систем, одновременно обрабатыва­ющих программы нескольких пользователей, которые могут находиться от ЭВМ на значительном расстоянии и непосредственно общаться с ней независимо друг от друга.

В ЭВМ третьего поколения были достигнуты про­изводительность в несколько миллионов операций в секунду, емкость основной памяти — в несколько сотен Кбайт.

Начиная с ЭВМ третьего поколения в широких масштабах начала проводиться работа по стан­дартизации технических и программных средств. В это же время создаются семейства (ряды) ЭВМ, представляющие собой единую систему. Для этой цели в 1969 г. Советским Союзом было заключено соглашение о сотрудничестве с рядом европейских стран в области вычислительной техники, которое обеспечило разработку и производ­ство Единой системы ЭВМ (ЕС ЭВМ) и системы малых ЭВМ (СМ ЭВМ).

ЭВМ четвертого поколения стали развиваться в 70-е годы. Конструктивно-технологической основой таких ЭВМ стали большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС). Высокая степень интеграции способствовала даль­нейшему увеличению плотности компоновки электрон­ной аппаратуры, повышению ее надежности, увели­чению быстродействия и снижению стоимости. Производительность ЭВМ четвертого поколения достигла десятков и сотен миллионов операций в секунду, а объем основной памяти — десятков мегабайт. ЭВМ третьего и четвертого поколений представлены в основном вычислительными машинами серии ЕС ЭВМ.

Для ЕС ЭВМ характерен высокий уровень стандар­тизации и унификации, который обеспечивался типо­вой элементной базой, основанной на использовании интегральной микроэлектроники, единой базовой струк­турой всех моделей ЭВМ, стандартным набором команд и форматов представления данных, единой номенклатурой периферийных устройств, подключаемых через стандартную систему сопряжения (интерфейс ввода-вывода), единством принципов конструирования, производства и эксплуатации.

Разработка ЕС ЭВМ проводилась с учетом между­народных стандартов и рекомендаций, а также уста­новившихся в мировой практике соглашений отно­сительно форматов данных, используемых носителей информации, системы сопряжения между отдельными устройствами ЭВМ. Так, в частности, основной струк­турной единицей данных, подлежащих обработке в ЕС ЭВМ, был принят 8-разрядный байт, к которому может быть присоединен дополнительный двоичный разряд для целей контроля. Все форматы данных в ЕС ЭВМ кратны байту. Байтовая структура данных хорошо согласуется со стандартным 8-разрядным дво­ичным кодом обмена информацией, включа­ющим строчные и прописные буквы латинского и рус­ского алфавитов, десятичные цифры, а также различ­ные специальные символы.

Наиболее устойчивой частью конфигурации технических средств ЕС ЭВМ является центральный про­цессор, технические характеристики которого в основном и определяли данную модель ЭВМ. Центральный процессор обрабатывает данные в ЭВМ, обеспечивает автоматическое управление работой других устройств, взаимодействует с каналами ввода-вывода, посылая в них команды на выполнение соответствующих операций и получая информа­цию об их выполнении.

Основная память в ЕС ЭВМ реализовывалась на базе одного или нескольких блоков, выполненных на полупроводнико­вых БИС (в первых моделях использовались ферритовые сердечники). Пространство (поле) основной памяти представляет собой последовательность пронумерован­ных байтов начиная с нулевого. Номер байта явля­ется его адресом. Для адресации к основной памяти в ЕС ЭВМ использовался 24-разрядный двоичный код, позволя­ющий адресовать 2²⁴ = 16777216 байт, то есть 16 Мбайт.

В ЕС ЭВМ использовались каналы ввода-вывода трех типов: селекторные, блок- и байт-мультиплексные. Общее число каналов не превышает 16, при этом допускается не более двух байт-мультиплексных ка­налов. Каждый канал производит адресацию до 256 периферийных устройств. Обширный набор периферийных устройств ЕС ЭВМ и стандарт­ный способ их подключения позволял создавать вычислительные системы различной конфигурации для решения широкого круга научных, инженерно-технических, экономических, управленческих и других задач.

В составе ЕС ЭВМ входили также устройства подготовки данных, которые могли использоваться автономно, т.е. автоматически, не взаи­модействуя с ЭВМ. Они включили в себя различные по техническим характеристикам устройства подготов­ки, контроля, расшифровки, репродукции данных на перфокартах, перфолентах, магнитной ленте (МЛ) и гибком магнитном диске (ГМД).

Разнообразные технические средства сочетались в ЕC ЭВМ с развитой системой программного обеспе­чения, ориентированной на постоянно расши­ряющуюся сферу применения ЭВМ. В состав программного обеспечения ЕС ЭВМ вошли операционная система, комплекс программ технического обслуживания и различные пакеты прикладных программ.

Основная цель, которая ставилась при создании первой очереди ЕС («Ряд-1»), заключалась в разработке семейства ЭВМ, отвечающих требова­ниям своего времени в отношении элементной базы, логической структуры, средств программного обеспе­чения, конструкции и технологии. В составе моделей этой очереди можно назвать, например, ЕС 1010, ЕС 1020, ЕС 1030, ЕС 1040, ЕС 1050, а также их модер­низированные варианты: ЕС1011, ЕС1012, ЕС1021, ЕС 1022, ЕС 1032, ЕС 1033, ЕС 1052. В конце 70-х годов был прекращен выпуск моделей первой очереди.

Вторая очередь ЕС ЭВМ «Ряд-2» сохранила все достоинства первой очереди, однако по сравнению с ней характеризовалась более высокой производитель­ностью, повышенной емкостью основной и внешней памяти, расширенными функциональными возможностя­ми технических и программных средств, большим количеством периферийных устройств, возможностью созда­ния на базе моделей многопроцессорных и многома­шинных вычислительных комплексов. В составе моделей второй очереди ЕС ЭВМ вошли: ЕС 1015, ЕС 1025, ЕС 1035, ЕС 1045, ЕС 1055, ЕС 1060, ЕС 1061. В ЕС ЭВМ второй очереди использовалась более прогрессивная технология производства, основанная на применении многослойного печатного монтажа (до 10 слоев), плоских многожильных кабелей, трех­рядных разъемов с повышенной плотностью компо­новки и др. Можно сказать, что вторая очередь ЕС ЭВМ стала материальной основой построения аппаратурных и программных средств электронной вычислительной техники четвертого поколения.

Частично были разработаны ЕС ЭВМ третьей очереди («Ряд-3»). Первые модели ее (ЕС1007, ЕС1036, ЕС1046, ЕС 1066, ЕС1068) реализовывали принцип параллельной работы пользователей, названный системой виртуальных (кажущихся) машин. Этот принцип состоит в предоставлении каждому пользователю системы некоторого функционального эквивалента отдельной вычислительной машины. Функционирование множе­ства таких виртуальных машин в реальной вычисли­тельной системе обеспечивается соответствующей операционной системы виртуальных машин.

В таблице приведены основные технические характеристики некоторых моделей ЕС ЭВМ первой, второй, третьей очередей.

В начале 80-х годов были созданы принципиально новые средства обработки информации — микропро­цессоры (МП). По своим логическим возможностям и структуре они напоминают упрощенный вариант процессора обычной ЭВМ, однако конструктивно реализуются всего на одной или несколько микросхемахс высокой степенью интеграции. На базе микропроцессоров стали создаваться микро-ЭВМ, состоящие из одного или нескольких микропроцессоров, дополненных постоянной и оперативной памятью, а также необхо­димыми периферийными устройствами. Микропроцессоры и микро-ЭВМ широко применяются при автоматизации технологических процессов.

В ЭВМ четвертого поколения получил развитие начавшийся еще в третьем поколении процесс созда­ния вычислительных систем и сетей ЭВМ, многомашинных и многопроцессорных вычислительных комплексов. Так в нашей стране, научно-исследовательским институтом многопроцессорных вычислительных систем Таганрогского государственного радиотехнического института в 1989 г. была разработана универсальная многопроцессорная вычислительная система ЕС-2703, рассчитанная на работу от 16 до 64 процессоров и обеспечивающая высокую для того времени производительность – 128 миллионов операций в секунду.

Рис. 3. Электронная вычислительная машина ЕС-2703

Современные вычислительные машины и персональные компьютеры можно отнести к пятому поколению ЭВМ. Развитие элементной базы ЭВМ пятого поколения происходит на наших глазах – каждые 3-5 лет в несколько раз возрастает степень интеграции электронных схем, улучшается технология их производства, что ведет к снижению стоимости компонентов компьютера. Сетевые технологии позволяют связывать компьютеры в локальные и глобальные сети, которые, взаимодействуя и объединяясь, образуют глобальную Сеть – Интернет. ЭВМ пятого поколения используют многозадачные операционные системы с дружественным графическим интерфейсом, а большое количество прикладных программ делает их незаменимыми при решении практически любых задач. Типичный объем оперативной памяти современных персональных компьютеров – сотни мегабайт, дисковой памяти – десятки или сотни гигабайт, тактовая частота – единицы гигагерц.

Последние годы определили требования к ЭВМ будущего, которые помимо малых габаритов и небольшого энергопотребления, более высокой производительности и надежности должны обладать возможностью общения с человеком на его естественном языке, способностью производить логи­ческие выводы, обучаться, формировать в своей памя­ти так называемую базу знаний и т.д. Это может быть достигнуто применением и дальнейшим совершенствованием нейронных вычислительных структур, то есть структур, строение которых сходно со строением клеток мозга человека и животных – нейронов. Работа таких структур основана на способности обучаться и анализировать нечеткие или неполные данные и принимать решения на основе предыдущего опыта. Биологические основы работы сетей нейронов были впервые изучены академиком И.П.Павловым. Механизмы памяти и реакции на раздражители были названы им «условным рефлексом» Параллельно с прогрессом в нейроанатомии и нейрофизиологии психологами были созданы модели человеческого обучения. Одной из таких моделей, оказавшейся наиболее плодотворной, была модель Д. Хэбба, который в 1949 г. предложил закон обучения, явившийся стартовой точкой для алгоритмов обучения искусственных нейронных сетей. Дополненный сегодня множеством других методов он продемонстрировал ученым того времени, как сеть нейронов может обучаться.

В пятидесятые и шестидесятые годы группа исследователей, объединив эти биологические и физиологические подходы, создала первые искусственные нейронные сети. Выполненные первоначально как электронные сети, они были позднее перенесены в более гибкую среду компьютерного моделирования, сохранившуюся и в настоящее время. М. Минский, Ф. Розенблатт, Б. Уидроу и другие разработали сети, состоящие из одного слоя искусственных нейронов. Эти сети, часто называемые персептронами, были использованы для такого широкого класса задач, как предсказание погоды, анализ электрокардиограмм и искусственное зрение.

На сегодняшний день существует много впечатляющих демонстраций возможностей искусственных нейронных сетей: сеть научили превращать текст в фонетическое представление, которое затем с помощью уже иных методов превращалось в речь; другая сеть может распознавать рукописные буквы; сконструирована система сжатия изображений, основанная на нейронной сети.

Для улучшения существующих сетей требуется еще много теоретической и экспериментальной работы. Должны быть развиты новые технологии, улучшены существующие методы, прежде чем данная область сможет полностью реализовать свои потенциальные возможности.

Рис. 4. Цифровой нейрокомпьютер с программируемой архитектурой (разработан НИИ МВС Таганрогского государственного радиотехнического университета)

На сегодняшний день реальный «интеллект», демонстрируемый самыми сложными нейронными сетями, находится ниже уровня дождевого червя, однако, как бы ни были ограничены возможности нейронных сетей сегодня, множество революционных открытий, могут быть не за горами.

ЛИТЕРАТУРА

1. Семененко В.А. и др. Электронные вычислительные машины. – М.: Высш. шк., 1991. – 288 с.

2. Терминологический словарь по основам информатики и вычислительной техники / А.П.Ершов, Н.М.Шанский, А.П.Окунева, Н.В.Баско; Под ред. А.П.Ершова, Н.М.Шанского. – М.: Просвещение, 1991. – 159 с.

3. Крайзмер Л.П. Бионика. – М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962. – 72 с.

4. Ф. Уоссермен. Нейрокомпьютерная техника: Теория и практика.

5. Электронный ресурс НИИ МВС ТРТУ: https://www.mvs.tsure.ru