Поколения ЭВМ: элементная база. История поколений ЭВМ

Электронно-вычислительные виды машин в нашей стране делятся на несколько поколений. Определяющими признаками при отнесении устройств к определенному поколению служат их элементы и разновидности таких важных характеристик, как быстродействие, емкость памяти, способы управления и переработки информации. Деление ЭВМ является условным – есть немалое количество моделей, которые, по одним признакам, относятся к одному, по другим – к другому виду поколения. В результате эти виды ЭВМ могут относиться к различным этапам развития техники электронно-вычислительного типа.

Первое поколение ЭВМ

Развитие ЭВМ разделяется на несколько периодов. Поколение устройств каждого периода имеет отличия друг от друга элементными базами и обеспечением математического типа.

1 поколение ЭВМ (1945–1954) – электронно-вычислительные машины на лампах электронного типа (подобные были в телевизорах первых моделей). Это время можно назвать эпохой становления такой техники.

Большая часть машин первого вида поколения называлась экспериментальными типами устройств, которые создавались с целью проверки одних или других положений теорий. Размер и вес компьютерных агрегатов, которые часто нуждались в отдельных зданиях, давно превратились в легенду. Введение чисел в первые машины производилось при помощи перфокарт, а программные управления последовательностями выполнимости функций осуществлялись, к примеру, в ENIAC, как в машинах счетно-аналитического типа, при помощи штекеров и видов наборного поля. Несмотря на то что подобный метод программирования требовал множества времени для того, чтобы подготовить машину – для соединений на наборных полях (коммутационной доске) блоков он давал все возможности для реализации счетных «способностей» ENIAC’а, и с большой выгодой имел отличия от метода программной перфоленты, который характерен для устройств релейного типа.

Как работали эти агрегаты

Сотрудники, которые были приписанными к данной машине, постоянно находились возле нее и осуществляли наблюдение за работоспособностью электронных ламп. Но, как только перегорала хотя бы одна лампа, ENIAC сразу же поднимался, и наставали хлопоты: все в спешке осуществляли поиск сгоревшей лампы. Главной причиной (может быть, и не точной) очень частой замены ламп была следующая: тепло и свечение ламп привлекали мотыльков, они залетали внутрь машины и способствовали возникновению короткого замыкания. Таким образом, 1 поколение ЭВМ было крайне уязвимым относительно внешних условий.

Если вышесказанное является правдой, то термин «жучки» («баги»), под которым подразумеваются ошибки в программном и аппаратном оборудовании компьютерной техники, набирает уже новое значение. Когда все лампы находились в рабочем состоянии, инженерный персонал мог сделать настройку ENIAC на какую-либо задачу, изменив вручную подключения 6 000 проводов. Все провода нужно было снова переключать, если требовалась задача другого типа.

Самые первые серийные машины

Первой серийно выпускавшейся ЭВМ первого поколения стал компьютер UNIVAC (Универсальный автоматический компьютер). Разработчиками данного компьютера были: Джон Мочли (John Mauchly) и Дж. Преспер Эккерт (J. Prosper Eckert). Это был первый тип электронного цифрового компьютера общего назначения. UNIVAC, работы по разработкам которого начались в 1946 году и завершились в 1951, обладал временем сложений 120 мкс, умножений – 1800 мкс и делений – 3600 мкс.

Данные машины занимали много площади, использовали множество электроэнергии и состояли из огромной численности ламп электронного типа. К примеру, машина «Стрела» имела 6400 таких ламп и 60 тысяч штук диодов полупроводникового типа. Быстродействия этого поколения ЭВМ не превышали 2–3 тысяч операций в секунду, объемы оперативной памяти были не больше 2 Кб. Только машина «М-2» (1958) имела оперативную память 4 Кб, а быстродействие ее было 20 тысяч операций в секунду.

ЭВМ второго поколения – существенные отличия

В 1948 году физиками-теоретиками Джоном Бардиным и Уильямом Шокли, вместе с ведущим экспериментатором фирмы «Белл телефон лабораториз» Уолтером Браттейном, был создан первый действующий транзистор. Это был прибор точечно-контактного типа, в котором три металлических «усика» имели контакт с бруском из поликристаллического материала. Таким образом, поколения ЭВМ начали совершенствоваться уже в то далекое время.

Первые виды компьютеров, которые работали на основе транзисторов, отмечают свое появление в конце 1950 годов, а к середине 1960 годов были создано внешние типы устройств с более компактными функциями.

Особенности архитектуры

Одной из удивительных способностей транзистора является то, что он один может осуществлять работу за 40 ламп электронного типа, и даже в этом случае иметь большую скорость работы, выделять минимальное количество теплоты, и практически не употреблять электрические ресурсы и энергию. Вместе с процессами замены ламп электрического типа на транзисторы усовершенствовались способы сохранения информации. Произошло увеличение объема памяти, а магнитная лента, которая впервые была применена в ЭВМ первого поколения UNIVAC, начала использоваться как для введения, так и для выведения информации.

В середине 1960 годов применялось сохранение информации на дисках. Огромные виды достижений в архитектуре компьютеров позволяли получить быстрые действия в миллион операций в секунду! Например, к транзисторным компьютерам 2 поколения ЭВМ можно отнести «Стретч» (Англия), «Атлас» (США). В тот период Советский Союз также выпускал не уступающие вышеуказанным устройствам (к примеру, «БЭСМ-6»).

Создание ЭВМ, которые построены с помощью транзисторов, стало причиной уменьшения их габаритов, масс, затрат энергии и цены на них, а также увеличило надежность и производительность. Это поспособствовало расширению круга пользователей и номенклатуры решаемых задач. Учитывая улучшенные характеристики, которыми обладало 2 поколение ЭВМ, разработчики начали создавать алгоритмические виды языков для инженерно-технического (к примеру, АЛГОЛ, ФОРТРАН) и экономического (к примеру, КОБОЛ) вида расчетов.

Значение ОС

Но даже на этих этапах главной из задач технологий программирования было обеспечение экономии ресурсов – машинного времени и количества памяти. Для решения этой задачи начали создавать прототипы современных операционных систем (комплексы программ служебного типа, которые обеспечивают хорошие распределения ресурсов ЭВМ при исполнениях задач пользователя).

Виды первых операционных систем (ОС) способствовали автоматизации работы операторов ЭВМ, которая связана с выполнением заданий пользователя: ввод в устройство текстов программ, вызовы необходимых трансляторов, вызовы требуемых для программы библиотечных подпрограмм, вызовы компоновщика для размещения данных подпрограмм и программы основного типа в памяти ЭВМ, введение данных исходного типа и т. п.

Теперь, помимо программы и данных, в ЭВМ второго поколения нужно было вводить еще и инструкцию, где находилось перечисление этапов обработки и список сведений о программе и ее авторах. После этого в устройства начали вводить одновременно некоторое количество заданий для пользователей (пакеты с заданиями), в этих видах операционных систем нужно было распределить типы ресурсов ЭВМ между данными типами заданий – возник мультипрограммный режим для обработок данных (к примеру, пока происходит вывод результатов задачи одного типа, делаются расчеты для другого, и в память можно ввести данные для третьего типа задачи). Таким образом, 2 поколение ЭВМ вошло в историю появлением упорядоченных ОС.

Третье поколение машин

За счет созданий технологии производств интегральных микросхем (ИС) получилось добиться увеличений быстрого действия и уровней надежности полупроводниковых схем, а также уменьшения их размеров, потребляемых уровней мощности и стоимости. Интегральные виды микросхем состоят из десятков элементов электронного типа, которые собраны в прямоугольных пластинах кремния, и обладают длиной стороны не больше 1 см. Подобный тип пластины (кристаллов) размещают в пластмассовом корпусе небольших габаритов, размеры в котором можно определить только с помощью числа «ножек» (выводов от входа и выхода электронных схем, созданных на кристаллах).

Благодаря указанным обстоятельствам, история развития ЭВМ (поколения ЭВМ) сделала большой прорыв. Это дало возможность не только для повышения качества работы и снижения стоимости универсальных устройств, но и создать машины малогабаритного, простого, дешевого и надежного типа – мини-ЭВМ. Такие агрегаты сначала были предназначены для замены контроллеров аппаратно-реализованнных назначений в контурах управления какими-либо объектами, в автоматизированных системах управления процессами технологического типа, системах сборов и обработки данных экспериментального типа, различных управляющих комплексах на объектах подвижного типа и т. п.

Главным моментом в то время считались унификации машин с конструктивно-технологическими параметрами. Третье поколение ЭВМ начинает выпуски своих серий или семейств, совместимых типов моделей. Дальнейшие скачки развития математических и программных обеспечений способствуют созданиям программ пакетного типа для решаемости типовых задач, проблемно ориентированного программного языка (для решаемости задач отдельных категорий). Так впервые создаются программные комплексы – виды операционных систем (разработанные IBM), на которых и работает третье поколение ЭВМ.

Машины четвертого поколения

Успешное развитие электронных устройств привело к созданиям больших интегральных схем (БИС), где один кристалл имел пару десятков тысяч элементов электрического типа. Это способствовало тому, что появились новые поколения ЭВМ, элементная база которых имела большой объем памяти и малые циклы для выполнения команд: использование байтов памяти в одной машинной операции начало резко понижаться. Но, так как затраты на программирование практически не имели сокращений, то на первый план ставились задачи экономии ресурсов человеческого, а не машинного типа.

Создавались операционные системы новых видов, которые позволяли программистам делать отладки своих программ прямо за дисплеями ЭВМ (в диалоговом режиме), и это способствовало облегчению работы пользователей и ускорению разработок нового программного обеспечения. Этот момент полностью противоречил концепциям первичных этапов информационных технологий, которые использовали ЭВМ первого поколения: «процессором выполняется только тот объем работы обработок данных, который люди принципиально не могут выполнить, – массовый счет». Стали прослеживаться тенденции иного типа: «Все, что выполнимо машинами, они должны выполнять; людьми выполняется только та часть работ, которую невозможно автоматизировать».

В 1971 году была изготовлена большая интегральная схема, где полностью размещался процессор электронно-вычислительной машины простых архитектур. Стали реальными возможности для размещений в одной большой интегральной схеме (на одном кристалле) практически всех устройств электронного типа, которые не являются сложными в архитектуре ЭВМ, то есть возможности серийных выпусков простых устройств по доступным ценам (не учитывая стоимости устройств внешнего типа). Так было создано 4 поколение ЭВМ.

Появилось много дешевых (карманных клавишных ЭВМ) и управляющих устройств, которые обустроены на одной-единственной либо нескольких больших интегральных схемах, содержащих процессоры, объемы памяти и систему связей с датчиками исполнительного типа в объектах управления.

Программы, которые управляли подачами топлив в двигатели автомобилей, движениями электронных игрушек или заданными режимами стирок белья, устанавливались в память ЭВМ или при изготовлениях подобных видов контроллеров, или непосредственно на предприятиях, которые занимаются выпуском автомобилей, игрушек, стиральных машин и т. д.

На протяжении 1970 годов началось изготовление и универсальных вычислительных систем, которые состояли из процессора, объемов памяти, схем сопряжений с устройством ввода-вывода, размещенных в единой большой интегральной схеме (однокристальные ЭВМ) или в некоторых больших интегральных схемах, установленных на одной плате печатного типа (одноплатные агрегаты). В результате, когда 4 поколение ЭВМ получило распространение, происходило повторение ситуации, возникшей в 1960 годах, когда первые мини-ЭВМ забирали часть работ в больших универсальных электронно-вычислительных машинах.

Характерные свойства ЭВМ четвертого поколения

1. Мультипроцессорный режим.
2. Обработки параллельно-последовательного типа.
3. Высокоуровневые типы языков.
4. Появление первых сетей ЭВМ.

Технические характеристики этих устройств

1. Средние задержки сигналов 0,7 нс./в.
2. Основной вид памяти – полупроводниковый. Время выработок данных из памяти такого типа – 100–150 нс. Емкости – 1012–1013 символов.
3. Применение аппаратной реализации оперативных систем.
4. Модульные построения начали применяться и для средств программного типа.

Впервые персональный компьютер был создан в апреле 1976 года Стивом Джобсом, сотрудником фирмы Atari, и Стивеном Возняком, сотрудником фирмы Hewlett-Packard. На основе интегральных 8-битных контроллеров схемы электронной игры, они создали простейший, запрограммированный на языке BASIC, компьютер игрового типа «Apple», который имел огромные успехи. В начале 1977 года была зарегистрирована компания Apple Comp., и с того времени началось производство первых в мире персональных компьютеров Apple. История поколения ЭВМ отмечает это событие как наиболее важное.

В настоящее время фирма Apple занимается выпусками персональных компьютеров Macintosh, которые за большинством параметров превосходят виды компьютеров IBM PC.

ПК в России

В нашей стране в основном используют виды компьютеров IBM PC. Этот момент объясняется такими причинами:

1. До начала 90-х США не разрешали поставлять в Советский Союз информационные технологии передового типа, к каким и относились мощные компьютеры Macintosh.
2. Устройства Макинтош были намного дороже, чем IBM PC (в настоящее время они имеют примерно одинаковую стоимость).
3. Для IBM PC разработано множественное число программ прикладного типа и это облегчает их использование в самых различных сферах.

Пятый вид поколения ЭВМ

В поздние 1980 годы история развития ЭВМ (поколения ЭВМ) отмечает новый этап – появляются машины пятого вида поколения. Возникновение этих устройств связывают с переходами к микропроцессорам. С точки зрения структурных построений характерны максимальные децентрализации управлений, говоря о программных и математических обеспечениях – переходы на работу в программной сфере и оболочке.

Производительность пятого поколения ЭВМ – 10⁸–10⁹ операций за секунду. Для этого типа агрегатов характерна многопроцессорная структура, которая созданная на микропроцессорах упрощенных типов, которых применяется множественное количество (решающее поле или среда). Разрабатываются электронно-вычислительные типы машин, которые ориентированы на высокоуровневые типы языков.

В данный период существуют и применяются две противоположные функции: персонификации и коллективизации ресурсов (коллективные доступы к сети).

Из-за вида операционной системы, которая обеспечивает простоту общения с электронно-вычислительными машинами пятого поколения, огромной базы программ прикладного типа из различных сфер человеческой деятельности, а также низких цен ЭВМ становится незаменимой принадлежностью инженеров, исследователей, экономистов, врачей, агрономов, преподавателей, редакторов, секретарей и даже детей.

Развитие в наши дни

Про шестое и более новые поколения развития ЭВМ можно пока только мечтать. Сюда можно отнести нейрокомпьютеры (виды компьютеров, которые созданы на основе сетей нейронного типа). Они пока не могут существовать самостоятельно, но активным образом моделируются на компьютерах современного типа.