Технические и программные средства реализации информационных процессов.Поколения ЭВМ

   В основу  построения подавляющего большинства ЭВМ положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 году американским ученым венгерского происхождения ДЖОНОМ фон НЕЙМАНОМ.

Прежде всего, компьютер должен иметь следующие устройства:

Арифметическо-логическое устройство, выполняющие арифметические и логические операции;

Устройство  управления, которое организует процесс выполнения программ;

Запоминающее  устройство, или память для хранения программ и данных;

Внешние устройства для ввода-вывода информации.

В основе работы компьютера лежат следующие принципы:

Принцип двоичного кодирования. Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов.

Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. 
 

ЭВМ первого поколения 

С началом второй мировой войны правительства разных стран начали разрабатывать вычислительные машины, осознавая их стратегическую роль в ведении войны. Увеличение финансирования в значительной степени стимулировало развитие вычислительной техники. В 1941 году немецкий инженер Конрад Цузе разработал вычислительную машину Z2, выполнявшую расчеты, необходимые при проектировании самолетов и баллистических снарядов. В 1943 году английские инженеры завершили создание вычислительной машины для дешифровки сообщений немецкой армии, названной 'Колосс'. Однако эти устройства не были универсальными вычислительными машинами, они предназначались для решения конкретных задач. В 1944 году американский инженер Говард Эйкен при поддержке фирмы IBM сконструировал компьютер для выполнения баллистических расчетов. Этот компьютер, названный 'Марк I', по площади занимал примерно половину футбольного поля и включал более 600 километров кабеля. В компьютере 'Марк I' использовался принцип электромеханического реле, заключающийся в том, что электромагнитные сигналы перемещали механические части. 'Марк I' был довольно медленной машиной: для того чтобы произвести одно вычисление требовалось 3-5 с. Однако, несмотря на огромные размеры и медлительность, 'Марк I' стал более универсальным вычислительным устройством, чем машина Цузе или 'Колосс'. 'Марк I' управлялся с помощью программы, которая вводилась с перфоленты. Это дало возможность, меняя вводимую программу, решать довольно широкий класс математических задач. В 1946 году американские ученые Джон Мокли и Дж. Преспер Эккерт сконструировали электронный вычислительный интегратор и калькулятор (ЭНИАК) - компьютер, в котором электромеханические реле были заменены на электронные вакуумные лампы. В отчете Г. Голдстайна и А.Беркса (июнь 1946 года) были четко сформулированы требования к структуре компьютеров. Отметим важнейшие из них:

*машины на  электронных элементах должны  работать не в десятичной, а  в двоичной системе счисления;

*программа, как  и исходные данные, должна размещаться  в памяти машины;

*программа, как и числа, должна записываться в двоичном коде;

*трудности физической  реализации запоминающего устройства, быстродействие которого соответствует  скорости работы логических схем, требуют иерархической организации памяти (то есть выделения оперативной, промежуточной и долговременной памяти);

*арифметическое  устройство (процессор) конструируется  на основе схем, выполняющих операцию  сложения; создание специальных  устройств для выполнения других  арифметических и иных операций  нецелесообразно. В машине используется параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над числами производятся одновременно по всем разрядам).

 Применение  вакуумных ламп позволило увеличить  скорость работы ЭНИАК в 1000 раз по сравнению с 'Марк I'. ЭНИАК состоял из 18000 вакуумных ламп, 70000 резисторов, 5 миллионов соединительных спаек и потреблял 160 кВт электрической энергии, что по тем временам было достаточно для освещения большого города. Между тем, ЭНИАК стал работающим прообразом .современного компьютера. Во-первых, ЭНИАК был основан на полностью цифровом принципе обработки информации. Во-вторых, ЭНИАК стал действительно универсальной вычислительной машиной, он использовался для расчета баллистических таблиц, предсказания погоды, расчетов в области атомной энергетики, аэродинамики, изучения космоса. Следующий важный шаг в совершенствовании вычислительной техники сделал американский математик Джон фон Нейман. Ранние вычислительные машины могли выполнять только команды, поступающие извне, причем команды выполнялись поочередно. Хотя использование перфокарт позволяло упростить процесс ввода команд, тем не менее, часто процесс настройки вычислительной машины и ввода команд занимал больше времени, чем собственно решение поставленной задачи. Фон Нейман предложил включить в состав компьютера для хранения последовательности команд и данных специальное устройство - память. Кроме того, Джон фон Нейман предложил реализовать в компьютере возможность передачи управления от одной программы к другой. Возможность хранить в памяти компьютера разные наборы команд (программы), приостанавливать выполнение одной программы и передавать управление другой, а затем возвращаться к исходной значительно расширяла возможности программирования для вычислительных машин. По сравнению с США, СССР и Англией развитие электронной вычислительной техники в Японии, ФРГ и Италии задержалось. Первая японская машина "Фуджик" была введена в эксплуатацию в 1956 году, серийное производство ЭВМ в ФРГ началось лишь в 1958 году.

 Другой ключевой  идеей, предложенной фон Нейманом, стал процессор (центральное обрабатывающее устройство), который должен был управлять всеми функциями компьютера. Подавляющее большинство современных компьютеров построено именно по архитектуре фон Неймана. В 1951 году был создан первый компьютер, предназначенный для коммерческого использования, - УНИВАК (универсальный автоматический компьютер), в котором были реализованы все принципы архитектуры фон Неймана. В 1952 году с помощью УНИВАК был предсказан результат выборов президента США. Работы по созданию вычислительных машин велись и в СССР. Так, в 1950 году в Институте электроники Академии наук Украины под руководством академика Сергея Алексеевича Лебедева была разработана и введена в эксплуатацию МЭСМ (малая электронная счетная машина). МЭСМ стала первой отечественной универсальной ламповой вычислительной машиной в СССР. В 1952-1953 годах МЭСМ оставалась самой быстродействующей (50 операций в секунду) вычислительной машиной в Европе. Принципы построения МЭСМ были разработаны С. А. Лебедевым независимо от аналогичных работ на Западе. В компьютерах первого поколения использовался машинный язык - способ записи программ, допускающий их непосредственное исполнение на компьютере. Программа на машинном языке представляет собой последовательность машинных команд,допустимых для данного компьютера. Процессор непосредственно воспринимает и выполняет команды, выраженные в виде двоичных кодов. Для каждого компьютера существовал свой собственный машинный язык. Это также ограничивало область применения компьютеров первого поколения. Появление первого поколения компьютеров стало возможно благодаря трем техническим новшествам: электронным вакуумным лампам, цифровому кодированию иформации и созданию устройств искусственной памяти на электростатических трубках. Компьютеры первого поколения имели невысокую производительность: до нескольких тысяч операций в секунду. В компьютерах первого поколения использовалась архитектура фон Неймана. Средства программирования и программного обеспечение еще не были развиты, использовался низкоуровневый машинный язык. Область применения компьютеров была ограничена. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ЭВМ второго поколения 

       Второе поколение ЭВМ – это переход к транзисторной элементной базе, появление первых мини-ЭВМ.

   Получает дальнейшее развитие принцип автономии – он реализуется уже на уровне отдельных устройств, что выражается в их модульной структуре. Устройства ввода-вывода снабжаются собственными УУ (называемыми контроллерами), что позволило освободить центральное УУ от управления операциями ввода-вывода.

    Совершенствование и удешевление ЭВМ привели к снижению удельной стоимости машинного времени и вычислительных ресурсов в общей стоимости автоматизированного решения задачи обработки данных, в то же время расходы на разработку программ (т.е. программирование) почти не снижались, а в ряде случаев имели тенденции к росту. Таким образом, намечалась тенденция к эффективному программированию, которая начала реализовываться во втором поколении ЭВМ и получает развитие до настоящего времени.

   Начинается разработка на базе библиотек стандартных программ интегрированных систем, обладающих свойством переносимости, т.е. функционирования на ЭВМ разных марок. Наиболее часто используемые программные средства выделяются в ППП для решения задач определенного класса.

   Совершенствуется технология выполнения программ на ЭВМ: создаются специальные программные средства - системное ПО.

   Цель создания системного ПО – ускорение и упрощение перехода процессором от одной задачи к другой. Появились первые системы пакетной обработки, которые просто автоматизировали запуск одной программ за другой и тем самым увеличивали коэффициент загрузки процессора. Системы пакетной обработки явились прообразом современных операционных систем, они стали первыми системными программами, предназначенными для управления вычислительным процессом. В ходе реализации систем пакетной обработки был разработан формализованный язык управления заданиями, с помощью которого программист сообщал системе и оператору, какую работу он хочет выполнить на вычислительной машине. Совокупность нескольких заданий, как правило, в виде колоды перфокарт, получила название пакета заданий. Этот элемент жив до сих пор: так называемые пакетные (или командные) файлы MS DOS есть не что иное, как пакеты заданий (расширение в их имени bat является сокращением от английского слова batch, что означает пакет).

   К отечественным ЭВМ второго поколения относятся Проминь, Минск, Раздан, Мир.

Одним из основных усовершенствований, появившихся в  ЭВМ второго поколения, было новое  запоминающее устройство - оперативня память на ферритовых кольцах. 
   Ферриты также представляют собой полупроводниковые материалы, обладающие особыми магнитными свойствами. Изготавливаются они из довольно редкого минерала - магнитного железняка (ferrum, как известно, по-латыни - железо) с добавлением различных окислов металлов: магния, марганца, никеля и др. Основное достоинство ферритов состоит в том. что сделанные из него элементы могут быстро перемагничиваться и сохранять так называемый остаточный магнетизм, то есть свое магнитное состояние, неограниченно долго. Кроме того, в связи с высоким электрическим сопротивлением ферритов потери на образование так называемых токов Фуко при перемагничивании оказывается незначительным, что обеспечивает минимальное потребление электроэнергии. 
    Ферриты относятся к веществам, обладающим ярко выраженной (прямоугольной) петлей гистерезиса. Петля гистерезиса – это график, известный из школьного курса физики. Он показывает зависимость величины остаточного намагничивания материала от значений немагничивающего тока. Материалы с прямоугольной петлей гистерезиса обладают способностью находиться в двух устойчивых состояниях, которые и можно соответственно обожначить 0 или 1. 
 
Из ферритов вырабатываются колечки (сердечники) диаметром от нескольких миллиметров до нескльких долей миллиметра. Эти колечки в машине располагаются правильными рядами, образуя плоскую или пространственную прямоугольную матрицу. Каждое колечко (сердечник) в плоской матрице имеет две обмотки, служащие для записи данных, и одну обмотку, служащую для считывания. 
 
Были построены запоминающие устройства размером со стопку ученических тетрадей (каждая матрица – одна тетрадь) на 100 тысячах и более магнитных сердечниках. Прелесть таких запоминающих устройств состоит в возможности произвольной выборки чисел. Время записи и считывания здесь составляет не более 10 микросекунд. Кольцевые сердечники – ферриты могут и не иметь специальных обмоток, а быть просто пронизаны тремя проводниками. Один – в вертикальном направлении, другой – в горизонтальном, а третий проводник проходит сквозь все кольца данной матрицы – это «обмотка» считывания. Пусть для считывания нужен ток в 1 ампер. Если на обмотку считывания подать ток в 0,5 ампера и указать с помощью другой обмотки соответствующую строку или столбец (туда подать ток также в 0,5 ампера), то произойдет считывание двоичных разрядов данного столбца или строки. 
 
Основными достоинствами запоминающих устройств на магнитных сердечниках являются простота конструкции, высокая надежность, высокая скорость записи и считывания, большая емкость, достигаемая простыми средствами (матрица из ферритовых колечек – это все-таки не электронно-лучевая трубка). Кроме того, записанную информацию можно хранить в такой памяти без всякой затраты энергии неограниченно долго. 
 
Ферритовые сердечники используются не только для создания запоминающих устройств, в ЭВМ второго поколения они нашли применение также и в логических схемах, входящих в арифметические устройства, устройства управления и т.п. 
 
 
 

ЭВМ третьего поколения

В машинах третьего поколения разрабатывалась более  гибкая система прерываний, позволяющая синхронизировать работу центрального процессора, процессоров ввода/вывода и должным образом реагировать на аварийные ситуации в программах пользователя. Мультипрограммный режим работы компьютера требовал создания мощных средств защиты памяти. Создавались механизмы динамического распределения памяти, совершенствовались операционные системы.

Такое преобразование плюс развитая система прерываний и  механизмы защиты памяти позволили  реализовать в разрабатываемой  системе для ЭВМ мультипрограммный режим и режим разделения времени, которые позволяли совместить на одной машине выполнение нескольких управляющих задач, а также разработку управляющих программ.

Использование новой элементной базы позволило  существенно повысить быстродействие и объем оперативной памяти нового поколения машин. 
Значительно расширилась номенклатура внешних устройств – появились накопители на сменных магнитных дисках, алфавитно-цифровые и графические дисплеи, графопостроители и т.д.

В 1958 году Роберт Нойс изобрел малую кремниевую интегральную схему, в которой 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.

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

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.