Этапы развития информатики и вычислительной техники

ЭВМ - это сложная система, включающая как технические средства, так и программное обеспечение. Для изучения ЭВМ целесообразно использовать ту или иную степень детализации. Мы представим ЭВМ в виде трех последовательно усложняющихся уровней детализации:

1. Аппаратные средства - электронные схемы, из которых состоят отдельные устройства ЭВМ;

2. Архитектура - состав, характеристики и взаимосвязь устройств ЭВМ (структурная организация ЭВМ), принцип функционирования ЭВМ и ее машинный язык;

3. Программное обеспечение ЭВМ. Первые два уровня будут рассмотрены в этой лекции, а третий - в следующей. Рассмотрим с использованием этих уровней, как изменились ЭВМ за 40 с небольшим лет их существования.

Развитие аппаратных средств вычислительной техники можно условно разбить на несколько этапов, которые имеют свои характерные особенности. Коротко рассмотрим эти этапы.

Первый этап - до 55г.За точку отсчета эры ЭВМ принимается 1946 год, когда началась опытная эксплуатация первых опытных образцов вычислительных машин. Известны также данные о первых из них: общая масса - 30 тонн, число электронных ламп - 18 тыс., потребляемая мощность - 150 квт.(мощность достаточная для небольшого завода), объем памяти - 20 10-ти разрядных чисел, время выполнения операции: сложения - 0,0002 с., умножения - 0,0028 с. Числа в ЭВМ вводились с помощью перфокарт и набора переключателей, а программа задавалась соединением гнезд на специальных наборных платах. Производительность этой гигантской ЭВМ была ниже, чем карманного калькулятора "Электроника МК-54".

Ламповые ЭВМ имели большие габариты и массу, потребляли много энергии и были очень дорогостоящими, что резко сужало круг пользователей ЭВМ, а следовательно, объем производства этих машин. Основными их пользователями были ученые, решавшие наиболее актуальные научно-технические задачи, связанные с развитием реактивной авиации, ракетостроения и т. д. Увеличению количества решаемых задач препятствовали низкая надежность, ограниченность их ресурсов и чрезвычайно трудоемкий процесс подготовки, ввод и отладка программ, написанных на языке машинных команд.

Повышение быстродействия ЭВМ шло за счет увеличения ее памяти и улучшения архитектуры: использование двоичных кодов для представления чисел и команд, а также размещения их в увеличивающейся памяти ЭВМ упростили структуру процессора и повысили производительность обработки данных. Для ускорения процесса подготовки программ стали создавать первые языки автоматизации программирования (языки символьного кодирования и автокоды). Представителями первых ЭВМ являлись ЭНИАК (США) и МЭСМ (СССР).

Второй этап - до 65 года. Развитие электроники привело к изобретению нового полупроводникового устройства - транзистора, который заменил лампы. Появление ЭВМ, построенных на транзисторах, привело к уменьшению их габаритов, массы, энергозатрат и стоимости, а также к увеличению их надежности и производительности. Это сразу расширило круг пользователей и, следовательно, номенклатуру решаемых задач. Стали создавать алгоритмические языки для инженерно-технических и экономических задач.

Но и на этом этапе основной задачей технологии программирования оставалось обеспечение экономии машинных ресурсов (машинного времени и памяти).

Для ее решения стали создавать операционные системы (комплексы служебных программ, обеспечивающих лучшее распределение ресурсов ЭВМ при использовании пользовательских задач).

Первые ОС просто автоматизировали работу оператора ЭВМ, связанную с выполнением задания пользователя: ввод в ЭВМ текста программы, вызов нужного транслятора, вызов необходимых библиотечных программ и т.д. Теперь же вместе с программой и данными в ЭВМ вводится еще и инструкция, где перечисляются этапы обработки и приводится ряд сведений о программе и ее авторе. Затем в ЭВМ стали вводить сразу по несколько заданий пользователей (пакет заданий), ОС стали распределять ресурсы ЭВМ между этими заданиями - появился мультипрограммный режим обработки.

Третий этап - до 70 г. Увеличение быстродействия и надежности полупроводниковых схем, а также уменьшения их габаритов, потребляемой мощности и стоимости удалось добиться за счет создания технологии производства интегральных схем (ИС), состоящих из десятка электронных элементов, образованных в прямоугольной пластине кремния с длиной стороны не более 1см. Такая пластина (кристалл) размещается в небольшом пластмассовом корпусе, размер которого определяется, как правило, только числом "ножек".

Это позволило не только повысить производительность и снизить стоимость больших ЭВМ, но и создать малые, простые, дешевые и надежные машины-мини-ЭВМ (СМ-1420 и т.д.). Мини-ЭВМ первоначально предназначались для замены аппаратно-реализованных контролеров (устройств управления) в контуре управления каким-либо объектом.

Организации, покупавшие мини-ЭВМ для создания контроллеров, довольно быстро поняли, что, обладая функциональной избыточностью, мини-ЭВМ может решать и вычислительные задачи традиционные для больших ЭВМ. Простота обслуживания мини-ЭВМ, их сравнительно низкая стоимость и малые габариты позволяли снабдить этими машинами небольшие коллективы исследователей, разработчиков- экспериментаторов и т.д., т.е., дать прямо в руки пользователей ЭВМ. В начале 70-х годов с термином мини-ЭВМ связывали уже два существенно различных типа средств вычислительной техники:

- универсальный блок обработки данных и выдачи управляющих сигналов, серийно выпускаемых для применения в различных специализированных системах контроля и управления;

- небольших габаритов универсальную ЭВМ, проблемно-ориентированную пользователем на решение ограниченного круга задач в рамках одной лаборатории, тех. участка и т.д., т.е., задач, в решении которых оказывались заинтересованы 10-20 человек, работавших над одной проблемой.

Представители этого поколения ЭВМ: СМ-1420.

Четвертый этап - до 78 г. Успехи в развитии электроники привели к созданию больших интегральных схем (БИС), где в одном кристалле размещалось несколько десятков тысяч электронных элементов. Это позволило разработать более дешевые ЭВМ, имеющие большую память и меньший цикл выполнения команд: стоимость байта памяти и одной машинной операции резко снизилась. Но, так как затраты на программирование почти не сокращались, то на первый план вышла задача экономии человеческих, а не машинных ресурсов.

Разрабатывались новые ОС, позволяющие программистам отлаживать свои программы прямо за дисплеем ЭВМ и ускоряло разработку программ. Это полностью противоречило концепциям первых этапов информационной технологии: "процессор выполняет лишь ту часть работы по обработке данных, которую принципиально выполнить не могут люди, т.е., массовый счет". Стала прослеживаться другая тенденция: "все, что могут делать машины, должны делать машины; люди выполняют лишь ту часть работы, которую нельзя автоматизировать".

В 71 году был изготовлен первый микропроцессор - БИС, в которой полностью размещался процессор ЭВМ простой архитектуры. Стала реальной возможность размещения в одной БИС почти всех электронных устройств несложной по архитектуре ЭВМ, т.е., возможность серийного выпуска простых ЭВМ малой стоимости. Появились дешевые микрокалькуляторы и микроконтроллеры - управляющие устройства, построенные на одной или нескольких БИС, содержащих процессор, память и системы связи с датчиками и исполнительными органами в объекте управления. Программа управления объектами вводилась в память ЭВМ либо при изготовлении, либо непосредственно на предприятии.

В 70-х годах стали изготовлять и микро-ЭВМ - универсальные ВС, состоящие из процессора, памяти, схем сопряжения с устройствами В/В и тактового генератора, размещенных в одной БИС (однокристальная ЭВМ) или в нескольких БИС, установленных на одной плате (одноплатная ЭВМ). Повторяется картина 60-х годов, когда первые мини-ЭВМ отбирали часть работы у больших ЭВМ.

Представители этого поколения ЭВМ: СМ-1800, "Электроника 60М".

Пятый этап - н/в. Улучшение технологии БИС позволяло изготовлять дешевые электронные схемы, содержащие сотни тысяч элементов в кристалле - схемы сверхбольшой степени интеграции - СБИС.

Появилась возможность создать настольный прибор с габаритами массового телевизора, в котором размещались микро-ЭВМ, клавиатура, а также схемы сопряжения с малогабаритным печатающим устройством, измерительной аппаратурой, другими ЭВМ и т.п. Благодаря ОС, обеспечивающей простоту общения с этой ЭВМ такой персональный компьютер становится принадлежностью любого специалиста и даже ребенка.

Архитектура ЭВМ.

Архитектура ЭВМ - это множество ресурсов, доступных пользователю. Архитектура включает в себя: разрядность слова, форматы и систему команд, режимы адресации ОП, состав программно-доступных регистров, объем ОЗУ, способ адресации внешних устройств, слово-состояние процессора и т.д. Не будем более детально рассматривать эти понятия, а остановимся на свойствах архитектуры.

К наиболее существенным свойствам архитектуры и характеристикам ЭВМ общего назначения можно отнести:

1) универсальность;

2) совместимость;

3) развитое программное обеспечение;

4) агрегатность технических средств и широкая номенклатура внешних (периферийных) устройств;

5) высокая технологичность;

6) соответствие широко распространенным мировым стандартам.

Универсальность обеспечивает возможность одинаково решать задачи различных классов практически для всех областей деятельности. Это достигается прежде всего:

-универсальной системой команд, содержащей кроме операций двоичной арифметики полный набор операций десятичной арифметики с операндами (т.е. элементами данных, над которыми выполняется операция);

-универсальной логической структурой, имеющей обязательные (стандартные) аппаратные и программные средства для всех моделей ЭВМ, образующих единое семейство;

-сбалансированностью входящих в нее устройств по быстродействию и потокам информации между ними.

Совместимость достигается аппаратно-программными средствами с целью создания единого прикладного и системного программного обеспечения для всех моделей ЭВМ общего назначения одного семейства. За счет совместимости обеспечивается одинаковость результатов программ и перенос программных средств между различными моделями ЭВМ. Достижение полной совместимости (абсолютной) представляется очень сложной задачей, поэтому в большинстве случаев ограничиваются частичной совместимостью, а именно, совместимостью "снизу - вверх", при которой программы, разработанные для менее мощной ЭВМ (младшей), должны обязательно и с тем же результатом проходить на более мощной ЭВМ (старшей). Перенос "сверху- вниз" ограничен. Но даже в этом случае должна обеспечиваться совместимость по крайней мере на 4-х уровнях аппаратно-программных средств: 1) операционной системы и пакетов ее расширяющих; 2) языковых интерфейсов; 3) системы программ; 4) пользовательских средств.

Развитие программного обеспечения ориентированного на конкретные структурные и функциональные возможности аппаратуры, позволяющие эффективно решать задачи пользователя. Для ЭВМ общего назначения ОС стала неотъемлемой частью, представляющей собой программное расширение аппаратных средств ЭВМ.

Агрегатный принцип построения технических средств, стандартный интерфейс ввода-вывода, позволяющий подключать различные по назначению периферийные устройства (ПУ) широкой номенклатуры; в совокупности с программным обеспечением позволяют строить конкретный вычислительный комплекс, наиболее подходящий для заданного применения с учетом требований и производительности, функциональным возможностям и набору ПУ.

Высокая технологичность обеспечивает возможность крупносерийного производства и высокую технико-экономическую эффективность ЭВМ общего назначения.

Соответствие стандартам позволяет обеспечить совместимость с мировым парком ЭВМ общего назначения в части представления информации, способов сопряжения и организации обмена данными.