Поколения ЭВМ

Можно выделить 4 основные поколения ЭВМ.

Поколения:

ЭВМ на эл. лампах, быстродействие порядка 20000 операций в секунду, для каждой машины существует свой язык программирования ("БЭСМ", "Стрела").

В 1960г. в ЭВМ были применены транзисторы, изобретенные в 1948г., они были более надежны, долговечны, обладали большой оперативной памятью. 1 транзистор способен заменить примерно 40 эл. ламп и работает с большей скоростью. В качестве носитетелй информации использовались магнитные ленты ("Минск-2", "Урал-14").

В 1964г. появились первые интегральные схемы (ИС), которые получили широкое распространение. ИС - это кристалл, площадь которого 10 мм². 1 ИС способна заменить 1000 транзисторов. 1 кристалл - 30-ти тонный "Эниак". Появилась возможность обрабатывать параллельно несколько программ.

Впервые стали применяться большие интегральные схемы (БИС), которые по мощности примерно соответствовали 1000 ИС. Это привело к снижению стоимости производства компьютеров. В 1980г. центральный процессор небольшой ЭВМ оказалось возможным разместить на кристалле площадью 1/4 дюйма ("Иллиак", "Эльбрус").

Синтезатор, звуки, способности вести диалог, выполнять команды, подаваемые голосом или прикосновением.

Отличия ЭВМ III поколения от прежних

В ЭВМ III поколения заметно значительное улучшение аппаратуры, благодаря использованию интегральных схем (ИС), что способствовало уменьшению размеров, потребляемой энергии, увеличению быстродействия, надежности и т.д.

Главным отличием таких ЭВМ от ЭВМ I и II поколений является совершенно новая организация вычислительного процесса.

ЭВМ III поколения способны обрабатывать как цифровую, так и алфавитно-цифровую информацию. Возможность оперировать над текстами открывает большие возможности для обмена информацией между человеком и компьютером.

Так же создание различных средств ввода-вывода информации. Ярким примером этому является способ ввода информации по средствам обычной телефонной связи, телетайпа, светового карандаша. А вывод осуществляется не только на перфокарты, как это было раньше, но и непосредственно на экран монитора, каналы телефонной связи, принтеры (для получения твердых копий).

В связи с использованием текста возможность приблизить вводной язык к человеческому, сделать его более доступным широкому круги пользователей. Возможность параллельно решать на ЭВМ несколько задач. ЭВМ III поколения имеет внешнюю память на магнитных дисках. Широкий круг применения.

Типичными представителями машин III поколения является ЕС ЭВМ, IBM-360. Они имеют следующие особенности: использование интегральных схем, агрегатность, байтное представление информации, использование двоичной и десятичной арифметики, представление чисел в форме с плавающей и фиксированной точкой, программная совместимость, надежность, мультисистемность.

Особенности машин ЕС ЭВМ.

ЕС ЭВМ - это целое семейство машин, которые построены на единой элементной базе, единой конструктивной основе, с единой системой программного обеспечения, одинаковым набором периферийного оборудования. Их разработка началась в 1970 году, а промышленный выпуск таких машин начался в 1972г.

Все машины ЕС ЭВМ программно-совместимы между собой и предназначены для решения наиболее сложных и объемных задач. Эти машины можно отнести к типу машин универсальных, мультипрограммных, с возможностью параллельно обрабатывать несколько задач.

Многие модели имеют единую логическую структуру и принцип работы. Однако различные модели отличаются друг от друга быстродействием, конфигурацией, размером памяти и т.д.

Так как система ЕС ЭВМ постоянно развивается, постоянно улучшаются все характеристики, то эти машины можно подразделить на 2 семейства. К первому семейству моделей (Ряд-1) можно отнести такие машины, как ЕС-1010, ЕС-1020, ЕС-1021, ЕС-1030, ЕС-1040, ЕС-1050, ЕС-1060. К этому семейству относятся так же модифицированные образцы (Ряд-1М): ЕС-1012, ЕС-1022, ЕС-1033, ЕС-1052. Более совершенные машины: ЕС-1015, ЕС-1025, ЕС-1035, ЕС-1045, ЕС-1055, можно объединить в ряд-2, а модернизированные (Ряд-2М): ЕС-1036, ЕС-1066 и др. Устройства ЕС ЭВМ также разделяются на центральные и периферийные. Центральные - это устройства, которые определяют основные технические характеристики машины, это центральный процессор, оперативная память, мультиплексный и селекторный каналы. К периферийным относятся внешние устройства (ВУ), устройства подготовки данных (УПД), сервисные устройства.

Для хранения больших объемов информации используются накопители на магнитных лентах и магнитных дисках. Устройства ввода предназначены для восприятия вводимой извне информации, ее преобразования в электрические кодовые сигналы и передачи к мультиплексовому каналу по средствам интерфейса ввода-вывода.

Устройства выводы переводят выводимый из машины сигнал обратно и выводят его на перфокарты (перфоленты), либо на другие внешние устройства.

Дисплей - устройство ввода-вывода алфавитно-цифровой и графической информации на электронно-лучевую трубку. Он очень удобен для оперативного изменения данных непосредственно во время решения задачи.

Выносимые пульты предназначены для обобщения пользователя с ЭВМ, когда их разделяют сотни метров.

Существуют 3 группы устройств подготовки данных ЕС ЭВМ: перфокарточные, перфоленточные и использующие магнитные ленты. На контрольниках в ЭВМ производится контроль за правильностью записи информации на перфокарты.

Существует два режима работы УПД на магнитной ленте: запись данных и печать считываемых данных.

Сервисные устройства нужны для контроля над техническими средствами, их наладки, испытания и ремонта.

Показатели технических средств ЕС ЭВМ постоянно улучшаются: увеличивается быстродействие, объемы памяти и т.д. Это происходит в частности за счет перехода на микросхемы с более высоким уровнем интеграции (БИС). Но это уже относится к машинам IV поколения.

Поколения ЭВМ: от ламповых "монстров" к интегрированным микросхемам

Немногим более 50 лет прошло с тех пор, как появилась первая электронная вычислительная машина. За этот короткий для развития общества период сменилось несколько поколений вычислительных машин, а первые ЭВМ сегодня являются музейной редкостью. Сама история развития вычислительной техники представляет немалый интерес, показывая тесную взаимосвязь математики с физикой (прежде всего с физикой твердого тела, полупроводников, электроникой) и современной технологией, уровнем развития которой во многом определяется прогресс в производстве средств вычислительной техники.

Электронно-вычислительные машины у нас в стране принято делить на поколения. Для компьютерной техники характерна прежде всего быстрота смены поколений - за ее короткую историю развития уже успели смениться четыре поколения и сейчас мы работаем на компьютерах пятого поколения. Что же является определяющим признаком при отнесении ЭВМ к тому или иному поколению? Это прежде всего их элементная база (из каких в основном элементов они построены), и такие важные характеристики, как быстродействие, емкость памяти, способы управления и переработки информации. Конечно же, деление ЭВМ на поколения в определенной мере условно. Существует немало моделей, которые по одним признакам относятся к одному, а по другим - к другому поколению. И все же, несмотря на эту условность поколения ЭВМ можно считать качественными скачками в развитии электронно-вычислительной техники.

Можно выделить 4 поколения ЭВМ

Первое поколение ЭВМ (1948-1958гг.)

Элементной базой машин этого поколения были электронные лампы - диоды и триоды. Машины предназначались для решения сравнительно несложных научно-технических задач. К этому поколению ЭВМ можно отнести: МЭСМ, БЭСМ-1, М-1, М-2, М-3, "Стрела", "Миниск-1", "Урал-1", "Урал-2", М-20, "Сетунь", БЭСМ-2, "Раздан". Они были значительных размеров, потребляли большую мощность, имели не высокую надежность работы и слабое программное обеспечение. Быстродействие их не превышало 2-3 тысяч операций в секунду, емкость оперативной памяти - 2К или 2048 машинных слов (1К-1024) длиной 48 двоичных знаков. В 1958г. появилась машина М-20 с памятью 4К и быстродействием около 20 тысяч операций в секунду. В машинах первого поколения были реализованы основные логические принципы построения электронно-вычислительных машин и концепции Джона фон Неймана, касающиеся работы ЭВм по вводимой в память программе и исходным данным (числам).

Этот период явился началом коммерческого применения электронных вычислительных машин для обработки данных.

В вычислительных машинах этого времени использовались электровакуумные лампы и внешняя память на барабане.

Они были опутаны проводами и имели время доступа 1 х 10 с. Производственные системы и компиляторы пока не появились. В конце этого периода стали выпускаться устройства памяти на магнитных сердечках. В конце этого периода стали выпускаться устройства памяти на магнитных сердечках. Надежность ЭВМ этого поколения была крайне низкой.

Второе поколение ЭВМ (1959- 1967 гг.)

Элементной базой машин этого поколения были полупроводниковые приборы. Машины предназначались для решения различных трудоемких научно-технических задач, а также для управления технологическими процессами в производстве. Появление полупроводниковых элементов в электронных схемах существенно увеличило емкость оперативной памяти, надежность и быстродействие ЭВМ. Уменьшились размеры, масса и потребляемая мощность.

С появлением машин второго поколения значительно расширилась сфера использования электронной вычислительной техники, главным образом за счет развития программного обеспечения. Появились также специализированные машины, например ЭВМ для решения экономических задач, для управления производственными процессами, системами передачи информации и т. д. К ЭВМ второго поколения относятся:

- ЭВМ М-40,-50 для систем противоракетной обороны;

-Урал -11,-14,-16-ЭВМ общего назначения, ориентированные на решение инженерно-технических и планово-экономических задач;

-Минск-2,-12,-14 для решения инженерных, научных и конструкторских задач математического и логического характера;

-Минск-22 предназначена для решения научно-технических и планово-экономических задач;

-БЭСМ-3-4,-6 машин общего назначения, ориентированных на решение сложных задач науки и техники;

-М-20,-220,-222 машина общего назначения, ориентированная на решение сложных математических задач;

-МИР-1 малая электронная цифровая вычислительная машина, предназначенная для решения широкого круга инженерно-конструкторских математических задач,

-"Наири" машина общего назначения, предназначенная для решения широкого круга инженерных, научно-технических,

а также некоторых типов планово-экономических и учетно-статистических задач;

-Рута-110 мини ЭВМ общего назначения;

и ряд других ЭВМ.

ЭВМ БЭСМ-4,М-220,М-222 имели быстродействие порядка 20-30 тысяч операций в секунду и оперативную память - соответственно 8К,16К и 32К. Среди машин второго поколения особо выделяется БЭСМ-6, обладающая быстродействием около миллиона операций в секунду и оперативной памятью от 32К до 128К (в большинстве машин Поколения ЭВМ: от ламповых "монстров" к интегральным микро-схемам используется два сегмента памяти по 32К каждый).

Данный период характеризуется широким применением транзисторов и усовершенствованных схем памяти на сердечках. Большое внимание начали уделять созданию системного программного обеспечения, капилляров и средств ввода-вывода. В конце указанного периода появились универсальные и достаточно эффективные капилляры для Кобола, Фортана и других языков.

Была достигнута уже величина времени доступа 1х10-6 с, хотя большая часть элементов вычислительной машины еще была связана проводами.

Вычислительные машины этого периода успешно применялись в областях, связанных с обработкой множеств данных и решением задач, обычно требующих выполнения рутинных операций на заводах, в учреждениях и банках.

Эти вычислительные машины работали по принципу пакетной обработки данных. По существу, при этом копировались ручные методы обработки данных. Новые возможности, предоставляемые вычислительными машинами, практически не использовались.

Именно в этот период возникла профессия специалиста по информатике, и многие университеты стали предоставлять возможность получения образования в этой области.

Третье поколение ЭВМ (1968-1973гг.)

Элементная база ЭВМ-малые интегральные схемы (МИС). Машины предназначались для широкого использования в различных областях науки и техники (проведение расчетов, управление производством, подвижными объектами и др.)

Благодаря интегральным схемам удалось существенно улучшить технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ.

Например, машины третьего поколения по сравнению с машинами второго поколения имеют больший объем оперативной памяти, увеличилось быстродействие, повысилась надежность, а потребляемая мощность, занимаемая площадь и масса уменьшились.

В СССР в 70е годы получают дальнейшее развитие АСУ. Закладываются основы государственной и межгосударственной, охватывающей страны-члены СЭВ (Совет Экономической Взаимопомощи) системы обработки данных. Разрабатываются универсальные ЭВМ третьего поколения ЕС, совместимые как между собой (машины средней и высокой производительности ЕС ЭВМ), так и с зарубежными ЭВМ третьего поколения (IВМ-360 и др.-США) В разработке машин ЕС ЭВМ принимают участие специалисты СССР, Народной Республики Болгария (НРБ),

Венгерской Народной Республики (ВНР), Польской Народной Республики (ПНР), Чехословацкой советской Социалистической Республики (ЧССР) и Германской Демократической Республики (ГДР). В то же время в СССР создаются многопроцессорные и квазианалоговые ЭВМ, выпускаются мини-ЭВМ "Мир-31", "Мир-32", "Наири-34".

Для управления технологическими процессами создаются ЭВМ серии АСВТ М-6000 и М-7000 (разработчики В.П.Рязанов и др.) Разрабатываются и выпускаются настольные мини-ЭВМ на интегральных микросхемах М-180, "Электроника-79,-100,-125,-200","Электроника ДЗ-28","Электроника НЦ-60" и др.

К машинам третьего поколения относились "Днепр-2", ЭВМ Единой Системы (ЕС-1010, ЕС-1020, ЕС-1030, ЕС-1040, ЕС-1050, ЕС-1060 и несколько их промежуточных модификаций - ЕС-1021 и др.), МИР-2,"Наири-2" и ряд других.

Характерной чертой данного периода явилось резкое снижение цен на аппаратное обеспечение. Этого удалось добиться главным образом за счет использования интегральных схем. Обычные электрические соединения с помощью проводов при этом встраивались в микросхему. Это позволило получить значение времени доступна до 2х10-9с. В этот период на рынке появились удобные для пользователя рабочие станции, которые за счет объединения в сеть значительно упростили возможность получения малого времени доступа, обычно присущего большим машинам.

Дальнейший прогресс в развитии вычислительной техники был связан с разработкой полупроводниковой памяти, жидкокристаллических экранов и электронной памяти. В конце этого периода произошел коммерческий прорыв в области микроэлектронной технологии.

Возросшая производительность вычислительных машин и только появившиеся многомашинные системы дали принципиальную возможность реализации таких новых задач, которые были достаточно сложны и часто приводили к неразрешимым проблемам при их программной реализации. Начали говорить о "кризисе программного обеспечения".

Тогда появились эффективные методы разработки программного обеспечения. Создание новых программных продуктов теперь все чаще основывалось на методах планирования и специальных методах программирования.

Этот период связан с бурным развитием вычислительных машин реального времени. Появилась тенденция, в соответствии с которой в задачах управления наряду с большими вычислительными машинами находится место и для использования малых машин. Так, оказалось, что мини ЭВМ исключительно хорошо справляется с функциями управления сложными промышленными установками, где большая вычислительная машина часто отказывает.

Сложные системы управления разбиваются при этом на подсистемы, в каждой из которых используется своя мини ЭВМ. На большую вычислительную машину реального времени возлагаются задачи планирования (наблюдения) в иерархической системе с целью координации управления подсистемами и обработки центральных данных об объекте.

Программное обеспечение для малых вычислительных машин вначале было совсем элементарным, однако уже к 1968 г. появились первые коммерческие операционные системы реального времени, специально разработанные для них языки программирования высокого уровня и кросс-системы. Все это обеспечило доступность малых машин для широкого круга приложений. Сегодня едва ли можно найти такую отрасль промышленности, в которой бы эти машины в той или иной форме успешно не применялись. Их функции на производстве очень многообразны; так, можно указать простые системы управления процессами. Следует подчеркнуть, что управляющая вычислительная машина теперь все чаще вторгается в область данных, где применяется для решения коммерческих задач.

Мини ЭВМ начали применяться и для решения инженерных задач, связанных с проектированием. Проведены первые эксперименты, показавшие эффективность использования вычислительных машин в качестве средств проектирования.

Четвертое поколение ЭВМ (1974-1982гг.)

Элементная база ЭВМ - большие интегральные схемы (БИС). Машины предназначались для резкого повышения производительности труда в науке, производстве, управлении, здравоохранении, обслуживании и быту. Высокая степень интеграции способствует увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, повышению ее надежности, что ведет к увеличению быстродействия ЭВМ и снижению ее стоимости. Все это оказывает существенное воздействие на логическую структуру (архитектуру) ЭВМ и на ее программное обеспечение.

Более тесной становится связь структуры машины и ее программного обеспечения, особенно операционной системы (или монитора) - набора программ, которые организуют непрерывную работу машины без вмешательства человека.

К этому поколению можно отнести ЭВМ ЕС: ЕС-1015,-1025,-1035,-1045,-1055,-1065("Ряд 2"), -1036,-1046,-1066,СМ-1420, -1600,-1700, все персональные ЭВМ ("Электроника МС0501","Электроника-85","Искра-226", ЕС-1840,-1841,-1842 и др.), а также другие типы и модификации. К ЭВМ четвертого поколения относится также многопроцессорный вычислительный комплекс "Эльбрус". "Эльбрус-1КБ" имел быстродействие до 5,5 млн. операций с плавающей точкой в секунду, а объем оперативной памяти до 64 Мб. У "Эльбрус-2" производительность до 120 млн. операций в секунду, емкость оперативной памяти до 144 Мб или 16 Мслов (слово 72 разряда), максимальная пропускная способность каналов ввода-вывода-120Мб/с.

Урок № 3: Тема: Структурная схема ЭВМ. Архитектура ЭВМ внешняя и внутренняя

Ознакомить учащихся с основными устройствами ПК их назначения и функции.

Архитектура компьютера является его представлением на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей. Архитектура определяет принципы, действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативно-запоминающего устройства (ОЗУ, ОП), внешних ЗУ и периферийных устройств. Структура компьютера - совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементы могут быть самых различных устройств - от основных логических узлов компьютера до простых схем.

Принципы (архитектура) фон Неймана

В основу построения большого компьютерного положения следует общий принцип, сформулированный в 1945г. американским ученым Джоном он Нейманом.

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

Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды, так как команды программы располагаются в памяти друг за другом, тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательного расположения ячеек памяти.

Если после заполнения команды следует перейти не к следующей, а к какой-то другой, используем команды условного и безусловного переходов (ветвление), которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду.

2. Принцип однородной памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в одной ячейке памяти: число, текст или команда.

3. Принцип адресности. Структура - основная память состоит из перенумерованных ячеек.

Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы в заполненных в них значениями можно было в последующем обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.

Логические ряды (агрегаты) ЭВМ, простейший тип архитектуры

Центральное устройство (ЦУ) представляет основную компоненту ЭВМ и, в свою очередь, включает центральный процессор (ЦП) и оперативную память.

Процессор непосредственно реализует операции обработки информации и управления вычислительным процессом, осуществляющим выборку машинных команд и данных из операционной памяти и запись в операционную память, включение и выключение внутренних устройств.

Основными блоками процессора является:

- устройство управления с интерфейсного процессора (система сопряжения и связи процессора с другими узлами машины);

- арифметико-логические устройства;

- процессорная память (внутренняя, КЭШ);

Оперативная память предназначена для временного хранения данных и программ в процессе выполнения вычислительных и логических операций.

Центральное устройство описывает следующие характеристики:

- длина машинного слова (разрядность, адресность);

- система команд, объемы оперативной памяти;

- быстродействие (тактовая частота процессора, цикл записи/считывания оперативной памяти).

Внешние устройства - обеспечивают эффективность взаимодействия компьютера с окружающей средой: пользователями, объектами управления, другими объектами. Внешние устройства подразделяются на следующие группы:

- интерактивные устройства ввода/вывода;

- устройства хранения (массового накопления);

- устройства массового ввода информации;

- устройства массового вывода информации

- внешние универсальные ЭВМ. В качестве внешних устройств выступают терминалы принтера и другие устройства.

- на каналах связи.

Устройство компьютера

Обычно персональные компьютеры IBM PC состоят из трех частей (блоков):

- системного блока;

-клавиатуры, позволяющей вводить символы в компьютер;

- монитора (или дисплея) - для изображения текстовой и графической информации.

Компьютеры выпускаются и в портативном варианте - обычно в "блокнотном" (ноутбук) исполнении.

Здесь системный блок, монитор и клавиатура заключены в один корпус: системный блок спрятан под клавиатурой, а монитор сделан как крышка к клавиатуре.

Системный блок. Он является в компьютере "главным ". В нем располагаются все основные узлы компьютера:

- электронные схемы, управляющие работой компьютера (микропроцессор, оперативная память, контроллеры устройств и т. д.);

- блок питания, который преобразует электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы компьютера;

- накопители (или дисководы) для гибких магнитных дисков, и пользуемые для чтения и записи на гибкие магнитные диски (дискеты);

- накопитель на жестком магнитном диске, предназначенный для чтения и записи на несъемный жесткий магнитный диск (винчестер);

- другие устройства.

Дополнительные устройства. К системному блоку компьютера IBM PC можно подключать различные устройства ввода- вывода информации, расширяя тем самым его функциональные возможности.

Внешние устройства. Многие устройства располагаются вне системного блока компьютера и подсоединяются к нему через специальные гнезда (разъемы), находящиеся обычно на задней стенке системного блока. Такие устройства обычно называются внешними. Кроя монитора и клавиатуры, такими устройствами являются:

- принтер - для вывода на печать текстовой и графической информации;

- мышь - устройство, облегчающее ввод информации в компьютер;

- джойстик- манипулятор в виде укрепленной на шарнире ручки с кнопкой, употребляется в основном для компьютерных игр;

- а также другие устройства.

Внутренние устройства. Некоторые устройства могут вставляться внутрь системного блока компьютера (поэтому они часто называются внутренними), например:

- модем или факс-модем - для обмена информацией с другими компьютерами через телефонную сеть (факс- модем может также получать и принимать факсы);

- дисковод для компакт - дисков, он обеспечивает возможность чтения данных с компьютерных компакт-дисков и проигрывания аудиокомпакт-дисков;

- стример - для хранения данных на магнитной ленте;

- звуковая карта - для воспроизведения и записи звуков (музыки, голоса и т.д.).

Впрочем, модемы, факс-модемы, стримеры, дисководы для компакт-дисков и другие устройства могут выпускаться и во внешнем исполнении. Как правило, устройства во внутреннем исполнении стоят дешевле для них не надо изготавливать корпус и их не надо снабжать своим блоком питания.

Контроллеры и устройства. Для управления работой устройств в IBM PC -совместных компьютерах используются электронные схемы - контроллеры. Различные устройства используют разные способы подключения к контролерам:

- некоторые устройства (дисковод для дискет, клавиатура и т. д.) подключаются к имеющимся в составе компьютера стандартным контролерам;

-некоторые устройства (звуковые карты, многие факс-модемы и т. д.) выполнены как электронные платы, то есть смонтированы на одной плате со своим контроллером;

-остальные устройства используют следующий способ подключения: в системный блок компьютера вставляется электронная плата (контролер), управляющая работой устройства, а само устройство подсоединяется

к этой плате кабелем.

Практическая работа №1

Клавиатура IBM PC. Техника безопасности

Техника безопасности:

Студенты, работающие на компьютерах обязаны:

1. выполнять только ту работу, которая поручена преподавателем;

2. работать только с тем оборудованием, которое необходимо для выполнения задач;

3. работать на расстоянии не менее 50см. от экрана;

4. содержать свое рабочее место в порядке, а руки в чистоте;

5. бережно обращаться с техникой;

6. немедленно прекращать работу, при появлении необычного звука или самопроизвольного отключения аппаратуры.

Студентам, работающим на компьютере запрещается: