Третье поколение

Интегральные схемы стали элементной базой компьютеров третьего поколения. Интегральная схем а - это схема изготовленная на полупроводниковом кристалле и помещенная в корпус. Иногда интегральную схему называют – микросхемой или чипом. Chip в переводе с английского – щепка. Это название он получил из-за своих крошечных размеров. Первые микросхемы появились в 1958 году. Два инженера почти одновременно изобрели их не зная друг о друге. Это Джек Килби и Роберт Нойс. Первая советская ИС была создана с опозданием на три года. Но широкое применение интегральных схем началось лишь в начале 70-х годов. Эти чипы навсегда изменили образ вычислительных машин. В компьютерах третьего поколения, одна интегральная схема могла заменить до тысячи транзисторов и других базовых элементов. А каждый такой элемент мог заменять до нескольких десятков электронных ламп. Это давало огромную миниатюризацию и снижение себестоимости производства ЭВМ.
Все элементы предыдущего поколения производятся на одной подложке и в одном корпусе ИС. Используя одни и те же технологические операции. Рабочая область чипа это поверхность между кристаллом и металлом, который наносятся путем технологии напыления. Это происходит в вакууме когда атомы одного материала бомбардируют атомы другого.
Для массового производства таких микросхем начали создавать отдельные производственные лини. Качество конечного продукта было достигнуто не сразу. По мере накопления опыта, наладили полный технологический процесс. Размер чипа может составлять несколько миллиметров. А размеры элементов измеряются в микронах.
Такое достижение в области миниатюризации дало возможность создавать компьютеры, размер которых был как письменный стол. Не нужны были отдельные помещения и целые залы. Весь вычислительный центр мог вмещаться в одной комнате. И для обеспечения питания таких ЭВМ достаточно два – четыре киловатта. И самое главное, что надежность компьютеров третьего поколения не намного уступает сегодняшней техники.
ЭВМ третьего поколения можно было встретить на борту самолета, корабля, подводной лодке, спутнике. Ощутимые плоды микроминиатюризации. Эти машины называли Мини-ЭВМ. И не смотря на то, что алфавитно-цифровые дисплеи появились еще во втором поколении машин. На третьем они окончательно закрепились. И стали неотъемлемой частью компьютера.
Многие операции машины начали выполнять сразу с группой бит. Которую они рассматривали как единое целое. Размер этой группы на многих компьютерах был восемь бит. Которые хранили. Обрабатывали и передавали одновременно. В информационном мире закрепляется слово байт. Один байт - восемь бит. Использование байта весьма удобно. И значительно упрощает работу с данными на машине. Один байт означает - один символ. Один байт это закодированное десятичное число от 0 до 255. Затем совокупность 2 или 4 байт называется как машинное слово. ЭВМ третьего поколения стали иметь специальные команды состоящие из таких пар байт. Но логически обозначающие одну операцию.
Память ЭВМ этого поколения значительно возросла. В качестве внешней памяти стали применять магнитные диски. Накопитель магнитных дисков представлял несколько дисков вращающихся на одном шпинделе. Диски были расположены на небольшом расстоянии друг от друга. Между ними находился блок головок. Которые позиционировались одновременно. Что позволяло производить чтение-запись одновременно сразу на несколько дисков. Емкость таких накопителей измерялась миллионами байт. Это был существенный шаг по сравнению с перфокартами и магнитными лентами. Надежность таких накопителей не уступает внешней памяти на магнитных барабанах. Теперь ЭВМ третьего поколения выпускают только сериями. Нет единичных экземпляров, как было у первого поколения иногда и у второго. Теперь это только серийное производство.
Одно из наиболее важных отличай второго и третьего поколения это появление открытой архитектуры ЭВМ. Яркий пример компьютер System/360 производство IBM. Открытая архитектура позволяет легко ремонтировать заменять комплектующие. И самое главное, одни комплектующие могут подходить к разным моделям ЭВМ и даже к разным производителям ЭВМ. Производство этой серии машин начался 1964 г. И был крупнейшем успехом корпорации IBM. Она стала стандартом компьютеров во всем мире.
В советской России, через восемь лет, появилось подражание System/360. Это была ЭВМ ЕС (Единая Серия). ЭВМ ЕС-1010, ЕС-1020, ЕС-1030, ЕС-1040, ЕС-1060. В разработке этой серии учувствуют Болгария, Венгрия, Чехия. Начинается выпуск советских ЭВМ: Мир-31, Мир-32, АСВТ М-6000, АСВТ М-7000. Выпускаться так же более компактные ЭВМ: Электроника-79, Электроника-100, Электроника-125, Электроника-200.
ЭВМ ЕС-1010. Имеет быстродействие в 10 тысяч операций в секунду. ЕС-1020 быстродействие 20 тысяч операций в секунду, ОЗУ в 64 Кб, внешняя память на магнитных лентах и дисках.

Рисунок 31 - ЭВМ ЕС-1010АСВТ М-6000

Более мощным становиться программное обеспечение ЭВМ. Появляются первые текстовые редакторы. Но широкое распространение они так и не получают. Слишком дорого использовать Мини-ЭВМ вместо печатной машинки. Появляются системы управления базами данных. Они начинают повсеместно использоваться коммерческими организациями. Некоторые приобретают компьютеры только ради создания и управления своими базами данных. Компьютеры третьего поколения перестали быть роскошью для предприятий.
Первое и второе поколение машин использовали только военные, государственные ведомства и институты. Теперь они становятся доступными даже для не больших компаний. Средняя цена машины третьего поколения составляет 20-30 тыс. долларов. Что вполне под силу многим организациям. Появляются автоматизированные системы проектирования.
Возникает огромная потребность в прикладном программном обеспечении. Как следствие каждое предприятие нанимает свой штат программистов, которые решают текущие задачи. Рынка программного обеспечения как такового еще нет. Поэтому купить нужную программу или библиотеку невозможно. Многие ЭВМ третьего поколения, как и предыдущих поколений, не совместимы между собой аппаратно и программно. IBM, своей машиной System/360, только начинает исправлять эту ошибку.

1.4 Четвёртое поколение

Новым этапом для развития ЭВМ послужили большие интегральные схемы (БИС). Элементная база компьютеров четвертого поколения это БИС. Стремительное развитие электроники, позволило разместить на одном кристалле тысячи полупроводников. Такая миниатюризация привела к появлению недорогих компьютеров. Небольшие ЭВМ могли разместиться на одном письменном столе. Именно в эти годы зародился термин «Персональный компьютер». Исчезают огромные дорогостоящие монстры. За одним таким компьютером, через терминалы, работало сразу несколько десятков пользователей. Теперь. Один человек – один компьютер. Машина стала, действительно персональной.

Характеристики ЭВМ четвертого поколения:

1) Мультипроцессорность;

2) Языки высокого уровня;

3) Компьютерные сети;

4) Параллельная и последовательная обработка данных.

Первым мини-компьютером считают PDP-8 корпорации DEC. Эта машина создавалась для управления ядерным реактором. Но она стала популярна на частных производственных предприятий и в высших учебных заведениях. Ее массовый выпуск начался 1965 году и к началу 70-х количество этих ЭВМ превысило 100 000 штук. Важный переход от мини-компьютеров к микро-компьютерам, это создание микропроцессора. Благодаря БИС стало возможным разместить все основные элементы центрального процессора на одном кристалле. Первым микропроцессором стал Intel-4004 созданный 1971 г. Он содержал в себе более двух тысяч полупроводников, которые разместились на одной подложке. В одной интегральной схеме разместились арифметическое - логическое устройство и управляющее устройство.

Одним из первых персональных компьютеров четвертого поколения считается Altair-8800. Созданный на базе микропроцессора Intel-8080. Его появление стимулировало рост периферийных устройств, компиляторов высокого уровня.

Интегральные схемы можно классифицировать по количеству элементов размещенных на одном кристалле:

1) ПИС – (Простые интегральные схемы) до 10 элементов;

2) МИС – (Малые интегральные схемы) до 100 элементов;

3) СИС – (Средние интегральные схемы) до 1 000 элементов;

4) БИС – (Большие интегральные схемы) до 10 000 элементов;

5) СБИС – (Сверхбольшие интегральные схемы) до 1 000 000 элементов;

6) УБИС – (Ультрабольшие интегральные схемы) до 1 000 000 000 элементов;

7) ГБИС – (Гигабольшие интегральные схемы) свыше 1 000 000 000 элементов.

Большая интегральная схема – усовершенствованный потомок простой интегральной схемы. Которая являлась одним из основных элементов предыдущего поколения. Большой, ее называют, не потому что интегральная схема большая, а потому что в ней высокая степень интеграции.

Процесс изготовления БИС выглядит следующим образом. Над кристаллом наносится светочувствительный слой фоторезист. Который в дальнейшем засвечивается над шаблоном. После этого негатив проявляют. Удаляют те области которые засвечены. В образовавшиеся пробелы фоторезиста вводят примеси. После отжига кристалла проводят аналогичные операции используя при этом разные фотошаблоны. Каждый шаблон отвечает за образование определенной группы элементов интегральной схемы. В заключительной стадии изготовления БИС применяются фотошаблоны, которые формируют алюминиевые дорожки для соединения цепей сложной конфигурации. БИС стали одними из первых продуктов электроники которые выпускаются только серийно.

В дальнейшем стали выпускаться программно-управляемые БИС. Функции такой схемы меняются в зависимости от программы, которая тоже напыляется на отдельном кристалле. Данная БИС состоит из операционной части и программы. Ввод программы в БИС, настраивает ее на определенный класс задач. Одна и та же интегральная схема может работать и как арифметическое устройство и как управляющее устройство.

Применение БИС дало резкое улучшение основных показателей скорости работы и надежности. Такая высокая степень интеграции, привела к уменьшению числа монтажных операций, уменьшила количество внешних соединений, которые изначально не надежные. Это очень способствовало уменьшению размеров, стоимости и повышению надежности.

Однако появление БИС привело и к появлению проблем. Одна из главных это проблема теплоотвода. Чем выше степень интеграции схемы тем выше тепловыделение. Требуется постоянное охлаждение, без которого интегральная схема перегреться и сгорит. Существует также проблемы: межсоединений элементов, контроля параметров. Большие интегральные схемы уже начали применять в третьем поколении. Пример System/360.

Проводя исследования удалось создать модели интегральных схем. Которые работают со скоростью в несколько миллиардов операций в секунду. При создании опытных образцов выяснилось, что невозможно пустить их в серийное производство. Оказывается при современном развитии техники достижение таких скоростей невозможно вообще. И проблема не в инженерных решениях. А в необходимости достижения абсолютно чистых химических материалах, однородности кристалла, стабильных температурных режимах. Взаимодействие электрических полей внутри кристалла.

Кроме изменения технической базы четвертого поколения ЭВМ, изменилось и направление создания этих машин. Они проектировались с расчетом на применение языков программирования высокого уровня, многие на аппаратном уровне были спроектированы под определенные операционные системы.

Один из самых популярных компьютеров четвертого поколения это IBM System/370. Который в отличи от своего предшественника третьего поколения System/360, имел более мощную систему микрокоманд и большие возможности низкоуровневого программирования. В машинах серии System/370 программно была реализована виртуальная память. Когда часть дискового пространства отводилась для использования хранения временных данных. Тем самым эмулировалась оперативная память. У конечного пользователя создавалась впечатление, что ресурсов у машины больше чем есть на самом деле.

Технические характеристики ЭВМ четвертого поколения:

1) Применение модульности для создания программного обеспечения;

2) Средняя задержка сигнала 0.7 нс/вентиль;

3) Впервые модули операционной системы начали реализовывать на аппаратном уровне;

4) Базовым элементом оперативной памяти стал полупроводник. Чтение запись 100-150 нс.

К четвертому поколению советских ЭВМ можно отнести: ЕС-1015, ЕС-1025, ЕС-1035, ЕС-1045, ЕС-1055, ЕС-1065. Персональные компьютеры, которые стали популярны в быту: Электроника-85, Искра-226, ЕС-1840, ЕС-1841, ЕС-1842. К этому поколению относиться и многопроцессорный компьютер «Эльбрус». Применяемый на производстве и машиносчетных станциях. Позже его сменил «Эльбрус-2». Вычислительная мощность этой машины, для четвертого поколения, была очень велика. Он имел порядка 64 мегабайт оперативной памяти, мог выполнять до 5 миллионов операций, с плавающей точкой, в секунду. Пропускная способность шины до 120 Мб/с.

ЭВМ четвертого поколения являются машинами массового применения. Они способны заменить ЭВМ предыдущего поколения во всех сферах человеческой деятельности. В управлении технологическими процессами предприятий, торговле, инженерных расчетах, справочных центров, регулировании транспортного движения, билинговых системах.

Рисунок 32 - Микропроцессор Intel 8080

Рисунок 33 - Схема микропроцессора Intel 8080

Рисунок 34 - Микропроцессор Intel-4004

Рисунок 35 - Схема микропроцессора Intel-4004

3.Вопросы:

1. Объём оперативной памяти.

2. Элементная база второго поколения.

3. Элементная база третьего поколения.

4. Характеристика ЭВМ четвёртого поколения.

5. Классификация интегральных схем.

6. Технические характеристики ЭВМ четвёртого поколения.

Тема 7: