История развития средств вычислительной техники ( Механический и электромеханический этапы развития вычислительной техники)

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ

XX и XXI век характеризуется необходимостью обрабатывать огромное количество информации. Для сбора, хранения, использования и распространения большого объема информации необходимо специальное устройство. Таким устройством является компьютер. В настоящее время компьютеры представлены практически во всех областях жизни человека. Для того чтобы полно оценить влияние компьютеров на жизнь человека и его будущее, необходимо понять, как проходила их эволюция.

Широкое использование современных вычислительных средств во всех сферах и видах деятельности общества, личности и государства характеризуется резким изменением их потребительских свойств, наиболее востребованным среди которых является высокая вычислительная способность. На сегодня эта характеристика является еще недостаточной для решения перспективных задач, решаемых современным развивающимся информационным обществом.

Тенденция развития современной науки и практики такова, что увеличение производительности вычислительной системы на порядок относительно предыдущей, влечет незамедлительное появление задач и разработку соответствующих моделей социотехнических систем и процессов в ряде предметных областей, которые являются в десять раз более сложными, требуют большей точности решения и обеспечивают эффект более мелкого масштаба.

Целью работы является изучение истории развития средств вычислительной техники.

Для решения поставленной цели были поставлены следующие задачи:

- изучить механический и электромеханический этапы развития вычислительной техники;

- рассмотреть поколения ЭВМ;

- изучить отечественные ЭВМ различных поколений.

Объектом работы является история развития средств вычислительной техники.

Предметом работы являются особенности развития вычислительной техники.

При подготовке работы были использованы такие информационные источники как специализированная профессиональная литература, материалы из СМИ, данные Интернет-ресурсов. Применены такие методы и приемы исследования как анализ, синтез, сравнение.

1. Механический и электромеханический этапы развития вычислительной техники

Современным компьютерам предшествовали механические и электромеханические устройства. В 1642 году французский математик и философ Блез Паскаль в возрасте 18 лет сконструировал суммирующую машину. Машина Паскаля состояла из восьми движущихся дисков с прорезями и могла суммировать числа до восьми знаков. Для своей машины Паскаль использовал десятичную систему исчисления. Например, если первый диск смещался на десять прорезей, что составляло его полный оборот, он перемещал следующий диск на одну позицию и, таким образом, увеличивал количество десятков на один. Когда диск, представляющий десятки, делал полный оборот, он смещал следующий диск, увеличивая количество сотен, и т. д. [7, с. 35]

Известны и более ранние попытки создания механических суммирующих машин. Описание суммирующей машины, напоминающей по характеристикам машину Паскаля, в 1967 году было обнаружено в записках, принадлежащих Леонардо да Винчи. Подобное устройство также было описано в 1623 году Вильгельмом Шикардом. До наших дней дошли только чертежи Шикарда, обнаруженные в 1956 году. В 1694 году немецкий математик и философ Готфрид Вильгельм Лейбниц, используя чертежи и рисунки Паскаля, улучшил машину Паскаля, добавив возможность перемножать числа. Вместо обычных шестеренок Лейбниц использовал пошаговый барабан [8, с. 73].

Однако широкое распространение вычислительные аппараты получили только в 1820 году, когда француз Чарльз Калмар изобрел машину, которая могла производить четыре основных арифметических действия. Машину Калмара назвали арифмометр [9, с. 117]. Благодаря своей универсальности, арифмометры использовались довольно длительное время. Многие ученые и изобретатели совершенствовали эти устройства. Так, швед, живший в России, Вильгодт Однер в 1880 году создал арифмометр, в котором использовалось переменное число зубцов.

Позднее на основе арифмометра Однера был создан арифмометр "Феликс", выпускавшийся в СССР вплоть до 70-х годов [7, с. 37].

Начало эры компьютеров в том виде, в котором они существуют сейчас, связано с именем английского математика Чарльза Бэббиджа, который в 30-х годах XIX века предложил идею вычислительной машины, осуществленную лишь в середине XX века. Бэббидж обратил внимание на то, что машина может без ошибок выполнять вычисление больших математических таблиц посредством простого повторения шагов. Работая над этой проблемой, в 1822 году Бэббидж предложил проект машины для решения дифференциальных уравнений. Для повторения операций в машине Бэббиджа должна была использоваться энергия пара. Таким образом, процесс вычислений действительно был автоматизирован, то есть проходил без участия человека. В дальнейшем Бэббидж решил создать модель универсальной вычислительной машины, способной выполнять широкий круг задач. Он назвал ее аналитической машиной [8, с. 75].

У аналитической машины Бэббиджа были все основные черты современного компьютера. Состоящая более чем из 50000 компонентов аналитическая машина включала устройство ввода информации, блок управления, запоминающее устройство и устройство вывода результатов. Аналитическая машина могла выполнять определенный набор инструкций, которые записывались на перфокартах. Перфокарты представляли собой прямоугольные карточки из картона. Каждой инструкции аналитической машины соответствовала определенная последовательность дырочек, которые пробивались на перфокартах, а затем с помощью устройства ввода поступали в блок управления [9, с. 119]. Хотя аналитическая машина в том виде, в котором ее задумывал Бэббидж, так и не была создана, идеи, заложенные Бэббиджем, оказали огромное влияние на развитие вычислительной техники. Автоматизация вычислений, универсальность вычислительной машины, набор внутренних инструкций, общая конструктивная схема, организация ввода и вывода информации - все эти элементы впоследствии были использованы при создании компьютера.

В 1889 году американский изобретатель Герман Холлерит сконструировал перфокарточное устройство для решения статистических задач. В отличие от идеи Бэббиджа, хранить на перфокартах инструкции, Холлерит использовал перфокарты для хранения данных. Кроме того, для работы перфокарточного устройства использовалось электричество. Цифры на перфокарте изображались одинарными отверстиями, а буквы алфавита – двойными [9, с. 121].

Специальный электрический прибор опознавал отверстия на перфокартах и посылал сигналы в обрабатывающее устройство. Вычислительная машина Холлерита оказалась по тем временам очень быстрым устройством обработки данных, а перфокарты - удобным способом хранения данных. Машина Холлерита была использована для обработки результатов переписи населения США. Обработка результатов предыдущей переписи 1880 года заняла около 10 лет. За это время успело вырасти новое поколение американцев. С помощью машины Холлерита те же данные были обработаны всего за шесть недель. В 1896 году Холлерит основал компанию по производству перфорирующих устройств – Tabulating Machine Company, которая в 1924 году после серии слияний и поглощений превратилась в знаменитую компанию по производству компьютеров - IBM (International Business Machines) [8, с. 77].

Кроме механических и электромеханических вычислительных машин появились также аналоговые вычислительные машины, в которых обработка информации происходила с помощью специально подобранного физического процесса, моделирующего вычисляемую закономерность. Простейшей аналоговой вычислительной машиной являются часы [7, с. 39].

Первыми аналоговыми машинами были устройства, в которых главными элементами были интегрирующие и дифференцирующие устройства, позволяющие мгновенно вычислять интеграл и производную заданной функции, отслеживая ее изменение во времени.

Полезным свойством аналоговой вычислительной машины является практически мгновенное получение решения после задания необходимых параметров задачи установления моделирующего физического процесса. Однако круг задач, которые может решать аналоговая машина, ограничен теми физическими процессами, которые она в состоянии моделировать.

Кроме того, точность решения аналоговой машины часто недостаточна для определенного круга задач, а повышение точности связано со значительным ростом стоимости вычислений [7, с. 41].

С другой стороны, механические и электромеханические вычислительные машины, предназначенные для решения сложных задач, требуют наличия огромного количества элементов для представления чисел и связей между ними, что существенно усложняет их работу.

Решая эту проблему, американцы Джон Атанасов и Клиффорд Берри в 1940 году разработали модель полностью электронного компьютера, использующего единую истому представления чисел и связей между ними - булеву алгебру. Их подход базировался на работах английского математика XIX века Джорджа Буля, посвященных аппарату символической логики. В основе булевой алгебры лежит интерпретация элементов булевой алгебры как высказываний, принимающих значение "истина" или "ложь". Атанасов и Берри применили эту концепцию для электронных устройств. Истине соответствовало прохождение электрического тока, а лжи - его отсутствие. Для представления чисел Атанасов и Берри предложили использовать двоичную систему исчисления.

В 1936 году английский математик Алан Тьюринг опубликовал работу "О вычислимых числах", заложив теоретические основы теории алгоритмов. Концепция Тьюринга возникла в результате проведенного им анализа действий человека, выполняющего в соответствии с заранее разработанным планом те или иные вычисления, то есть последовательные преобразования знаковых комплексов. Анализ этот, в свою очередь, был осуществлен им с целью решения проблемы поиска точного математического эквивалента для общего интуитивного представления об алгоритме. Работа Тьюринга стимулировала возникновение абстрактной теории автоматов и во многом определила ее особенности [7, с. 42].

В своей работе Тьюринг описал абстрактную вычислительную машину, которая получила название машины Тьюринга. Машина Тьюринга представляет собой автоматическое устройство, способное находиться в конечном числе внутренних состояний и снабженное бесконечной внешней памятью - лентой. Среди состояний выделяются два - начальное и конечное. Лента разделена на клетки. В каждую клетку может быть записана любая из букв некоторого алфавита. В пустую клетку записана "пустая буква". В каждый момент времени машина Тьюринга находится в одном из своих состояний и, рассматривая одну из клеток ленты, воспринимает записанный в ней символ.

В неконечном состоянии машина Тьюринга совершает шаг, который определяется ее текущим состоянием и символом на ленте, воспринимаемым в данный момент. Шаг машины

Тьюринга заключается в следующем:

1. В рассматриваемой клетке записывается символ, совпадающий со старым, или пустой.

2. Машина переходит в новое состояние, совпадающее со старым, или конечное.

3. Лента сдвигается на одну клетку или остается на месте.

Перечисление всех возможных шагов машины Тьюринга, в зависимости от текущей комбинации неконечного состояния и воспринимаемого символа называется программой данной машины Тьюринга. Конфигурация машины Тьюринга определяется конкретным заполнением клеток ленты символами и внутренним состоянием, в котором машина находится. Если зафиксировать какую-либо неоконечную конфигурацию машины в качестве исходной, то работа машины будет заключаться в последовательном преобразовании исходной конфигурации в соответствии с программой машины до тех пор, пока не будет достигнуто конечное состояние [7, с. 44].

Тьюринг не преследовал цели изобрести компьютер. Тем не менее, описанная им абстрактная машина определила некоторые характеристики современных компьютеров. Так, например, бесконечная лента является аналогом оперативной памяти современного компьютера. Впервые подобная модель памяти была использована в компьютере Атанасова и Берри.

2. Поколения ЭВМ

2.1. Первое поколение ЭВМ

2.1.1. Особенности ЭВМ первого поколения

Основным активным элементом ЭВМ первого поколения являлась электронная лампа. Остальные компоненты электронной аппаратуры – это обычные резисторы, конденсаторы, трансформаторы [7, с. 48].

ЭВМ первого поколения выполняла последовательный алгоритм, обладала фиксированной логической структурой, конструктивной неоднородностью элементов и связей между ними.

Трехэлектродная электронная лампа была изобретена в 1906 г. Л. Фостером, а в 1918 г. русским ученым М. А. Бонч-Бруевичем был создан триггер – электронное устройство, имеющее два состояния и переключающееся из одного из них в другое под действием электрических сигналов. Это позволило заменить механические реле электронными переключателями. Не имея движущихся частей, такие ключи имели время переключения примерно в тысячу раз меньшее, чем у обычных реле.

Для построения оперативной памяти ЭВМ применялись ферритовые сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса.

В качестве устройств ввода-вывода сначала использовалась стандартная телеграфная аппаратура (телетайпы, ленточные перфораторы, трансмиттеры, аппаратура счетно-перфорационных машин).

Впоследствии специально для ЭВМ были разработаны электромеханические запоминающие устройства на магнитных лентах, барабанах, дисках и быстродействующие печатающие устройства.

Машины первого поколения были очень внушительных размеров, потребляли большие мощности, имели сравнительно малое быстродействие, малую емкость оперативной памяти, невысокую надежность работы и недостаточно развитое программное обеспечение.

В ЭВМ этого поколения были заложены основы логического построения машин и продемонстрированы возможности цифровой вычислительной техники.

На роль первой в истории электронной вычислительной машины претендуют три конструкции.

Первой электронной вычислительной машиной чаще всего называют специализированный калькулятор ABC (Atanasoff-Berry Computer – вычислитель Атанасова-Берри). Он был разработан в период с 1939 по 1942 г. профессором Джоном Атанасовым совместно с аспирантом Клиффордом Берри и предназначался для решения системы линейных уравнений (до 29 уравнений с 29 переменными). ABC обладал памятью на 50 слов длиной 50 бит, а запоминающими элементами служили конденсаторы с цепями регенерации. В качестве вторичной памяти использовались перфокарты, где отверстия не перфорировались, а прожигались. После того, как судебным решением были аннулированы патенты создателей другого электронного калькулятора – ENIАС (Electronic Numerical Integrator And Computer – электронный цифровой интегратор и вычислитель), ABC стал считаться первой ЭВМ [7, с. 52].

Вторым претендентом считается вычислитель Colossus, построенный в 1943 г. в Англии. Изобретателем машины был профессор Макс Ньюмен, а изготовил его Томми Флауэрс. Colossus был создан для расшифровки кодов немецкой шифровальной машины «Лоренц Шлюссель-цузат-40». Машина была выполнена в виде восьми стоек высотой 2,3 м, а общая ее длина составляла 5,5 м. В логических схемах машины и в системе оптического считывания информации использовалось 2 400 электронных ламп, главным образом, тиратронов. Информация с пяти вращающихся длинных бумажных колец считывалась со скоростью 5 000 символов/с.

Более известен электронный цифровой компьютер широкого назначения ENIAC, который был спроектирован в Пенсильванском университете под руководством Джона Мочли (John Mauchly) и Джона Преспера Эккерта (John Presper Eckert). Проект создавался в конце второй мировой войны с учетом потребностей вооруженных сил США. Армейская лаборатория исследования баллистики (BRL – Ballistics Research Laboratory), которая занималась подготовкой баллистических таблиц, используемых для точной наводки крупнокалиберных орудий, при выполнении необходимых расчетов в условиях дефицита времени испытывала огромные затруднения. Для этих расчетов привлекалось свыше 200 вычислителей (сотрудников) с настольными механическими калькуляторами, на которых уравнения баллистики решались с использованием численных методов. На подготовку таблицы для одного типа орудия затрачивалось от нескольких часов до нескольких дней.

По скорости вычислений созданная машина превосходила любые электромеханические калькуляторы и могла выполнять около 5 000 сложений в секунду.

ENIAC была, по сути, не двоичной, а десятичной вычислительной машиной. Основной ее недостаток заключался в том, что программирование вычислений выполнялось в ней вручную, путем перекоммутации электрических кабелей и с помощью электрических переключателей.

Проект разработки цифрового компьютера широкого назначения был завершен в 1946 г. В дальнейшем машина применялась в Манхэттенском проекте при выполнении расчетов, связанных с созданием водородной бомбы. ENIAC эксплуатировалась в BRL вплоть до 1955 г., после чего была разобрана вследствие устаревания.

Одним из важных результатов проекта создания ENIAC является то, что компьютер, спроектированный для одной области, нашел свое применение в другой, и это показало огромное преимущество идеи универсальной вычислительной машины, способной решать широкий круг задач.

Необходимо отметить, что ни ABC, ни ENIAC не являются вы- числительными машинами в современном понимании этого термина, и правильнее классифицировать их как калькуляторы [16, с. 75].

Ввести новую программу в ENIAC или изменить что-либо в имеющейся программе было довольно трудно. Значительно проще было бы программировать цифровую машину в том случае, если бы можно было представить программу в таком же виде, как и данные, и хранить ее примерно таким же способом. Тогда ввод новой программы свелся бы к вводу массива команд в память (или изменению имеющегося там массива), а компьютер в процессе вычислений извлекал бы их оттуда.

К окончанию разработки ENIAC относится возникновение идеи, воплощение которой находит свое отражение в современных архитектурах компьютеров.

Эта идея известна под именем концепции хранимой в памяти компьютера программы, которую обычно связывают с группой создателей ENIAC, в частности, с именем математика Джона фон Неймана (John von Neumann), который был консультантом проекта. Еще до завершения ENIAC Эккерт, Мочли и фон Нейман приступили к новому проекту – EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Calculator – электронный автоматический калькулятор дискретных величин). В 1945 г. фон Нейман под своим именем опубликовал работу «Предварительный доклад о машине EDVAC», посвященную обсуждению логической структуры нового компьютера EDVAC, в которой были приведены основные положения концепции хранимой в памяти компьютера программы.

Прототипом всех последующих компьютеров общего назначения с хранимой программой стал компьютер, известный под именем IAS (Institut for Advanced Studies – Институт современных исследований в Принстоне [США]), структура которого показана на рис. 1 [15, с. 47].

В состав компьютера входят:

– оперативная память – в ней хранятся данные и команды программы;

– арифметическое и логическое устройство (АЛУ) – обрабатывает данные, представленные в двоичной системе счисления;

– устройство управления выполнением программы (УУ) – анализирует команды программы, извлекаемые из памяти, и организует их выполнение;

– оборудование ввода-вывода – работает в соответствии с сигналами, поступающими от УУ.

Рисунок 1 = Структура компьютера IAS

За малым исключением такую структуру и распределение функций имеют все современные ЭВМ. Общепринято называть ее структурой машины фон Неймана.

2.1.2. Отечественные ЭВМ первого поколения

К отечественным ЭВМ первого поколения относятся БЭСМ-1, БЭСМ-2, «Стрела», семейство ЭВМ «Урал», «Минск-1» и др. [2, с. 45].

Хронология развития первых ЭВМ в СССР:

– организация первой вычислительной лаборатории, прообраза будущих вычислительных центров (И. Я. Акушский, 1941);

– разработка первого проекта цифровой электронной вычислительной машины (И. С. Брук, Б. И. Рамеев, август 1948 г.);

– обоснование принципов построения ЭВМ с хранимой в памяти программой независимо от Джона фон Неймана (С. А. Лебедев, октябрь-декабрь 1948 г.);

– регистрация первого свидетельства об изобретении цифровой ЭВМ (И. С. Брук, Б. И. Рамеев, декабрь 1948 г.);

– первый пробный пуск макета малой электронной счетной машины МЭСМ (С. А. Лебедев, ноябрь 1950 г.);

– приемка Государственной комиссией МЭСМ – первой в СССР и континентальной Европе ЭВМ, запущенной в регулярную эксплуатацию (С. А. Лебедев, декабрь 1951 г.);

– завершение отладки и запуск в эксплуатацию первой в Российской Федерации ЭВМ М-1 (И. С. Брук, Н. Я. Матюхин, январь 1952 г.);

– выпуск первых промышленных образцов ЭВМ (Ю. Я. Базилевский, Б. И. Рамеев, 1953 г., ЭВМ «Стрела»).

В СССР первая малая электронная счетная машина (МЭСМ) была создана в 1951 г. (принята в эксплуатацию с 25 декабря 1951 г.) под руководством С. А. Лебедева. На тот период МЭСМ также стала первой ЭВМ и в континентальной Европе.

МЭСМ была задумана Лебедевым как модель Большой электронной счетной машины (БЭСМ). Вначале она так и называлась – Модель электронной счетной машины. В процессе создания стала очевидной целесообразность преобразования ее в малую ЭВМ. Для этого были добавлены устройства ввода и вывода информации, память на магнитном барабане, увеличена разрядность, после чего слово «модель» было заменено словом «малая» [7, с. 54].

При разработке ЭВМ, как отмечал академик С. А. Лебедев в своем докладе на заседании закрытого ученого совета Института электротехники и теплоэнергетики АН УССР 8 января 1951 г., имелись «данные по 18 машинам, разработанным американцами. Эти данные носили характер рекламы, без каких-либо сведений о том, как машины устроены… При этом показатели американских машин были следующие: время умножения на ЭНИАК – 5,5 мс, на ЭДВАК – 4 мс, на запущенной в эксплуатацию МЭСМ – 8–9 мс».

Малая счетная машина имела универсальное арифметическое устройство, которое выполняло 50 арифметических или логических операций в секунду, и потребляла мощность 25 кВт. Блок-схема ее основных устройств показана на рис. 2 [11, с. 93], где:

– А0 – код адреса операции в БЗК;

– А1 – код первого адреса в БЗК;

– А2 – код второго адреса в БЗК;

– А3 – код третьего адреса в БЗК;

– АУ – арифметическое устройство;

– БЗАУ – блок запоминания арифметического устройства;

– БЗК – блок запоминания команд;

– БЗМЗ – блок запоминания магнитной записи;

– БЗШЗК – блок запоминания штекерного запоминающего устройства для команд;

– БЗШЗЧ – блок запоминания штекерного запоминающего устройства для чисел;

– ВЧ – блок вывода кодов чисел;

– ДИ – датчик главных импульсов и импульсов смещения;

– КК – коммутатор команд;

– КМЗ – коммутатор магнитной записи;

– КОп – коммутатор операций;

– МБ – магнитное запоминающее устройство на барабане;

– МДИ – магнитный датчик ДИ;

– См – сумматор арифметического устройства;

– УЗпЧт – блок управления записью и чтением с магнитного барабана;

– УК – блок управления командами;

– УКК – блок управления коммутатором команд;

– УККОп – блок оперативного управления коммутатором команд;

– УКМЗ – блок управления коммутатором магнитной записи;

– УКОп – блок управления коммутатором операций;

– УМК – блок местного управления командами;

– УОп – блок управления операциями;

– УСп – устройство совпадения;

– УЦК – блок управления центральным коммутатором;

– УШЗ – блок управления штекерными запоминающими устройствами;

– ЦК – центральный коммутатор;

– ЦУ – блок центрального управления;

– ШЗК – штекерное запоминающее устройство для кодов команд;

– ШЗЧ – штекерное запоминающее устройство для кодов чисел;

– ЭЗК – электронное запоминающее устройство для кодов команд;

– ЭЗЧ – электронное запоминающее устройство для кодов чисел.

Рисунок 2 = Блок-схема основных устройств МЭСМ

В 1952 г. в опытную эксплуатацию была запущена вычислительная машина М-1 (И. С. Брук, Н. Я. Матюхин, А. Б. Залкинд). Она содержала 730 электронных ламп, имела оперативную память емкостью 256 25-разрядных слов, рулонный телетайп. Производительность машины составляла 15 – 20 оп./с. Впервые была применена двухадресная система команд. Первые задачи по обращению матриц большой размерности и другие задачи по вычислительной математике на М-1 решались академиком С. Л. Соболевым для исследований в области ядерной физики [7, с. 57].

Следующая за М-1 машина М-2, созданная группой выпускников МЭИ под руководством И. С. Брука, обладала емкостью оперативной памяти 512 34-разрядных слов и быстродействием 2 000 оп./с. На М-2 проводились расчеты для Института атомной энергии, Института теоретической и экспериментальной физики АН СССР, Института проблем механики АН СССР (расчеты прочности плотин Куйбышевской и Волжской гидроэлектростанций), Теплотехнической лаборатории АН СССР, Военно-воздушной академии, Артиллерийской академии, института «Стальпроект», предприятия академика А. И. Берга и многих других научных и промышленных организаций.

В апреле 1953 г. в эксплуатацию была запущена самая быстро- действующая в Европе ЭВМ БЭСМ (С. А. Лебедев) с быстродействием 8 – 10 тыс. оп./с. Областью еѐ применения были научные и производственные задачи.

В 1953 г. была выпущена ламповая ВМ «Стрела» (Ю. А. Базилевский, Б. И. Рамееев) с быстродействием 2 000 оп./с. Область применения: научные расчеты в ВЦ АН СССР, ИПМ АН СССР МГУ им. М. В. Ломоносова и в вычислительных центрах некоторых министерств [7, с. 58].

Сводные данные по перечисленным отечественным ЭВМ первого поколения представлены в табл. 1.

Таблица 1

Сводные данные по отечественным ЭВМ первого поколения

Характеристика ЭВМ	МЭСМ	М-1	М-2	«Стрела»	БЭСМ
Год начала эксплуатации	1951	1952	1953	1953	1953
Быстродействие, оп./с	50	15 – 20	2 000	2 000	8 000 – 10 000

В 1953 г. серьезные вычислительные задачи для нужд обороны страны, науки и народного хозяйства можно было решать на трех экземплярах вычислительных машин – БЭСМ, «Стрела» и М-2 [14, с. 217].

2.2. Второе поколение ЭВМ

2.2.1. Особенности ЭВМ второго поколения

В 1947 г. специалистами фирмы «Bell Labs» был изобретен полупроводниковый прибор под названием «транзистор».

На смену лампам в машинах второго поколения (конец 50-х гг. XX в.) пришли транзисторы. Сначала лампы были заменены германиевыми диодами в оперативной памяти, затем в арифметическом и управляющем устройствах, позже в оперативной памяти стали применяться феррит-диодные ячейки, позволявшие реализовать логические функции управления памятью, а в арифметическом и управляющем устройствах – транзисторы.

В отличие от ламповых ЭВМ, транзисторные машины обладали большими быстродействием, емкостью оперативной памяти, надежностью. Существенно уменьшились размеры, масса и потребляемая мощность. Большим достижением явилось применение печатного монтажа, что повысило надежность электромеханических устройств ввода-вывода, удельный вес которых при этом увеличился. ЭВМ второго поколения выполняли последовательно-параллельный алгоритм и все еще обладали фиксированной логической структурой.

В период доминирования ЭВМ второго поколения [1, с. 93]:

– появились машины для решения научно-технических и экономических задач, управления производственными процессами и различными объектами (управляющие машины);

– стали внедряться АЛУ и УУ с более сложной структурой и функциональными возможностями;

– увеличение объема памяти привело к отказу от программирования в кодах машинных команд и широкому внедрению в практику программирования языков высокого уровня. Вследствие этого существенно упростился процесс подготовки задач к решению на ЭВМ и составление программ на этих языках стало под силу самим пользователям;

– стали развиваться методы и приемы программирования вычислений с минимальными затратами труда математиков-программистов;

– наряду с однопрограммными появились многопрограммные (мультипрограммные) ЭВМ. В отличие от однопрограммных машин, в которых программы выполняются только поочередно, в многопрограммных ЭВМ стала возможной совместная реализация нескольких программ за счет организации параллельной работы основных устройств машины.

Первой ЭВМ, выполненной полностью на полупроводниковых диодах и транзисторах, стала TRADIC (TRAnisitor DIgital Computer), построенная в «Bell Labs» no заказу военно-воздушных сил США как прототип бортовой вычислительной машины. Она состояла из 700 транзисторов и 10 тыс. германиевых диодов. За два года эксплуатации TRADIC отказали только 17 полупроводниковых элементов, что говорило о высокой надежности по сравнению с ламповыми ЭВМ [16, с. 77].

В конце 50-х гг. прошлого столетия ЭВМ малой мощности на новой элементной базе первыми выпустили фирмы «NCR» и «RCA». Вслед за ними выпуск компьютеров серии 7 000 освоила и компания «IBM». В этот же период (1957 г.) появился первый мини-компьютер фирмы «DEC» под названием PDP-1.

Структура типичного представителя ЭВМ второго поколения (вычислительный комплекс IBM 7094) представлена на рис. 3.

Рисунок 3 - Общая структура вычислительного комплекса IBM 7094

На структурном уровне здесь уже проявились отличия от ЭВМ IAS:

– каналы данных как независимые модули ввода-вывода, обладающие собственным процессором и собственной системой команд (эти команды хранятся в оперативной памяти, но выполняются процессором модуля ввода-вывода);

– мультиплексор, который играет роль центрального коммутатора (диспетчера доступа) при пересылке информации между каналами данных, центральным процессором и оперативной памятью и позволяет им работать независимо друг от друга.

2.2.2. Отечественные ЭВМ второго поколения

Наиболее известные отечественные ЭВМ второго поколения – БЭСМ-6, «Минск», «Урал», «МИР-1» и др.

БЭСМ-6 – электронная вычислительная машина общего назначения, разработана в 1967 г., главный конструктор – Герой Социалистического Труда, академик С.А. Лебедев. Область применения: универсальная ЭВМ для решения широкого круга задач науки и техники. В БЭСМ-6 нашли отражение многие оригинальные решения, определившие перспективу дальнейшего развития ЭВМ общего назначения и обеспечившие длительный период ее производства и эксплуатации в народном хозяйстве [7, с. 59].

В структуре машины впервые в отечественной практике и независимо от зарубежных ЭВМ (STRETCH фирмы «IBM») был широко использован принцип совмещения выполнения команд (до 14 одноадресных машинных команд могли находиться на разных стадиях выполнения). Этот принцип, названный С.А. Лебедевым принципом «водопровода», впоследствии стал широко использоваться для повышения производительности универсальных ЭВМ, получив в современной терминологии название конвейера команд.

Элементная база: транзисторные переключатели тока и диодно-резисторная комбинаторная логика. В электронных схемах БЭСМ-6 использовано 60 тыс. транзисторов и 180 тыс. полупроводников-диодов. Элементная база БЭСМ-6 по тем временам была совершенно новой, так как в ней были заложены основы схемотехники ЭВМ третьего и четвертого поколений [7, с. 71].

Технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ БЭСМ-6 представлены в табл. 2.

Применяемая в машине ассоциативная память на быстрых регистрах (типа кэш) позволяла автоматически сохранять в ней наиболее часто используемые операнды и тем самым сокращать число обращений к ферритной оперативной памяти. «Расслоение» оперативной памяти обеспечивало возможность одновременного обращения к разным ее модулям из разных устройств машины.

Структурная схема машины БЭСМ-6 показана на рис. 4 [17, с. 109], где: АЦПУ-128-3М – алфавитно-цифровое печатающее устройство; АУ – арифметическое устройство; БРУС – буферные регистры и устройства связи; КВУ – коммутатор внешних устройств; КМБ – коммутатор магнитных барабанов; МБ – магнитный барабан; МОЗУ – магнитное оперативное запоминающее устройство; НМЛ – накопитель на магнитной ленте; ПЛ-80/8 – ленточный перфоратор результатов; ПЭМ-80 – карточный перфоратор результатов; СТА-2М – телеграфный аппарат; УВВК-601 – устройство ввода с перфокарт; УУ – устройство управления; УУ ВУ – устройство управления внешними устройствами; FS-1500 – фотосчитывающее устройство с перфоленты.

Таблица 2

Технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ БЭСМ-6

Характеристика	Значение
Среднее быстродействие, одноадресных команд/с	До 1 млн
Длина слова, двоичных разрядов	48 и 2 контрольных Разряда
Представление чисел	С плавающей запятой
Рабочая частота, МГц	10
Занимаемая площадь, м2	150 – 200
Потребляемая мощность от сети 220 В/50 Гц, кВт	30 (без системы воздушного охлаждения)

На основе БЭСМ-6 были созданы центры коллективного пользования, системы управления в реальном масштабе времени, координационно-вычислительные системы телеобработки и т. д. Машина использовалась для моделирования сложнейших физических процессов и процессов управления, а также в системах проектирования для разработки математического обеспечения новых ЭВМ. БЭСМ-6 выпускалась промышленностью 17 лет [7, с. 72].

Рисунок 4 - Структурная схема машины БЭСМ-6

В июле 1975 г. управление первым совместным полетом американского и советского кораблей «Аполлон» и «Союз» осуществлялось посредством нового вычислительного комплекса, в состав которого входили БЭСМ-6 и другие мощные вычислительные машины отечественного производства. Если раньше сеанс обработки телеметрической информации длился около получаса, то на новом комплексе это делалось за одну минуту, вся информация обрабатывалась почти на полчаса раньше, чем у коллег в США.

ЭВМ семейства «Минск» – одна из первых серийных отечественных машин малого класса на электронных лампах, нашедшая наиболее широкое применение при решении разнообразных инженерных и научных задач, предназначенная для эксплуатации в научных и учебных институтах, вычислительных центрах, конструкторских бюро, на заводах. Технико-эксплуатационные характеристики семейства представлены в табл. 3.

«Урал-11» – первая ЭВМ ряда «Урал» («Урал-11», «Урал-14», «Урал-16»), выполненная на единой конструктивно-технологической базе «Урал-10». В СССР это была первая попытка проектирования не отдельной, а сразу целого семейства совместимых ЭВМ. Главное внимание при этом уделялось конструктивному и технологическому единству ЭВМ и их отдельных устройств [7, с. 73].

Таблица 3

Технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ семейства «Минск»

Характеристика	«Минск -2»	«Минск -22»	«Минск -23»	«Минск -32»	«Минск-1» ламповая ЭВМ (для сравнения)
Среднее быстродействие, тыс. оп./с	5-6	5-6	6	30	3
Емкость ОЗУ, слов	4 096	8 192	40 тыс.	до 65 536	1 024

Область применения семейства ЭВМ «Урал» – решение широкого круга математических и информационно-логических задач в крупных вычислительных центрах НИИ, КБ и промышленных предприятиях.

Заметным событием данного периода стало появление в 1958 году машины М-20. В этой ЭВМ были реализованы частичное совмещение операций, аппаратные средства поддержки программных циклов, возможность параллельной работы процессора и устройства вывода.

Оперативная память емкостью 4 096 45-разрядных слов была выполнена на магнитных сердечниках. Характеристики ЭВМ приведены в табл. 4.

Таблица 4

Характеристики ЭВМ М-20

Характеристика	Значение
Среднее быстродействие, тыс. оп./с	20
Длина слова, двоичных разрядов	45
Представление чисел	С плавающей запятой
Занимаемая площадь, м2	170 - 200
Потребляемая мощность от сети 220 В/50 Гц, кВт	50 (без системы воздушного охлаждения)

Продолжением линии М-20 стали полупроводниковые ЭВМ серий М-220 и М-222, выполненные на диодно-трансформаторных схемах на базе транзисторов П-401 и предназначенные для научно-технических расчетов на предприятиях и организациях народного хозяйства и Министерства обороны. Быстродействие машин составляло 28 тыс. оп./с.

ЭВМ «МИР-1» (машина для инженерных расчетов) была разработана Институтом кибернетики АН Украинской ССР под руководством академика В. М. Глушкова. Она предназначалась для автоматизации инженерных расчетов. В частности, на ней решались следующие задачи [7, с. 74]:

– системы линейных алгебраических уравнений до 20-го порядка;

– системы обыкновенных дифференциальных уравнений до 16-го порядка;

– дифференциальные уравнения в частных производных;

– системы нелинейных уравнений до 6-го порядка;

– интегральные уравнения;

– нахождение собственных векторов для матриц до 10-го порядка;

– нахождение максимальных собственных значений для матриц до 18-го порядка.

Для ЭВМ был разработан язык АЛМИР-65, который интерпретировала сама машина. Этот язык позволял записывать формулы с помощью общепринятых математических символов, включал операторы, заданные русскими словами («вычислить», «заменить», «если», «разрядность» и т. д.), и в то же время имел некоторые элементы традиционных процедурных языков. С точки зрения программиста, ЭВМ оперировала десятичными числами любой разрядности в пределах имеющегося объема памяти (требуемая разрядность указывалась в самой программе).

ЭВМ имела оперативную память объемом 4 096 12-разрядных ячеек, каждая из которых могла хранить один из символов входного языка, служебное слово или идентификатор стандартной функции.

В качестве внешней памяти использовалась восьмидорожечная перфолента (шесть дорожек – код символа, седьмая – признак буквы, восьмая – контрольная). Быстродействие машины при выполнении арифметических операций над 5-разрядными числами составляла 200–300 оп./с.

В 1969 г. в Киеве началось производство второй машины для инженерных применений – «МИР-2». Эта ЭВМ класса малых машин в скорости аналитических преобразований не уступала гораздо более мощным универсальным ЭВМ. А. Глушков вспоминал, что «МИРы были способны «щелкать» интегралы и внешне это выглядело очень убедительно, потому что далеко не всякий преподаватель мехмата может решать такие интегралы». Математические возможности ЭВМ «МИР-2» значительно превосходили возможности «МИР-1», и она пользовалась большой популярностью в учебных институтах, конструкторских бюро и физических лабораториях [7, с. 75].

В «МИР-2» впервые появилась возможность работать с машиной в режиме диалога. С помощью дисплея со световым пером инженер-пользователь мог вводить и получать на экране графическую ин- формацию и решать некоторые геометрические задачи.

По мнению академика А. Глушкова, в МИРах разработчикам удалось реализовать «примитивный искусственный интеллект», т.е. приблизить машинный язык к человеческому, но не к разговорному, а к математическому.

2.3. Третье поколение ЭВМ

2.3.1. Особенности ЭВМ третьего поколения

В 1958 г. была изобретена интегральная микросхема, которая представляла собой законченный функциональный логический блок, соответствующий достаточно сложной транзисторной схеме.

Третье поколение ЭВМ (конец 60-х – начало 70-х гг. XX в.) характеризуется широким применением интегральных схем (ИС). Благодаря использованию ИС удалось существенно улучшить технические и эксплуатационные характеристики машин. Этому способствовало также применение многослойного печатного монтажа.

Технология производства интегральных микросхем основана на том, что все базовые электронные компоненты – транзисторы, резисторы и конденсаторы – изготавливаются из одного и того же полу- проводникового материала, в качестве которого, как правило, используется кремний. С помощью специальной процедуры металлизации между сформированными компонентами на пластине кремния образуются электрические связи.

Третье поколение ЭВМ выполняло последовательно-параллельный алгоритм вычислений и позволяло вручную изменять структуру.

К третьему периоду развития ЭВМ относят [1, с. 47]:

– появление закона Мура. Один из основателей фирмы «Intel», Гордон Мур, в 1965 г. подметил тенденцию, состоящую в том, что каждый год количество транзисторов в одном чипе (чип – одна из ячеек размером несколько миллиметров на размеченном монокри-сталле кремния) удваивается. Начиная с 70-х гг. прошлого века плотность упаковки компонентов удваивалась в среднем каждые 18 месяцев. Закон сохраняет свою силу и до настоящего времени;

– увеличение объема оперативной памяти и ее быстродействия; расширение набора различных электромеханических устройств для ввода и вывода информации;

– увеличение производительности за счет использования элементной базы с лучшими динамическими характеристиками;

– дальнейшее развитие программного обеспечения, особенно операционных систем. Развитые операционные системы многопрограммных машин, снабженных периферийными устройствами ввода-вывода с автономными пультами абонентов, обеспечивают управление работой ЭВМ в различных режимах (пакетной обработки, разделения времени, запрос – ответ и др.);

– существенное расширение возможностей по обеспечению не- посредственного доступа к ним со стороны абонентов, находящихся на различных, в том числе и значительных (десятки и сотни километров), расстояниях. Удобство общения абонента с машиной достигается за счет развитой сети абонентских пунктов, связанных с ЭВМ информационными каналами связи, и соответствующего программного обеспечения [9, с. 123].

– применение различных методов автоматизации проектирования при разработке машин третьего поколения. Основной объем документации, необходимой для монтажа, разрабатывается также с помощью ЭВМ.

Типичными представителями ЭВМ третьего поколения считают большой компьютер семейства System/360 корпорации «IBM» и миникомпьютер PDP-8 корпорации «DEC» (рис. 5).

Важным решением при создании ЭВМ данного поколения стало то, что для PDP-8 была разработана структура с системной магистралью, которая в настоящее время является фактическим стандартом при проектировании подавляющего большинства мини- и микрокомпьютеров. Системная магистраль Omnibus состояла из 96 сигнальных линий, по которым передавались управляющие сигналы, коды адресов и данных. Процесс управления работой магистрали возложили на центральный процессор. Архитектура с центральной магистралью обеспечивает необходимую гибкость при комплектовании вычислительных комплексов разной конфигурации из стандартных компонентов.

Рисунок 5 - Структура ЭВМ PDP-8 с системной магистралью

Серия System/360 была первым семейством компьютеров, имеющим единую архитектуру при различных комплектациях, производительности и цене. Такой подход позволил перекрыть широкий диапазон коммерческих потребностей потенциальных пользователей и в течение десятилетия фирма IBM удерживала около 70 % всего компьютерного рынка (кроме стран социалистического лагеря) [15, с. 235]. Основные отличия этого семейства компьютеров от других ЭВМ:

- идентичная или подобная система команд, что позволяло эксплуатировать программу, написанную для одной модели, на других моделях семейства;

- идентичная или подобная операционная система, применяемая на всех моделях семейства с дополнительными функциями для старших моделей;

- возрастающая производительность при переходе от младших моделей к старшим;

- увеличение количества портов ввода-вывода при переходе от младших моделей к старшим для расширения номенклатуры подключенного оборудования;

- увеличение объема оперативной памяти и ее быстродействия при переходе от младших моделей к старшим;

- возрастание цены как логическое следствие усложнения и расширения комплектации.

Архитектура, структурная организация и программное обеспечение семейства System/360 многократно копировались другими изготовителями вычислительной техники, как в США, так и в других странах, в том числе в СССР. В машинах этого семейства нашли воплощение многие новые для того периода идеи: предварительная выборка команд, отдельные блоки для операций с фиксированной и плавающей запятыми, конвейеризация команд, кэш-память. Сравнительные характеристики серии System/360 приведены в табл. 5 [15, с. 237].

Таблица 5

Сравнительные характеристики серии System/360

Характеристика	Model 30	Model 40	Model 50	Model 60	Model 75
Относительная производительность процессора (по сравнению с Моделью 30, принятой за единицу)	1	3,5	10	21	50
Длительность основного цикла процессора, мкс	1,0	0,625	0,5	0,25	0,2
Скорость передачи данных при обращении к памяти, Мбайт/с	0,5	0,8	2,0	8,0	16,0
Максимальный объем оперативной памяти, кбайт	64	256	256	512	512
Максимальное количество каналов ввода-вывода	3	3	4	6	6
Максимальная скорость передачи данных по одному каналу, кбайт/с	250	400	800	1 250	1 250

К третьему поколению относятся также первые параллельные вычислительные системы SOLOMON корпорации «Westinghause» и ILLIAC IV – совместная разработка Иллинойского университета и компании «Burroughs». В этот же период появились первые конвейерно-векторные вычислительные системы TI-ASC (Texas Instruments Advanced Scientific Computer) и STAR-100 фирмы «СВС» [16, с. 81].

2.3.2. Отечественные ЭВМ третьего поколения

В СССР и странах Варшавского договора была создана и получила дальнейшее развитие ЕС ЭВМ – Единая система электронных вычислительных машин, созданная совместными усилиями коллективов стран СССР, НРБ, ВНР, ГДР, ПНР и ЧССР. Исходная предпосылка появления ЕС ЭВМ – необходимость в совместимых системах ЭВМ в наиболее широком диапазоне производительности для народного хозяйства СССР и интеграции со странами Варшавского договора. В период 1966 – 67 гг. выбрать для этих целей за основу какой-либо отечественный вычислительный комплекс по различным причинам не удалось. Результатом обсуждения проблем совместимых ЭВМ стало решение комиссии по ВТ АН СССР и ГКНТ от 27 января 1967 г. под председательством академика А. А. Дородницына, которым было предложено принять для типовых вычислительных комплексов архитектуру IBM-360 «с целью возможного использования того задела программ, который можно полагать имеющимся для системы 360» [3, с. 307].

ЕС ЭВМ представляет собой семейство (ряд) программно- совместимых машин, построенных на единых элементной базе, конструктивно-технологической основе, с едиными структурой, системой программного обеспечения, унифицированным набором внешних устройств. Архитектура машин ЕС ЭВМ была заимствована у компьютеров IBM 360/370. Промышленный выпуск первых моделей ЕС ЭВМ был начат в 1972 г.

Модельный ряд вычислительных машин этой серии включал семейства:

– ЕС ЭВМ-1 (ЭВМ ЕС 1020, 1022, 1030, 1033, 1050, 1052);

– ЕС ЭВМ-2 (ЭВМ ЕС 1035, 1045, 1060, 1061, 1065);

– ЕС ЭВМ-3 (ЭВМ ЕС 1036, 1046, 1066, 1087.20, 1007);

– ЕС ЭВМ-4 (ЭВМ ЕС 1130, 1181, 1195, 1220).

Семейства третьей и четвертой очередей развития относятся уже к четвертому поколению ЭВМ, построенных на больших интегральных схемах различной степени интеграции [9, с. 125].

Всего за период с начала разработки в 1970 и по 1997 гг. было выпущено более 15 тыс. ЕС ЭВМ различной комплектации.

Тем не менее, основной курс страны на производство серий ЕС ЭВМ заключался не в отмене, а в частичном сокращении отечественных разработок. Оригинальные разработки продолжались в некоторых научных институтах. Одним из них был московский Институт точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ), в котором велась разработка и создание семейства отечественных суперкомпьютеров типа «Эльбрус».

В табл. 6. приведены краткие характеристики некоторых машин серии ЕС ЭВМ всех четырех семейств.

Для решения сравнительно небольших задач управления различными процессами применялись ЭВМ с упрощенной системой команд, например СМ-1–СМ-4, «Электроника 100» и др.

Таблица 6

Сравнительные характеристики машин серии ЕС ЭВМ

Характеристика	ЕС ЭВМ-1		ЕС ЭВМ-2		ЕС ЭВМ- 3		ЕС ЭВМ-4
	1020	1052	1035	1060	1036	1066	1130	1220
Год окончания разработки	1971	1978	1977	1977	1983	1984	1989	1994
Разрядная сетка, двоичные разряды	8	64	32	64	32	64	32	64
Производитель­ность, млн оп./с	0,020	0,70	0,160	1,05	0,4	5,5	2,0	7,0
Емкость ОЗУ, Мбайт	0,064 - 0,256	1,024	0,256 - 1,0	1 - 8	2 - 4	8 - 16	8 - 16	256
Цикл ОЗУ, мкс	2,0	1,25	1,2	1,2	1,1	0,64	-	-
Операционная система	ДОС	ОС	ДОС- 2, ОС 6.1	ОС 6.1	ОС-7	ОС-7	ОС	ОС ЕС, VM/ESA, MVS/ESA

2.4. Четвертое поколение ЭВМ

2.4.1. Особенности ЭВМ четвертого поколения

Для машин четвертого поколения (конец 70-х гг. ХХ в.) характерно применение больших интегральных схем (БИС). ЭВМ четвертого поколения выполняли параллельно-последовательные алгоритмы вычислений и имели возможность автоматически (программным способом) изменять структуру вычислительных средств [9, с. 127].

БИС называют микросхемы высокой степени интеграции, которые содержат более 1 тыс. компонентов в микросхеме (чипе), сверхбольшие БИС (СБИС) имеют свыше 10 тыс. компонентов.

В настоящее время СБИС включают десятки миллионов компонентов. Например, СБИС процессора Intel Itanium 2 содержит 410 млн транзисторов.

В результате применения БИС и СБИС для построения ЭВМ достигнуто следующее:

– появилась возможность поместить на один кристалл не только все элементы процессора, но и всю вычислительную машину с памятью, процессором и системой ввода-вывода;

– увеличилась плотность компоновки электронной аппаратуры;

– повысились надежность и быстродействие;

– снизилась стоимость.

Все это, в свою очередь, оказало существенное воздействие на логическую структуру ЭВМ и ее программное обеспечение. Взаимозависимость структуры машины и ее программного обеспечения, особенно операционной системы, при этом становится более тесной.

С созданием в США в 1971 г. микросхемы фирмы «Intel» под обозначением «4004», чип которой содержал все компоненты процессора в одном корпусе, появился новый класс устройств – микропроцессоры.

Первый микропроцессор 4004 выполнял сложение двух 4-разрядных чисел, а умножение выполнялось путем многократного сложения.

Микропроцессор обладал рабочей частотой всего 108 кГц и содержал 2 300 транзисторов. Шина данных имела 4 разряда, при этом процессор адресовал 640 байт памяти. Производительность первого микропроцессора составляла 60 тыс. арифметических операций в секунду. Процессор 4004 использовался в схемах управления светофоров, в анализаторах крови, в межпланетной научно- исследовательской станции «Пионер 10» и т. п. [10, с. 57].

Блок-схема микропроцессора 4004 показана на рис. 6.

Наиболее существенное событие для развития микропроцессоров произошло в 1974 г. в связи с выпуском микропроцессора общего назначения модели 8080. Прежние модели годились только для построения процессоров специализированных ЭВМ, тогда как процессор 8080 предназначался для ЭВМ самого широкого применения. Можно сказать, что с этого момента начал развиваться новый класс вычислительных машин – микроЭВМ, наименование которых со временем преобразовалось в персональные ЭВМ (ПЭВМ).

Важным направлением развития вычислительных систем этого периода было появление машин с сотнями процессоров, ставшее переходом к прогрессу в области параллельных вычислений, благодаря которым каждый из процессоров может выполнять задачу отдельного пользователя. До этого же определяющим был параллелизм вычислений, выражающийся в виде конвейеризации, векторной обработки и распределения работы между небольшим числом процессоров.

Рисунок 6 - Блок-схема микропроцессора Intel 4004

2.4.2. Отечественные ЭВМ четвертого поколения

К отечественным ЭВМ четвертого поколения относятся машины серий ЕС ЭВМ-3 и ЕС ЭВМ-4, упомянутые ранее. Ниже в качестве примера вычислительных машин этого поколения приведены характеристики ЭВМ семейства «Эльбрус» и ПС-2000 [9, с. 129].

Многопроцессорный вычислительный комплекс двойного назначения «Эльбрус» начал выпускаться советской промышленностью в 1980 г.

«Эльбрус-1», построенный на ТТЛ-схемах средней интеграции имел быстродействие до 15 млн оп./с, а объем оперативной памяти – до 64 Мбайт. Пропускная способность каналов ввода-вывода достигала 120 Мбайт/с, количество процессоров в комплексе – до 10, при этом имелась возможность подключения универсальных специализированных процессоров: СВС – для реализации прикладных программ, написанных для ЭВМ БЭСМ-6, и БПФ – для быстрого преобразования Фурье.

В 1985 г. в Советском Союзе был начат выпуск универсальных многопроцессорных комплексов «Эльбрус-2», имеющих производительность до 125 млн оп./с, емкость оперативной памяти до 144 Мбайт или 16 мегаслов (слово – 72 разряда).

В 1981 г. было положено начало выпуску высокопроизводительной параллельной вычислительной системы ПС -2000, предназначавшейся для мирных геофизических целей. Для полномасштабной обработки данных сейсморазведки в геофизике суммарная вычислительная мощность парка ЭВМ должна была составлять 10 100 млрд. оп./с, т. е. в сотни и тысячи раз больше по сравнению с имеющейся. Увеличения производительности на порядки нельзя было достичь за счет простого наращивания количества машин. В 1980 г. восемь машин ПС-2000 на хорошо распараллеливаемых геофизических задачах продемонстрировали суммарную производительность около 1 млрд. операций в секунду [9, с. 131].

Аббревиатура ПС означает «перестраиваемые структуры» так называемые однородные решающие поля структуры из однотипных процессорных элементов, способных параллельно обрабатывать данные.

В состав ПС-2000 входят мультипроцессор, мониторная подсистема и от одной до четырех подсистем внешней памяти.

Мультипроцессор включает в себя 1, 2, 4 или 8 устройств обработки, каждое из которых содержит 8 процессорных элементов (ПЭ), обрабатывающих множество потоков данных по программам, находящимся в общем устройстве управления.

Мультипроцессор ПС-2000 ориентирован на высокопроизводительную обработку больших массивов информации по хорошо распараллеливаемым регулярным алгоритмам. Он обеспечивает однозадачный режим работы с одним потоком команд и многими потоками данных (SIMD-архитектура). Особенностью SIMD-архитектуры ПС-2000 является наличие значительных объемов регистровой памяти, в которой и протекают массовые вычисления и межпроцессорные обмены, а также выполняется адресация распределенной оперативной памяти.

Мультипроцессор ПС-2000 с 64 ПЭ работает с эффективной производительностью 200 млн оп./с при выполнении расчетов с фиксированной запятой и 50 млн оп./с – при решении нескольких вычислительных задач одновременно, содержащих операции с плавающей запятой.

На базе нескольких комплексов ПС-2000 были созданы высокопроизводительные (до 1 млрд. оп./с) системы обработки гидроакустической и телеметрической информации в реальном масштабе времени. Каждая система содержит три-четыре комплекса ПС-2000, соединенных в единый конвейер, а для быстрого ввода и вывода гидроакустической, спутниковой информации для таких систем создавались специализированные высокоскоростные каналы [9, с. 133].

Телеметрический вычислительный комплекс центра управления космическими полетами (ЦУП) с 1986 по 1997 гг. использовал систему предварительной обработки телеметрической информации на базе ПС-2000, связанную в единый комплекс с центральной системой обработки на базе многопроцессорного вычислительного комплекса «Эльбрус-2». Высокий параллелизм их совместного функционирования позволил реализовать новые алгоритмы обработки телеметрической информации. Первые комплексы ПС-2000 поступили в ЦУП в 1982, последние – в 1988 г. Всего было задействовано восемь 32-процессорных комплексов. К одной центральной системе «Эльбрус-2» подключена пара 32-процессорных ПС-2000 для обработки восьми полных потоков телеметрии. С целью дублирования параллельно работали два телеметрических комплекса, а на динамических участках полета космических объектов – три.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе были рассмотрены основные периоды истории вычислительной техники; более подробно представлена история электронного периода. Изложены характерные черты ЭВМ всех поколений, отмечена роль выдающихся ученых в развитии компьютерной техники.

В качестве элементной базы машин первого поколения (50-е годы) использовались электронные лампы. Машины были громоздкими, потребляли много электроэнергии.

ЭВМ второго поколения (60-е гг.) строились на полупроводниковых приборах (транзисторах). Это повысило надежность ЭВМ, уменьшило их габариты и энергопотребление, снизило стоимость.

В АЛУ было встроено некоторое количество сверхбыстрых регистров, что также способствовало повышению скорости работы. Кроме того, появились команды, в которых в качестве адреса фигурировал регистр, а не ячейка ОЗУ.

Была расширена номенклатура ВЗУ на магнитных носителях. Появились магнитные ленты (МЛ), магнитные барабаны (МБ), магнитные диски (МД), магнитные карты.

Расширилась и номенклатура устройств ввода-вывода. Стали использоваться перфокарты, перфоленты, АЦПУ (алфавитно-цифровая печать) на широкую бумажную ленту.

Способ обработки информации – последовательный, но так как появились прерывания, то стало возможным реализовать последовательно-параллельный алгоритм управления вычислительным процессом (совмещение ввода/вывода с другими операциями).

ЭВМ 3-го поколения (70-е гг.) выполнены на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни – тысячи транзисторов в одном корпусе).

Для четвёртого поколения ЭВМ характерно появление интегральных схем, относящихся к классу больших, а также так называемых сверхбольших. В архитектуре ПК появляется основная микросхема - процессор. ЭВМ по своей конфигурации стали больше подходить обычным гражданам. Пользование ЭВМ стало возможным при незначительной квалификационной подготовке, в то время как работа с ЭВМ прошлых поколений требовала определенных навыков. Модули ОЗУ стали выпускаться не на основе ферритовых элементов, а на базе CMOS-микросхем. К четвёртому поколению ЭВМ также относят и первый компьютер Apple, который был собран 1976 г. С. Джобсом и С. Возняком. Многие эксперты в области IT считают, что Apple является первым в мире персональным компьютером.

   

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Акулов О.А. Информатика: базовый курс: учеб. пособие / О.А. Акулов, Н.В. Медведев. – М.: Омега-Л, 2017. – 552 с.
2. Баранов И. Ю. Аппаратные средства вычислительной техники. Функциональная и структурная организация ЭВМ: пособие. – Орел: Академия ФСО, 2016. – 132 с.
3. Бройдо В. Л. Архитектура ЭВМ и систем : учебник для вузов / В. Л. Бройдо, О. П. Ильина. – СПб.: Питер, 2016. – 718 с.
4. Бурцев В. К истории создания советской вычислительной техники / В. К. Бурцев // Открытые системы. СУБД. - 2017. - № 1. – С. 23-25
5. Езерова Г. Начало цифровой эпохи / Г. Езерова, Э. Луховицкая // Открытые системы. СУБД. - 2017. - № 7. – С. 33-35
6. История информатики в России. Ученые и их школы: сб. ст. / Рос. акад. наук; отв. ред. А. С. Алексеев. – М.: Наука, 2016. – 347 с.
7. Казакова И. А. История вычислительной техники: Учебное пособие. – Пенза: Издательство ПГУ, 2015. – 232 с.
8. Кочегаров И. И. Эволюция вычислительных систем: учеб. пособие / И. И. Кочегаров, А. В. Полтавский, Н. К. Юрков. – Пенза: Изд-во ПГУ, 2015. – 124 с.
9. Ланина Э. П. История развития вычислительной техники / Э. П. Ланина. – Иркутск: ИрГТУ, 2015. – 378 с.
10. Лапин А.А. Интерфейсы. Выбор и реализация / А.А. Лапин. – М.: Техносфера, 2017. – 168 с.
11. Максимов Н.В. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем: учебник / Н.В. Максимов, Т.Л. Партыка, И.И. Попов. – М.: ИНФРА-М, 2015. – 512 с.
12. Малиновский Б. Н. История вычислительной техники в лицах / Б. Н. Малиновский. – Киев, 2015. – 278 с.
13. Попов Ф.А. Вычислительные машины: общие принципы построения и архитектуры: Учебное пособие. – Бийск: Алт. гос. техн. ун-т, БТИ, 2017. – 106с.
14. Столингс В. Структурная организация и архитектура компьютерных систем: пер. с англ. / В. Столингс. – М.: Изд. дом «Вильямс», 2016. – 896 с.
15. Таненбаум Э. Архитектура компьютера / Э. Таненбаум. – СПб.: Питер, 2015. – 844 с.
16. Цилькер Б.Я. Организация ЭВМ и систем: учеб. для вузов / Б.Я. Цилькер, С.А. Орлов. – СПб.: Питер, 2015. – 668 с.
17. Чепурной В.Г. Устройства хранения информации / В.Г. Чепурной. – СПб.: BHV Санкт-Петербург, 2016. – 208 с.