Лекция 1 Поколения ЭВМ
учебно-методическое пособие
В истории развития вычислительной техники можно выделить четыре периода: домеханический, механический, электромеханический и электронно-вычислительный.
В Домеханический период создавалась не вычислительная техника, а счетные устройства, древнейшими из которых являются разного вида счеты.
Началом механического периода можно считать 1623г., когда была описана и реализована в единственном экземпляре механическая счетная машина, предназначавшаяся для выполнения четырех арифметических операций с 6-разрядными числами.
Электромеханический период развития вычислительной техники (ВТ) обусловлен развитием прикладной электротехники, позволившей создавать электромеханические вычислительные устройства.
Электронно-вычислительный период связан с развитием электроники и микроэлектроники и начинается созданием в США в 1946 г. Первой ЭВМ – машины ENIAC.
В 1938 г. Конрад Цузе (Германия) в домашних условиях собрал электромеханическую машину Z1 с программным управлением, клавиатурой для ввода задач, памятью на 64 числа и панелью с лампочками, на которой высвечивался результат вычислений. Она могла обрабатывать 22-разрядные двоичные числа с плавающей запятой. В следующей модели Z2 использовался вывод информации на перфоленту.
В 1941 г. К. Цузе создал третью модель — Z3, основанную на электромеханических реле и работавшую в двоичной системе счисления. Машина Z3 состояла из 600 реле счетного устройства и 2 000 реле устройства памяти. Она механически последовательно, шаг за шагом, считывала программу и производила 15 … 20 вычислительных операций в секунду.
Идеи создания вычислительных машин с применением электронных устройств возникли в конце 1930-х — начале 1940-х гг. независимо друг от друга в различных странах.
В 1937 г. Джон Атанасов (США) начал разработку специализированной вычислительной машины, впервые в мире применив электронные лампы в количестве 300 шт.
К 1943 г. при участии Алана Тьюринга в Великобритании была создана вычислительная машина «Колосс» с использованием 2 000 электронных ламп. Работы А. Тьюринга были секретными — впервые в мире машина была успешно применена для расшифровки радиограмм военного командования фашисткой Германии, засекречивание которых производилось на автоматической аппаратуре «Энигма», имеющей значительную стойкость к декодированию.
На основе описания аналитической машины Ч. Бэббиджа в 1944 г. в США была построена машина «Марк-1» на электромеханических реле, которая программировалась при помощи бумажной перфоленты.
Машина имела длину 15,3 м, высоту 2,4 м, массу около 35 т, длину проводов — более 800 км, количество соединений — более 3 млн. Она оперировала десятичными числами длиной до 23 разрядов; время перемножения чисел составляло 4 с. Машина «Марк-1» применялась военно-морскими силами США для решения различных задач оборонного характера.
Начиная с 1944 г. в работе над созданием вычислительной техники принял участие американский математик Джон фон Нейман. В 1946 г. он вместе с Г. Голдстайном и А. Берксом опубликовал важную для развития вычислительной техники статью «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства». В ней были высказаны две основные идеи, которые используются сейчас во всех ЭВМ: применение двоичной системы счисления и принцип хранимой программы.
Можно считать, что в 1940-е гг. закончилась эра механических и электромеханических вычислительных машин, называемых машинами нулевого поколения.
Первое поколение ЭВМ. Основной перелом в области информационных технологий начался после Второй мировой войны с появлением первых аналоговых и цифровых ЭВМ, в которых логические, запоминающие и другие устройства реализовывались на электронных приборах. С этого времени осуществляют отсчет поколений электронных вычислительных машин, напрямую связанных с развитием электроники и микроэлектроники, оказавших основное влияние на функциональные возможности, производительность, память, надежность, габаритные размеры, массу и потребляемую мощность ЭВМ.
В вычислительных машинах первого поколения основными элементами были электровакуумные устройства: электронные лампы и электронно-лучевые трубки.
В 1946 г. в США была построена первая электронная вычислительная машина «Эниак» (ENIAC). В машине использовалось 18 тыс. электронных ламп; ее масса составляла 30 т, потребляемая мощность — 160 кВт; она занимала площадь 170 м2 . ENIAC работала в двоичной системе счисления, выполняла около 5 тыс. операций сложения и 300 операций умножения в секунду, ее память составляла всего 20 слов.
Первой ЭВМ с хранимой программой стала английская машина ЭДСАК, построенная в 1949 г. в Кембридже под руководством профессора М. Уилкса.
Совершенствование первых образцов вычислительных машин привело к созданию в 1951 г. ЭВМ UNIVAC (США), предназначенной для коммерческого использования. Эта ЭВМ могла обрабатывать как цифровую, так и символьную информацию. Машина UNIVAC стала первой серийно выпускаемой ЭВМ, различные модели которой предназначались для свободной продажи.
В 1952 г. Джон фон Нейман разработал первый компьютер MANIAC I, использующий программы, записанные на гибком магнитном носителе — ленте.
Огромный вклад в развитие отечественных ЭВМ внес российский ученый, акад. Сергей Алексеевич Лебедев. Под его руководством была создана первая в России лаборатория по разработке ЭВМ, а затем (в 1951 г.) построена первая советская ЭВМ — малая (16-разрядная) электронная счетная машина (МЭСМ), собранная из 6 000 электронных ламп с быстродействием около 3 000 опер./с. В 1952 г. под руководством С. А. Лебедева была построена старшая модель семейства больших электронных счетных машин (БЭСМ) — БЭСМ-1, которая была в то время самой быстродействующей ма- шиной в Европе (8 000 … 10 000 опер./с). БЭСМ-1 и последовавшие за ней БЭСМ-2 и М-20 (20 тыс. опер./с) использовали серийные отечественные электронные лампы.
В 1954 г. под руководством Башира Искандаровича Рамеева была разработана архитектура и система команд ЭВМ «Урал». В 1957 г. была выпущена ламповая ЭВМ «Урал-1», которая, несмотря на невысокую производительность (100 опер./с) и оперативную память на магнитных барабанах (1 024 слова) была эффективна для инженерных расчетов и пользовалась большим спросом. Она стала первой моделью целого семейства «Урал», относилась к разряду недорогих машин и в течение длительного времени применялась в ведомственных вычислительных центрах.
В первом поколении машин был реализован метод хранимой программы; для ввода-вывода сначала использовались бумажные перфокарты и перфоленты, магнитная лента, а затем магнитные барабаны и печатающие устройства. Основной язык программирования — машинный код. Применение электронных ламп создавало множество проблем — из-за низкой надежности практически через несколько минут работы одна лампа выходила из строя, а так как в ЭВМ их было десятки тысяч, то для поиска неисправности и ремонта требовалось непрерывное обслуживание.
Второе поколение ЭВМ. Это поколение берет свое начало с 1956 г. с разработки в Массачусетском технологическом институте США первого компьютера на полупроводниковых элементах — транзисторах. Серийные ЭВМ на транзисторах стали производиться с 1958 г. К этому времени были спроектированы высокоскоростной принтер, носители информации на магнитной ленте и магнитных дисках. Появилась возможность создания бортовых ЭВМ военного назначения.
В 1958 г. американской компьютерной компанией Control Data, был разработан первый в мире транзисторный компьютер CDC 1604 для научных исследований, а через два года он был освоен в серийном производстве.
В 1960 г. в России перешли к созданию нового поколения семейства полупроводниковых машин: «Урал-11», «Урал-14» и «Урал-16». Появились новые семейства машин («Минск», МИР, БЭСМ и т. д.), большинство которых стали выпускаться серийно.
Среди ЭВМ второго поколения особо выделяется БЭСМ-6 (1957 г.). В то время это была одна из самых производительных вычислительных машин в мире с быстродействием около 1 млн опер./с.
Архитектура и многие технические решения в большинстве советских ЭВМ были настолько прогрессивными, что они дошли до нашего времени. Например, в машине МИР-2 телевизионный дисплей использовался совместно со световым пером, позволяющим изменять и корректировать данные прямо на экране.
В 1961 г. фирма DEC (Digital Equipment Corporation) спроектировала первую мини-ЭВМ из семейства PDP (Programmed Data Processor — программируемый цифровой процессор).
Логические схемы ЭВМ второго поколения строились на дискретных полупроводниковых приборах (диоды, транзисторы) и магнитных элементах (ферритовых сердечниках). В качестве конструктивно-технологической основы впервые стали широко использоваться платы с печатным монтажом. Тактовые частоты работы электронных схем повысились до сотен килогерц. При разработке программ кроме ассемблера стали применять языки программирования высокого уровня, такие как «Алгол» и «Фортран». В этот период возникла необходимость в профессии программиста.
Третье поколение ЭВМ . Проектирование ЭВМ третьего поколения началось в 1962 г. с выпуска кремниевых интегральных схем малой, а затем средней степени интеграции. Возникло новое направление в создании принципиально новой элементной базы — микроэлектроника; была основана корпорация Intel (Integrated Electronics Technologies Incorporаted), специализирующаяся на производстве интегральных микросхем.
В 1964 г. компания IBM (International Business Machines) выпустила семейство серийных (около 20 тыс. экземпляров) ЭВМ IBM- 360 различной производительности, но с общей архитектурой и полной программной совместимостью, которые были настолько востребованы, что стали основой для унификации, стандартизации и реализации принципов аппаратно-программной совместимости следующих поколений компьютеров.
В 1965 г. начался выпуск первых серийных мини-ЭВМ фирмы DEC — PDP-8, доступных по цене для средних и мелких коммерческих компаний.
Со второй половины 1960-х гг. СССР совместно со странами Совета Экономической Взаимопомощи (ГДР, Венгрия, Болгария, Польша, Чехословакия) стал разрабатывать ряд универсальных ЭВМ Единой системы (ЕС), аналогичных машинам IBM, и системы малых (СМ) ЭВМ. В 1972 г. началось серийное производство младшей модели семейства — ЕС-1010, а спустя год, — и других моделей. Их быстродействие составляло от 10 тыс. (ЕС-1010) до 2 млн (ЕС-1060) опер./с.
Первой серийной отечественной ЭВМ на интегральных гибридных схемах была машина «Наири-3», появившаяся в 1970 г. Особенности этой ЭВМ: наличие постоянного запоминающего устройства и микропрограммный принцип управления обработкой информации. ЭВМ «Наири-3» создавалась по агрегатно-блочному (модульному) принципу.
В США в 1972 г. была построена уникальная машина ИЛЛИАК-4, поставившая рекорд по скорости вычислений (200 млн опер./с). Такое быстродействие было достигнуто за счет отказа от классической архитектуры ЭВМ — перехода к параллельной обработке данных с использованием матрицы из 64 процессоров.
В период развития третьего поколения во всем мире начали выпускать в больших количествах универсальные ЭВМ для массового коммерческого применения. Этому способствовало появление новых языков программирования («Бейсик», «Паскаль»), операционных систем реального времени, совершенствование диалога пользователя с компьютером (использование графического интерфейса, манипулятора «мышь») и прикладных программ (текстовый процессор).
Четвертое поколение ЭВМ. Возникновение ЭВМ четвертого поколения вызвано бурным развитием микроэлектроники и созданием качественно новых функциональных устройств — микропроцессоров на базе больших (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС). Первый 4-разрядный микропроцессор Intеl 4004 был создан в конце 1971 г. корпорацией Intеl. В 1972 г. была представлена 8-разрядная микросхема 8008. Подтверждая известный закон Мура, который предполагает, что количество элементов на интегральных микросхемах должно удваиваться каждые полтора года, в 1974 г. был создан микропроцессор 8080, затем 8086, 80286, 80386, 80486 и современные процессоры семейства Pentium на СБИС.
Исходя из функционального назначения и производительности возникла устоявшаяся на несколько лет классификация ЭВМ (суперЭВМ, большие ЭВМ, мини-ЭВМ и микро-ЭВМ), которая в настоящее время устаревает, например исчез термин «мини- ЭВМ».
Наша промышленность с начала 1980 г. выпускала на интегральных схемах IBM-совместимые мини-ЭВМ серии ЕС, семейство СМ ЭВМ; микро-ЭВМ «Электроника 60», диалоговые вычислительные комплексы (ДВК), так называемые бытовые компьютеры серии БК.
Для средних учебных заведений сотрудниками института ядерной физики МГУ была разработана микро-ЭВМ «Корвет» (со встроенным интерпретатором языка Basic), которой некоторое время оснащались школы для проведения уроков по информатике.
Микро-ЭВМ привлекли в России настолько огромное внимание тысяч радиолюбителей, что возник настоящий бум в производстве самодельных домашних компьютеров. Одним из первых был «Радио-86РК», затем «Спектрум», на базе которого существовал ряд совместимых моделей, имеющих самый обширный фонд программного обеспечения.
В качестве дисплея использовался телевизор, программы загружались с катушечных и кассетных бытовых магнитофонов.
В 1980-х гг. в Советском Союзе появился целый ряд микропроцессорных плат «Электроника С5-21», позволяющий создавать многоплатные микро-ЭВМ требуемой конфигурации по принципу открытой архитектуры. Набор плат включал в себя одноплатную ЭВМ с уникальной системой команд и возможностью организации многомашинных систем; платы оперативного запоминающего устройства, постоянного запоминающего устройства, перепрограммируемого запоминающего устройства с ультрафиолетовым стиранием, параллельных и последовательных каналов ввода — вывода. В начале 1990-х гг. была спроектирована однокристалльная ЭВМ «Электроника С5-31», которая нашла применение в специальной технике.
К сожалению, в это время фактически прекратилась разработка отечественной элементной базы, а массовое производство ЭВМ в значительной мере переориентировалось на тиражирование зарубежной вычислительной техники на покупных комплектующих элементах иностранного производства. В какой-то мере этому способствовало отсутствие унификации в отечественном программном обеспечении.
К середине 1970-х гг. особо выделились две тенденции развития четвертого поколения машин: суперЭВМ и персональные компьютеры.
В 1976 г. компания Cray Research построила суперЭВМ «Крей-1», производившую 100 млн опер./с. В 1985 г. суперкомпьютер «Крей-2» имел быстродействие 1,2 млрд опер./с, а в 1997 г. суперЭВМ Janus корпорации Intel преодолела рубеж в 1 трлн опер./с.
К данному классу машин относились советские многопроцессорные вычислительные комплексы «Эльбрус-1» (производительность — до 10 млн опер./с) и «Эльбрус-2» (производительность — до 125 млн опер./с), в которых для отвода теплоты пришлось впервые использовать водяное охлаждение плат.
Возникновение персонального компьютера непосредственно связано с появлением и совершенствованием микро-ЭВМ, поэтому эти термины в литературе иногда использовали как синонимы. В настоящее время трудно определить, когда был произведен первый полнофункциональный персональный компьютер. Некоторые считают, что первая персональная ЭВМ была разработана в 1973 г. во Франции (ее автор — Труонг Тронг Ти).
В 1973 г. компанией Xerox был представлен персональный микрокомпьютер Alto, в котором впервые был применен принцип вывода программ и файлов на экран в виде графических окон. В следующем году в продажу поступил компьютер Altair-8800, созданный малоизвестной американской фирмой, который сразу стал популярным, хотя его возможности были очень ограниченными (оперативная память — 256 байт, клавиатура и экран отсутствовали). Этой популярности компьютера способствовало создание Биллом Гейтсом (один из основателей фирмы Microsoft) интерпретатора языка «Бейсик», что позволило непрофессиональным пользователям самостоятельно достаточно просто писать для него программы.
Массовое производство и внедрение в практику персональных компьютеров связано с именем Стива Джобса — руководителя и основателя американской фирмы Apple Computer, наладившей в 1977 г. выпуск персональных компьютеров Apple.
В 1981 г. фирма IBM выпустила свой первый микрокомпьютер IBM PC (Personal Computer — персональный компьютер) с открытой архитектурой, основанный на 16-разрядном микропроцессоре 8088 фирмы Intel.
Компьютер поставлялся с монохромным текстовым дисплеем, имел два дисковода для 5-дюймовых гибких магнитных дискет на 160 Кбайт, оперативную память 64 Кбайт и первую версию дисковой операционной системы MS DOS, заказанной у фирмы Microsoft.
В 1982 г. СССР начал выпуск ПЭВМ «Агат».
В 1984 г. компания Apple представила компьютер «Макинтош» (Macintosh) на базе микропроцессора Motorola 68000 со встроенными средствами экранного взаимодействия с пользователем — графическим интерактивным интерфейсом, позволявшим вводить команды управления в виде небольших изображений — значков (пиктограмм), выбирая их с помощью манипулятора «мышь».
С этими новшествами и накопителями на 3,5-дюймовых дискетах персональный компьютер стал еще более доступным непрофессиональным пользователям.
Принцип открытой архитектуры настолько повлиял на развитие ПЭВМ, что произошел стремительный рост не только производства различных комплектующих и дополнительных устройств для компьютеров IВМ РС, но и числа фирм, выпускающих совместимые с ними разнообразные вычислительные машины.
С этого времени рост промышленного производства персональных компьютеров стали обеспечивать и другие производители: Соmpaq, Zenith, АSТ, Арricot, которые за основу проектирования взяли открытую архитектуру и стандарты IBM PC.
Пользователи таких ПЭВМ получили возможность продлевать жизненный цикл своих компьютеров — самостоятельно модернизировать их аппаратную часть, оснащая современными устройствами различных производителей и не заботясь о совместимости программных продуктов.
В настоящее время производится такое разнообразие компьютеров, что практически невозможно отследить всю существующую номенклатуру машин четвертого поколения и тем более предсказать их развитие (рис. 1.1).
На развитие четвертого поколения ЭВМ в значительной степе- ни повлияло непрерывное совершенствование операционных си- стем Windows, пришедших на смену DOS.
Пятое поколение ЭВМ . К ЭВМ пятого поколения относятся обучающиеся системы с искусственным интеллектом, обеспечивающие переход от обработки информации к формализованной обработке профессиональных знаний с использованием естественных языков. Для решения задач распознавания рукописного ввода, речи и изображений с 1990-х гг. стали использовать модель биологического нейрона и искусственную нейтронную сеть на его основе.
По своей сути нейрон является простейшим сумматором входных сигналов, преобразующих их сумму в значение функции, зависящей от состояния самого нейрона. Каждый нейрон может иметь несколько входов и один выход. Нейронная сеть образуется соединением выходов одних нейронов с входами других. Нейронная сеть эквивалентна цифровой сложной схеме и, следовательно, может стать основой нейрокомпьютера. Программирование сети заключается в ее обучении для решения конкретной задачи, которое соответственно меняет структуру сети, изменяя связи между нейронами.
Возможность разработки таких ЭВМ тесно связана с созданием качественно новых компонентов с использованием достижений нанотехнологий, возможно, на иных физических принципах. Компьютеры с нейронной структурой, организованной распределенной сетью большого числа (от нескольких десятков до 108 ) параллельно работающих простых элементов — нейронов — смогут воспроизводить функционирование сложных биологических структур.
Традиционно продолжается совершенствование технологии производства СБИС. Например, корпорация Intel предполагает не применять для сборки микропроцессоров отдельно изготовленные корпуса, а «выращивать» их вокруг кристалла микросхемы. По предварительным оценкам это позволит создавать многоядерные процессоры, содержащие более миллиарда транзисторов и работающие на тактовых частотах до 20 ГГц.
Суперкомпьютеры в настоящее время широко используют параллельные вычисления. Как показывают исследования, в среднем вычислительная мощь настольных ПЭВМ отстает от уровня производительности суперкомпьютеров на 13 лет, так как по производительности современные персональные компьютеры практически полностью соответствуют суперкомпьютерам того времени. С внедрением многоядерных процессорных архитектур параллельное программирование начинает распространяться и на ПЭВМ. Количество систем, построенных на базе многоядерных процессоров, резко возрастет, поэтому развитие суперкомпьютеров начинает влиять на перспективы формирования архитектуры персональных компьютеров следующих поколений.
Программы разработки ЭВМ пятого поколения приняты во многих странах и, возможно, в ближайшем времени мы узнаем результат от их реализации.
1. Приведите примерные временные периоды существования отдельных поколений ЭВМ.
2. Какие факторы учитываются при смене поколений ЭВМ? Какой из этих фактором принято считать первостепенным?
3. Сравните технические характеристики ЭВМ первого, второго и третьего поколений.
4. Какие причины обусловили появление компьютеров четвертого поколения?
5. Почему при производстве ПЭВМ взята за основу архитектура и стандарты IBM PC?
6. Перечислите характерные черты четвертого поколения.
7. Осветите историю развития отечественных ЭВМ.
8. Какие ЭВМ можно отнести к ЭВМ пятого поколения?
Аппаратное обеспечение ЭВМ/ В.Д. Сидоров, Н.В. Струмпэ. – 3-е изд. – М.: Издательский центр «Академия», 2014. — 336с.
Аппаратное обеспечение ЭВМ. Практикум / Н.В. Струмпэ, В.Д. Сидоров. – 3-е изд. – М.: Издательский центр «Академия», 2013. — 160с.
По теме: методические разработки, презентации и конспекты
СОЦИАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ «Формирование культуры межнациональных отношений и толерантности подрастающего поколения»
Проект создан студентами колледжа и защищен на конкурсе студенческих проектов Саратовской области. По данной программе многие школы города и области работают.
Презентация «Поколения ЭВМ»
Презентация «Поколения ЭВМ» выполнена преподавателем ГБОУ СПО Баймакский сельскохозяйственный техникум Мусиной Ж.М. Работа состоит из 18 слайдов, с анимацией и комментариями в поле «Заметки».
Ознакомление с концептуальными основами ФГОС СПО нового поколения
Ведущим понятием компетентностного подхода впервые становится «образовательный модуль». Таким образом, в педагогике профессионального образования компетентностный подход трансформируется в модул.
Рабочая прорамма 3 поколения ФГОС СПО по дисциплине Архитектура КС
Представляю Рабочую программу учебной дисциплины Архитектура КС, разработанную на основе государственного образовательного стандарта (ФГОС) 3 поколения по специальности среднего профессионального обра.
СТРУКТУРА И КОМПОНЕНТЫ СТАНДАРТА ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ
ПРЕЗЕНТАЦИЯ К ВЫСТУПЛЕНИЮ.
Виды и формы контроля учебных достижений обучающихся ОУ НПО/СПО, освоивших образовательные программы по дисциплинам гуманитарного цикла в пределах ОПОП НПО/СПО в соответствии с требованиями ФГОС нового поколения.
Виды и формы контроля освоения программ среднего (полного) общего образования в пределах ОПОП НПО/СПО согласно требованиям ФГОС нового поколения представлены в виде таблицы.
Организация производственной практики студентов ОУ СПО в соответствии с ФГОС 3-его поколения
Новый ФГОС СПО отличается особой практической направленностью. Подразумевается, что выпускник колледжа не только должен иметь внушительный багаж теоретических знаний, но и владеть прикладными професси.
Методические рекомендации по выполнению самостоятельной работы «История вычислительной техники»
Самостоятельная работа обучающихся – одна из важных форм организации учебного процесса. Она играет особую роль в профессиональной подготовке, являясь формой, с одной стороны, организации самостоятельной работы, с другой – развития их познавательной активности.
Цель самостоятельной работы – содействие оптимальному усвоению обучающимися учебного материала, готовности и потребности в самообразовании.
Задачи самостоятельной работы:
· углубление и систематизация знаний;
· постановка и решение познавательных задач;
· развитие аналитико-синтетических способностей умственной деятельности, умений работы с различной по объёму и виду информацией, учебной и научной литературой;
· практическое применение знаний, умений;
· развитие навыков организации самостоятельного учебного труда и контроля над его эффективностью.
Самостоятельная работа — это деятельность учащихся по усвоению знаний и умений, протекающая без непосредственного участия преподавателя, хотя и направляемая им. При выполнении заданий самостоятельной работы студентам предстоит:
· самостоятельное изучение темы задания ;
· сбор и изучение дополнительной информации;
· анализ, систематизация и трансформация информации;
По итогам самостоятельной работы учащиеся должны: развить такие универсальные умения, как умение учиться самостоятельно, принимать решения, осуществлять задуманное, проводить исследование, научиться формулировать получаемые результаты.
Тема самостоятельной работы: « Основные сведения об электронно-вычислительных машинах».
1. Изучите теоретические сведения по теме
2. С помощью программы MS Word создайте документ под именем «Поколения ЭВМ».
3. Создайте в документе таблицу по приведенному образцу (табл. 1), заполните ее, используя материалы теоретических сведений и лекций преподавателя.
Таблица 1- Поколения ЭВМ.
Быстродействие (количество операций в секунду)
Средства связи пользователя с машиной
4. Выберите один из контрольных вопросов темы и запишите раскройте его
5. В верхнем колонтитуле документа укажите свою фамилию и имя, в нижнем — «Поколения ЭВМ».
6. Сохраните документ для проверки преподавателем.
Контрольные вопросы
1. Приведите примерные временные периоды существования отдельных поколений ЭВМ.
2. Какие факторы учитываются при смене поколений ЭВМ? Какой из этих фактором принято считать первостепенным?
3. Сравните технические характеристики ЭВМ первого, второго и третьего поколений.
4. Какие причины обусловили появление компьютеров четвертого поколения?
5. Почему при производстве ПЭВМ взята за основу архитектура и стандарты IBM PC ?
6. Перечислите характерные черты четвертого поколения.
7. Осветите историю развития отечественных ЭВМ. Какие ЭВМ можно отнести к ЭВМ пятого поколения?
8. Благодаря чему ЭВМ нашли широкое применение?
9. Назовите сферы использования ЭВМ.
10. Где применяются суперЭВМ?
11. С какого года начинается отсчет поколений ЭВМ?
12. Как меняется элементная база ЭВМ при смене их поколений?
13. Сравните производительность ЭВМ разных поколений.
14. Каковы перспективы развития ЭВМ?
Теоретические сведения
Поколения средств вычислительной техники
В истории развития вычислительной техники можно выделить четыре периода: ручной, механический, электромеханический и электронный.
В Ручной период создавалась не вычислительная техника, а счетные устройства, древнейшими из которых являются разного вида счеты.
Началом механического периода можно считать 1623г., когда была описана и реализована в единственном экземпляре механическая счетная машина, предназначавшаяся для выполнения четырех арифметических операций с 6-разрядными числами.
Электромеханический период развития вычислительной техники (ВТ) обусловлен развитием прикладной электротехники, позволившей создавать электромеханические вычислительные устройства.
Электронный период связан с развитием электроники и микроэлектроники и начинается созданием в США в 1946 г. Первой ЭВМ – машины ENIAC .
В 1938 г. Конрад Цузе (Германия) в домашних условиях собрал электромеханическую машину Z1 с программным управлением, клавиатурой для ввода задач, памятью на 64 числа и панелью с лампочками, на которой высвечивался результат вычислений. Она могла обрабатывать 22-разрядные двоичные числа с плавающей запятой. В следующей модели Z2 использовался вывод информации на перфоленту.
В 1941 г. К. Цузе создал третью модель — Z3, основанную на электромеханических реле и работавшую в двоичной системе счисления. Машина Z3 состояла из 600 реле счетного устройства и 2 000 реле устройства памяти. Она механически последовательно, шаг за шагом, считывала программу и производила 15 … 20 вычислительных операций в секунду.
Идеи создания вычислительных машин с применением электронных устройств возникли в конце 1930-х — начале 1940-х гг. независимо друг от друга в различных странах.
В 1937 г. Джон Атанасов (США) начал разработку специализированной вычислительной машины, впервые в мире применив электронные лампы в количестве 300 шт.
К 1943 г. при участии Алана Тьюринга в Великобритании была создана вычислительная машина «Колосс» с использованием 2 000 электронных ламп. Работы А. Тьюринга были секретными — впервые в мире машина была успешно применена для расшифровки радиограмм военного командования фашисткой Германии, засекречивание которых производилось на автоматической аппаратуре «Энигма», имеющей значительную стойкость к декодированию.
На основе описания аналитической машины Ч. Бэббиджа в 1944 г. в США была построена машина «Марк-1» на электромеханических реле, которая программировалась при помощи бумажной перфоленты.
Машина имела длину 15,3 м, высоту 2,4 м, массу около 35 т, длину проводов — более 800 км, количество соединений — более 3 млн. Она оперировала десятичными числами длиной до 23 разрядов; время перемножения чисел составляло 4 с. Машина «Марк-1» применялась военно-морскими силами США для решения различных задач оборонного характера.
Начиная с 1944 г. в работе над созданием вычислительной техники принял участие американский математик Джон фон Нейман. В 1946 г. он вместе с Г. Голдстайном и А. Берксом опубликовал важную для развития вычислительной техники статью «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства». В ней были высказаны две основные идеи, которые используются сейчас во всех ЭВМ: применение двоичной системы счисления и принцип хранимой программы.
Можно считать, что в 1940-е гг. закончилась эра механических и электромеханических вычислительных машин, называемых машинами нулевого поколения.
Поколения ЭВМ
Характеристики поколений ЭВМ
Элементная база
Электронные лампы
Транзисторы
СБИС, процессоры
Оптоэлектроника, криоэлектроника
Быстродействие (опер/сек)
100 тыс. – 1 млн.
10 9 + многопроцессорность
10 12 + многопроцессорность
Емкость ОЗУ (Кбайт)
Периферийные устройства
Магнитные ленты, перфоносители; ифровая печать
+ алфавитно-цифро-вая печать
+ дисплеи, графопостроители
+ цветные дисплеи, клавиатура, манипуляторы, принтеры, модемы
+ устройства ввода голоса, устройства чтения рукописного текста и др.
Области применения
Научно-технические расчеты
Обработ-ка число-вой и тексто-вой инфор-мации
ИС, АСУ и др.
все сферы деятельности, Интернет
+ развитые интеллектуальные системы
Примеры моделей ЭВМ
МЭСМ, БЭСМ-1, БЭСМ-2, М-20,
М-220, БЭСМ-3, Урал-14, Минск-32, БЭСМ-6
IBM 360/370 , ЕСЭРМ, СМЭВМ
ПК: IBM PC , Makintosh ,
СуперЭВМ: Cray , Cyber , Эльбрус
Первое поколение ЭВМ. Основной перелом в области информационных технологий начался после Второй мировой войны с появлением первых аналоговых и цифровых ЭВМ, в которых логические, запоминающие и другие устройства реализовывались на электронных приборах. С этого времени осуществляют отсчет поколений электронных вычислительных машин, напрямую связанных с развитием электроники и микроэлектроники, оказавших основное влияние на функциональные возможности, производительность, память, надежность, габаритные размеры, массу и потребляемую мощность ЭВМ.
В вычислительных машинах первого поколения основными элементами были электровакуумные устройства: электронные лампы и электронно-лучевые трубки.
В 1946 г. в США была построена первая электронная вычислительная машина «Эниак» (ENIAC). В машине использовалось 18 тыс. электронных ламп; ее масса составляла 30 т, потребляемая мощность — 160 кВт; она занимала площадь 170 м2 . ENIAC работала в двоичной системе счисления, выполняла около 5 тыс. операций сложения и 300 операций умножения в секунду, ее память составляла всего 20 слов.
Первой ЭВМ с хранимой программой стала английская машина ЭДСАК, построенная в 1949 г. в Кембридже под руководством профессора М. Уилкса.
Совершенствование первых образцов вычислительных машин привело к созданию в 1951 г. ЭВМ UNIVAC (США), предназначенной для коммерческого использования. Эта ЭВМ могла обрабатывать как цифровую, так и символьную информацию. Машина UNIVAC стала первой серийно выпускаемой ЭВМ, различные модели которой предназначались для свободной продажи.
В 1952 г. Джон фон Нейман разработал первый компьютер MANIAC I, использующий программы, записанные на гибком магнитном носителе — ленте.
Огромный вклад в развитие отечественных ЭВМ внес российский ученый, акад. Сергей Алексеевич Лебедев. Под его руководством была создана первая в России лаборатория по разработке ЭВМ, а затем (в 1951 г.) построена первая советская ЭВМ — малая (16-разрядная) электронная счетная машина (МЭСМ), собранная из 6 000 электронных ламп с быстродействием около 3 000 опер./с. В 1952 г. под руководством С. А. Лебедева была построена старшая модель семейства больших электронных счетных машин (БЭСМ) — БЭСМ-1, которая была в то время самой быстродействующей ма- шиной в Европе (8 000 … 10 000 опер./с). БЭСМ-1 и последовавшие за ней БЭСМ-2 и М-20 (20 тыс. опер./с) использовали серийные отечественные электронные лампы.
В 1954 г. под руководством Башира Искандаровича Рамеева была разработана архитектура и система команд ЭВМ «Урал». В 1957 г. была выпущена ламповая ЭВМ «Урал-1», которая, несмотря на невысокую производительность (100 опер./с) и оперативную память на магнитных барабанах (1 024 слова) была эффективна для инженерных расчетов и пользовалась большим спросом. Она стала первой моделью целого семейства «Урал», относилась к разряду недорогих машин и в течение длительного времени применялась в ведомственных вычислительных центрах.
В первом поколении машин был реализован метод хранимой программы; для ввода-вывода сначала использовались бумажные перфокарты и перфоленты, магнитная лента, а затем магнитные барабаны и печатающие устройства. Основной язык программирования — машинный код. Применение электронных ламп создавало множество проблем — из-за низкой надежности практически через несколько минут работы одна лампа выходила из строя, а так как в ЭВМ их было десятки тысяч, то для поиска неисправности и ремонта требовалось непрерывное обслуживание.
Второе поколение ЭВМ. Это поколение берет свое начало с 1956 г. с разработки в Массачусетском технологическом институте США первого компьютера на полупроводниковых элементах — транзисторах. Серийные ЭВМ на транзисторах стали производиться с 1958 г. К этому времени были спроектированы высокоскоростной принтер, носители информации на магнитной ленте и магнитных дисках. Появилась возможность создания бортовых ЭВМ военного назначения.
В 1958 г. американской компьютерной компанией Control Data, был разработан первый в мире транзисторный компьютер CDC 1604 для научных исследований, а через два года он был освоен в серийном производстве.
В 1960 г. в России перешли к созданию нового поколения семейства полупроводниковых машин: «Урал-11», «Урал-14» и «Урал-16». Появились новые семейства машин («Минск», МИР, БЭСМ и т. д.), большинство которых стали выпускаться серийно.
Среди ЭВМ второго поколения особо выделяется БЭСМ-6 (1957 г.). В то время это была одна из самых производительных вычислительных машин в мире с быстродействием около 1 млн опер./с.
Архитектура и многие технические решения в большинстве советских ЭВМ были настолько прогрессивными, что они дошли до нашего времени. Например, в машине МИР-2 телевизионный дисплей использовался совместно со световым пером, позволяющим изменять и корректировать данные прямо на экране.
В 1961 г. фирма DEC (Digital Equipment Corporation) спроектировала первую мини-ЭВМ из семейства PDP (Programmed Data Processor — программируемый цифровой процессор).
Логические схемы ЭВМ второго поколения строились на дискретных полупроводниковых приборах (диоды, транзисторы) и магнитных элементах (ферритовых сердечниках). В качестве конструктивно-технологической основы впервые стали широко использоваться платы с печатным монтажом. Тактовые частоты работы электронных схем повысились до сотен килогерц. При разработке программ кроме ассемблера стали применять языки программирования высокого уровня, такие как «Алгол» и «Фортран». В этот период возникла необходимость в профессии программиста.
Третье поколение ЭВМ . Проектирование ЭВМ третьего поколения началось в 1962 г. с выпуска кремниевых интегральных схем малой, а затем средней степени интеграции. Возникло новое направление в создании принципиально новой элементной базы — микроэлектроника; была основана корпорация Intel (Integrated Electronics Technologies Incorporаted), специализирующаяся на производстве интегральных микросхем.
В 1964 г. компания IBM (International Business Machines) выпустила семейство серийных (около 20 тыс. экземпляров) ЭВМ IBM- 360 различной производительности, но с общей архитектурой и полной программной совместимостью, которые были настолько востребованы, что стали основой для унификации, стандартизации и реализации принципов аппаратно-программной совместимости следующих поколений компьютеров.
В 1965 г. начался выпуск первых серийных мини-ЭВМ фирмы DEC — PDP-8, доступных по цене для средних и мелких коммерческих компаний.
Со второй половины 1960-х гг. СССР совместно со странами Совета Экономической Взаимопомощи (ГДР, Венгрия, Болгария, Польша, Чехословакия) стал разрабатывать ряд универсальных ЭВМ Единой системы (ЕС), аналогичных машинам IBM, и системы малых (СМ) ЭВМ. В 1972 г. началось серийное производство младшей модели семейства — ЕС-1010, а спустя год, — и других моделей. Их быстродействие составляло от 10 тыс. (ЕС-1010) до 2 млн (ЕС-1060) опер./с.
Первой серийной отечественной ЭВМ на интегральных гибридных схемах была машина «Наири-3», появившаяся в 1970 г. Особенности этой ЭВМ: наличие постоянного запоминающего устройства и микропрограммный принцип управления обработкой информации. ЭВМ «Наири-3» создавалась по агрегатно-блочному (модульному) принципу.
В США в 1972 г. была построена уникальная машина ИЛЛИАК-4, поставившая рекорд по скорости вычислений (200 млн опер./с). Такое быстродействие было достигнуто за счет отказа от классической архитектуры ЭВМ — перехода к параллельной обработке данных с использованием матрицы из 64 процессоров.
В период развития третьего поколения во всем мире начали выпускать в больших количествах универсальные ЭВМ для массового коммерческого применения. Этому способствовало появление новых языков программирования («Бейсик», «Паскаль»), операционных систем реального времени, совершенствование диалога пользователя с компьютером (использование графического интерфейса, манипулятора «мышь») и прикладных программ (текстовый процессор).
Четвертое поколение ЭВМ. Возникновение ЭВМ четвертого поколения вызвано бурным развитием микроэлектроники и созданием качественно новых функциональных устройств — микропроцессоров на базе больших (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС). Первый 4-разрядный микропроцессор Intеl 4004 был создан в конце 1971 г. корпорацией Intеl. В 1972 г. была представлена 8-разрядная микросхема 8008. Подтверждая известный закон Мура, который предполагает, что количество элементов на интегральных микросхемах должно удваиваться каждые полтора года, в 1974 г. был создан микропроцессор 8080, затем 8086, 80286, 80386, 80486 и современные процессоры семейства Pentium на СБИС.
Исходя из функционального назначения и производительности возникла устоявшаяся на несколько лет классификация ЭВМ (суперЭВМ, большие ЭВМ, мини-ЭВМ и микро-ЭВМ), которая в настоящее время устаревает, например исчез термин «мини- ЭВМ».
Наша промышленность с начала 1980 г. выпускала на интегральных схемах IBM-совместимые мини-ЭВМ серии ЕС, семейство СМ ЭВМ; микро-ЭВМ «Электроника 60», диалоговые вычислительные комплексы (ДВК), так называемые бытовые компьютеры серии БК.
Для средних учебных заведений сотрудниками института ядерной физики МГУ была разработана микро-ЭВМ «Корвет» (со встроенным интерпретатором языка Basic), которой некоторое время оснащались школы для проведения уроков по информатике.
Микро-ЭВМ привлекли в России настолько огромное внимание тысяч радиолюбителей, что возник настоящий бум в производстве самодельных домашних компьютеров. Одним из первых был «Радио-86РК», затем «Спектрум», на базе которого существовал ряд совместимых моделей, имеющих самый обширный фонд программного обеспечения.
В качестве дисплея использовался телевизор, программы загружались с катушечных и кассетных бытовых магнитофонов.
В 1980-х гг. в Советском Союзе появился целый ряд микропроцессорных плат «Электроника С5-21», позволяющий создавать многоплатные микро-ЭВМ требуемой конфигурации по принципу открытой архитектуры. Набор плат включал в себя одноплатную ЭВМ с уникальной системой команд и возможностью организации многомашинных систем; платы оперативного запоминающего устройства, постоянного запоминающего устройства, перепрограммируемого запоминающего устройства с ультрафиолетовым стиранием, параллельных и последовательных каналов ввода — вывода. В начале 1990-х гг. была спроектирована однокристалльная ЭВМ «Электроника С5-31», которая нашла применение в специальной технике.
К сожалению, в это время фактически прекратилась разработка отечественной элементной базы, а массовое производство ЭВМ в значительной мере переориентировалось на тиражирование зарубежной вычислительной техники на покупных комплектующих элементах иностранного производства. В какой-то мере этому способствовало отсутствие унификации в отечественном программном обеспечении.
К середине 1970-х гг. особо выделились две тенденции развития четвертого поколения машин: суперЭВМ и персональные компьютеры.
В 1976 г. компания Cray Research построила суперЭВМ «Крей-1», производившую 100 млн опер./с. В 1985 г. суперкомпьютер «Крей-2» имел быстродействие 1,2 млрд опер./с, а в 1997 г. суперЭВМ Janus корпорации Intel преодолела рубеж в 1 трлн опер./с.
К данному классу машин относились советские многопроцессорные вычислительные комплексы «Эльбрус-1» (производительность — до 10 млн опер./с) и «Эльбрус-2» (производительность — до 125 млн опер./с), в которых для отвода теплоты пришлось впервые использовать водяное охлаждение плат.
Возникновение персонального компьютера непосредственно связано с появлением и совершенствованием микро-ЭВМ, поэтому эти термины в литературе иногда использовали как синонимы. В настоящее время трудно определить, когда был произведен первый полнофункциональный персональный компьютер. Некоторые считают, что первая персональная ЭВМ была разработана в 1973 г. во Франции (ее автор — Труонг Тронг Ти).
В 1973 г. компанией Xerox был представлен персональный микрокомпьютер Alto, в котором впервые был применен принцип вывода программ и файлов на экран в виде графических окон. В следующем году в продажу поступил компьютер Altair-8800, созданный малоизвестной американской фирмой, который сразу стал популярным, хотя его возможности были очень ограниченными (оперативная память — 256 байт, клавиатура и экран отсутствовали). Этой популярности компьютера способствовало создание Биллом Гейтсом (один из основателей фирмы Microsoft) интерпретатора языка «Бейсик», что позволило непрофессиональным пользователям самостоятельно достаточно просто писать для него программы.
Массовое производство и внедрение в практику персональных компьютеров связано с именем Стива Джобса — руководителя и основателя американской фирмы Apple Computer, наладившей в 1977 г. выпуск персональных компьютеров Apple.
В 1981 г. фирма IBM выпустила свой первый микрокомпьютер IBM PC (Personal Computer — персональный компьютер) с открытой архитектурой, основанный на 16-разрядном микропроцессоре 8088 фирмы Intel.
Компьютер поставлялся с монохромным текстовым дисплеем, имел два дисковода для 5-дюймовых гибких магнитных дискет на 160 Кбайт, оперативную память 64 Кбайт и первую версию дисковой операционной системы MS DOS, заказанной у фирмы Microsoft.
В 1982 г. СССР начал выпуск ПЭВМ «Агат».
В 1984 г. компания Apple представила компьютер «Макинтош» (Macintosh) на базе микропроцессора Motorola 68000 со встроенными средствами экранного взаимодействия с пользователем — графическим интерактивным интерфейсом, позволявшим вводить команды управления в виде небольших изображений — значков (пиктограмм), выбирая их с помощью манипулятора «мышь».
С этими новшествами и накопителями на 3,5-дюймовых дискетах персональный компьютер стал еще более доступным непрофессиональным пользователям.
Принцип открытой архитектуры настолько повлиял на развитие ПЭВМ, что произошел стремительный рост не только производства различных комплектующих и дополнительных устройств для компьютеров IВМ РС, но и числа фирм, выпускающих совместимые с ними разнообразные вычислительные машины.
С этого времени рост промышленного производства персональных компьютеров стали обеспечивать и другие производители: Соmpaq, Zenith, АSТ, Арricot, которые за основу проектирования взяли открытую архитектуру и стандарты IBM PC.
Пользователи таких ПЭВМ получили возможность продлевать жизненный цикл своих компьютеров — самостоятельно модернизировать их аппаратную часть, оснащая современными устройствами различных производителей и не заботясь о совместимости программных продуктов.
В настоящее время производится такое разнообразие компьютеров, что практически невозможно отследить всю существующую номенклатуру машин четвертого поколения и тем более предсказать их развитие (рис. 1.1).
На развитие четвертого поколения ЭВМ в значительной степе- ни повлияло непрерывное совершенствование операционных си- стем Windows, пришедших на смену DOS.
Пятое поколение ЭВМ . К ЭВМ пятого поколения относятся обучающиеся системы с искусственным интеллектом, обеспечивающие переход от обработки информации к формализованной обработке профессиональных знаний с использованием естественных языков. Для решения задач распознавания рукописного ввода, речи и изображений с 1990-х гг. стали использовать модель биологического нейрона и искусственную нейтронную сеть на его основе.
По своей сути нейрон является простейшим сумматором входных сигналов, преобразующих их сумму в значение функции, зависящей от состояния самого нейрона. Каждый нейрон может иметь несколько входов и один выход. Нейронная сеть образуется соединением выходов одних нейронов с входами других. Нейронная сеть эквивалентна цифровой сложной схеме и, следовательно, может стать основой нейрокомпьютера. Программирование сети заключается в ее обучении для решения конкретной задачи, которое соответственно меняет структуру сети, изменяя связи между нейронами.
Возможность разработки таких ЭВМ тесно связана с созданием качественно новых компонентов с использованием достижений нанотехнологий, возможно, на иных физических принципах. Компьютеры с нейронной структурой, организованной распределенной сетью большого числа (от нескольких десятков до 108 ) параллельно работающих простых элементов — нейронов — смогут воспроизводить функционирование сложных биологических структур.
Традиционно продолжается совершенствование технологии производства СБИС. Например, корпорация Intel предполагает не применять для сборки микропроцессоров отдельно изготовленные корпуса, а «выращивать» их вокруг кристалла микросхемы. По предварительным оценкам это позволит создавать многоядерные процессоры, содержащие более миллиарда транзисторов и работающие на тактовых частотах до 20 ГГц.
Суперкомпьютеры в настоящее время широко используют параллельные вычисления. Как показывают исследования, в среднем вычислительная мощь настольных ПЭВМ отстает от уровня производительности суперкомпьютеров на 13 лет, так как по производительности современные персональные компьютеры практически полностью соответствуют суперкомпьютерам того времени. С внедрением многоядерных процессорных архитектур параллельное программирование начинает распространяться и на ПЭВМ. Количество систем, построенных на базе многоядерных процессоров, резко возрастет, поэтому развитие суперкомпьютеров начинает влиять на перспективы формирования архитектуры персональных компьютеров следующих поколений.
Программы разработки ЭВМ пятого поколения приняты во многих странах и, возможно, в ближайшем времени мы узнаем результат от их реализации.
Список литературы
Аппаратное обеспечение ЭВМ/ В.Д. Сидоров, Н.В. Струмпэ. – 3-е изд. – М.: Издательский центр «Академия», 2019. — 336с.
Аппаратное обеспечение ЭВМ. Практикум / Н.В. Струмпэ, В.Д. Сидоров. – 3-е изд. – М.: Издательский центр «Академия», 2019. — 160с.
The complete history of the IBM PC, part one: The deal of the century
Bill Gates, mysterious deaths, and the business machine that sparked a home revolution.
Jimmy Maher — Jun 30, 2017 2:02 pm UTC
reader comments
Nota bene: This is the first part of an epic, 8,000-word history of the IBM PC. You can find part two of the story over here.
It’s nevertheless telling that, although it was almost never referred to by this name, the IBM PC when it finally arrived had the official designation of (with apologies to Van Halen) the IBM 5150, a continuation of the 5100 line of portable computers rather than an entirely new thing—this even though it shared none of the architecture of its older siblings.
In February of 1978 IBM began working on its first microcomputer—and it still wasn’t the IBM PC. It was a machine called the System/23 Datamaster.
Designed once again for an office environment, the Datamaster was built around an Intel 8085 microprocessor. It was large and heavy (95 pounds), and still cost in the $10,000 range, which combined with its very business-oriented, buttoned-down personality continued to make it feel qualitatively different from machines like the Apple II. Yet it was technically a microcomputer. IBM was a huge company with a legendarily labyrinthine bureaucracy, meaning that projects could sometimes take an inordinately long time to complete. Despite the Datamaster project predating the PC project by two years, the former didn’t actually come out until July of 1981, just in time to have its thunder stolen by the announcement of the IBM PC the following month. Still, if the question of IBM’s first microcomputer ever comes up in a trivia game, there’s your answer.
OK, now the story really begins
Further Reading
The machine that would become known as the real IBM PC begins, of all places, at Atari. Apparently feeling their oats in the wake of the Atari VCS’ sudden Space Invaders-driven explosion in popularity and the release of its own first PCs, the Atari 400 and 800, they made a proposal to IBM’s chairman Frank Cary in July of 1980: if IBM wished to have a PC of its own, Atari would deign to build it for them.
Far from being the hidebound mainframer that he’s often portrayed as, Cary was actually something of a champion of small systems—even if «small systems» in the context of IBM often meant something quite different from what it meant to the outside world. Cary turned the proposal over to IBM’s Director of (data) Entry Systems, Bill Lowe, based out of Boca Raton, Florida. Lowe in turn took it to IBM’s management committee, who pronounced it «the dumbest thing we’ve ever heard of.» (Indeed, IBM and Atari make about the oddest couple imaginable.) But at the same time, everyone knew that Lowe was acting at the personal behest of the chairman, not something to be dismissed lightly if they cared at all about their careers. So they told Lowe to assemble a team to put together a detailed proposal for how IBM could build a PC themselves—and to please come back with it in just one month.
Lowe assembled a team of twelve or thirteen (sources vary) to draft the proposal. In defiance of all IBM tradition, he deliberately kept the team small, the management structure informal, hoping to capture some of the hacker magic that had spawned PCs in the first place. His day-to-day project manager, Don Estridge, said, «If you’re competing against people who started in a garage, you have to start in a garage.»
One might have expected IBM, the Goliath of the computer industry, to bludgeon its way into the PC market. Even as they congratulated themselves for having built this new market using daring, creativity, and flexibility stolid IBM could not hope to match, many PC players lived in a sort of unvoiced dread of exactly this development. IBM, however, effectively decided to be a good citizen, to look at what was already out there, and talk to those who had built the PC market to find out what was needed, where a theoretical IBM PC might fit.
In that spirit, Jack Sams, head of software development, recommended that they talk to Microsoft. Sams was unusually aware of the PC world for an IBMer; he had actually strongly pressed for IBM to buy the BASIC for the Datamaster from Microsoft, but had been overruled in favour of an in-house effort. «It just took longer and cost us more,» he later said. Sams called Bill Gates on July 21, 1980, asking if he (Sams) could drop by its Seattle office the next day for a friendly chat about PCs. «Don’t get too excited, and don’t think anything big is about to happen,» he said.
Gates and Steve Ballmer, his right-hand man and the only one in this company of hackers with a business education, nevertheless both realised that this could be very big indeed. When Sams arrived with two corporate types in tow to function largely as «witnesses,» Gates came out personally to meet them. (Sams initially assumed that Gates, who still had the face, physique, and voice of a twelve-year-old, was the office boy.) Sams immediately whipped out the non-disclosure agreement that was standard operating procedure for IBM.
«IBM didn’t make it easy,” Gates recalled later. “You had to sign all these funny agreements that sort of said IBM could do whatever they wanted, whenever they wanted, and use your secrets however they felt. So it took a little bit of faith.» Nevertheless, he signed it immediately.
Sams wanted to get a general sense of the PC market from Gates, a man who was as intimately familiar with it as anyone. In this respect, Gates was merely one of a number of prominent figures he spoke with. However, he also had an ulterior motive: to see just what kind of shop Gates was running, to try to get a sense of whether Microsoft might be a resource his team could use. He was very impressed.
After consulting with Gates and others, Lowe presented on August 8 a proposal for the machine that IBM should build. Many popular histories, such as the old PBS documentary Triumph of the Nerds, give the impression that the IBM PC was just sort of slapped together in a mad rush. Actually, a lot of thought went into the design. There were two very interesting aspects.
Конструкция и аппаратный состав IBM PC
Блок схема любого компьютера состоит из пяти частей (рисунок 1.1):
Рисунок 1.1. Обобщенная блок-схема ЭВМ.
Две части: АЛУ и УУ составляют центральное процессорное устройство (в РС – CPU – микропроцессор).
АЛУ (арифметико=дигическое устройствр) предназначено для выполнения арифметических и логических процедур программы вычислений.
УУ (устройство управления) выполняет функции управления устройством АЛУ, оперативной памятью и синхронизирует работу всех составных частей вычислительной системы (в РС УУ встраивается в CPU). Устройство управления вычислительной системой может быть выполнено на жесткой логике, или использовать микропрограммный способ управления.
Как известно, управление вычислительным устройством осуществляется аппаратно с помощью фиксированных для каждой вычислительной системы специальных сигналов, называемых элементарными операциями.
При выполнении УУ с жесткой логикой, выработка нужных последовательностей элементарных операций производится с помощью дешифратора кода операций и распределителя синхронизирующих импульсов (РСИ). При этом аппаратная реализация такого УУ получается очень сложной и громоздкой. Это связано с тем, что дешифратор кода операций должен иметь столько выходов, сколько разных команд имеется в системе машинных (ассемблерных) команд данной вычислительной системы, и каждый из выходов такого дешифратора должен иметь свой собственный РСИ. Кроме того, такое УУ совершенно негибко в части внесения каких-либо изменений в систему команд (потому-то она и называется жесткой), т. к. в этом случае потребуются аппаратные изменения, как в дешифраторе команд, так и в системе РСИ. Но, тем не менее, реализованное на жесткой логике управление является весьма быстродействующим и находит применение в специализированных вычислительных системах.
Для упрощения аппаратной структуры устройства управления был разработан метод микропрограммного управления. Суть его состоит в том, что для каждой машинной операции разработана своя микропрограмма, состоящая из последовательности отдельных микрокоманд. Каждая из микрокоманд, в свою очередь, содержит либо непосредственно набор элементарных операций (микроопераций), которые необходимы для выполнения данного шага микропрограммы и могут быть выполнены одновременно, либо только коды элементарных операций, которые должны быть одновременно выполнены в данной микрокоманде. В последнем случае, коды элементарных операций тоже расшифровываются, но очень простыми дешифраторами, так что структура микрокоманды упрощается и становится похожей на структуру обычной машинной команды. Обобщенно структуру микрокоманды можно представить так:
КМкОп – код микрооперации (принять, выдать данные, сбросить регистр и т. п.)
Адр – адрес компоненты (регистра, формирователя, сумматора и т. д.), для которой должна быть выполнена данная микрооперация.
Последовательность микрокоманд (с учетом условий их выполнения, переходов в микропрограмме, подобно машинным, ассемблерным командам) и составляет конкретную микропрограмму. Вся система микропрограмм обычно хранится в ПЗУ микропроцессора, но иногда и в ОЗУ микропроцессора. Последнее требует перед началом работы загрузить ОЗУ микропрограмм, но такой прием позволяет, загрузив другую систему микропрограмм, работать в другой ассемблерной системе команд.
Каждая из микропрограмм вызывается на исполнение по коду операции исполняемой ассемблерной команды, так что последовательность выполняемых микропрограмм однозначно определяется последовательностью ассемблерных команд выполняемой в данный момент программы.
Увв (устройство ввода) и Увыв (устройство вывода) в ПК составляют подсистему ввода-вывода. Увв – для ввода исполняемых программ, оперативных настроек операционной системы, прикладных программ, исходных данных для вычислений и команд оперативного управления вычислительным процессом. Увыв – для вывода оперативной информации, результатов вычислений (на дисплей, печатающие устройства, удаленные терминалы, абонентам сетей и т. д.), различных программных файлов, данных для резервного хранения и т. п.
ЗУ (запоминающее устройство) включает в себя ОЗУ и ПЗУ (RAM и ROM BIOS). ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) предназначается для хранения рабочей программы в процессе вычислений, а также для оперативного хранения исходных данных, промежуточных и конечных результатов вычислений до завершения выполняемой программы. Если в качестве автоматического вычислительного устройства иметь в виду конкретно компьютер, то в ОЗУ компьютера хранятся, при его работе, еще и операционная система, программы-драйверы управления периферийными устройствами и ряд других служебных программ и оперативных настроек системы. В ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) ROM BIOS персонального компьютера хранятся, в основном, служебные программы-драйверы, необходимые, по крайней мере, для загрузки операционной системы. ПЗУ нужно потому, что ОЗУ, выполняемое обычно на динамических полупроводниковых элементах памяти, при выключении питании компьютера теряет всю информацию.
Система ввода-вывода в компьютерах, в свою очередь, распадается на подсистемы: консоли (KBD и видеоподсистема), дисковую подсистему, коммуникационные COM- и LPT-порты и т. д.
Несколько слов о консоли. Видеомонитор и клавиатура по традиции, берущей начало от системы IBM-360 и ЕС ЭВМ, принято называть консолью ЭВМ или ПЭВМ. Это уже давно устоявшееся название используется и сейчас. Так, в ROM BIOS PCDOS есть драйвер CON (Console) – системный драйвер клавиатуры и дисплея.
Конструктивно подсистемы видео, дисковая, коммуникации, периферийных устройств и клавиатура, в большинстве случаев, располагаются не на системной плате и соединяются с ней посредством системной шины через разъемы – слоты расширения. Именно это и позволяет аппаратно реконфигурировать систему, подключая, при необходимости, к слотам расширения системной шины разные виды контроллеров, адаптеров, а к ним – и нужные устройства ввода-вывода. Впрочем, отдельные типы РС, такие как LapTop, Note-Book имеют встроенные видеосистему, клавиатуру, дисковую систему, а некоторые из моделей и DeskTop, выполняющиеся по принципу BabyBoard, имеют непосредственно на системной плате многие из контроллеров ВУ и ПУ и даже НЖМД. Это ухудшает способность РС к реконфигурированию, но снижает себестоимость и, соответственно, цену РС.
Контрольные вопросы.
1. Каково назначение АЛУ?
2. Каково назначение блока УУ?
3. Где, по фон-Нейману, должна находиться программа для автоматического выполнения вычислений?
4. Для чего предназначены блоки Увв и Увыв?
5. Как может быть реализован блок УУ?
6. Какие пять основных частей составляют компьютер?
7. Какие основные функции возложены на CPU?
8. Какое конструктивное решение позволяет легко реконфигурировать РС?
9. Что понимается под аппаратной конфигурацией и реконфигурацией компьютера?
10. Какие устройства входят в понятие консоли ЭВМ и ПЭВМ?
1.2 Структурная схема PC/AT
Типичная структурная схема РС/АТ в развернутом виде представлена на рисунке 1.2.
Центральным устройством, осуществляющим все вычислительные функции, функции управления и синхронизации работы всех подсистем РС, является CPU, содержащий АЛУ, регистровую память, дешифратор команд, микропрограммное устройство управления и, в последних версиях CPU “Pentium”, буферную (кэш) память.
Рисунок 1.2. Блок-схема РС/АТ.
PS (Power Supply) – блок питания.
GCLK – генератор тактовых импульсов. GCLK и PS изображены отдельно, так как их функции, сигналы и взаимосвязи с остальными блоками очевидны.
FPU (Floating Point Unit – устройство плавающей точки) – математический сопроцессор. FPU предназначается для выполнения операций с плавающей точкой и вычислений: тригонометрических функций, логарифмов и т. п.
DRAM и ROM BIOS – оперативная и постоянная память компьютера, соответственно.
contr KBD (Controller KeyBoard) – контроллер клавиатуры. Изображенный на блок-схеме контроллер клавиатуры в слот расширения не вставляется, а смонтирован непосредственно на системной плате, но связан все-таки непосредственно с системной шиной (SB), из которой и образованы щелевыми разъемами слоты расширения системной шины.
В слоты расширения (Slots) вставляются дочерние карты-контроллеры внешних устройств: мониторов (CGA, MDA), манипуляторов (COM), принтеров (LPT) или адаптеры других периферийных устройств (APU) – жестких дисков, дисководов и т. д. К этим картам и подключаются соответствующие внешние устройства. Например, мониторы цветной (MON-C), монохромный (MON-M), манипулятор (Mouse), принтер (PRN), дисковод компакт-дисков (CD), накопители на гибких (FDD) и жестких (HDD) дисках и другие периферийные устройства (PU), входящие в данную аппаратную конфигурацию рабочей (компьютера).
Базовый комплект персонального компьютера включает в себя три блока:
По конструкции системные блоки (SU – SystemUnit) могут быть:
— настольные (Desk Top),
— напольные (Desk Size),
— переносные (Lap Top, Brief-Case-Size),
— миниатюрные (Book-Size, Pocket, Hand-Held, Note-Book).
Системный блок (SU) всегда содержит:
— системную плату (SB – System Board), объединяющую вокруг локальной шины (LB) микропроцессора все электронные компоненты подсистем и периферийных устройств ввода-вывода,
— импульсный блок питания (Power Supply),
— устройства подсистемы внешних запоминающих устройств (ВЗУ),
— систему принудительного охлаждения (вентиляции),
— набор карт адаптеров УВВ (I/O Card Adapter), устанавливаемых в разъемах расширения системной шины, но в некоторых типах РС адаптеры УВВ могут быть установлены и прямо на SB.
ПЭВМ на базе CPU i386 могут быть организованы по следующим архитектурным стандартам:
Архитектура AT BUS (имеющая и другое обозначение: ISA – Industry Standard Architecture).
AT BUS имеет большую армию производителей клонов IBM PC/AT, использующих, для индустрии ПЭВМ среднего класса, отлаженные технологические линии производства всех компонент ПЭВМ. Рынок ПЭВМ был быстро освоен копировщиками клонов, благодаря принципам модульности, унификации, открытости архитектуры, способности к модернизации и сравнительной дешевизне ПЭМВ, при хороших потребительских показателях подсистем оборудования. Данная архитектура предполагает, для развертывания подсистемы ввода-вывода, наличие на SB группы из трех типов разъемов, дополняющих друг друга. Первый из них – 62-контактный, практически полностью перенесенный из клона IBM XT. Второй разъем – 36-контактный, дополняющий первый по линиям адреса до 24, данных – до 16, в нем имеются также дополнительные линии подсистем ПДП и прерываний. Третий разъем не стандартизован. Он может быть представлен различными вариантами расширений до 32-битовых линий данных, при установке дополнительной памяти, либо спецификацией локальной шины VL BUS (предложена ассоциацией по стандартизации в области видео электроники VESA).
Архитектура MCA (Micro Channel Architecture).
Эта шина предназначается для высокопроизводительных высокоскоростных систем. Организация обмена по 32-битовой шине варьируется различными способами информационного обмена, наиболее скоростной из которых – пакетный. Система имеет большой резерв для усовершенствования, и нашла применение в технологических линиях производства PS/2 и Power Station Server, фирмы IBM. Наряду с многочисленными достоинствами архитектуры, в МСА имеется ряд существенных недостатков. Например, далеко не все типы карт расширения для подключения УВВ можно установить в разъемы МСА, логический и физический интерфейс не совместимы с архитектурой ISA, и ряд других ограничений.
Архитектура EISA (Extended ISA).
Это усовершенствованная шина АТ BUS. Группа основных производителей клона IBM PC (кроме фирмы IBM), с целью создания шины, конкурентоспособной шине МСА, разработала свою архитектуру шины – EISA. Эта шина, в отличие от MCA, совместима с AT BUS и, вместе с тем, тоже способна работать в высокоскоростных мультипроцессорных системах. Многократные тестирования, проведенные независимыми экспертами, в итоге не позволили выявить шину-лидера в споре МСА с EISA, но отечественные пользователи предпочитают последнюю. Впрочем, в современных моделях ПЭВМ используются, наравне с шиной EISA, и более новые стандарты шин, такие как PCI и USB. В большинстве системных плат современных РС все же оставляют 2-3 разъема с архитектурой EISA, для возможности подключения карт адаптеров старых моделей.
Контрольные вопросы.
1. Какие блоки обязательно входят в минимальный базовый комплект РС?
2. Как различаются РС по конструктивному исполнению?
3. Какие функциональные устройства должен содержать системный блок?
4. По каким архитектурным стандартам может быть организована ПЭВМ на базе CPU i386?
5. В чем достоинства и недостатки архитектуры ISA?
6. Почему архитектура МСА не получила широкого применения?
7. Какие преимущества имеет архитектура EISA?