Поколения ЭВМ и автоматизация вычислительных работ

ЭВМ или компьютер – это комплекс аппаратных и программных средств, предназначенный для решения задач пользователя (рис. 5.1).

 

Рис. 5.1

 

При этом в качестве пользователя могут выступать заказчики вычислительных работ, программисты, операторы и др.

В общем случае процесс подготовки и решения задач на ЭВМ пользователями включает следующие этапы.

Этап 1. Формулировка проблемы и математическая постановка задачи.

Этап 2. Выбор метода и разработка алгоритма решения.

Этап 3. Программирование (запись алгоритма, кодирование) на некотором языке.

Этап 4. Планирование и организация вычислительного процесса (т.е. определение порядка использования ресурсов ЭВМ).

Этап 5. Формирование машинной программы на языке команд ЭВМ.

Этап 6. Непосредственное решение задачи – вычисление по готовой программе.

Как правило, время подготовки задач во много раз превышает время их решения. Поэтому каждая ЭВМ имеет специальный комплекс программных средств, обеспечивающий:

- снижение трудоемкости подготовки задач к их решению;

- эффективное использование технических и программных средств ЭВМ;

- облегчение эксплуатации ЭВМ в целом.

Обычно аппаратные и программные средства взаимосвязаны и объединяются в одну структуру. Структура представляет собой совокупность элементов и их связей. Различают структуры технических, программных, аппаратно-программных и информационных средств.

Часть программных средств обеспечивает взаимодействие пользователя с ЭВМ. Она называется операционной системой и является ядром программного обеспечения ЭВМ.

Программное обеспечение ЭВМ - это комплекс программных средств регулярного применения, предназначенный для создания необходимого сервиса в работе пользователей ЭВМ.

Поэтому развитие ЭВМ следует рассматривать в комплексе с развитием их программного обеспечения. На пути развития электронной вычислительной техники можно выделить ряд поколений ЭВМ, отличающихся:

- элементарной базой;

- функционально-логической организацией;

- конструктивно-технической организацией;

- программным обеспечением;

- техническими и эксплуатационными характеристиками;

- степенью доступа к ЭВМ пользователей.

Однако основной тенденцией при смене поколений было и остается стремление уменьшить трудоемкость решения задач на ЭВМ и повысить эффективность их использования. Это достигается за счет автоматизации рассмотренных выше этапов подготовки задач к решению.

По мере развития ЭВМ автоматизация этих этапов идет снизу вверх (от последних к первым), что показано в следующей таблице.

 

Поколение ЭВМ	Этапы подготовки и решения задач на ЭВМ
Поста-новка задачи	Выбор метода и разработка алгоритма	Програм-мирование на входном языке	Организа-ция вычис-лительного процесса	Получение машинной программы	Решение задачи на ЭВМ
Первое	Пользователь	Аппа-ратура
Второе	Пользователь	Программные средства	Аппа-ратура
Третье	Пользователь	Программные средства	Аппа-ратура
Четвертое	Пользователь	Программные средства	Аппаратура

 

Возможности улучшения показателей ЭВМ в значительной степени зависят от элементов, используемых при построении их электронных схем. Поэтому при рассмотрении этапов развития ЭВМ каждое поколение характеризуется в первую очередь используемой базой.

Первое поколение охватывает все первые ЭВМ, в которых основным активным элементом была электронная лампа (триод). Остальные компоненты - обычные резисторы, конденсаторы, трансформаторы. Для построения оперативной памяти использовались электронно-лучевые трубки, затем с середины 50-х годов - ферритовые сердечники (с прямоугольной петлей гистерезиса).

В качестве устройств ввода-вывода сначала применялась стандартная телефонная аппаратура (телетайпы, ленточные и карточные перфораторы и др.). Затем были разработаны электромеханические запоминающие устройства на магнитных лентах, барабанах, дисках и быстродействующие печатные устройства.

ЭВМ первого поколения имели большие размеры, потребляли большую мощность, имели малое быстродействие, малую емкость оперативной памяти, невысокую надежность. В частности: быстродействие -от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч операций в секунду; емкость оперативной памяти - несколько тысяч машинных слов; надежность - несколько часов безотказной работы.

В этих ЭВМ автоматически выполнялись только вычисления (6-й этап), а вся подготовка задач к решению выполнялась вручную, включая получение машинных кодов программ. Это очень трудоемкий этап, который был источником большого числа ошибок. Поэтому в ЭВМ следующих поколений появились сначала отдельные элементы, а затем и целые системы, облегчающие процесс подготовки задач к решению.

Второе поколение ЭВМ появилось в конце 50-х - начале 60-х годов, когда на смену лампам пришли транзисторы – полупроводниковые триоды. Впервые в июле 1948 года на одной из страниц «Нью-Йорк Таймс» было размещено скромное сообщение о том, что фирма «Bell Laboratories (Bell Labs)» разработала электронный прибор, способный заменить электронную лампу. Это был первый действующий транзистор, изобретателем которого является американский физик Уильям Шокли (1910 - 1989). Работа над созданием транзистора была начата в 1938 г. и в 1948 году успешно завершилась совместно с физиком Джоном Бардиным и экспериментатором фирмы Уолтером Браттейном.

Использование транзисторов позволило повысить быстродействие, надежность, емкость оперативной памяти. Все основные характеристики возросли на 1-2 порядка. В частности, наиболее мощные ЭВМ II поколения, такие как Stretch (США), Atlas (Англия), БЭСМ-6 (СССР), имели быстродействие до 1 миллиона операций в секунду. Существенно были уменьшены размеры, масса, потребляемая мощность. Большим достижением было применение печатного монтажа.

Особенностью ЭВМ второго поколения является их дифференциация по применению. Появились компьютеры для решения научно-технических и экономических задач, для управления производственными процессами и различными объектами (управляющие ЭВМ).

В области программного обеспечения главным достижением было появление систем автоматизированного программирования. Они базировались на алгоритмических языках Алгол, Фортран и др. и соответствующих трансляторах, что позволило автоматически формировать машинные программы, включая использование библиотек стандартных программ.

Переход к третьему поколению ЭВМ (конец 60-х - начало 70-х годов) обусловлен необходимостью решения следующих проблем:

1) быстродействие транзисторных ЭВМ не могло быть увеличено из-за конструктивного исполнения. Препятствием явилась скорость распространения электромагнитных сигналов, сравнимая со скоростью света (3×10¹⁰ см/с). Если переключаемый элемент будет работать со скоростью 10⁹ переключений в секунду (частота 10⁹ Гц), то за время одного переключения (из состояния 0 в 1 или наоборот) сигнал сможет пройти около 30 см. Расстояние между необходимыми элементами может быть большим, и весь выигрыш в частоте переключений будет потерян за счет большого времени передачи сигнала;

2) микроминиатюризация конструкции ЭВМ была затруднена из-за необходимости использования отдельных (дискретных) элементов, т.е. транзисторов, диодов, резисторов и др. В частности, к каждому транзистору нужно припаять три вывода.

Развитие интегральной технологии позволило решить эти проблемы применением интегральных схем. Интегральная схема - это законченный логический или функциональный узел ЭВМ, имеющий достаточно сложную транзисторную схему (регистр, счетчик, дешифратор, сумматор и др.). Изобретателями первых ИС (в виде системы взаимосвязанных транзисторов на единой кремниевой пластине) были Роберт Нойс (1927-1990) из компании Fairchild Semiconductor и Джек Килби из фирмы Texas Instruments.

Использование интегральных схем позволило:

- улучшить характеристики ЭВМ (до 100 млн операций в секунду);

- обеспечить широкую номенклатуру унифицированных устройств для построения разнообразных систем обработки данных;

- а также способствовало появлению многослойного печатного монтажа.

Основной особенностью программных средств для ЭВМ третьего поколения явилось появление программного обеспечения и развитие его ядра - операционной системы. Стоимость программного обеспечения стала расти и в настоящее время существенно опережает стоимость аппаратуры.

Рис. 5.2

 

Операционная система обеспечивает организацию и управление вычислительным процессом. Она планирует распределение и использование вычислительных ресурсов, к которым относят:

- машинное время процессоров;

- объемы оперативной и внешней памяти;

- внешние устройства ввода/вывода;

- библиотеки программ;

- отдельные программы общего и специального применения и др.

Одновременно были реализованы более сложные режимы работы ЭВМ:

- коллективный доступ к ресурсам;

- мультипрограммные режимы работы;

- доступ к ЭВМ удаленных пользователей (десятки и сотни километров).

Важной тенденцией в развитии ЭВМ третьего поколения явилась тенденция к унификации ЭВМ, т.е. к созданию серий программно-совместимых машин, построенных на единой элементной базе и имеющих единую конструктивно-технологическую основу, единый унифицированный набор внешних устройств, единую систему программного обеспечения. Примерами являются семейства ЭВМ IBM System 360/370 (США), EC ЭВМ (СССР), PDP-11 компании DEC (Digital Equipment Corporation, США), CM ЭВМ (СССР) и др.

Для ЭВМ четвертого поколения, которые появились в 80-е годы, характерно применение больших интегральных схем (БИС). Высокая степень интеграции обеспечила:

- увеличение плотности компоновки электронной аппаратуры;

- усложнение функций аппаратуры;

- повышение надежности и быстродействия;

- снижение стоимости.

Это оказывает существенное влияние на логическую структуру ЭВМ и её программное обеспечение. Более тесной становится связь структуры ЭВМ и операционной системы.

Важнейшим технологическим достижением в развитии электронной техники стало появление в 1971 году микропроцессоров. Первый микропроцессор (модель 4004) разработан в 1971 году в компании Intel (Integrated Electronics, США). Эта компания основана в 1968 году. В 1969 году была создана компания AMD (Advanced Micro Devices, США). Эти компании конкурируют на рынке микропроцессоров на протяжении многих лет. Первый микропроцессор 4004 был 4-разрядным и включал более 2 тысяч транзисторов.

С появлением микропроцессоров появился и новый класс ЭВМ - микроЭВМ, на смену которым пришли персональные компьютеры. Первые персональные компьютеры были 8-разрядные (Apple I, II; IBM на основе микропроцессора Intel 8080). Однако широкое распространение они получили с увеличением разрядности до 16 (IBM PC на базе микропроцессоров Intel 8086 и Intel 80286).

Дальнейшее развитие микроэлектроники привело к появлению микропроцессоров с разрядностью 32 и 64, которые были реализованы в виде сверхбольших интегральных схем (СБИС) и использовались при создании новых моделей персональных компьютеров и мощных ЭВМ различного назначения.

Отличительной чертой больших мощных ЭВМ четвертого поколения является наличие в одной машине десятков, сотен и даже тысяч устройств обработки данных - процессоров, которые могут дублировать работу друг друга для повышения надежности или работать независимо и одновременно для повышения скорости вычислений. Примерами могут служить многопроцессорные ЭВМ «Эльбрус» (СССР) и IBM 196 (США) с быстродействием 15 млн операций в секунду.

Последним на сегодняшний день считается пятое поколение ЭВМ. Проект создания таких машин, рассчитанный на 10 лет, был объявлен в начале 80-х годов японскими специалистами. Эти работы были поддержаны инженерами США, СССР и ряда стран западной Европы. Целью проекта было создание принципиально нового способа взаимодействия пользователя с ЭВМ на основе искусственного интеллекта.

В предыдущих поколениях человек тщательно составлял и формулировал последовательность действий по решению задачи. В ЭВМ пятого поколения пользователь должен только определить цель, по которой машина самостоятельно должна составить план действий и получить решение. Такой способ решения задачи называется логическим программированием и базируется в большей степени на развитии программного обеспечения. Взаимодействие с ЭВМ должно выполняться на уровне естественного языка.

Полностью решить весь комплекс задач проекта ЭВМ пятого поколения пока не удалось. Однако существенные достижения в этом направлении уже получены. Это распознавание и синтез речи, новая элементная база - нейропроцессоры, имитирующие работу мозга, системы логического вывода и обработки знаний.

Следует отметить, что каждое следующее поколение ЭВМ имеет значительно лучшие характеристики по сравнению с предыдущим. Производительность и емкость всех ЗУ увеличивается, как правило, более чем на порядок.