реферат по информатике. Эвм первого поколения элементная база, программное обеспечение, характеристики
 Скачать 143.44 Kb.
|
|
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Институт нефти и газа Кафедра «Топливообеспечение и горюче-смазочные материалы» РЕФЕРАТ по информатике На тему: «ЭВМ первого поколения: элементная база, программное обеспечение, характеристики» Преподаватель Е. Д. Агафонов подпись, дата Студент НБ18-06Б, 081833189 А. Ю. Москаленко подпись, дата Красноярск 2019 СОДЕРЖАНИЕ Введение3 Основная часть4 1 История развития ЭВМ первого поколения4 1.1 Зарубежные разработки4 1.2 Отечественные разработки5 2 Элементная база и характеристики8 3 Сравнение архитектур ЭВМ первого поколения и современных ЭВМ10 Заключение13 Список использованных источников14 ВВЕДЕНИЕ На протяжении многих лет человек стремился облегчить свой труд в вычислении. Вся эпоха развития скорости вычисления выделяет несколько периодов, начиная от самого простейшего (счёт на пальцах) и заканчивая периодом существования современных компьютеров. Особенно интересен и значителен период развития электронной вычислительной техники, так как в этот период человек смог достичь невероятных, казалось бы, результатов в области вычислений. Данный период принято разделять на поколения. Каждое поколение представляет определенный вид электронно-вычислительных машин (ЭВМ). На сегодняшний день различают 4 поколения ЭВМ. Выделяют четыре основных признака, по которым отличают поколения: - элементная база; - быстродействие; - ёмкость памяти; - способы управления и переработки информации. В данном периоде хотелось бы отметить поколение, когда развитие ЭВМ только начиналось – первое поколение. ЭВМ первого поколения – машины, построенные на электронных лампах с быстродействием 10-20 тысяч арифметических операций в секунду. Временем становления этих машин принято считать 1946 г., который продолжался до 1955 г. В СССР этот период длился с 1948 г. по 1958 г. Изучение темы данного поколения является актуальной и на сегодняшний день, ведь именно в этом поколении были сделаны основные теоретические представления вычислительных машин, которые сохранились и используются в наше время. То есть для того, чтобы понять организацию современной вычислительной техники, нужно понять организацию ЭВМ первого поколения. Целью реферата будет являться удостоверение того, что основы построения вычислительной техники были заложены ещё в машинах первого поколения. Для того, чтобы достичь данную цель и понять, с чего началось бурное развитие электронной техники, и какие лица были причастны к развитию вычислительной техники, мне необходимо решить следующие задачи: - изучить зарубежную и отечественную историю ЭВМ первого поколения; - выделить основы элементной базы и характеристики ЭВМ первого поколения; - сравнить архитектуру ЭВМ первого поколения с архитектурой современного компьютера. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 1 История развития ЭВМ первого поколения 1.1 Зарубежные разработки Несмотря на изобретение прототипов, и других вычислительных машин (Марк - 1, разработки К. Цузе), первой электронно-вычислительной машиной первого поколения считается машина, построенная на вакуумных лампах, получившая название ENIAC (Electronic numerical integrator and computer). Авторами этого изобретения стали американцы Джон Эккерт и Джон Моучли. ENIAC был произведён в школе электрической техники «Moore» при университете в Пенсильвании. Введена в эксплуатацию машина по данным из учебного пособия «История и методология вычислительной техники» 15 февраля 1946 г. [1]. Этот год принят началом существования ЭВМ первого поколения. Следующей зарубежной разработкой, над созданием которой трудился английский исследователь Морис Уилкс, была машина, получившая название EDSAC. Морис Уилкс был заинтересован созданием машины с хранимой в памяти программой. Программа записывалась на специальном записывающем устройстве, которое называлось линией задержки. Линии задержки представляли собой металлическую трубку диаметром 1-2 см. и длинной до 1 м., заполненную ртутью и закрытую с обеих сторон кристаллами кварца. О том, на каких принципах работает линия задержки повествуется в учебном пособии «История вычислительной техники»: «Ртуть используется потому, что колебания в ней распространяются сравнительно медленно. Кварц обладает мощными пьезоэлектрическими свойствами, т.е. может преобразовывать ударную волну на конце трубки в электрическую, и наоборот. В такой длинной трубке может одновременно храниться до тысячи импульсов». Все операции в машине выполнялись в двоичной системе счисления. Числа записывались в формате с плавающей точкой. Система команд включала 19 операций. Всего в машине было использовано 24 500 электронных ламп. Ещё не закончив работы над машиной ENIAC, Эккерт и Моучи в 1944 г. по заказу военных США начали трудиться над созданием новой машины – EDVAC. В данной разработке создатели хотели разместить в оперативной памяти не только данные, но и программу. Таким образом, инструкции по работе с машиной теперь могли храниться на запоминающих устройствах, которыми были линии задержки. Эта машина не сильно отличается от машины Уилкса. Еще одной особенностью данной машины является то, что данные кодировались уже не в десятичной системе исчисления, как в ENIAC, а в двоичной. В эксплуатацию машина была введена в 1951 г. Ещё одной разработкой Эккерта и Моучи является первая серийная вычислительная машина первого поколения – UNIVAC. Машина представляла собой электронное устройство с хранимыми в памяти программами, содержала около 5000 электронных ламп, занимала место общей площадью 35,5 квадратных метров. Вес машины составлял 13 тонн. Работать она начала с 1951 г. Всего было выпущено 48 таких компьютеров. Разработкой занималась небольшая фирма «Эккерт–Моучли компьютер», основанная в 1947 г. В 1950 г. эта фирма влилась в крупную фирму конторского машиностроения «Ремингтон Рэнд», которая и организовала серийный выпуск компьютеров. 1.2 Отечественные разработки Создание первой отечественной электронно-вычислительной машины связано с именем великого Советского учёного С. А. Лебедева, научные труды которого были связаны с областью управления энергетическими системами. С. А. Лебедев вложил большой вклад в создание первой ЭВМ в СССР - МЭСМ (малой электронной счётной машины). По приглашению академика А. А. Богомольца ему пришлось переехать с семьей в Киев, где он получил должность директора Института энергетики УССР. Лебедев не просто так был приглашен, его научные труды были замечены в Москве, где он являлся младшим сотрудником в ВЭИ (Всесоюзный электротехнический институт им. Ленина) и преподавателем в МВТУ им. Баумана. На Сергея Александровича была возложена большая ответственность, так как послевоенные годы заставляли страну задуматься об её обороноспособности. Для ускорения расчётов было необходимо создать машину, которая сможет облегчить процесс вычисления. Б. М. Малиновский в своей книге «История электронно-вычислительных машин в лицах» повествует записку из архива, сделанной самим Лебедевым, в которой Лебедев говорит: «быстродействующими электронными счетными машинами я начал заниматься в конце 1948 г. В 1948–1949 гг. мной были разработаны основные принципы построения подобных машин. Учитывая их исключительное значение для нашего народного хозяйства, а также отсутствие в Союзе какого-либо опыта их постройки и эксплуатации, я принял решение как можно быстрее создать малую электронную счетную машину, на которой можно было бы исследовать основные принципы построения ЭВМ, проверить методику решения отдельных задач и накопить эксплуатационный опыт. В связи с этим было намечено первоначально создать действующий макет машины с последующим его переводом в малую электронную счетную машину. Чтобы не задерживать разработку, запоминающее устройство пришлось выполнить на триггерных ячейках, что ограничило его емкость. Разработка основных элементов была проведена в 1948 г. К концу 1949 г. были разработаны общая компоновка машины и принципиальные схемы ее блоков. В первой половине 1950 г. изготовлены отдельные блоки и приступили к их отладке во взаимосвязи; к концу 1950 г. отладка созданного макета была закончена. Действующий макет успешно демонстрировался комиссии». Также Малиновский пишет, что МЭСМ была задумана С. А. Лебедевым как модель большой электронной счетной машины (БЭСМ). Вначале она так и называлась - модель электронной счетной машины. В процессе ее создания стала очевидной целесообразность превращения ее в малую ЭВМ. Для этого были добавлены устройства ввода и вывода информации, память на магнитном барабане, увеличена разрядность. И слово «модель» было заменено словом «малая». За проделанную работу в разработке и построение МЭСМ Лебедеву и всем основным участникам создания первой Советской ЭВМ была вручена премия. Перед Лебедевым была непростая задача. Ему предстояло уложиться в срок, который в разы превышал создание подобной машины. Лебедев справился с поставленной задачей за 2 года несмотря на то, что трудилось над созданием всего 12 человек вместе с Лебедевым, которым помогали 15 техников и монтажников (в создании первой американской машины ENIAC трудилось 13 основных исполнителей и задействовано около 200 техников). Труды Лебедева по созданию вычислительных машин не остановились на МЭСМ. Следующей машиной, над созданием которой работал Сергей Александрович была БЭСМ (большая электронная счётная машина). В то же время параллельно БЭСМ создавалась машина, которая предназначалась для серийного выпуска – «Стрела». Над созданием «Стрелы» занимался Б. И. Рамеев, который решил сделать машину для производства. Задумка Рамеева была выгодна в то время, так как ранее выпущенные вычислительные машины существовали в единственном экземпляре (МЭСМ, М-1, М-2). Это представляло большую конкуренцию для машины Лебедева, и всё же в 1953 г. обе машины были введены в эксплуатацию. После создания первого вычислительного центра в СССР, в котором работали на двух машинах: «Стрела» и БЭСМ, возник вопрос: «Какая из машин лучше?». Для разрешения вопроса была создана комиссия, и по её решению был сделан вывод, что «Стрела» по некоторым параметрам уступает БЭСМ. После доклада Лебедева о БЭСМ в 1956 г. на конференции в Германии, БЭСМ было присвоено звание «лучшей» вычислительной машины Европы, а Лебедеву присвоено звание Героя Социалистического труда. Модернизировав БЭСМ, появилась БЭСМ-2, которую также собирались сделать машиной для серийного выпуска, но этого так и не произошло. Причиной того, вероятно, стало создание Лебедевым машины – М-20, скорость которой превышает скорость БЭСМ-2 в два раза. Но преимущество данной ЭВМ заключалось не только в её скоростных способностях. М-20 являлась первой в СССР машиной с записываемым программным обеспечением, также она была надежнее ранее выпускаемых подобных машин за счёт уменьшения количества электронных ламп. М-20 начали выпускать в Казани с 1958 г. Помимо Б. И. Рамеева и С. А. Лебедева в СССР занимался разработкой ЭВМ И. С. Брук. Он oдним из первых в мире осoзнал, что не для всех классов задач требуется предельная производительнoсть. В середине 1950-х гг. он разработал и эконoмически обoсновал кoнцепцию «малoгабаритных машин», предназначавшихся для использования в самых разных областях народного хозяйства. Принципы, заложенные в разработках И. С. Брука тех лет (М-1, М-2, М-3, М-4, М-7), позднее получили развитие в известных сериях «Минск» и «Раздан». Основные характеристики ЭВМ первого поколения отечественной разработки приведены в таблице 1 [4]. Таблица 1 – Характеристики некоторых отечественных ЭВМ первого поколения
Изучив историю зарубежного и отечественного развития электронно-вычислительных машин первого поколения, следует отметить, что послевоенные годы вынуждали государство создавать прибор, который способствует уменьшению скорости расчетов. Так как политическая обстановка в мире была напряженной, необходимо было задуматься о увеличении обороноспособности страны. Возможно, благодаря именно этому фактору и появились первые ЭВМ. 2 Элементная база и характеристики В основе элементной базы ЭВМ первого поколения лежали электронные лампы. Электронная лампа – электронный прибор, который работает за счёт движения электронов в вакууме или разряженном газе между катодом и анодом [4]. Количество ламп в одной машине достигало 15-20 тыс. Как выглядела электронная лампа можно увидеть на рисунке 1 [5]. Принцип работы данного элемента представлен в учебном пособие Г. В. Ващенко: «Если на вход лампы подается логическая единица (например, напряжение 2 В), то на выходе с лампы мы получим либо логический ноль (напряжение менее 1 В), или логическую единицу (2 В). Логическую единицу получим, если управляющее напряжение отсутствует, так как ток беспрепятственно пройдет от катода к аноду. Если же на сетку подать отрицательное напряжение, то электроны, идущие от катода к аноду, будут отталкиваться от сетки. В результате, ток протекать не будет и на выходе с лампы будет логический нуль.» [5].  Рисунок 1 – Электронная лампа Устройством внешней памяти у ЭВМ первого поколения была магнитная лента, у некоторых ЭВМ магнитные барабаны. Магнитная лента – носитель информации в виде гибкой пластмассовой ленты, покрытой тонким магнитным слоем. О принципе работы внешней памяти также повествует Г. В. Ващенко в учебном пособие по информатики: «память на магнитных сердечниках хранила данные в виде направления намагниченности небольших ферритовых колец. Каждое кольцо сохраняло 1 бит информации, а вся память представляла собой прямоугольную матрицу. Через кольца пропускались провода возбуждения. Аналогичные провода пропускались через кольца вдоль столбцов матрицы. Ток, проходящий через эти провода, устанавливал направление намагниченности колец. Таким образом, в каждом колечке могли храниться 1 или 0 в зависимости от направления намагниченности [5]. Устройствами ввода служили перфокарты и перфоленты, с которых машина считывала информацию. Они представляли собой бумажные ленты с проколотыми отверстиями, которые прокалывались специальным устройством – перфоратором. Отличие перфокарты от перфоленты заключается лишь в её размере. С помощью печатающего устройства машина могла вывести информацию на перфокарту или перфоленту, которую также можно было применить в дальнейшем для ввода информации. На рисунке 2 представлено изображение перфоленты [3].  Рисунок 2 – Перфолента В данной работе я выделю несколько основных характеристик электронно-вычислительных машин первого поколения, которые представляют интерес в изучении машин этого поколения. Первое, чем интересна вычислительная машина первого поколения – это её огромные размеры. Площадь, занимаемая этими машинами, была очень большая. Под некоторые экземпляры, занимаемая площадь которых достигала 150-300 квадратных метров, специально отводили здания. Примером такой ЭВМ является отечественная разработка - стрела. В среднем ЭВМ первого поколения занимали площадь в 20-60 квадратных метров. Самой маленькой машиной является «М-3». Она занимала место площадью менее 3 квадратных метров. Большие размеры этих ЭВМ обуславливаются тем, что основным элементом данных машин были электронные лампы (высота одной лампы была 7 см.), количество которых доходило до 20 тыс. Этим же и обуславливается потребляемая энергия одной машины. Некоторые из них требовали до 150 кВт. ЭВМ первого поколения были ненадежными машинами, причиной того тоже являются электронные лампы. Каждые 7-8 минут перегорала как минимум одна лампа, замена которой был весьма трудоёмкий процесс. А из-за большого количества ламп на единицу ЭВМ требовалась довольно высокая численность персонала. Машины работали круглосуточно, выключали их только в случае аварии или профилактического ремонта. Из-за непрерывной работы в помещении от ламп выделялось большое количество тепла, и работать в таких условиях было невозможно. Для того, чтобы машины не перегревались и для того, чтобы обслуживающий машину персонал работал в комфортных условиях, создавались специальные системы охлаждения, которые предавали им ещё большие габариты. Программирование представляло трудоемкий процесс в машинных кодах. При этом необходимо знать все команды машины, их двоичное представление. Нужно было знать, как устроена ЭВМ и как она реагирует на ту или иную ситуацию. Программы для этих машин писались на языке конкретной машины. Быстродействие ЭВМ первого поколения составляло около 10-20 тыс. операций в секунду. Оперативная память, ёмкостью 2048 машинных слов длинной в 48 двоичных знаков, была выполнена на триггерах и ферритовых сердечниках. Проанализировав данный пункт реферата, можно сказать, что электронно-вычислительные машины первого поколения являлись весьма непрактичными. Элемент, на котором базируется всё первое поколение, предоставлял много неудобства в обслуживание машины. К тому же содержание таких гигантов было затратным, так как было необходимо и приобретать лампы, и оплачивать работу персонала, который ежеминутно контролировал работу машины. Нельзя забывать и о высоком потреблении энергии. Но данные ЭВМ представляли собой большой интерес в первую очередь для государства, поэтому высокая стоимость эксплуатации не повлияла на процесс производства и использования этих машин. 3 Сравнение архитектур ЭВМ первого поколения и современных ЭВМ Архитектурой ЭВМ называют концептуальную структуру вычислительной машины, определяющая проведение обработки информации и включающая методы информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения. Данный термин появился уже после того, как были сделаны теоретические сведения и первое практическое применение основных принципов построения электронно-вычислительной техники [6]. Представления о том, на чем должна основываться вычислительная техника, сделал ещё в 1840 г. Ч. Бэббидж. Всё же принято считать, что основные принципы конструкции компьютера предложил Джон фон Нейман, который внес значительный вклад в развитие вычислительной техники в послевоенные годы. Фон Нейман, будучи работающим над созданием атомной бомбы в США, понимал, что им нужна машина, которая сможет проводить вычисления с большой скоростью. В скором времени он начал вести работу совместно с Дж. Моучи и Дж. Эккертом по созданию первой электронно-вычислительной машины - ENIAC. В своем отчёте на основе критического анализа следующей машины, над которой они работали, Джон фон Нейман предложил несколько принципов организации ЭВМ, которые указаны ниже: - использование двоичной системы счисления для кодирования данных (принцип двоичного кодирования); - программы должны состоять из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом (принцип программного управления); - данные и программы должны храниться в одной памяти (принцип однородности памяти и принцип хранимой программы); - Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка (принцип адресности); - наиболее часто используемые данные хранятся в самом быстром запоминающем устройстве сравнительно малой емкости, а более редко используемые– в самом медленном, но гораздо большей емкости (принцип иерархичности запоминающих устройств); - операции над словами производятся одновременно во всех разрядах слова (принцип параллельный организации вычислительного процесса). Все вышеприведенные принципы практически были осуществлены в 1949 г. на примере машины EDSAC. Структура машины фон Неймана приведена на рисунке 3 [7].  Рисунок 3 – Структура машины фон Неймана Структура фон Неймана не утратила своего значения спустя годы. Она служила основой создания электронно-вычислительных машин для первого и второго поколений. Начиная с машин третьего поколения архитектура ЭВМ начала меняться. Связано это с потребностью в ещё более высокоскоростном счёте, для чего, например, в структуру вычислительной машины стали встраивать параллельно работающие процессоры и другие компоненты. Пример такой архитектуры представлен на рисунке 4 (УУ – устройство управления, АЛУ – арифметико-логическое устройство, ОЗУ – оперативное запоминающее устройство) [6].  Рисунок 4 – Архитектура с параллельными процессорами В дальнейшем было создано множество архитектур, но все они базируются на архитектуре, предложенной Джоном фон Нейманом. Таким образом, фон Нейман, сам того не осознавая, создал модель вычислительной машины, получившая название машины фон Неймана. Данные машины нашли широкое применение в конструировании вычислительной техники. Убедившись на основе данных из литературных источников можно сказать, что структура и основные принципы создания вычислительной техники сохранились и применяются в наше время. Таким образом, Джона фон Неймана можно считать основателем архитектуры ЭВМ как первого поколения, так и последующих, заканчивая современными вычислительными машинами. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В процессе выполнения данной работы была изучена тема развития электронно-вычислительных машин первого поколения. Была изучена зарубежная и отечественная история развития ЭВМ. На фоне полученных исторических данных можно сделать вывод о том, насколько значимы были вычислительные машины для периода их существования. Ведь требовались большие расчёты в областях, которые были очень важны для государства и её обороноспособности. Проанализировав элементную базу ЭВМ данного поколения можно сказать, что эти машины отличались очень большими затратами энергии, занимаемой площади, количества обслуживающего персонала, что приводило к высокой финансовой потребности эксплуатации машин. Рассмотрев архитектуру ЭВМ первого поколения, мы убедились, что основные принципы и структура, которые используются в конструирование машин первого поколения, предложенные Джоном фон Нейманом, сохранились и используются при построении современной вычислительной техники. Таким образом, все поставленные мною задачи были успешно выполнены. Отсюда следует, что цель данного реферата была достигнута. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1 Морозов, Ю. М. История и методология вычислительной техники : учебное пособие / Ю. М. Морозов. – Санкт-Петербург, 2012. – 312 с. 2 Малиновский, Б. Н. История вычислительной техники в лицах / Б. Н. Малиновский. – Киев : фирма «КИТ», ПТОО «А. С. К.», 1995. – 384 с. 3 Казакова, И. А. История вычислительной техники : учебное пособие / И. А. Казакова. – Пенза : издательство ПГУ, 2011. – 232 с. 4 Алексеев, С. Н. Электровакуумные приборы : учебное пособие / С. Н. Алексеев. – Ульяновск : УлГТУ, 2003. – 158 с. 5 Ващенко, Г. В. Информатика : учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по напр. "Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов" / Г. В. Ващенко. – Изд. № 2013-9, Красноярск : СФУ, 2013. – 202 с. 6 Максимов, Н. В. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем : учебник / Н. В. Максимов, Т. Л. Партыка, И. И. Попов. – Москва : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2005. – 512 с. 7 Павлов, А. В. Архитектура вычислительных систем : учебное пособие / А. В. Павлов. – Санкт-Петербург : Редакционно-издательский отдел университета ИТМО, 2016. – 89 с. |