С. В. Ченцова. В. Чубарьинформатикакрасноярск 2002 введение
 Скачать 0.92 Mb.
|
|
программно- управляемую универсальную вычислительную машину. Z-3 выполняла несколько одноадресных команд: сложение, вычитание, извлечение квадратного корня, умножение на 1/2, 2, 10, 1/10 и 1; программа хранилась на 8- канальной перфоленте. Машина работала в двоичной системе счисления с плавающей точкой, время выполнения операций сложения и умножения составляло соответственно 0,3 и 4-5 с. 18 После войны Цузе изготовил модели Z-3 и Z-4, а в 1945 году создал язык Plankalkul (“исчисление планов”), это был машинно-ориентированный язык, однако, в некоторых моментах, касающихся структуры объектов, по своим возможностям превосходящий Алгол, ориентированный на работу с цифрами. Машины К. Цузе эксплуатировались до 1955 года. В 1937 году в США Дж. Атанасов начал работы по созданию ВТ для решения задач математической физики. В 1942 году им совместно с К. Берри была построена машина АВС (Atanasoff-Berry Computer), состоящая из АЛУ на 300 вакуумных лампах и выполняющая только сложение и вычитание, еще 300 ламп использовались для реализации различных цепей управления и восстановления памяти. Модель АВС-вычислителя реализовала ряд идей, оказавших большое влияние на инженерные решения последующих средств ВТ. Она и ее прототип были первыми специальными машинами, демонстрирующими электронную технологию в цифровой ВТ и использующими восстановление данных в памяти. Следует отметить, что АВС создавалась независимо от работ Цузе так как из-за войны его разработки были неизвестны в США. АВС, в свою очередь оказали влияние на Д. Маучли (США) и ряд этих идей существенно ускорил создание ЭВМ ENIAC в 1945 году. Среди моделей электромеханического этапа следует отметить машины серии MARK, управление которыми осуществлялось программами на бумажной перфоленте, содержали устройства для вычисления функций sinx, 10 x и lgx, MARK-2 (1947г.) была уже полностью релейной, а MARK-3 и MARK-4 использовали элементы электронных технологий. В фирме “Bell Laboratories” под руководством Дж. Стибица велись работы над релейными машинами серии “Bell”. “Bell-1” (1940 г.) работала с комплексными числами, “Bell-2” (1943 г.) могла решать задачи вычислительной математики, в ней была встроена схема обнаружения ошибок, а “Bell-6” уже включали десятичную арифметику с плавающей точкой и мультипроцессорную архитектуру. Однако, несмотря на все новшества MARK и “Bell” были уже устаревшими по сравнению с ENIAC . Несмотря на широкое распространение счетно-аналитических машин и непрерывное их усовершенствование, в них не была устранена основная диспропорция характеристик. Электрическая передача сигналов производилась с огромной скоростью, но счетчики оставались механическими, поэтому все операции развертывались медленно. С механическим принципом работы счетчиков были связаны и большие размеры таких машин. Последним крупным проектом релейной ВТ следует считать, построенную в СССР в 1957 году релейную вычислительную машину РВМ- 1, которая эксплуатировалась до 1964 года, в основном для решения экономических задач. Элементная база РВМ-1 на момент ее создания была уже устаревшей, ее проект был настолько удачным, что она была вполне конкурентоспособна по надежности и быстродействию по сравнению с ВТ того времени. 19 Программное управление при помощи перфокарт позволяло получать надежные результаты при довольно большой скорости вычислений, но подготовка перфокарт занимала много времени и требовала дополнительных устройств и не была связана с основной работой машины. Все это обусловливало медленные темпы работы при возможно больших резервах быстродействия, кроме того, это влекло за собой большие размеры машин. Счетно-аналитические машины распространились по всему миру, они непрерывно совершенствовались, однако, в них не была устранена диспропорция характеристик о которых говорилось выше. Чтобы устранить эти противоречия и уменьшить размеры машины, требовалась новая элементная база. К началу 40-х годов стало ясно, что это будет электроника. 2.4. Электронный период Первой машиной этого этапа можно было бы считать созданную при участии А. Тьюринга для дешифровки в Англии машину Colossus (1943 г.). Машина содержала 2000 электронных ламп и обладала довольно высоким быстродействием, но в связи с узкой направленностью, первенство принято отдавать ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer). Первоначально она создавалась для решения задач баллистики, но оказалась способной решать и задачи другого типа. Создателями этой машины являются Д. Маучли и Д. Эккерт, которые заимствовали идею у Дж. Атанасова. ENIAC по размерам превосходила MARK-1 больше, чем в два раза (высота 6м, ширина 4м, длина 30 м, вес 30т), а по быстродействию в 1000 раз. Машина содержала 18000 электронных ламп 16-ти основных типов, 1500 реле, 70000 регистров, 10000 конденсаторов, потребляемая мощность 140 кВт. Еще до начала эксплуатации ENIAC Маучли и Эккерт приступили к разработке нового компьютера EDVAC (Electronic Discrete Automatic Variable Computer). Основная память этой машины была 1024 44-битных слова и вспомогательная 4000 слов для данных. EDVAC производила вычисления уже в двоичной системе. Она содержала 35000 ламп различных типов и около 27000 других электронных элементов. Полностью работа над машиной была завершена в 1952 году, использовалась она для решения военных задач. В конце 1944 года к проекту в качестве научного консультанта был подключен Джон фон Нейман (1903-1957) - выдающийся математик, внесший большой вклад в теорию игр, один из основоположников нейронных сетей. Подготовив в 1945 году итоговый научный отчет о машине EDVAC, Нейман, кроме описания машины и ее логических возможностей, представил впервые на основе анализа проектных решений, а также идей А. Тьюринга, логическую организацию компьютера безотносительно его элементной базы, что позволило заложить основы проектирования ЭВМ. Архитектура ЭВМ, предложенная фон Нейманом, следующая: компьютер должен содержать: арифметически-логическое устройство (АЛУ); центральное устройство управления (УУ), ответственное за функционирование всех основных компонент компьютера; запоминающее устройство (ЗУ), причем, в памяти должны сохраняться не только числа, но и команды (этого у Бэббиджа 20 нет); система ввода и вывода информации. Была обоснована необходимость двоичной системы счисления, электронной технологии и последовательного выполнения операций. Машины, построенные на этих принципах, называются фон- неймановскими. В Англии в 1949 году под руководством М. Уилкса была разработана первая в мире ЭВМ с хранимыми в памяти программами EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator). Она работала в двоичной системе счисления, выполняла одноадресные команды в количестве 18 и оперировала с короткими (17 бит) и длинными (35 бит) словами. EDSAC первая машина, которая позволяла не только хранить программы, но и создавать программы из других программ, объединяя их при загрузке в память. Кроме того, машина была снабжена детальным учебником по программированию. Компьютер EDSAC положил начало первому поколению универсальных ЭВМ. В Советском Союзе, в 1952 г. в Киеве под руководством академика С.А. Лебедева была запущена в эксплуатацию первая МЭСМ (мощная электронная счетная машина). Это была одна из первых в мире машин, с хранимой в памяти программой, а в 1953 году Выпущена машина М-20, производительностью 20000 операций в сек. и имеющая память в виде ферритовых сердечников. В этом же году были выпущены несколько экземпляров машин типа «Стрела». В 1954 году под руководством Б. И. Рамеева начат выпуск машин серии «Урал». В Киеве, Минске, Ереване также начался выпуск ЭВМ типа «Проминь», «Минск», «Раздан», «Наири», «МИР». Контрольные вопросы и задания 1. Назовите периоды развития вычислительной техники. 2. Какие вычислительные средства существовали в период абака? 3. Какие проблемы стояли перед первыми создателями механических вычислительных машин? 4. Какие машины являются наиболее типичными представителями механического периода? 5. Какой вклад в развитие вычислительной техники внесли Ада Лавлейс и Чарльз Бэббидж? 6. Кто является основателем фирмы IBM и какие вычислительные машины им были созданы? 7. Чем обусловлена была необходимость перехода от электромеханических машин к электронным? 8. Какие машины называются машинами фон-неймановского типа? 9. Подготовьте реферат или сообщение по следующей теме: «Вклад Ч. Бэббиджа и А. Лавлейс в разработку принципов функционирования автоматических цифровых вычислительных машин». 21 3. ПОКОЛЕНИЯ ЭВМ Компьютеры, как и люди, имеют свои поколения. И как у людей, каждое новое поколение отличается от старого (по производительности, емкости, памяти, стоимости, габаритам, размерам и т.д.) примерно в 10 раз. Такой огромный темп развития еще не имела ни одна отрасль промышленности. Если бы такими темпами развивалось самолетостроение в течение 25 лет, то аэробус ИЛ-86 в настоящее время по цене был бы доступен каждому и совершал бы облет земного шара за 20 мин и тратил бы 20 литров горючего. Поколения отличаются друг от друга элементной базой, логической архитектурой и программным обеспечением. Однако, не всегда удается определить четкую грань между поколениями. В первом поколении элементной базой в нем была электронная лампа, в которой использовался эффект Эдисона. Великий изобретатель сделал это открытие между делом, но не запатентовал его, хотя патентовал все свои изобретения, т.к. не увидел в нем никакой практической ценности. Электронные лампы Эдисона к тому времени широко использовались в радиотехнике, именно к ним обратились создатели компьютерной техники. В ЭВМ первого поколения оперативная память выполнялась на триггерах, затем на ферритовых сердечниках, быстродействие 5-30 тыс. арифметических операций в секунду. От программиста требовалось хорошее знание архитектуры ЭВМ и ее программных возможностей. Программирование осуществлялось в машинных кодах, позднее на ассемблере и автокоде. Первые ЭВМ использовались в основном для научных расчетов. К машинам первого поколения относятся Leo (1951), DEDUCE (1954, Англия); ENIAC (1950), MARK-3, SWAC (1950), IAS, BINAC, UNIVAC (1951), MANIAC, WhirlWind-1, ORVAC, IBM-701 (1952 США); GAVVA-40 (1952, Франция); МЭСМ (1951), БЭСМ (1952), Минск-1, Урал-2, М-20 (СССР). Машины первого поколения размещались в огромных залах (типа спортивных). Тысячи электронных ламп быстро нагревали помещение, высокая температура снижала надежность ЭВМ. Отвод тепла стал одной из самых важных проблем организации эффективной работы машины. Поэтому возникла первостепенная задача замены электронных ламп другим более экономичным и меньших габаритов. Таким элементом оказался полупроводниковый элемент или транзистор. Интересно, что (журнал «Наука и жизнь» №1, 2001 г.) фирмой IBM создан новый суперкомпьютер, который занимает площадь более двух баскетбольных площадок, однако, его производительность не сравнима с производительностью первых ЭВМ – 12 миллиардов операций в секунду. Общая длина проводов, соединяющих его 8 192 процессора – 3 500 километров. И эта машина в 1 000 раз мощнее той, что победила в 1997 году Гарри Каспарова. Применение транзисторов в вычислительной технике дало начало второму поколению компьютеров. На компьютерах с транзисторами начал действовать закон «10» - улучшение за десять лет всех характеристик 22 компьютера примерно в десять и более раз. Второе поколение начинается с 1955 года, с ЭВМ для межконтинентальной ракеты ATLAS, затем в 1959 году в США была создана ЭВМ RCA-501. Новая технология повысила надежность и производительность машин, уменьшила их габариты и потребляемую мощность. Все это способствовало расширению сферы применения ЭВМ. ЭВМ стали участвовать в управлении технологическим процессами, решать экономические задачи и т.д. Со второго поколения ЭВМ стали делить на малые, средние и большие. К машинам второго поколения относятся: «Stretch», IBM-7090, LARC (1960), TRADIC (США); Simens-2002 (ФРГ); Senac (Япония); ATLAS (1962, Англия); РАЗДАН (1960), БЭСМ- 3М, 4М-220, М-222, серия «Мир», «Наири» (малые ЭВМ), Минск, Урал, БЭСМ- 3М, 4М-220 (средние ЭВМ) Днепр М-4000 (управляющие ЭВМ) (СССР). Особо следует отметить БЭСМ-6 (1966), имеющую основную и промежуточную память объемами соответственно 128 Кбайт и 512 Кбайт, быстродействие 1 млн. о/с, которая по своим характеристикам может соперничать с машинами 3-го и 4-го поколения, работала она, по крайней мере, до середины 80-х годов XX века. Кроме новой элементной базы и быстродействия, второе поколение характеризуется новыми архитектурными решениями и развитием технологии программирования. В ЭВМ второго поколения обеспечивается совмещение функциональных операций, они стали работать в режиме разделения времени. Реализовано совмещение центрального процессора по обработке данных и каналов ввода-вывода, а также распараллеливание операций выборки команд и данных из памяти. Созданы развитые макроассемблеры, повышающие уровень общения с ЭВМ. В ассемблерах впервые появляются средства раздельной компиляции и перемещаемости программ, которые явились первым шагом к виртуализации ресурсов и появления специальных промежуточных языков, а также новых системных программ-загрузчиков и компоновщиков. Конец 50-х годов характеризуется началом этапа автоматизации программирования. В это время появляются языки Commercial Translator, FACT, MathMathic, и программно-ориентированные языки высокого уровня (ЯВУ): Fortran (1955), Algol-60, AKU-400 и др. Стали создаваться библиотеки стандартных программ на различных языках программирования и разного назначения. То есть появляется программное обеспечение (software), и становится ясно, что программный продукт должен стать неотъемлемой частью машины и должен поставляться пользователю вместе с аппаратной частью (hardware). Но по мере развития вычислительной техники, требующей все более и более компактных решений, полупроводниковые приборы стали тормозить процесс повышения эффективности машин. Компактность машины нужна не только для уменьшения объема, занимаемого ею, но и для повышения производительности ее процессора. Длинные проводники, связывающие полупроводниковые элементы, задерживали процесс распространения сигнала по схеме, и тем самым снижали ее быстродействие. Быстрая схема должна быть 23 микроскопических размеров. Так возникла мысль о микроэлектронном исполнении схем. Решила эту задачу микроэлектронная технология. Именно она породила третье поколение компьютеров. В этом поколении элементную базу компьютеров образовали так называемые интегральные схемы. Замечательное отличие такой схемы заключается в том, что все ее элементы (транзисторы, резисторы конденсаторы) и соединения между ними создаются на небольшой пластине кристалла (обычно кремния) площадью порядка 1 см 2 . Технология, использующая процессы травления и напыления, позволяет создавать схемы с чрезвычайно мелкими элементами. Именно поэтому такие схемы и стали называть интегральными микросхемами. Именно эта технология определила дальнейшее развитие вычислительной техники и следующие поколения компьютеров. К третьему поколению относится серия машин IBM-360 и IBM-370 (выпускались с 1964 года). Последняя относится уже к 3,5 поколению. В Англии фирмой ICL было выпущено семейств машин «System 4», в ФРГ машины серии 004 разработанные фирмой Siemens, в Японии фирмой HITACHI машины серии «Hytac-8000». Проблемам создания машин третьего поколения стали уделять большое внимание Голландия, Болгария, Венгрия, Чехословакия, Польша, Куба. Страны СЭВ выпускали совместно с Советским Союзом машины серии «Ряд-1» и «Ряд-2» это ЕС-1010, ЕС-1020,...1065 (выпускались с 1972 года) и машины серии СМ. В рамках программы «Ряд-2» были созданы две операционные системы ДОС-3 и ОС-6.0. ЭВМ третьего поколения, как правило, программно-совместимы снизу вверх, их частью становятся операционные системы, которые стали брать на себя задачи управления памятью, устройствами ввода-вывода и другими ресурсами. Появились системы управления базами данных (СУБД), системы автоматизирования проектных работ (САПР), совершенствуются АСУ и АСУТП. Создаются пакеты прикладных программ (ППП) различного назначения. Появляются новые и совершенствуются существующие языки программирования, их количество достигло уже 3000. Дальнейшее совершенствование технологии позволило создать сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), содержащие 100000 транзисторов и более. Именно СБИС стали основой элементарной базы компьютеров четвертого поколения. Процессор, реализованный на одной СБИС, получил название микропроцессора. Парк всех машин четвертого поколения можно условно разделить на пять основных классов: микро-ЭВМ, персональные компьютеры, специальные ЭВМ, ЭВМ общего назначения и супер-ЭВМ. Но из этого многообразия, лишь ПК и супер-ЭВМ определяют лицо четвертого поколения. ЭВМ четвертого поколения можно характеризовать тремя основными показателями: элементной базой (СБИС), персональным характером использования (ПК) и нетрадиционной архитектурой (супер-ЭВМ). Элементная база способствовала миниатюризации ВТ, повышению ее надежности, позволила создавать мини- и микро-ЭВМ по своим возможностям превосходящие большие ЭВМ предыдущего поколения. 24 Основой для создания ПК стало создание универсального процессора на одном кристалле. Первый микропроцессор Intel 4004 был создан в 1971 году и содержал 2250 элементов, а в 1974 году был создан микропроцессор Intel 8080, содержащий уже 4500 элементов и послужил основой для создания первого ПК - Altair-8800. Этот компьютер рассылался по почте, стоил 397 долларов и имел возможности для расширения периферийными устройствами. Для Altair-8800 П. Аллен и У. Гейтс создали транслятор с языка Basic. В 1979 году выпускается 16-битный микропроцессор Motorola-68000 с 70000 элементами, в 1981 году - 32-битный Hewley Packard с 450 тысячами элементами. Начала формироваться ПК-индустрия. Приступили к производству компьютеров фирмы Apple Computers, Tandy Radio Shark, Commodore. В 1981 году фирма IBM начинает выпуск PC/XT/AT и PS/2. Лавинообразно растет программное обеспечение ПК. Для того чтобы сориентироваться в мире ПК для пользователей и программистов начинают выходить популярные журналы и газеты, устраиваться выставки, задействована реклама. Несмотря на то, что персональные компьютеры мы видим везде, производство компьютеров не ограничивается только ими. Для решения научных задач, задач повышенной сложности, для управления сложными объектами необходимы ЭВМ, возможности которых гораздо больше, чем даже самые мощные ПК, это - супер-ЭВМ. Для супер-ЭВМ характерна высокая производительность (не менее 2х10 7 о/с) и нетрадиционная архитектура. Первой супер-ЭВМ можно считать Amdahl 470V16 (1975) и совместимую с IBM- серией. В настоящее время к классу супер-ЭВМ относят модели, имеющие среднее быстродействие 20 мегафлопсов (1 мегафлопс = 1 млн. операций с плавающей точкой в секунду). Первой моделью такой производительности является ILLIAC-IV (1975, США), затем появилась Cray- серия (с 1976 года) - быстродействие 130 мегафлопсов, Cyber 205 (400 мегафлопсов), RP-3, FACOM VP-200, SK-2. В Советском Союзе была предпринята попытка создания отечественной супер-ЭВМ серии «Эльбрус», а также ЕС 1191, ЕС 1766, которая по известным причинам, не увенчалась успехом. Компьютер «Эльбрус-1» был построен в 1978 году на 15 лет раньше западных машин и воплотил принципы суперскалярной архитектуры. «Эльбрус-2» имел идентичную архитектуру, но более совершенную элементную базу. В 1986 году началась разработка «Эльбруса-3», основанная на совершенно новых архитектурных идеях. В «Эльбрусе-3» впервые в мире были реализованы явный параллеризм на уровне операций и широкое командное слово – принципы, которые составляют основы современной технологии EPIC (explicitly parallel instruction computing). Следует отметить, что идеи, заложенные в архитектуру, были настолько революционными, что с 1992 года между фирмой Sun и группой специалистов- разработчиков «Эльбрусов» (Московский «Центр SPARC-технологий» (МЦСТ)) заключен контракт, предполагающий реализацию идей заложенных в 25 «Эльбрусе-3» на западных технологиях. А в 2000 году компанией МЦСT был создан процессор «Эльбрус-2000» (E2r) в котором воплощены идеи «Эльбруса- 3» в доработанном и усовершенствованном виде. На основе этих идей созданы также процессоры Crusoe компанией Transmeta и IA-64 фирмами Intel и HP. В 1999 году усилиями российских НИИ («Квант», института прикладной математики РАН) и промышленных предприятий создан 96-процессорнный супер-компьютер МВС-1000 производительностью 1 млрд. о/с с телекоммуникационным доступом в том числе и по Internet. В рамках четвертого поколения происходит дальнейшая интеллектуализация ВТ, определяемая созданием более развитых интерфейсов “человек-ЭВМ”, баз знаний, экспертных систем, систем параллельного программирования и др. Проявляется тенденция создания ЭВМ под программное обеспечение, а не наоборот. Возрастает доля функций ОС, повышается уровень машинного языка. За счет повышения качества каналов связи развивается телекоммуникационная обработка информации (создание глобальных компьютерных сетей). ПК четвертого поколения по своим возможностям уже превосходят многие мощные ЭВМ четвертого поколения. Никого уже не удивляет, что память современных ПК превышает уже сотни мегабайт, а память жесткого магнитного диска имеет размерность в гигабайтах и даже в терабайтах. Современный компьютер оснащен не только дисководами для гибких дисков, но и устройством для считывания информации с компакт-дисков. В настоящее время компьютеры стали обычным орудием труда человека, их можно встретить в научных и учебных учреждениях, в больницах, аэропортах, офисах и даже в квартирах. Однако использовать компьютер в своей деятельности может только подготовленный человек, знающий язык компьютера, умеющий подавать ему на этом языке команды. Поэтому возникла проблема создания компьютера, понимающего естественный человеческий язык (текст или речь). Таким компьютером будет |