4_технические средства реализации информационных процессов (1).. Технические средства реализации информационных процессов план История создания вычислительной техники
 Скачать 2.45 Mb.
|
ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА РЕАЛИЗАЦИИ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВПлан История создания вычислительной техники Поколения ЭВМ Классификация ЭВМ по различным признакам Тенденции развития средств вычислительной техники «Компьютер» (вычислитель, устройство для вычислений) - программируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные, производить вычисления и выполнять другие задачи манипулирования символами 1623 г. - В. Шиккард, профессор Тюбингенского университета предложил агрегат, состоящий из суммирующего и множительного устройства В 1642 г. - Блез Паскаль изобрел устройство для механического сложения и вычитания чисел и продемонстрировал ее Люксембургском дворце 1673 г. – немецкий математик и философ Вильгельм Лейбниц сконструировал представил в Парижской академии вычислитель (арифмометр), который мог выполнять 4 арифметических действия 1812 - 1823 гг. - Чарльз Беббидж (профессор Кембриджского университета) построил разностную машину 1835 г. Чарльз Беббидж представил проект аналитической машины (прообраз ПК): склад, мельница, управляющий Фрагмент такого вычислителя построил сын Ч.Беббиджа , программы для которого готовила первый программист Ада Лавлейс (Байрон) 80- е годы 19 века Герман Холлерит сконструировал устройство для решения статистических задач - электромеханический перфокарточный табулятор, который использовался при переписи населения в США и в России За 6 недель обработаны результаты переписи, вместо предыдущих10 лет работы Образец перфокарты Г. Холлерита, применявшейся в австрийской переписи 1890 г. Перфоратор Г. Холлерита, 1897 г. Счетная машина Г. Холлерита Счетная машина Г. Холлерита 1896 г.Холлерит основал компанию по производству перфорирующих устройств, которая в 1924 г. после серии слияний и поглощений превратилась в компанию по производству компьютеров IBM (International Business Machines) 1911 г. - механик А.Н. Крылов построил уникальный аналоговый решатель дифференциальных уравнений 1918 г. - М.А. Бонч-Бруевич изобрел триггер 1919 г. - академик Н.Н. Павловский создал аналоговую вычислительную машину 1928 г. - основана фирма Motorola для производства электронных узлов вычислителей 1936 г. - английский математик А. Тьюринг доказал что любой алгоритм может быть реализован с помощью дискретного автомата 1939 г. - американский инженер Дж. Стибниц создал релейную машину BELL 1939 г. - У. Хьюлетт и Д. Паккард основали компанию для производства компонентов первых вычислителей 1945-46 гг. – в США создана первая действующая ЭВМ ENIAC, которая содержала 18 000 электронных ламп и потребляла 150 квт электроэнергии и не использовала принцип хранимой программы 1946 г. - Джон фон Нейман и Гольдстейн опубликовали статью «Предварительное обсуждение логической конструкции ЭВМ» 1947 г. - Шокли и др. изобрели транзистор 1948 г. - в Массачусетском университете был построен первый компьютер с памятью EDVAC 1949 г. - Морис Уилкс (Англия) построил компьютер EDSAC, где был реализован принцип хранимой программы, предложенный фон Нейманом 1957 г. - Б. Нойс и Г. Мур открыли первую в мире компанию по производству полупроводниковых приборов, а через 10 лет они создали фирму «Intel Corporation» 1971 г. - сотрудник фирмы Intel Д. Хофф создает первый микропроцессор i4004 1975 г. – основана корпорация «Microsoft Corporation» 1977 г. - Стефен Возняк и Стивен Джобс собирают первый настольный компьютер «Apple» 1981 г. - IBM представляет свой первый ПК IBM PC 1951 г. - создана первая отечественная ЭВМ (МЭСМ - малая электронно-счетная машина), выполненная на базе 7 500 ламп на площади в 64 м2, была собрана за 2 года и потребляла 25 кВт электроэнергии 1952 г. - выпущена большая электронно-счетная машина (БЭСМ) на 4 500 лампах, выполнявшая до 10 000 операций в секунду 1956 г. - на конференции в г. Дармштадте БЭСМ (8 тыс. оп./с) была признана лучшей ЭВМ в Европе С 1958 г. начался промышленный выпуск ЭВМ в СССР 1959 г. - ЭВМ М-20 (20 тыс. оп./с) 1967 г. - БЭСМ-6 (1 млн. оп./с). Впервые реализованы идеи параллелизма. Было выпущено 350 машин со сроком эксплуатации - 25 лет. Последние БЭСМ демонтированы в середине 90-х г. 30 декабря 1967 г. вышло постановление Совмина СССР о разработке ЕС ЭВМ 1979 г. - Эльбрус-1, 10 ЦП на БИС с общей памятью, производительность - 1,5-10 млн. оп./с 1985 г. - Эльбрус-2, производительность более 100 млн.оп./с 1991 г. -Эльбрус-3, для 16 ЦП производительность-1 млрд. оп./с В истории развития вычислительной техники принято выделять поколения ЭВМ При делении компьютеров на поколения учитывается: элементная база, временной интервал, показатели развития компьютеров:
Характеристика поколений ЭВМ Первое поколение компьютеров (1945-1956 гг.) электронные вакуумные лампы; оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) - до 100 байт; быстродействие - до 10 000 операций/с. ввод-вывод информации: перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства небольшой набор команд, практически нет ПО (программы создавались на языке конкретной машины) большие размеры и высокая стоимость В 1905 г. изобретена первая радиолампа Изобретение оказало решающее влияние на развитие техники, возникли :
Звуковое радиовещание Телевидение Радиолокация Радиолампы использовались в радиосхемах для усиления колебаний, в компьютерах они стали работать в качестве переключателей 1944 г. «Марк-1» - первая аналитическая машина (электромеханическая и программно-управляемая), конструктор Говард Эйкен (IBM) Технических новшества:
Управление при помощи команд, записанных на бумажную перфоленту Элементная база - электромеханические реле (более 750 тыс. деталей) Возможности умножение двух 23-разрядных чисел за 3 сек., настраивалась на решение разнообразных задач оборонного характера Конец 1945г. Джон Мокли и ДЖ. Эккерт сконструировани ENIAC (Electronical Numerical Integrator and Calculator - Электронно-цифровой интегратор и вычислитель)
Скорость вычислений по сравнению с «Марк–1», увеличилась в 1000 раз Компьютер ENIAC
состоял из 40 панелей, содержащих около 20 000 электронных ламп и 1 500 реле, мощность до 150 кВт. Каждые 5-8 минут перегорала какая-нибудь лампа Радиолампы были громоздкими, ненадежными, довольно дорогими устройствами, потребляли много электроэнергии и сильно грелись Американский математик Джорж фон Нейман предлагает: включить в состав компьютера для хранения последовательности команд и данных специальной устройство – память, реализовать возможность передачи управления от одной программы к другой, включить в состав компьютера процессор – центральное обрабатывающее устройство В 1945 г. фон Нейман подготовил доклад, в котором определил основные принципы работы и элементы архитектуры компьютера, на которых базируется архитектура большинства современных компьютеров Предложения Джоржа фон Неймана: включить в состав компьютера для хранения последовательности команд и данных специальной устройство – память, реализовать возможность передачи управления от одной программы к другой, включить в состав компьютера процессор – центральное обрабатывающее устройство Принципы построения ЭВМ, сформулированные фон Нейманом Наличие единого вычислительного устройства, включающего процессор, средства передачи информации и память Линейная структура адресации памяти, состоящей из слов фиксированной длины Двоичная система исчисления Централизованное последовательное управление Хранимая программа Низкий уровень машинного языка Наличие команд условной и безусловной передачи управления АЛУ с представлением чисел в форме с плавающей точкой Принципиальная схема Фон Неймана Кроме машин фон Неймана существуют потоковые и редукционные ЭВМ В 1967 г. Дж. Деннис сформулировал принципы построения потоковых ЭВМ: все команды, для которых есть данные, должны выполняться независимо от их места в программе; управление вычислительным процессом переходит от программы к данным В 1971-1974 гг. исследованы принципы создания редукционных ЭВМ, управляемых заданиями, в которых выполнение операций определяется потребностью в результате, и единообразно хранятся любые объекты: данные, программы, файлы, массивы Основные компьютеры первого поколения 1946г. ЭНИАК (Electronic Numerical Integrator and Computer) ЭВМ ENIAC 1949г. ЭДСАК Первая машина с хранимой программой - Эдсак была создана в Кембриджском университете (Англия) в 1949 г. Она имела запоминающее устройство на 512 ртутных линиях задержки Время выполнения сложения 0,07 мс, умножения - 8,5 мс 1951 г.– создана первая отечественная ЭВМ создана в Киеве – МЭСМ (Малая Электронная Счетная Машина) Машина оперировала с 20 разрядными двоичными кодами Быстродействие 50 операций/с. Оперативная память - 100 ячеек на электронных лампах 1952 г. – БЭСМ в Москве. Быстродействие - около 10 тыс. операций/с. над 39-разрядными двоичными числами Оперативная память на электронно-акустических линиях задержки - 1024 слова, затем на электронно-лучевых трубках и позже на ферритовых сердечниках. ВЗУ - 2 магнитных барабана и магнитная лента емкость свыше 100 тыс. слов. БЭСМ-6 явилась лучшей ЭВМ 2-го поколения, уровень которой, по мнению экспертов, на несколько лет опередил уровень зарубежных аналогов БСЭМ-1 БСЭМ-2 БСЭМ-6 БСЭМ-6 Второе поколение компьютеров 1958-1964 гг.
ОЗУ - до 1000 байт быстродействие - до 1 млн. операций/с. оборудования ввода-вывода информации:
– магнитные барабаны – первые магнитные диски языки высокого уровня, трансляторы Наборы библиотечных программ для решения:
Для некоторых машин 2-го поколения уже были созданы ОС с ограниченными возможностями Программная несовместимость, которая затрудняла организацию крупных информационных систем Середина 60-х годов - переход к созданию компьютеров, программно совместимых и построенных на микроэлектронной технологической базе 1948 г. Американские ученые – сотрудники компании Bell Telephone Laboratories: Джон Бардин, Уолтер Браттэйн и Уильям Шокли изобрели транзисторы (миниатюрные, по сравнению с электронной лампой, полупроводниковые приборы) За это изобретение они получили в 1956 г. Нобелевскую премию в области физики Преимущества транзисторов малые размеры меньшее потребление тока пониженная теплоотдача увеличение быстродействия и надежности ЭВМ Разработка технологии серийного производства полупроводниковых приборов привела к появлению в середине десятилетия ЭВМ второго поколения, построенных на полупроводниковой элементной базе Появление транзисторов привело к образованию отрасли промышленности – полупроводниковая электроника: транзисторы, многотранзисторные интегральные схемы стали основными элементами радиоприемников, телевизоров, магнитофонов, фотоаппаратов, часов, детских игрушек, карманных калькуляторов, систем пожарной и охранной сигнализации, игровых телеприставок, регуляторов всех видов, систем управления МИНСК 32 ЭВМ второго поколения: IBM 1401 NCR 304 «Минск» «Урал» Первые советские универсальные ламповые ЭВМ – для ввода программ применялась бумажная перфолента Сначала микросхемы были дорогостоящими и засекреченными и использовались только в космической и военной технике Производство микросхем становится массовым и цена падает Первые бытовые устройства на интегральных схемах появились в 1964 г. Первые транзисторные компьютеры только начинали использоваться, а в науке был уже сделан следующий шаг - у исследователей возникла мысль о возможности изготовления целой схемы - нескольких транзисторов с резисторами, конденсаторами, диодами, из единого кристалла кремния. В 1959 г. Роберт Нойс (будущий основатель фирмы Intel) изобрел метод, позволивший создавать на одной пластине и транзисторы, и все необходимые соединения между ними Такие электронные схемы стали называться интегральными схемами (ИС) – чипами Первая интегральная схема содержала только 6 транзисторов Развитие этого направления в электронике привело к появлению в 1964 г. третьего поколения ЭВМ Третье поколение компьютеров 1965-1975 гг. Элементная база – интегральные схемы Единая архитектура (программно-совместимые) ОЗУ - до 10 Кбайт Быстродействие - до 10 млн. операций /с. Развитые операционные системы Возможности мультипрограммирования -одновременного выполнения нескольких программ Многие задачи управления памятью, устройствами и ресурсами выполняет ОС или сама ЭВМ Введены информационные каналы сопряжения, осуществляющие обмен информации между внешними устройствами и памятью ЭВМ Использование дисплеев Представители ЭВМ 3-го поколения: США
IBM s/370 ICL 1900 Мини ЭВМ
Fujitsu M 380 ЕС ЭВМ СМ ЭВМ 1964 г. компания IBM предложила первое семейство совместимых компьютеров и периферийного оборудования - System-360 Владельцы System-360 могли в случае необходимости модернизировать оборудование и программное обеспечение по частям, что давало существенную экономию средств В этот период в области вычислительной техники появляются разработки, связанные с частичным отходом от классических принципов Джона фон Неймана: разработка фирмой IBM концепции прерывания:
разработка концепции принципиально новых ЭВМ с параллельной и конвейерной обработкой информации на нескольких процессорах потоковые ЭВМ, в которых управление вычислительным процессом осуществляется потоком обрабатываемых данных Ленточные накопители ЕС-5612 ЕС 1050 ПРОЦЕССОР 2436 АЦПУ 7036 4-е поколение компьютеров (1971-по настоящее время) Использование модульных конструкций Модуль - любое устройство ЭВМ, способное функционировать самостоятельно, имеющее собственные цепи управления Повышения производительности, зачет разбиения программ на отдельные независимые части и параллельной обработкой этих частей одновременно на нескольких процессорах Отход от классических принципов фон Неймана в некоторых семействах ЭВМ становится более существенным Появляется концепция распределенной вычислительной среды, в которой нельзя выделить «одинокую» ЭВМ, монопольно выполняющую одну программу Создание персональных ЭВМ, которые относят к отдельному классу машин 4-го поколения Именно с этого периода утвердился термин «персональный компьютер» - ПК Элементная база - интегральные схемы Быстродействие – до нескольких десятков миллионов операций в сек. Емкость оперативной памяти свыше 128 Мбайт Для компьютеров 4-го поколения характерно 1. Применение ПК 2. Телекоммуникационная обработка данных 3. Компьютерные сети 4. Широкое применение СУБД 5. Элементы интеллектуального поведения систем обработки данных и устройств 1971 г. Фирма Intel (INTegrated ELectronics) создает первый микропроцессор - программируемое логическое устройство, изготовленное по технологии сверхбольшой интегральной схемы, был представлен на рынке под маркой I 4004 Эдвард Хофф - автор микропроцессора Intel-4004 – однокристальной схемы, содержащей все основные компоненты центрального процессора Микропроцессор I 4004 Кристалл микропроцессора I 4004 (увеличено) 1973г. – IBM, винчестер 1974г. – Intel, микропроцессор 8080 с 45000 транзисторами 1975 г. - Джин Амдал разработал компьютер четвертого поколения на больших интегральных схемах (БИС) – AMDAL-470 V/6 1975г. – IBM, лазерный принтер 1981 г. фирма IBM представила новый компьютер под названием IBM PC, который стал стандартом ПК ИСКРА 1030 Сегодня совместимые с IBM PC компьютеры составляют более 90% всех ПК, производимых в мире, чему способствовал принцип открытой архитектуры, который предоставлял возможность усовершенствования отдельных частей компьютера и использование новых устройств 1979 г. В Японии была разработана программа создания ЭВМ 5-го поколения Более высокая производительность Наличие признаков искусственного интеллекта Наиболее успешными и быстроразвивающимися направлениями из являются: нейрокомпьютеры, квантовые, оптические компьютеры 5-е поколение ЭВМ, начиная с 90-х годов Нейронная структура, Макропараллелилизм на основе больших интегральных схем повышенной степени интеграции ЭВМ на сложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы, использование оптоэлектронных принципов (лазер, голография) Развитие по пути интеллектуализации, устранении барьера между ПК и пользователем (системы оптического распознавания образов, голосовые технологии, перевод на др. языки), Качественный переход от обработки данных к обработке знаний, осуществление связи с пользователем через интеллектуальный интерфейс Классификация компьютеров По назначению 1. Офисные –решение широкого класса задач 2. Специализированные (проблемно-ориентированные) – решение узкого класса задач или одной задачи, требующей многократного решения, функционируют в особых условиях эксплуатации По производительности и характеру использования Микрокомпьютеры, в том числе ПК Мейнфреймы (универсальные компьютеры) – решение широкого класса научно-технических задач, целесообразность применения при наличии 200-300 рабочих мест Суперкомпьютеры Мейнфре́йм (от англ. mainframe) - большая универсальная ЭВМ - высокопроизводительный компьютер с большим объёмом оперативной и внешней памяти, предназначен для организации централизованных хранилищ данных большой ёмкости и выполнения интенсивных вычислительных работ Централизованная обработка данных на мейнфрейме дешевле в 5-6 раз, распределенной обработки при подходе клиент-сервер Лидер на рынке мейнфреймов – фирма IBM В середине 90-х годов IBM добилась крупных коммерческих успехов на рынке мейнфреймов: Высокая стоимость IBM ES/9000 (около $1 млн.), их покупали в порядке очереди, прибыль от продаж ежегодно составляла $3-4 млрд. Мейнфреймы выпускают также компании Unisys и Amdahl. Мейнфреймы IBM используются в более чем 25 000 организациях по всему миру (без учета аналогов) В России по разным оценкам их от 1500 до 7000 (с учетом аналогов) Около 70 % всех важных бизнес-данных хранятся на мейнфреймах Кризис мейнфреймов 80-х годов Большое энергопотребление Для установки мейнфреймов требовались огромные площади Использование устаревших полупроводниковых технологий требовало необходимость водяного охлаждения Дороговизна и сложность обслуживания В мейнфреймах не соблюдался основной принцип открытых систем — совместимость с другими платформами C 1994 года вновь начался рост интереса к мейнфреймам: повышение производительности снижение стоимость владения высокая надежность и доступность систем Web-интерфейс Централизованная обработка на основе мейнфреймов решает многие задачи построения информационных систем масштаба предприятия проще и дешевле, чем распределённая. Современные мейнфреймы имеют открытую архитектуру: способны поддерживать на одной машине сотни серверов с различными ОС, включая Linux. Мейнфрейм S-390 IBM оснащен не менее чем 3 процессорами объем оперативного хранения 342 Терабайт, производительность процессоров, пропускная способность каналов, объем оперативного хранения позволяют наращивать число рабочих мест до 200 тысяч с помощью добавления процессоров, модулей оперативной памяти и дисковых накопителей 3. Суперкомпьютеры – мощные, многопроцессорные, многомашинные комплексы, с общей памятью и внешними устройствами, с мультипроцессорная обработка данных Производительность суперкомпьютеров определяется
операций с плавающей точкой в секунду Суперкомпьютеры реализуют параллельную обработку данных, в двух направлениях: 1. конвейерность – разбиение процесса выполнения общей операции на отдельные этапы (микрооперации), каждая микрооперация, выполнив свою работу, передает результат следующей, одновременно принимая новую порцию входных данных. 2. параллельность – несколько независимых устройств работают одновременно ( при разработке параллельной программы, в ней выделяют части, которые могут одновременно вычисляться разными процессорами, функциональными устройствами или же разными ступенями конвейера). Суперкомпьютер среднего класса Intel Pentium 200 содержит:
Система весит 44 тонны (кондиционеры 300т) и потребляет мощность 850 кВТ. Области применения суперкомпьютеров:
Сейсмология Метеорология Ядерная физика Физика плазмы Разведка Управление Киноиндустрия Возможности компьютера Onyx Reality фирмы Silicon Graphics были применены при создании кинофильмов «Терминатор» и «Парк Юрского периода» Начало 1990-х г.- использование суперкомпьютеров в финансовой сфере - при большом объеме сделок на биржах суперкомпьютеры осуществляют вычисления в режиме реального времени Мейнфреймы решали такие задачи за несколько часов, а ПК не способны справиться с таким объемов вычислений даже за сутки С начала 90-х годов дважды в год, в июне и ноябре, публикуется список Top-500 - 500 наиболее мощных компьютерных систем, установленных по всему миру В июне 2002 г. первое место занял компьютер Earth-Simulator компании NEC, установленный в Центре моделирования Земли (Йокогама, Япония) Производительность этого компьютера составила 35 680 миллиардов операций в секунду В системе задействованы 5 104 процессора Оперативная память 10 терабайт, дисковая - 700 терабайт Занимает площадь, эквивалентную четырем трехэтажным теннисным кортам В том же списке на 64-ом месте был и российский суперкомпьютер МВС-1000М Производительность 1 терафлоп Собран на базе 768 процессоров DEC Alpha Объем оперативной памяти системы - 768 Гб. Работает под управлением ОС Red Hat Linux 6.2 с поддержкой многопроцессорных систем
4. Портативные компьютеры: Portable - первые портативные компьютеры вес около10кг Laptop – наколенные, вес 4-5 кг Notebook - 2 – 3 кг Palmtop - «наладонные» самые маленькие и легкие (вес примерно 450 г) компьютеры - HPC (Handheld PC) Одна из общепринятых классификаций ЭВМ приведена Б.С. Богумирским Большие ЭВМ (mainframe) IBM 360/370, ЕС ЭВМ, ES/9000, IBM S/390. Супер-ЭВМ (Cray J90, Convex C38XX, IBM SP2, SGI POWER CHALLENGE, системы MPP, Электроника СС-100, Эльбрус-3). Мини-ЭВМ (PDP-11, VAX, СМ ЭВМ) Микро-ЭВМ:
Встроенные ПЭВМ Тенденции развития средств вычислительной техники Прогноз к 2012 г. число транзисторов в микропроцессоре достигнет 1 млрд., тактовая частота возрастет до 10 ГГц, производительность достигнет 100 млрд.оп/с. Основные направления развитие микропроцессоров Повышение тактовой частоты Увеличение объема и пропускной способности подсистемы памяти Увеличение количества параллельно работающих исполнительных устройств Системы на одном кристалле и новые технологии Нанотехнологии (дргреч. nano - карлик) - технологии, оперирующие величинами порядка нанометра Это технологии манипуляции отдельными атомами и молекулами, в результате которых создаются структуры сложных спецификаций Нано - миллиардную часть единицы измерения, в сотни раз меньшей длины волны видимого света и сопоставимой с размерами атомов Переход от микро к нано - это качественный переходот манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами Такие бесконечно малые величины намного меньше, чем микрокристаллы и микротранзисторы Основные направления в области нанотехнологий молекулярная электроника; биохимические и органические решения; квазимеханические решения на основе нанотрубок; квантовые компьютеры. |