Радиотехника. В. И. Левченко Минобрнауки России, Омгту. Омск Издво Омгту
 Скачать 4.77 Mb.
|
|
ЭЛЕКТРОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ИНТЕРНЕТ Середина XX в. ознаменовалась внедрением в производственные процессы, промышленные комплексы и системы вооружений сложных систем автоматического управления (САУ) на базе электронных управляющих вычислительных машин. Автоматическое управление – это совокупность действии, направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта в соответствии с заданной целью без непосредственного участия человека. В 1948 г. вышла книга Норберта Винера Кибернетика, или управление и связь в животном мире и машине. Таким образом, возникла кибернетика как отдельная самостоятельная наука об общих законах получения, хранения, передачи и преобразования информации в сложных управляющих системах. Основные положения этой науки были позже использованы при создании первых электронно-вычислительных машин (ЭВМ. Следует отметить, что в настоящее время термин электронная вычислительная машина практически не используется, уступив место термину компьютер. ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ КОМПЬЮТЕРОВ Слово компьютер является производным от английских слов to com- pute, computer, которые переводятся как вычислять, вычислитель. Одним из первых авторов идеи о машине, которая может производить вычисления автоматически (те. без непосредственного участия человека благодаря заложенной программе, был английский математики изобретатель Чарльз Бэббидж. По замыслу Бэббиджа, его аналитическая машина имела следующие узлы – Склад для хранения чисел (по современной терминологии память – Мельница (по современной терминологии арифметическое устройство – Устройство, управляющее последовательностью операций в машине – Устройства ввода и вывода данных. 116 Идеи Бэббиджа, высказанные еще в середине XIX в, на десятилетия опередили появление пригодной для практической реализации вычислительных машин элементной базы. Реально работающие конструкции появились лишь в середине XX в, те. более чем через полвека. Создание первой большой универсальной ЭВМ “ENIAC” (Electronic Numerical Integrator and Computer ) было начато по заказу армии США в 1943 г. Первоначально она была задумана для расчета таблиц артиллерийских стрельб. В 1946 г. машина была публично представлена под названием Giant Brain дословно Гигантский мозг. В ЭВМ использовалась десятичная система счисления. Вычислительная мощность – 300 операций умножения или 5000 операций сложения в секунду. Компьютер содержал более 17 тысяч вакуумных ламп шестнадцати типов, более 7 тысяч кристаллических диодов и более 4 тысяч магнитных элементов. Общая стоимость базовой машины немного не дотянула до одного миллиона долларов. Потребляемая мощность составляла около 150 кВт. Машина имела габариты 2,6×0,9×26 мае масса составляла 27 т. Программирование ЭВМ производилось путем установки перемычек на специальной коммутационной панели (рис. 7.1). Это было весьма трудоемким занятием. Для изменения программы машины ENIAC требовалось несколько дней. Рис. 7.1. Процесс программирования ЭВМ “ENIAC” В 1944 г. к созданию первой ЭВМ подключился Дж. фон Нейман. Он высказал идею принципиально новой ЭВМ, теоретические основы которой были изложены Нейманом с соавторами в 1946 г. в журнале “Nature” 117 в статье Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства. Главная идея совпадала с идеей Бэббиджа: работа устройства на основе хранимой в памяти программы. 7.1.1. Архитектура ЭВМ Дж. фон Неймана Принципиальное описание устройства и работы компьютера принято называть архитектурой электронно-вычислительной машины. Архитектура ЭВМ Дж. фон Неймана предусматривает следующие функциональные блоки (рис. 7.2): − арифметико-логическое устройство (АЛУ − устройство управления (УУ); − различные виды памяти (запоминающих устройств (ЗУ), для хранения данных, программ и результатов вычислений − устройство ввода информации − устройство вывода информации. Рис. 7.2. Архитектура ЭВМ Дж. фон Неймана Принципы фон Неймана были реализованы впервые в 1950 г. при создании ЭВМ EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer). В этой машине применялась двоичная арифметика и использовалась оперативная память, построенная на ультразвуковых ртутных линиях задержки. Память могла хранить 1024 слова. Каждое слово состояло из 44 двоичных разрядов. Операция сложения занимала около 1 мс, а умножения – 3 мс. Компьютер состоял почти из 6000 электровакуумных ламп и 12000 диодов и потреблял 56 кВт электрической мощности, занимал площадь 45,5 м, имел массу 7850 кг. В каждую часовую рабочую смену ЭВМ обслуживало человек. 118 Эту ЭВМ можно считать первым полнофункциональным цифровым компьютером в современном понимании этого термина. 7.1.2. История появления отечественных ЭВМ Разработка первого в СССР проекта цифровой электронной вычислительной машины проводилась под руководством И. С. Брука и Б. И. Раме- ева после окончания Второй мировой войны. Первое в СССР авторское свидетельство на изобретение цифровой ЭВМ И. С. Бруком и Б. И. Рамее- вым получено в декабре 1948 г. В 1946–1950 гг. под руководством академика С. А. Лебедева было осуществлено создание первой отечественной универсальной ЭВМ МЭСМ (Малая электронная счетная машина. Это была первая ЭВМ не только в СССР, но ив Европе. Машина МЭСМ занимала зал площадью около 60 м. Общее количество электронных ламп насчитывало около 3500 триодов и около 2500 диодов. Суммарная потребляемая электрическая мощность составляла около 25 кВт. В 1953 г. С. А. Лебедев завершил разработку быстродействующей электронной счетной машины (БЭСМ), и на основе этого проекта был начат серийный выпуск ЭВМ БЭСМ-2. В октябре 1955 г. в Дармштадте (ФРГ) на Международной конференции по ЭВМ доклад С. А. Лебедева произвел сенсацию, поскольку БЭСМ оказалась лучшей ЭВМ в Европе. Машинами БЭСМ-2 были оснащены практически все крупные вычислительные центры страны. На ней осуществлялись расчеты при запусках искусственных спутников Земли и первых космических кораблей с человеком на борту. ПОКОЛЕНИЯ ЭВМ Признаками, определяющими отнесение ЭВМ к тому или иному поколению, являются − элементная база, те. какие основные электронные компоненты используются в ЭВМ для реализации вычислительных функций − основные функциональные характеристики ЭВМ быстродействие, объем оперативной памяти, программное обеспечение, устройства ввода- вывода. 119 7.2.1. Первое поколение ЭВМ (1946–1955) − Элементная база – электронные лампы. − Быстродействие – 10–20 тыс. операций в секунду. − Программные средства – язык ассемблер. − Ввод данных – с помощью перфокарт и перфолент. − Вывод данных – АЦПУ (алфавитно-цифровые печатающие устройства. Машины первого поколения на электронных вакуумных лампахбыли очень громоздкими (занимали целые залы, потребляли большое количество энергии и были очень ненадежны. В основном сих помощью решались научные задачи. 7.2.2. Второе поколение ЭВМ (1955–1965) − Элементная база – полупроводниковые приборы (транзисторы, диоды Быстродействие – до трех млн операций в секунду. − Оперативная память до 512 Кб. − Память на магнитных носителях (ферритах и магнитных дисках. − Программные средства – языки программирования высокого уровня. Использование в ЭВМ транзисторов привело к уменьшению габаритов и потребляемой мощности, повышению надежности и производительности ЭВМ. Языки программирования высокого уровня создали предпосылки для появления программного обеспечения, независящего от типа ЭВМ. Первую ЭВМ второго поколения на транзисторах TRADIC разработала фирма Bell Telephone Laboratories в 1955 г. Она содержала порядка 800 транзисторов. Это позволило свести потребляемую мощность машины кВт, или одной двадцатой мощности аналога на электронно-вакуумных лампах. В СССР первая ЭВМ второго поколения – мощная полупроводниковая ЭВМ БЭСМ-6 была разработана в х годах под руководством С. А. Лебе- дева (рис. 7.3). Это для того времени была самая быстродействующая в мире супер-ЭВМ с производительностью 1 млн операций в секунду. 120 Рис. 7.3. ЭВМ БЭСМ-6 В е годы ЭВМ БЭСМ-6 использовалась в Омском НИИ приборостроения. За всю историю советской вычислительной техники БЭСМ-6 считается самой триумфальной. На момент своего создания в 1965 г. эта ЭВМ была передовой не столько по своим характеристикам, сколько по управляемости. Она имела развитую систему самодиагностики, несколько режимов работы, обширные возможности по управлению удалёнными устройствами (по телефонными телеграфным каналам, возможность конвейерной обработки 14 процессорных команд. Имелась поддержка виртуальной памяти, кеша команд, чтения и записи данных. В 1975 г. БЭСМ-6 обрабатывала траектории полёта космических аппаратов, участвовавших в проекте «Союз-Аполлон». Выпуск ЭВМ продолжался дога эксплуатация – дог. Кроме БЭСМ-6 в СССР ЭВМ второго поколения были представлены такими машинами, как «Раздан», «Наири», Мир, Минск. 7.2.3. Третье поколение ЭВМ (1965–1980) − Элементная база – интегральные схемы (ИС). − Быстродействие – до 30 млн операций в секунду. − Оперативная память – 16 Мбайт. − Программирование – алгоритмические языки (ПЛ, Algol, Cobol и др, операционные системы. Появляются возможности мультипрограммирования и управления ресурсами (периферийными устройствами, самой аппаратной частью ЭВМ или непосредственно операционной системой. 121 − Память – полупроводниковые запоминающие устройства (ЗУ). − Устройства ввода-вывода – клавиатура, магнитные диски, дисплеи, графопостроители. Отличительной особенностью развития программных средств третьего поколения являются появление ярко выраженного программного обеспечения и развитие его ядра – операционных систем, отвечающих за организацию и управление вычислительным процессом. Именно в этот период понятие ЭВМ все чаще стало заменяться терминами компьютер и вычислительная система, что в большей степени отражало усложнение как аппаратурной, таки программной части. Стоимость программного обеспечения стала расти, ив настоящее время она намного выше стоимости аппаратуры. В связи с применением интегрированной электронной компонентной базы ЭВМ третьего поколения были сравнительно недорогими и малогабаритными, их называли мини-ЭВМ. Они активно использовались для управления различными технологическими производственными процессами в системах сбора и обработки информации. В 1965 г. под руководством академика В. М. Глушкова была создана машина для инженерных расчетов МИР, реализующая идеологию современных персональных компьютеров (рис. 7.4). Рис. 7.4. ЭВМ МИР В 1969 г. было начато производство новой более совершенной ЭВМ МИР. На ЭВМ серии МИР впервые был реализован диалоговый режим работы, использующий дисплей со световым пером, прообразом современных сенсорных экранов. Затем была разработана следующая модель ЭВМ МИР. По скорости выполнения аналитических преобразований у ЭВМ серии МИР не было конкурентов. 122 Габариты машины соответствовали размерам письменного стола площадь около 2 м, несмотря на применение транзисторов и объемный монтаж плат. В 1967 г. на выставке в Лондоне, где демонстрировалась ЭВМ МИР, она была куплена американской фирмой IBM. Это была первая и единственная) покупка советской ЭВМ американской компанией. В 1972 г. под руководством академика В. М. Глушкова была создана отечественная ЕС ЭВМ (Единая система вычислительных машин. Машины ЕС ЭВМ были совместимыми между собой на программно-аппаратном уровне. Производительность «ЕС-1036» (рис. 7.5) при использовании полного комплекта процессоров (256 устройств) оценивалась в полмиллиарда операций в секунду. Машины «ЕС-2701» и «ЕС-1766» были переданы в серийное производство в 1984 и 1987 годах соответственно. К сожалению, машины, столь мощные, соперничающие с лучшими американскими ЭВМ, и столь нужные науке и технике, были выпущены лишь малой серией. Рис. 7.5. ЭВМ «ЕС-1036» Создание микросхем позволило перейти к разработке и производству малогабаритных управляющих вычислительных комплексов специального назначения, в том числе бортовых ЭВМ космических аппаратов. 7.2.4. Четвертое поколение ЭВМ (1980 г. – настоящее время) − Элементная база – большие и сверхбольшие интегральные схемы БИС и СБИС, включающие десятки и сотни тысяч транзисторов. − Быстродействие – до сотен млн операций в секунду. 123 − Оперативная память – 16 Мбайт. − Программирование – языки высокого уровня, базы и банки данных. Объединение в компьютерные сети. − Классификация ЭВМ четвертого поколения • сверхбольшие • большие • мини-ЭВМ; • микроЭВМ. Четвертое поколение ЭВМ повлекло дальнейшее существенное снижение размеров и стоимости ЭВМ. Работа с программным обеспечением стала более дружественной, что повлекло за собой рост количества пользователей. Появился класс машин – персональный компьютер (ПК). Первый персональный компьютер Аррlе создали в США в 1977 г. Стив Джобc и Стив Возняк,организовавшие одноименную компанию Apple в 1976 г. Персональный (настольный) компьютер Apple II (рис. 7.6) выпускался и продавался серийно. Он функционировал на основе процессора MOS Technology 6502 с тактовой частотой в 1 МГц. Объем оперативной памяти составлял 4 Кб и мог быть расширен до 48 Кб. Объем ПЗУ составлял 4 Кб. В комплект входил монитора также интерфейс для использования кассетного магнитофона. Рис. 7.6. ПК Apple-II В СССР в г. Зеленограде персональный компьютер был создан через 5 лет – в 1982 г. под названием «ДВК-1» (диалоговый вычислительный комплекс. 124 Усовершенствованный отечественный ПК «ДВК-2», массовое производство которого началось в 1984 г, был вполне полноценной машиной рис. 7.7). В 1991 г. развитие этого модельного ряда, как, впрочем, и всей отечественной электронной промышленности, прекратилось. Рис. 7.7. ПК «ДВК-2» В 1981 г. в США начался серийный выпуск компьютера IBM PC/AT рис. 7.8), разработанного фирмой IBM. Конкуренция между фирмами Apple ив последующие годы способствовала быстрому обновлению моделей ПК и улучшению их функциональных и потребительских характеристик, в том числе значительному снижению цены. Рис. 7.8. ПК IBM PC/AT Внедрение персональных компьютеров в повседневную практику стало самым удачным коммерческим проектом XX в. 26 ноября 1976 г. Билл Гейтс зарегистрировал торговую марку Microsoft . В 1980 г. компания Microsoft подписала контракт с IBM, по которому должна была разработать для IBM операционную систему MS- DOS. 125 Сотрудничество с IBM продолжалось, и 20 ноября 1985 г. появилась новая операционная система Microsoft Windows. Так началась эпоха Win- dows – операционной системы, прославившей и сделавшей Гейтса богатейшим человеком мира. В мае 2015 г. стартовали продажи отечественных персональных компьютеров «АРМ Эльбрус с российским четырехъядерным микропроцессором «Эльбрус-4С». Эльбрус предназначен для профессионального использования с целью оборудования рабочих мест, организации информационных терминалов и микросерверов на предприятиях ив организациях с повышенными требованиями к информационной безопасности. Серверная модификация поддерживает до 384 Гб оперативной памяти, что делает его пригодным для организации веб-серверов, серверов баз данных, систем хранения данных, серверов удаленных рабочих столов и высокопроизводительных кластеров. Основной заказчик компьютеров – органы государственного управления и предприятия оборонной промышленности, нуждающиеся в компьютерах и серверах повышенной безопасности. Появление и распространение ПК по своему значению для общественного развития сопоставимо с появлением книгопечатания. Именно появление ПК сделало компьютерную грамотность массовым явлением. С развитием этого типа машин появилось понятие информационные технологии, без которых уже становится невозможным обойтись в большинстве областей деятельности человека. 7.2.5. Пятое поколение ЭВМ ЭВМ пятого поколения – это ЭВМ будущего. Если перед разработчиками ЭВМ с I по IV поколений стояли такие задачи, как увеличение производительности в области числовых расчётов, достижение большой м- кости памяти, то основными задачами разработчиков ЭВМ V поколения являются создание искусственного интеллекта машины (возможность делать логические выводы из представленных фактов, развитие интеллектуализации компьютеров, те. устранение барьера между человеком и компьютером. 126 ЭВМ будущего – это электронные и оптоэлектронные компьютеры с массовым параллелизмом, нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем. Компьютеры уже сегодня способны воспринимать информацию с рукописного или печатного текста, с бланков, с человеческого голоса, узнавать пользователя по голосу, осуществлять перевод с одного языка на другой. Это позволяет общаться с ЭВМ всем пользователям, даже тем, кто не обладает специальными знаниями в этой области. ЭВМ является помощником человеку во всех областях. Характерные черты компьютеров пятого поколения − элементная база сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) с использованием оптоэлектронных принципов (лазеры, голография. Компьютеры на основе отдельных молекул и даже атомов. Квантовый компьютер. Нейросети, моделирующие структуру нервной системы человека − технологии:нанотехнологии, отказ от архитектуры фон Неймана, переход к новым архитектурам и, как следствие этому, превращение ЭВМ в многопроцессорную систему. В компьютерах пятого поколения произойдет качественный переход от обработки данных к обработке знаний, создание экспертных систем. Архитектура будет содержать интеллектуальный интерфейс, задача которого – понять текст, написанный на естественном языке и содержащий условие задачи, и перевести его в работающую программу для компьютера. Главные направления развития ЭВМ пятого поколения связаны с квантовыми явлениями, оптоэлектроникой и фотоникой. Если требуется, к примеру, обсчитать миллиард вариантов в современном компьютере, то ему нужно прокрутить миллиард подобных циклов. На квантовом компьютере имеется принципиальное отличие он может просчитывать все эти варианты одновременно. Квантовый компьютер откроет перед человечеством необозримые возможности. Например, поможет создать искусственный разум, смоделировать Вселенную, молекулу, сверхпрочный металл, лекарства от неизлечимых болезней. Нынешний этап развития информационно-коммуникационных технологий характеризуется чрезвычайно быстрыми почти одновременным развитием компьютерных сетей и мобильной связи. Причем современный 127 смартфон включает в себя, по сути дела, все функции персонального компьютера. Если в настоящее время преобладают настольные (стационарные) ПК, которые постепенно вытесняются ноутбуками и планшетными компьютерами, то вскоре всех их могут заменить компьютеры нового поколения на базе модернизированных смартфонов. Существует точка зрения [2], что пятое поколение компьютеров ассоциируется нес конкретной архитектурой, а со сменой парадигмы. Компьютеры будущего будут встраиваться вовсе мыслимые и немыслимые устройства (бытовую технику, часы, банковские карточки и огромное количество других устройств) и за счет этого фактически станут невидимыми. Эта модель первоначально получила название повсеместной компьютеризации, нов настоящее время не менее распространен термин всепроникающая компьютеризация. Это явление изменит мир не менее радикально, чем промышленная революция. |