Вопрос №39. Поколения ЭВМ. Идентичность и различие ЭВМ всех поколений. Основные характеристики и особенности каждого поколения

Цифровые ЭВМ — результат развития электронной вычислительной техники (ВТ). Ее создание связано с именем английского математика Ч. Бэббиджа, который в 1833 г. высказал идею программного управления для построения устройства, автоматически выполняющего арифметические действия. Однако его попытки построить механическое вычислительное устройство с программным управлением не увенчались успехом из-за низкого уровня развития тех­ники и технологии того времени.

Фактически эта идея была реализована по проекту Г. Айкена фирмой ИБМ (США) в машине «Марк-1». «Марк-1» была построена на электромагнитных реле и имела программу, набираемую вручную на коммутационных досках и переключателях.

Первая цифровая ЭВМ была создана в 1945 г. под руководством Дж. Моучли и Дж. Эккерта (США). Она была названа ENIAC (аббревиатура слов Electronic Numerical Integrator And Calculator — электронный численный ин­тегратор и калькулятор). Машина была построена на 18 000 электронных лампах, выполняла 5000 операций в секунду и имела память емкостью всего 20 десятиразрядных деся­тичных чисел. Управление работой машины осуществлялось помощью коммутационной доски, на которой набиралась программа вычислений.

В 1945 г. американский математик Дж. Фон Нейман выдвинул идеи, состоящие в управлении вычислениями с помощью программы, хранимой в памяти машины, и в использовании двоичной системы счисления. Первые ЭВМ с программным управлением появились практически одновременно в Англии, США, СССР. В Советском Союзе первой цифровой ЭВМ была МЭСМ (малая электронная счетная машина), созданная в 1951 г. в Институте математики АН УССР под руководством академика С. А. Лебедева. Несколько позже, в 1953 г., в Институте точной механики и математики АН СССР под руководством С. А. Лебедева эта машина была усовершенствована и выпущена под названием БЭСМ (быстродействующая электронная счетная машина). При сравнительно небольшом количестве обо­рудования (около 5000 электронных ламп) машина обла­дала средним быстродействием 10 тыс. оп/с, что явля­лось наивысшим достижением в мировом приборострое­нии.

Элементно-технологической базой первых ЭВМ были радиокомпоненты и методы монтажа, используемые при создании радиоаппаратуры связи. Конструктивно ЭВМ выполняются в виде стоек с разъемами.

Начиная с 1955 г. в развитии электронной ВТ можно выделить несколько этапов, каждый из которых характе­ризуется созданием определенного поколения машин. По­коления ЭВМ отличаются конструктивно-технологически­ми и схемно-логическими принципами построения ЭВМ.

Первое поколение ЭВМ (1955—1960) строилось на дис­кретных радиодеталях и электронных лампах. Отечествен­ной промышленностью были освоены ламповые машины: БЭСМ-2, Стрела, М-2, М-3, Минск-1, Урал-1, Урал-4, М-20 и др., в основном предназначенные для решения, научно-технических задач. Эти машины имели быстродей­ствие 10—20 тыс. операций в секунду (оп/с), малую ем­кость оперативной памяти (1024 слова — 1К), большие габариты, потребляемую мощность, имели недостаточное программное обеспечение), ограммы писались большей частью на языке машины) и невысокую надежность. Ука­занные недостатки ЭВМ первого поколения крайне за­трудняли их применение в сфере управления.

В ЭВМ второго поколения (1960—1965) в качестве эле­ментной базы использовались полупроводниковые приборы (транзисторы, диоды) и миниатюрные дискретные радиоде­тали, а в качестве технологической — печатный монтаж. По сравнению с ламповыми эти машины характеризуются повышенным быстродействием (500 тыс. и более оп/с), большей емкостью оперативной памяти (16—32 К слов), меньшими массами и габаритами, повышенной надежно­стью, значительным снижением потребляемой мощности.

Наряду с конструктивным улучшением совершенство­вались также приемы и методы программирования. Стали применяться алгоритмические языки, ориентированные на специфику решаемых задач. Появились трансляторы для перевода программ с языка одной на язык другой модели ЭВМ. Были разработаны служебные программы для про­филактики и контроля работы ЭВМ. Большинство этих программ хранилось в памяти ЭВМ. Значительно расши­рилась сфера применения ЭВМ для экономических, науч­ных, инженерных расчетов. Появились управляющие ма­шины для управления производственными технологиче­скими процессами. Совершенствование ЭВМ второго по­коления привело к появлению многопрограммных ЭВМ, позволяющих одновременно реализовывать несколько про­грамм при параллельной работе устройств машины.

К ЭВМ второго поколения, выпускавшихся отечест­венной промышленностью, относятся полупроводниковые ЭВМ различных назначений: малые ЭВМ серий Наири и Мир; средние ЭВМ для научных расчетов и обработки дан­ных со скоростью работы 5—30 тыс. оп/с — Минск-2, Минск-22, Минск-32, Раздан-2, Раздан-3, БЭСМ-4, М-220; быстродействующая машина со скоростью работы 1 млн, оп/с — БЭСМ-6; управляющие вычислительные машины Днепр, ВНИИЭМ-3 и др.

Третье поколение ЭВМ (1965—1970) создавалось на по­лупроводниковых интегральных схемах (ИС]. С примене­нием И С значительно повысились надежность, быстродей­ствие, уменьшены габариты и масса машин. Существенно изменился подход к проектированию ЭВМ. Были созданы ЭВМ с единой архитектурой и программно-совместимыми машинами различной мощности, что привело к созданию многомашинных и многопроцессорных вычислительных сис­тем (ВС).

Советский Союз и другие социалистические страны — члены СЭВ, реализуя программу социалистической интегра­ции, совместно разработали и организовали серийное про­изводство Единой системы электронных вычислительных машин (ЕС ЭВМ) первого, второго и третьего ряда.

Все модели ЭВМ «Ряд-1» и «Ряд-2» относятся к ЭВМ третьего поколения. ЭВМ «Ряд-1» выполнены на интеграль­ных схемах малой (МИС) и средней (СИС) степеней ин­теграции.

Большой - диапазон быстродействия (10—500 тыс. оп/с) ЭВМ «Ряд-1» обеспечивает возможность их использования для решения широкого круга задач.

В ЭВМ «Ряд-2» широко используются большие интег­ральные схемы (БИС), содержащие одно или несколько функционально законченных устройств (арифметическо-логическое устройство, оперативное запоминающее уст­ройство, постоянное запоминающее устройство и т. п.) или его части. Это дало возможность в моделях ЭВМ «Ряд-2» увеличить быстродействие до 4,5 млн. оп/с, надежность в 2 раза и уменьшить стоимость выполнения одинакового объема операций в 4—5 раз по сравнению с ЭВМ «Ряд-1».

Особенность моделей ЭВМ «Ряд-2» — в них предусмот­рены программно-аппаратурные средства для комплектова­ния ЭВМ в многопрограммные и многопроцессорные ком­плексы.

Параллельно с созданием ЕС ЭВМ социалистическими странами разработаны и серийно выпускаются системы ма­лых (мини) электронных вычислительных машин" (СМ ЭВМ), предназначенных для решения небольших по объему задач, для автоматизации измерений, контроля и управления технологическими процессами, предварительной обработ­ки информации, поступающей по каналам связи.

Использование ЕС ЭВМ для этих целей дорого и неэф­фективно. К третьему поколению ЭВМ относятся модели СМ ЭВМ первой очереди: СМ-3, СМ-4, СМ-1М, СМ-2М, представляющие собой управляющие и сравнительно быст­родействующие (200—800 тыс. оп/с) ЭВМ.

Четвертое поколение ЭВМ (с 1970 г.) выполняется на БИС и сверхбольших интегральных схемах), ИС), что способствует дальнейшему повышению быстродействия и надежности ЭВМ, уменьшает их габариты и потребляемую мощность. Высокая степень интеграции, достигнутая в БИС и СБИС, обеспечила создание нового класса машин — микроЭВМ на основе микропроцессора.

Микропроцессор — программируемое логическое устрой­ство, реализованное на одной или нескольких БИС и СИС. Для решения той или иной задачи микропроцессор должен быть запрограммирован и соединен с другими уст­ройствами (памятью, устройствами ввода-вывода). В нашей стране создано несколько серий микропроцессоров: К580, К588, К589, К1800, К1804 и др.

Отечественной промышленностью выпускаются микро-ЭВМ семейства «Электроника-60», «Электроника-НЦ», «Электроника С5», СМ 1800.

К ЭВМ четвертого поколения относятся ЭВМ «Ряд-3», «Эльбрус-2», а также модели СМ ЭВМ второй очереди: СМ 1300, СМ 1420 и др., модульная структура которых с помощью развитого программного обеспечения и мульти-системных средств управления позволяет создавать вы­числительные системы высокой производительности и на­дежности.

Появлялись и нашли широкое примене­ние так называемые персональные ЭВМ (ПЭВМ). Персо­нальный характер микроЭВМ понимается не столько в плане личной эксплуатации, сколько в возможности экс­плуатировать ее без помощи профессионального програм­миста, т. е. самостоятельно, персонально.

Отечественной промышленностью выпускаются ПЭВМ типа АГАТ,. предназначенные для работы в диалоговом режиме. ПЭВМ типа АГАТ выполнены на базе микроЭВМ «Электроника-НЦ» производительностью 200 тыс. оп/с. Среди выпускаемых моделей ПЭВМ также широко извест­ны ЕС 1080, «Электроника ТЗ-29 МК» и ряд других.

Для ЭВМ пятого поколения, разрабатываемых в лабо­раторных условиях, элементная база основывается на СБИС и на оптико-электронных элементах. Для оптических ЭВМ носителями энергии служат не электроны, а фотоны, что значительно повышает скорость передачи сигналов, поэтому быстродействие ЭВМ может достигнуть сотен мил­лионов операций в секунду. Для преобразования и переда­чи оптических сигналов применяют лазеры, светоизлучающие диоды, счетоводы и различные фотоприемники.

Поиск по сайту: