Архитектура и основные функции первого и второго поколения ЭВМ

Архитектура и основные функции первого и  второго поколения ЭВМ

Первое  поколение(1937–1953)

. На роль первой в истории электронной вычислительной машины в разные периоды претендовало несколько разработок. Общим у них было использование схем на базе электронно-вакуумных ламп вместо электромеханических реле.

Первой  электронной вычислительной машиной чаще всего называют специализированный калькулятор ABC (Atanasoff–Berry Computer). Разработан с 1939 по 1942 год профессором Джоном Атанасовым предназначался для решения системы линейных уравнений Необходимо все же отметить, что ни ABC, ни ENIAC не являются вычислительным машинами в современном понимании этого термина и их правильней классифицировать как калькуляторы.

Вторым претендентом на первенство считается вычислитель Colossus, построенный в 1943 году в Англии. Изобретателем машины был профессор Макс Ньюмен. Colossus был создан для расшифровки немецких кодов. Машина была выполнена в виде восьми стоек высотой 2,3 м, а общая длина ее составляла 5,5 м. В логических схемах машины использовалось 2400 электронных ламп.

Наконец, третий кандидат на роль первой электронной  ВМ программируемый электронный  калькулятор общего назначения ENIAC Джоном Мочли, из университета Пенсильвании, с Преспером Эккертом в 1946 году. ENIAC активно использовался в программе разработки водородной бомбы. Машина эксплуатировалась до 1955 года и применялась для генерирования случайных чисел, предсказания погоды и проектирования аэродинамических труб.

Вычислительную  машину ENIAC характеризовали следующие показатели: тактовая частота – 100 КГц; быстродействие – 5000 и 350 операций в секунду; количества электронных ламп и электромагнитных реле – 18000 и 1500; потребляемая мощность – 150 киловатт; вес – 27 тонн; занимаемая площадь – 200 м². Создание машины ENIAC оценивается в 486000 долл.

Машина ENIAC –  это вручную перестраиваемая  конфигурация, состоявшая из трех подсистем: управляющей, вычислительной и ввода-вывода. Управляющая подсистема была представлена композицией из главного программного устройства (ГПУ) и двух дополнительных программных устройств (ДПУ). Вычислительная подсистема формировалась из 20 устройств накопления и суммирования (УНС), устройства умножения (УУМ), устройства деления и извлечения квадратного корня (УДК) и трех устройств хранения таблиц (УХТ). Подсистема ввода-вывода состояла из устройств ввода (УВв) и вывода (УВыв) информации.

Когда все лампы  работали, инженерный персонал мог  настроить ENIAC на новую задачу, вручную  изменив подключение 6000 проводов. Надежность машины чрезвычайно низка — поиск неисправностей занимал от нескольких часов до нескольких суток.

 

Второе  поколение  (1954–1962) характеризуется рядом достижений в элементной базе, структуре и программном обеспечении. Поводом для выделения нового поколения ВМ стали технологические изменения, и, главным образом, переход от электронных ламп к полупроводниковым диодам и транзисторам.

Первой ВМ, выполненной  полностью на полупроводниковых  диодах и транзисторах, стала TRADIC, построенная в 1955 году в Bell Labs по заказу военно-воздушных сил США как прототип бортовой ВМ. Машина состояла из 700 транзисторов и 10 000 диодов. За два года эксплуатации TRADIC отказали только 17 полупроводниковых элементов, что говорит о прорыве в области надежности.

 Другой полупроводниковой  ВМ стала TX-0, созданная в 1957 году в Массачусетсском институте.

Технологический прогресс дополняют важные изменения  в архитектуре ВМ.

• Изменением в структуре ВМ стало добавление аппаратного блока обработки чисел в формате с плавающей запятой.
• До этого обработка вещественных чисел производилась с помощью подпрограмм, каждая из которых имитировала выполнение какой-то одной операции с плавающей запятой (сложение, умножение и т. п.), используя для этой цели обычное целочисленное арифметико-логическое устройство.
• нововведение в архитектуре ВМ — появление в составе вычислительной машины процессоров ввода/вывода, позволяющих освободить центральный процессор от рутинных операций по управлению вводом/выводом и обеспечивающих более высокую пропускную способность «память — устройства ввода/вывода» (УВВ).

 

Третье поколение   (1963–1972)

Третье поколение  ознаменовалось резким увеличением  вычислительной мощности ВМ, ставшим  следствием больших успехов в  области архитектуры, технологии и  программного обеспечения. Основные технологические достижения связаны с переходом к интегральным микросхемам и началом применения полупроводниковых запоминающих устройств, начинающих вытеснять ЗУ на магнитных сердечниках.

В первых ВМ третьего поколения  использовались интегральные схемы  с малой степенью интеграции где на одном кристалле размещается порядка 10 транзисторов. Ближе к концу рассматриваемого периода на смену SSI стали приходить интегральные схемы средней степени интеграции (MSI), в которых число транзисторов на кристалле увеличилось на порядок.

Все шире востребуются преимущества параллельной обработки, реализуемые за счет множественных функциональных блоков, совмещения во времени работы центрального процессора и операций ввода/вывода, конвейеризации потоков команд и данных.

В 1964 году Сеймур Крей построил вычислительную систему CDC 6600, в архитектуру которой впервые был заложен функциональный параллелизм. Благодаря наличию 10 независимых функциональных блоков, способных работать параллельно, и 32 независимых модулей памяти удалось достичь быстродействия в 1 миллион операций в секунду. Пятью годами позже Крей создал CDC 7600 с конвейеризированными функциональными блоками и быстродействием 10 MFLOPS. CDC 7600 называют первой конвейерной вычислительной системой (конвейерным процессором). Революционной вехой в истории ВТ стало создание семейства вычислительных машин IBM 360, архитектура и программное обеспечение которых на долгие годы служили эталоном для последующих больших универсальных ВМ. В машинах этого семейства нашли воплощение многие новые для того периода идеи:

• предварительная выборка команд,
• отдельные блоки для операций с фиксированной и плавающей запятой,
• конвейеризация команд,
• кэш-память.

 К третьему  поколению ВС относятся также  первые параллельные вычислительные  системы: SOLOMON и ILLIAC IV. Третье поколение ВТ ознаменовалось также появлением первых конвейерно-векторных ВС: TI-ASC и STAR-100.

 

Четвертое поколение (1972–1984)

 
Отсчет четвертого поколения  ведут с перехода на интегральные микросхемы большой ( LSI) и сверхбольшой (VLSI) степени интеграции. К первым относят схемы, содержащие около 1000 транзисторов на кристалле, в то время как число транзисторов на одном кристалле VLSI имеет порядок 100 000. При таких уровнях интеграции стало возможным уместить в одну микросхему не только центральный процессор, но и вычислительную машину (ЦП, основную память и систему ввода/вывода).

Конец 70-х и  начало 80-х годов — это время  становления и последующего победного  шествия микропроцессоров и микроЭВМ, что, однако, не снижает важности изменений, произошедших в архитектуре других типов вычислительных машин и систем.

Одним из наиболее значимых событий в области архитектуры  ВМ стала идея вычислительной машины с сокращенным набором команд (RISC),  впервые реализованная в 1980 году. Суть концепции RISC заключается в сведении набора команд ВМ к наиболее употребительным простейшим командам. Это позволяет добиться резкого сокращения времени выполнения каждой из «простых» команд. Более сложные команды реализуются как подпрограммы, составленные из быстрых «простых» команд.

В сфере высокопроизводительных вычислений доминируют векторные 

 

вычислительные  системы, более известные как  суперЭВМ. На замену большим ВМ, работающим в режиме разделения времени, приходят индивидуальные микроЭВМ.

 

 

Пятое поколение (1984–1990)

 

Главным поводом  для выделения вычислительных систем второй половины 80-х годов в самостоятельное  поколение стало стремительное  развитие ВС с сотнями процессоров, ставшее побудительным мотивом  для прогресса в области параллельных вычислений. Ранее параллелизм вычислений выражался лишь в виде конвейеризации, векторной обработки и распределения работы между небольшим числом процессоров. Вычислительные системы пятого поколения обеспечивают такое распределение задач по множеству процессоров, при котором каждый из процессоров может выполнять задачу отдельного пользователя.

В рамках пятого поколения в архитектуре вычислительных систем сформировались два принципиально  различных подхода: архитектура  с совместно используемой памятью  и архитектура с распределенной памятью.

 

Шестое  поколение (1990–)

 

На ранних стадиях  эволюции вычислительных средств смена  поколений ассоциировалась с  революционными технологическими прорывами. Каждое из первых четырех поколений  имело четко выраженные отличительные  признаки и вполне определенные хронологические рамки. Последующее деление на поколения уже не столь очевидно и может быть понятно лишь при ретроспективном взгляде на развитие вычислительной техники. Пятое и шестое поколения в эволюции ВТ — это отражение нового качества, возникшего в результате последовательного накопления частных достижений, главным образом в архитектуре вычислительных систем и, в несколько меньшей мере, в сфере технологий.

Поводом для  начала отсчета нового поколения  стали значительные успехи в области параллельных вычислений, связанные с широким распространением вычислительных систем с массовым параллелизмом. Здесь же упрощенно определим их как совокупность большого количества (до нескольких тысяч) взаимодействующих, но достаточно автономных вычислительных машин. По вычислительной мощности такие системы уже успешно конкурируют с суперЭВМ, которые, как ранее отмечалось, по своей сути являются векторными ВС. Появление вычислительных систем с массовым параллелизмом дало основание говорить о производительности, измеряемой в TFLOPS (1 TFLOPS соответствует 10¹² операциям с плавающей запятой в секунду).

Вторая характерная  черта шестого поколения —  резко возросший уровень рабочих  станций. В процессорах новых  рабочих станций успешно совмещаются RISC-архитектура, конвейеризация и параллельная обработка. Некоторые рабочие станции по производительности сопоставимы с суперЭВМ четвертого поколения. Впечатляющие характеристики рабочих станций породили интерес к гетерогенным (неоднородным) вычислениям, когда программа, запущенная на одной рабочей станции, может найти в локальной сети не занятые в данный момент другие станции, после чего вычисления распараллеливаются и на эти простаивающие станции.

Наконец, третьей  приметой шестого поколения в  эволюции ВТ стал взрывной рост глобальных сетей.  Завершая обсуждение эволюции ВТ, отметим, что верхняя граница шестого поколения хронологически пока не определена и дальнейшее развитие вычислительной техники может внести в его характеристику новые коррективы. Не исключено также, что последующие события дадут повод говорить и об очередном поколении.

 

 

Виды  современных компьютеров

По назначению выделяют:

а) универсальные - предназначены для решения различных задач, типы которые не оговариваются. Эти ЭВМ характеризуются:

• разнообразием форм обрабатываемых данных (числовых, символьных и т.д.) при большом диапазоне их изменения и высокой точности представления;
• большой емкостью внутренней памяти;
• развитой системой организации ввода-вывода информации, обеспечивающей подключение разнообразных устройств ввода-вывода.

б) проблемно-ориентированные - служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами, регистрацией, накоплением и обработкой небольших объемов данных, выполнением расчетов по несложным правилам. Они обладают ограниченным набором аппаратных и программных средств.

в) специализированные - применяются для решения очень узкого круга задач. Это позволяет специализировать их структуру, снизить стоимость и сложность при сохранении высокой производительности и надежности. К этому классу ЭВМ относятся компьютеры, управляющие работой устройств ввода-вывода и внешней памятью в современных компьютерах. Такие устройства называются адаптерами, или контроллерами.

По размерам и функциональным возможностям различаю следующие виды  компьютеров: суперЭВМ, большие, малые и микроЭВМ.

СуперЭВМ являются мощными многопроцессорными компьютерами с огромным быстродействием. Многопроцессорность позволяет распараллеливать решение задач и увеличивает объемы памяти, что значительно убыстряет процесс решения. Они часто используются для решения экспериментальных задач, например, для проведения шахматных турниров с человеком.

Большие ЭВМ (их называют мэйнфреймами от англ. mainframe) характеризуются многопользовательским режимом (до 1000 пользователей одновременно могут решать свои задачи). Основное направление – решение научно-технических задач, работа с большими объемами данных, управление компьютерными сетями и их ресурсами.

Малые ЭВМ используются как управляющие компьютеры для контроля над технологическими процессами. Применяются также для вычислений в многопользовательских системах, в системах автоматизации проектирования, в системах моделирования несложных объектов,  в системах искусственного интеллекта.