7 История, темпы развития и перспективы информационных компьютерных систем

История развития вычислительной техники. Потребность в автоматизации обработки данных, в том числе вычислений, возникла очень давно. Считается, что исторически первым и, соответственно, простейшим счетным устройством был абак, который относится к руч Абак – счётная доска, применявшаяся для арифметических вычислений в Древней Греции, Риме, затем в Западной Европе до 18 в. Доска разделялась на бороздки. Одна бороздка соответствовала единицам, другая – десяткам и т.д. Если в какой-то бороздке при счете набиралось более 10 камешков, их снимали и добавляли один камешек в следующем разряде. В странах Дальнего Востока был распространён китайский аналог абака – суан-пан (в основе счета лежала не десятка, а пятерка), в России – счёты.ным приспособлениям для счета.

Абак Суан-пан (набрано 1930) Счеты (набрано 401,28)

Первой дошедшей до нас попыткой решить задачу по созданию машины умеющей складывать многоразрядные целые числа был эскиз 13-разрядного суммирующего устройства разработанный Леонардо да Винчи около 1500 г.

В 1642 году Блез Паскаль изобрел устройство, механически выполняющее сложение чисел. В основе принципа действия счетчиков в машине Паскаля лежит идея обыкновенной зубчатой пары – двух зубчатых колес, сцепленных между собой. Для каждого разряда имеется колесо (шестеренка) с десятью зубцами, представляющими одну из цифр от 0 до 9. С прибавлением в данном разряде каждой единицы счетное колесо поворачивается на один зубец, т. е. на одну десятую оборота. Требуемую цифру можно установить, поворачивая колесо до тех пор, пока зубец, представляющий эту цифру, не встанет против указателя или окошка. Ознакомившись с трудами Паскаля и изучив его арифметическую машину, Готфрид Вильгельм Лейбниц внес в нее значительные усовершенствования, и в 1673 году сконструировал арифмометр, позволяющий механически выполнять четыре арифметических операции. Начиная с 19 века, арифмометры получили очень широкое распространение и применение. На них выполняли даже очень сложные расчеты, например, расчеты баллистических таблиц для артиллерийских стрельб. Существовала специальная профессия- счетчик.

Первая фирма, специализировавшаяся по выпуску счётных машин, была основана в США в 1887 году. В России арифмометры начали выпускаться с 1894 года и производились более 70 лет.

Несмотря на явный прогресс по сравнению с абаком и подобными ему приспособлениями для ручного счета, данные механические вычислительные устройства требовали постоянного участия человека в процессе вычислений. Человек, производя вычисления на таком устройстве, сам управляет его работой, определяет последовательность выполняемых операций.

Мечтой изобретателей вычислительной техники было создание считающего автомата, который бы без вмешательства человека производил расчеты по заранее составленной программе.

В первой половине 19 века английский математик Чарльз Бэббидж попытался создать универсальное вычислительное устройство – Аналитическую машину, которая должна была выполнять арифметические операции без участия человека. В Аналитическую машину были заложены принципы, ставшие фундаментальными для вычислительной техники, и были предусмотрены все основные компоненты, имеющиеся в современном компьютере. Аналитическая машина Бэббиджа должна была состоять из следующих частей:

1. «Фабрика» – устройство, в котором производиться все операции по обработке всех видов данных (Арифметико-Логическое Устройство - АЛУ).

2. «Контора» – устройство, обеспечивающие организацию выполнения программы обработки данных и согласованную работу всех узлов машины в ходе этого процесса (Устройство Управления - УУ).

3. «Склад» – устройство, предназначенное для хранения исходных данных, промежуточных величин и результатов обработки данных (Запоминающее Устройство - ЗУ).

4. Устройства, способные преобразовывать исходные данные в форму, доступную компьютеру (кодирование). (Устройства Ввода – Увв).

5. Устройства, способные преобразовывать результаты обработки данных в форму, понятную человеку. (Устройства вывода – Увыв).

В окончательном варианте машины у нее было три устройства ввода с перфокарт, с которых считывались программа и данные, подлежащие обработке.

Бэббидж не смог довести работу до конца - это оказалось слишком сложно на основе механической техники того времени. Однако он разработал основные идеи, и в 1943 году американец Говард Эйкен на основе уже техники 20 века – электромеханических реле – смог построить на одном из предприятий фирмы IBM такую машину под названием «Марк-1». Для представления чисел в ней были использованы механические элементы (счетные колеса), для управления – электромеханические. Еще раньше идеи Бэббиджа были независимо переоткрыты немецким инженером Конрадом Цузе, который в 1941 году построил аналогичную машину.

Подлинная революция в вычислительной техники произошла в связи с применением электронных устройств. Первая машина первого поколения ЭВМ ENIAC была создана в США группой специалистов под руководством Джона Моучли и Преспера Эккерта (1945 – 1946 г.г.). Эта машина работала в тысячу раз быстрее, чем Марк-1, однако для задания ее программы приходилось в течение нескольких часов или даже нескольких дней подсоединять нужным образом провода.

Большой вклад в теорию и практику создания ЭВТ на начальном этапе ее развития внес крупнейший американский математик Джон фон Нейман. Совокупность «принципов фон Неймана» породила классическую (фон Неймановскую) архитектуру ЭВМ. Один из важнейших принципов – принцип хранимой программы (программы закладываются в память машины, также как и исходная информация).

Первая ЭВМ, построенная по принципам фон Неймана (EDSAC), появилась в Англии в 1949 году.

Развитие электронной техники в СССР тесно связано с именем академика С.А. Лебедева, под руководством которого были созданы первые отечественные ЭВМ: в 1951 году в Киеве – МЭСМ (малая электронная счетная машина) и в 1952 году в Москве – БЭСМ (большая электронная счетная машина). Лебедев руководил и созданием БЭСМ-6 – лучшей в мире ЭВМ второго поколения (ЭВМ, работавшие на полупроводниковых схемах), уровень которой, по мнению экспертов, на несколько лет опередил уровень зарубежных аналогов. По своей архитектуре она была ближе к ЭВМ третьего поколения и серийно выпускалась вплоть до 1981 года. В машинах второго поколения появилось замечательное изобретение - алфавитно-цифровое печатающее устройство.

ЭВМ третьего поколения (ЭВМ, работавшие на малых интегральных схемах) появились в конце 60-х годов. В этих машинах в качестве средства общения с ЭВМ стали использовать видео терминальные устройства – дисплеи (IBM-360 , IBM-370 , EC ЭВМ (машины единой системы) – ЕС-1022 и т.п.).

Новые технологии создания интегральных схем (большие интегральные схемы) позволили разработать в конце 70-х начале 80-х годов ЭВМ четвертого поколения, к которым относятся различного рода микро и мини ЭВМ. И, конечно, венцом развития вычислительной техники (на тот момент времени!!!) стало создание персональных ЭВМ, которые можно отнести к отдельному классу машин четвертого поколения. Именно с этого момента в нашем языке вместо ЭВМ утвердился термин персональный компьютер (ПК). И вычислительная техника устремилась «в массы».

На чем основана классификация по поколениям? Деление компьютерной техники на поколения — весьма условная, нестрогая классификация вычислительных систем по степени развития аппаратных и программных средств, а также способов общения с компьютером. Идея делить машины на поколения вызвана к жизни тем, что за время короткой истории своего развития компьютерная техника проделала большую эволюцию как в смысле элементной базы (лампы, транзисторы, микросхемы и др.), так и в смысле изменения её структуры, появления новых возможностей, расширения областей применения и характера использования.

1-ое поколение (1948-1958 гг). Элементная база - электронные лампы. Энергоемкие и большие по размеру.

• Набор команд – небольшой.

• ПО – машинно-ориентированное.

• Носители информации - перфоленты, перфокарты, магнитные ленты, магнитные барабаны.

• Быстродействие порядка 2-3 тысяч операций в секунду.

• Объем памяти – 2К машинных слов по 48 бит.

• Применение: прогнозы погоды, атомная энергетика и т.д.

• Большой разрыв м/у временем счета и разработкой программ.

Примеры: МЭСМ, БЭСМ-1, М-1, М-2, М-З, “Стрела”, “Минск-1”, “Урал-1”, “Урал-2”, “Урал-3”, M-20, "Сетунь", БЭСМ-2, "Раздан"

2-ое поколение (1959 — 1967 гг.). Элементная база – транзисторы (полупроводники). Возросло быстродействие, надежность, уменьшились размеры.

• Быстродействие – 20-30т.оп/с.

• Память – 32-128К

• Применение: противоракетная оборона, математические, инженерно-технические, экономические задачи, управление производством

Примеры: Урал 2-22, Наири, Рута, Минск 2-22, Мир-1, БЭСМ 4,6.

3-ое поколение (1968 — 1973 гг.). Элементная база – малые интегральные схемы. Это семейства машин с единой архитектурой, т.е. программно совместимых.

• Быстродействие –40т-10 млн.оп/с.

• Объем ОЗУ – 100 – 600К слов.

• Операционные системы, мультипрограммные среды..

• Применение: - повышения производительности труда в науке, производстве, управлении, здравоохранении, обслуживании и быту.

Примеры: серия ЕС ЭВМ (1010-1060), "Мир-31", "Мир-32", "Наири-34", IBM-360, IBM-370.

4-ое поколение (1974 — 1982 гг.). Элементная база – большие интегральные схемы (БИС).

• Быстродействие: 100 млн оп/с.

• Объем ОЗУ – 600 Кслов– 16Мслов.

• Применение: персональные компьютеры; компьютерные сети; телекоммуникационная обработка данных; системы управления базами данных; элементы интеллектуального поведения систем обработки данных и устройств.

Примеры: ЕС-1015-1066, СМ-1400-1700, персональные ЭВМ Электроника МС0501, ЕС-1840-1842, многопроцессорный ВК Эльбрус-1КБ.

5-е поколение (1974 — 1982 гг.). Элементная база – большие интегральные схемы повышенной степени интеграции.

• Объем ОЗУ – гигабайты.

• Объем ВЗУ - терабайты.

• Применение: практически все области человеческой деятельности.

Показатель	Поколения
	Первое	Второе	Третье	Четвертое		Пятое
	1951-1954	1958-1960	1965-1966	1976-1979	с 1985
Элементная база процессора	Электронные лампы	Транзисторы (полупроводниковые схемы)	Интегральные схемы (ИС)	Большие ИС (БИС)	Сверх БИС	Оптоэлектроника Криоэлектроника
Элементная база ОЗУ	Электронно-лучевые трубки	Ферритовые сердечники	Ферритовые сердечники	БИС	СБИС	СБИС
Максимальная емкость ОЗУ (байт)	102	103	104	105	107	108
Максим. быстр. процессора (оп/с)	104	106	107	108	109+ многопроцессорность	1012+ многопроцессорность
Средства связи пользователя с ЭВМ	Пульт управления и перфокарты	Перфокарты, перфоленты + АЦПУ	Видео – терминальные устройства	Монохр.графический дисплей клавиатура	Цветной графический дисплей + клавиатура + мышь	Устройство голосовой связи с ЭВМ
Языки программирования	Машинный код	+ Ассемблер	Процедурные языки высокого уровня (ЯВУ)	Новые процедурные ЯВУ	Непроцедурные ЯВУ	Новые непроцедурные ЯВУ

Развитие нового поколения идет также по пути "интеллектуализации" компьютеров, устранения барьера между человеком и компьютером.

По условиям эксплуатации компьютеры делятся на два типа:

универсальные;

специальные.

Универсальные предназначены для решения широкого класса задач при нормальных условиях эксплуатации.

Специальные компьютеры служат для решения более узкого класса задач или даже одной задачи, требующей многократного решения, и функционируют в особых условиях эксплуатации. Машинные ресурсы специальных компьютеров часто ограничены. Однако их узкая ориентация позволяет реализовать заданный класс задач наиболее эффективно. Специальные компьютеры управляют технологическими установками, работают в операционных или машинах скорой помощи, на ракетах, самолётах и вертолётах, вблизи высоковольтных линий передач или в зоне действия радаров, радиопередатчиков, в неотапливаемых помещениях, под водой на глубине, в условиях пыли, грязи, вибраций, взрывоопасных газов и т.п.

По производительности и характеру использования компьютеры можно условно подразделить на:

• микрокомпьютеры, в том числе — персональные компьютеры;

• мэйнфреймы (универсальные компьютеры);

• суперкомпьютеры.

Микрокомпьютеры — это компьютеры, в которых центральный процессор выполнен в виде микропроцессора. Продвинутые модели микрокомпьютеров имеют несколько микропроцессоров. Производительность компьютера определяется не только характеристиками применяемого микропроцессора, но и ёмкостью оперативной памяти, типами периферийных устройств, качеством конструктивных решений и др. Микрокомпьютеры представляют собой инструменты для решения разнообразных сложных задач. Их микропроцессоры с каждым годом увеличивают мощность, а периферийные устройства — эффективность. Быстродействие — порядка миллионов опеpаций в сек.

Разновидность микрокомпьютера — микроконтроллер. Это основанное на микропроцессоре специализированное устройство, встраиваемое в систему управления или технологическую линию.

Мэйнфреймы предназначены для решения широкого класса научно-технических задач и являются сложными и дорогими машинами. Централизованная обработка данных на мэйнфрейме обходится примерно в 5 - 6 раз дешевле, чем распределённая обработка при клиент-серверном подходе. Известный мэйнфрейм S/390 фирмы IBM обычно оснащается не менее чем тремя процессорами. Максимальный объём оперативного хранения достигает 342 Терабайт. Десятки мэйнфреймов могут работать совместно под управлением одной операционной системы над выполнением единой задачи.

Суперкомпьютеры (включая кластеры) — это очень мощные компьютеры с производительностью свыше 1000 мегафлопов (1 мегафлоп — миллион операций с плавающей точкой в секунду). Они называются сверхбыстродействующими. Эти машины представляют собой многопроцессорные и (или) многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних устройств. Различают суперкомпьютеры среднего класса, класса выше среднего и переднего края (high end). Архитектура суперкомпьютеров основана на параллелизме и конвейеризации вычислений.

В этих машинах параллельно, то есть одновременно, выполняется множество похожих операций (это называется мультипроцессорной обработкой). Таким образом, сверхвысокое быстродействие обеспечивается не для всех задач, а только для задач, поддающихся распараллеливанию.

Отличительной особенностью суперкомпьютеров являются векторные процессоры, оснащенные аппаратурой для параллельного выполнения операций с многомерными цифровыми объектами — векторами и матрицами. В них встроены векторные регистры и параллельный конвейерный механизм обработки. Если на обычном процессоре программист выполняет операции над каждым компонентом вектора по очереди, то на векторном — выдаёт сразу векторые команды.

Векторная аппаратура очень дорога, в частности, потому, что требуется много сверхбыстродействующей памяти под векторные регистры.

Классификация ЭВМ по принципу действия. По принципу действия вычислительные машины делятся на аналоговые (АВМ), цифровые (ЦВМ) и гибридные (ГВМ). Критерием деления является форма представления данных, с которыми они работают. ЦВМ – работают с данными, представленными в дискретной, а точнее, в цифровой форме. АВМ – работают с данными, представленными в непрерывной (аналоговой) форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины, которая является аналогом вычисляемой величины. Чаще всего это электрическое напряжение. На АВМ наиболее эффективно решать математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не требующие сложной логики. ГВМ – работают с данными, представленными и в цифровой и в аналоговой форме. Их целесообразно использовать для задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

Тенденции в развитии структуры современных ЭВМ

1. постоянно расширяется и совершенствуется набор внешних устройств, что приводит к усложнению связей между узлами ЭВМ;

2. вычислительные машины перестают быть однопроцессорными, для осуществления параллельных вычислений одна операция выполняется сразу несколькими процессорами;

3. использование быстродействующих ЭВМ не только для вычислений, но и для логического анализа данных;

4. возрастает роль межкомпьютерных коммуникаций, компьютеры объединяются в сети для совместной обработки данных.

39