Тема 10. Тенденции и перспективы развития компьютерной техники и информационных технологий

10.1 Тенденции и перспективы развития эвм

10.1.1 Этапы развития эвм

_{Первые проекты электронных вычислительных машин появились в конце 30-х – начале 40-х годов 20 века. В истории развития ЭВМ выделяют пять этапов, соответствующих пяти поколениям ЭВМ.}

_{Период машин первого поколения (50-е гг.) начинается с переходом к серийному производству ЭВМ. В них были реализованы основные принципы, предложенные Джоном фон Нейманом. Элементной базой процессоров были электронные вакуумные лампы, а в качестве оперативных запоминающих устройств использовались электронно-лучевые трубки. Это были громоздкие по габаритам машины, занимающие много места и потребляющие много электроэнергии. Они делали несколько тысяч операций в секунду и обладали памятью в несколько тысяч машинных слов. В распоряжении пользователя были все ресурсы машины. Программист писал свою программу в машинных кодах и отлаживал ее за пультом машины, которая на время отладки была полностью в его распоряжении. Использовались эти ЭВМ в основном для научных расчетов. Первой отечественной ЭВМ была МЭСМ (малая электронная счетная машина), разработанная в 1947-1951 гг. под руководством акад. С.А. Лебедева. В 1952 г. была введена в эксплуатацию БЭСМ (большая электронная счетная машина), созданная под руководством С.А. Лебедева. В 1955 г. начался выпуск малой ЭВМ «Урал-1» (руководитель проекта Б.И. Рамеев).}

Второе поколение ЭВМ (60-е гг.) называют транзисторно-ферритовым, так как транзисторы (твердые диоды и триоды) заменили электронные лампы в процессорах, а ферритовые (намагничиваемые) сердечники – электронно-лучевые трубки в оперативных запоминающих устройствах. Скорость ЭВМ возросла до сотен тысяч операций в секунду, а память – до десятков тысяч машинных слов. Появилась долговременная память на магнитных дисках и лентах. К ЭВМ подключаются внешние устройства. Все это расширило функциональные возможности ЭВМ. Задания для ЭВМ (на перфокартах, магнитных лентах или дисках) собирались в пакет, который обрабатывался без перерыва между заданиями. Это позволило более экономно использовать ресурсы машины. Были разработаны первые алгоритмические языки и трансляторы с этих языков, созданы библиотеки стандартных программ. Наиболее широкое применение нашли отечественные ЭВМ, такие, как БЭСМ-4, М-220, «Минск-32».

Третье поколение ЭВМ (70-е гг.) характеризуется появлением в качестве элементной базы процессора интегральных полупроводниковых схем, что привело к дальнейшему увеличению скорости до миллиона операций в секунду и памяти до сотен тысяч слов. Интегральная схема – электронная схема специального назначения, выполненная в виде единого полупроводникового кристалла, объединяющего большое число диодов и транзисторов. За ЭВМ работают несколько пользователей, которые совместно используют ресурсы процессора. Высокое быстродействие позволяет время обслуживания пользователей разбить на кванты, обрабатывая в течение кванта задание каждого, возвращаться к пользователю за такое малое время, что у него за дисплеем создается иллюзия, что он один пользуется ресурсами машины. В период машин третьего поколения была создана Единая Система ЭВМ (ЕС ЭВМ), а также серия мини-ЭВМ СМ ЭВМ. Если раньше ЭВМ использовались в основном для научно-технических расчетов, то в 60-70-е годы первое место стала занимать обработка символьной информации, в основном экономической.

Элементной базой ЭВМ четвертого поколения (80-е гг.) являются  большие и сверхбольшие  интегральные схемы (БИС, СБИС). Теперь на одном кристалле стали размещаться сотни тысяч транзисторов. Скорость и объем памяти возросли в десятки тысяч раз по сравнению с машинами первого поколения.  Наиболее крупным достижением, связанным с применением БИС, стало создание микропроцессоров, а затем на их основе микроЭВМ. Если прежние поколения ЭВМ требовали для своего расположения специальных помещений, системы вентиляции, специального оборудования для электропитания, то требования, предъявляемые к эксплуатации микроЭВМ, ничем не отличаются от условий эксплуатации бытовых электроприборов. При этом они имеют достаточно высокую производительность, экономичны в эксплуатации и дешевы. МикроЭВМ используются в измерительных комплексах, системах числового программного управления, в управляющих системах различного назначения. Дальнейшее развитие микроЭВМ привело к созданию персональных компьютеров, широкое распространение которых началось с 1975 г., когда фирма IBM выпустила свой первый персональный компьютер IBM PC. Персональный компьютер для удовлетворения требованиям общедоступности и универсальности применения должен иметь следующие характеристики:

-         малую стоимость, находящуюся в пределах доступности для индивидуального покупателя;

-         автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;

-         гибкость архитектуры, обеспечивающую ее адаптивность к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования, в быту;

-         «дружественность» программного обеспечения, позволяющая работать с ним пользователю без специальной профессиональной подготовки;

-         высокая надежность работы (более 5000 ч наработки на отказ).

Сейчас такие компьютеры (совместимые с IBM PC) составляют около 90% всех производимых в мире персональных компьютеров. Самыми распространенными моделями компьютеров в настоящее время являются IBM PC с микропроцессорами Pentium и Pentium Pro.

В период машин четвертого поколения стали также серийно производиться и суперЭВМ, в которых производительность стала достигать 1 млрд. операций   в  секунду.

Пятое поколение ЭВМ (90- гг.) – это ЭВМ со многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний. Это ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы.

Технологические, конструкторские, структурные и архитектурные идеи машин пятого поколения принципиально отличаются от машин предшествующих поколений. Прежде всего они отличаются от классической фон-неймановской структуры. Высокая скорость выполнения арифметических вычислений дополняется высокими скоростями логического вывода. Машина состоит из нескольких блоков. Блок общения обеспечивает интерфейс между пользователем и ЭВМ на естественном языке и дисциплина программирования как наука для пользователя перестает в будущем быть актуальной. Важное место в структуре ЭВМ занимает блок, представляющий базу знаний, в котором хранятся знания, накопленные человечеством в различных областях, которые постоянно расширяются и пополняются.

Шестое и последующие поколения – оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой – с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем. ЭВМ шестого поколения, базирующихся на распределенной нейронной архитектуре, получили название нейрокомпьютеров. В частности, в нейрокомпьютерах могут использоваться уже имеющиеся специализированные сетевые микропроцессоры – транспьютеры. Транспьютер – микропроцессор сети со встроенными средствами связи.

10.1.2 Развитие ЭВМ по размерам и функциональным возможностям

По размерам и функциональным возможностям ЭВМ можно разделить на сверхбольшие (суперЭВМ), большие, малые, сверхмалые (микроЭВМ).

Функциональные возможности ЭВМ определяются следующими характеристиками:

-         быстродействием (количество операций, выполняемых машиной за единицу времени);

-         разрядностью и формой представления чисел, с которыми оперирует ЭВМ;

-         емкостью и быстродействием всех запоминающих устройств;

-         номенклатурой и технико-экономическими характеристиками внешних устройств хранения, обмена и ввода-вывода информации;

-         пропускной способностью устройств связи и сопряжения узлов ЭВМ между собой ( внутримашинный интерфейс);

-         способностью ЭВМ одновременно работать с несколькими пользователями и выполнять одновременно несколько программ (многопрограммность);

-         типами и характеристиками операционных систем, используемых в машине и т.д.

Исторически первыми появились большие ЭВМ. Большие ЭВМ за рубежом называют мэйнфреймами. Элементная база этих машин прошла путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой степенью интеграции. Основные направления эффективного применения мэйнфреймов – это решение научно-технических задач, работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации, работа с большими базами данных, управление вычислительными сетями и их ресурсами. Последнее направление – использование мэйнфреймов в качестве больших серверов вычислительных сетей часто отмечается специалистами среди наиболее актуальных.

Производительность больших ЭВМ оказалась недостаточной для ряда задач: прогнозирования метеообстановки, управления сложными оборонными комплексами, моделирования экологических систем и др. это явилось предпосылкой для разработки и создания суперЭВМ, самых мощных вычислительных систем, интенсивно развивающихся и в настоящее время.

Появление в 70-х гг. малых ЭВМ обусловлено, с одной стороны, прогрессом в области электронной элементной базы, а с другой – избыточностью ресурсов больших ЭВМ для ряда приложений. Малые ЭВМ используются чаще всего для управления технологическими процессами. Они более компактны и значительно дешевле больших ЭВМ.

Дальнейшие успехи в области элементной базы и архитектурных решений привели к возникновению супермини-ЭВМ – вычислительной машины, относящейся по архитектуре, размерам и стоимости к классу малых ЭВМ, но по производительности сравнимой с большой ЭВМ.

Изобретение в 1969 г. микропроцессора привело к появлению в 70-х гг. еще одного класса ЭВМ – микроЭВМ. Сейчас микропроцессоры используются во всех без исключения классах ЭВМ.

 

 

 

 

 

Рис.   – Классификация микроЭВМ

 

Многопользовательские микроЭВМ – это мощные микроЭВМ, оборудованные несколькими видеотерминалами и функционирующие в режиме разделения времени, что позволяет эффективно работать на них сразу нескольким пользователям.

Персональные компьютеры (ПК) – однопользовательские микроЭВМ, удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности применения.

Рабочие станции представляют собой однопользовательские мощные микроЭВМ, специализированные для выполнения определенного вида работ (графических, инженерных, издательских и др.).

Серверы – многопользовательские мощные микроЭВМ в вычислительных сетях, выделенные для обработки запросов от всех станций сети.

Конечно, вышеприведенная классификация является условной, т.к. мощный современный ПК, оснащенный проблемно-ориентированным программным и аппаратным обеспечением, может использоваться и как полноправная рабочая станция, и как многопользовательская микроЭВМ, и как хороший сервер, по своим характеристикам почти не уступающий малым ЭВМ.