Электронные вычислительные машины

Первая ЭВМ на основе электронных вакуумных ламп с нитью накаливания была создана по заказу артиллеристов в Пенсильванском университете в 1946 году – это машина ENIAC (Electronic Numeral Integrator and Computer).

Рисунок 2.6 ЭВМ ENIAC

На роль первой вычислительной машины также претендуют созданные в 1943 году вычислитель Collosus, разработанный под руководством Макса Ньюмена и при участии Алана Тьюринга, а также специализированный электронный калькулятор Джорджа Атанасова - ABC (Atanasoff Berry Computer). Это были вычислительные машины с программным управлением, но программа набиралась в них путем шнуровой коммутации, как в табуляторах (рис.2.5).

Рисунок 2. 7 Набор программы в машине ENIAC

В середине 40-х годов появились теоретические разработки, указывающие, что более эффективными могут быть машины с хранимой программой. По этому направлению следует отметить в первую очередь концепцию, выдвинутую в 1944 году американским инженером Дж. Эккертом, легшим в основу рекомендаций Норберта Винера и Джона фон Неймана[3].

Рекомендации по созданию эффективных электронных вычислительных машин были изложены Винером в его книге «Кибернетика». Винер написал: «В настоящее время существует два типа вычислительных машин:

· машины, подобные дифференциальному анализатору Буша, именуемые аналоговыми машинами. В них данные изображаются величинами, измеряемыми по какой либо непрерывной шкале, так что точность машины определяется точностью построения этой шкалы.

· машины, подобные обычному арифмометру, которые называются цифровыми машинами; в них данные изображаются серией выборов из нескольких возможностей, а точность определяется четкостью различения отдельных возможностей при каждом выборе и числом сделанных выборов».

Н.Винер писал: «Мы видим, что для точных вычислений цифровые машины, во всяком случае, лучше, а из них - лучше всего машины с двоичной системой, у которой при каждом выборе представляется лишь две возможности. Употребление нами машин с десятичной шкалой обусловлено просто той исторической случайностью, что десятичная система, основанная на числе пальцев, уже была в употреблении, когда индусы сделали свое великое открытие, выявив значение нуля и преимущество позиционной системы счисления» [с.148]. И чуть дальше: «В случае идеальной вычислительной машины все данные должны быть введены в машину в начале работы, и затем она должна по возможности быть свободна от человеческого вмешательства до конца работы. Это означает, что в машину должны быть введены вначале не толь все цифровые данные, но и все правила их сочетания в виде инструкций, учитывающих любую ситуацию, которая может возникнуть в ходе вычислений. Поэтому вычислительная машина должна быть не только арифметической, но также и логической машиной, и должна комбинировать возможности согласно систематическому алгоритму. Существует много алгоритмов, которые можно использовать для комбинирования возможностей; но простейший из них известен как алгебра логики, или булева алгебра» [с.149].

Широко известная концепция построения ЭВМ, предложенная профессором Принстонского института Дж. фон Нейманом (рис. 2.6) во многом перекликается с концепцией Винера. Основные принципы Дж. фон Неймана организации ЭВМ:

1. Принцип двоичного кодирования. Электронные машины должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления.

2. Принцип программного управления. Машина выполняет вычисления по программе. Программа состоит из набора команд, которые исполняются автоматически друг за другом в определенной последовательности.

3. Принцип хранимой программы. В процессе решения задачи, программа ее исполнения должна размещаться в запоминающем устройстве машины, обладающем высокой скоростью выборки и записи.

4. Принцип однотипности представления чисел и команд. Программа, так же как и числа, с которыми оперирует машина, записываются в двоичном коде. По форме представления команды и числа однотипны, а это дает возможность машине исполнять операции над командами программы.

5. Принцип иерархичности памяти. Трудности реализации единого емкого быстродействующего запоминающего устройства требует иерархического построения памяти. По меньшей мере должно быть два уровня иерархии: основная память и внешняя память.

6. Принцип адресности основной памяти. Основная память должна состоять из пронумерованных ячеек, каждая из которых доступна программе в любой момент времени по ее двоичному адресу или по присвоенному ей имени (имя ячейке присваивается в программе, и соответствующий этому имени адрес должен храниться в основной памяти на протяжении всего времени выполнения программы).

Структура ЭВМ, предложенная Дж. фон Нейманом, должна содержать следующие устройства: управляющее устройство, арифметическое устройство, основную (оперативную) память, внешнюю память, устройство ввода программ и данных, устройство вывода результатов расчетов, пульт ручного управления (рис. 2.7).

Рисунок 2.9 Структура фон-Неймановской ЭВМ

Рекомендации Винера и Неймана быстро нашли свое воплощение в новых ЭВМ, созданных уже в конце сороковых – начале пятидесятых годов. В первую очередь следует отметить американские ЭВМ: ЭДСАК, СЕАК, ЭДВАК и первые, поступившие в открытую продажу в 1949 г, серийные машины с хранимой программой UNIVAC - UNIVersal Automatic Computer (рис. 2.8) и IBM 701.

Рисунок 2.10 Машина UNIVAC

Основные характеристики компьютера UNIVAC:

· Ввод данных - с магнитной ленты, емкостью 1,4 Мб и с перфокарт.

· Машинное слово — 78 бит, емкость ОЗУ — 1000 слов, для хранения которых использовалось 100 ртутных линий задержки (ЛЗ) с обратной связью (импульсы с выхода ЛЗ подаются обратно на ее вход, и таким образом машинное слово непрерывно циркулирует по линии задержки).

· Производительность: сложение за 500 мкс, умножение за 2,5 мс. Имелся контроль достоверности преобразований информации, основанный на сравнении результатов работы наиболее важных задублированных схем и на контроле четности.

В начале 50-х к американским машинам присоединились и советские ЭВМ. Основоположник компьютерной техники в СССР академик Сергей Александрович Лебедев (рис.2.9), под руководством которого было создано около 10 типов ЭВМ. Первой по заказу атомщиков в 1951 голу в Киеве под его руководством была создана первая отечественная машина МЭСМ (Малая Электронная Счетная Машина); в 1952 году машина БЭСМ (Быстродействующая ЭСМ, имевшая позже продолжения: БЭСМ 2, БЭСМ 4, БЭСМ 6 – рис. 2.10).

Рисунок 2.12 Машина БЭСМ 6

Популярная машина БЭСМ 2 (рис. 2.11) имела следующие характеристики:

· Разрядность машины - 39 бит.

· Разрядность числа с плавающей запятой: мантисса — 32 бита, порядок — 5 бит, 1 бит знак мантиссы и 1 бит знак порядка.

· Диапазон чисел от 10^-9 до 10⁹.

· Формат с фиксированной запятой для дробных чисел, меньше 1.

· Двоично-кодированное представления десятичных чисел.

· Быстродействие – до 10000 операций в секунду.

· Одно-, двух-, трехадресные и безадресные команды. Разрядность адресов — 11 бит, кода операции — 6 бит.

· Количество команд - 32: 9 арифметических операций, 6 логических операций, 8 – передачи кодов, 9 операций управления.

· Запоминающие устройства:

· ОЗУ на ферритовых сердечниках емкостью 2048 39-разрядных чисел со временем обращения 10 мкс.

· ОЗУ на магнитных барабанах: 2 барабана по 5000 чисел со средним временем доступа 40 мс и скоростью считывания 800 чисел/с.

· ВЗУ на магнитных лентах: 4 шт. по 30000 чисел со скоростью считывания 400 чисел/с.

· Скорость ввода с перфоленты – 20 кодов/с, скорость печати – 20 чисел/с

Машина содержала 4000 электронных ламп, 5000 полупроводниковых диодов, 200000 ферритовых сердечников. Потребляемая мощность – 35 Квт (без мощности вентиляторов).

ПРИМЕЧАНИЕ

В составе большинства указанных ЭВМ можно назвать и различные их модификации. Так, машины «Минск» — одни из лучших отечественных ЭВМ того времени имели модели: «Минск 1», «Минск 2», «Минск 22», «Минск 23», «Минск 32». Следует также отметить одну из немногих машин, полностью основанных на отечественной разработке, интересную ЭВМ «Рута-110», не получившую широкого распространения из-за специфического программного обеспечения.

Рисунок 2.13 Блок-схема БЭСМ 2

 

В пятидесятые–шестидесятые годы 20 века были разработаны еще более десятка советских ЭВМ: «Стрела», «Урал», «Минск», М-20, М-220 и др. У истоков создания советской вычислительной техники стояли крупные отечественные ученые: Б.И. Рамеев, Ю.А. Базилевский, И.С. Брук, А.А. Ляпунов, Б.Н. Наумов, В.М. Глушков (директор Киевского института кибернетики - рис. 2.12). Глушков В.М. является автором семейств ЭВМ «Мир» и «Днепр», популярной в 1960-е годы программы «АСУпизации всей страны» - программы массовой разработки автоматизированных систем управления.

Вопросы для самопроверки

1. Каковы предпосылки создания ЭВМ.

2. Назовите основные разновидности механических счетных машин.

3. Дайте общую характеристику электромеханических счетных машин.

4. Назовите первую в мире ЭВМ.

5. Каковы концепции построения ЭВМ, сформулированные Н. Винером и Дж фон Нейманом.

6. В чем сущность понятия «ЭВМ с хранимой программой»?

7. Нарисуйте функциональную блок-схему машины фон Неймана.

8. Назовите первую ЭВМ с хранимой программой.

9. Назовите основные характеристики ЭВМ UNIVAC.

10. Назовите модели первых отечественных ЭВМ.

11. Назовите советских ученых, создавших первые ЭВМ.

Глава 3. Эволюция ЭВМ

Первый персональный компьютер создали в апреле 1976 года два друга: Стив Джобс (1955 -2011 г.г.) — сотрудник фирмы Atari, и Стефан Возняк (1950 г.р.), работавший на фирме Hewlett. На базе интегрального 8-ми битного контроллера жестко запаянной схемы популярной электронной игры, работая вечерами в автомобильном гараже, они сделали простенький программируемый на языке Бейсик игровой компьютер «Apple», который имел бешеный успех. В начале 1977 г. была зарегистрирована фирма Apple Comp., и началось производство первого в мире персонального компьютера «Apple»^[4].

Иногда встречающаяся информация о том, что первый ПК был представлен в 1981 году фирмой IBM, не соответствует истине, ибо фирма IBM всего лишь создала компьютер IBM PC (IBM 5150), запущенный в массовое производство. К этому времени фирма Apple уже разработала ПК Apple 2.

ПРИМЕЧАНИЕ

В настоящее время фирма Apple выпускает персональные компьютеры «Макинтош» (Макинтош – один из лучших сортов яблок в США), которые по многим параметрам превосходят компьютеры IBM PC.

В нашей стране поначалу тоже выпускали отечественные микропроцессоры: К580, К588, К1801, К1810 и др. и персональные компьютеры ЕС: 1840, 1841, 1842,1842, 1845, 1850, 1860, Искра 1030, 1031, ДВК, Электроника 85 и др. Но поскольку эти ПК не были конкурентоспособны на мировом рынке, наши компьютерные фирмы сейчас занимаются лишь «отверточной» сборкой ПК из комплектующих, выпускаемых в других странах.

В нашей стране в основном используются ПК типа IBM PC. Это можно объяснить следующими причинами:

· до начала 90-х годов США запрещали поставки в СССР передовых информационных технологий, к которым были отнесены и мощные компьютеры «Макинтош»,

· ПК «Макинтош» были существенно дороже IBM PC (в настоящее время цены на них сблизились),

· для IBM PC разработано значительно большее количество прикладных программ, что облегчает их использование в самых разных прикладных областях.

Эволюция IBM PC:

1981 год, выпуск первой модели IBM PC 5150. Его основные характеристики: процессор i8088 c тактовой частотой 4,75 МГц, емкость оперативной и постоянной памяти по 64 Кб, емкость дискеты 5,25” флоппи дисковода 160 Кб.

1982 год. Удвоена емкость дискет, выпущена MS DOS 1.1.

1983 год. Выпущен IBM PC XT (eXtended Technology), RAM 640 Кб, винчестер — 10 Мб. Анонсирована операционная система DOS 2.0.

1984 год. Выпущен IBM PC AT (Advanced Technology), процессор — i80286, цветной монитор, винчестер — 20 Мб, операционная система DOS 3.1.

1986 год. Выпущен первый laptop (портативный ПК), вес — около 5 кг.

1987 год. Первый ПК с микропроцессором i386, дискеты — 3,5”.

1989 год. Первый ПК с микропроцессором i486.

1992 год. Анонсирована линейка ноутбуков Think Pad.

1994 год. Первый ПК с микропроцессором Pentium.

Новации в IBM PC последних лет указаны при рассмотрении архитектуры современных ПК. Из заслуживающих внимания прочих новых компьютерных разработок следует назвать:

1. 1980 год, фирма Seagate выпустила первый массовый винчестер, емкостью 5 Мб,

2. 1981 год, появился первый модем со скоростью передачи данных 2400 бод, в компьютерах стали применяться микропроцессоры с RISC–архитектурой. Концепция процессоров с набором усеченных команд была выдвинута еще в 1975 году.

3. 1982 год, фирма Intel разработала первые микросхемы столь популярной сейчас флэш-памяти.

4. 1990 год, фирма Apple для ПК Macintosh Portable предложила первый ЖК-монитор на основе активной матрицы.

Для компьютера PDP-11 разработаны операционные системы UNIX и LINUX, весьма удобные для работы в сети Интернет, получившие затем широкое распространение для всех типов ЭВМ. Появились эффективные системы объектно-ориентированного программирования (Visial C++, Visial Basic и др.), существенно облегчающие труд программистов.

Для использования ЭВМ уже не надо было несколько программистов, в середине 80-х годов 1 программист приходился в среднем на 10 машин. Динамика мирового парка универсальных ЭВМ (1) и общей численности профессиональных программистов (2) показана на рис. 3.1 [25, c.146].