ОМПТ.      Основы микропроцессорной техники

ОМПТ.      Основы микропроцессорной техники

Гайнуллин Рустем Нусратуллович

История развития ЭВМ

Поколения ЭВМ:

· Нулевое поколение – механические компьютеры (1623-1945).

Точкой отсчета механических вычислительных устройств можно считать начало 17 века (1623 год), когда немецкий ученый Вильгельм Шиккард создал машину, умеющую складывать и вычитать числа.

В 1642 году французский ученый Блез Паскаль, в возрасте 19 лет, сконструировал ручную механическую счетную машину для выполнения операций сложения и вычитания, основу которой составлял набор шестеренок.

Спустя 30 лет немецкий математик Готфрид Вильгельм Лейбниц построил механическую машину, которая кроме сложения и вычитания, могла еще выполнять операции умножения и деления.

В 1804 году инженер Жозеф Мари Жаккар построил полностью автоматизированный ткацкий станок, работа которого программировалась при помощи целой колоды перфокарт, каждая из которых управляла одним ходом человека.

В 1823-м году профессор математики Кембриджского университета Чарльз Бэббидж разработал и сконструировал разностную машину, в работу которой был заложен только один алгоритм — метод конечных разностей с использованием полиномов.

Впервые идея использования программного управления для построения устройств, автоматически выполняющих арифметические вычисления, была высказана Чарльзом Бэббиджем при построении им своей аналитической машины в 1834 г, в состав которой должны были входить:

· Запоминающее устройство (память)

· Вычислительное устройство

· Устройство ввода (для считывания перфокарт)

· Устройство вывода (перфоратор и печатающее устройство)

В этой машине впервые появилась идея использовать для выдачи результатов вычислений внешнее (периферийное устройство).

 Память состояла из 1000 по 50 десятичных разрядов, каждое из которых содержало переменные и результаты.

Аналитическая машина, в отличие от разностной, могла выполнять разные задачи. Для ввода программ в машину использовались перфокарты, с которых производилось считывание команд для их последующего выполнения. Для смены выполняемой программы, требовалось только заменить набор перфокарт.

Разработкой программного обеспечения занималась Ада Августа Ловлейс, которую считают первым в мире программистом. Она ввела понятия подпрограммы, цикла, модификации команд, команды условного перехода, которые стали употребляться только в 50-х годах 20 века.

Однако попытки Чарльза Бэббиджа построить реальное механическое вычислительное устройство с программным управление не увенчались успехом.

В 1890 году, американец Г. Холлерит разработал машину, работающую с таблицами данных. Которая управлялась программой на перфокартах и была использована при обработке результатов переписи населения в США.

В 1896 году он основал фирму. Которая впоследствии стала предшественницей корпорации IBM.

Идея Ч. Бэббиджа о программном управлении вычислительными устройствами была реализована фактически только спустя более чем 100 лет, когда в 1942 г. К. Цузе в Германии и в 1944 г. Г. Айкен в США построили вычислительные машины на электромагнитных реле с управлением от перфолент, на которую записывалась программа вычислений.

При этом машина К. Цузе оперировала, в отличие от своих предшественниц, не десятичными числами, а двоичными, т.е. в ней была впервые реализована идея обработки данных в двоичном коде. Она также могла выполнять операции с плавающей точкой.

Г. Айкен спроектировал машину, которую назвал MARK-1. При этом она оперировала с данными в десятичной форме.

Эти вычислительные машины имели один существенный недостаток – большой удельный вес механических частей и, как следствие, большие габариты и невысокую надежность. Для преодоления этих недостатков стало необходимым найти более технологичную элементную базу.

В силу своих функциональных свойств наиболее естественной заменой реле стала трехэлектродная вакуумная лампа (триод), которую изобрел Л. Форест в 1906 году.

 

Предпосылки:

· Была построена теория булевых функций

· Были развиты численные методы решения задач

· Получила развитие теория алгоритмов

· Были сформулированы основные принципы автоматизации вычислений

· Была определена структура вычислительной машины

 

Технические предпосылки:

· Изобретение первого лампового диода (1904 г.)

· Первого триода (1906 г.)

· Электронного реле – лампового триггера (1918 г.)

 

· 1-е поколение (1945-1954 гг.)  

Появились машины с фон-неймановской архитектурой, которые включали в себя: центральный процессор (ЦП), состоящий из арифметико-логического устройства (АЛУ) и устройства управления (УУ), оперативную память (ОП) и устройства ввода-вывода (УВВ). Основа элементной базы – электровакуумные лампы. Основной недостаток – большое потребление энергии и невысокая надежность. Область применения – решение научных задач. Язык программирования – ассемблер.

 

· 2-е поколение (1955-1964 гг.).

Основа элементной базы – транзисторы, что привело к уменьшению габаритов, повышению надежности и производительности ЭВМ. Языки программирования – языки высокого уровня ALGOL и FORTRAN. Работа ЭВМ осуществлялась под управлением операционной системы (ОС). Появились специализированные процессоры ввода-вывода, которые позволили освободить ЦП от управления вводом-выводом и осуществлять его одновременно с процессом в вычислении.

 

· 3-е поколение (1965-1970 гг.).

Основа элементной базы – интегральные микросхемы различной степени интеграции, использование которых позволило разместить на пластине размером в несколько см десятки элементов, что привело к уменьшению габаритов ЭВМ, ее стоимости при одновременном увеличении производительности.

Появились сравнительно недорогие и малогабаритные машины – мини-ЭВМ, которые активно использовались для управления различными технологическими производственными процессами в системах сбора и обработки информации.

Увеличение мощности ЭВМ сделало возможным одновременное выполнение нескольких программ на одной ЭВМ (мультипрограммный режим).

Разрабатываются теоретические основы методов программирования, компиляции, баз данных, операционных систем, создаются пакеты прикладных программ.

Создаются семейства ЭВМ, то есть машины становятся совместимы снизу вверх на программно-аппаратном уровне. Примерами таких семейств была серия IBM system 360 и на отечественный аналог – EC ЭВМ.

 

· 4-е поколение (1970-1984 гг.).

Основа элементной базы – большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС), которые позволили разместить на одном кристалле десятки тысяч транзисторов, что привело к дальнейшему снижению размеров и стоимости ЭВМ. Работа с программным обеспечением стала более дружественной, что повлекло за собой рост количества пользователей.

 

· 5-е поколение (1985 – по настоящее время).

В качестве элементной базы активно используются СБИС и микропроцессоры. Значительное увеличение степени интеграции элементов дало возможность создать функционально полную ЭВМ на одном кристалле (микроконтроллера).