Электронные программируемые устройства

В 1936 г. английский математик А. Тьюринг выдвинул концепцию абстрактной вычислительной машины, почти одновременно с ним абстрактное представление вычислительной машины предложил американский матемаь несколько квадрат- шины, хотя и не существовавшие в реальности, предполагал_емы> которые ранее программное выполнение вычислений. _tepy_? полметра на

В период с 1936 по 1941 г. немецкий изобретатель Кондрад_7ГИХ дискретных вычислительных машин: Zl, Z2 и Z3. Машину Z3, созданную на *етрах площади, логики, принято считать первым программируемым компьютеро_Ъ1Х сантиметра, с этого момента обычно начинают вести отсчет истории развит^ _не только для как таковых. _{или ИН}аче при-

Если темпы развития компьютеров вплоть до разработки и соз^ микроэлек- ческой машины Бэббиджа диктовались в первую очередь темпамр,_Труд_{НР1чавши}х ретической научной мысли и представлениями о том, что может, и_закон: каждый делать механическое устройство, то, начиная с компьютеров Цузе, те^тегральной компьютеров стали определяться в основном технологическим дс^ технологий Определяющим в конструкции компьютера стала элементная база. * кация компьютеров по поколениям, приведенная далее, основана име_:но назвать признаке. - _на столе их

т>рые при-

Первое поколение _{я с} \ 954 _г

ENIAC. Элементной базой для первого поколения компьютеров былми раз- умные электронные лампы. Именно это определило их огромный pa3i и потребляемую мощность при сравнительно скромных вычислительных. ностях. Первая ЭВМ, ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer, создана в 1946 г., в Пенсильванском университете Джоном Моучли и д»_Ыпу- Эккертом. Эта машина весила 30 тонн, занимала 1500 квадратных метров плоп₀ж- содержала более 18 ООО вакуумных ламп и потребляла электрическую мощно-_их 140 кВт. ENIAC была способна совершать 300 умножений или 5000 сложень_ь чисел с плавающей запятой в секунду. Это намного превышало возможное™ любой другой вычислительной техники. Одним из самых больших недостатков ENIAC было ручное программирование, заключавшееся в переключении тум­блеров и кабельных разъемов, что было весьма утомительно. Кроме того, ENIAC была десятичной машиной, выполнявшей все операции в десятичной системе счисления. Эта машина считается первой электронной вычислительной машиной, созданной человеком.

EDVAC и машина фон Неймана. Непомерно трудный процесс программирования ENIAC был бы проще, если бы программу можно было представить в том же виде, что и данные, и так же, как данные, хранить в памяти. Математик фон Нейман, консультировавший создателей ENIAC, выдвинул концепцию машины с хранимой программой в 1945 г. Фон Нейман назвал эту машину EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer) и сразу же приступил к воплощению своей идеи в институте IAS (Institute of Advanced Studies) в Принстауне. Поэтому обобщенную схему машины фон Неймана еще называют IAS-компьютером. Эта обобщенная схема, изображен­ная на рис. 12.1, оказалась настолько удачной, что все современные компьютеры в том или ином виде ей соответствуют. Естественно, сама машина фон Неймана является не компьютером, а только концепцией, но зато реализуют эту концепцию все персональные компьютеры с одноядерными процессорами.

С этого времени ленной реализацией компьютеров первого поколения была направлениям: созданная теми же Эккертом и Моучли в рамках корпорации

□ механические ^oO-1955 гг. на первый план в компьютерном бизнесе выходит развивались ^со своими машинами 700-й серии. С этого момента изготовление в нашей стра ^ло поставлено на поток.

□ аналоговые w логарифмов, применялиг

Механическ

В 1801 г. г ткацкий ста ткани в соо' программи учная мыс; компьютет полтора F С 18'

Рис. 12.1. Компьютер первого поколения своей р

но не r^jCCHM (тогда в СССР) образцами машин первого поколения могут быть идеей ^ы МЭСМ (малая электронная счетная машина) — в 1950 г. самая быстро- совр( дующая в Европе — и БЭСМ (большая электронно-счетная машина). Обе жал Р^оены под руководством академика С. А. Лебедева.

(«]V

_чь орое поколение

7 Компонентной основой компьютеров второго поколения были транзисторы. Потребляемая электрическая мощность и размеры транзисторов гораздо меньше их электронно-вакуумных предков. Кроме того, полупроводниковые устройства позво­лили значительно уменьшить физические размеры памяти компьютеров и повысить быстродействие. В этом поколении происходит серьезное усложнение арифмети­ческого логического устройства и устройства управления ходом выполнения про­граммы. В это же время сформировалось понятие системного программного обеспе­чения и стало быстро развиваться программирование на языках высокого уровня.

Типичным представителем компьютеров этого поколения были компьютеры IBM серии 7000. В СССР реализовано сразу несколько серий ЭВМ второго по­коления средней и малой мощности: БЭСМ, «Урал», «Минск», «Раздан», «Днепр».

Третье поколение

Третье поколение компьютеров во многих отношениях можно назвать особенной вехой в истории развития компьютерных технологий. Был реализован переход от дискретной (основанной на отдельных транзисторах, лампах и вспомогательных эле­ментах) логики к БИС и СБИС, то есть к большим и сверхбольшим интегральным схемам. Наука и технология совершила шаг от электроники к микроэлектронике. Для этого потребовалось разработать очень точные технологии создания сверхслож­
ного рисунка электронной схемы на площади размером всего в несколько квадрат­ных миллиметров. Благодаря этим технологиям электронные схемы, которые ранее собирались на больших электронных платах (размером, к примеру, полметра на полметра) и содержали в себе сотни и тысячи транзисторов и других дискретных деталей, теперь создавались на нескольких квадратных миллиметрах площади, а будучи упакованными в корпус занимали два-три квадратных сантиметра.

Микроэлектронная технология оказалась удачным решением не только для компьютеров, но и практически для всех областей техники, где так или иначе при­менялись электронные устройства. Будучи широко востребованными, микроэлек­тронные устройства бурно развивались, и в 1965 г. один из ученых, сотрудничавших с корпорацией Intel, Гордон Мур, сформулировал свой знаменитый закон: каждый последующий год плотность транзисторов на единицу площади интегральной схемы будет удваиваться. Дальнейшее развитие микроэлектронных технологий подтвердило удивительную точность этого прогноза.

Типичным представителем компьютеров третьего поколения можно назвать IBM серии System/360. Это были все еще большие по размеру машины (на столе их разместить было невозможно, и стоили они сотни тысяч долларов), которые при­менялись в качестве мэйнфреймов и активно производились IBM начиная с 1964 г.

В СССР компьютеры третьего поколения были отмечены отечественными раз­работками серии ЕС (ЕС 1020, ЕС 1030, ЕС 1050) и БЭСМ-6.

Четвертое поколение

Практически параллельно запуску серии System/360 корпорация DEC выпу­стила на рынок компьютеры с совершенно новой организацией и новыми возмож­ностями. Это были машины серии PDP-8. Отличительными особенностями этих машин были: шинная организация, обеспечивавшая исключительную гибкость в расширении и встраивании компьютера; микропроцессор, способный выполнять операции с плавающей точкой на аппаратном уровне; полупроводниковая память. И самая главная особенность — исключительная компактность и сравнительно низкая цена: компьютер уже можно было разместить на столе, а его стоимость составляла «всего» 16 000 долларов. Это еще не был массовый персональный ком­пьютер, но небольшие лаборатории и производства, предприятия среднего бизнеса уже могли позволить себе приобрести такие машины.

То, что произошло дальше, смело можно назвать «путем Intel» в компьютерной технологии. Корпорация Intel, развивая технологии изготовления микропроцес­сорных устройств, последовательно предложила рынку целую линейку своих продуктов (табл. 12.1).

На основе этих процессоров создаются и получают небывалое развитие персо­нальные компьютеры. Это уже не столько техническое, сколько социально-куль­турное явление, важность которого трудно переоценить.

Параллельно компьютерам с архитектурой Intel, начиная с 1993 г., развивают­ся компьютеры с архитектурой PowerPC, известные нам как компьютеры Apple Macintosh. Эти машины изначально имели более производительную 32-битную организацию и еще в 1996 г. перешли на 64-разрядную шину. Используя супер­скалярную архитектуру организации микропроцессора и встроенную (on-chip) кэш-память, компьютеры Apple Macintosh выигрывают по производительности у машин Intel, но дешевизна персональных компьютеров с процессорами Intel обеспечила последним заслуженную популярность и доминирование на столах пользователей.

В СССР четвертое поколение ЭВМ было отмечено целым букетом отечествен­ных разработок: это модифицированные версии ЕС ЭВМ, целый ряд двухпро­цессорных машин, многопроцессорные машины Эльбрус, мини-ЭВМ серии СМ, профессиональный персональный компьютер ЕС-1840 (он уже не занимал в ка­бинете все свободное место, но его еще нельзя было поставить на стол, поскольку размерами он сам был лишь немногим меньше письменного стола). Особенными событиями, породившими в СССР эпоху «наколенных» компьютеров, были выпуск компьютера «Электроника БК-0010-01» с процессором, совместимым с PDP-11, и компьютера «Москва», совместимого с ZX Spectrum. Выпуск этих компьютеров перенес компьютерное творчество в народные массы. Повсеместно «наколен­ным» способом собирались десятки, если не сотни тысяч, самодельных машин ZX Spectrum и модифицировались БК-0010. Трудно себе представить, сколько людей в нашей стране получило свое первое представление о программировании не на школьных уроках, а дома, сидя перед телевизором (поскольку у первых бытовых компьютеров не было дисплея, а в качестве такового использовался экран теле­визора).

Российская наука внесла в компьютеры четвертого поколения свой вклад много­процессорными машинами «Эльбрус-3» (1994 г.) и «Эльбрус-90 Микро» (1996 г.).

Пятое поколение

Поскольку за основу деления компьютеров на поколения мы приняли элемент­ную базу, говорить о машинах пятого поколения пока еще рано. Несмотря на то что компьютерные вычисления совершенствуются, усложняется и миниатюризиру- ется структура микропроцессоров, этот процесс пока продолжается в рамках все той же парадигмы сверхбольшой интегральной схемы. Появление многоядерных процессоров или преодоление суперкомпьютерами петафлопсного рубежа (от flops — float operation per second, то есть операций с плавающей точкой в секунду) не может с этой точки зрения быть границей перехода к следующему поколению. Возможно, успехи нано- или фемто-технологий позволят создавать процессоры на принципиально иной основе, и тогда уже можно будет говорить о компьютерах пятого поколения.