Поколения ЭВМ - принципы деления, этапы и особенности развития

Немного истории

Считается, что история развития ЭВМ начинается с середины XX века, но еще в начале XIX века математик и экономист из Великобритании Бэббидж приступил к созданию аппарата, который проводил вычисления по программе. Основу устройства составляло зубчатое колесо, которое предназначалось для запоминания одного разряда числа.

На первой собранной машине конструктор рассчитал таблицу квадратов. Следующим аппаратом, к которому приступил математик, была более сложная аналитическая техника. Для создания механического устройства с паровым приводом пришлось выполнить более 2 тыс. чертежей различных элементов. В аппарат входили основные узлы:

1. Склад — место для хранения чисел.
2. Фабрика — механизмы, где проводились арифметические операции над числами.
3. Программа — устройства, которые управляли действиями в определенной последовательности.

Кроме того, были предусмотрены элементы для выполнения ввода и вывода чисел. Разработку этой техники ученый не успел закончить, так как умер в 1871 году. После него немалый вклад в развитие аппаратов для автоматизации счета внес ученый из Америки Холлерит. В конце XIX века ему удалось создать ручной перфоратор, который наносил цифровые данные на перфокарты и механически сортировал их.

Конструктор изобрел табулятор, который отверстия в перфокартах воспринимал как числа и подсчитывал их. Эти устройства с успехом применялись во многих странах для переписи населения. Дальнейшая эволюция вычислительной техники продолжилась в начале XX века. Ученый из Германии Цузе первым создал автоматический вычислительный аппарат, в котором использовались:

• двоичный метод счисления;
• числа с передвигающейся запятой;
• трехадресное программирование;
• перфорированные карты.

В качестве элементной базы создатель использовал реле, применяющиеся в различных областях техники. В 1938 году изобретатель собрал первую модель Z1, рассчитанную на обработку шестнадцати слов. Профессор из Пенсильвании Маучли представил проект в 1946 году, в каком и создали первую ЭВМ — ENIAC.

Создание этого аппарата положило основу для дальнейшего усовершенствования вычислительных аппаратов. Элементные базы, на которых собраны различные устройства, означают, по какому принципу делятся ЭВМ на поколения.

Ламповые разработки

На первом этапе развития ЭВМ выпускались модели, собранные на основе электронных ламп. Первый аппарат начали собирать в 1947 году, носивший название UNIAC, расшифровка которого — Universal Automatic Computer. Создавали его на базе ЭВМ ENIAC и EDVIAC. Основные характеристики:

1. Тактовая частота — 2,25 МГц.
2. Количество электронных ламп — 5 тыс. штук.
3. Объем памяти — 1 тыс. двенадцатиразрядных чисел.

Предназначался этот аппарат специально для переписи населения США. Чтобы увеличить скорость действия памяти будущих ЭВМ, ученые начали исследовать характеристики ферритовых колец. Впервые их применили в аппарате «Whirlwind-1», который представлял собой два куба с магнитными сердечниками.

Эти элементы обеспечивали хранение 2048 слов для шестнадцатиразрядных двоичных чисел. В середине XX века известная фирма IBM создала первую промышленную ЭВМ IBM-701. Основной частью машины являются 4 тыс. электронных ламп и 12 тыс. германиевых диодов, которые гораздо ускорили быстродействие компьютера.

Второй серийный компьютер IBM-704 отличался высокой скоростью обработки информации. Особенностью машины IBM-709 считалось то, что по своей архитектурной схеме она была сходна с аппаратами второго и третьего поколения.

Следующей разработкой компании стали магнитные головки, которые позволили хранить информацию на дисках. Начали они использоваться в компьютерах IBM-305 и RAMAC-650. Специалисты фирмы IBM одними из первых стали заниматься автоматизацией программирования.

Так, в 1957 году был разработан и внедрен популярный язык программирования «Фортран», который способствовал расширению сфер применения компьютеров. В Советском Союзе первым компьютером был БЭСМ-2, поступление которого в серийное производство началось в 1956 году. В нем использовались ртутные линии, которые позволяли проводить до 8 тыс. операций в секунду.

Применение транзисторов

Благодаря насыщению рынка ламповыми машинами и усовершенствованию производства транзисторов, в середине пятидесятых годов ряд компаний приступил к выпуску ЭВМ на полупроводниковых триодах. Сначала выпускались в основном компьютеры с элементами смешанного типа. В конце пятидесятых годов в разных странах были выпущены:

1. TRADIC — американское цифровое устройство, собранное на 800 транзисторах и 11 тыс. германиевых диодах.
2. «Philco-2000» — вычислительная техника на 56 тыс. транзисторах, 1200 диодах и 450 электронных лампах.
3. «Elliot-803» — английская ЭВМ на транзисторах, выпущенная в 1958 году.

В то же время советскими специалистами была разработана и запущена в серийное производство полупроводниковая вычислительная машина «Раздан-2». Кроме того, несколько стран выпустили ЭВМ на других элементах: в Японии «Senac-1» — на параметронах, в Советском Союзе — «Сетунь» и Франции — САВ-500 на магнитных компонентах.

Кстати, «Сетунь», сконструированная специалистами МГУ, была единственной машиной, которая функционировала в троичной системе счисления. Важным событием среди ЭВМ второго поколения стал выпуск в Англии аппарата «Atlas», обладающего виртуальной памятью.

Большое значение для усовершенствования компьютеров сыграла ЭВМ CDC-6600 от фирмы Control Data, в которой для обработки данных использовались несколько процессоров, что позволяло проводить более 3 млн действий в секунду.

Кроме ЭВМ «Раздан-2», в Советском Союзе было произведено еще около 30 моделей этого класса. Долгое время на производстве использовались модификации компьютера «Минск», а в вузах для изучения информатики и научно-исследовательских институтах с успехом применялись небольшие ЭВМ «Мир».

Одновременно с производством машин второго поколения специалисты вели разработку новых языков программирования. Одним из них стал «Алгол», который способствовал удобному набору программ.

ЭВМ на интегральных схемах

В 1964 году компания IBM выпустила первые шесть аппаратов IBM-360 на интегральных схемах, которые положили начало в классификации ЭВМ появлению третьего поколения. Затраты на исследования и разработку составили около 500 млн долларов.

При создании первого семейства компьютеров специалисты столкнулись со сложностью разработки новой операционной системы, так как она должна была обеспечить полноценное применение технических возможностей ЭВМ. В итоге были созданы две разновидности системы:

• DOS — рассчитана на небольшие компьютеры;
• OS/360 — разработана для крупных вычислительных машин.

До конца шестидесятых годов было выпущено два десятка усовершенствованных разновидностей аппаратов IBM-360. В новых машинах впервые была использована кеш-память, а 195 модификация была выполнена на монолитных схемах.

Параллельно с американской фирмой машины нового вида производили другие страны. Европейские социалистические страны и Куба подписали документ о совместной работе в области вычислительных технологий. Результатом стал выпуск современных моделей компьютеров семейства ЕС.

Самым удачным был аппарат ЕС-1065, система которого состояла из четырех процессоров и имела память 16 Мбайт. Основу конструкции составляли интегральные схемы ИС-500, которые обеспечивали производительность 4—5 млн действий в сек. Появление дисплея гораздо облегчило процедуру ввода-вывода данных и ускорило работу с компьютером.

Четвертое поколение

Как только появились микропроцессоры, стали разрабатываться компьютеры четвертого поколения, а термин ЭВМ практически перестал использоваться. В то время фирма Intel создала микросхему Intel-4004, которая стала первым устройством такого типа от известного производителя.

Четвертый вид машин начался с того, что производители компании Busicom из Японии заказали Intel 12 микросхем для применения в различных вычислительных машинах. Был изготовлен четырехразрядный микропроцессор с тактовой частотой 0,75 МГц, что позволяло кодировать цифры, символы и этого вполне хватало для вычислительных машин. Но для компьютера нужны были более мощные интегральные схемы.

Для кодирования цифр, символов и слов необходим был восьмиразрядный процессор, который был разработан в 1972 году. С их выпуском стало возможным производить персональные компьютеры (ПК), потребность в которых возросла в то время. Так появились первые ПК семейства Apple.

В первых девайсах память хранилась на магнитофонных кассетах, так как у самого ПК объем составлял всего 8 Кбайт. За десять лет фирма продала около 2 млн машин. Больших успехов в выпуске компьютеров нового поколения достигла и IBM. Начиная с 1980 года, эта компания стала лидером на рынке ПК, а ее архитектура стала международным стандартом.

Сейчас строится пятое поколение компьютеров, к которым относятся девайсы, устроенные по принципу человеческого мозга и управляемые голосом. Особенно большие усилия прикладывают японские специалисты, но успеха пока они не добились.