ЭВМ — это сложная система, включающая как технические средства (интегральные микросхемы, печатные платы, кабели, источники питания, печатающие устройства, дисплеи и т. п.), так и программное обеспечение (отладчики, редакторы текста, трансляторы, загрузчики и т. д.). Для изучения ЭВМ целесообразно использовать ту или иную степень ее детализации. Здесь мы представим ЭВМ в виде трех последовательно усложняющихся уровней детализации:
1) аппаратные средства—электронные схемы, из которых строят отдельные устройства ЭВМ;
2) архитектура — состав, характеристики и взаимосвязь устройств ЭВМ (структурная организация ЭВМ), принцип функционирования ЭВМ и ее машинный язык;
3) программное обеспечение ЭВМ.
Рассмотрим с использованием этих уровней, как изменились ЭВМ за 40 лет их существования.
Первый этап
Первый этап (до 1955 г.). За точку отсчета эры ЭВМ принимают 1946 г., когда началась опытная эксплуатация первых образцов подобных машин. Известны такие данные о первой из них: общая масса — 30 т, число электронных ламп — 18 тыс, потребляемая мощность — 150 кВт (мощность, достаточная для небольшого завода), объем памяти — 20 10-разрядных десятичных чисел, время выполнения операций: сложения — 0,0002 с, умножения — 0,0028 с. Числа в ЭВМ вводились с помощью перфокарт и набора на переключателях, а программа задавалась соединением гнезд на специальных наборных полях. Производительность этой гигантской ЭВМ была ниже, чем канцелярском магазине. Ламповые ЭВМ имели большие габариты и массу, потребляли много энергии и были очень дорогостоящими, что резко сужало круг пользователей ЭВМ, а следовательно, объем производства этих машин. Основными их пользователями были ученые, решавшие наиболее актуальные научно-технические задачи, связанные с развитием атомной энергетики, реактивной авиации, ракетостроения и т. п. Увеличению количества решаемых задач препятствовали низкие надежность и производительность ламповых машин, ограниченность их ресурсов и чрезвычайно трудоемкий процесс подготовки, ввода и отладки программ, написанных на языке машинных команд. Повышение быстродействия ЭВМ шло за счет увеличения ее памяти и улучшения архитектуры: использование двоичных кодов для представления чисел и команд, а также размещение их в увеличивающейся памяти ЭВМ упростили структуру процессора и повысили производительность обработки данных. Для ускорения процесса подготовки программ стали создавать первые языки автоматизации программирования (языки символического кодирования и автокоды).
Второй этап
Второй этап (до 1965 г.). Появление ЭВМ, построенных на транзисторах, привело к уменьшению их габаритов, массы, энергозатрат и стоимости, а также к увеличению надежности и производительности. Это сразу расширило круг пользователей и, следовательно, номенклатуру решаемых задач. Стали создавать алгоритмические языки для инженерно-технических (АЛГОЛ, ФОРТРАН) и экономических (КОБОЛ) расчетов. Но и на этом этапе основной задачей технологии программирования оставалось обеспечение экономии машинных ресурсов (машинного времени и памяти). Для ее решения стали создавать операционные системы (комплексы служебных программ, обеспечивающих лучшее распределение ресурсов ЭВМ при исполнении пользовательских задач). Первые операционные системы (ОС) просто автоматизировали работу оператора ЭВМ, связанную с выполнением задания пользователя: ввод в машину текста программы, вызов нужного транслятора, вызов потребовавшихся для программы библиотечных подпрограмм, вызов компоновщика для размещения этих подпрограмм и основной программы в памяти ЭВМ, ввод исходных данных и т. д. Теперь же вместе с программой и данными в ЭВМ вводилась еще и инструкция, где перечислялись этапы обработки и приводился ряд сведений о программе и ее авторе (чтобы было известно, с кого брать деньги за обработку данных). Затем в ЭВМ стали вводить сразу по несколько заданий пользователей (пакет заданий), операционные системы стали распределять ресурсы ЭВМ между этими заданиями — появился мультипрограммный режим обработки данных (например, пока выводятся результаты одной задачи, производятся расчеты для другой и в память вводятся данные для третьей).
Третий этап
Третий этап (до 1970 г.). Увеличения быстродействия и надежности полупроводниковых схем, а также уменьшения их габаритов, потребляемой мощности и стоимости удалось добиться за счет создания технологии производства интегральных микросхем (ИС), состоящих из десятков электронных элементов, образованных в прямоугольной пластине кремния с длиной стороны не более 1 см. Такая пластина (кристалл) размещается в небольшом пластмассовом корпусе, размеры которого, как правило, определяются только числом “ножек” (выводов от входов и выходов электронной схемы, созданной на кристалле). Это позволило не только повысить производительность и снизить стоимость универсальных ЭВМ (больших ЭВМ), но и создать малогабаритные, простые, дешевые и надежные машины — мини-ЭВМ. Мини-ЭВМ первоначально предназначались для замены аппаратно-реализованных контроллеров (устройств управления) в контуре управления каким-либо объектом, в автоматизированных системах управления технологическими процессами, системах сбора и обработки экспериментальных данных, различных управляющих комплексах на подвижных объектах и т. д. Появление мини-ЭВМ позволило сократить сроки разработки контроллеров. Вместо длительной процедуры разработки и создания сложной электронной схемы надо было лишь купить готовый универсальный “полуфабрикат” контроллера, чтобы потом запрограммировать его на выполнение требуемых функций. Правда, такое универсальное устройство, как правило, обладало функциональной избыточностью (для создаваемого контроллера могли не потребоваться некоторые команды мини-ЭВМ, часть ее памяти, высокое быстродействие и т. п.). Однако низкая цена серийной мини-ЭВМ, большое число серийных устройств связи с объектом управления и хорошее программное обеспечение обычно обусловливали экономическую эффективность использования такого программируемого контроллера. Организации, покупавшие мини-ЭВМ для создания контроллеров, довольно быстро поняли, что на этих машинах можно решать и вычислительные задачи традиционные задачи больших ЭВМ. Простота обслуживания мини-ЭВМ, их сравнительно низкая стоимость и малые габариты позволяли снабдить этими машинами небольшие коллективы исследователей, разработчиков, экспериментаторов и обучающихся, т. е. дать их прямо в руки пользователей ЭВМ. В начале 70-х годов с термином мини-ЭВМ связывали уже два существенно различных типа средств вычислительной техники: универсальный блок обработки данных и выдачи управляющих сигналов, серийно выпускаемый для применения в различных специализированных системах контроля и управления; небольших габаритов универсальную ЭВМ, проблемно-ориентированную пользователем на решение ограниченного круга задач в рамках одной лаборатории, технологического участка, т. е. задач, в решении которых оказывались заинтересованными 10—20 человек, работавших над одной проблемой.
Четвёртый этап
Четвертый этап (до 1978 г.). Успехи в развитии электроники привели к созданию больших интегральных схем (БИС), где в одном кристалле размещалось несколько десятков тысяч электрических элементов. Это позволило разработать более дешевые ЭВМ, имеющие большую память и меньший цикл выполнения команды: стоимость байта памяти и одной машинной операции начала резко снижаться. Но так как затраты на программирование почти не сокращались, то на первый план вышла задача экономии человеческих, а не машинных ресурсов. Разрабатывались новые операционные системы, позволяющие программистам отлаживать свои программы прямо за дисплеем ЭВМ (в диалоговом режиме), что облегчало работу пользователей ЭВМ и ускоряло разработку программ. Это полностью противоречило концепциям первых этапов информационной технологии: “процессор выполняет лишь ту часть работы по обработке данных, которую люди принципиально выполнить не могут,— массовый счет”. Стала прослеживаться другая тенденция: “все, что могут делать машины, должны делать машины; люди выполняют лишь ту часть работы, которую нельзя автоматизировать”. В 1971 г. была изготовлена первая БИС, в которой полностью размещался процессор ЭВМ простой архитектуры. Стала реальной возможность размещения в одной БИС (на одном кристалле) почти всех электронных устройств несложных по архитектуре ЭВМ, т. е. возможность серийного выпуска простых ЭВМ стоимостью 5—50 руб. (без учета стоимости внешних устройств). Появились дешевые . (карманные клавишные ЭВМ) и — управляющие устройства, построенные на одной или нескольких БИС, содержащих процессор, память и системы связи с датчиками и исполнительными органами в объекте управления (т. е. с внешними устройствами такой специализированной ЭВМ). Программы управления подачей топлива в двигатель автомобиля, движением электронной игрушки или заданным режимом стирки белья вводились в память ЭВМ либо при изготовлении подобного контроллера, либо непосредственно на предприятиях, выпускающих автомобили, игрушки, стиральные машины и т. п. В 70-х годах стали изготавливать и универсальные вычислительные системы, состоящие из процессора, памяти, схем сопряжения с устройствами ввода-вывода и тактового генератора, размещенных в одной БИС (однокристальная ЭВМ) или в нескольких БИС, установленных на одной печатной плате (одноплатная ЭВМ). Таким образом, повторялась картина 60-х годов, когда первые мини-ЭВМ отбирали часть работы у больших универсальных ЭВМ.
Пятый этап
Пятый этап. Улучшение технологии производства БИС позволяло изготавливать дешевые электронные схемы, содержащие сотни тысяч элементов в кристалле — схемы сверхбольшой степени интеграции (СБИС). Появилась возможность создать настольный прибор с габаритами массового телевизора, в котором размещались микроЭВМ, клавиатура, экран, кассетный магнитофон (или гибкий диск), а также схемы сопряжения с малогабаритным печатающим устройством (например, с электрической пишущей машинкой), измерительной аппаратурой, другими ЭВМ и т. д. Благодаря операционной системе, обеспечивающей простоту общения с этой ЭВМ, большой библиотеке прикладных программ по различным отраслям человеческой деятельности, а также малой стоимости такой персоне то, становится необходимой принадлежностью инженера, исследователя, экономиста, врача, агронома, преподавателя, редактора, секретаря и даже ребенка. Кроме функций помощника в решении традиционных задач расчетного характера персональный компьютер (ПК) может выполнять работу личного секретаря: помогать в составлении личной картотеки и ведении рабочей тетради; создавать, хранить (например, на магнитной ленте), редактировать и размножать различные тексты (письма, документы, статьи, конспекты лекций и даже книги); получать по линиям связи различные справочные данные из библиотек и архивов и т. д. ПК можно использовать для обучения детей (с помощью учебных машинных курсов), в развлекательных целях (от остросюжетных до познавательных игр) и во многих других приложениях. Наиболее широкое применение нашли микроЭВМ в гибких системах автоматизации производства (ГАП) и научных исследований (АСНИ). Здесь используются как персональные компьютеры, так и встраиваемые в аппаратуру микроконтроллеры и микроЭВМ. Существует и множество других приложений микроЭВМ. Для построения интеллектуальных систем и устройств выпускается очень большое число вычислительных средств: общий объем мирового производства оценивался в 1985 г. на уровне 200 млн микропроцессоров и 10 млн персональных компьютеров в год. Их встраивание в аппаратуру, обслуживание и программирование требует колоссального числа специалистов, которых нельзя (да и нецелесообразно) готовить в рамках одной специальности. Поэтому программирование постепенно перекладывается на плечи непрофессиональных программистов — специалистов различных отраслей народного хозяйства, которые приобрели начальные навыки программирования, освоив небольшие по объему дисциплины в техникумах, вузах или на курсах повышения квалификации. Эти же непрофессионалы должны выполнять и часть работ по встраиванию микроЭВМ в разрабатываемую ими аппаратуру. В связи с этим сейчас так много людей изучает в том или ином объеме устройство микроЭВМ и их язык.
18.10.2014
© greenmile
По материалам:
М. Стефенс, Р. Триз. Компьютер для начинающих. Под редакцией Ф. Уингейт и д. Чизхолм.
- М.: АСТ-ПРЕСС, 2000. - 304 с.: ил.;
В начало
