Здесь пора обсудить два вопроса. Почему ЭВМ столь широко применяются? Потому, что универсальны. Почему ЭВМ универсальны?
Следствием сформулированных фон Нейманом принципов программного управления явилась универсальность ЭВМ
функция ЭВМ задаётся программой, введённой в память ЭВМ, а не аппаратурой ЭВМ. Аппаратура ЭВМ может выполнять только операции из списка машинных операций F.
Именно программа задаёт тот порядок, в котором операции должны выполняться для решения задачи (именно программа обеспечивает организацию выполнения операций).
Таким образом, замена программы в памяти легко приводит к изменению функций ЭВМ, реализуемых аппаратурой ЭВМ.
Достоинства и недостатки фон Неймановских машин. Основные достоинства мы уже обсудили - это универсальность. Свойство универсальности является и основным недостатком! Почему? Дело в том, что для решения задачи алгоритм разрабатывается человеком и в форме программы загружается в память ЭВМ.
Именно программа и несёт в себе всю необходимую для решения задачи информацию.
Аппаратура ЭВМ лишь быстро и надёжно (т.е. без ошибок) реализует ее.
Следовательно, аппаратура ЭВМ не обладает интеллектом и не может быть помощником человеку при решении интеллектуальных задач.
Следовательно, ЭВМ - это просто автоматизированный калькулятор.
В связи с этим недостатком уже много лет актуальной является задача пересмотра классических принципов построения ЭВМ и поиск более рациональных.
Переход к новым принципам организации ЭВМ специалисты связывают с появлением машин пятого поколения.
К настоящему времени сменилось четыре поколения машин. Все они фон Неймановские по принципу построения:
- первое поколение - ламповые ЭВМ,
- второе поколение - ЭВМ на основе полупроводниковых дискретных элементов - транзисторов и интегральных схем (ИС) малой и средней степени интеграции,
- третье поколение — ЭВМ на основе больших интегральных схем БИС.
- четвертое поколение - ЭВМ на основе микропроцессорных больших ИС и сверх больших ИС (СБИС).
1.1. Поколения компьютеров.
Первые электронные компьютеры появились в первой половине XX века. Они могли делать значительно больше механических калькуляторов, которые лишь складывали, вычитали и умножали. Это были электронные машины, способные решать сложные задачи.
Кроме того, они имели две отличительные особенности, которыми предыдущие машины не обладали:
Одна из них состояла в том, что они могли выполнять определенную последовательность
операций по заранее заданной программе или последовательно решать задачи разных типов. Способность хранить информацию в специальной памяти.
Поколение первое. Компьютеры на электронных лампах.
Компьютеры на основе электронных ламп появились в 40-х годах XX века. Первая электронная лампа - вакуумный диод - была построена Флемингом лишь в 1904 году, хотя эффект прохождення электрического тока через вакуум был открыт Эдисоном в 1883 году.
Вскоре Ли де Форрест изобретает вакуумный триод - лампу с тремя электродами, затем появляется газонаполненная электронная лампа - тиратрон, пяти электродная лампа - пентод н т. д.
Триггер . изобретенный М. А. Бонч-Бруевичем (1918) и - независимо - американцами У. Икклзом и Ф. Джорданом (1919), содержит 2 лампы и в каждый момент может находиться в одном из двух устойчивых состояний, он представляет собой электронное реле. Подобно электромеханическому реле, оно могло быть использовано для хранения одной двоичной цифры.
Использование электронной лампы в качестве основного .элемента ЭВМ создавало множество проблем. Из-за того, что высота стеклянной лампы - 7см. машины были огромных размеров. Каждые 7-8 мин. одна из ламп выходила из строя, а так как в компьютере их было 15 - 20 тысяч, то для и замены поврежденной лампы требовалось очень много времени.
Кроме того, они выделяли огромное количество тепла, и для эксплуатации "современного" компьютера того времени требовались специальные системы охлаждения.
Чтобы разобраться в запутанных схемах огромного компьютера, нужны были целые бригады инженеров. Устройств ввода в этих компьютерах не было, поэтому данные заносились в память при помощи соединения нужного штекера с нужным гнездом.
Примерами машин 1-го поколения могут служить Mark I, ENIAC, EDSАС (Electronic Delay Storage Automatic Calculator), - первая машина с хранимой программой. UNIVAC {Universal Automatic Computer). Первый экземпляр Юннвака был передан в Бюро переписи населения США. Позднее было создано много разных моделей Юннвака, которые нашли применение в различных сферах деятельности. Таким образом, Юнивак стал первым серийным компьютером. Кроме того, это был первый компьютер, где вместо перфокарт использовалась магнитная лента.
Поколение второе. Транзисторные компьютеры.
1 июля 1948 года на одной из страниц "Нью-Йорк Тайме", посвященной радио и телевидению, оыло помешено скромное сообщение о том, что фирма "Белл телефон лабраторнз" разработала электронный прибор, способный заменить электронную лампу. Физик-теоретик и ведущий экспериментатор фирмы Уолтер Бранттен создал первый действующий транзистор.
Это был точечно-контактный прибор, в котором три металлических "усика" контактировали с бруском из поликристаллического германия.
Первые компьютеры на основе транзисторов появились в конце 50-х годов, а к середине 60-х годов были созданы более компактные внешние устройства, что позволило фирме Digital Equipment выпустить е 1965 г. первый мини-компьютер PDP-8 размером с холодильник и стоимостью всего 20 тыс. долларов
Применение транзисторов в качестве основного элемента в ЭВМ привело к уменьшению размеров компьютеров в сотни раз и к повышению их надежности.
Самым удивительным свойством транзистора является то, что он один способен заменить 40 электронных ламп и при этом работать с большей скоростью, выделять очень мало тепла и почти не потреблять электроэнергию.
Одновременно с процессом замены электронных ламп транзисторами совершенствовались методы хранения информации. Увеличился объем памяти, а магнитную ленту, впервые примененную в ЭВМ Юнивак, начали использовать как для ввода, так и для вывода информации.
А в середине 60-х годов получило распространение хранение информации на дисках. Большие достижения в архитектуре компьютеров позволило достичь быстродействия в миллион операций в секунду! Примерами транзисторных компьютеров могут послужить "Стретч" (Англия). "Атлас" (США). В то время СССР шел в ногу со временем н выпускал ЭВМ мирового уровня (например "БЭСМ-6").
Поколение третье. Интегральные схемы.
Появление интегральных схем ознаменовало собой новый этап в развитии вычислительной техники - рождение машин третьего поколения.
Интегральная схема, которую также называют кристаллом, представляет собой миниатюрную электронную схему, вытравленную на поверхности кремниевого кристалла площадью около 10 мм".
Первые интегральные схемы (ИС) появились в 1964 году. Сначала они использовались только в космической и военной технике.
Появление ИС произвело подлинную революцию в вычислительной технике. Одна ИС способна заменить тысячи транзисторов, каждый из которых в свою очередь уже заменил 40 электронных ламп. Другими словами, один крошечный кристалл обладает такими же вычислительными возможностями, как и 30-тонный Эннак!
Быстродействие ЭВМ третьего поколения возросло в 100 раз, а габариты значительно уменьшились.
Ко всем достоинствам ЭВМ третьего поколения добавилось ещё и то, что их производство оказалось дешевле, чем производство машин второго поколения. Благодаря этому, многие организации смогли приобрести и освоить такие машины. А это, в свою очередь, привело к росту спроса на универсальные ЭВМ, предназначенные для решения самых различных задач.
Большинство созданных до этого ЭВМ являлись специализированными машинами, на которых можно было решать задачи какого-то одного типа.
Поколение четвертое. Большие интегральные схемы.
В начале 70-х годов была предпринята попытка выяснить, молено ли на одном кристалле разместить больше одной интегральной схемы. Оказалось, можно! Развитие микроэлектроники привело к созданию возможности размещать на одном единственном кристалле тысячи интегральных схем. Так., уже в 1980 году, центральный процессор небольшого компьютера оказался возможным разместить на кристалле, площадью 1,61 см .
Началась эпоха микрокомпьютеров. Быстродействие такой микро ЭВМ было в 10 раз выше быстродействия ЭВМ третьего поколения на интегральных схемах, в 1000 раз - быстродействие ЭВМ второго поколения на транзисторах и в 100000 раз - быстродействие ЭВМ первого поколения на электронных лампах.
Далее, компьютеры 1 го поколения типа Юнивак стоили около 2,5 млн. долларов. Сегодня же ЭВМ со значительно большим быстродействием, более широкими возможностями, более высокой надежностью, существенно меньшими габаритами и более простая в эксплуатации стоит примерно 2000 долларов. Каждые 2 года стоимость ЭВМ снижается примерно в 2 раза.
Очень большую роль в развитии компьютеров сыграли две ныне гигантские фирмы: Microsoft и Intel. Первая из них очень сильно повлияла на развитие программного обеспечения для компьютеров, вторая же стала известна благодаря выпускаемым ей лучшим микропроцессорам.
Т.о. смена поколений развивалась по пути совершенствования элементной базы и технологии производства элементов и ЭВМ.
Машины пятого поколения должны стать интеллектуальными. Для этого необходимо решить очень сложную проблему - проблему создания искусственного интеллекта. Когда она будет решена, тогда и появятся теоретические основы для создания новых принципов организации аппаратуры ЭВМ. Одна из современных попыток - попытка реализация языка Пролог на аппаратном уровне. Есть много и других попыток, но не очень успешных пока.
1. Технологические и экономические факторы развития ЭВМ
1 фактор. Главная движущая сила развития ЭВМ — стремление производителей ЭВМ помещать с каждым годом все больше количество транзисторов на микросхему. Чем больше транзисторов (крошечных электронных переключателей), тем больше объем памяти и мощнее процессоры.
Гордон Мур (Gordon Moore), заметил, что каждое новое поколение микросхем появляется через три года после предыдущего, при этом у каждого нового поколения компьютеров памяти становилось в 4 раза больше, чем у предыдущего. Стало понятно, что число транзисторов на микросхеме возрастает на постоянную величину и, таким образом, этот рост можно предсказать на годы вперед.
Сформулированный Муром закон технологического прогресса, гласит, что количество транзисторов на одной микросхеме удваивается каждые 18 месяцев.
 |
По большому счету, закон Мура — это никакой не закон, а простое эмпирическое наблюдение за тем, с какой скоростью развиваются компьютерные технологии, и предсказание о том, что с такой скоростью они будут работать и в будущем.
Многие специалисты считают, что закон Мура будет действовать еще лет десять, а возможно, и дольше. Вероятно, в конечном итоге количество атомов, из которых состоят транзисторы, уменьшится до критической величины, хотя последние достижения квантовой компьютерной техники, может быть, изменят ситуацию [156]. Впрочем, другие специалисты предсказывают, что довольно скоро разработчики столкнутся с рассеянием энергии, утечками тока и другими проблемами, которые придется каким-то образом решать [28, 112].
2 фактор
Закон Мура связан с экономическим понятием - эффективный цикл, включающий следующие этапы:
· совершенствование технологий производства компьютеров приводят к созданию продуктов с лучшими характеристиками (параметрами) с более низкими ценами.
· низкие цены ведут к расширению сферы применения компьютеров и естественно к возникновению спроса на новые прикладные программы (никому не приходило в голову разрабатывать компьютерные игры, когда компьютер стоил 10 млн. долларов).
· потребность в новых прикладных программах приводят к возникновению новых компьютерных рынков и новых компаний.
· деятельность всех этих компаний ведет к развитию конкуренции между ними, для победы в которой нужны лучшие (новые) технологии.
· Круг замыкается.
3 фактор
Первый закон программного обеспечения, названный в честь Натана Мирводьда (Nathan Myhrvold), главного администратора компании Microsoft.
Этот закон гласит: «Программное обеспечение — это газ. Он распространяется и полностью заполняет резервуар, в котором находится».
2. Типы компьютеров
| Тип | Цена $ | Сфера применения |
| Одноразовые» компьютеры | 0,5 | Поздравительные открытки |
| Встроенные компьютеры (микроконтроллеры) | 5 | Часы, автомашины, различные приборы |
| Игровые компьютеры | 50 | Домашние компьютерные игры |
| Персональные компьютеры | 500 | Настольные и портативные компьютеры |
| Серверы | 5000 | Сетевые серверы |
| Комплексы рабочих станций | 50 000-500 000 | Суперминикомпьютеры |
| Мэйнфреймы | 5 000 000 | Пакетная обработка данных в банке |
2.1. Одноразовые компьютеры
Наиболее значимым достижением в этой области стало появление микросхем RFID (Radio Frequency IDentification - радиочастотная идентификация).
На безбатарейных микросхемах этого типа толщиной меньше 0,5 мм и себестоимостью в несколько центов устанавливаются крошечные приемопередатчики радиосигналов;
Таким микросхемам присваивается уникальный 128-разрядный идентификатор. При получении импульса с внешней антенны они за счет энергии достаточно длинного входного радиосигнала отправляют ответный импульс со своим идентификатором.
Применяется для слежения за:
1. животными,
2. детьми,
3. багажом на авиалиниях,
4. книгами в библиотеках
5. товарами в магазинах
6. денежных банкнотах
7. транспортными средствами
8. и так далее
Наиболее миниатюрные из микросхем этого типа пассивны (не содержат внутреннего источника питания), а их возможности ограничиваются передачей уникальных идентификаторов по внешним запросам.
Более крупные микросхемы RFID активны, в них могут быть встроены аккумуляторы и элементарный компьютер, поэтому они способны выполнять определенный набор вычислительных операций. Такие микросхемы встраивают в смарт-карты (банковские карты).
Технологическая основа RFID быстро развивается.
2.2. Микроконтроллеры
Это компьютеры, которыми оснащаются разного рода бытовые устройства. Такого рода встроенные компьютеры, называемые также микроконтроллерами, выполняют функцию управления устройствами и организации их пользовательских интерфейсов. Применяются в:
- бытовых приборах (будильники, стиральные машины, сушильные аппараты, микроволновые печи, охранные сигнализации);
- коммуникаторы (беспроводные и сотовые телефоны, факсимильные аппараты, пейджеры);
- периферийные устройства (принтеры, сканеры, модемы, приводы CD-ROM);
- развлекательные устройства (видеомагнитофоны, DVD-плееры, музыкальные центры, МРЗ - плееры, телеприставки);
- формирователи изображений (телевизоры, цифровые фотокамеры, видеокамеры, объективы, фотокопировальные устройства);
- медицинское оборудование (рентгеноскопические аппараты, томографы,
кардиомониторы, цифровые термометры); - военные комплексы вооружений (крылатые ракеты, межконтинентальные
баллистические ракеты, торпеды); - торговое оборудование (торговые автоматы, кассовые аппараты);
- игрушки (говорящие куклы, приставки /тля видеоигр, радиоуправляемые машинки и лодки).
В любой современной автомашине представительского класса устанавливается по полсотни микроконтроллеров, которые управляют различными подсистемами, в частности, автоблокировкой колес, впрыском топлива, магнитолой и системой навигации.
В реактивных самолетах используется свыше 200 микроконтроллеров.
В любом домашнем хозяйстве имеется до нескольких сот компьютеров, причем члены семьи зачастую даже не подозревают об их существовании.
Через несколько лет практически все приборы, работающие на источниках электропитания, будут оснащаться микроконтроллерами.