Архитектура компьютеров ранних поколений: путь развития вычислительной техники

Путь развития вычислительной техники

Архитектура ЭВМ первых поколений заложила фундамент, на котором выросла вся современная вычислительная индустрия. История вычислительной техники охватывает сравнительно короткий срок, однако внутри него принято выделять отдельные этапы, границы между которыми определяются элементной базой соответствующих машин. Такое деление во многом остаётся условным: нередко устройства прежних поколений ещё сходили с конвейера, тогда как решения нового поколения уже начинали применяться на практике.

Прослеживая эволюцию отрасли, стоит обозначить ключевые векторы, вдоль которых двигался прогресс. Все они действовали одновременно и усиливали друг друга, обеспечивая быстрый рост возможностей машин при снижении затрат на их создание. Именно совокупность этих тенденций и превратила громоздкие ранние устройства в компактную технику.

К основным направлениям развития относят следующие процессы:

1. увеличение плотности размещения компонентов на единице площади;
2. сокращение физических размеров устройств;
3. рост скоростных показателей и производительности;
4. снижение стоимости готовых машин;
5. совершенствование программного обеспечения и уточнение стандартов на аппаратную часть.

Нулевое поколение: механические счётные устройства

К нулевому поколению относят вычислительные приборы, построенные на механической основе. Отсчёт удобно вести с 1642 года, когда Блез Паскаль собрал первую счётную машину, способную лишь складывать и вычитать. Уже в семидесятых годах того же семнадцатого столетия Готфрид Вильгельм Лейбниц предложил аппарат, который дополнительно выполнял умножение и деление. Так постепенно расширялся круг арифметических операций, доступных механическим устройствам.

Следующий заметный рывок в девятнадцатом веке совершил Чарлз Бэббидж. Его аппарат тоже ограничивался сложением и вычитанием, зато результаты продавливались на пластинке из мягкой меди - это можно считать ранним прообразом устройств ввода-вывода. Замысел аналитической машины предполагал развитие до полного набора арифметических действий, а её конструкция включала блок памяти, вычислительный механизм и узел для обмена данными. По сути перед нами почти современная архитектура ЭВМ, только реализованная в металле и шестернях.

Наибольшую ценность представляла способность машины Бэббиджа выполнять разные операции по заранее заданным алгоритмам. Программа записывалась на перфокарте, а первым в мире программистом стала женщина - Ада Ловлейс. Довести проект до практического воплощения тогда не удалось, поскольку идеи изобретателя заметно опережали технические возможности эпохи. Уже в двадцатом веке появились счётные автоматы: например, машина Джона Атанасова несла в себе почти полноценное оперативное запоминающее устройство и опиралась на двоичное кодирование информации.

Первое поколение: эпоха вакуумных ламп

Первое поколение объединяет электронно-вычислительные машины, собранные на вакуумных лампах; их выпускали с середины сороковых до середины пятидесятых годов двадцатого века. Быстродействие таких систем измерялось десятками тысяч операций в секунду. Отличительной чертой этих машин были колоссальные габариты, ведь сами лампы имели внушительные размеры. Кроме того, ламп требовалось очень много, и они регулярно перегорали, из-за чего работу приходилось останавливать ради поиска и замены неисправного элемента.

Наиболее известные представители поколения компьютеров на лампах хорошо иллюстрируют особенности той эпохи. Каждая из этих машин внесла собственный вклад в становление отрасли, а некоторые определили направление её развития на годы вперёд.

• Колоссус - засекреченный британский проект, к которому был причастен Алан Тьюринг. Фактически это была первая в мире подобная машина, однако из-за режима секретности она почти не повлияла на общий прогресс ЭВМ.
• ЭНИАК - разработка Джона Моушли и Джона Экерта массой около тридцати тонн. К её слабым сторонам относили десятичное кодирование, обилие тумблеров и огромное количество проводов.
• ЭДСАК - первая машина, чьё программное обеспечение хранилось непосредственно в памяти.
• Whirlwind I - выделялась короткими командными словами и умением работать в реальном масштабе времени.
• IBM 701 и её последующие модификации - первая машина, удерживавшая лидерство на рынке свыше десяти лет.

Второе поколение: переход к транзисторам

Второе поколение составляют транзисторы заменившие лампы в конструкции ЭВМ; эти машины производились с середины пятидесятых до середины шестидесятых годов. Их быстродействие поднялось до сотен тысяч операций в секунду, а в отдельных случаях приближалось к одному миллиону. Отказ от ламп в пользу полупроводниковых элементов позволил резко уменьшить размеры систем, повысить надёжность и сократить тепловыделение. Одновременно совершенствовались способы хранения информации: в обиход вошла запись на магнитные ленты, а позднее и на диски.

Именно в этот период на компьютере появилась первая игра, а первая транзисторная машина модели TX послужила прототипом для линейки PDP компании DEC. Эту фирму справедливо считают одним из зачинателей промышленного выпуска вычислительной техники. ЭВМ стали производить и продавать массово, а DEC собрала первую мини-машину, по габаритам сопоставимую с обычным шкафом. Тогда же в практику вошли и первые дисплеи.

Третье поколение: интегральные микросхемы

Третье поколение опирается на интегральные микросхемы и охватывает промежуток примерно с 1965 по 1980 год. Производительность таких машин измерялась уже миллионами операций в секунду. В основе микросхемы лежало вытравливание нужной электронной схемы на кристалле кремния, причём один кристалл вмещал тысячи транзисторных элементов. Благодаря этому компьютеры вновь резко сократились в размерах, прибавив в скорости и подешевев.

Так за несколько десятилетий сменились четыре условных этапа - от механических счётных приборов до компактных систем на микросхемах. Каждый переход подчинялся общим закономерностям: устройства становились меньше, быстрее и доступнее, а программное и аппаратное обеспечение - зрелее. Именно эта преемственность поколений компьютеров и подготовила почву для последующего массового распространения вычислительной техники.