История развития вычислительной техники. Классификация ЭВМ. Основные характеристики ЭВМ. Лекция 1

1.

ФГБОУ ВО БАШКИРСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Институт истории и
государственного
управления
Кафедра управления
информационной
безопасностью
Уфа - 2020

2.

ФГБОУ ВО БАШКИРСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Специальность
10.05.05 Безопасность
информационных технологий в
правоохранительной сфере
Аппаратные средства
вычислительной техники
Составитель: И.В. Салов

3.

Аппаратные средства вычислительной техники
Лекция 1 (2 часа)
Тема лекции:
История развития вычислительной техники. Классификация ЭВМ.
Основные характеристики ЭВМ.
Цель занятия:
Провести анализ истории развития вычислительной техники. Рассмотреть
основные классы ЭВМ. Изучить основные характеристики ЭВМ.
План занятия:
1. История развития вычислительной техники
2. Классификация ЭВМ
3. Основные характеристики ЭВМ
3

4.

Аппаратные средства вычислительной техники
Поколения ЭВМ
0-е поколение – 1492-1945 годы
1-е поколение – 1945-1958 годы
2-е поколение – 1959 - 1967 годы
3-е поколение – 1968 - 1973 годы
4-е поколение – 1974 – 1982 годы
5-е поколение – 1982 – наши дни
4

5.

0-е поколение ЭВМ
1492 год. В одном из своих
дневников Леонардо да Винчи
приводит рисунок
тринадцатиразрядного
десятичного суммирующего
устройства на основе зубчатых
колес.
5

6.

0-е поколение ЭВМ
1623 год. Вильгельм Шиккард
(Wilhelm Schickard, 1592-1635),
профессор университета Тюбингена,
разрабатывает устройство на основе
зубчатых колес («считающие часы»)
для сложения и вычитания
шестиразрядных десятичных чисел.
6

7.

0-е поколение ЭВМ
1642 год. Блез Паскаль (Blaise
Pascal, 1623-1663) представляет
«Паскалин» — первое реально
осуществленное и получившее
известность механическое цифровое
вычислительное устройство.
Прототип устройства суммировал и
вычитал пятиразрядные десятичные
числа. Паскаль изготовил более десяти
таких вычислителей, причем
последние модели оперировали
числами длиной в восемь цифр.
7

8.

0-е поколение ЭВМ
1673 год. Готфрид Вильгельм Лейбниц (Gottfried Wilhelm
Leibniz, 1646-1716) создает «пошаговый вычислитель» —
десятичное устройство для выполнения всех четырех
арифметических операций над 12-разрядными десятичными
числами. Результат умножения представлялся 16 цифрами.
Помимо зубчатых колес, в устройстве использовался новый
элемент — ступенчатый валик.
8

9.

0-е поколение ЭВМ
1786 год. Немецкий военный инженер Иоганн Мюллер
(Johann Mueller, 1746-1830) выдвигает идею «разностной
машины» — специализированного калькулятора для
табулирования логарифмов, вычисляемых разностным
методом. Калькулятор, построенный на ступенчатых валиках
Лейбница, получился компактным (13 см в высоту и 30 см в
диаметре) и выполнял четыре арифметических действия над
14-разрядными числами.
9

10.

0-е поколение ЭВМ
1801 год. Жозеф Мария Жаккард ( Joseph-Marie Jacquard,
1752-1834) строит ткацкий станок с программным
управлением, программа работы которого задается с
помощью комплекта перфокарт.
10

11.

0-е поколение ЭВМ
1832 год. Английский математик Чарльз Бэббидж (Charles
Babbage, 1792-1871) создает сегмент разностной машины,
оперирующий шестиразрядными числами и разностями
второго порядка. Разностная машина Бэббиджа по идее
аналогична калькулятору Мюллера.
11

12.

0-е поколение ЭВМ
1834 год. Пер Георг Шутц (Per George Scheutz, 1785-1873)
из Стокгольма, используя краткое описание проекта
Бэббиджа, создает из дерева небольшую разностную
машину.
12

13.

0-е поколение ЭВМ
1836 год. Бэббидж разрабатывает проект «аналитической
машины». Три считывателя с перфокарт для ввода программ
и данных, память (по Бэббиджу — «склад») на пятьдесят 40разрядных чисел, два аккумулятора для хранения
промежуточных
результатов.
Условные
переходы.
Содержание инструкций предполагалось задавать путем
позиционирования металлических штырей в цилиндре с
отверстиями.
13

14.

0-е поколение ЭВМ
1843 год. Георг Шутц совместно с сыном Эдвардом
(Edvard Scheutz, 1821-1881) строят разностную машину с
принтером для работы с разностями третьего порядка.
14

15.

0-е поколение ЭВМ
1871 год. Бэббидж создает прототип одного из устройств
своей аналитической машины — «мельницу» (так он
окрестил то, что сейчас принято называть центральным
процессором), а также принтер.
15

16.

0-е поколение ЭВМ
1885 год. Дорр Фельт (Dorr E. Felt, 1862-1930) из Чикаго
строит свой «комптометр» — первый калькулятор, где числа
вводятся нажатием клавиш.
16

17.

0-е поколение ЭВМ
1890 год.
Результаты переписи населения в США
обрабатываются с помощью перфокарточного табулятора,
созданного Германом Холлеритом (Herman Hollerith, 18601929) из Массачусетсского технологического института.
17

18.

0-е поколение ЭВМ
1892 год. Вильям Барроуз (William S. Burroughs, 18571898) предлагает устройство, схожее с калькулятором
Фельта, но более надежное, и от этого события берет старт
индустрия офисных калькуляторов.
18

19.

0-е поколение ЭВМ
1937
год. Джорж Стибитц (George Stibitz, 1904-1995)
из Bell Telephone Laboratories демонстрирует первый
однобитовый
двоичный
вычислитель
на
базе
электромеханических реле.
19

20.

0-е поколение ЭВМ
1937
год. Алан Тьюринг (Alan M. Turing, 1912-1954)
из Кембриджского университета публикует статью, в
которой излагает концепцию теоретической упрощенной
вычислительной машины, в дальнейшем получившей
название машины Тьюринга.
20

21.

0-е поколение ЭВМ
1938
год. Клод Шеннон (Claude E. Shannon, 1916-
2001) публикует статью о реализации символической логики
на базе реле.
21

22.

0-е поколение ЭВМ
1938
год. Немецкий инженер Конрад Цузе (Konrad
Zuse, 1910-1995) строит меха-нический программируемый
вычислитель Z1 с памятью на 1000 битов. В последнее время
Z1 все чаще называют первым в мире компьютером.
22

23.

0-е поколение ЭВМ
1939
год. Джордж Стибитц и Сэмюэль Вильямс
(Samuel Williams, 1911-1977) представили Model I —
калькулятор на базе релейной логики, управляемый с
помощью модифицированного телетайпа, что позволило
подключаться к калькулятору по телефонной линии. Более
поздние модификации допускали также определенную
степень программирования.
23

24.

0-е поколение ЭВМ
год.
Следующая
работа
Цузе
—
электромеханическая машина Z2, основу которой составляла
релейная логика, хотя память, как и в Z1, была
механической.
1940
24

25.

0-е поколение ЭВМ
год.
Цузе создает электромеханический
программируемый вычислитель Z3. Вычислитель содержит
2600 электромеханических реле. Z3 — это первая попытка
реализации принципа программного управления, хотя и не в
полном объеме (в общепринятом понимании этот принцип
еще не был сформулирован).
1941
25

26.

0-е поколение ЭВМ
1943
год. Группа ученых Гарвардского университета
во главе с Говардом Айкеном (Howard Aiken, 1900-1973)
разрабатывает вычислитель ASCC Mark I (Automatic
Sequence-Controlled Calculator Mark I) — первый
программно-управляемый
вычислитель,
получивший
широкую известность.
26

27.

0-е поколение ЭВМ
1945
год. Цузе завершает Z4 — улучшенную версию
вычислителя Z3. По архитектуре у Z4 очень много общих
черт с современными ВМ: память и процессор представлены
отдельными устройствами, процессор может обрабатывать
числа с плавающей запятой и, в дополнение к четырем
основным арифметическим операциям, способен извлекать
квадратный корень.
27

28.

1-е поколение ЭВМ
1945-1958 годы
Компонентная база компьютеров первого поколения это
электронные лампы.
28

29.

1-е поколение ЭВМ
1945-1958 годы
Вес порядка 5 – 30 тонн
Площадь несколько сотен квадратных метров
(нужны были отдельные помещения, а иногда и целые
здания.
Потребительская мощность таких машин измерялась
сотнями киловатт энергии.
29

30.

1-е поколение ЭВМ
1945-1958 годы
Программировалась машина изменением положения
переключателей и тумблеров на ее лицевых панелях.
Объем оперативной памяти составлял от 512 до 2048 байт.
Память представляла из себя трубки заполненные ртутью.
Под конец первого поколения и на начало второго стали
выпускать память на магнитных сердечниках.
30

31.

1-е поколение ЭВМ
1945-1958 годы
ЭВМ EDSAC, 1949 г.
31

32.

1-е поколение ЭВМ
UNIVAC 1
32

33.

1-е поколение ЭВМ
1945-1958 годы
МЭСМ, 1950 г.
33

34.

1-е поколение ЭВМ
1945-1958 годы
БЭСМ-2, 1958 г.
34

35.

1-е поколение ЭВМ
1945-1958 годы
Память на ртутных линиях задержки, 1951 г.
35

36.

2-е поколение ЭВМ
1959-1967 годы
Элементной базой второго поколения стали
полупроводники.
36

37.

2-е поколение ЭВМ
1959-1967 годы
Вес порядка 1 – 5 тонн
Площадь несколько десятков квадратных метров.
Потребительская мощность машин 50-100 киловатт
энергии.
Вычислительная мощность несколько сотен тысяч
операций в секунду
37

38.

2-е поколение ЭВМ
1959-1967 годы
Объем оперативной памяти составлял несколько десятков
килобайт.
Память представляла из себя перфоленты, перфокарты,
магнитную ленту. К началу 60-х годов стали применять
накопители на магнитных дисках.
38

39.

2-е поколение ЭВМ
Минск 22
39

40.

3-е поколение ЭВМ
1968 - 1973 годы
Интегральные
схемы
стали
компьютеров третьего поколения.
элементной
базой
40

41.

3-е поколение ЭВМ
1968 - 1973 годы
В качестве внешней памяти стали применять магнитные
диски. Накопитель магнитных дисков представлял
несколько дисков вращающихся на одном шпинделе.
Диски были расположены на небольшом расстоянии друг
от друга. Между ними находился блок головок
41

42.

3-е поколение ЭВМ
1968 - 1973 годы
42

43.

4-е поколение ЭВМ
1974 – 1982 годы
Элементная база компьютеров четвертого поколения это
большие интегральные схемы (БИС).
43

44.

4-е поколение ЭВМ
1974 – 1982 годы
Характеристики ЭВМ четвертого поколения
Мультипроцессорность
Языки высокого уровня
Компьютерные сети
Параллельная и последовательная обработка данных
44

45.

4-е поколение ЭВМ
1974 – 1982 годы
Технические характеристики ЭВМ четвертого поколения
Применение
модульности
для
создания
программного обеспечения
Средняя задержка сигнала 0.7 нс/вентиль
Впервые модули операционной системы начали
реализовывать на аппаратном уровне
Базовым элементом оперативной памяти стал
полупроводник. Чтение запись 100-150 нс.
45

46.

4-е поколение ЭВМ
1974 – 1982 годы
Интегральные схемы можно классифицировать по количеству
элементов размещенных на одном кристалле:
•ПИС – (Простые интегральные схемы) до 10 элементов
•МИС – (Малые интегральные схемы) до 100 элементов
•СИС – (Средние интегральные схемы) до 1 000 элементов
•БИС – (Большие интегральные схемы) до 10 000 элементов
•СБИС – (Сверхбольшие интегральные схемы) до 1 000 000
элементов
•УБИС – (Ультрабольшие интегральные схемы) до 1 000 000 000
элементов
•ГБИС – (Гигабольшие интегральные схемы) свыше 1 000 000 000
элементов
46

47.

Классификация ЭВМ
47

48.

Основные характеристики ЭВМ
• технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ;
• состав функциональных модулей ЭВМ и их
характеристики;
• возможность расширения и замены состава технических
средств ЭВМ;
• состав программного обеспечения ЭВМ и сервисов
(операционная система, пакеты прикладных про- грамм,
средства программирования);
• возможность расширения и замены состава программных
средств ЭВМ.
48

49.

Технические характеристики ЭВМ
• –
• –
• –
• –
• –
• –
• –
• –
быстродействие;
производительность;
емкость ОЗУ;
емкость внешней памяти;
надежность;
точность;
разрядность;
достоверность.
49

50.

Технические характеристики ЭВМ
• – быстродействие – это число команд, выполняемых
ЭВМ за одну секунду. Сравнение по быстродействию
различных типов ЭВМ, не обеспечивает достоверных
оценок, что пояснено ниже.
50

51.

Технические характеристики ЭВМ
• – производительность – это объем работ,
осуществляемых ЭВМ в единицу времени.
Для комплексной оценки производительности
используются интегральные характеристики. Так, Intel для
оценки процессоров предложила тест iCOMP (Intel
Comparative Microprocessor Performance), который дает
комплексную оценку производительности при работе с
целыми числами, с числами с плавающей запятой, графикой
и видео;
51

52.

Технические характеристики ЭВМ
• – емкость ОЗУ – количество программ и данных,
которое может находиться одновременно в оперативной
памяти;
52

53.

Технические характеристики ЭВМ
• – быстродействие – это число команд, выполняемых
ЭВМ за одну секунду. Сравнение по быстродействию
различных типов ЭВМ, не обеспечивает достоверных
оценок;
53

54.

Технические характеристики ЭВМ
• – производительность – это объем работ,
осуществляемых ЭВМ в единицу времени.
54

55.

Технические характеристики ЭВМ
• – емкость ОЗУ – количество программ и данных,
которое может находиться одновременно в оператив ной
памяти;
55

56.

Технические характеристики ЭВМ
• – надежность – это способность ЭВМ при
определенных условиях выполнять требуемые функции в
течение заданного периода времени.
56

57.

Технические характеристики ЭВМ
• – точность – это возможность различать почти равные
значения. Точность получения результатов обработки в
основном определяется используемыми форматами
хранения информации;
57

58.

Технические характеристики ЭВМ
• – разрядность ЭВМ – количество битов, которое может
одновременно обработать ЭВМ;
58

59.

Технические характеристики ЭВМ
• – достоверность – вероятность получения
безошибочных результатов. Заданный уровень
достоверности обеспечивается аппаратурнопрограммными средствами контроля самой ЭВМ.
Возможны методы контроля достоверности путем
решения эталонных задач и повторных расчетов. В особо
ответственных случаях проводятся контрольные решения
на других ЭВМ и сравнение результатов.
59

60.

Технические характеристики ЭВМ
• – емкость внешней памяти – определяет количество
информации (в том числе и программ), которое может
находиться во внешней памяти для считывания в
оперативную память. Внешняя память имеет значительно
больший объем и позволяет хранить информацию при
отключении питания, но для непосредственного
использования этой информации процессором
необходимая часть этой информации загружается в ОЗУ.
60

61.

Технические характеристики ЭВМ
• – емкость внешней памяти – определяет количество
информации (в том числе и программ), которое может
находиться во внешней памяти для считывания в
оперативную память. Внешняя память имеет значительно
больший объем и позволяет хранить информацию при
отключении питания, но для непосредственного
использования этой информации процессором
необходимая часть этой информации загружается в ОЗУ.
61

62.

Аппаратные средства вычислительной техники
Источники информации:
1.
Айдинян, А.Р. Аппаратные средства вычислительной техники : учебник
/[Электронный ресурс]/ А.Р. Айдинян. - Москва ; Берлин : Директ-Медиа, 2016. 125 с. - Режим доступа URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=443412
2.
Царев, Р.Ю. Программные и аппаратные средства информатики : учебник/
[Электронный ресурс] Р.Ю. Царев, А.В. Прокопенко, А.Н. Князьков ;
Министерство образования и науки Российской Федерации, Сибирский
Федеральный университет. - Красноярск : Сибирский федеральный университет,
2015. - 160 с. Режим доступа: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=435670
3.
Гухман, В.Б. Краткая история науки, техники и информатики : учебное
пособие [Электронный ресурс]/ В.Б. Гухман. - Москва ; Берлин : Директ-Медиа,
2017. - 171с. [Электронный ресурс]/ URL:
http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=474295
62

63.

Аппаратные средства вычислительной техники
Задание
для самостоятельной работы студентов
1. Назовите классы вычислительных машины по способу
представления информации и их краткое описание.
2. Перечислите поколения ЭВМ (годы, особенности, яркие
представители).
3. Перечислите классы ЭВМ (особенности, яркие
представители).
4. Назовите основные характеристики ЭВМ.
5. Назовите принципы программного управления фон
Неймана.
63