Поколения ЭВМ и физические основы их функционирования

Три поколения ЭВМ, их типичные носители и элементная база

ЭВМ 1-ого поколения: 1945—1958

Элементная база этих ЭВМ состояла из электронных реле и ламп.
Электронное реле было изобретено в 30-е годы позапрошлого (XIX) века русским ученым Шиллингом. Работа реле основана на явлении индукции. Реле состоит из катушки, по которой течет электрический ток, и якоря. Если по катушке течёт ток, то якорь втягивается в катушку и замыкает (или размыкает, в зависимости от конструкции) контакт. Это приводит к пропусканию тока (логическая единица) или не пропусканию (логический ноль).

Разные реле

В ЭВМ реле используют для организации процесса вычисления с помощью логических схем (вентилей) И, ИЛИ, НЕ.

Логические элементы на реле

Электронная лампа впервые создана в 40-е годы прошлого века. В ЭВМ чаще всего использовали электронные лампы в виде триода, состоящего из катода, сетки и анода.
Катод испускает электроны (это явление называется электронной эмиссией). В качестве материалов используют торий или барий. Сетка находится между катодом и анодом и служит затвором: если на неё подаётся положительное напряжение, то электроны проходят через неё и попадают на анод. Иначе, при отрицательном токе, количество электронов, попавших на анод, сильно уменьшается. А при большом отрицательном напряжении, электроны не проходят через сетку и скапливаются в пространстве между ней и катодом. Это приводит к запиранию. Анод это положительный электрод, принимающий электроны, вылетающие с катода. Анод изготавливают из никеля или молибдена.
Также в ЭВМ первого поколения широко применялись триггеры. Под названием «катодное реле» изобретено отечественным ученым М. А. Бонч-Бруевичем в 1918 г. Триггер это система из двух триодов. Триггер имеет два состояния: правый триод открыт, левый закрыт, и наоборот. В любом из этих двух состояний система может пребывать то тех пор, пока не поступит новый сигнал.

Ламповый триггер: внешний вид

Ламповый триггер: схема

ЭВМ 2-ого поколения: 1959-1967

БЭСМ-6 — величайшее достижение советского компьютеростроения, лучшая машина, созданная за 40 лет этого самого -строения, последний шедевр академика С.А.Лебедева. Кто входил в машинный зал (именно зал — метров 200, не меньше), сразу ощущал — да, это суперкомпьютер! Огромные, уходящие вдаль, теряющиеся в затемненных глубинах зала ряды серых шкафов. Линейка лентоводов, их было штук 16, если не больше, — ленты располагались вертикально друг над другом. А за лентоводами в полумраке тяжко гудят магнитные барабаны на массивных чугунных станинах. У входа в зал— устройства ввода-вывода. И сколько же их! Для перфокарт, для перфолент. Два барабанных принтера (АЦПУ) молотят беспрерывно. А посредине — центральный пульт управления: из четырех секций, состыкованных под углом и как бы обнимающих оператора полукругом. На пульте — тысячи мигающих светодиодов, индицирующих состояние ячеек памяти, регистров и т.д.

До сих пор помню, какое невероятное впечатление производило одновременное бешеное вращение магнитных лент и непрерывная печать — наглядная демонстрация работы многозадачной операционной системы разделения времени с пакетным планировщиком заданий и спулером печати. На прежних машинах достичь такого эффекта было невозможно, там ты сам пошагово инициировал работу машины, которая ощущалась именно машиной, от тебя зависящей.

Конфигурация машины постоянно наращивалась. Поначалу памяти было 32 килослова (по 48 бит), потом ее учетверили. Кажется в 1970 году появилась ОС «Диспак» и к машине подключили маленькие аккуратненькие дисплеи Videoton — показывали 16 строк текста. Это была подлинная революция в общении с компьютером — программист сидел за экраном, правил программу, не сходя с места отправлял на отладку-счет и на экране же видел результаты... Вообще, машина была на удивление современная: виртуальная память страничной организации со своппингом на барабаны, мультизадачность, защита памяти, конвейеризация... 

Воспоминания советского еврея-программиста

При создании второго поколения ЭВМ элементная база была основана на полупроводниковых приборах. Полупроводники используются для изготовления диодов, транзисторов.
Полупроводниками называются вещества, по своим электропроводящим свойствам находящиеся между изоляторами (в которых свободных зарядов нет вовсе) и проводниками (в которых есть свободные заряды). Примерами полупроводников являются германий и кремний.
Свойства проводимости полупроводников зависят от условий среды, а так же от наличия атомов примесей. Чтобы придать полупроводнику определённые свойства, его легируют, то есть вносят примеси в очень малых количествах.
В полупроводниках существуют два типа зарядов – электроны (n – «negative», указывает на заряд электрона) и дырки (p – «positive», указывает на заряд атома, отдавший электрон). Атомы последовательно «перехватывают» электрон, благодаря чему движется дырка.
В чистых проводниках число дырок равно числу электронов. Но тут на помощь приходят примеси, при добавлении которых получается полупроводник-донор - он содержит большее кол-во электронов (n-тип) или полупроводник-акцептор (p-тип).
Полупроводниковый диод это полупроводниковый прибор с двумя выводами и электрическим p-n-переходом. P-n-переход так же называется электронно-дырочным.
Если подключить диод так, чтобы потенциал полупроводника p-типа был положительным, а n-типа отрицательным, то через p-n-переход потечёт ток. Такое положение называется пропускным или включение в прямом направлении.
Если же поменять полюса источника, то цепь окажется разомкнутой (т.к. атомы в p-типе притянут отрицательные электроны, идущие от источника питания, а электроны в n-типе получат свои атомы, пришедшие также с источника). Такое положение называется не пропускным или включение в обратном направлении.
Так и на электронных лампах, на транзисторах можно собирать триггеры. Их алгоритмы работы полностью совпадают. Транзистор – полупроводниковый прибор, имеющий три вывода.
В основном, различают биполярные и полевые транзисторы, обладающие разной структурой. Наиболее распространены биполярные транзисторы со структурой n-p-n. Внешние слои называются эмиттером и коллектором, а средний – базой. Можно провести аналогию с электронной лампой: база – управляющая сетка, эмиттер – катод, коллектор – анод.

Устройство ввода – устройство чтения с перфокарт или перфолент. Для записи на перфоленту используются телетайпы (электромеханический прибор, преобразующий символьный текст программы в последовательность пробитых или не пробитых мест на перфокарте или перфоленте). Для ввода данных использовались считыватели с перфоленты, принцип действия которых основан на световых лучах (пробито отверстие – свет от излучатели попал на фотоприёмник – получен 1, не пробито – свет не прошёл – получен 0).

Память только оперативная (после выключения питания, её содержимое стиралось) - на магнитных ключах. Магнитный ключ состоит из сердечника – ферритового кольца и обмотки. Если подать импульс электрического тока по входной обмотке, то в сердечнике возникнет магнитное поле. Для считывания мпульс надо подать ещё раз. При этом сердечник перемагнитится, и одновременно возникнет электрическое поле, которое по выходной обмотке «пронесёт» импульс считанной единицы. Однако, одновременно сотрётся и бит информации, хранимый на катушке. [ссылка]

Оперативная память на ферритовых кольцах

ЭВМ 3-его поколения: 70е годы

Что такое мэйнфрейм? Это большой зал, заставленный шкафами гудящего и стрекочущего оборудования. Это множество людей, снующих туда-сюда с распечатками, перфокартами, магнитными лентами и паяльниками. А что такое мини-ЭВМ? То же, но в миниатюре: комнатка, стойка в две-три секции, рядом дисплей, иногда поодаль еще парочка экранов, принтер. И никаких тебе фальш-полов с кабельной разводкой и стационарных систем вентиляции-охлаждения — провода проброшены прямо по полу, а в окно врезан комнатный кондиционер. Мини-ЭВМ по сравнению с мэйнфреймом беднее, меньше и дешевле. Последнее обстоятельство и погубило машины ЕС: настоящими мэйнфреймами, одновременно обслуживающими сотни или хотя бы десятки пользователей, они стать не смогли, а обслужить двоих-троих с успехом могла относительно дешевая СМ или «Электроника»…

Существенно полегчало снаряжение программиста. Когда приходилось тащить на себе диски, то это были не тяжеленные ЕС-овские, а куда более легкие и компактные дисковые кассеты. Из сумки исчезли перфокарты. Все мини-машины были оснащены дисплеями и бумажные средства общения с компьютером ушли из нашей жизни.

С массовым внедрением мини-ЭВМ связано и явление «обезлюдивания» вычислительных центров. В машинном зале мэйнфрейма днем толклась уйма народу: операторы ЭВМ, бригада электронщиков, программисты, работники эксплуатационных служб АСУ, операторы подготовки данных, ответственные за контроль информации, архивирование, системную поддержку. А теперь посмотрим, что делается на мини-машине. В комнатушке уткнулись в экраны два программера да из-за стойки торчат ноги электронщика. А когда программеры написали свои программы и их стали применять, то ничего не изменилось: в комнатушке уткнулись в экраны два инженера-расчетчика, а из-за стойки, по-прежнему, торчат ноги электронщика. И посредники между компьютером и конечным пользователем стали не нужны! С переходом на малые машины теряло смысл само понятие вычислительного центра как самостоятельной организационной структуры, отдельного помещения или здания. Недаром мини-ЭВМ назывались средствами автоматизации уровня отделов, лабораторий, рабочих групп. Их можно было запросто поднять на нужный этаж, поставить в лаборатории, в закутке рядом с бухгалтерией. Можно было даже установить дисплей прямо на рабочее место. 

 Воспоминания советского еврея-программиста

Элементная база ЭВМ третьего поколения — интегральные схемы. Интегральная схема это электронная схема, изготовленная (вытравленная) на полупроводниковом кристалле. Первая интегральная схема представлена в 1961 фирмой Fairchild Semiconductor – содержит четыре транзистора и другие компоненты, умещающиеся на кристалле площадью 5…10 мм². На интегральной схеме могут быть расположены транзисторы и сопротивления.
Постепенно размер кристалла увеличивался, а на нём умещалось всё больше элементов. Так появилась БИС (большая интегральная схема), содержащая до 10 тыс. элементов. Следующим шагом развития стали СБИС (сверх большие интегральные схемы), содержащие около 100 тыс. элементов.

График изменения количества транзисторов в процессоре с течением времени

В 1965 Гордон Мур (один из основателей Intel) предположил, что количество транзисторов на микросхеме будет в среднем удваиваться каждые 24 месяца.

Тед Хофф

Микросхема i4004

15 ноября 1977 корпорация Intel представляет миру первый микропроцессор Intel 4004 — СБИС, содержащую процессор (регистры, АЛУ, блок управления). Площадь его кристалла 12 мм², технические нормы 10 мкм, содержит 23000 биполярных транзисторов. Максимальная тактовая частота 750 кГц. Авторство принадлежит Теду Хоффу.

В качестве постоянного запоминающего устройства (ПЗУ, ROM — «Read only memory») используется принцип пропускания или не пропускания электрического сигнала. Простейший пример – PROM (память, которая программируется, записывается, один раз) содержит перемычки, которые при пропускании большого тока испаряются. Более сложный, но и надёжный пример – EPROM. В ней используется специальный тип полевых транзисторов (транзисторы с плавающим затвором), который меняет свою структуру при пропускании тока, большего чем используется в цифровых схемах. Для стирания записанных данных, необходимо облучить кристалл ультрафиолетом, который рассеивает заряд, хранящийся в транзисторе и изменяет его структуру на начальную, нейтральную.

Сменное магнитное запоминающее устройство использует эффект постоянства направления магнитных линий после намагничивания. Головка записи намагничивает участок магнитной поверхности носителя: часть магнитной ленты, магнитного барабана, магнитного диска (жёсткого или гибкого). После чего намагниченное состояние этого участка остаётся до тех пор, пока на него не начнут воздействовать магнитным полем. Толщина магнитного слоя на поверхности очень мала, основную толщину составляет подложка (пластик или металл).

Жесткие магнитные диски

Гибкие магнитные диски: 3,5" 5,25" и 8"

Оперативная память (Random Access Memory, RAM) бывает двух типов: динамическая или статическая.
На кристалле микросхемы динамической оперативной памяти (DRAM) расположено поле ячеек, состоящих из транзистора и конденсатора. Конденсатор сохраняет данные некоторое время, после чего разряжается и возникает опасная ситуация – возможна потеря данных. Чтобы избежать этого, используются специальные схемы регенерации памяти, подающая ток на конденсаторы.

Элемент динамической памяти

Статическая оперативная память (SRAM) основана на триггерах, поэтому содержит больше элементов на ячейку памяти (4 транзистора), однако не требует схем регенерации и работает с большой скоростью.

Элемент статической памяти

P.S.

Так же выделяются четвертое и пятое поколения ЭВМ. Считается, что четвертое поколение ЭВМ основано на микропроцессорах, а пятое только грядет. Когда-то инженеы грезили о био-электронных компьютерах пятого поколения, однако этот рубеж еще не достигнут.