Урок 7. Электронный этап развития ЭВМ

Урок 7. Электронный этап развития ЭВМ.

Цель: познакомить учащихся с видами вычислительной техники на электронном этапе, с изобретателями устройств.

Ход урока:

I.  Организационный момент.

II.  Повторение изученного материала.

Задание 1. Назовите представленные приспособления для счета ручного этапа развития ВТ.

А Б

(А — саламинская доска; Б — абак, В — кипу, Г— палочки Непера, Д — русские счеты.)

Задание 2. Перед вами таблица. Соотнесите даты и устройства, а также назовите, кто являлся изобретателем данного устройства.

Годы	Изобретение
1624	«Паскалииа»
1642	Перфокарта
1673	Механический калькулятор
1804	«Часы для счета»
1820	«Ступенчатый вычислитель»
1822	Арифмометр
1880	Разностная машина

(Ответ: 1624 г. - «Часы для счета», Вильгельм Шиккард. 1642 г. — «Паскалина», Блез Паскаль. 1673 г. — «Ступенчатый вычислитель», . 1804 г. - перфокарта. Мари Жозеф Жаккар. 1820 г. - механический калькулятор. Чарльз Ксавьер Томас. 1822 г. — разностная машина, Чарльз Бэббидж. 1880 г. - арифмометр, Вильгодт Теофилович Однер.)

Задание 3. Вспомните, о чем говорят две даты электромеханического этапа развития ВТ:

•  1884 г. (Герман Холлерит создает статистический табулятор.)

•  1944 г. (Создание Mark-1 Эйкеном.)

III.  Теоретический материал урока.

(Метод объяснительно-иллюстративный, для этого лучше предварительно создать презентацию «Поколения ЭВМ».)

Больше 60 лет прошло с тех пор, как появилась первая ЭВМ. За этот короткий для развития общества период сменилось несколько поколений ЭВМ, а первые ЭВМ являются музейной редкостью. Чтобы показать стремительный рост в развитии вычислительной техники, английская писательница и журналистка Ж. Мегарри приводит любопытный пример: «Если бы автомобилестроение развивалось так же быстро, как и компьютерная индустрия с 1946 г., то "роллс-ройс":

•  стоил бы сейчас столько, сколько стоит обычная книга;

•  был бы мощнее самого большого в мире электровоза;

•  был бы способен объехать вокруг света 3000 раз на одной заправке топливного бака;

•  был бы так мал, что восемь машин можно было бы припарковать на стоянке, не превосходящей по площади точку, которой заканчивается это предложение».

Под поколением ЭВМ понимают все типы и модели вычислительных машин, разработанные различными конструкторскими коллективами, но построенные на одних и тех же научных и технических принципах. Что же является определяющим признаком при отнесении ЭВМ к тому или иному поколению? Это прежде всего:

•  элементная база, т. е. из каких в основном элементов они построены;

•  важнейшие характеристики: быстродействие, объем оперативной памяти, программное обеспечение, устройства ввода-вывода.

Деление ЭВМ на поколения условное. Существует немало моделей, которые по одним признакам относятся к одному, а по другим - к другому поколению.

Итак, I поколение ЭВМ - ЭВМ, сконструированные в 1946-1955 гг. Что к ним относится?

Первая электронная английская ЭВМ Colossus (1943). На этой машине успешно расшифровывались секретные послания немцев (зашифрованные на Enigma и машине Лоренца) во время Второй мировой войны.

ENIAC (Electronic Numerical Integrator, Analyzer and Computer) — первый электронный цифровой компьютер, США, 1946 г. Это детище Джона Уильяма Маучли и Дж. Преспера Эккерта-младшего было поистине чудовищем. Компьютер был более 3 м высотой и занимал более 100 кв. м площади, весил порядка 30 т, и использовал болеерезисторов,конденсаторов, 6000 переключателей иэлектронных ламп. Окончательный вариант работающей машины потреблял 150 кВт, чего было достаточно для работы небольшого завода или освещения небольшого города. Одной из важнейших проблем электронно-ламповых компьютеров была надежность работы. Так вот: 90% времени простаивания ENIAC занимали нахождение и замена перегоревших электронных ламп. Записи 1952 г. показывают, что ;примерноэлектронных ламп пришлось заменить в течение года, что в среднем составляет 50 ламп в день.

В 1949 г. Морис Уилксом (Англия) создает первый компьютер EDVAC. Это универсальная ЭВМ с хранимыми в памяти программами, которая положила начало первому поколению универсальных цифровых электронно-вычислительных машин. Хотя первым разработанным компьютером с хранимой программой был EDVAC (1946), но по разным причинам он заработал лишь в 1952 г.

Первым компьютером с хранимой программой стал европейский электронный компьютер EDSAC-UNIVAC. Это к тому же был первый коммерческий (продаваемый) компьютер. Он был создан в 1951 г. Разработчики: Маучли и Эккерт.

В 40—50-х гг. ЭВМ были огромны и примитивны. В качестве элементной базы использовались электронные лампы и реле; оперативная память — на триггерах, позднее — на ферритовых сердеч­никах; быстродействие — в пределах 5—30 тыс. арифметических операций в секунду. Программирование для таких ЭВМ велось в машинных кодах, позднее появились автокоды и ассемблеры. Использовались для научно-технических расчетов.

А как обстояли дела с компьютерами у нас? выдвинул, обосновал и реализовал в первой советской машине принципы построения ЭВМ с хранимой в памяти программой независимо от Джона фон Неймана.

«Модель электронной счетной машины» (МЭСМ) — так называлось детище Лебедева и сотрудников его лаборатории (впоследствии ее переименовали в малую электронную счетную машину). Машина занимала целое крыло двухэтажного здания и состояла из 6 тыс. электронных ламп. Ее проектирование, монтаж и отладка были выполнены в рекордно короткий срок — за 2 года силами всего лишь 12 научных сотрудников и 15 техников.

БЭСМ-1 - Большая электронная счетная машина (1952—1953).

«Стрела» — первая серийная советская ЭВМ, была создана в 1953 г.

Компьютер Whirlwind — первый цифровой компьютер, разработанный специально для работы в режиме реального времени (1949—1951). Whirlwind мог выполнять до сложений иумножений в секунду. Этот компьютер состоял из 3380 электронных ламп и 8999 кристаллических диодов; занимал 256 кв. м. Его память, состоящая из 2битных слов на электронных трубках, наносила ежемесячный ущерб при эксплуатации на суммудолларов на замену перегоревших ламп. В 1952—1953 гг. этот тип памяти был заменен на память на магнитных сердечниках (первое применение магнитных сердечников в качестве компьютерной памяти). Имелось графическое устройство ввода-вывода на электронно-лучевой трубке (но только одна точка могла отображаться на экране в каждый момент времени). Но и это позволяло использовать этот компьютер для управления воздушным движением.

Итак, каковы характерные черты компьютеров I поколения?

•  Элементная база - электронно-вакуумные лампы.

•  Соединение элементов - навесной монтаж проводами.

•  Габариты — ЭВМ выполнена в виде громадных шкафов. Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами, которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства. Лампы потребляли большое количество электроэнергии и выделяли много тепла.

•  Быстродействие — 10—20 тыс. операций в секунду.

•  Эксплуатация — сложная из-за частого выхода из строя электронно-вакуумных ламп.

•  Программирование — машинные коды. При этом надо знать все команды машины, двоичное представление, архитектуру ЭВМ. В основном были заняты математики-программисты. Обслуживание ЭВМ требовало от персонала высокого профессионализма.

•  Оперативная память — до 2 Кбайт.

•  Данные вводились и выводились с помощью перфокарт, перфолент.

Давайте, ребята, подведем итог по I поколению ЭВМ.

1. Трудоемким и малоэффективным, с точки зрения современного пользователя, был процесс общения человека с машиной первого поколения. Как правило, сам разработчик, написавший программу в машинных кодах, вводил ее в память ЭВМ с помощью перфокарт и затем вручную управлял ее выполнением. Электронный монстр на определенное время отдавался в безраздельное пользование программисту, и от уровня его мастерства, способности быстро находить и исправлять ошибки и умения ориентироваться за пультом ЭВМ во многом зависела эффективность решения вычислительной задачи.

2. Ориентация на ручное управление определяла отсутствие каких бы то ни было возможностей буферизации программ. Но зато было чувство небывалого единения с машиной, которое затем было на длительный период утрачено и возродилось только с появлением персональных компьютеров.

3. Элементная база первых вычислительных машин — электронные лампы — определяла их большие габариты, значительное энергопотребление, низкую надежность и как следствие небольшие объемы производства и узкий круг пользователей, главным образом из мира науки и военных:

4. В таких машинах практически не было средств совмещений операций выполняемой программы и распараллеливания работы различных устройств; команды выполнялись одна за другой, АЛУ простаивало в процессе обмена данными с внешними устройствами, набор которых был очень ограниченным.

А теперь возьмите форму таблицы «Поколения ЭВМ». Заполним 1-ю строку этой таблицы.

(Заполнение таблицы.)

Переходим ко II поколению ЭВМ. Это ЭВМ, сконструированные в 1955—1965 гг. К этому времени был создан транзистор. В 1948 г. Джон Бардин, Уильям Шокли, Уолтер Браттейн изобрели транзистор, за что получили Нобелевскую премию в 1956 г.

В 1955 г. создана первая ЭВМ на транзисторах — TRADIC. Этот компьютер фирмы Bell Telephone Laboratories вместо электронных ламп содержал 800 транзисторов, каждый из которых был заключен в отдельный корпус. Транзисторы — совершенно не нагревающиеся при работе, высокоэффективные усиливающие устройства, разработанные в Bell Telephone Laboratories, позволили свести потребляемую мощность машины к 100 Вт, или 1/20 мощности, требуемой компьютеру на электронно-вакуумных лампах. Один транзистор заменял 40 электронных ламп, был намного дешевле и надежнее. И занимала эта ЭВМ объем всего 3 куб. фута.

1958 г. — создана машина М-20, выполнявшая 20 тыс. операций в секунду. Это была самая мощная ЭВМ 50-х гг. в Европе.

1963 г. — сотрудник Стэнфордского исследовательского центра Дуглас Энгельбарт продемонстрировал работу первой мыши.

1959 г., США - создана ЭВМ второго поколения RCA-501.

1960г.-IBM7090, LARC.

1961 - Stretsh.

1962-ATLAS.

В СССР ЭВМ второго поколения были представлены такими машинами, как «Раздан», «Наири», «Мир», «Минск», «Урал-11», М-220, БЭСМ-4, М-4000.

Каковы характерные черты компьютеров II поколения?

• Элементная база — полупроводниковые элементы (транзисторы, диоды).

•  Соединение элементов — печатные платы и навесной монтаж. Печатные платы представляли собой пластины из изолирующего материала, на который наносился токопроводящий материал. Для крепления транзисторов имелись специальные гнезда.

•  Габариты — ЭВМ выполнена в виде однотипных стоек, чуть выше человеческого роста. Для размещения требовался специальный машинный зал. ЭВМ делятся на малые, средние, большие и специальные.

•  Быстродействие — до 3 операций в секунду.

•  Эксплуатация - вычислительные центры со специальным штатом обслуживающего персонала. Появилась новая специальность — оператор ЭВМ.

•  Программирование — на алгоритмических языках, появление первых операционных систем, АСУ, диспетчеров.

•  Оперативная память — до 512 Кбайт.

•  Введен принцип разделения времени — совмещение во времени работы разных устройств, например одновременно с процессором работает устройство ввода-вывода с магнитной ленты. Принцип управления стал микропрограммным, и в возникла необходимость наличия ЭВМ постоянной памяти, в ячейках которой присутствуют коды, соответствующие управляющим сигналам.

• Недостаток — несовместимость программного обеспечения.

Теперь подробнее о разработках наших ученых. Лучшая советская ЭВМ — БЭСМ-6 (1967). БЭСМ-6 по элементной базе (транзисторной) относится ко II поколению. Но многие принципы ее структурной организации были революционными для своего времени и предвосхищали архитектурные особенности машин III поколения. Она явилась первым в СССР мэйнфреймом — ЭВМ с производительностью 1 млн флоп/с. Новые принципы, заложенные в архитектуру, структурную организацию машины и ее программное (тогда оно называлось математическим) обеспечение, повлияли на создание многих ЭВМ и вычислительных комплексов следующих поколений. БЭСМ-6 была построена на элементной базе транзисторных переключателей тока и диодно-резисторной комбинаторной логики и ферритовой памяти.

Подведем итог по II поколению ЭВМ.

1.  Для машин этого поколения очень актуальной становилась задача автоматизации программирования, поскольку увеличивался разрыв между временем на разработку программ и непосредственно временем счета.

2.  Второй этап развития вычислительной техники конца 50-х — начала 60-х гг. характеризуется созданием развитых языков программирования (Алгол, Фортран, Кобол и другие языки программирования высокого уровня) и освоением процесса автоматизации управления потоком задач с помощью самой ЭВМ, т. е. разработкой операционных систем. Первые ОС автоматизировали рзаботу пользователя по выполнению задания, а затем были созданы средства ввода нескольких заданий сразу (пакета заданий) и распределения между ними вычислительных ресурсов.

3.  Появился мультипрограммный режим обработки данных. Структурные изменения машин II поколения — появление возможности совмещения операций ввода-вывода с вычислениями в центральном процессоре, увеличение объема оперативной и внешней памяти, использование алфавитно-цифровых устройств для ввода и вывода данных.

4.  «Открытый» режим использования машин I поколения сменился «закрытым», при котором программист уже не допускался в машинный зал, а сдавал свою программу на алгоритмическом языке оператору ЭВМ, который и занимался ее дальнейшим пропуском на машине.

5.  ЭВМ становились более доступными, расширялась область их применения, и наряду с задачами вычислительными появлялись задачи, связанные с обработкой текстовой информации. их решение стало возможным благодаря появлению команд, оперирующих символами.

6.  Тогда же появились 8-разрядный байт, байтовая структура ОП, более удобная для работы с текстами. Машины II поколения имели гораздо большую разрядность, например в БЭСМ-6 было 8 разрядов.

А теперь заполним 2-ю строку таблицы «Поколения ЭВМ».

III поколение ЭВМ — ЭВМ, сконструированные в 1965—1975 гг. Какие события произошли в это время?

1958 г. — Джек Килби и Роберт Нойс, независимо друг от друга, изобретают интегральную схему (ИС).

1961 г. — в продажу поступила первая выполненная на пластине кремния интегральная схема.

1965 г. — начат выпуск семейства машин III поколения IBM-360 (США). Модели имели единую систему команд и отличались друг от друга объемом оперативной памяти и производительностью.

1967 г. — начат выпуск БЭСМ-6 (1 млн операций в 1 с) и «Эльбрус» (10 млн операций в 1 с).

1969 г. — фирма IBM разделила понятия аппаратных средств (hardware) и программные средства (software). Фирма начала продавать программное обеспечение отдельно от «железа», положив начало индустрии программного обеспечения.

29 октября 1969 г. — проверка работы самой первой глобальной военной компьютерной сети ARPANet, связывающей исследовательские лаборатории на территории США. Другими словами, 29 октября — день рождения Интернета.

1971 г. — создание первого микропроцессора фирмой Intel. На одном кристалле сформировали 2250 транзисторов.

1958 г. — Джек Килби придумал, как на одной пластине разместить несколько транзисторов.

1959 г. — Роберт Нойс сконструировал первые чипы (интегральные схемы).

К ЭВМ III поколения можно отнести PDP-8 (первый мини-компьютер, был создан в 1965 г. и стоил 20 тыс. $), PDP-11,В-3500, серию ЕС-ЭВМ.

Какие мы можем назвать характерные черты ЭВМ III поколения?

•  Элементная база — интегральные схемы, частично — БИС.

•  Соединение элементов — печатные платы.

•  Габариты — ЭВМ делятся на большие, средние, мини и микро.

•  Быстродействие — до 30 млн операций в секунду.

•  Эксплуатация — вычислительные центры, дисплейные классы. Новая специальность — системный программист.

•  Программирование — алгоритмические языки (ПЛ-1, Алгол, Кобол и др.), операционные системы. Появляются возможности мультипрограммирования и управления ресурсами (периферийными устройствами), самой аппаратной частью ЭВМ или непосредственно операционной системой.

•  Программное обеспечение ЭВМ усложняется за счет появления ОС, ППП, СУБД, САПР.

•  Оперативная память — 16 Мбайт.

•  Введены принцип разделения времени, принцип микропрограммного управления, принцип модульности. ЭВМ состоит из набора модулей: конструктивно и функционально законченных блоков в стандартном исполнении. Принцип магистральности — способ связи всех модулей ЭВМ: входные и выходные устройства соединены одинаковыми проводами (шинами). Появление магнитных дисков, дисплеев, графопостроителей.

В конце 70-х гг. был накоплен достаточный опыт по производству ЭВМ. В этот момент делается решительный шаг от многообразия к унификации, от моделей с различными принципами организации к серии машин единой архитектуры и разной производительности. В качестве образца такой единой серии выбирается архитектура мэйнфреймов IBM 360. Этот поворотный момент в истории советской вычислительной техники трактуется по-разному, в том числе, как начало ее конца.

Давайте подведем итог по III поколению ЭВМ — заполним 3-ю строку таблицы «Поколения ЭВМ».

(Заполняют таблицу.)

Теперь о IV поколении ЭВМ — это ЭВМ, сконструированные начиная с 1975 г. и кончая 90-ми гг. Какие исторические вехи необходимо обозначить?

1975 г. — IBM первой начинает промышленное производство лазерных принтеров.

1976 г. — фирма IBM создает первый струйный принтер.

1976 г. — создание первой ПЭВМ. Молодые американцы Стив

Джобе и Стив Возняк организовали предприятие по изготовлению персональных компьютеров Apple, предназначенных для большого круга непрофессиональных пользователей. Продавался Apple-1 по весьма интересной цене — 666,66 доллара. За 10 месяцев удалось реализовать около 200 комплектов.

1976 г. — появилась первая дискета диаметром 5,25 дюйма. Говорят, что ее размеры соответствуют размерам салфеток для коктейля, которыми пользовались разработчики, обсуждавшие детали нового проекта в одном из бостонских баров.

1982 г.— фирма IBM приступила к выпуску компьютеров IBM PC с процессором Intel 8088, в котором были заложены принципы открытой архитектуры, благодаря которым каждый компьютер может собираться как из кубиков, с учетом имеющихся средств и с возможностью последующих замен блоков и добавления новых.

1983 г. — выпущен компьютер IBM PC XT с жестким диском.

1985 г. - начат выпуск ПК IBM PC AT.

1988 г. — был создан первый вирус — «червь», поражающий электронную почту.

1993 г. — выпуск компьютеров IBM PC с процессором Pentium.

Каковы же характерные черты компьютеров IV поколения?

•  Элементная база — большие интегральные схемы (БИС) и сверхбольшие интегральные схемы (СБИС).

•  Соединение элементов — печатные платы.

•  Габариты — компактные ЭВМ, ноутбуки. Парк машин IV по­коления можно разделить на микро-ЭВМ, ПК, мини-ЭВМ, ЭВМ общего назначения, специальные ЭВМ, суперЭВМ.

•  Быстродействие — 10—100 млн операций в секунду.

•  Эксплуатация — многопроцессорные и многомашинные комплексы, любые пользователи ЭВМ.

•  Программирование — базы и банки данных.

•  Оперативная память — 16 Мбайт и более.

• Телекоммуникационная обработка данных, объединение в компьютерные сети.

Давайте с вами подведем итог по IV поколению ЭВМ и заполним 4-ю строку таблицы «Поколения ЭВМ».

(Заполняют вместе таблицу.)

И наконец, поговорим о V поколении ЭВМ — это разработки, которые ведутся с 90-х гг. XX в. Элементной базой являются сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) с использованием оптоэлектронных принципов (лазеры, голография).

В компьютерах V поколения происходит качественный переход от обработки данных к обработке знаний, создание экспертных систем.

Архитектура будет содержать два блока:

•  традиционный компьютер;

•  интеллектуальный интерфейс, задача которого — понять текст, написанный на естественном языке и содержащий условие задачи, и перевести его в работающую программу для компьютера.

А что будет дальше? Будут ли это компьютеры VI поколения (биокомпьютеры)? Или квантовые компьютеры? Поживем — увидим...

А пока подведем итог по V поколению ЭВМ - заполним 5-ю строку нашей таблицы.

(Заполняют таблицу.)

Заполненный вариант таблицы

Поколение	Период, годы	Элементная база	Быстро- действие	Объем ОП	Устройства ввода\вывода	Программное обеспечение	Примеры ЭВМ
I	1946-1955	Электронно-вакуумные лампы	10-20 тыс. операций в секунду	До 2 Кбайт	Перфокарты, перфоленты	Машинные коды	Colossus, ENIAC, EDVAC, EDSAC, UNIVAC МЭСМ, БЭСМ-1, Whirlwind
II	1955-1965	Полупрово- дниковые элементы (транзисторы, диоды)	До 3 млн операций в секунду	До 512 Кбайт	Магнитные ленты	Алгоритмические языки (Алгол, Фортран, Кобол), появление первых ОС	RCA-501, IBM 7090, LARC, Stretsh, ATLAS, БЭСМ-6, «Раздан», «Наири», «Мир», «Минск», «Урал-11», М-220, БЭСМ-4, М-4000
III	1965-1975	Интегральные схемы	До 30 млн операций в секунду	16 Мбайт	Способ связи всех модулей ЭВМ проводами – шинами, появление магнитных дисков, дисплеев, графопостроителей	ОС, ППП, СУБД, САПР, (ПЛ-1,Алгол, Кобол и др.)	ЕС-ЭВМ, СМ-ЭВМ, IBM\360, PDP, VAX
IV	С 1975 до 90-х	БИС, СБИС	10-100 млн операций в секунду	>16 Мбайт	Телекоммуникационная обработка данных, объединение в компьютерные сети, дискеты	Базы и банки данных	IBM\370, SX-2, IBM PC\XT\AT, PS\2, Cray
V	С 90-х	СБИС с использованием оптоэлектронных принципов (лазеры, голография)	Миллиарды операций в секунду	>256 Мбайт	Интеллектуальный интерфейс, задача которого – понять текст, написанный на естественном языке и содержащий условие задачи, и перевести его в работающую программу для компьютера	Качественный переход от обработки данных к обработке знаний, создание экспериментальных систем

IV.  Домашнее задание.

1.  Ответить на вопросы для самоконтроля.

2.  Стр. 371 – 380 (читать).

V.  Список используемой литературы.

1.  Шелепаева разработки по информатике: 8-9 классы. – М.:ВАКО,2008.

2.  , Гусева и информационно-коммуникационные технологии. 8 класс. – М.:СОЛОН – ПРЕСС,2008.