"Информатика (базовый уровень)", Угринович Н.Д.
Электронные вычислительные машины автоматически обрабатывают информацию, выполняя вычисления и управляющие операции. Их развитие связано прежде всего со сменой элементной базы: электронные лампы уступили место транзисторам, затем интегральным схемам и микропроцессорам. Каждый переход позволял уменьшать размеры машин, повышать быстродействие и надёжность, снижать энергопотребление и расширять круг пользователей. По этим изменениям выделяют поколения ЭВМ — так удобнее проследить, как вычислительная техника превратилась из громоздких машин в компактные компьютеры.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электронная вычислительная машина (ЭВМ) — устройство для автоматической обработки информации. В электронной машине вычисления выполняются с помощью электронных компонентов, а не только механических деталей и движущихся частей. Это отличие позволило значительно ускорить операции и поручить машине выполнение последовательности команд без постоянного ручного вмешательства. Поэтому ЭВМ стали использовать для решения задач, где человеку пришлось бы долго обрабатывать большой объём данных.
Поколение ЭВМ — этап развития вычислительной техники, связанный с изменением её элементной базы и технических возможностей. Под элементной базой понимают компоненты, из которых построены электронные схемы машины. Сравнивая поколения, можно понять, почему со временем компьютеры становились компактнее и быстрее. Дата создания сама по себе не объясняет, к какому поколению относится машина.
Интегральная схема — электронное устройство, в котором множество компонентов размещено на одном полупроводниковом кристалле. Полупроводниковый кристалл — основа, на которой создают взаимосвязанные электронные элементы схемы. Их объединение уменьшает число отдельных деталей и соединений, требующих места. Благодаря этому в небольшой области можно разместить более сложную электронную систему.
Микропроцессор — устройство, выполняющее основные операции обработки данных и управления компьютером. Он принимает команды, обрабатывает данные и координирует работу других частей системы. Микропроцессор важен потому, что его компактность позволила создавать вычислительные устройства небольшого размера. Однако сам по себе он не является всем компьютером: для работы нужны и другие компоненты.
Механические и электромеханические вычислительные устройства выполняли операции с помощью деталей, которые перемещались или переключались. Скорость таких операций зависела от физических механизмов, а обработка больших объёмов информации требовала много времени и действий. Электронные компоненты переключаются без перемещения крупных механических частей, поэтому операции можно выполнять быстрее. Когда последовательность действий задаётся программой, машина автоматически обрабатывает данные, что особенно полезно для повторяющихся расчётов.
Первые электронные ЭВМ использовали электронные лампы. Лампы занимали много места и выделяли значительное количество тепла, поэтому машинам требовались крупные корпуса и системы охлаждения. Транзисторы выполняли сходные функции, но были значительно меньше и потребляли меньше энергии. В результате машины стали компактнее, реже нуждались в ремонте и могли надёжнее работать в течение длительного времени.
Следующий шаг был связан с интегральными схемами. Если компоненты размещать по отдельности, каждому нужны место и соединения с другими деталями, а большое число соединений усложняет и увеличивает устройство. В интегральной схеме множество элементов создают на одном полупроводниковом кристалле, поэтому их можно разместить плотнее. Уменьшение расстояний между компонентами также ускорило прохождение сигналов, а производители смогли создавать более сложные ЭВМ меньшего размера.
Размещение множества электронных элементов в виде интегральных схем подготовило почву для микропроцессора. Основные вычислительные и управляющие функции удалось объединить в компактном устройстве, а не распределять по громоздким блокам. Это сделало возможным выпуск небольших компьютеров, рассчитанных на одного пользователя. По мере снижения размеров и стоимости вычислительная техника перестала быть доступной только крупным организациям и стала распространяться в быту, учёбе и работе.
Смена элементной базы меняла сразу несколько характеристик машины, потому что размеры и свойства компонентов влияют на конструкцию и работу всей системы. Более компактные элементы требовали меньше места и энергии, а более надёжные уменьшали число отказов. Ускорение электронных операций повышало быстродействие, то есть количество операций, выполняемых за определённое время. Поэтому поколения различаются не только внешним видом машин: менялись задачи, которые ЭВМ могли решать, и круг людей, способных ими пользоваться.
| Поколение | Основная элементная база | Размеры и надёжность | Быстродействие и применение |
|---|---|---|---|
| Первое | Электронные лампы | Крупные машины; сравнительно низкая надёжность | Вычисления для научных и технических задач; быстродействие выше, чем у механических устройств |
| Второе | Транзисторы | Размеры и энергопотребление уменьшились; надёжность повысилась | Более быстрые машины для научных, инженерных и управленческих расчётов |
| Третье | Интегральные схемы | Компоненты размещаются плотнее; машины становятся компактнее и надёжнее | Возросли быстродействие и сложность решаемых задач; расширилось применение |
| Четвёртое | Микропроцессоры | Компактные устройства; высокая надёжность | Персональные компьютеры и широкое применение в работе, учёбе и быту |
Пользуясь таблицей, сначала найдите элементную базу машины, а затем сопоставьте её с поколением. После этого проверьте вывод по размерам, надёжности и типичным задачам. Характеристики показывают общую тенденцию развития, а не гарантируют, что любая машина одного поколения была одинаковой.
Задача 1. Распределите электронные лампы, транзисторы, интегральные схемы и микропроцессоры по поколениям ЭВМ. Решение: 1) Вспомним основной признак классификации — элементную базу, а не даты появления машин. 2) Первое поколение связываем с электронными лампами, а второе — с транзисторами. 3) Интегральные схемы относим к третьему поколению, а микропроцессоры — к четвёртому. Ответ: первое — электронные лампы; второе — транзисторы; третье — интегральные схемы; четвёртое — микропроцессоры.
Задача 2. Сравните ЭВМ на электронных лампах и транзисторах по размерам, надёжности и энергопотреблению. Решение: 1) Уточним, что сравниваем машины двух поколений, различающиеся главной элементной базой. 2) Электронные лампы крупнее транзисторов и требуют больше энергии, а также выделяют больше тепла. 3) Из-за этих свойств ламповые машины получались громоздкими, и отдельные элементы чаще требовали обслуживания. 4) Транзисторы компактнее, поэтому транзисторные ЭВМ стали меньше, экономичнее и надёжнее. Ответ: по всем трём указанным признакам машины на транзисторах превосходили ламповые.
Задача 3. Машина использует микропроцессор, имеет небольшие размеры и предназначена для индивидуальной работы. Определите этап развития и обоснуйте ответ. Решение: 1) Сначала отметим главный признак — микропроцессор как элементную основу. 2) Сопоставим его с поколениями: он характерен для четвёртого поколения. 3) Проверим вывод по двум дополнительным признакам: компактность и индивидуальное использование соответствуют распространению персональных компьютеров. 4) Не будем считать, что одного размера достаточно для классификации: небольшое устройство может иметь разные характеристики, а здесь признаки совпали. Ответ: это машина четвёртого поколения, поскольку она использует микропроцессор и предназначена для персональной работы.
Ошибка: считать, что поколения различаются только датами. Так думают, потому что исторические периоды часто связывают с годами появления новых машин. Но основной критерий — элементная база и обусловленные ею технические возможности. Проверьте себя: сможете ли вы назвать компоненты, характерные для каждого поколения?
Ошибка: путать транзистор с интегральной схемой. Путаница возникает потому, что оба понятия относятся к электронной технике и связаны с развитием компонентов. Транзистор — отдельный электронный компонент, а интегральная схема объединяет множество компонентов на одном кристалле. Для проверки определите, говорится ли об одном элементе или об их объединении.
Ошибка: думать, что новое поколение сразу полностью заменяло старые машины. Такое впечатление возникает, если представлять развитие техники как мгновенную смену одного устройства другим. На практике организации продолжали использовать работающие машины, а новая техника распространялась постепенно. Проверьте себя: могли ли старые и новые ЭВМ некоторое время применяться одновременно? Да, могли.
Ошибка: отождествлять микропроцессор со всем компьютером. Это происходит потому, что микропроцессор выполняет важнейшие вычислительные и управляющие функции. Но компьютер также включает память, устройства ввода и вывода и другие компоненты. Чтобы проверить себя, спросите, может ли процессор самостоятельно хранить все нужные данные и взаимодействовать с пользователем без остальной системы.
Для понимания темы полезно знать назначение компьютера, основы представления информации и общее устройство вычислительной системы. Эти знания помогают увидеть, какие данные обрабатывает ЭВМ и какую роль в этом играют её части. Изучение элементной базы, в свою очередь, объясняет развитие современных компьютеров и микропроцессоров. Оно также помогает понять, как компактные вычислительные устройства стали основой сетевого оборудования и компьютерных сетей.
По какому признаку определяют поколение ЭВМ?
Главный признак — элементная база, то есть компоненты, на которых построена машина. С её изменением менялись размеры, быстродействие, надёжность и области применения ЭВМ.
Чем транзисторные машины отличались от машин на электронных лампах?
Транзисторные машины были компактнее, потребляли меньше энергии и реже выходили из строя. Это стало возможным, потому что транзисторы меньше и надёжнее электронных ламп.
Почему интегральные схемы стали важным этапом развития компьютеров?
Интегральная схема объединяет множество электронных компонентов на одном полупроводниковом кристалле. Благодаря этому схемы стали компактнее, а компьютеры — быстрее и сложнее.
Что изменилось с появлением микропроцессора?
Основные операции обработки данных и управления компьютером стало возможно выполнять с помощью одного компактного устройства. Это способствовало созданию небольших компьютеров для индивидуальной работы и широкому распространению вычислительной техники.
Почему поколения ЭВМ не всегда сменяли друг друга мгновенно?
Новые машины не сразу могли заменить все старые: учреждения продолжали использовать уже установленную технику. Кроме того, разные типы ЭВМ могли подходить для разных задач и некоторое время существовали одновременно.
1.1.1. Развитие электронной вычислительной техники
