Viki 2108
Добро пожаловать в Викиверситет! править
Здравствуйте, и добро пожаловать в русскоязычную часть Викиверситета! Надеемся, Вы получите большое удовольствие от участия в проекте.
Постарайтесь вначале статьи обозначить цель Вашей работы. Укажите, является ли создаваемая Вами страница учебным курсом или исследовательской работой.
Если Вы хотите написать энциклопедическую статью, то для этого есть Википедия, см. Чем не является Викиверситет.
Ознакомьтесь, пожалуйста, с вики-разметкой и принципами размещения и именования статей.
Чтобы получать актуальную информацию о событиях, происходящих в Викиверситете, Вы можете установить шаблон {{Актуально}}, например, в самое начало своей страницы обсуждения.
Иллюстрации загружайте на Викисклад, предназначенный для хранения медиафайлов вики-проектов. Прочитайте, пожалуйста, брошюру об основах иллюстрирования статей в Википедии и работе на Викискладе. Загруженные файлы на Викисклад можно будет одинаково легко использовать в Википедии и в Викиверситете.
По всем вопросам смело обращайтесь на портал сообщества или к одному из администраторов.
При этом, пожалуйста, подписывайтесь на страницах обсуждения (но не в статьях Викиверситета), используя четыре идущих подряд знака тильды (~~~~). И ещё раз — добро пожаловать! :-) вы можете убрать данный шаблон с вашей страницы обсуждения по собственному желанию
Занятие 1 Классические принципы устройства ЭВМ править
Краткая история развития вычислительной техники править
Любое упоминание о советских компьютерах вызывает у собеседника, знакомого с компьютерами не более 10 лет, усмешку: "А что, разве такие были?" Да, представьте себе, были. И не такие плохие, как это принято считать. Один из них носит гордый титул "первого советского персонального компьютера". Правда, "персональным" он по своей сути никогда не был - в Советском Союзе само слово "персональный" было не в чести. Поэтому ДВК, который в общем-то компьютером тоже никогда не назывался, официально считается просто первым советским диалоговым вычислительным комплексом (отсюда и сокращение ДВК), построенным на основе одноплатной ЭВМ.
ДВК-1 был наследником ЭВМ "Электроника 60". Эта машина в конце 1970-х годов выпускалась в Воронеже и была по своей сути точной копией микроЭВМ PDP 11/34 компании Digital. Именно эта машина послужила прототипом нашего главного героя, передав ему все родовые черты DEC. Процесс рождения первого советского компьютера был довольно сложен. Началось все с того, что на основе технологии объединения множества транзисторов в одном кристалле, использованной для создания однокристальной ЭВМ, был разработан уникальный (в том смысле, что не похожий ни на один из существующих за рубежом) 16-разрядный процессор К1801ВМ1. Это сравнительно небольшое устройство, размещенное в одном кристалле, по своим функциональным возможностям было полностью аналогично состоявшему из пяти БИС (больших интегральных схем) процессору "Электроники 60". На основе К1801ВМ1, в свою очередь, была создана одноплатная ЭВМ, которая обладала всеми возможностями своей гораздо более объемной предшественницы. Размеры этой одноплатной микроЭВМ, получившей имя "Электроника МС 1201", составляли примерно 25x30x1,2 см, а ее масса не превышала 800 г. Сконструированную одноплатную ЭВМ втиснули в корпус того, что тогда называли дисплеем (не путать с монитором) - устройство управления монитором, имевшее вид системного блока desktop. На нем, собственно, и стоял монитор. К устройству подключалась клавиатура, а все вместе - к большой ЭВМ, находившейся в соседнем зале. Таким было индивидуальное рабочее место оператора ЭВМ. Оказалось, что в корпусе дисплея есть свободное пространство, куда помещалась одноплатная ЭВМ, и ее можно было легко соединить с дисплеем. Так получился ДВК-1. Итак, ДВК-1, который сегодня бы мы называли не иначе, как персональным компьютером, появился на свет в 1982 году. Местом рождения первого советского ПК по праву считается Зеленоград.
МикроЭВМ, составлявшая основу ДВК-1 и всех последующих моделей этого семейства, была построена по принципу закрытой архитектуры, т. е., в отличие от современных компьютеров, вынуть одно из ее устройств, заменить его другим или добавить новое было довольно сложно. Например, процессор зачастую просто припаивался на предназначенное для него место. Ведь конструкторы даже не могли предположить, что пользователь захочет его заменить. Альтернативы использовавшемуся процессору не было, плата была разработана под процессор одной марки. В случае поломки пользователь должен был обращаться к изготовителю. ПЗУ, правда, заменить было легко. Именно таким образом пользователи переориентировали компьютер для выполнения разных задач (!)
Шестнадцатиразрядный процессор ДВК-1 поддерживал систему команд DEC (188 команд - на четыре меньше, чем в IBM PC). МикроЭВМ оснащалась 64 Кбайт оперативной памяти, но по техническим причинам процессор мог использовать только 52 Кбайт. Помимо СПЗУ (системное постоянное запоминающее устройство - аналог современного BIOS), первый советский ПК был оснащен ПЗУ с Бейсиком. Этот язык программирования позволял работать на компьютере в диалоговом режиме, решая определенный круг задач.
Для времени, когда появился ДВК-1, обходиться без жесткого диска было вполне естественно. Но отсутствие возможности работы с гибкими дисками (и вообще с любыми накопителями) сделало первый советский компьютер довольно неудобным. Предполагалось, что для выполнения тех или иных специальных задач машину будут комплектовать пользовательскими ПЗУ. Цена ДВК-1, как и всех последующих моделей компьютеров этой серии, составляла от 8 до 24 тысяч рублей. Поскольку в то время самый дорогой советский автомобиль стоил 10 тысяч рублей (это, конечно, официальная гос. цена), понятно, почему это устройство никак нельзя назвать персональным. Буквально сразу после появления ДВК-1 началась работа по совершенствованию этой машины. В рамках этой работы предполагалось, помимо прочего, построить в Зеленограде отдельный завод для производства компьютеров. Так началась история завода "Квант" - самого известного советского электронного предприятия.
ДВК-2, массовое производство которого началось в 1984 году на заводе "Квант", был вполне полноценной машиной. В новой модели использовался усовершенствованный процессор К1801ВМ1, который позволял полностью адресовать все 64 Кбайт оперативной памяти. К этому времени был разработан российский накопитель на гибком магнитном диске (НГД): появилась возможность хранить и переносить информацию. Для того, чтобы его использовать, был разработан простейший 40-дорожечный контроллер внешнего НГД, вошедший в состав микроЭВМ. Впоследствии его сменил 80-дорожечный контроллер, позволяющий вести запись с удвоенной плотностью. Системный блок ДВК-2 в зависимости от использовавшихся накопителей на гибких дисках занимал один или два корпуса. Причем сами накопители оставались внешними устройствами.
Вскоре была сконструирована новая машина, которая помещалась в корпус ДВК-2, но имела ряд функциональных отличий. Во-первых, блок управления дисплеем был заменен отдельной ячейкой в составе ЭВМ - цифровым дисплеем. Кроме того, совместно с МИЭТ (Московский институт электронной техники) была разработана ячейка графического дисплея. После всех этих преобразований появилась машина, в которой контроллер накопителя на гибком диске, а также графический и цифровой дисплеи были объединены на одной плате. Параллельно был налажен выпуск этой машины в виде моноблока. Такая модель ДВК выпускалась довольно долго.
Время шло, элементная база расширялась, размеры ЭВМ уменьшались. В результате на плате появилось свободное место, которое было заполнено контроллером накопителя на жестком диске, разработанном в Научном центре завода "Квант" в 1986-1987 годах. Одновременно с этим в Горьком (ныне Нижний Новгород) и Борисполе было налажено производство накопителей на жестких дисках, вошедших впоследствии в состав ДВК. При этом все компоненты удалось поместить в один корпус, правда, с большим трудом. Чуть позже Научный центр "Кванта" и МИЭТ разработали совмещенный контроллер графического и цифрового дисплея. В 1987-1988 годах появился новый процессор К1801ВМ3, который работал с 256 Кбайт или 1 Мбайт оперативной памяти.
В результате всех преобразований оказалось, что помещенный в единый корпус компьютер не выдерживает температурный режим (проще говоря, перегревается), и в 1989 году появился новый корпус компьютера. В 1990 году на производственных мощностях завода "Квант" выпускалось около 4000 ДВК в месяц. В это же время в компьютер были внесены последние усовершенствования: уменьшены габариты корпуса, разработана системная плата, на которой помещалось все, что нужно для работы машины, были предусмотрены слоты расширения оперативной памяти, появилась ячейка, которая позволяла переходить на систему IBM-совместимых компьютеров. Однако в производство все эти улучшения не пошли. Несмотря на то, что ДВК еще некоторое время продолжали производить, в 1991 году развитие этого модельного ряда, как, впрочем, и всей отечественной электронной промышленности, прекратилось.
Главными причинами прекращения производства ДВК стали, наверное, рыночные реформы и переход к капиталистической системе хозяйствования. В начале 90-х на российский рынок хлынул поток западной компьютерной техники. Советским ЭВМ было практически нереально выжить в этой неравной схватке. Хотя несмотря на то, что российский процессор уступал по производительности интеловскому i80286, использовавшемуся в компьютерах типа IBM PC/AT, в целом ДВК вполне соответствовал требованиям времени. Кроме того, компьютер был идеально защищен от вирусов за счет использования "закрытой" операционной системы. Серьезный удар по советским персональным компьютерам, как и по всей отечественной вычислительной технике, нанесло программное обеспечение. Вернее, полное его отсутствие. Похожие проблемы знакомы всем советским производителям компьютерной техники. Программное обеспечение - совершенно "не социалистический" товар. Его цену определяет рынок. Чем выше спрос, тем дороже программное обеспечение. Нет рынка - нет инструмента ценообразования. По крайней мере, в Советском Союзе такого инструмента не нашли. Каждая организация разрабатывала ПО для решения поставленных перед ней задач. Но за создание общего программного обеспечения - операционных систем и других пользовательских программ - разработчики брались крайне неохотно.
Специально для компьютеров ДВК была написана операционная система ФОДОС, которая и названием, и своим внешним видом напоминала всем известный DOS. За всю историю компьютеров ДВК было разработано только две версии этой операционной системы. Компьютеры ДВК работают и сегодня. Большинство из них установлены в школах в качестве учебного пособия. Некоторые бывшие государственные предприятия, оснащенные в свое время советскими компьютерами, до сих пор продолжают их использовать.
Кто же автор таких гениальных изобретений? В 1945 году С. А. Лебедев создает первую аналоговую вычислительную машину для решения системы обыкновенных дифференциальных уравнений. Сергей Алексеевич обладал по-настоящему большой смелостью и верил в свои силы, раз в 45 лет, будучи уже известным ученым, занялся совершенно новым направлением — созданием вычислительной техники! Увлеченность Сергея Алексеевича новым делом была такой всепоглощающей, что когда в 1948 году его пригласили выступить на Парижской международной конференции по большим электроэнергетическим системам, он, подготовив доклад «Искусственная устойчивость синхронных машин», доверил прочитать этот труд другому человеку. А сам на конференцию не поехал — настолько погрузился в разработку принципов действия электронной счетной машины.
Как известно, за рубежом принципы компьютеростроения и электронного счета разработал фон Нейман, классическая архитектура компьютера так и называется «фон Неймановская». Научный подвиг Лебедева заключается в том, что в условиях информационной замкнутости тех лет, Сергей Алексеевич пришел к тем же выводам, что и фон Нейман, но на полгода раньше. Разработанные теоретические выкладки позволили Сергею Алексеевичу перейти к практической работе. Первым значимым результатом стала Малая электронная счетная машина (МЭСМ), которая в 1951 году была принята комиссией в эксплуатацию, а в 1952 году на ней уже решались важные научно-технические задачи из области термоядерных процессов, космических полетов, ракетной техники, дальних линий передач и др. В Киеве, в Национальной академии наук Украины, где создавалась МЭСМ, сохранилась конструкторская документация и папки с материалами о первой отечественной ЭВМ, большая часть из которых составлена С.А.Лебедевым. Чьей-то заботливой рукой более 50 лет назад на них было написано: «Хранить вечно».
Параллельно с завершающим этапом работ над МЭСМ в 1950 году была начата разработка первой Большой (впоследствии переименованной в Быстродействующую) Электронно-счетной машины. Разработка БЭСМ велась уже в Москве, в лаборатории ИТМиВТ, которую возглавил С.А. Лебедев. И здесь проявился его научный талант как конструктора-практика — ведь все делали своими руками. В те годы не было собственной элементной базы, необходимых конструкций под вычислительные блоки, охладительных систем. Приходилось самим изготавливать шасси и стенды, сверлить и клепать, монтировать и отлаживать различные варианты триггеров, счетчиков сумматоров, проверять их на надежность в работе. Сергей Алексеевич всегда был в центре этих работ, часто с паяльником в руках перепаивал схемы, внося в них необходимые изменения, исправлял найденные неполадки. Он безошибочно находил вышедшие из строя радиолампы и детали. После насыщенного, трудового дня С. А. Лебедев до 3—4 часов ночи просиживал за пультом или осциллографом, отлаживая машину.
Напряженная интеллектуальная работа и перегруженный график, тем не менее, не мешали ученому в любой ситуации сохранять спокойствие и рассудительность. Когда в институте случился локальный пожар на первом этаже, где располагалась уже собранная и подготовленная к госиспытаниям БЭСМ, Сергей Алексеевич, не теряя ни секунды, решительно произнес: «Выключайте все электричество». Машина не пострадала. Возможно, решительность ее создателя и спасла тот первый экземпляр легендарной ЭВМ.
В С. А. Лебедеве талант ученого-исследователя совмещался с замечательными способностями организатора и вдохновителя работ. Он умел подобрать сильную команду, увлечь ее работой и сконцентрировать все усилия для решения общей задачи. В 50-е годы, когда у измученной войной страны не хватало научных кадров, Лебедев сделал ставку на молодежь — и не ошибся. Он собрал вокруг себя талантливых студентов - дипломников и выпускников МГТУ, МИФИ, МФТИ. Для учеников С.А. Лебедева разработка БЭСМ стала стартом научной деятельности, впоследствии многие из них стали известными учеными, академиками. В музее ИТМиВТ сохранилась половинка тетрадного листа из рукописи Сергея Алексеевича — на ней подробно изложена структурная схема и календарный план разработки БЭСМ. Удивительно, что вся машина, в реальности занимавшая 100 кв.м, уместилась на небольшом листке бумаги. Но для этого потребовалось огромное напряжение интеллектуальных и физических сил - обоснование и теоретические выкладки по БЭСМ заняли у Лебедева десятки толстых тетрадей! В итоге колоссальный труд был вознагражден победой — задуманная ЭВМ была создана. Первый запуск БЭСМ состоялся осенью 1952 года, а госиспытания она прошла в 1953 году. В том же году Лебедев стал директором Института точной механики и вычислительной техники и действительным членом АН СССР по Отделению физико-математических наук. Он стал первым академиком по специальности «счетные устройства».
Знаменательный факт истории — представленный С. А. Лебедевым в октябре 1955 года в Дармштадте (ФРГ) на Международной конференции по электронным счетным машинам доклад о наших достижениях произвел сенсацию — БЭСМ была признана самой быстродействующей машиной в Европе! Ее быстродействие оказалось рекордным — 8 000 оп/с. Первые компьютеры появились в 1971 году. Выпускались, в частности на заводах в Казани и Минске. Последние машины были выпущены в 1998 г. (ЕС-1220). Всего было выпущено свыше 15 000 машин ЕС ЭВМ.
Некоторые модели и многие периферийные устройства выпускались в кооперации с другими социалистическими странами (ГДР, Венгрия, Болгария, Чехословакия, Румыния, Польша, Куба). Мощность разрабатываемого оборудования распределялась в соответствии со 'статусом' страны в социалистическом лагере. Наиболее мощные поручались для разработки СССР, менее мощные ГДР и т. д. Куба сумела лишь освоить производство какой-то малозначительной периферии.
Данный принцип послужил толчком к серьёзному внутреннему скандалу, когда обнаружилось, что разработанная в ГДР машина 1040 оказалась быстрее и стабильнее советской 1050 (были построены всего два экземпляра) и даже экспортируется в Западную Европу. Ряд соучастников по разработке осуществлял тихий саботаж проекта, например одна из разработанных ВНР младших моделей была несовместимой с остальной серией, так как при её создании было осуществлено клонирование французского компьютера системы Mitra, совершенно не совместимого с System/360.
Компьютеры серии ЕС ЭВМ входили, в соответствии с годами выпуска, в т. н. «Ряд 1», «Ряд 2», «Ряд 3», «Ряд 4». К «Ряду 1» (аналог серии IBM 360) принадлежали модели 1010, 1020, 1030, 1032, 1040, 1050, 1060 (на самом деле выпускалась в рамках Ряд 2) и основанные на них усовершенствованные модели, напр., ЕС-1022. К «Ряду 2» (аналог серии IBM 370) принадлежали модели 1015, 1025, 1035, 1045, 1055, 1065 и основанные на них усовершенствованные модели, напр., ЕС-1036. «Ряд 3» и «Ряд 4» примерно соответствовали S/390.
В сериях устройств Ряд 3 и особенно Ряд 4 был запланирован и частично реализован ряд технических усовершенствований, не имевших аналогов в IBMовской серии машин. Реализовывались специализированные вычислительные блоки, такие как векторные и матричные процессоры, процессоры, работавшие на иных физических принципах (например оптический) и т. д. Практически все эти разработки были остановлены в 1990ых годах после развала СССР. Последние машины серии ЕС выпускались уже под лицензией IBM.
Аппаратная основа всех компьютеров — платы на микросхемах (т.н. «ТЕЗы» или «Радиоэлектронные модули 1-го уровня»). Конструктивно компьютеры представляли собой большие стойки («шкафы», или «Радиоэлектроные модули 3-го уровня») примерно в рост человека и соответствующие им по размерам периферийные устройства — принтеры, накопители на магнитных лентах, накопители на магнитных дисках.
Имели чёткое разделение функциональных блоков: стойка с процессором, стойка (или стойки) с оперативной памятью, и т. д. Для обозначения блоков и периферийных устройств, от процессора и памяти до периферии, была установлена специальная числовая классификация. Так, коды устройств — накопителей на магнитных дисках начинались с цифр 50ХХ (напр., модели 5061, 5066), коды дисплеев — с цифр 7ХХХ (напр., модель 7927), и т. д.
Для установки и размещения всех блоков компьютера требовалось отдельное помещение (или даже несколько помещений) площадью не меньше 25—30 м2, со специальным фальшполом (для прокладки под ним всех соединительных кабелей), и с системами вентиляции и охлаждения (в т. ч. водяного!).
Технические характеристики вкратце описывались быстродействием процессора (в десятках тысяч операций в секунду) — ориентировочные значения 20—80 тыс. оп/сек в зависимости от модели, а также объёмом оперативной памяти — ориентировочные значения от 64 кб на самых первых и младших моделях до 4—8 Мб у последних по времени выпуска старших моделях. Периферийные устройства были взаимозаменяемы, но процессоры, память и т. п. — нет.
Компьютеры работали либо под управлением однозадачной операционной системы ДОС ЕС (клон DOS 360 (обычно, ранние/младшие модели), либо многозадачных операционных систем ОС ЕС, TKS (клоны SVC/MFT/MVT) (более продвинутые модели). Позднее использовалась операционная система СВМ (клон VM), реализующая концепцию виртуальных машин. Все компьютеры были многопользовательскими (хотя самые простые модели — скорее, теоретически).
Для начала работы с операционной системой требовалась сложнейшая процедура генерации операционной системы из дистрибутива, с настройкой для работы на конкретном экземпляре компьютера в конкретной конфигурации (процессор, память, каналы) и всей его периферии, и, затем, невероятно трудоёмкая установка и наладка (общее затрачиваемое время — до нескольких недель). Однако в разработанной в ГДР TKS эта проблема была решена — система ставилась без генерации с готового загрузочного образа.
Для решения прикладных задач использовались языки программирования Фортран, Кобол, ПЛ/1. Для запуска программ и управления заданиями имелся специальный язык JCL (Job Control Language, язык управления заданиями). Были и другие, менее распространённые языки.
Подавляющее большинство пользователей ЕС ЭВМ использовали Фортран и ПЛ/1. Последний был внедрён как универсальный язык, обладавший (по понятиям того времени) более широкими выразительными возможностями, однако из-за плохо продуманной концепции языка и очень нестабильной реализации, язык резко потерял популярность и почти перестал употребляться.
В эпоху ЕС ЭВМ появилась новая специальность системных программистов, которые служили посредниками между проблемными программистами и операционной системой, помогая проблемным программистам организовать доступ к периферийным устройствам, улучшить производительность и преодолевать неисчислимые трудности, связанные с недостатками реализации и плохой стабильностью системы.
Возможности диалоговой работы в начальный период эксплуатации ЕС ЭВМ отсутствовали, а позднее, после внедрения многотерминальных станций, остались ограниченными. Поэтому с появлением малых машин серии СМ ЭВМ в начале 80-х годов, обеспечивающих полноценный диалог, популярность ЕС резко упала, несмотря на то, что СМ ЭВМ обладали существенно меньшей мощностью.
На начальном этапе появление ЕС ЭВМ привело к унификации компьютерных систем, позволило установить начальные стандарты программирования и организовывать широкомасштабные проекты, связанные с внедрением программ. До этого программы, как правило, эксплуатировались исключительно организацией-разработчиком, а внедрение было затруднительным из-за разнородности компьютерной техники по стране. Без подобного рода унификации постановка глобальных задач типа АСУ была бы просто невозможна.
Ценой этого было повсеместное свёртывание собственных оригинальных разработок и попадание в полную зависимость от идей и концепций фирмы IBM, причём далеко не самых лучших по тому времени. Резкий переход от простых в эксплуатации советских машин к намного более сложным аппаратным и программным средствам IBM/360 привёл к тому, что многие программисты стали зациклены на преодолевании трудностей, связанных с недоделками и ошибками IBM-овских разработчиков. Начальные модели ЕС ЭВМ по эксплуатационным характеристикам нередко уступали отечественным компьютерам того времени.
На позднем этапе, особенно в 80-е, повсеместное внедрение ЕС ЭВМ превратилось в серьёзный тормоз для развития программного обеспечения, баз данных, диалоговых систем и многочисленных проектов. После дорогостоящих и заранее спланированных закупок руководители предприятий были вынуждены эксплуатировать морально устаревшие компьютерные системы. Параллельно развивались системы на малых машинах и на персоналках, которые становились всё более и более популярны.
На позднейшем этапе, с началом Перестройки, с 1988-89 годов, когда страна наводнилась персональными компьютерами, наступил переломный момент, когда никакие меры уже не могли остановить кризис серии ЕС ЭВМ. Отечественная промышленность не смогла создать ни аналогов, ни заменителей ЕС ЭВМ на новой элементной базе. В итоге произошёл полный переход на импортные компьютеры и окончательное свёртывание программы по разработке отечественных компьютеров, возникли проблемы переноса технологий на современные компьютеры, модернизации технологий, трудоустройства и переквалификации сотен тысяч специалистов.