Что такое элементная база эвм

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭВМ

1.Понятие об элементной базе ЭВМ. Два типа транзисторов. Полупроводниковые интегральные схемы.

Вычислительные устройства, в которых кодирование и обработка информации осуществляются в двоичной системе счисления, называются цифровыми устройствами. Они состоят из множества элементов, которые электрическим воздействием легко перевести в одно из двух устойчивых состояний. Элементы цифровых устрой ств предназначены для запоминания информации, ее арифметической и логической обработки, формирования и усиления сигналов управления, преобразования и отображения входной и выходной информации и т. д.

Основой большинства элементов современных ЭВМ является транзистор — полупроводниковый прибор, способный преобразовывать электрические сигналы. Существует два типа транзисторов: биполярный с двумя взаимодействующими электронно-дырочными переходами (рис. 1) и униполярный, или полевой (рис. 2). В полевом транзисторе управляющий электрод — затвор — изолирован от тела полупроводника слоем диэлектрика, обычно двуокиси кремния, вот почему этот прибор называют еще МО П- или МДП-транзистором , подчеркивая его структуру: металл — окисел (диэлектрик) — полупроводник. Из сравнения рис. 1 и 2 видно, что изготовить МДП-транзистор проще, чем биполярный, так как в этом случае на поверхности подложки — полупроводника n -типа — достаточно лишь сформировать две небольшие области полупроводника р-типа и покрыть всю поверхность слоем окисной пленки, в то время как в первом случае нужно провести два процесса формирования микрообластей с разной проводимостью.

Интегральная схема (ИС) – это логический, запоминающий или какой-либо другой элемент цифрового устройства. Конструктивно ИС выполняется на монокристаллической пластинке кремния размером в несколько квадратных миллиметров путем формирования с помощью специальной технологии отдельных микрокомпонентов. Конструкция полевого транзистора проще, чем биполярного, поэтому на МДП-транзисторе миниатюризацию элементов ИС осуществить легче. При одинаковой функциональной сложности МДП ИС занимают площадь на кристалле в несколько раз меньше, чем биполярные. Кроме того, из-за более простой технологии изготовления МДП-приборов возможно делать ИС с большей функциональной сложностью, чем на биполярных полупроводниках.

Число элементов в ИС характеризует её степень интеграции. В соответствии с этим, все ИС условно делят на малые (МИС — до 10 2 элементов на кристалл), средние (СИС — до 10 3 ), большие (БИС — до 10 4 ), сверхбольшие (СБИС — до 10 6 ), ультрабольшие (УБИС — до 10 9 ) и гигабольшие (ГБИС — свыше 10 9 элементов на кристалл).

Сейчас по МДП-технологии разработаны сверхбольшие и ультрабольшие интегральные схемы (СБИС и УБИС). Однако МДП ИС имеют и недостатки. Главный из них — сравнительно низкое быстродействие. По этому параметру биполярные ИС превосходят МДП в 10 и более раз, однако потребляемая энергия их существенно больше, чем МДП ИС. Таким образом, каждый тип ИС имеет свои достоинства и недостатки, которые и определяют их место в электронной аппаратуре.

Кафедра информационных систем

Элементной базой машин этого поколения были электронные лампы – диоды и триоды.

Машины предназначались для решения сравнительно несложных научно-технических задач. Они были значительных размеров, потребляли большую мощность, имели невысокую надежность работы и слабое программное обеспечение. Быстродействие их не превышало 2—3 тысяч операций в секунду, емкость оперативной памяти—2К или 2048 машинных слов (1K=1024) длиной 48 двоичных знаков.

В машинах первого поколения были реализованы основные логические принципы построения электронно-вычислительных машин и концепции Джона фон Неймана, касающиеся работы ЭВМ по вводимой в память программе и исходным данным (числам).

Основной деталью являлась электронная лампа

Электронная лампа — это электровакуумный прибор (электровакуумные приборы — приборы для генерации, усиления и преобразования магнитной энергии, в которых рабочее пространство

освобождено от воздуха и защищено от окружающей атмосферы жесткой

Использование электронной лампы в качестве основного элемента ЭВМ создавало множество проблем. Из-за того, что высота стеклянной лампы — 7см, машины были огромных размеров. Каждые 7-8 мин. одна из ламп выходила из строя, а так как в компьютере их было 15 — 20 тысяч, то для поиска и замены поврежденной лампы требовалось очень много времени. Кроме того, они выделяли огромное количество тепла, и для эксплуатации «современного» компьютера того времени требовались специальные системы охлаждения. Чтобы разобраться в запутанных схемах огромного компьютера, нужны были целые бригады инженеров. Устройств ввода в этих компьютерах не было, поэтому данные заносились в память при помощи соединения нужного штекера с нужным гнездом.

К ЭВМ 1 поколения относятся такие машины как:

Марк I
ENIAC
EDSAC
UNIVAC I
IBM 701
МЭСМ
М-1
БЭСМ
Стрела
Урал
Сетунь

Марк I

Марк I изготовлен в 1944 году профессором Гарвардского университета Айкеном. Это была машина, которая была способна воспринимать входные данные с перфокарт и перфолент. Однако она не была полностью электронной, она была электромеханической. Машина Айкена имела громадные размеры: более 15 метров в длину и около 2,5 метров в высоту и состояла более чем из 750000 деталей; Машина Марк I могла перемножить два 23-разрядных числа за четыре секунды и за один день выполняла расчеты, на которые люди потратили бы 6 месяцев.

ENIAC

Разработка началась в 1943 году в Пенсильванском университете, получившем заказ от Баллистической исследовательской лаборатории министерства обороны США . Группой разработчиков, в которую входили десять инженеров и двести техников, руководили профессор Джон Моучли и молодой выпускник университета Джон Преспер Эккерт . Машина, которая получила название ENIAC — Electronical Numerical Integrator and Calculator (Электронно-цифровой интегратор и вычислитель), состояла из восемнадцати тысяч ламп и полутора тысяч реле, занимала помещение площадью 120 кв.м, имела объем 720 куб.м, весила 30 т и потребляла 150 кВт электроэнергии

EDSAC

Весной 1949 года машина, получившая название EDSAC, была готова (руководитель проекта Морис Винсент Уилкс). Она стала первой в мире действующей и практически используемой ЭВМ с хранимой программой. Ее параметры были таковы. Тактовая частота — 500 кГц. Объем ОП — 512 36-разрядных машинных слов. Командный набор состоял из 18 одноадресных команд. Время сложения — 1,4 мс, а умножения — 5,4 мс. Ввод данных и программ осуществлялся с 5-канальной бумажной перфоленты, результаты вычислений печатались принтером телетайпа. Машина содержала около 3000 ламп, потребляла 12 кВт и занимала комнату площадью 20 кв. м.

UNIVAC I

Это была первая коммерческая ЭВМ, запущенная в серию в 1951 году (разработчики Моучли и Эккерт). Первым ее заказчиком, выложившим $1,6 млн, стало статистическое агентство, которое использовало UNIVAC для переписи населения страны

IBM 701

Самой быстрой серийной ЭВМ была IBM 701, выпущенная в 1953 году. Однако корпорация смогла продать лишь 9 экземпляров IBM701. Затем появилась 704-я модель с ферритовой памятью объемом 8192 слов по 36 бит, оснащенная алгоритмическим языком высокого уровня Фортран.

МЭСМ

Советский Союз начал разрабатывать первую ламповую машину в 1948 году. Происходило это в Киеве, в Институте электроники Академии наук Украины под руководством будущего академика Сергея Алексеевича Лебедева (1902–1974). Машина, получившая название МЭСМ (Малая электронная счетная машина), была сдана в эксплуатацию в декабре 1951 года.

Машина состояла из 5 тыс. ламп, занимала площадь в 60 кв.м. и потребляла 25 кВт. Ввод данных — с перфокарт и коммутационной панели. Вывод результатов — на печатающее устройство. Был и еще один способ съема информации, нигде и никогда более в мире не применявшийся, — при помощи фотографирования!

М-1

М-1 была разработана в 1950-1951 гг. в Лаборатории электросистем Энергетического института АН СССР под руководством члена-корреспондента АН СССР И. С. Брука. Конструктивно М-1 выполнена в виде трех стоек, расположенных по бокам прямоугольной вентиляционной колонны. В стойках располагались: главный программный датчик (устройство управления машиной), арифметический узел и запоминающие устройства. Устройства ввода и вывода информации — телетайп и фототрасмиттер ввода с перфоленты — располагались на отдельном столе и при помощи разъемных кабелей соединялись со стойками. Монтаж всех электронных схем машины осуществлялся на стандартных панелях двух типов (десяти- и двадцати двухламповые панели). Общее количество электронных ламп в М-1 — 730 шт.

БЭСМ

БЭСМ» — семейство цифровых вычислительных машин общего назначения, ориентированных на решение сложных задач науки и техники. Разработана в Институте точной механики и вычислительной техники АН СССР.

Работа над первой машиной была закончена в 1952. В этой трехадресной машине параллельного действия на электронных лампах (4000 ламп) использована двоичная система счисления с плавающей запятой. По структуре, конструкции и характеристикам машина стояла на уровне лучших зарубежных машин

Стрела

В 1953 г. в Москве, в СКБ Министерства машиностроения и приборостроения под руководством Ю. Я. Базилевского и Б. И. Рамеева закончена разработка серийной ЭВМ «Стрела» общего назначения.

В 1954 г. — начался серийный выпуск ЭВМ «Стрела». Серия оказалась очень маленькой: всего за четыре года было выпущено семь машин.

БЭСМ-2

Разработана в 1956 г. под руководством Лебедева С.А. Элементная база: двухламповые ячейки, на которых смонтированы различные схемы (триггеры, вентили, усилители и т. д.). ЭВМ БЭСМ-2 имела около 4 тыс. электронных ламп. Конструкция: ЭВМ БЭСМ-2 была собрана на трех основных стойках. Кроме того, имелись: стойка магнитного оперативного запоминающего устройства (МОЗУ), пульт управления, служащий для пуска и остановки машины, а также для контроля за ее работой.

Быстродействие: от 8 до 10 тысяч операций в секунду.

Урал

В1957 г. — в Пензе под руководством Б. И. Рамеева создана одноадресная ламповая ЭВМ «Урал-1″общего назначения, ориентированная на решение инженерно-технических и планово-экономических задач. Она положила начало целому семейству малых ЭВМ «Урал».

Сетунь

В 1958 г. — под руководством Н.П. Брусенцова в вычислительном центре Московского университета была создана и запущена в производство первая и единственная в мире троичная ЭВМ «Сетунь». “Сетунь” — малая цифровая вычислительная машина, предназначенная для решения научно-технических и экономических задач средней сложности. Серийно выпускалась 1962-1964.

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. В таких машинах практически не было средств совмещения 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.

Очень трудоемким и малоэффективным 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. От уровня мастерства, способности быстро находить и исправлять ошибки и умения ориентироваться за пультом ЭВМ во многом зависела эффективность решения вычислительной задачи.

Поколения эвм и их элементная база

Информатика, информационные технологии

В основу периодизации ЭВМ по поколениям (являющейся все-таки относительной) положены следующие факторы:

– физико-технологический принцип (поколение машины определяется в зависимости от используемых в ней физических элементов или технологии их изготовления);

– уровень программного обеспечения;

– быстродействие и др.

Как правило, границы поколений четко не определены, так как в один и тот же период выпускались машины разного уровня.

Доэлектронный период. Вопрос облегчения выполнения вычислений всегда волновал умы ученых. Первые счеты появились около пяти тысяч лет назад. Но более серьезные механические устройства появились только после XV века: суммирующая машина, машина Якобсона, счислитель Куммера, счетный механизм, различные арифмометры. Все эти наработки и накопленный веками опыт классификации и индексации информации подготовили почву для создания и повсеместного применения ЭВМ.

Первое поколение ЭВМ (1948–1958) создавалось на основе вакуумных электроламп, машина управлялась с пульта и перфокарт с использованием машинных кодов. Эти ЭВМ размещались в нескольких больших металлических шкафах, занимавших целые залы.

Элементной базой машин этого поколения были электронные лампы – диоды и триоды. Машины предназначались для решения сравнительно несложных научно-технических задач. К этому поколению ЭВМ можно отнести: МЭСМ, БЭСМ-1, М-1, М-2, М-З, «Стрела», Минск-1, Урал-1, Урал-2, Урал-3, М-20, «Сетунь», БЭСМ-2, «Раздан» (рис. 2.1).

ЭВМ первого поколения были значительных размеров, потребляли большую мощность, имели невысокую надежность работы и слабое программное обеспечение. Быстродействие их не превышало 2–3 тысячи операций в секунду, емкость оперативной памяти – 2 кб или 2048 машинных слов (1 кб = 1024) длиной 48 двоичных знаков.

Второе поколение ЭВМ (1959–1967) появилось в 60-е гг. ХХ века. Элементы ЭВМ выполнялись на основе полупроводниковых транзисторов (рис. 2.2, 2.3). Эти машины обрабатывали информацию под управлением программ на языке Ассемблер. Ввод данных и программ осуществлялся с перфокарт и перфолент.

Рис. 2.1. ЭВМ первого поколения: а – МЭСМ; б – БЭСМ-1; в – «Стрела»

Элементной базой машин этого поколения были полупроводниковые приборы. Машины предназначались для решения различных трудоемких научно-технических задач, а также для управления технологическими процессами в производстве. Появление полупроводниковых элементов в электронных схемах существенно увеличило емкость оперативной памяти, надежность и быстродействие ЭВМ. Уменьшились размеры, масса и потребляемая мощность. С появлением машин второго поколения значительно расширилась сфера использования электронной вычислительной техники, главным образом за счет развития ПО.

Рис. 2.2. ЭВМ второго поколения «Наири»

Рис. 2.3. ЭВМ второго поколения МИР-2

Третье поколение ЭВМ (1968–1973). Элементная база ЭВМ – малые интегральные схемы (МИС), содержавшие на одной пластинке сотни или тысячи транзисторов. Управление работой этих машин происходило с алфавитно-цифровых терминалов. Для управления использовались языки высокого уровня и Ассемблер. Данные и программы вводились как с терминала, так и с перфокарт и перфолент. Машины предназначались для широкого использования в различных областях науки и техники (проведение расчетов, управление производством, подвижными объектами и др.). Благодаря интегральным схемам удалось существенно улучшить технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ и резко снизить цены на аппаратное обеспечение. Например, машины третьего поколения по сравнению с машинами второго поколения имеют больший объем оперативной памяти, увеличенное быстродействие, повышенную надежность, а потребляемая мощность, занимаемая площадь и масса уменьшились.

Четвертое поколение ЭВМ (1974–1982). Элементная база ЭВМ – большие интегральные схемы (БИС). Наиболее яркие представители четвертого поколения ЭВМ – персональные компьютеры (ПК). Связь с пользователем осуществлялась посредством цветного графического дисплея с применением языков высокого уровня.

Машины предназначались для резкого повышения производительности труда в науке, производстве, управлении, здравоохранении, обслуживании и быту. Высокая степень интеграции способствовала увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, повышению ее надежности, что привело к увеличению быстродействия ЭВМ и снижению ее стоимости. Все это оказывает существенное воздействие на логическую структуру (архитектуру) ЭВМ и на ее ПО. Более тесной становится связь структуры машины и ее программного обеспечения, особенно операционной системы (ОС) (или монитора) – набора программ, которые организуют непрерывную работу машины без вмешательства человека (рис. 2.4).

Рис. 2.4. ЭВМ четвертого поколения СМ-1420

Пятое поколение ЭВМ (1990 – настоящее время) создано на основе сверхбольших интегральных схем (СБИС), которые отличаются колоссальной плотностью размещения логических элементов на кристалле.

В соответствии с [5] основную концепцию ЭВМ пятого поколения можно сформулировать следующим образом:

– компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных инструкций программы;

– компьютеры с многими сотнями параллельно работающих процессоров, позволяющих строить системы обработки данных и знаний, эффективные сетевые компьютерные системы.

Предполагалось, что к 1991 г. будут созданы принципиально новые компьютеры, ориентированные на решение задач искусственного интеллекта, т. е. для компьютеров пятого поколения не пришлось бы писать программ, а достаточно было бы объяснить на почти естественном языке, что от них требуется.

В работе [6] проект пятого поколения ЭВМ, опубликованный в начале 80-х гг. ХХ столетия в Японии, рассмотрен более подробно.

Основная идея этого проекта – сделать общение конечного пользователя с компьютером максимально простым, подобным общению с любым бытовым прибором. Для решения поставленной задачи предлагались следующие направления (рис. 2.5):

– разработка простого интерфейса, позволяющего конечному пользователю вести диалог с компьютером для решения своих задач. Подобный интерфейс может быть организован двумя способами: естественно-языковым и графическим. Поддержка естественно-языкового диалога – очень сложная и не решенная пока задача. Реальным является создание графического интерфейса, что и сделано в ряде программных продуктов, например, в ОС Windows’xx. Однако разработка доступных интерфейсов решает проблему только наполовину – позволяет конечному пользователю обращаться к заранее спроектированному программному обеспечению, не принимая участия в его разработке;

– привлечение конечного пользователя к проектированию программных продуктов. Это направление позволило бы включить заказчика непосредственно в процесс создания программ, что в конечном итоге сократило бы время разработки программных продуктов и, возможно, повысило бы их качество. Подобная технология предполагает два этапа проектирования программных продуктов:

? программистом создается «пустая» универсальная программная оболочка, способная наполняться конкретными знаниями и с их использованием решать практические задачи. Например, эту оболочку можно было бы заполнить правилами составления квартальных и иных балансов предприятий, и тогда она могла бы решать задачи бухгалтерского учета;

? конечный пользователь заполняет созданную программистом программную оболочку, вводя в нее знания, носителем которых (в некоторой предметной области) он является. После этого программный продукт готов к эксплуатации (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Два этапа технологии подготовки прикладных задач к решению на компьютере, предлагаемые в проекте ЭВМ пятого поколения: а – программист создает пустую программную оболочку;
б – заказчик (конечный пользователь) наполняет оболочку знаниями

Наполненная знаниями конечного пользователя программная оболочка готова к решению тех прикладных задач, правила решения которых внес в нее конечный пользователь. Таким образом, начинается эксплуатация программного продукта.

Предлагаемая технология имеет много серьезных проблем, связанных с представлением и манипулированием знаниями. Тем не менее с ней связывают прорыв в области проектирования прикладных программных продуктов.

Шестое и последующие поколения ЭВМ. Электронные и оптоэлектронные компьютеры с массовым параллелизмом, нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

Деление ЭВМ по временным периодам и номерам поколений, как уже упоминалось, – достаточно условное. Ряд авторов вводят понятие нулевого поколения и существенно иные временные интервалы для поколений.

В табл. 2.1 показана эволюция технологий использования компьютерных систем.

Статьи к прочтению:

Полиция глобал ищет подростка
Политика безопасности и принципы построения системы обеспечения безопасности (соб) корпоративной сети

#16 TES V: Skyrim\

ЮЦ ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭВМ

Смена поколений ЭВМ в значительной степени связана с пере- ходом на новую элементную базу, создание которой становится возможным благодаря достижениям науки и техники в самых раз- ных областях.

Начало электронно-вычислительного периода вычислительной техники связано с изобретением электронной лампы, элементной базы первого поколения ЭВМ.

Электронная лампа — это электровакуумный прибор, действие которого основано на изменении потока электронов (отбираемых от катода, разогретого нитью накала) электрическим полем, фор- мируемым с помощью электродов (управляющих сеток и анода) (рис. 1.12).

Развитие полупроводниковой электроники привело к созданию транзистора, что определило дальнейшее развитие ЭВМ: элемент- ной базой машин второго поколения становится транзистор — твердотельный электронный прибор на основе полупроводниково- го монокристалла.

Существует два основных класса транзисторов: униполярные (полевые) и биполярные.

Полевые транзисторы управляются входным напряжением, по- даваемым на затвор; протекание тока через кристалл обусловлено носителями заряда только одного знака — электронами (п) или «дырками» (р).

В свою очередь, полевые транзисторы по физической структу- ре и механизму работы условно подразделяются на полевой тран- зистор с управляющим затвором — переходом металл— полупроводник и полевой транзистор с управлением от изолиро- ванного затвора — транзистор МДП (металл—диэлектрик— полупроводник). В качестве диэлектрика широко используют оки- сел кремния (МОП-транзистор).

МОП-транзисторы бывают двух видов проводимостей: р-типа (транзистор открывается при отрицательном напряжении на затво- ре относительно истока) и л-типа (транзистор открывается при по- ложительном напряжении). МОП-транзисторы используются в больших и сверхбольших интегральных схемах.

Биполярные транзисторы (или просто транзисторы) управляют- ся входным током базы, ток через кристалл обусловлен движением носителей заряда обоих знаков. Биполярный транзистор — это мо-

Рис. 1.12. Графическое обозначение электронной лампы (триод):

1 — сетка; 2 — анод; 3 — нить накала; 4 — катод

нокристаллическая полупроводниковая пластина, в которой созданы три области разной проводимости: дырочной (р) и электронной (л).

Биполярные транзисторы в зависимости от порядка чередова- ния областей проводимости подразделяются на транзисторы р—п—р-типа ил—р—л-типа.

Эмиттер — источник носителей зарядов (электронов в п — р— п-триоде и «дырок» в р—л — р-триоде). База — управляющий электрод. Коллектор — электрод, собирающий носители зарядов.

В интегральных микросхемах обычно применяются транзисто- ры п—р—л-типа, так как их быстродействие больше, чем у транзи- сторов р—л—р-типа.

В ЭВМ второго поколения вместе с транзисторами широко ис- пользовались ферритовые кольцевые сердечники, способные устойчиво сохранять одно из двух состояний намагниченности, ко- торые можно отождествлять с нулевой и единичной информацией. Их использовали для реализации логических схем и запоминаю- щих элементов. Конструктивно ферритовые сердечники объединя- ются в ферритовые матрицы.

Ферритовое запоминающее устройство использовалось в боль- шинстве ЭВМ, преимущественно в качестве оперативной памяти с обращением по произвольному адресу. Ферритовые сердечники при- менялись в ЭВМ и в качестве логических элементов, которые форми- ровались из феррит-диодных и феррит-транзисторных ячеек.

Дальнейшее развитие полупроводниковой электроники откры- ло новую область электроники — микроэлектронику, обеспечиваю- щую конструктивное объединение в едином технологическом про- цессе большого числа микроминиатюрных транзисторов. Этот тех- нологический процесс, получивший название «планарный» (рис.

1.13), позволяет создавать на одном кристалле полупроводника (кремния) электронные устройства, которые называются инте- гральными микросхемами (ИС) и состоят более чем из нескольких десятков тысяч транзисторов. Интегральные микросхемы стали элементной базой ЭВМ третьего поколения.

Планарный процесс изготовления ИС включает в себя следующие этапы: подготовка пластин кремния, эпитаксия, создание ди- электрических слоев, формирование р—л-переходов, литография, травление, металлизация, контроль, сборка и герметизация корпуса.

В планарной технологии используются высококачественные ма- териалы, прецизионные инструментальные средства, производ- ственные помещения повышенной чистоты, что обеспечивает из- готовление элементов ИС с точностью их размеров в пределах де- сятых и даже сотен долей микрометра.

Рис. 1.13. Планарный процесс изготовления ИС:

Основными параметрами ИС являются быстродействие, потре- бляемая мощность, коэффициент объединения по входу, коэффи- циент разветвления по выходу, устойчивость к внешним воздей- ствиям, степень интеграции, надежность. ИС классифицируются по целому ряду признаков.

Интегральные микросхемы большой и сверхбольшой степени интеграции (БИС и СБИС) принято считать элементной базой ЭВМ четвертого поколения.

Что такое элементная база эвм