Когда я начинал первую статью про IBM System/360, я не представлял, что это выльется в целую серию статей, настолько оказалась обширной и интересной эта революционная система. Три статьи уже вышли (первая , вторая , третья), я пишу эту, и понимаю, что тема себя далеко не исчерпала, и про System/360 можно писать еще долго. На этот раз поговорим о периферии и работе с внешними устройствами в System/360.
Каналы
Поскольку периферийные устройства в то время зачастую были очень не быстрыми, для работы с ними предназначались так называемые «каналы» - отдельные процессоры с уменьшенным набором инструкций, предназначенные для передачи информации между устройством и основной памятью. Концепция каналов немного напоминает современную DMA. По принципу действия, каналы делились на байт-мультиплексорные и селекторные. Первые предназначались для работы с медленными устройствами (принтеры, перфораторы, считыватели перфокарт), вторые - для устройств с большей скоростью (магнитные диски, ленты, внешние ячейки памяти). Практически все машины System/360, кроме «нестандартной» Model 20 оснащались байт-мультиплексорным каналом и одним и более селекторными. В моделях попроще каналы были интегрированные, а в топовых моделях они были выполнены в виде отдельных шкафов.
Как несложно понять из названия, мультиплексорный канал позволял обмениваться данными сразу от нескольких устройств через один канал в ОЗУ компьютера. Чаще всего адрес этого канала был 0, а для адресации к суб-каналам использовались адреса от C0 до FF. Например, по адресам 0C0-0C7 размещались стримеры, 00E/00F: принтеры 1403-N, 010-013: принтеры 3211, 020-0BF: телекоммуникационные устройства семейства 270x. Эти адреса до сих пор используются в виртуальных машинах z/VM.
Селекторные каналы позволяли подключать более скоростные устройства. Обычно, между устройством и каналом размещался еще управляющий модуль, позволявший объединять несколько однотипных устройств и направлять данные с них в один или несколько каналов, параллельно или последовательно, что позволяло варьировать варианты подключения для достижения оптимальной производительности.
В моделях 85 и 195 IBM представили новый типа каналов - блок-мультиплексорный. Эти каналы позволяли подключенному устройству приостановить работу текущей программы канала, пока устройство не было готово передать данные, освободив таким образом канал для других устройств. Изначально эти каналы предназначались для работы с дисками с фиксированной головкой семейства 2305.
Именование компонентов
В IBM разработали систему цифровых кодов для маркировки новых устройств. Они маркировались кодом из 4 цифр, начинавшимся с 2. Ряд старых устройств, уже существовавших до System/360 сохранил свои маркировки (например, известнейшие принтеры семейства 1403, на которых печатались те самые репродукции Джоконды).
Устройства нумеровались следующим образом.
20xx: Арифметические процессоры, например IBM 2030, центральный процессор IBM System/360 Model 30
21xx: Блоки питания и прочее оборудование, близко связанное с процессором, например конфигурационный модуль IBM 2167
22xx: Различные устройства вывода, например, CRT мониторы IBM 2250 и IBM 2260, IBM 2203 - принтер System/360 Model 20
23xx: Устройства хранения данных с прямым доступом, например, дисковые накопители IBM 2311 и IBM 2314, или ячейки данных IBM 2321. Так же эта маркировка использовалась для главных устройств хранения (IBM 2361 - хранилище большой емкости, IBM 2365 - хранилище процессора)
24xx: Накопители на магнитной ленте, например IBM 2401, IBM 2405 и IBM 2415
25xx: Устройства для работы с перфокартами, например, считыватель карт IBM 2501, перфоратор IBM 2520, считыватель/перфоратор IBM 2540 и многофункциональная карточная машина IBM 2560
26xx: Устройства для работы с бумажными лентами, например, ридер IBM 2671
27xx: Коммуникационное оборудование, например, интерактивные терминалы IBM 2701, IBM 2705, IBM 2741
28xx: Каналы и контроллеры. Например, управляющий модуль IBM 2821, IBM 2841 и IBM 2844
29xx: Прочие устройства, например, коммутатор каналов данных IBM 2914 и репитер каналов данных IBM 2944
Устройства хранения с прямым доступом
2302 базировался на более ранней модели 1302 и представлял собой жесткий диск со скоростью доступа 156 Кб/с и поставлялся как модель 3 с двумя модулями по 112.79 Мб, либо как модель 4, с четырьмя такими модулями.
2311 в свою очередь являлся обновленной версией IBM 1311 и позволял работать с пакетами сменных дисков IBM 1316. Теоретическая емкость накопителя составляла 7.2 Мб, но на практике все зависело от формата. Например, при использовании с System/360 Model 20, этот накопитель предоставлял всего лишь 5.4 Мб свободного пространства.
Пакет дисков IBM 1316 по нынешним меркам можно считать огромным. Шесть дисков диаметром около 36 см насаживались по 6 штук на общий шпиндель. Самая верхняя и самая нижняя поверхности стопки не несли на себе никаких данных, таким образом, для записи было доступно 10 поверхностей. Все головки чтения/записи были объединены в один блок и двигались вместе. Число дорожек составляло 203. Чтоб уменьшить количество движений головок, данные записывались «вертикально» на поверхности дисков сверху вниз, формируя «цилиндры». Размер секторов был переменный, как и на магнитной ленте.
Позже, в 1966 году появился накопитель 2314s, использовавший в работе обновленные пакеты дисков 2316 емкостью 28 Мб.
Для тех случаев, когда была важна скорость чтения-записи, а не емкость, использовались барабанные накопители, в которых на каждую дорожку использовалась отдельная головка. Емкость первых моделей составляла около 4 Мб, а скорость операций достигала 303.8 Кб/с, позже, на смену барабанным накопителям пришли дисковые, так же с отдельными головками на дорожку. Таким был, например, IBM 2305, представленный в 1970 году. Диски накопителя вращались со скоростью 6000 оборотов в минуту, скорость обмена данными достигала аж 3 Мб/с, были доступны емкости в 5 и 11 Мб.
Несмотря на малую емкость и высокую цену, подобные устройства были востребованы, например, для размещения оверлеев (модулей программы, которые подгружались в ОЗУ динамически).
Еще более дорогим и редким решением была IBM 2321 Data Cell. Этот накопитель работал с так называемыми «ячейками памяти», каждая из которых содержала внутри 200 магнитных лент, которые могли перематываться и считываться независиом. IBM 2321 позволяла установить до 10 таких «ячеек», обеспечивая хранение до 400 миллионов байт. До 8 IBM 2321 могли подключаться к управляющему модулю IBM 2841, таким образом предоставляя целых 3 Гб хранилища. Время доступа составляло от 95 до 600 миллисекунд, в зависимости от положения пленок.
Таким образом, date cell являлась очень неплохим компромиссом между жесткими дисками и ленточными накопителями. По сравнению с жестким диском IBM 2311, IBM 2321 могла хранить в 55 раз больше данных, при скорости доступа всего в 7 раз ниже.
Так как в Data Cell использовались три раздельных привода, для их смазки в машину заливалось почти 20 литров машинного масла, которое циркулировало в системе под давлением, что порождало много историй про утечки, чаще всего неправдивые. Из-за обилия коротких фрагментов ленты в сменных модулях, их часто сравнивали с лапшой.
В прошлой статье я описал линейку IBM System/360 «в целом», не вдаваясь особо в подробности реализации. В этот раз мы продолжим разговор об этой ЭВМ и рассмотрим ее внутреннюю архитектуру.
Разумеется, никакой революции System/360 не смогла бы совершить, если бы у нового семейства ЭВМ не было тщательно продуманной и спроектированной архитектуры (потом позаимствованной и советскими разработчиками). Два основных руководства назывались «IBM System/360 Principles of Operation» и «IBM System/360 I/O Interface Channel to Control Unit Original Equipment Manufacturers" Information manuals».
Что предлагалось разработчикам в System/360? Шестнадцать 32-битных регистров общего назначения, именовавшихся от R0 до R15. Четыре 64-битных регистра для чисел с плавающей запятой, они именовались FP0, FP2, FP4 и FP6. Один 64-битный регистр состояния (Program Status Word или PSW), помимо прочего содержащий 24-битный адрес инструкции.
Кроме адреса текущей исполняемой инструкции, PSW сохранял биты, разрешающие/запрещающие прерывания, состояние программы, защитный ключ для сравнения с ключами устройств и другие важные параметры. Привилегированная команда LPSW позволяла целиком загрузить значение этого регистра и использовалась в основном для возврата из обработчика прерывания, восстанавливая то состояние, которое было до вызова обработчика. Так же ряд команд позволял манипулировать отдельными флагами этого регистра, не вызывая переходов в другие участки кода.
Прерывания делились на 5 «классов» в зависимости от приоритета. С каждым классом были ассоциированы две ячейки памяти размером в двойное слово: старый PSW и новый PSW. Когда происходило прерывание, текущее значение PSW вместе с кодом прерывания сохранялось на место старого PSW, а в сам регистр загружалось значение из нового PSW, вызывая переход в обработчик. Классы прерываний были следующими (в порядке возрастания приоритета).
Прерывания ввода/вывода: сигнализировали о разнообразных событиях ввода-вывода, в том числе и таких затратных по времени как, например, завершение перемотки пленки.
Программные прерывания. Сигнализировали о возникновении одного из 15 исключений в ходе выполнения программы. Некоторые из этих прерывания могли быть подавлены с помощью сброса соответствующих флагов в PSW.
Прерывание вызова супервайзора. Происходило в результате выполнения инструкций, обращенных к супервайзору.
Внешние прерывания. Происходили в результате внешних событий, таких как срабатывание таймера или нажатие кнопки прерывания.
Прерывание машинной проверки, происходило в случаях аппаратных сбоев, например при ошибке четности при проверке содержимого регистров.
Как уже понятно, для адресации памяти использовались 24 бита, что позволяло адресовать 16 мегабайт памяти, но начиная с модели 67 появилась возможность 32-битной адресации, что расширило объем адресуемой (теоретически) памяти до 4 гигабайт. Использовался big-endian порядок, то есть от старшего к младшему. Различные инструкции позволяли работать с байтами, полу-словами (2 байта), полными словами (4 байта), двойными и четверными словами (соответственно 8 и 16 байт).
Штатно поддерживались следующие типы данных:
Целые числа длиной в половину или целое слово
Два вида упакованных в бинарный формат десятичных чисел
Дробные числа с плавающей запятой (нюансы реализации зависели от версии)
Символы, хранились в одном байте каждый
Адресация чаще всего использовалась «усеченная»: инструкции не содержали полный адрес, а только смещение, относительно базового адреса, содержащегося в одном из регистров общего назначения.
Инструкции могли быть длиной 2, 4 или 6 байт, при этом код операции хранилися в нулевом байте, а остальное занимало описание операндов. Инструкции выравнивались по границам полуслова, поэтому самый младший бит в адресе текущей инструкции всегда был равен нулю.
Интересно в System/360 был реализован ввод-вывод. Операции ввода-вывода выполнялись концептуально обособленными процессорами, которые назывались «Каналами». У каналов были собственные наборы инструкций, и они работали с памятью независимо от программы, выполнявшейся центральным процессором. В недорогих моделях для поддержки каналов использовался «движок» микрокода центрального процессора, в более дорогих - каналы размещались в собственных шкафах.
Очень необычно в IBM подошли к управлению своей ЭВМ. Они определили определенный набор функций, не уточняя при этом с помощью каких именно физических средств они должны реализовываться. Это позволило сделать управление универсальным, не зависящим от конкретного железа, для отдачи команд и вывода результатов в ход могло идти любое оборудование: кнопки, наборные диски, клавиатуры, текст и графика на мониторах и т.п. Любая отсылка к «кнопке» или «переключателю» могла означать любой из возможных вводов, начиная со светового пера и заканчивая выбором опции на экране с помощью ввода с клавиатуры.
В различных моделях System/360 использовались разные дополнительные возможности, расширявшие базовые.
Защита записи. Если система поддерживала эту опцию, то каждому блоку внешних хранилищ размером в 2 Кб присваивался ключ, который проверялся при записи на это хранилище каналом. То есть каждый канал мог писать только в «свои» блоки. Обычно канал с нулевым адресом использовался самой операционной системой, и для него проверка ключа не осуществлялась. Этот подход позволял защитить системные файлы от стирания пользовательскими программами. В очень редких моделях так же была возможность выставить и защиту от чтения.
Поддержка мультисистемности. Расширение набора команд, позволявшее работать нескольким процессорам одновременно.
Прямой контроль. Эта опция обеспечивала поддержку 6 внешних сигнальных линий, которые могли быть использованы для нужд пользователя.
Интервальный таймер. С этой опцией процессор осуществлял периодический декремент слова, находящегося в памяти по адресу 0x50, когда это значение достигало нуля, происходило прерывание. Младшие модели уменьшали число с частотой, совпадавшей с частотой электрической сети (50 или 60 Гц), старшие модели были оснащены таймерами с куда более высоким разрешением.
В общем, про System/360 можно говорить очень много, поэтому если будет интерес, я продолжу тему в следующей статье.
Олег Спиряев
Среди важнейших достижений XX века, изменивших способы сбора, передачи и использования информации, обычно называют компьютеры IBM System/360 и IBM PC. На самом деле корпорация IBM (http://www.ibm.com) сделала гораздо больше, сыграв весьма значительную роль в создании вычислительной техники и ее применении.
Во вторник, 7 апреля 1964 г., Томас Дж. Уотсон-младший, позднее возглавивший IBM, объявил о выпуске семейства ЭВМ System/360. Это был, пожалуй, самый дорогостоящий проект в истории вычислительной техники. Целью его была разработка всесторонне продуманного комплекса решений в области аппаратуры, ПО, технологии производства, организации распространения и технического обслуживания семейства компьютеров, различных по производительности и стоимости. Универсальность семейства достигалась за счет того, что компьютеры были рассчитаны на обработку как десятичных чисел, так и чисел с плавающей точкой, а также за счет развитого системного ПО, отвечающего специфическим потребностям различных пользователей. В разработке семейства System/360 участвовали Джин Амдал, Г. Блау, Ф. П. Брукс-младший. Машины этого типа получили общее имя "мэйнфрейм" (mainframe) - по названию типовых стоек IBM, в которых размещалось оборудование центрального процессора.
| Мэйнфрейм IBM System/360. |
Двумя неделями ранее более двухсот менеджеров из компьютерной отрасли узнали о предстоящем событии из первого номера бюллетеня, ознаменовавшего начало работы компании International Data Corporation (IDC), основателем которой был Патрик Дж. Макговерн. Первое издание называлось EDP Industry and Market Report. Более позднее свое название - The Gray Sheet ("Серый лист") - бюллетень получил от цвета бумаги, на которой был напечатан. System/360 и первый отчет IDC дали начало новым сегментам ИТ-отрасли, стоимость которых на сегодняшний день измеряется миллиардами долларов.
Однако в 1964 г. хватало и скептиков. Так, журнал Fortune подсчитал, что риски IBM, связанные с выпуском System/360, составляли как минимум миллиард долларов, - иными словами, неудача проекта могла привести к банкротству "Голубого гиганта". Сомнения компьютерных инженеров были связаны и с ощущением начала эры их "суперважности" (ведь с тех пор программисты уже не могли непосредственно влиять на конфигурацию вычислительной платформы). К моменту появления System/360 в пользовании находилось примерно двадцать тысяч компьютеров. Всего одно из десятков предприятий могло купить машину такого типа - стоила она по тем временам довольно дорого. Рынок ПО вообще практически отсутствовал, а приложения писались под конкретные потребности клиента. Многие компании, занимавшиеся производством компьютеров, ушли с рынка, не дождавшись лучших времен. Среди них были такие гиганты электронной отрасли, как RCA, General Electric и Xerox (заметим, что до сих пор компьютерная отрасль требует от работающих на этом поприще просто стальных нервов). Кстати, на разработку мэйнфреймов IBM потратила 5 млрд долл. (что по нынешним ценам эквивалентно примерно 30 млрд долл.), и это было очень рискованным шагом, поскольку ежегодный доход компании тогда составлял всего 3,2 млрд долл. Но IBM поставила на эту лошадь и выиграла.
Пользователи вначале никак не отреагировали на первые мэйнфреймы серии 360, но месяца через два они поняли, чем хороши такие системы, и количество заказов превзошло все ожидания IBM. На протяжении же последующих пяти лет число компьютеров этого семейства, применяемых для решения корпоративных задач, возросло до 90 тыс.
От System/360 к S/390
Размеры компьютера System/360, по сегодняшним меркам, были весьма внушительны - он занимал целую комнату. Правда, конфигурация тогдашних мэйнфреймов сегодня, мягко говоря, не поражает воображения: тактовая частота процессора составляла 2 МГц, а емкость накопительной системы (ленты и диски) - всего 8 Мбайт. Но, несмотря на это, к такому компьютеру можно было одновременно подключить до 248 терминалов, с которых вводились данные и на которые выводились результаты.
При разработке этого проекта родились такие технологии, как параллельная обработка, конвейер, процессор ввода-вывода, виртуальная память, виртуальная машина, впоследствии перекочевавшие в "обычные" компьютеры.
Мэйнфреймы System/360 стали первым большим семейством компьютеров, позволявшим применять взаимозаменяемое ПО и периферийное оборудование. Вместо того чтобы приобретать новую систему, когда потребности и бюджет заметно вырастали, заказчики теперь могли просто наращивать вычислительные возможности по частям, добавляя или заменяя лишь необходимые аппаратные средства.
Различные устройства этой серии обладали полной совместимостью, что позволяло компоновать из них комплексы, как из деталей конструктора. Были созданы устройства ввода-вывода (в том числе с перфокарт), хранения данных (диски, ленточные накопители). Например, в рамках System/360 предлагался выбор из пяти процессоров, 44 периферийных устройств и 19 комбинаций питания, быстродействия и памяти. Пользователь мог эксплуатировать те же самые магнитные ленты и дисковые накопители с процессорами, отличавшимися по производительности в 100 раз. Стоил такой компьютер тогда около 2 млн долл.
Вообще говоря, в 1964 г. IBM объявила о создании шести моделей семейства System/360, ставших первыми компьютерами третьего поколения. Модели имели единую систему команд и отличались друг от друга объемом оперативной памяти и производительностью. Цифра 360 (полная окружность в градусах) указывала на возможность создать систему для приложений любого направления. При разработке моделей семейства использовался ряд новых принципов, что делало машины универсальными и позволяло с одинаковой эффективностью применять их как для решения задач из различных областей науки и техники, так и для обработки данных в сфере управления и бизнеса.
Действительно, мэйнфреймы могли решать самые разные задачи - от расчета зарплаты до расчета ракет. Подобные системы от IBM потом участвовали в американской лунной программе и в реальном масштабе времени обрабатывали данные во время экспедиций "Аполлонов". Кроме того, на базе System/360 была построена первая в мире полуавтоматическая система резервирования билетов SABRE.
 |
| Системы IBM в работе. |
В качестве элементной базы для семейства System/360 были выбраны гибридные микросхемы, благодаря чему новые модели стали считать машинами третьего поколения. В ранних своих компьютерах IBM использовала транзисторы, полученные по лицензии от корпорации Texas Instruments (http://www.ti.com). Но впоследствии руководство IBM приняло решение выпускать все электронные компоненты самостоятельно, чтобы не зависеть от внешних поставщиков и обеспечить максимально низкие цены на электронику. При разработке же System/360 руководство IBM решило не полагаться на интегральные схемы, изобретенные в 1959 г., так как в то время это была новая, еще не апробированная и дорогая технология. Вместо этого в IBM была разработана гибридная технология SLT (Solid Logic Technology).
Другой проблемой было производство памяти, основанной на магнитных сердечниках. Конечно, IBM обладала современными технологиями, но нужны были новые производственные мощности. Было расширено существующее подразделение в Кингстоне и построена новая фабрика в Боулдере (шт. Колорадо). Но и это полностью не решило проблему, и тогда был проведен эксперимент по переносу части производственных мощностей в Японию, где работники на фабрике изготовляли модули памяти вручную, без автоматического оборудования. Зарплаты японских рабочих, при самом высоком качестве работы, были тогда столь низки, что память, сделанная в Японии, оказывалась дешевле памяти, изготовленной в США при помощи автоматического оборудования.
Таким образом, на транзисторные машины второго поколения пришлось всего лишь пять лет в биографии IBM. При создании семейства System/360 IBM в последний раз позволила себе роскошь выпускать компьютеры, несовместимые с предыдущими моделями. Но самое главное, что эти компьютеры породили новое явление в компьютерной индустрии, создав так называемую платформу. Под этим обычно понимают индустриальный стандарт на аппаратное обеспечение с частично или полностью открытой архитектурой, что дает возможность сторонним фирмам производить периферийное оборудование и строить собственные системы на ее основе.
Кроме того, IBM разработала широкий набор эмуляторов и имитаторов предыдущих компьютеров, чтобы облегчить пользователям переход на компьютеры серии System/360. Заменив свои системы на семейство IBM System/360, пользователи могли в течение многих лет работать с компьютерами этой серии, переходя на все более мощные машины без затрат на переработку ПО. Концепция программно-совместимого семейства компьютеров стала стандартом для всей компьютерной промышленности. Широко известная теперь серия вывела компанию в неоспоримые лидеры в области вычислительной техники. Только в США было установлено более 20 тыс. мэйнфреймов System/360, что дало IBM возможность поставить под свой контроль две трети всего рынка компьютеров.
Спустя шесть лет, в 1971 г., IBM представила две первые модели семейства System/370 (370/135 и 370/195), преемников System/360 на новой технологической базе - монолитных интегральных схемах. Запуском в производство моделей семейства System/370 руководил Т. В. Лерсон, сменивший в 1974 г. Т. Дж. Уотсона-мл. на посту президента IBM. Появление новой серии не стало революцией, скорее это была эволюция ранних идей. Компьютеры линейки System/370 были уже полностью построены на интегральных схемах, что дало увеличение производительности по сравнению с линейкой System/360. Новые машины были более надежными, а благодаря использованию полупроводниковой памяти уменьшились в размерах.
Стоит отметить, что самые передовые решения, приводящие к повышению производительности, сразу же появлялись на этих машинах. Так, модель IBM 360/67 имела аппаратуру динамического преобразования адресов. B IBM 360/91 была реализована способность устройства управления обнаруживать все операции, допускающие одновременное исполнение. Многопроцессорность на основе общей оперативной памяти была также реализована в IBM 360/67. При этом межпроцессорную связь обеспечивала команда "сигнал процессору", предусматривающая передачу и прием кода приказа, декодирование кодов приказов и ответ процессору, пославшему сигнал. Для связи процессоров была добавлена дюжина новых команд. Предусмотрена была возможность прерывания одного процесса другим (например, в IBM System/360 модели 65 MP).
Выпущенная в 1971 г. System/370 модели 145 стала первым универсальным компьютером, в котором использовались большие интегральные схемы для построения оперативной памяти и логических функций. Новая технология, заменившая SLT, позволила интегрировать на одной микросхеме элементы, ранее размещавшиеся на нескольких. Благодаря этому машины System/370 стали в три-пять раз производительнее, чем System/360, построенные по SLT-технологии. Кроме того, в модели 145 память на магнитных сердечниках была заменена памятью на основе полупроводниковой технологии.
Мэйнфрейм System/370-45 стал одним из первых серийных компьютеров, использующих технологию "виртуальной памяти". Эта технология расширила возможности компьютеров за счет того, что пространство на жестком диске стало можно использовать для размещения дополнительной оперативной памяти, необходимой для работы ПО. Опережающий просмотр команд для динамического предсказания логических переходов был реализован в машине IBM 3081. Средством повышения производительности стали и присоединенные процессоры, подключавшиеся к центральным ЭВМ в качестве периферийных устройств. Были разработаны специальные устройства, предназначенные для решения очень узких классов задач, однако из-за небольших тиражей и высокой стоимости их применение было ограничено.
В 70-х годах получили широкое распространение матричные процессоры - устройства, реализовавшие концепцию "одна команда - много данных". Матричный процессор IBM-3838 состоял из управляющего процессора, оперативной памяти емкостью до 1 Мбайт, пяти процессорных элементов и устройства сопряжения с каналом, обеспечивающего скорость обмена с компьютером 3-4,5 Мбайт/с. Слово данных матричного процессора имело длину 32 бит. Одновременно матричный процессор мог обрабатывать до семи пользовательских задач. Все процессоры выполняли одновременно одну команду, каждый над своими данными. Производительность матричного процессора оценивалась как 30 MFLOPS или 100 MIPS.
С 1983 г. началась поставка моделей System/370 Extended Architecture. Накопленный компанией опыт позволил создать архитектуру ESA/370, а затем ESA/390. В 1990 г. были выпущены мэйнфреймы семейства 390, которые, как и все предыдущие модели этих семейств, поддерживали совместимость приложений снизу вверх. В 1995 г. появились серверы S/390 Parallel Enterprise Server.
Следующее поколение суперскалярной RISC-технологии, разработанное IBM к концу 80-х годов, - архитектура POWER (Performance Optimization with Enhanced RISC). В начале 1990 г. успешно дебютировала серия RISC System/6000. Тогда же для IBM RS/6000 была выпущена версия ОС Unix, названная AIX Version 3. В 1990 г. IBM продала 25 тыс. компьютеров RS/6000. Объем нового бизнеса IBM к концу того же года достиг 1 млрд долл.
Корпорация IBM учитывала приверженность пользователей к мэйнфреймам, связанную с хорошо обкатанными приложениями, развитыми возможностями защиты данных, резервного копирования и восстановления после сбоев. Однако мэйнфреймы на биполярных микросхемах, обеспечивая быстродействие 60 MIPS на один процессор, требовали водяного охлаждения, слишком много электроэнергии, специальных инженерных сооружений и больших площадей. Взамен IBM предложила мэйнфреймы на КМОП-процессорах, которые обходились потребителям на 70% дешевле.
Существенно, что IBM удваивала производительность КМОП-мэйнфреймов каждые полтора года. Всего за десять лет сменилось пять поколений машин на базе КМОП. Мэйнфреймы System/390 G5 в конфигурации с 10 процессорами способны выполнять до 900 млн инструкций в секунду. Технология IBM S/390 Parallel Sysplex позволяет еще больше увеличить производительность. Неотъемлемой частью архитектуры кластеризации IBM Parallel Sysplex стала технология объединения вычислительных систем, позволяющая нескольким компьютерам взаимодействовать с общим полем данных. При ее использовании коэффициент готовности системы достигает 99,999%.
Для балансировки распределения трафика между серверами, входящими в кластер Sysplex, корпорации IBM и Cisco Systems предлагают совместно разработанное ПО Generic Routing Encapsulation. Это один из результатов стратегического альянса двух корпораций.
На платформе S/390 работают прикладные системы класса ERP компаний SAP, People Soft, Oracle, Baan. Сама IBM предлагает набор программных и аппаратных средств IBM Treasure Series for S/390 для создания хранилищ данных, механизмов поиска и анализа информации приложений SAP R/3 в СУБД DB2.
После выпуска S/390 G5 корпорации IBM удалось захватить 95% мирового рынка мэйнфреймов. В 2000 г. появилось их шестое поколение - S/390 G 6.
Новое поколение - zSeries
Когда в октябре 2000 г. в IBM приступили к ребрэндингу своих серверных систем, эти преобразования были представлены как реакция на растущие требования бизнеса в Интернете. Руководство корпорации объявило о своем намерении использовать на всех платформах такие открытые стандарты и продукты, как TCP/IP, HTML, Java, XML, Apache, и о желании поддерживать быстро приобретающую популярность ОС Linux. Именно тогда мэйнфреймы получили название eServer zSeries, призванное подчеркнуть нулевое время простоя (zero down time) этих систем.
Архитектура z/Architecture, на которой основаны системы zSeries, - это новый стандарт производительности и интеграции, ставший продолжением концепции сбалансированной системы в архитектуре S/390. Такие системы способны устранять узкие места, связанные с недостатком адресуемой памяти, предоставляя фактически неограниченные возможности 64-разрядной адресации и обеспечивая огромный запас для непредвиденных рабочих нагрузок и приложений растущего предприятия.
Новым флагманом мэйнфреймов стала серия компьютеров IBM eServer zSeries 900, оптимизированная для задач электронного бизнеса. В ее состав входят 64-разрядные многопроцессорные системы с оперативной памятью объемом 64 Гбайт и с пропускной способностью системы ввода-вывода и адаптеров сетевых каналов, составляющей 24 и 3 Гбайт/с соответственно. Производительность zSeries 900 превышает 2500 MIPS. Важнейший их компонент - 20-процессорный модуль MCM (Multi-Chip Module). Его 16 процессоров предназначены для исполнения прикладных задач в SMP-режиме, а остальные выполняют такие системные функции, как управление вводом-выводом, восстановление при возникновении ошибок, криптозащита.
Каждая система может работать автономно или в составе кластера Parallel Sysplex совместно с другими компьютерами zSeries и системами IBM S/390. Кластер обеспечивает высокую масштабируемость и исключительный уровень готовности. До 32 систем zSeries 900 можно объединять в кластеры на базе технологии Parallel Sysplex.
В 15 логических разделах zSeries 900 могут независимо друг от друга работать различные ОС (z/OS, z/VM и Linux for zSeries), обращаясь к общим системным ресурсам.
Выпуск новой и недорогой системы начального уровня IBM zSeries 800 (ранее известной под кодовым названием Raptor - "хищник") радикально изменил ценовые характеристики рынка мэйнфреймов. Новая система доступна в нескольких вариантах: восемь моделей общего назначения и единственный в своем роде мэйнфрейм под полным управлением Linux. Отличаются они прежде всего числом процессоров (от одного до четырех) и объемом оперативной памяти (от 8 до 32 Гбайт).
С выпуском zSeries 800 корпорация IBM смогла предложить высокую надежность и производительность технологии zSeries заказчикам, которым мэйнфреймы раньше были не по средствам. Кроме того, IBM впервые реализовала современную технологию кластеризации Parallel Sysplex на мэйнфреймах начального уровня. Напомним, что эта технология обеспечивает практически нулевое время простоя, высокую доступность приложений и надежность бизнеса за счет объединения нескольких мэйнфреймов в сетевой кластер.
Заказчики, использующие мэйнфреймы, все чаще добавляют новые Web-приложения в существующие инфраструктуры для экономии энергии, пространства и расходов на управление. Система zSeries 800 рассчитана на варианты объединения серверов для заказчиков со средним уровнем финансовых возможностей. Она позволяет отказаться от дорогостоящих и недозагруженных серверных пулов, составленных из Web-серверов, серверов файлов, печати и электронной почты, за счет переноса всей нагрузки на один мэйнфрейм, упрощая, таким образом, администрирование и снижая затраты. Благодаря технологии виртуальных машин IBM z/VM система zSeries 800 может объединить от 20 до нескольких сотен серверов Sun или Intel на одной физической платформе.
Благодаря современной технологии система zSeries 800 предоставляет экономичную и гибкую среду для разработки, тестирования и эксплуатации приложений, переноса приложений с 32- на 64-разрядную платформу и новых рабочих нагрузок электронного бизнеса. В zSeries 800 нашли применение технологии самовосстановления и самоуправления, реализованные в компьютерах IBM, включая резервные мощности, кластеры Parallel Sysplex, одновременный ввод-вывод и автоматическое обращение в IBM при обнаружении неисправности системы. Одновременно с новыми мэйнфреймами IBM анонсировала специальную версию 64-разрядной ОС z/OS.e, которая предназначается для исполнения приложений электронного бизнеса, в том числе сервера приложений WebSphere, баз данных DB2 и приложений MQSeries.
Самая мощная на сегодняшний день система масштаба предприятия - это модель eServer zSeries 990 (кодовое название T-Rex, "Тиранозавр"). Подобные системы предназначены для компаний финансового сектора и других отраслей, где требуется максимальная отказоустойчивость, защита информации и высокие вычислительные возможности. Стоимость нового IBM eServer zSeries 990 начинается с 1 млн долл. Новая система - результат четырех лет работы 1200 разработчиков IBM. Инвестиции в разработку "Тиранозавра", по словам представителей IBM, составили около 1 млрд долл. Но система стоит того.
Считается, что zSeries 990 - самый мощный и масштабируемый мэйнфрейм IBM за всю их 40-летнюю историю. Этот сервер обладает вдвое большими возможностями виртуализации и способностью делать примерно втрое больше работы, чем zSeries 900. В дополнение к новому дизайну, который позволяет заказчикам наращивать мощность без отключения системы, значительно упрощена структура продукта.
Производительность 32-процессорной системы zSeries 990 составляет 9000 MIPS, что втрое превышает показатели zSeries 900. Эта модель содержит в два раза больше процессоров, причем масштабировать сервер от одного до 32 процессоров допустимо без отключения системы.
На zSeries 990 поддерживается до 30 логических разделов (LPAR), что вдвое превышает возможности zSeries 900. С помощью версии z/VM 4.4 заказчики могут быстро создавать и эффективно управлять сотнями виртуальных Linux-серверов в одном физическом корпусе. Расширенные технологии виртуализации IBM делают zSeries 990 хорошей платформой для консолидации, когда необходимо сократить стоимость групп серверов и затраты на их управление.
Побивая собственный рекорд безопасности, новая 16-процессорная система zSeries 990 может обрабатывать11 000 транзакций в секунду, проводимых по протоколу Secure Sockets Layer (SSL); это на 57% выше по сравнению с 16-процессорной системой zSeries 900. Квитирование установления связи по протоколу SSL, то самое, что вызывает появление в нижней панели браузеров пиктограммы запертого замка, очень важно для транзакций электронного бизнеса и позволяет безопаснее обрабатывать заказы в оперативном режиме. Возможность обработки большего количества транзакций SSL означает, что компании смогут обслуживать больше заказчиков и за меньшее время обеспечивать больший объем продаж.
Для тех заказчиков, которым нужна высокая способность к подключению для новых задач электронного бизнеса, выполняемых на мэйнфрейме, система zSeries 990 предоставляет до 512 каналов ввода-вывода, что вдвое превышает возможности ее предшественницы. Кроме того, теперь доступно до 16 HiperSocket, которые обеспечивают высокоскоростное соединение по протоколу TCP/IP между виртуальными серверами в пределах одной системы zSeries 990 (это вчетверо превышает возможности zSeries 900). IBM также представила новую технологию под названием "логическая канальная подсистема", которая облегчит для заказчиков консолидацию нескольких мэйнфреймов в единую систему zSeries 990. В zSeries 990 по сравнению с zSeries 900 вчетверо увеличен объем памяти - 256 Гбайт против 64 Гбайт. Сердце zSeries 990 - многокристальный модуль MCM.
Подарок к юбилею
В сороковую годовщину появления мэйнфрейма System/360 корпорация IBM анонсировала систему eServer z890 с современной технологией для упрощения ИТ-среды. Эта система позволила предложить и новые ценовые условия для компаний среднего бизнеса. Кроме того, был объявлен сервер хранения IBM TotalStorage Enterprise Storage Server 750, обеспечивающий профессиональные корпоративные возможности более крупных систем хранения новому сегменту заказчиков. Вместе новый мэйнфрейм и системы хранения позволят компаниям среднего бизнеса консолидировать и упростить свою ИТ-среду с помощью самых современных отраслевых технологий.
Мэйнфрейм z890 создан на основе технологии z990 и предлагает высокий уровень гибкости, виртуализации, автоматизации и масштабируемости. Старшая модель линейки z890 почти в два раза превосходит по вычислительной мощности старшую модель линейки z800, что стало результатом практически 100%-ного увеличения производительности каждого центрального процессора общего назначения. Но, обеспечивая в целом значительное превосходство в вычислительной мощности по сравнению с z800, мэйнфрейм z890 благодаря высокой гибкости предлагается и в виде моделей начального уровня, вычислительная мощность которых более чем на 30% ниже, чем у серверов начального уровня z800. Кроме того, IBM предлагает z890 в качестве единой модели с 28 уровнями вычислительной мощности, что позволяет заказчикам более точно соизмерять размер сервера со своими бизнес-требованиями.
IBM продолжает развивать инновации, использующиеся в мэйнфреймах, добавляя новые возможности в системы z890 и z990. Так, чтобы обеспечить интеграцию Web-приложений на базе zSeries, была разработана новая технология zSeries Application Assist Processor (zAAP) - первая в отрасли среда выполнения Java, специально настроенная для работы с z/OS. Она предназначена для заказчиков, стремящихся интегрировать на одной серверной платформе Web-приложения на основе технологии Java с существующими базовыми бизнес-приложениями и данными. Технология zAAP позволяет увеличить общую системную производительность, упростить серверную инфраструктуру и повысить эффективность эксплуатации при одновременном снижении общих расходов на выполнение вычислений для Java-приложений, развернутых на платформе zSeries.
Расширенная с учетом поддержки zAAP, функция изменения вычислительной мощности по запросу, On/Off CoD (On/Off Capacity on Demand) обеспечивает дополнительные вычислительные ресурсы для кластерных систем Parallel Sysplex и рабочих нагрузок Java. Это позволяет с максимальной гибкостью реагировать на неожиданные изменения спроса.
Для упрощения инфраструктуры предназначен контроллер OSA Express Integrated Console Controller, благодаря которому устраняется потребность в определенном периферийном аппаратном обеспечении и поддерживается до 120 соединений для сеанса консоли.
Усовершенствования для z990 также включают поддержку до четырех логических подсистем каналов, до 1024 каналов ввода-вывода и улучшенную возможность соединения сетей, что помогает ИТ-специалистам упростить управление наиболее сложной инфраструктурой в многофункциональной среде.
Одновременно с новой системой IBM представила и новую версию ОС z/OS 1.6, выход которой запланирован на сентябрь 2004 г. Эта ОС содержит множество усовершенствований, предназначенных для интеграции рабочих нагрузок Java в среде z/OS, включая поддержку zAAP, улучшенное управление рабочими нагрузками для приложений Web-серверов и усовершенствованные средства обеспечения доступности IP-сетей. Кроме того, IBM планирует включить в z/OS 1.6 64-разрядную среду приложений для C/C++ и Java SDK, которая повысит масштабируемость и упростит портирование приложений.
Новая версия z/VM с усовершенствованными функциями виртуализации предназначена для хостинга Linux с улучшенной поддержкой сетей, функций безопасности и открытых устройств (SCSI). z/VSE V3R1 - это следующее поколение VSE для заказчиков zSeries, для которого планируется поддержка открытых устройств (SCSI). Операционная система z/VSE работает в 31-разрядном режиме.
Технология безопасности для мэйнфреймовВ начале года IBM представила новую технологию безопасности (часть релиза операционной системы мэйнфреймов z/OS 1.5) и впервые в индустрии реализовала централизованное управление многоуровневой системой безопасности. Вместе с IBM DB2 Universal Database for z/OS Version 8 решение IBM обеспечивает многоуровневую защиту мэйнфреймов zSeries, что облегчает выполнение требований законодательства и органов финансового контроля и открывает новые возможности электронного хостинга. Эта технология также улучшает совместное использование важной конфиденциальной информации правительственными и другими организациями. Технология многоуровневой защиты позволяет администраторам ИС предоставлять доступ к информации на основе потребностей пользователя или его полномочий. Она предотвращает неавторизованный доступ и разглашение секретной информации. IBM z/OS 1.5 и DB2 V8 позволяют управлять единым хранением данных на уровне строк и доступом к данным пользователей на основе персональных потребностей. Например, если пользователю присвоен самый высокий уровень допуска к секретной информации, то он получает больше прав на использование базы данных, чем обычный пользователь. Внедрение нового решения IBM избавляет организации от необходимости дублировать инфраструктуру для защиты секретных данных, что, в свою очередь, помогает сократить расходы на ИТ, размещение и администрирование. Кроме того, обеспечивается лучшая оперативность данных, их совместное использование, администрирование и управление, поскольку не требуется объединять информацию из разных источников. Как известно, централизованное управление многоуровневой защитой - основная задача для правительственных учреждений, которые хотят ликвидировать дублирование инфраструктуры и упростить организацию совместного использования информации разными ведомствами при повышенном уровне безопасности. ПО IBM z/OS и DB2 может помочь частным компаниям обеспечить безопасность и открывает новые возможности предоставления услуг безопасного хостинга. Многоуровневая безопасность z/OS может использовать такие преимущества IBM eServer zSeries, как мощная криптозащита, высокая доступность, масштабируемость и гибкость для обеспечения надежной защиты среды. |
Заключение
В 90-х годах прошлого века сложилось впечатление, что все задачи можно решить при помощи персональных компьютеров, объединенных в сеть. Чуть позже на замену мэйнфреймам предполагался Интернет. Однако, как показывают сегодняшние реалии, поколебать рыночные позиции этих монстров ИТ-отрасли так и не удалось. На самом деле ПК просто расширили область применения компьютеров и в бизнесе, и в быту, однако ряд задач по-прежнему невозможно решить иначе как на мэйнфрейме.
Мэйнфреймы используются в критически важных областях деятельности компаний, а сроки их службы исчисляются десятилетиями. Поэтому многие из этих машин успешно работают до сих пор. В новом веке интерес к мэйнфреймам вновь растет. Их высокая надежность и производительность остаются непреходящими ценностями. Мэйнфреймы отлично вписались в Интернет-эру; а, может быть, Интернет - лишь один из путей их эволюции. По мнению ряда экспертов, мэйнфреймы, например, практически неуязвимы для вирусов, что привлекает корпорации, желающие застраховаться от кибератак.
Мэйнфреймы пригодны для решения практически любых задач - от научных и инженерных до деловых, требующих больших вычислительных мощностей. Они имеют хорошо сбалансированную многопроцессорную архитектуру с возможностью загрузки нескольких независимых копий ОС. Масштабируемость архитектуры позволяет при увеличении количества процессоров и памяти получать контролируемый, расчетный прирост производительности. Большой объем оперативной памяти таких систем создает новые, ранее недоступные возможности во многих прикладных областях - от ведения больших резидентных баз данных до сложных научных вычислений, например, в таких областях, как исследование генома человека или морская нефтеразведка.
Третье поколение ЭВМ
Бурно развивающаяся авиация, космическая техника и другие области науки и техники требовали миниатюрных, надежных и быстрых вычислительных устройств. Поэтому дальнейшее развитие электронной вычислительной техники требовало разработки новой технологии, и такая технология не замедлила появиться. Новый прорыв в производительности, надежности и миниатюризации позволила сделать технология интегральных схем, ознаменовавшая собой переход на третье поколение ЭВМ, создаваемых с 1964 по 1974 г.г.
Использование интегральных схем позволило получить ряд преимуществ:
1. Увеличилась надежность ЭВМ. Надежность интегральных схем – на порядок выше надежности аналогичных схем на дискретных компонентах. Повышение надежности, в первую очередь, обусловлено уменьшением межсхемных соединений, являющихся одним из слабейших звеном в конструкции ЭВМ. Повышение надежности, в свою очередь, привело к значительному снижению стоимости эксплуатации ЭВМ.
2. За счет повышения плотности упаковки электронных схем, уменьшилось время передачи сигнала по проводникам и, как следствие, увеличилось быстродействие ЭВМ.
3. Производство интегральных схем хорошо поддается автоматизации, что при серийном производстве резко уменьшает себестоимость производства и способствует популяризации и расширению области применения ЭВМ.
4. Высокая плотность упаковки электронных схем уменьшила на несколько порядков габариты, массу и потребляемую мощность ЭВМ, что позволило использовать их в недоступных до этого областях науки и техники, таких как авиация и космическая техника.
Несмотря на явные преимущества использования технологии интегральных схем, на практике их массовое применение в ЭВМ началось спустя 12 лет, после разработки концепции интегральной схемы, опубликованной в 1952 году Джеффри Даммером из британского министерства обороны . Однако, Даммер только высказал идею о создании электронных элементов в виде единого блока при помощи полупроводниковых слоев из одного и того же материала, а как на практике в едином монолите разместить несколько элементов он не указал. В 1956 году Даммер пытался воплотить в реальность свои идеи, но разработанные устройства оказались неработоспособными.
На практике реализовать изложенные идеи удалось Джеку Килби из фирмы Texas Instruments и Роберту Нойсу из небольшой компании Fairchild Semiconductor.
В мае 1958 года Джек Килби устроился на работу в Texas Instruments, где он стал заниматься разработкой транзисторов, конденсаторов и резисторов (до этого он работал в Centralab и занимался производством слуховых аппаратов на базе транзисторов). Однажды команда, в которой работал Джек Килби, получила задание проработать варианты создания альтернативных микромодулей. Предлагались различные варианты, и Килби, обдумывая задачу, пришел к выводу, что компании выгоднее всего производить только полупроводниковые элементы, и что резисторы и конденсаторы можно сделать из того же материала, что и активные элементы, и разместить их в едином монолитном блоке из того же материала. Обдумывая эту идею, Джек прикинул топологию схемы мультивибратора. Так 24 июля 1958г. родилась идея практической реализации интегральной схемы.
Изложив свои идеи начальству, Джек получил задание создать опытный образец для доказательства состоятельности своих расчетов. Тогда была построена схема триггера из дискретных германиевых элементов. 28 августа 1958 года Джек Килби продемонстрировал макет Уиллису Эдкоку.
После одобрения начальства, Килби приступил к созданию настоящей монолитной интегральной микросхемы – генератора с фазовым сдвигом.
Параллельно с Джеком Килби разработкой интегральной микросхемы занимался Роберт Нойс. Роберту крайне не нравилась технология производства дискретных элементов. Он говорил, что довольно бессмысленным выглядит трудоемкий процесс нарезаний пластины кремния на отдельные элементы, а затем соединение их в единую схему. Нойс предложил изолировать отдельные транзисторы в кристалле друг от друга обратно смещенными p-n-переходами, а поверхность покрывать изолирующим окислом. Контакт между отдельными элементами осуществлялся через вытравленные в изолирующем окисле по специальному шаблону участки на поверхности микросхемы. Эти участки соединялись между собой тонкими линиями из алюминия.
Килби создал свою микросхему и подал заявку на патент чуть раньше Нойса, однако, технология Нойса была более продуманной и удобной, и документы на заявку подготовлены тщательнее. В результате, патент на изобретение Нойс получил раньше – в апреле 1961 года, а Килби – только в июне 1964 года.
Последовавшие за тем многочисленные судебные разбирательства и война за право считаться изобретателем технологии закончились миром. В конечном итоге, Апелляционный Суд подтвердил претензии Нойса на первенство в технологии, но постановил считать Килби создателем первой работающей микросхемы.
Серийный выпуск интегральных схем был налажен в 1961 году, тогда же была создана фирмой " Texas Instruments" по заказу ВВС США первая экспериментальная ЭВМ на интегральных схемах. Разработка велась 9 месяцев и была завершена в 1961г. ЭВМ имела всего 15 команд, была одноадресной, тактовая частота была 100 КГц, емкость запоминающего устройства – всего 30 чисел, для представления чисел использовалось 11 двоичных разрядов, потребляемая мощность составляла всего 16Вт, вес – 585гр, занимаемый объем – 100 кубических сантиметров.
Первые интегральные схемы были малой плотности, но со временем технология их производства отлаживалась, плотность возрастала. В ЭВМ третьего поколения использовались интегральные схемы малой и средней плотности, позволяющие в одном кристалле объединять сотни элементов. Такие микросхемы могли использоваться, как отдельные операционные схемы – регистры, дешифраторы, счетчики и т.д.
Появление интегральных схем позволило усовершенствовать структурную схему ЭВМ второго поколения. Так сильно связанные устройства управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) были объедены в единый блок, который стал называться процессором. Причем, в процессоре могло быть несколько арифметико-логических устройств, каждое из которых выполняло свою функцию, например, одно АЛУ было ориентированно на работу с целыми числами, другое – с числами с плавающей точкой, а третье – с адресами. Также могло быть несколько устройств управления, одно – центральное, и несколько – периферийных, используемых для управления отдельными блоками ЭВМ.
Часто ЭВМ состояли из нескольких процессоров, что позволяло максимально полно использовать открывшиеся перспективы в параллельном решении задач.
В ЭВМ третьего поколение уже четко выделяется иерархия памяти. ОЗУ делится на независимые блоки с собственными системами управления, работающие параллельно. Структура оперативной памяти делится на страницы и сегменты. Развивается и внутренняя память процессора – создаются предпосылки к вводу кэширования памяти.
Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) подключаются через специальный контроллер селекторного канала (КCК). Их емкость и скорость значительно возрастают. Так в июне 1973 года в качестве внешнего накопителя был выпущен жесткий диск IBM 3340.
Накопитель был герметичным – это защищало рабочие поверхности дисков от пыли и грязи, что позволяло размещать головки очень близко к магнитной поверхности диска. Впервые, был применен принцип аэродинамической магнитной головки, которая буквально парила над вращающейся поверхностью жесткого диска под действием аэродинамической силы.
Все это позволило значительно увеличить плотность записи (до 1.7 Мбит на квадратный дюйм) и увеличить емкость до 30 Мбайт (на несменном носителе). Также у накопителя имелся сменный носитель емкостью 30 Мбайт.
Наряду с совершенствованием логических устройств и памяти, полным ходом шла модернизация устройств ввода-вывода. Быстродействие новых ЭВМ требовало более быстрой и надежной системы ввода-вывода данных, чем устройства чтения перфокарт и телетайпы. На смену им пришли клавиатуры, панели графического ввода, дисплеи со световым карандашом, плазменные панели, растровые графические системы и другие устройства.
Большое разнообразие периферийных устройств, их сравнительно большое быстродействие, необходимость отделить операции ввода-вывода от вычислительного процесса привело к созданию специализированного контроллера мультиплексного канала (КМК), позволившего процессорам работать параллельно с вводом-выводом данных.
Обобщенная структурная схема ЭВМ третьего поколения, иллюстрирующая вышесказанное, изображена на схеме ниже.
На схеме:
УВВ – устройство ввода-вывода;
ОЗУ – одно или несколько оперативных запоминающих устройств;
АЛУ - одно или несколько арифметико-логических устройств;
УУ - одно или несколько устройств управления;
МК - контроллер мультиплексного канала (канала для подключения медленных устройств);
СК - контроллер селекторного канала (канала для подключения высокоскоростных устройств);
ВЗУ – внешнее запоминающее устройство.
Использование интегральных технологий значительно снизило стоимость ЭВМ, что незамедлительно привело к повышению спроса. Многие организации приобрели ЭВМ и успешно их эксплуатировали. Немаловажным фактором становится стремление к стандартизации и выпуску целых серий ЭВМ программно совместимых снизу вверх.
Возникает огромная потребность в прикладных программных продуктах, а так как рынок программного обеспечения еще не развит, и найти готовое, надежное и дешевое программное обеспечение практически невозможно, возникает гигантский рост популярности программирования и спроса на грамотных разработчиков программных продуктов. Каждое предприятие стремится организовать свой штат программистов, возникает специализированные коллективы, занимающиеся разработкой программного обеспечения и стремящиеся занять кусочек еще неосвоенной ниши на арене быстро растущей компьютерной технологии.
Рынок программного обеспечения быстро развивается, создаются пакеты программ для решения типовых задач, проблемно-ориентированные программные языки и целые программные комплексы для управления работой ЭВМ, которые впоследствии получат название – операционные системы.
Первые операционные системы начали появляться еще во времена ЭВМ второго поколения. Так в 1957 году компанией Bell Labs была разработана операционная система BESYS (Bell Operating System). А в 1962 году была разработана компанией General Electric операционная система GCOS (General Comprehensive Operating System), ориентированная для работы на Мейнфреймах. Но это все были только предпосылки к созданию, по-настоящему, популярных и востребованных операционных систем. К концу 1960-х годов уже был создан целый ряд операционных систем, реализующий множество необходимых функций по управлению ЭВМ. Всего эксплуатировалось более сотни различных ОС.
Среди наиболее развитых операционных систем были:
OS/360 , разработанная фирмой IBM в 1964 году для управления мейнфреймами;
MULTICS - одна из первых операционных систем с разделением времени исполнения программ;
UNIX , разработанная в 1969 году и, впоследствии, разросшаяся до целого семейства операционных систем, многие из которых являются одними из самых популярных на сегодняшний день.
Использование операционных систем упростило работу с ЭВМ и способствовало популяризации электронной вычислительной техники.
На фоне значительного роста интереса к электронной вычислительной техники в США, Европе, Японии и других странах, в СССР наблюдается спад прогресса в этой области науки. Так в 1969 году Советский Союз заключил соглашение о сотрудничестве в разработке Единой системы ЭВМ, за образец которой была взята одна из лучших на тот момент ЭВМ – IBM360. Ориентация СССР на зарубежные достижения в дальнейшем привела к значительному отставанию в области вычислительной техники.
Среди ЭВМ третьего поколения наиболее значимыми разработками были:
IBM System - 360 - целое семейство ЭВМ, выпуск которого начался с 1964 года. Все модели семейства имели единую систему команд и отличались друг от друга объемом оперативной памяти и производительностью, и были универсальными, способными решать, как сложные логические задачи, так и быть полезными в экономических расчетах. Универсальность ЭВМ отражена и в ее названии. 360 означает 360 градусов, т.е. ее возможность работать в любом из направлений. Затраты на разработку System-360 составили около 5 млрд. долларов США, что вдвое превышало расходы США во время второй мировой войны на Манхэттенский проект, целью которого было создание атомной бомбы. Проект по созданию IBM 360 уступал по стоимости только программе «Аполлон» . Архитектура IBM 360 оказалась чрезвычайно удачной и во многом определила направление развития вычислительной техники;
PDP8 – мини-ЭВМ, разработанная 22 марта 1965 года фирмой Digital Equipment Corporation (DEC). Термин «мини» – относительный. Эта ЭВМ была размером примерно с холодильник, но, по сравнению с другими представителями электронных вычислительных машин, размер её был действительно миниатюрным. Этот проект был коммерчески очень выгодным. Всего было продано около 50 000 экземпляров этой машины. Система PDP-8 имела массу аналогичных решений – клонов по всему миру. Так в СССР было разработано несколько аналогов этой ЭВМ: Электроника-100, Саратов-2 и др.;
Наири 3 – одна из первых самостоятельно разработанных в СССР ЭВМ третьего поколения. Эта разработка увидела свет в 1970 году в Ереванском научно-исследовательском институте математических машин. В ней использовался упрощенный машинный язык, призванный облегчить программирование. Также была возможность вводить некоторые задачи на математическом языке;
ЕС ЭВМ - единая система электронных вычислительных машин, за основу которой была взята удачная и хорошо себя зарекомендовавшая архитектура IBM System-360. Первые машины этой серии были созданы в СССР в 1971 году. Производительность первых образцов была от 2 750 операций в секунду (ЕС-1010) до 350 000 операций в секунду (ЕС-1040). Впоследствии, производительность удалось поднять до нескольких десятков миллионов операций в секунду, но, практически, все эти разработки были остановлены в 1990-х годах после распада СССР;
ILLIAC 4 – одна из самых производительных вычислительных машин третьего поколения. ILLIAC 4 была создана в 1972 году в Иллинойском университете и обладала конвейерной архитектурой, состоящей из 64 процессоров. ЭВМ предназначалась для решения системы уравнений в частных производных и обладала быстродействием, порядка 200 млн. операций в секунду.
Этот список можно продолжать и дальше, но и так ясно, что ЭВМ уже прочно и на долго вошли в нашу жизнь, и их дальнейшее развитие и совершенствование уже не остановить. С развитием технологии производства интегральных схем плотность компоновки элементов постепенно увеличивалась. Стали появляться сверх большие интегральные схемы, и ЭВМ третьего поколения, строящиеся на интегральных схемах малой и средней плотности, постепенно стали вытесняться ЭВМ четвертого поколения на больших и сверх больших интегральных схемах.
Список используемой литературы
1. История развития вычислительной техники. Ланина Э.П. ИрГТУ, Иркутск – 2001 г.
2. Развитие вычислительной техники. Апокин И.А. М., «Наука», 1974 г.
3. Технарский взгляд.
4. Методолог.
6. От абака до компьютера. Р. С. Гутер. Издательство «Знание», Москва 1981.
Разработка в 60-х годах интегральных схем - целых устройств и узлов из десятков и сотен транзисторов, выполненных на одном кристалле полупроводника (то, что сейчас называют микросхемами) привело к созданию ЭВМ 3-го поколения. В это же время появляется полупроводниковая память, которая и по сей день используется в персональных компьютерах в качестве оперативной. Применение интегральных схем намного увеличило возможности ЭВМ. Теперь центральный процессор получил возможность параллельно работать и управлять многочисленными периферийными устройствами. ЭВМ могли одновременно обрабатывать несколько программ (принцип мультипрограммирования). В результате реализации принципа мультипрограммирования появилась возможность работы в режиме разделения времени в диалоговом режиме. Удаленные от ЭВМ пользователи получили возможность, независи-мо друг от друга, оперативно взаимодействовать с машиной.
В декабре 1961 года специальный комитет фирмы IBM, изучив техническую политику фирмы в области разработки вычислительной техники, представил план-отчёт создания ЭВМ на микроэлектронной основе. Во главе реализации плана встали два ведущих разработчика фирмы -- Д. Амдал и Г. Блау. Работая с проблемой производства логических схем, они предложили при создании семейства использовать гибридные интегральные схемы, для чего при фирме в 1963 году было открыто предприятие по их выпуску. В начале апреля 1964 года фирма IBM объявила о создании шести моделей своего семейства IBM-360 («System-360»), появление которого ознаменовало появление компьютеров третьего поколения.
За 6 лет существования семейства фирма IBM пустила более 33 тыс. машин. Затраты на научно-исследовательские работы составили примерно полмиллиарда долларов (по меркам того времени -- сумма была просто огромной).
При создании семейства «System-360» разработчики встретились с трудностями при создании операционной системы, которая должна была отвечать за эффективное размещение и использование ресурсов ЭВМ. Первая из них, универсальная операционная система называлась DOS, предназначенная для малых и средних ЭВМ, позже была выпущена операционная система OS/360 -- для больших. До конца 60-х гг. фирма IBM в общей сложности выпустила более 20 моделей семейства IBM-360. В модели 85 впервые в мире был применена кэш-память (от фр. cache -- тайник), а модель 195 стала первой ЭВМ на монолитных схемах.
В конце 1970 года фирма IBM стала выпускать новое семейство вычислительных машин -- IBM-370, которой сохранило свою совместимость с IBM-360, но и имело ряд изменений: они были удобны для комплектования многомашинных и многопроцессорных вычислительных систем, работающих на общем поле оперативной памяти.
Почти одновременно с IBM компьютеры третьего поколения стали выпускать и другие фирмы. В 1966--1967 гг. их выпускали фирмы Англии, ФРГ и Японии. В Англии фирмой ICL был основан выпуск семейства машин «System-4» (производительность от 15 до 300 тыс. оп/с). В ФРГ были выпущены машины серии 4004 фирмы Siemens (машины этого семейства полностью копировали ЭВМ семейства «Spectra-70»), а в Японии -- машины серии «Hytac-8000», разработанные фирмой Hitachi (это семейство являлось модификацией семейства «Spectra-70»). Другая японская фирма Fujitsu в 1968 году объявила о создании серии ЭВМ «FACOM-230».
В Голландии фирма Philips Gloeilampenfabriken, образованная в 1968 году для выпуска компьютеров, стала выпускать компьютеры серии P1000, сравнимой с IBM-360. В декабре 1969 года ряд стран (НРБ, ВНР, ГДР, ПНР, СССР и ЧССР, а также в 1972 году -- Куба, а в 1973 году -- СРР) подписали Соглашение о сотрудничестве в области вычислительных технологий.
На выставке «ЕСЭВМ-73» (1973 г.) были показаны первые результаты этого сотрудничества: шесть моделей компьютеров третьего поколения и несколько периферийных устройств, а также четыре ОС для них.
С 1975 года начался выпуск новых модернизированных моделей ЕС-1012, ЕС-1022, ЕС-1032, ЕС-1033, имеющих наилучшее соотношение производительность/стоимость, в которых использовались новые логические схемы и схемы полупроводниковой памяти.
Вскоре появились машины второй серии сотрудничества. Наиболее ярким представителем его была мощная модель ЕС-1065, представлявшая собой многопроцессорную системы, состоящую из четырех процессоров и имевшую память 16 Мбайт. Машина была выполнена на интегральных схемах ИС-500 и имела производительность 4--5 млн. оп/с.
С машинами третьего поколения связано ещё одно значительное событие -- разработка и внедрение визуальных устройств ввода-вывода алфавитно-цифровой и графической информации с помощью электронно-лучевых трубок -- дисплеев, использование которых позволило достаточно просто реализовать возможности вариантного анализа.
История появления первых прототипов современных дисплеев относится к послевоенным годам. В 1948 году Г. Фуллер, сотрудник лаборатории вычислительной техники Гарвардского университета, описал конструкцию нумероскопа. В этом приборе, под руководством ЭВМ, на экране электронно-лучевой трубки появлялась цифровая информация.
Дисплей принципиально изменил процесса ввода-вывода данных и упростил общение с компьютером.
В 70-ых гг. XX века благодаря появлению микропроцессоров стало возможным осуществлять буферизацию как данных, принимаемых с экранного терминала, так и данных, передаваемых ЭВМ. Благодаря чему регенерацию изображения на экране удалось реализовать средствами самого терминала. Появилась возможность редактирования и контроля данных перед их передачей в ЭВМ, что уменьшило число ошибок. На экране появился курсор -- подвижная метка, инициализирующая место ввода или редактирования символа. Экран дисплея стал цветным. Появилась возможность отображения на экране сложных графических изображений -- это дало возможность для создания красочных игр (хотя первые компьютерные игры появились ещё в 1950-е, но были псевдографическими) и предназначенных для работы с графикой программ.
В эти годы производство компьютеров приобретает промышленный размах. Пробившаяся в лидеры фирма IBM первой реализовала семейство ЭВМ - серию полностью совместимых друг с другом компьютеров от самых маленьких, размером с небольшой шкаф (меньше тогда еще не делали), до самых мощных и дорогих моделей. Наиболее распространенным в те годы было семейство System/360 фирмы IBM.
Начиная с ЭВМ 3-го поколения, традиционным стала разработка серийных ЭВМ. Хотя машины одной серии сильно отличались друг от друга по возможностям и производительности, они были информационно, программно и аппаратно совместимы. Например, странами СЭВ были выпущены ЭВМ единой серии («ЕС ЭВМ») «ЕС-1022», «ЕС-1030», «ЕС-1033», «ЕС-1046», «ЕС-1061», «ЕС-1066» и др. Производительность этих машин достигала от 500 тыс. до 2 млн. операций в секунду, объём оперативной памяти достигал от 8 Мб до 192 Мб. К ЭВМ этого поколения также относится «IВМ-370», «Электроника -- 100/25», «Электроника -- 79», «СМ-3», «СМ-4» и др.
Невысокое качество электронных комплектующих было слабым местом советских ЭВМ третьего поколения. Отсюда постоянное отставание от западных разработок по быстродействию, весу и габаритам, но, как настаивают разработчики СМ, не по функциональным возможностям. Для того, чтобы компенсировать это отставание, в разрабатывались спецпроцессоры, позволяющие строить высокопроизводительные системы для частных задач. Оснащенная спецпроцессором Фурье-преобразований СМ-4, например, использовалась для радиолокационного картографирования Венеры.
Еще в начале 60-х появляются первые миникомпьютеры - небольшие маломощные компьютеры, доступные по цене небольшим фирмам или лабораториям. Миникомпьютеры представляли собой первый шаг на пути к персональным компьютерам, пробные образцы которых были выпущены только в середине 70-х годов. Известное семейство миникомпьютеров PDP фирмы Digital Equipment послужило прототипом для советской серии машин СМ.
Между тем количество элементов и соединений между ними, умещающихся в одной микросхеме, постоянно росло, и в 70-е годы интегральные схемы содержали уже тысячи транзисторов. Это позволило объединить в единственной маленькой детальке большинство компонентов компьютера - что и сделала в 1971 г. фирма Intel, выпустив первый микропроцессор, который предназначался для только-только появившихся настольных калькуляторов.
В 1969 г. зародилась первая глобальная компьютерная сеть и одновременно появились операционная система Unix и язык программирования С ("Си"), оказавшие огромное влияние на программный мир и до сих пор сохраняющие свое передовое положение.
