Презентация "История создания микропроцессорных устройств"

• 1 слайд

  История создания микропроцессорных устройств.
  Часть 1
  Презентация по дисциплине «Автоматизация производства» Завгородней А.С.
  
  

• 2 слайд

  ВВЕДЕНИЕ
   Появление микропроцессора сыграло важную роль в развитии вычислительной техники, средств обработки информации и управляющих устройств. Автоматизированные системы управления, созданные на основе микропроцессорной техники, все шире внедряется во все сферы хозяйственной деятельности.
  1. ПРИЧИНЫ ПОЯВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОРОВ
   Микропроцессорные интегральные микросхемы и микро-ЭВМ, построенные на их основе, явились логическим следствием поступательного развития технологии микроэлектроники и вычислительной техники.
      Созданию современных электронных вычислительных машин (ЭВМ) предшествовал достаточно длительный период. Начало этой истории положено даже не в ХХ веке, как думают многие, а задолго даже до изобретения паровых промышленных машин. История человеческого общества сохранила сведения и свидетельства о появлении и совершенствовании таких машин, которые и близко не имели отношения к электронной технике, и тем не менее, с полным правом назывались машинами, применяемыми для выполнения точных математических расчетов.
  2. РАЗВИТИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
  Упоминания о первых вычислительных машинах относятся к XII в. Естественно, это были механические вычислительные машины.
   Первая из известных в настоящее время механическая вычислительная машина была предложена В. Шиккардом (Германия) в 1623 г. В ней были механизированы операции сложения и вычитания, а операции умножения и деления выполнялись с элементами механизации. В 1641 г. Б. Паскаль (Франция) сконструировал машину, которая тоже позволяла выполнять операции сложения и вычитания.
  
  
  

• 3 слайд

  Первой счетной машиной (рис.1), которая бы позволяла механически выполнять не только операции сложения и вычитания, но и умножения и деления, была машина, созданная Г. Лейбницем в 1673 г.
  
  
  
  Рис.1. Машина Лейбница
  
  
  
  
  
  Конечно, перечисленные машины создавались не для широкого применения, так как были очень несовершенны, сложны и очень часто ломались. Первоначальной целью создания вычислительной машины явилась потребность освобождения человека от рутинной и однообразной работы, связанной с вычислениями, что способствовало развитию его творческого начала. В дальнейшем цели конструирования вычислительных машин и области их применения существенно расширяются. 
  Улучшение технологии производства механических счетных машин позволило уже в первой половине XIX в. начать их серийных выпуск. Так, в 1821 г. начался серийный выпуск арифмометров (несколько сотен штук в год), созданных К. Томасом. Этот год можно считать началом реального практического применения вычислительных устройств.
  Дальнейшее развитие счетных устройств было направлено на совершенствование их конструкции, повышение надежности работы, точности вычислений. Например, появилась клавиатура, кнопки гашения результатов, идеи фиксации результатов счета на бумажной ленте. В результате на протяжении XIX в. было создано большое количество конструкций счетных машин.
  
  
  
  

• 4 слайд

  Нельзя забывать про вклад русских изобретателей в дело развития вычислительной техники. Первым из известных счетных устройств в России является созданная в конце XVIII в. машина Е. Якобсона. В XIX в. широкую известность в мире получили:
  - счетные приборы Ф.М. Слободского (1828)
  - машины З.Я. Слонимского (1845)
  - устройства И. Штоффеля (1846)
  - считыватель Куммера (1846)
  - самосчеты В.Я. Буняковского (1867)
  - устройство Ю.И. Дьякова (1874)
  - арифмометр П.Л. Чебышева (1878) (рис.2)
  
  
  
  Рис. 2. Арифмометр Чебышева
  
  
  
  Особо стоит отметить изобретение В.Т. Однером арифмометра с зубчаткой с переменным числом зубцов (1870–1880).
  Серийный выпуск арифмометров был налажен в 90-х гг. XIX в. и в России. Арифмометры быстро распространились по всему миру и в первой половине XX в. были основными математическими машинами, применяющимися во многих областях деятельности человека. Создание подобных механических счетных устройств существенно упрощало проведение различных вычислений. Однако уже в начале XIX в. зародилась принципиально новая концепция построения вычислительной машины.
  Эта концепция связана с именем крупного английского математика Чарльза Бэббиджа, который сформулировал ряд принципов, которые полностью удалось реализовать только при создании электронной вычислительной машины.
  
  
  
  

• 5 слайд

  
  
  
  
  
  
  
  
  Рис.3. Аналитическая машина Бэббиджа
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  Аналитическая машина Бэббиджа (рис.3) должна была состоять из трех основных блоков:
     1) Устройства, в котором должна храниться цифровая информация – «склад»
      2) Устройства, в котором осуществляются операции над числами, взятыми из склада – «фабрика»
      3) Устройства для управления последовательностью исполнения операций, выборкой чисел из «склада» и выводом результата.
  Бэббидж задумал все устройства в машине как механические с использованием перфокарт, которые предназначались для задания типа операции, выборки из "склада" чисел, над которыми производились действия, в "фабрику" и переноса обратно. Предусматривались и устройства ввода и вывода информации, так как эти операции предполагалось выполнять также с использованием перфокарт. Таким образом, Бэббидж предопределил идею построения программно-управляемой машины. До конца работу над аналитической машиной Бэббидж закончить не успел.
  С аналитической машиной связан и еще один важный момент, а именно зарождение программирования. Дочерью Байрона леди Лайвейс были разработаны первые программы для ее управления. В ее работах были заложены многие идеи современного программирования.
  
  
  

• 6 слайд

  С появлением электричества начался новый этап развития вычислительных машин. Первоначально электричество использовалось как движущая сила в механических счетных машинах. Позже использование электричества начинает оказывать принципиальное влияние на конструкцию счетных машин.
  Так, в 1888 г. Г. Голлерт (США) создал табулятор, в котором электрический ток использовался для расшифровки информации с перфокарты, в 1884 г. Т. Эддисон описал явление электронной эмиссии, в 1918 г. советский ученый М.А. Бонч-Бруевич изобрел ламповый триггер, чуть позже появились первые электронные счетчики.
  Началом эры электрических вычислительных машин можно считать 30–40-е гг. XX столетия. В 1941 г. немецким инженером К. Цуге была создана (рис.4) первая в мире универсальная цифровая вычислительная машина с программным управлением (модель Ц-3).
  
  
  
  
  
  
  Рис. 4. Универсальная машина Цуге
  
  
  
  
  
  
  
  В качестве элементной базы Цуге использовал электромеханические реле. Вычисления в машине производились в двоичной системе счисления, емкость памяти составляла 64 числа, программа задавалась с помощью перфорированной ленты.
  
  

• 7 слайд

  В 1942 г. Дж. Стибиц (США) сконструировал устройство с программным управлением "Белл-II". При конструировании устройства использовались стандартные детали и схемы, применявшиеся в автоматических телефонных станциях. Емкость памяти машины составляла 5 десятичных чисел.  
  
  
  
  
  
  
  
  
  Рис. 5. Машина МАРК-1
  
  
  
  
  
  
  
  
  
   
   В 1944 г. в США Г. Айкеном были закончены работы по конструированию цифровой вычислительной машины с программным управлением на релейных и механических элементах (МАРК-1). Вычисления в машине (рис.5) производились в десятичной системе счисления, емкость памяти составляла 60 чисел.
  
  

• 8 слайд

  3. РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
  Первая электронная цифровая вычислительная машина, получившая название ЭНИАК (рис.6), была создана в 1945 г. американскими учеными Дж. Маучли и Дж. Эккертни.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис.6. Машина ЭНИАК
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  В машине для выполнения арифметических и логических операций, а также для запоминания информации применялись электронные ламповые схемы. Технологической базой послужили методы монтажа радиоаппаратуры связи и экспериментальной ядерной физики. Для построения машины использовали сотни тысяч радиодеталей и большое количество электронных ламп для усиления и формирования электронных сигналов.
  

• 9 слайд

  Было применено новое конструктивное решение – машина собиралась в виде стоек с разъемами, то есть практически все радиодетали и электронные лампы монтировались на платах ячеек, а на стойках выполнялся межъячеечный монтаж. Это позволило снизить стоимость, облегчить наладку и ремонт.
  По сравнению с вычислительными машинами, собранными на электромеханических элементах, использование электронных ламп позволило повысить скорость выполнения операций примерно в 1000 раз. Это было достигнуто за счет возможности одновременного выполнения нескольких операций.
  
  
  
  
  
  
  
  Рис.7. Программирование машины
  ЭНИАК
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  Программа задавалась (рис.7) посредством внешней коммутационной схемы, представляющей собой набор соединительных проводов со штепсельными разъемами и переключателями. Основным недостатком машины были,
  - во-первых, низкая надежность электронных ламп, ограничивающая общую надежность машины и объем памяти (20 десятиразрядных десятичных чисел),
  - во-вторых, сложность программирования (для решения новой задачи требовалось собрать новую схему соединений).
  

• 10 слайд

  Всесторонний анализ машины ЭНИАК позволил выдающемуся математику Джону фон Нейману в отчете, составленном совместно с Г. Голдстайном и А.Берксом, сформулировать основные концепции построения электронных цифровых вычислительных машин, которые впоследствии оказали сильное влияние на развитие вычислительной техники.
  Перечислим основные принципы, сформулированные Дж. Нейманом:
  - принцип хранимой программы – программа должна храниться в памяти машины, аналогично числам;
  - необходимость использования двоичной системы счисления;
  - иерархичность организации памяти машины;
  - арифметическое устройство должно создаваться только на основе схем, реализующих операцию сложения (создание специализированных устройств для выполнения других операций нецелесообразно);
  - принцип параллельной организации вычислений, когда операция над числом выполняется одновременно по всем его разрядам.
  Разработка новых вычислительных машин на основе элементов с двумя устойчивыми состояниями позволила использовать для построения электронных схем аппарат бинарной логики, который был разработан в середине XIX в. английским математиком Дж. Булем.
  Алгебра логики нашла свое применение и в программировании. Английский математик А. Тьюринг и американский математик Э. Пост в 1938 г. опубликовали свои работы, в которых доказали принципиальную возможность решения любой проблемы с помощью автоматов, если только она поддается алгоритмизации.
  С момента создания в 1945 г. первой ЭВМ ЭНИАК и до начала 50-х гг. занимает период становления электронной вычислительной техники. Начиная с начала 50-х годов, примерно каждые последующие пять лет, в вычислительной технике обновлялись и совершенствовались конструктивные и технологические, схемные и логические принципы построения ЭВМ. Это позволило говорить о поколениях ЭВМ.
  
  

• 11 слайд

  4. ЭВМ ПЕРВОГО ПОКОЛЕНИЯ
  Элементно-технологической базой ЭВМ первого поколения были радиокомпоненты и методы монтажа радиоаппаратуры связи. Для построения ЭВМ использовались сотни тысяч радиодеталей и большое количество электронных ламп в цепях усиления и формирования электронных сигналов. Как было показано ранее, подобные системы были достаточно громоздки и не очень надежны. Практически, в течение всего рабочего времени машины приходилось производить мелкие ремонтные работы по замене тех или иных радиоламп и вышедших из строя пассивных радиоэлементов.
  Кроме того, размеры машины требовали многие километры соединительных проводов между самими элементами и блоками схемы, что в ряде случаев существенно отражалось на скорости прохождения сигналов внутри машины, и, соответственно, на ее быстродействии. Фактор быстродействия уже на этом этапе конструкции ЭВМ стал критическим параметром для развития схемной топологии устройства.
  Проблема заключалась в том, что принцип хранимой программы требовал создания быстрой и емкой машинной памяти. Ее конструирование и составило одну из главных особенностей конструирования ЭВМ первого поколения. В качестве запоминающих устройств тогда использовались:
  - электронные вакуумные лампы
  - магнитные барабаны
  - ультразвуковые ртутные линии задержки
  - электронно-лучевые трубки.
  Впервые были созданы периферийные устройства, такие, как устройства ввода-вывода информации на перфокартах и перфолентах, блоки с магнитной лентой.
  С ЭВМ первого поколения связано и появление нового принципа построения вычислительной машины. Вместо традиционной неразъемной конструкции элементов, была предложена конструкция ЭВМ в виде отдельных стоек. На платах ячеек монтировались радиодетали и электронные лампы, а на стойках выполнялся только межъячеечный монтаж. Такая конструкция позволила снизить стоимость изготовления ЭВМ, облегчить ее наладку и ремонт, перейти к промышленному изготовлению стандартизированных и специализированных блоков.
  
  

• 12 слайд

  Первой серийной ЭВМ первого поколения (рис.8) является машина УНИВАК (США), выпущенная в 1951 г. Наибольшее распространение среди машин этого класса получила ЭВМ модели IBM-650 фирмы IBM (США).
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  Рис.8. Машина УНИВАК
  

• 13 слайд

  Существенный вклад в развитие ЭВМ первого поколения внесли и ученые Советского Союза. Так, в 1952 г. в СССР под руководством С.А. Лебедева была создана самая мощная в Европе ЭВМ – БЭСМ, а в 1953 г. начался выпуск (рис.8) первой в Европе серийной ЭВМ высокого класса "Стрела” (рис.9), созданной под руководством Б.Я. Базилевского.
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  Рис.9. Первая в Европе серийная ЭВМ «Стрела, СССР
  Успехи в области создания первых отечественных ЭВМ также связаны с Б.И. Рамеева ("Урал"), И.С. Брука (М-2, М-3), и др. именами
  Основным направлением использования ЭВМ первого поколения было решение научно-технических задач, характеризующихся малым количеством входной информации и большим количеством вычислительных операций.
  
  

• 14 слайд

  5. ЭВМ ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ
  Появление ЭВМ второго поколения связано с использованием дискретных полупроводниковых приборов и магнитных элементов. При конструировании ЭВМ было использовано технологическое новшество – печатный монтаж элементов.
  Использование новой элементной и технологической базы позволило снизить амплитуду информационных сигналов до десятков вольт, рабочие токи – до десятков ампер, что в свою очередь привело к снижению энергопотребления.
  Сложность программирования на машинных языках ознаменовало появление большого количества алгоритмических языков, которые существенно облегчили запись алгоритмов решения задач. Так, в 1956 г. группой специалистов фирмы IBM для решения научно-технических задач был создан алгоритмический язык ФОРТРАН. В 1960 г. получил одобрение и рекомендации к широкому потреблению, созданный международной группой ученых язык АЛГОЛ-60. В эти же годы широкое распространение получил язык КОБОЛ, ориентированный на решение экономических задач. По состоянию на 1967 г. в мире уже насчитывалось около 1000 алгоритмических языков, ориентированных на решение различных задач.
  Столь обширное количество языков программирования говорит, с одной стороны, о живейшем интересе технического сообщества к создаваемым вычислительным машинам, с другой стороны, подтверждает отсутствие унитарной базы программного обеспечения и единства подхода к созданию программных машинных кодов. Это не могло не сказываться на проблеме совместимости машин, созданных в разных конструкторских группах. К сожалению, практика подтверждала факт, что методика и алгоритм решения одной и той же задачи были подчас совершенно неприменимы к машине другого типа.
  Таким образом, этап развития ЭВМ второго поколения поставил новую инженерную задачу – выработать единый подход к способам программирования конструктивно разных машин, а значит, и к возможности универсального использования ЭВМ, в том числе их объединения в единый комплекс, что, безусловно, позволило бы нарастить разрядность и вычислительную мощность ЭВМ. Такое решение было бы революционным шагом, прорывом к новым расчетным возможностям и быстроте решения задач.
  
  

• 15 слайд

  Одно из ведущих мест в производстве ЭВМ второго поколения продолжала занимать фирма IBM (США). Выпущенная этой фирмой модель IBM-1401 (рис.10) получила наибольшее распространение среди машин этого класса. Из созданных в Западной Европе ЭВМ второго поколения следует отметить разработанную во Франции модель ЭВМ "Гамма-60" и в Великобритании – "Атлас".
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  Рис.10. Вычислительная машина IBM-1401
  

• 16 слайд

  Начиная с 1959 г. СССР приступил к выпуску первых безламповых ЭВМ ("Сетунь” (рис.11), "Раздан", "Раздан-2"). С 1963 г. начался выпуск ЭВМ серии "Минск", получивших широкое распространение. Дальнейшее развитие получили ЭВМ серий "Урал" и БЭСМ. Созданная в 1966 г. БЭСМ-6 до 1973 г. являлась наиболее производительной машиной в СССР. В конце 60-х гг. под руководством В.М. Глушкова были созданы ЭВМ "Мир" и "Мир-2". Отличительной особенностью модели "Мир-2" является использование электронно-лучевой трубки для визуального отображения процесса вычислений.
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  Рис.11. ЭВМ «Сетунь», СССР
  Возросшая надежность работы ЭВМ второго поколения, увеличение производительности (до 1 млн. операций в секунду) и уменьшение их стоимости позволило существенно расширить область их применения. Кроме решения научно-технических задач, ЭВМ нашли свое применение и для автоматизации производственных и технологических процессов.
  
  

• 17 слайд

  6. ЭВМ ТРЕТЬЕГО ПОКОЛЕНИЯ
  Появление в середине 60-х гг. интегральной схемы (ИС), одним из создателей которой стал Боб Нойс, открыло путь к миниатюризации электронной схемотехники, с размещением нескольких ИС на одном кремниевом кристалле.
  Использование микроэлектронных элементов позволило:
  - существенно уменьшить размеры устройства
  - радикально снизить мощность потребления ЭВМ
  - значительно повысить надежность
  - увеличить быстродействие.
  Конец 60-х гг. ознаменовался широким использованием в технологии изготовления ЭВМ интегральных схем. Изменился и подход к проектированию и конструированию ЭВМ. Наступила эра создания серий ЭВМ с единой архитектурой, то есть единой структурой с точки зрения программирования - таким образом, инженерная задача по унификации машин была успешно решена.
  Разрабатываемые с учетом стандартизации систем элементов, блоков и устройств машины одной серии по функциональным возможностям и производительности могли существенно различаться, но всегда имели программную совместимость. Данный факт способствовал просто обвальному внедрению ЭВМ в различные области как научной, так и хозяйственной деятельности. Теперь применение ЭВМ уже было насущной необходимостью, так как количество времени, затрачиваемое на выполнение расчетов, сократилось буквально на несколько порядков в сравнении с предыдущим десятилетием.
  Также использование ЭВМ дало толчок к ускорению развития наукоемких областей знаний, где требовались объемные теоретические проработки. Новое поколение машин позволило резко сократить затраты времени на отработку математических алгоритмов решения новых задач, их оптимизации и проверку теорий прикладными вычислениями.
  Перечисленные факторы позволили использовать ЭВМ третьего поколения уже во всех областях экономики, промышленности, транспорта.
  

• 18 слайд

  Лидирующее положение в разработке и выпуске ЭВМ на электронных схемах принадлежит фирме IBM. Начиная со второй половины 60-х гг. фирма IBM выпустила целый рад ЭВМ этого класса. Среди них можно выделить ЭВМ следующих серий: IBM-360 (рис.12), IBM-370, "Барроуз-8500", "Контрол Дейта-7600" и др. К концу 60-х гг. к выпуску ЭВМ на электронных схемах приступили и в странах Западной Европы и Японии.
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  Рис.12. ЭВМ серии IBM-360
  

• 19 слайд

  Первой серийной ЭВМ третьего поколения выпущенной в СССР была изготовленная под руководством Г.Е. Овсепяна в 1970 г. НАИРИ-3. С 1972 г. начался серийный выпуск первой модели (рис.13) серии ЕС ЭВМ – ЕС-1020. Разработка этой серии велась совместно учеными стран СЭВ, начиная со второй половины 60-х гг.
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  Рис.13. Первая ЭВМ серии ЕС – ЕС-1020, СССР
  
  

• 20 слайд

  7. ЭВМ ЧЕТВЕРТОГО ПОКОЛЕНИЯ
  Дальнейшее развитие вычислительной техники связано с повышением степени интеграции микросхем. Элементной базой ЭВМ этого поколения являются интегральные микросхемы 3–4 степени интеграции. Доля БИС в ЭВМ составила 30–70 % всего состава элементов.
  Использование больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС) для конструирования ЭВМ позволило еще более миниатюризировать конструкцию ЭВМ.
  Стремительное развитие микроэлектронной промышленности, увеличение интеграции электронных микросхем позволило в 1971 г. создать новый вид программно-управляемой микросхемы, эквивалентной по своим функциональным возможностям процессору ЭВМ. Микросхемы данного класса (рис.14) в дальнейшем получили название микропроцессор.
  Немногие изобретения можно поставить в один ряд с микропроцессором по степени воздействия на весь ход истории человечества.
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  Рис.14. Современный микропроцессор
  
  

• 21 слайд

  8. СОЗДАНИЕ И РАЗВИТИЕ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКИ
  Когда японская компания Busicom приступила к изучению потенциала рынка карманных калькуляторов, то первым делом обратилась к фирме Intel, специализировавшейся на разработке электронных микросхем.
  Фирму Intel основали 18 июля 1968 г. Боб Нойс и Горд Мур. Название фирмы произошло от сокращения слов “интегрированная электроника”. Основной сферой деятельности фирмы Intel являлась разработка полупроводниковых запоминающих устройств.
  Разработанный фирмой Busicom калькулятор (рис.15) требовал не менее 12-ти специализированных интегральных микросхем. Инженер Intel Тед Хофф (Ted Hoff) высказал идею о создании одной универсальной микросхемы, функции которой реализовались бы программным путем, способной заменить все 12 заказанных микросхем.
  
  
  
  
  
  
  Рис.15. Калькулятор фирмы
  Busicom, реплика
  
  
  
  
  
  
  
  
  

• 22 слайд

  В процессе работы над созданием универсальной микросхемы, руководство Intel, осознав громадный потенциал своей новой разработки, предложило вернуть компании Busicom ее первоначальные инвестиции в размере 60 тыс. долл. в обмен на все права на данную продукцию. Японская фирма, столкнувшаяся к тому времени с финансовыми затруднениями, предложение приняла…
  В конце 1971 г. фирма Intel провела официальную презентацию вычислительного микроустройства i4004 (рис.16), позднее названного микропроцессором. Микросхема стоимостью 200 долларов, вместившая 2300 транзисторов, выполнялась по технологии с разрешением 10 мкм, позволяла обрабатывать четырехразрядные двоичные слова, имела тактовую частоту 108 кГц, позволяла адресоваться к 640 байт памяти, обладала такой же вычислительной мощностью, что и первая электронная вычислительная машина модели ЕНИАК. Ничтожное по современным понятиям быстродействие процессора i4004 в те времена казалось просто фантастическим и составляло 60 тыс. операций в секунду.
  
  
  
  
  
  Рис.16. Микропроцессор i4004,
  оригинал одной из
  первых партий
  
  
  
  
  
  
  С момента создания первого микропроцессора и до настоящего времени фирма Intel остается законодателем мод в сфере разработки новых типов микропроцессоров. Поэтому проследим дальнейшую историю развития микропроцессорной техники на примере микропроцессоров этой фирмы.