Лекция № 10. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
1.1. НАЧАЛЬНЫЙ ЭТАП РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Потребность в автоматизации обработки данных, в том числе вычислений, возникла очень давно. Считается, что исторически первым и, соответственно, простейшим счетным устройством был абак, который относится к ручным приспособлениям для счета.
| Доска разделялась на бороздки. Одна бороздка соответствовала единицам, другая – десяткам и т.д. Если в какой-то бороздке при счете набиралось более 10 камешков, их снимали и добавляли один камешек в следующем разряде. В странах Дальнего Востока был распространён китайский аналог абака – суан-пан (в основе счета лежала не десятка, а пятерка), в России – счёты . | Абак | ||
| Суан-пан. Положено 1930 | Счеты. Положено 401,28 |
||
Первой дошедшей до нас попыткой решить задачу по созданию машины умеющей складывать многоразрядные целые числа был эскиз 13-разрядного суммирующего устройства разработанный Леонардо да Винчи около 1500 г.
В 1642 году Блез Паскаль изобрел устройство, механически выполняющее сложение чисел. Ознакомившись с трудами Паскаля и изучив его арифметическую машину, Готфрид Вильгельм Лейбниц внес в нее значительные усовершенствования, и в 1673 году сконструировал арифмометр, позволяющий механически выполнять четыре арифметических операции. Начиная с 19 века, арифмометры получили очень широкое распространение и применение. На них выполняли даже очень сложные расчеты, например, расчеты баллистических таблиц для артиллерийских стрельб. Существовала специальная профессия- счетчик.
Несмотря на явный прогресс по сравнению с абаком и подобными ему приспособлениями для ручного счета, данные механические вычислительные устройства требовали постоянного участия человека в процессе вычислений. Человек, производя вычисления на таком устройстве, сам управляет его работой, определяет последовательность выполняемых операций.
Мечтой изобретателей вычислительной техники было создание считающего автомата, который бы без вмешательства человека производил расчеты по заранее составленной программе.
В первой половине 19 века английский математик Чарльз Бэббидж попытался создать универсальное вычислительное устройство – Аналитическую машину , которая должна была выполнять арифметические операции без участия человека. В Аналитическую машину были заложены принципы, ставшие фундаментальными для вычислительной техники, и были предусмотрены все основные компоненты, имеющиеся в современном компьютере. Аналитическая машина Бэббиджа должна была состоять из следующих частей:
1. «Фабрика» – устройство, в котором производиться все операции по обработке всех видов данных (АЛУ).
2. «Контора» – устройство, обеспечивающие организацию выполнения программы обработки данных и согласованную работу всех узлов машины в ходе этого процесса (УУ).
3. «Склад» – устройство, предназначенное для хранения исходных данных, промежуточных величин и результатов обработки данных (ЗУ, или просто память).
4. Устройства, способные преобразовывать данные в форму, доступную компьютеру (кодирование). Устройства ввода.
5. Устройства, способные преобразовывать результаты обработки данных в форму, понятную человеку. Устройства вывода.
В окончательном варианте машины у нее было три устройства ввода с перфокарт, с которых считывались программа и данные, подлежащие обработке.
Бэббидж не смог довести работу до конца - это оказалось слишком сложно на основе механической техники того времени. Однако он разработал основные идеи, и в 1943 году американец Говард Эйкен на основе уже техники 20 века – электромеханических реле – смог построить на одном из предприятий фирмы IBM такую машину под названием «Марк-1». Для представления чисел в ней были использованы механические элементы (счетные колеса), для управления – электромеханические.
1.2. НАЧАЛО СОВРЕМЕННОЙ ИСТОРИИ ЭЛЕКТРОННОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Подлинная революция в вычислительной технике произошла в связи с применением электронных устройств. Работа над ними началась в конце 30-х годов одновременно в США, Германии, Великобритании и СССР. К этому времени электронные лампы, ставшие технической основой устройств обработки и хранения цифровой информации, уже широчайшим образом применялись в радиотехнических устройствах.
Огромный вклад в теорию и практику создания электронной вычислительной техники на начальном этапе ее развития внес один из крупнейших американских математиков Джон фон Нейман. В историю науки навсегда вошли «принципы фон Неймана». Совокупность этих принципов породила классическую (фон-неймановскую) архитектуру ЭВМ. Один из важнейших принципов - принцип хранимой программы - требует, чтобы программа закладывалась в память машины так же, как в нее закладывается исходная информация. Первая ЭВМ с хранимой программой (EDSAC ) была построена в Великобритании в 1949 г.
В нашей стране вплоть до 70-х годов создание ЭВМ велось почти полностью самостоятельно и независимо от внешнего мира (да и сам этот «мир» был почти полностью зависим от США). Дело в том, что электронная вычислительная техника с самого момента своего первоначального создания рассматривалась как сверхсекретный стратегический продукт, и СССР приходилось разрабатывать и производить ее самостоятельно. Постепенно режим секретности смягчался, но и в конце 80-х годов наша страна могла покупать за рубежом лишь устаревшие модели ЭВМ (а самые современные и мощные компьютеры ведущие производители - США и Япония - и сегодня разрабатывают и производят в режиме секретности).
Первая отечественная ЭВМ - МЭСМ («малая электронно-счетная машина») -была создана в 1951 г. под руководством Сергея Александровича Лебедева, крупнейшего советского конструктора вычислительной техники. Рекордной среди них и одной из лучших в мире для своею времени была БЭСМ-6 («большая электронно-счетная машина, 6-я модель»), созданная в середине 60-х годов и долгое время бывшая базовой машиной в обороне, космических исследованиях, научно-технических исследованиях в СССР. Кроме машин серии БЭСМ выпускались и ЭВМ других серий - «Минск», «Урал», М-20, «Мир» и другие.
С началом серийного выпуска ЭВМ начали условно делить по поколениям; соответствующая классификация изложена ниже.
1.3. ПОКОЛЕНИЯ ЭВМ
В истории вычислительной техники существует своеобразная периодизация ЭВМ по поколениям. В ее основу первоначально был положен физико-технологический принцип: машину относят к тому или иному поколению в зависимости от используемых в ней физических элементов или технологии их изготовления. Границы поколений во времени размыты, так как в одно и то же время выпускались машины совершенно разного уровня. Когда приводят даты, относящиеся к поколениям, то скорее всего имеют в виду период промышленного производства; проектирование велось существенно раньше, а встретить в эксплуатации весьма экзотические устройства можно и сегодня.
В настоящее время физико-технологический принцип не является единственным при определении принадлежности той или иной ЭВМ к поколению. Следует считаться и с уровнем программного обеспечения, с быстродействием, другими факторами, основные из которых сведены в прилагаемую табл. 4.1.
Следует понимать, что разделение ЭВМ по поколениям весьма относительно. Первые ЭВМ, выпускавшиеся до начала 50-х годов, были «штучными» изделиями, на которых отрабатывались основные принципы; нет особых оснований относить их к какому-либо поколению. Нет единодушия и при определении признаков пятого поколения. В середине 80-х годов считалось, что основной признак этого (будущего) поколения - полновесная реализация принципов искусственного интеллекта . Эта задача оказалась значительно сложнее, чем виделось в то время, и ряд специалистов снижают планку требований к этому этапу (и даже утверждают, что он уже состоялся). В истории науки есть аналоги этого явления: так, после успешного запуска первых атомных электростанций в середине 50-х годов ученые объявили, что запуск многократно более мощных, дающих дешевую энергию, экологически безопасных термоядерных станций, вот-вот произойдет; однако, они недооценили гигантские трудности на этом пути,так как термоядерных электростанций нет и по сей день.
В то же время среди машин четвертого поколения разница чрезвычайно велика, и поэтому в табл. 4.1 соответствующая колонка разделена на на две: А и Б. Указанные в верхней строчке даты соответствуют первым годам выпуска ЭВМ. Многие понятия, отраженные в таблице, будут обсуждаться в последующих разделах учебника; здесь ограничимся кратким комментарием.
Чем младше поколение, тем отчетливее классификационные признаки. ЭВМ первого, второго и третьего поколений сегодня - в лучшем случае музейные экспонаты.
Какие компьютеры относятся в первому поколению?
К первому поколению обычно относят машины, созданные на рубеже 50-х годов. В их схемах использовались электронные лампы . Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами , которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства. Лампы потребляли огромное количество электроэнергии и выделяли много тепла.
Набор команд был небольшой, схема арифметико-логического устройства и устройства управления достаточно проста, программное обеспечение практически отсутствовало. Показатели объема оперативной памяти и быстродействия были низкими. Для ввода-вывода использовались перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства.
Быстродействие порядка 10-20 тысяч операций в секунду.
Но это только техническая сторона. Очень важна и другая - способы использования компьютеров, стиль программирования, особенности математического обеспечения.
Программы для этих машин писались на языке конкретной машины . Математик, составивший программу, садился за пульт управления машины, вводил и отлаживал программы и производил по ним счет. Процесс отладки был наиболее длительным по времени.
Несмотря на ограниченность возможностей, эти машины позволили выполнить сложнейшие расчёты, необходимые для прогнозирования погоды, решения задач атомной энергетики и др.
Опыт использования машин первого поколения показал, что существует огромный разрыв между временем, затрачиваемым на разработку программ, и временем счета.
Отечественные машины первого поколения: МЭСМ (малая электронная счётная машина), БЭСМ, Стрела, Урал, М-20.
Какие компьютеры относятся ко второму поколению?
Второе поколение компьютерной техники - машины, сконструированные примерно в 1955-65 гг. Характеризуются использованием в них как электронных ламп , так и дискретных транзисторных логических элементов . Их оперативная память была построена на магнитных сердечниках. В это время стал расширяться диапазон применяемого оборудования ввода-вывода, появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, магнитные барабаны и первые магнитные диски .
Быстродействие - до сотен тысяч операций в секунду, ёмкость памяти - до нескольких десятков тысяч слов.
Появились так называемые языки высокого уровня , средства которых допускают описание всей необходимой последовательности вычислительных действий в наглядном, легко воспринимаемом виде .
Программа, написанная на алгоритмическом языке, непонятна компьютеру, воспринимающему только язык своих собственных команд. Поэтому специальные программы, которые называются трансляторами , переводят программу с языка высокого уровня на машинный язык.
Появился широкий набор библиотечных программ для решения разнообразных математических задач. Появились мониторные системы , управляющие режимом трансляции и исполнения программ. Из мониторных систем в дальнейшем выросли современные операционные системы.
Таким образом, операционная система является программным расширением устройства управления компьютера .
Для некоторых машин второго поколения уже были созданы операционные системы с ограниченными возможностями.
Машинам второго поколения была свойственна программная несовместимость , которая затрудняла организацию крупных информационных систем. Поэтому в середине 60-х годов наметился переход к созданию компьютеров, программно совместимых и построенных на микроэлектронной технологической базе.
В чем особенности компьютеров третьего поколения?
Машины третьего поколения созданы примерно после 60-x годов. Поскольку процесс создания компьютерной техники шел непрерывно, и в нём участвовало множество людей из разных стран, имеющих дело с решением различных проблем, трудно и бесполезно пытаться установить, когда "поколение" начиналось и заканчивалось. Возможно, наиболее важным критерием различия машин второго и третьего поколений является критерий, основанный на понятии архитектуры.
Машины третьего поколения - это семейства машин с единой архитектурой, т.е. программно совместимых. В качестве элементной базы в них используются интегральные схемы, которые также называются микросхемами.
Машины третьего поколения имеют развитые операционные системы. Они обладают возможностями мультипрограммирования, т.е. одновременного выполнения нескольких программ. Многие задачи управления памятью, устройствами и ресурсами стала брать на себя операционная система или же непосредственно сама машина.
Примеры машин третьего поколения - семейства IBM-360, IBM-370, ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ) и др.
Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Ёмкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов.
Что характерно для машин четвёртого поколения?
Четвёртое поколение - это теперешнее поколение компьютерной техники, разработанное после 1970 года.
Наиболее важный в концептуальном отношении критерий, по которому эти компьютеры можно отделить от машин третьего поколения, состоит в том, что машины четвёртого поколения проектировались в расчете на эффективное использование современных высокоуровневых языков и упрощение процесса программирования для конечного пользователя.
В аппаратурном отношении для них характерно широкое использование интегральных схем в качестве элементной базы, а также наличие быстродействующих запоминающих устройств с произвольной выборкой ёмкостью в десятки мегабайт.
C точки зрения структуры машины этого поколения представляют собой многопроцессорные и многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних устройств. Быстродействие составляет до нескольких десятков миллионов операций в секунду, ёмкость оперативной памяти порядка 1 - 64 Мбайт.
Для них характерны:
- применение персональных компьютеров;
- телекоммуникационная обработка данных;
- компьютерные сети;
- широкое применение систем управления базами данных;
- элементы интеллектуального поведения систем обработки данных и устройств.
Какими должны быть компьютеры пятого поколения?
Разработка последующих поколений компьютеров производится на основе больших интегральных схем повышенной степени интеграции , использования оптоэлектронных принципов (лазеры , голография ).
Развитие идет также по пути "интеллектуализации" компьютеров, устранения барьера между человеком и компьютером. Компьютеры будут способны воспринимать информацию с рукописного или печатного текста, с бланков, с человеческого голоса, узнавать пользователя по голосу, осуществлять перевод с одного языка на другой.
В компьютерах пятого поколения произойдёт качественный переход от обработки данных к обработке знаний .
Архитектура компьютеров будущего поколения будет содержать два основных блока. Один из них - это традиционный компьютер. Но теперь он лишён связи с пользователем. Эту связь осуществляет блок, называемый термином "интеллектуальный интерфейс" . Его задача - понять текст, написанный на естественном языке и содержащий условие задачи, и перевести его в работающую программу для компьютера.
Будет также решаться проблема децентрализации вычислений с помощью компьютерных сетей, как больших, находящихся на значительном расстоянии друг от друга, так и миниатюрных компьютеров, размещённых на одном кристалле полупроводника.
Поколения ЭВМ
| Показатель | Поколения ЭВМ |
|||||
| Первое 1951-1954 | Второе 1958-I960 | Третье 1965-1966 | Четвертое | Пятое |
||
| 1976-1979 | 1985-? |
|||||
| Элементная база процессора | Электронные лампы | Транзисторы | Интграль-ные схемы (ИС) | Большие ИС (БИС) | СвербольшиеИС (СБИС) | Оптоэлек-троника Криоэлек-троника |
| Элементная база ОЗУ | Электронно-лучевые трубки | Феррито-вые сердечники | Ферритовые сердечники | БИС | СБИС | СБИС |
| Максмальная емкость ОЗУ, байт | 10 2 | 10 1 | 10 4 | 10 5 | 10 7 | 10 8 (?) |
| Максимальное быстродействие процессора (оп/с) | 10 4 | 10 6 | 10 7 | 10 8 | 10 9 Многопро-цессорность | 10 12 , Многопро-цессорность |
| Языки программирования | Машинный код | Ассемблер | Процедурные языки высокого уровня (ЯВУ) | Новые процедурные ЯВУ | Непроце-дурные ЯВУ | Новые непрцедур-ные ЯВУ |
| Средства связи пользователя с ЭВМ | Пульт управления и перфокарты | Перфокарты и перфоленты | Алфавитно- цифровой терминал | Монохром- ный графиче- ский дисплей, клавиатура | Цветной + графический дисплей, клавиатура, «мышь» и др. | |
Созданный ими компьютер работал в тысячу раз быстрее, чем «Марк-1». Но обнаружилось, что большую часть времени этот компьютер простаивал, ведь для задания метода расчётов (программы) в этом компьютере приходилось в течение нескольких часов или даже нескольких дней подсоединять нужным образом провода. А сам расчет после этого мог занять всего лишь несколько минут или даже секунд.
Чтобы упростить и ускорить процесс задания программ, Мокли и Эккерт стали конструировать новый компьютер, который мог бы хранить программу в своей памяти. В 1945 г. к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман , который подготовил доклад об этом компьютере. Доклад был разослан многим ученым и стал широко известен, поскольку в нем фон Нейман ясно и просто сформулировал общие принципы функционирования компьютеров, т. е. универсальных вычислительных устройств. И до сих пор подавляющее большинство компьютеров сделано в соответствии с теми принципами, которые изложил в своем докладе в 1945 г. Джон фон Нейман. Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 г. английским исследователем Морисом Уилксом .
Разработка первой электронной серийной машины UNIVAC (Universal Automatic Computer) начата примерно в 1947 г. Эккертом и Мокли, основавшими в декабре того же года фирму ECKERT-MAUCHLI. Первый образец машины (UNIVAC-1) был построен для бюро переписи США и пущен в эксплуатацию весной 1951 г. Синхронная, последовательного действия вычислительная машина UNIVAC-1 создана на базе ЭВМ ENIAC и EDVAC . Работала она с тактовой частотой 2.25 МГц и содержала около 5000 электронных ламп. Внутреннее запоминающее устройство с ёмкостью 1000 12-разрядных десятичных чисел было выполнено на 100 ртутных линиях задержки.
Вскоре после ввода в эксплуатацию машины UNIVAC-1 ее разработчики выдвинули идею автоматического программирования. Она сводилась к тому, чтобы машина сама могла подготавливать такую последовательность команд, которая нужна для решения данной задачи.
Сильным сдерживающим фактором в работе конструкторов ЭВМ начала 1950-х годов было отсутствие быстродействующей памяти. По словам одного из пионеров вычислительной техники Д. Эккерта, «архитектура машины определяется памятью». Исследователи сосредоточили свои усилия на запоминающих свойствах ферритовых колец, нанизанных на проволочные матрицы.
В 1951 г. Дж. Форрестер опубликовал статью о применении магнитных сердечников для хранения цифровой информации. В машине «Whirlwind-1» впервые была применена память на магнитных сердечниках. Она представляла собой 2 куба 32 х 32 х 17 с сердечниками, которые обеспечивали хранение 2048 слов для 16-разрядных двоичных чисел с одним разрядом контроля на четность.
Вскоре в разработку электронных компьютеров включается фирма IBM . В 1952 г. она выпустила свой первый промышленный электронный компьютер IBM 701, который представлял собой синхронную ЭВМ параллельного действия, содержащую 4000 электронных ламп и 12 000 германиевых диодов. Усовершенствованный вариант машины IBM 704 отличался высокой скоростью работы, в ней использовались индексные регистры и данные представлялись в форме с плавающей запятой.
IBM 704
После ЭВМ IBM 704 была выпущена машина IBM 709, которая, в архитектурном плане, приближалась к машинам второго и третьего поколений. В этой машине впервые была применена косвенная адресация и впервые появились каналы ввода-вывода.
В 1956 г. фирмой IBM были разработаны плавающие магнитные головки на воздушной подушке. Изобретение их позволило создать новый тип памяти - дисковые запоминающие устройства (ЗУ), значимость которых была в полной мере оценена в последующие десятилетия развития вычислительной техники. Первые ЗУ на дисках появились в машинах IBM 305 и RAMAC. Последняя имела пакет, состоявший из 50 металлических дисков с магнитным покрытием, которые вращались со скоростью 12 000 об./мин. На поверхности диска размещалось 100 дорожек для записи данных, по 10 000 знаков каждая.
Вслед за первым серийным компьютером UNIVAC-1 фирма Remington-Rand в 1952 г. выпустила ЭВМ UNIVAC-1103, которая работала в 50 раз быстрее. Позже в компьютере UNIVAC-1103 впервые были применены программные прерывания.
Сотрудники фирмы Rernington-Rand использовали алгебраическую форму записи алгоритмов под названием «Short Code» (пррвый интерпретатор, созданный в 1949 г. Джоном Мокли). Кроме того, необходимо отметить офицера ВМФ США и руководителя группы программистов, в то время капитана (в дальнейшем единственная в ВМФ женщина-адмирал) Грейс Хоппер , которая разработала первую программу-компилятор. Кстати, термин «компилятор» впервые ввела Г. Хоппер в 1951 г. Эта компилирующая программа производила трансляцию на машинный язык всей программы, записанной в удобной для обработки алгебраической форме. Г. Хоппер принадлежит также авторство термина «баг» в применении к компьютерам. Как-то через открытое окно в лабораторию залетел жук (по-английски - bug), который, сев на контакты, замкнул их, чем вызвал серьезную неисправность в работе машины. Обгоревший жук был подклеен в административный журнал, где фиксировались различные неисправности. Так был задокументирован первый баг в компьютерах.
Фирма IBM сделала первые шаги в области автоматизации программирования, создав в 1953 г. для машины IBM 701 «Систему быстрого кодирования». В СССР А. А. Ляпунов предложил один из первых языков программирования. В 1957 г. группа под руководством Д. Бэкуса завершила работу над ставшим впоследствии популярным первым языком программирования высокого уровня, получившим название ФОРТРАН . Язык, реализованный впервые на ЭВМ IBM 704, способствовал расширению сферы применения компьютеров.
Алексей Андреевич Ляпунов
В Великобритании в июле 1951 г. на конференции в Манчестерском университете М. Уилкс представил доклад «Наилучший метод конструирования автоматической машины», который стал пионерской работой по основам микропрограммирования. Предложенный им метод проектирования устройств управления нашел широкое применение.
Свою идею микропрограммирования М. Уилкс реализовал в 1957 г. при создании машины EDSAC-2. М. Уилкс совместно с Д. Уиллером и С. Гиллом в 1951 г. написали первый учебник по программированию «Составление программ для электронных счетных машин».
В 1956 г. фирма Ferranti выпустила ЭВМ «Pegasus», в которой впервые нашла воплощение концепция регистров общего назначения (РОН). С появлением РОН было устранено различие между индексными регистрами и аккумуляторами, и в распоряжении программиста оказался не один, а несколько регистров-аккумуляторов.
Появление персональных компьютеров
Вначале микропроцессоры использовались в различных специализированных устройствах, например в калькуляторах . Но в 1974 г. несколько фирм объявили о создании на основе микропроцессора Intel-8008 персонального компьютера, т. е. устройства, выполняющего те же функции, что и большой компьютер, но рассчитанного на одного пользователя. Вначале 1975 г. появился первый коммерчески распространяемый персональный компьютер «Альтаир-8800 » на основе микропроцессора Intel-8080 . Этот компьютер продавался по цене около 500 долл. И хотя возможности его были весьма ограничены (оперативная память составляла всего 256 байт, клавиатура и экран отсутствовали), его появление было встречено с большим энтузиазмом: в первые же месяцы было продано несколько тысяч комплектов машины. Покупатели снабжали этот компьютер дополнительными устройствами: монитором для вывода информации, клавиатурой, блоками расширения памяти и т. д. Вскоре эти устройства стали выпускаться другими фирмами. В конце 1975 г. Пол Аллен и Билл Гейтс (будущие основатели фирмы Microsoft) создали для компьютера «Альтаир» интерпретатор языка Basic , что позволило пользователям достаточно просто общаться с компьютером и легко писать для него программы. Это также способствовало росту популярности персональных компьютеров.Успех «Альтаир-8800» заставил многие фирмы также заняться производством персональных компьютеров. Персональные компьютеры стали продаваться уже в полной комплектации, с клавиатурой и монитором, спрос на них составил десятки, а затем и сотни тысяч штук в год. Появилось несколько журналов, посвященных персональным компьютерам. Росту объема продаж весьма способствовали многочисленные полезные программы практического значения. Появились и коммерчески распространяемые программы, например программа для редактирования текстов WordStar и табличный процессор VisiCalc (1978 г. и 1979 г. соответственно). Эти и многие другие программы сделали покупку персональных компьютеров весьма выгодной для бизнеса: с их помощью стало возможно выполнять бухгалтерские расчеты, составлять документы и т. д. Использование же больших компьютеров для этих целей было слишком дорого.
В конце 1970-х годов распространение персональных компьютеров даже привело к некоторому снижению спроса на большие компьютеры и мини-компьютеры (мини-ЭВМ). Это стало предметом серьезного беспокойства фирмы IBM - ведущей компании по производству больших компьютеров, и в 1979 г. фирма IBM решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров. Однако руководство фирмы недооценило будущую важность этого рынка и рассматривало создание персонального компьютера всего лишь как мелкий эксперимент - что-то вроде одной из десятков проводившихся в фирме работ по созданию нового оборудования. Чтобы не тратить на этот эксперимент слишком много денег, руководство фирмы предоставило подразделению, ответственному за данный проект, невиданную в фирме свободу. В частности, ему было разрешено не конструировать персональный компьютер «с нуля», а использовать блоки, изготовленные другими фирмами. И это подразделение сполна использовало предоставленный шанс.
В качестве основного микропроцессора компьютера был выбран новейший тогда 16-разрядный микропроцессор Intel-8088 . Его использование позволило значительно увеличить потенциальные возможности компьютера, так как новый микропроцессор позволял работать с 1 мегабайтом памяти, а все имевшиеся тогда компьютеры были ограничены 64 килобайтами.
В августе 1981 г. новый компьютер под названием IBM PC был официально представлен публике, и вскоре после этого он приобрел большую популярность у пользователей. Через пару лет компьютер IBM PC занял ведущее место на рынке, вытеснив модели 8-битовых компьютеров.
IBM PC
Секрет популярности IBM PC в том, что фирма IBM не сделала свой компьютер единым неразъёмным устройством и не стала защищать его конструкцию патентами. Наоборот, она собрала компьютер из независимо изготовленных частей и не стала держать спецификации этих частей и способы их соединения в секрете. Напротив, принципы конструкции IBM PC были доступны всем желающим. Этот подход, называемый принципом открытой архитектуры, обеспечил потрясающий успех компьютеру IBM PC, хотя и лишил фирму IBM возможности единолично пользоваться плодами этого успеха. Вот как открытость архитектуры IBM PC повлияла на развитие персональных компьютеров.
Перспективность и популярность IBM PC сделала весьма привлекательным производство различных комплектующих и дополнительных устройств для IBM PC. Конкуренция между производителями привела к удешевлению комплектующих и устройств. Очень скоро многие фирмы перестали довольствоваться ролью производителей комплектующих для IBM PC и начали сами собирать компьютеры, совместимые с IBM PC. Поскольку этим фирмам не требовалось нести огромные издержки фирмы IBM на исследования и поддержание структуры громадной фирмы, они смогли продавать свои компьютеры значительно дешевле (иногда в 2-3 раза) аналогичных компьютеров фирмы IBM.
Совместимые с IBM PC компьютеры вначале презрительно называли «клонами», но эта кличка не прижилась, так как многие фирмы-производители IBM PC-совместимых компьютеров стали реализовывать технические достижения быстрее, чем сама IBM. Пользователи получили возможность самостоятельно модернизировать свои компьютеры и оснащать их дополнительными устройствами сотен различных производителей.
Персональные компьютеры будущего
Основой компьютеров будущего станут не кремниевые транзисторы , где передача информации осуществляется электронами, а оптические системы. Носителем информации станут фотоны, так как они легче и быстрее электронов. В результате компьютер станет более дешевым и более компактным. Но самое главное, что оптоэлектронное вычисление гораздо быстрее, чем то, что применяется сегодня, поэтому компьютер будет намного производительнее.ПК будет мал по размерам и иметь мощь современных суперкомпьютеров . ПК станет хранилищем информации, охватывающей все аспекты нашей повседневной жизни, он не будет привязан к электрическим сетям. Этот ПК будет защищен от воров благодаря биометрическому сканеру , который будет узнавать своего владельца по отпечатку пальца.
Основным способом общения с компьютером будет голосовой. Настольный компьютер превратится в «моноблок», вернее, в гигантский компьютерный экран - интерактивный фотонный дисплей. Клавиатура не понадобится, так как все действия можно будет совершать прикосновением пальца. Но для тех, кто предпочитает клавиатуру, в любой момент на экране может быть создана виртуальная клавиатура и удалена тогда, когда в ней не будет нужды.
Компьютер станет операционной системой дома, и дом начнет реагировать на потребности хозяина, будет знать его предпочтения (приготовить кофе в 7 часов, запустить любимую музыку, записать нужную телепередачу, отрегулировать температуру и влажность и т. д.)
Размер экрана не будет играть никакой роли в компьютерах будущего. Он может быль большим, как ваш рабочий стол, или маленьким. Большие варианты компьютерных экранов будут основаны на жидких кристаллах, возбуждаемых фотонным способом, которые будут иметь гораздо более низкое энергопотребление, чем сегодняшние LCD-мониторы. Цвета будут яркими, а изображения - точными (возможны плазменные дисплеи). Фактически сегодняшняя концепция «разрешающей способности» будет в значительно степени атрофирована.
Начало
Калькулятор и компьютер — далеко не единственные устройства, с помощью которых можно проводить вычисления. О том, как облегчить себе процессы деления, умножения, вычитания и сложения человечество задумалось довольно рано. Одним из первых подобных устройств можно считать балансирные весы, которые появились еще в пятом тысячелетии до нашей эры. Впрочем, не будем погружаться так далеко в глубины истории.
Энди Гроув, Роберт Нойс и Гордон Мур. (wikipedia.org)
Абак, известный у нас как счеты, появился на свет приблизительно в 500 году до нашей эры. За право считаться его родиной могут поспорить Древняя Греция, Индия, Китай и государство Инков. Археологи подозревают, что в античных городах существовали даже вычислительные механизмы, правда, существование таковых пока не доказано. Однако антикерский механизм, уже упомянутый нами в предыдущей статье, вполне может считаться вычислительным механизмом.
С наступлением Средних Веков навыки создания подобных устройств были утрачены. Те темные времена вообще были периодом резкого упадка науки. Но в XVII веке человечество вновь задумалось о вычислительных машинах. И те не замедлили появиться.
Первые вычислительные машины
Создание устройства, которое могло бы производить вычисления, было мечтой немецкого астронома и математика Вильгельма Шиккарда. У него было множество различных проектов, но большинство из них потерпело крах. Шиккарда не смущали неудачи, и он, в конце концов, добился успеха. В 1623-м математик сконструировал «Считающие часы» — невероятно сложный и громоздкий механизм, который, однако, мог производить простейшие вычисления.
«Считающие часы Шиккарда». Рисунок. (wikipedia.org)
«Считающие часы» имели значительные размеры и большую массу, применять их на практике было трудно. Друг Шиккарда, знаменитый астроном Иоганн Кеплер в шутку заметил, что гораздо проще произвести вычисления в голове, чем использовать часы. Тем не менее, именно Кеплер стал первым пользователем часов Шиккарда. Известно, что с их помощью он выполнил многие из своих расчетов.
Иоганн Кеплер. (wikipedia.org)
Это устройство получило свое название потому, что в его основу был положен тот же механизм, что работал в настенных часах. А самого Шиккарда вполне можно считать «отцом» калькулятора. Прошло двадцать лет, и семейство вычислительных машин пополнилось изобретением французского математика, физика и философа Блеза Паскаля. «Паскалину» ученый представил в 1643 году.
Суммирующие машина Паскаля. (wikipedia.org)
Паскалю тогда было 20 лет, и прибор он сделал для своего отца — сборщика налогов, которому приходилось заниматься очень сложными вычислениями. Суммирующая машина приводилось в действие с помощью шестеренок. Чтобы ввести в нее нужное число, нужно было повернуть колесики некоторое количество раз.
Еще через тридцать лет, в 1673-м свой проект создал немецкий математик Готфрид Лейбниц. Его устройство, первым в истории стало называться калькулятором. Принцип работы был тот же, что и у машины Паскаля.
Готфрид Лейбниц. (wikipedia.org)
С калькулятором Лейбница связана одна очень любопытная история. В начале XVIII века машину увидел Петр I, посещавший Европы в составе Великого посольства. Будущий император очень заинтересовался устройством и даже купил его. Легенда гласит, что позже Петр отправил калькулятор китайскому Императору Канси в качестве подарка.
От калькулятора к компьютеру
Дело Паскаля и Лейбница получило развитие. В XVIII веке многие ученые делали попытки усовершенствовать вычислительные машины. Основная идея состояла в том, чтобы создать коммерчески успешное устройство. Успех, в конечном итоге, сопутствовал французу Шарлю Ксавье Тома де Кольмару.
Шарль Ксавье Тома де Кольмар. (wikipedia.org)
В 1820 году он запустил серийное производство вычислительных приборов. Строго говоря, Кольмар был, скорее, умелым промышленником, нежели изобретателем. Его «машина Тома» мало чем отличалась от калькулятора Лейбница. Кольмара даже обвиняли в краже чужого изобретения и попытке нажить состояние за счет чужого труда.
В России серийный выпуск калькуляторов начался в 1890 году. Свой нынешний вид калькулятор приобрел уже в ХХ веке. В 1960—1970 годах эта отрасль переживала настоящий бум. Приборы совершенствовались с каждым годом. В 1965-м, например, появился калькулятор, который мог вычислять логорифмы, а в 1970-м был впервые выпущен калькулятор, помещавшийся у человека в руке. Но в это время уже начинался компьютерный век, хотя человечество еще не успело ощутить этого.
Компьютеры
Человеком, который заложил основы развития компьютерных технологий, многие считают французского ткача Жозефа Мари Жаккара. Сложно сказать, шутка это или нет. Тем не менее, именно Жаккар придумал перфокарт. Тогда люди еще не знали, что такое карта памяти. Изобретение Жаккара вполне может претендовать на этот титул. Ткач придумал ее для управления ткацким станком. Идея состояла в том, что с помощью перфокарта задавался узор для ткани. То есть, с момента запуска перфокарта, узор наносился уже без участия человека — автоматически.
Перфокарт. (wikipedia.org)
Перфокарт Жаккара, естественно, не был электронным устройством. До появления подобных предметов было еще очень далеко, ведь Жаккар жил на рубеже XVIII—XIX вв. еков. Однако перфокарты позднее стали широко применяться и в других сферах, уйдя далеко за переделы знаменитого ткацкого станка.
В 1835 году Чарльз Бэббидж описал аналитическую машину, в основе которой могли бы лежать перфокарты. Ключевым принципом работы такого устройства было программирование. Таким образом, английский математик предсказал появление компьютера. Увы, но сам Бэббидж так и не смог построить придуманную им машину. Первый в мире аналоговый компьютер появился на свет в 1927 году. Создал его профессор Массачусетского университета Вэнивар Буш.
Технические средства реализации информационных процессов
История развития ВТ имеет несколько периодов: механический, электромеханический и электронный.
Для проведения вычислений в Древнем Вавилоне (около 3 тыс. лет до н.э.), а затем в Древней Греции и Древнем Риме (IV век до н.э.) использовали счетные доски под названием абак . Доска абака представляла собой глиняную пластину с углублениями, в которые раскладывали камушки. В дальнейшем углубления были заменены проволокой с нанизанными косточками (прообраз счет).
В 17 веке в Европе ученые-математики (В. Шиккард (1623 ᴦ.) и Блез Паскаль (1642 ᴦ.), Г. Лейбниц (1671 ᴦ.)) изобретают механические машины , способные автоматически выполнять арифметические действия (прообраз арифмометра).
В первой трети 19 века английский математик Ч. Бэббидж разработал проект программируемого автоматического вычислительного механического устройства, известного как ʼʼаналитическая машинаʼʼ Бэббиджа. Меценат проекта графиня Ада Августа Лавлейс была программистом этой ʼʼаналитической машиныʼʼ.
Г. Холлерит в 1888 ᴦ. создал электромеханическую машину, которая состояла из перфоратора, сортировщика перфокарт и суммирующей машины, названной табулятором. Впервые эта машина использовалась в США при обработке результатов переписи населения.
Скорость вычислений в механических и электромеханических машинах была ограничена, в связи с этим в 1930-х гᴦ. начались разработки электронных вычислительных машин (ЭВМ), элементной базой которых стала трехэлектродная вакуумная лампа.
В 1946 ᴦ. в университете ᴦ. Пенсильвания (США) была построена электронная вычислительная машина, получившая название UNIAK. Машина весила 30 т, занимала площадь 200 кв.м., содержала 18000 ламп. Программирование велось путем установки переключателей и коммутации разъемов. В результате на создание и выполнение даже самой простой программы требовалось очень много времени. Сложности в программировании на UNIAK натолкнули Джона фон Неймана, бывшего консультантом проекта͵ на разработку новых принципов построения архитектуры ЭВМ.
В СССР первая ЭВМ была создана в 1948 ᴦ.
Историю развития ЭВМ принято рассматривать по поколениям.
Первое поколение (1946-1960) - ϶ᴛᴏ время становления архитектуры машин фон-неймановского типа, построенных на электронных лампах с быстродействием 10-20 тыс.оп/с. ЭВМ первого поколения были громоздкими и ненадежными. программные средства были представлены машинными языками.
В 1950 ᴦ. в СССР была запущена в эксплуатацию МЭСМ (малая электронная счетная машина), а еще через два года появилась большая электронно-счетная машина (10 тыс.оп/с).
Второе поколение (1960 – 1964) - ϶ᴛᴏ машины, построенные на транзисторах с быстродействием до сотен тысяч операций в секунду. Для организации внешней памяти стали использоваться магнитные барабаны, а для основной памяти – магнитные сердечники. В это же время были разработаны алгоритмические языки высокого уровня, как Алгол, Кобол, Фортран, которые позволили составлять программы, не учитывая тип машины. Первой ЭВМ с отличительными чертами второго поколения была IBM 704.
Третье поколение (1964 – 1970) характеризуются тем, что вместо транзисторов стали использоваться интегральные схемы (ИС) и полупроводниковая память.
Большинство машин, относящихся к третьему поколению по своим особенностям, входили в состав серии (семейства) машин ʼʼSystem/360ʼʼ (аналог ЕС ЭВМ), выпущенной фирмой IBM в середине 60-х гᴦ. Машины этой серии имели единую архитектуру и были программно совместимыми.
В данный время в СССР появился первый суперкомпьютер БЭСМ 6, который имел производительность 1 млн. оп/с.
Четвертое поколение (1970 – 1980) - ϶ᴛᴏ машины, построенные на больших интегральных схемах (БИС). Такие схемы содержат до нескольких десятков тысяч элементов в кристалле. ЭВМ этого поколения выполняют десятки и сотни миллионов операций в секунду.
В 1971 ᴦ. появился первый в мире четырехразрядный микропроцессор Intel 4004, содержащий 2300 транзисторов на кристалле, а еще через год - восьмиразрядный процессор Intel 8008. Создание микропроцессоров послужило основой для разработки персонального компьютера (ПК), ᴛ.ᴇ. устройства, выполняющего те же функции, что и большой компьютер, но рассчитанного на работу одного пользователя.
1973 ᴦ. фирма Xerox создала первый прототип персонального компьютера.
1974 ᴦ. появился первый коммерчески распространяемый персональный компьютер Альтаир-8800, для которого в конце 1975 ᴦ. Пол Ален и Билл Гейтс написали интерпретатор языка Бэйсик.
В августе 1981 ᴦ. фирма IBM выпустила компьютер IBM PC. В качестве основного микропроцессора использовали новейший тогда 16-разрядный микропроцессор Intel 8088. ПК был построен в соответствии с принципами открытой архитектуры. Пользователи получили возможность самостоятельно модернизировать свои компьютеры и оснащать их дополнительными устройствами различных производителей. Через один – два года компьютер IBM PC занял ведущее место на рынке, вытеснив модели 8-разрядных компьютеров.
Сегодня существует множество разновидностей ЭВМ, которые классифицируются: по элементной базе, принципам действия, стоимости, размерам, производительности, назначению и областям применения.
СуперЭВМ и большие ЭВМ (мэйнфреймы) – применяются для проведения сложных научных расчетов или для обработки больших потоков информации на крупных предприятиях. Οʜᴎ, как правило, являются главными компьютерами корпоративных вычислительных сетей.
Мини - и микро ЭВМ применяются для создания систем управления крупных и средних предприятий.
Персональные компьютеры предназначены для конечного пользователя. В свою очередь ПК подразделяют на настольные (desktop), портативные (notebook) и карманные (palmtop) модели.
История развития вычислительной техники - понятие и виды. Классификация и особенности категории "История развития вычислительной техники" 2017, 2018.
Потребность в автоматизации обработки данных, в том числе вычислений, возникла очень давно. Считается, что исторически первым и, соответственно, простейшим счетным устройством был абак, который относится к ручным приспособлениям для счета. Абак – счётная доска,... .
История развития вычислительной техники уходит своими корнями далеко в прошлое. Еще в XIV в. Леонардо да Винчи разработал эскиз 13-разрядного суммирующего устройства. Действующий образец построил в 1642 г. знаменитый французский физик, математик и инженер Блез Паскаль. Его... .
1623г. Первая «считающая машина», созданная Уильямом Шикардом. Это довольно громоздкий аппарат мог применять простые арифметические действия (сложение, вычитание) с 7-значными числами. 1644г. «Вычислитель» Блеза Паскаля – первая по настоящему популярная считающая машина,...
Историю развития вычислительной техники условно делят на 5 поколений.
1-е поколение (1945-1954 гг.) - время становления машин с фон-неймановской архитектурой (Джон фон Нейман), основанной на записывании программы и ее данных в память вычислительной машины. В этот период формируется типовой набор структурных элементов, входящих в состав ЭВМ. Типичная ЭВМ должна состоять из следующих узлов: центральный процессор (ЦП), оперативная память (или оперативное запоминающее устройство - ОЗУ) и устройства ввода-вывода (УВВ). ЦП, в свою очередь, должен состоять из арифметико-логического устройства (АЛУ) и управляющего устройства (УУ). Машины этого поколения работали на ламповой элементной базе, из-за чего поглощали огромное количество энергии и были очень ненадежны. С их помощью, в основном, решались научные задачи. Программы для этих машин уже можно было составлять не на машинном языке, а на языке ассемблера.
2-е поколение (1955-1964 гг.). Смену поколений определило появление новой элементной базы: вместо громоздкой лампы в ЭВМ стали применяться миниатюрные транзисторы, линии задержки как элементы оперативной памяти сменила память на магнитных сердечниках. Это в конечном итоге привело к уменьшению габаритов, повышению надежности и производительности ЭВМ. В архитектуре ЭВМ появились индексные регистры и аппаратные средства для выполнения операций с плавающей точкой. Были разработаны команды для вызова подпрограмм. Появились языки высокого уровня - Algol, FORTRAN, COBOL, - создавшие предпосылки для появления переносимого программного обеспечения, не зависящего от типа ЭВМ. С появлением языков высокого уровня возникли компиляторы для них; библиотеки стандартных подпрограмм и другие хорошо знакомые нам сейчас вещи: Важное новшество - это появление процессоров ввода-вывода. Эти специализированные процессоры позволили освободить ЦП от управления вводом-выводом и осуществлять ввод-вывод с помощью специализированного устройства одновременно с процессом вычислений. Для эффективного управления ресурсами машины стали использоваться операционные системы (ОС).
3-е поколение (1965-1970 гг.). Смена поколений вновь была обусловлена обновлением элементной базы: вместо транзисторов в различных узлах ЭВМ стали использоваться интегральные микросхемы различной степени интеграции. Микросхемы позволили разместить десятки элементов на пластине размером в несколько сантимметров. Это, в свою очередь, не только повысило производительность ЭВМ, но и снизило их габариты и стоимость. Увеличение мощности ЭВМ сделало возможным одновременное выполнение нескольких программ на одной ЭВМ. Для этого нужно было научиться координировать между собой одновременно выполняемые действия, для чего были расширены функции операционной системы. Одновременно с активными разработками в области аппаратных и архитектурных решений растет удельный вес разработок в области технологий программирования. В это время активно разрабатываются теоретические основы методов программирования, компиляции, баз данных, операционных систем и т. д. Создаются пакеты прикладных программ для самых различных областей жизнедеятельности человека. Наблюдается тенденция к созданию семейств ЭВМ, то есть машины становятся совместимы снизу вверх на программно-аппаратном уровне. Примерами таких семейств была серия IBM System 360 и наш отечественный аналог — ЕС ЭВМ.
4-е поколение (1970-1984 гг.). Очередная смена элементной базы привела к смене поколений. В 70-е годы активно ведутся работы по созданию больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС), которые позволили разместить на одном кристалле десятки тысяч элементов. Это повлекло дальнейшее существенное снижение размеров и стоимости ЭВМ. В начале 70-х годов фирмой Intel был выпущен микропроцессор (МП) i4004. И если до этого в мире вычислительной техники были только три направления (суперЭВМ, большие Э.ВМ (мэйнфреймы) и мини-ЭВМ), то теперь к ним прибавилось еще одно - микропроцессорное.
Процессором называется функциональный блок ЭВМ, предназначенный для логической и арифметической обработки информации на основе принципа микропрограммного управления. По аппаратной реализации процессоры можно разделить на микропроцессоры (полностью интегрирующие все функции процессора) и процессоры с малой и средней интеграцией. Конструктивно это выражается в том, что микропроцессоры реализуют все функции процессора на одном кристалле, а процессоры других типов реализуют их путем соединения большого количества микросхем.
5-е поколение можно назвать микропроцессорным. В 1976 году фирма Intel закончила разработку 16-разрядного микропроцессора i8086. Он имел достаточно большую разрядность регистров (16 бит) и системной шины адреса (20 бит), за счет чего мог адресовать до 1 Мбайт оперативной памяти. В 1982 году был создан i80286. Этот микропроцессор представлял собой улучшенный вариант i8086. Он поддерживал уже несколько режимов работы: реальный, когда формирование адреса производилось по правилам i8086, и защищенный, который аппаратно реализовывал многозадачность и управление виртуальной памятью, i80286 имел также большую разрядность шины адреса - 24 разряда против, 20 у i8086, и поэтому он мог адресовать до 16 Мбайт оперативной памяти. Первые компьютеры на базе этого микропроцессора появились в 1984 году. В 1985 году фирма Intel представила первый 32-разрядный микропроцессор i80386, аппаратно совместимый снизу вверх со всеми предыдущими микропроцессорами этой фирмы. Он был гораздо мощнее своих предшественников, имел 32-разрядную архитектуру и мог прямо адресовать до 4 Гбайт оперативной памяти. Микропроцессор i386 стал поддерживать новый режим работы - режим виртуального i8086, который обеспечил не только большую эффективность работу программ, разработанных для i8086, но и позволил осуществлять параллельную работу нескольких таких программ.