Стремительное развитие цифровой вычислительной техники (ВТ) и становление науки о принципах ее построения и проектирования началось в 40-х годах XX века, когда технической базой ВТ стала электроника и микроэлектроника, а основой для развития архитектуры компьютеров (называемых ранее ЭВМ) – достижения в области искусственного интеллекта.
До этого времени в течение почти 500 лет ВТ сводилась к простейшим устройствам для выполнения арифметических операций над числами. Основой практически всех изобретенных за 5 столетий устройств было зубчатое колесо, рассчитанное на фиксацию 10 цифр десятичной системы счисления. Первый в мире эскизный рисунок тринадцатиразрядного десятичного суммирующего устройства на основе таких колес принадлежит Леонардо да Винчи.
Первым реально осуществленным механическим цифровым вычислительным устройством стала "Паскалина" великого французского ученого Блеза Паскаля, которая представляла собой 6-ти (или 8-ми) разрядное устройство, на зубчатых колесах, рассчитанное на суммирование и вычитание десятичных чисел (1642 г.).
Через 30 лет после "Паскалины" в 1673 г. появился "арифметический прибор" Готфрида Вильгельма Лейбница - двенадцатиразрядное десятичное устройство для выполнения арифметических операций, включая умножение и деление.
В конце XVIII века во Франции произошли два события, имеющие принципиальное значение для дальнейшего развития цифровой вычислительной техники. К таким событиям относятся:
изобретение Жозефом Жакардом программного управления ткацким станком с помощью перфокарт;
разработка Гаспаром де Прони, технологии вычислений, разделившей численные вычисления на три этапа: разработка численного метода, составление программы последовательности арифметических действий, проведение собственно вычислений путем арифметических операций над числами в соответствии с составленной программой.
Указанные новшества позже были использованы англичанином Чарльзом Беббиджем, осуществившим, качественно новый шаг в развитии средств ВТ – переход от ручного к автоматическому выполнению вычислений по составленной программе . Им был разработан проект Аналитической машины - механической универсальной цифровой вычислительной машины с программным управлением (1830-1846 гг.). Машина состояла из пяти устройств: арифметическое (АУ); запоминающее (ЗУ); управления (УУ); ввода (УВВ); вывода (УВ).
Именно из таких устройств и состояли первые ЭВМ, появившиеся спустя 100 лет. АУ строилось на основе зубчатых колес, на них же предлагалось реализовать ЗУ (на тысячи 50-разрядных чисел). Для ввода данных и программы использовались перфокарты. Предполагаемая скорость вычислений - сложение и вычитание за 1 сек, умножение и деление - за 1 мин. Помимо арифметических операций имелась команда условного перехода.
Следует отметить, что хотя и были созданы отдельные узлы машины, всю машину из-за ее громоздкости создать не удалось. Только зубчатых колес для нее понадобилось бы более 50 000. Изобретатель намечал использовать паровую машину для приведения в действие своей аналитической машины.
В 1870 г. (за год до смерти Беббиджа) английский математик Джевонс сконструировал первую в мире "логическую машину", позволяющую механизировать простейшие логические выводы.
Создателями логических машин в дореволюционной России стали Павел Дмитриевич Хрущев (1849-1909) и Александр Николаевич Щукарев (1884-1936), работавшие в учебных заведениях Украины.
Гениальную идею Беббиджа осуществил американский ученый Говард Айкен, создавший в 1944 г. первый в США релейно-механический компьютер. Ее основные блоки – арифметики и памяти – были исполнены на зубчатых колесах. Если Беббидж намного опередил свое время, то Айкен, использовав все те же зубчатые колеса, в техническом плане при реализации идеи Беббиджа использовал устаревшие решения.
Следует отметить, что десятью годами ранее, в 1934 г. немецкий студент Конрад Цузе, работавший над дипломным проектом, решил сделать цифровую вычислительную машину с программным управлением. В этой машине впервые в мире была использована двоичная система исчисления. В 1937 г. машина Z1 произвела первые вычисления. Она была двоичной 22-х разрядной с плавающей запятой с памятью на 64 числа, и работала на чисто механической (рычажной) основе.
В том же 1937 г., когда заработала первая в мире механическая двоичная машина Z1, Джон Атанасов (болгарин по происхождению, живший в США) начал разработку специализированного компьютера, впервые в мире применив электронные лампы (300 ламп).
В 1942-43 годах в Англии была создана (с участием Алана Тьюринга) вычислительная машина "Колоссус". Эта машина, состоящая из 2000 электронных ламп, предназначалась для расшифровки радиограмм германского вермахта. Поскольку работы Цузе и Тьюринга были секретными, о них в то время знали немногие и они не вызвали какого-либо резонанса в мире.
Только в 1946 г. появилась информация об ЭВМ "ЭНИАК" (электронный цифровой интегратор и компьютер), созданной в США Д. Мочли и П. Эккертом, с применением электронной техники. В машине использовалось 18 тысяч электронных ламп, и она выполняла около 3-х тыс. операций в сек. Однако, машина оставалась десятичной, а ее память составляла лишь 20 слов. Программы хранились вне оперативной памяти.
Почти одновременно, в 1949-52 гг. ученые Англии, Советского Союза и США (Морис Уилкс, ЭВМ "ЭДСАК", 1949 г.; Сергей Лебедев, ЭВМ "МЭСМ", 1951 г.; Исаак Брук, ЭВМ "М1", 1952 г.; Джон Мочли и Преспер Эккерт, Джон фон Нейман ЭВМ "ЭДВАК", 1952 г.), создали ЭВМ с хранимой в памяти программой.
В общем случае выделяют пять поколений ЭВМ.
Первое поколение (1945-1954 ) характеризуется появлением техники на электронных лампах. Это эпоха становления вычислительной техники. Большинство машин первого поколения были экспериментальными устройствами и строились с целью проверки тех или иных теоретических положений. Вес и размеры этих компьютеров были такими, что они нередко требовали для себя отдельных зданий.
Основоположниками компьютерной науки по праву считаются Клод Шеннон – создатель теории информации, Алан Тьюринг – математик, разработавший теорию программ и алгоритмов, и Джон фон Нейман - автор конструкции вычислительных устройств, которая до сих пор лежит в основе большинства компьютеров. В те же годы возникла еще одна новая наука, связанная с информатикой, – кибернетика – наука об управлении как одном из основных информационных процессов. Основателем кибернетики является американский математик Норберт Винер.
Во втором поколении (1955-1964) вместо электронных ламп использовались транзисторы, а в качестве устройств памяти стали применяться магнитные сердечники и магнитные барабаны - далекие предки современных жестких дисков. Все это позволило резко уменьшить габариты и стоимость компьютеров, которые тогда впервые стали строиться на продажу.
Но главные достижения этой эпохи принадлежат к области программ. Во втором поколении впервые появилось то, что сегодня называется операционной системой. Тогда же были разработаны первые языки высокого уровня - Фортран, Алгол, Кобол. Эти два важных усовершенствования позволили значительно упростить и ускорить написание программ для компьютеров.
При этом расширялась сфера применения компьютеров. Теперь уже не только ученые могли рассчитывать на доступ к вычислительной технике, поскольку компьютеры нашли применение в планировании и управлении, а некоторые крупные фирмы даже начали компьютеризовать свою бухгалтерию, предвосхищая этот процесс на двадцать лет.
В третьем поколении (1965-1974) впервые стали использоваться интегральные схемы - целые устройства и узлы из десятков и сотен транзисторов, выполненные на одном кристалле полупроводника (микросхемы). В это же время появляется полупроводниковая память, которая и по сей день используется в персональных компьютерах в качестве оперативной.
В эти годы производство компьютеров приобретает промышленный размах. Фирма IBM первой реализовала 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, на основе которого в СССР была разработана серия ЕС ЭВМ. 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.
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.
В 1971 г. фирма Intel, выпустив первый микропроцессор, который предназначался для только-только появившихся настольных калькуляторов. Этому изобретению суждено было произвести в следующем десятилетии настоящую революцию. Микропроцессор является главной составляющей частью современного персонального компьютера.
На рубеже 60-х и 70-х годов двадцатого столетия (1969 г) зародилась первая глобальная компьютерная сеть ARPA, прототип современного Интернета. В том же 1969 г. одновременно появились операционная система Unix и язык программирования С ("Си"), оказавшие огромное влияние на программный мир и до сих пор сохраняющие свое передовое положение.
Четвертое поколение (1975 – 1985) характеризуется все меньшим количеством принципиальных новаций в компьютерной науке. Прогресс идет в основном по пути развития того, что уже изобретено и придумано, прежде всего за счет повышения мощности и миниатюризации элементной базы и самих компьютеров.
Самая главная новация четвертого поколения – это появление в начале 80-х годов персональных компьютеров. Благодаря персональным компьютерам вычислительная техника становится по-настоящему массовой и общедоступной. Несмотря на то, что персональные и миникомпьютеры по-прежнему в вычислительных мощностях отстают от больших машин, львиная доля новшеств, таких как графический пользовательский интерфейс, новые периферийные устройства, глобальные сети, связана появлением и развитием именно этой техники.
Большие компьютеры и суперкомпьютеры, конечно же, продолжают развиваться. Но теперь они уже не доминируют на компьютерной арене, как было раньше.
Некоторые характеристики вычислительной техники четырех поколений приведены в табл. 1.1.
Таблица 1.1
Поколения вычислительной техники
|
Поколение | ||||
|
Основной элемент |
Эл. лампа |
Транзистор |
Интегральная схема |
Большая интегральная схема (микропроцессор) |
|
Количество ЭВМ в мире (шт.) |
Десятки тысяч |
Миллионы |
||
|
Размеры ЭВМ |
Значительно меньше |
микроЭВМ |
||
|
Быстродействие (условное)операций/ сек |
Несколько единиц |
Несколько десятков |
Несколько тысяч |
Несколько десятков тысяч |
|
Носитель информации |
Перфокарта, Перфолента |
Магнитная |
Пятое поколение (1986 до настоящего времени) в значительной мере определяется результатами работы японского Комитета научных исследований в области ЭВМ, опубликованными в 1981г. Согласно этому проекту ЭВМ и вычислительные системы пятого поколения кроме высокой производительности и надежности при более низкой стоимости с помощью новейших технологий, должны удовлетворять следующим качественно новым функциональным требованиям:
обеспечить простоту применения ЭВМ путем реализации систем ввода/вывода информации голосом, а также диалоговой обработки информации с использованием естественных языков;
обеспечить возможность обучаемости, ассоциативных построений и логических выводов;
упростить процесс создания программных средств путем автоматизации синтеза программ по спецификациям исходных требований на естественных языках;
улучшить основные характеристики и эксплуатационные качества вычислительной техники для удовлетворения различных социальных задач, улучшить соотношения затрат и результатов, быстродействия, легкости, компактности ЭВМ;
обеспечить разнообразие вычислительной техники, высокую адаптируемость к приложениям и надежность в эксплуатации.
В настоящее время ведутся интенсивные работы по созданию оптоэлектронных ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой, представляющих собой распределенную сеть большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем
Вычислительные приспособления и устройства от древности до наших дней
Основными этапами развития вычислительной техники являются: Ручной - до 17 века, Механический - с середины 17 века, Электромеханический - с 90-х годов 19 века, Электронный - с 40 годов 20 века.
Ручной период начался на заре человеческой цивилизации.
В любой деятельности человек всегда придумывал и создавал самые разнообразные средства, приспособления и орудия труда с целью расширения своих возможностей и облегчения труда.
С развитием торговли появилась потребность в счете. Много веков назад для осуществления различных подсчетов человек начал использовать сначала собственные пальцы, затем камешки, палочки, узелки и прочее. Но со временем задачи, стоящие перед ним, усложнялись, и стало необходимым находить способы, изобретать приспособления, которые смогли бы ему помочь в решении данных задач.
Одним из первых устройств (V в. до н. э.), облегчавших вычисления, можно считать специальную доску, названную впоследствии абаком (с греч. "счетная доска"). Вычисления на ней проводились перемещением костей или камешков в углублениях досок из бронзы, камня, слоновой кости и пр. В Греции абак существовал уже в V веке до н. э. 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 следующий разряд. Римляне усовершенствовали абак, перейдя от бороздок и камешков к мраморным доскам с выточенными желобками и мраморными шариками. С его помощью можно было совершать простейшие математические операции сложения и вычитания.
Китайская разновидность абака - суаньпань - появилась в VI веке н.э.; Соробан же – это японский абак, происходит от китайского суаньпаня, который был завезен в Японию в XV- XVI веках. XVI в. - Создаются русские счеты с десятичной системой счисления. Они претерпевают с веками значительные изменения, но ими продолжают пользоваться вплоть до 80-х годов 20 века.
В начале XVII века шотландский математик Дж. Непер ввел логарифмы, что оказало революционное влияние на счет. Изобретенная им логарифмическая линейка успешно использовалась еще пятнадцать лет назад, более 360 лет прослужив инженерам. Она, несомненно, является венцом вычислительных инструментов ручного периода автоматизации.
Развитие механики в XVII веке стало предпосылкой создания вычислительных устройств и приборов, использующих механический способ вычислений. Среди механических устройств выделяют суммирующие машины (умеют складывать и вычитать), множительное устройство (умножает и делит), со временем их объединили в одну - арифмометр (умеют выполнять все 4 арифметических действия).
В дневниках гениального итальянца Леонардо да Винчи (1452-1519) уже в наше время был обнаружен ряд рисунков, которые оказались эскизным наброском суммирующей вычислительной машины на зубчатых колесах, способной складывать 13-разрядные десятичные числа. В те далекие от нас годы гениальный ученый был, вероятно, единственным на Земле человеком, который понял необходимость создания устройств для облегчения труда при выполнении вычислений. Однако потребность в этом была настолько малой (точнее, ее не было совсем!), что лишь через сто с лишним лет после смерти Леонардо да Винчи нашелся другой европеец – немецкий ученый Вильгельм Шиккард (1592-1636), не читавший, естественно, дневников великого итальянца, – который предложил свое решение этой задачи. Причиной, побудившей Шиккарда разработать счетную машину для суммирования и умножения шестиразрядных десятичных чисел, было его знакомство с польским астрономом И. Кеплером. Ознакомившись с работой великого астронома, связанной в основном с вычислениями, Шиккард загорелся идеей оказать ему помощь в нелегком труде. В письме на его имя, отправленном в 1623 г., он приводит рисунок машины и рассказывает, как она устроена.
Одним из первых образцов таких механизмов были «считающие часы» немецкого математика Вильгельма Шиккарда. В 1623 году он создал машину, которая стала первым автоматическим калькулятором. Машина Шиккарда умела складывать и вычитать шестизначные числа, оповещая звонком о переполнении. К сожалению, данных о дальнейшей судьбе машины история не сохранила.
Об изобретениях Леонардо да Винчи и Вильгельма Шиккарда стало известно лишь в наше время. Современникам они были неизвестны.
Самой же известной из первых вычислительных машин стала суммирующая машина Блеза Паскаля, который в 1642 г построил модель «Паскалины»- счетной суммирующей машины для восьмизначных чисел. Б.Паскаль начал создавать «Паскалину» в возрасте 19 лет, наблюдая за работой своего отца, который был сборщиком налогов и был вынужден часто выполнять долгие и утомительные расчёты. И его единственной целью было помочь ему в работе.
В 1673 г. немецкий математик Лейбниц создает первый арифмометр, позволяющий выполнять все четыре арифметических операции. "...Моя машина дает возможность совершать умножение и деление над огромными числами мгновенно, притом не прибегая к последовательному сложению и вычитанию", – писал В. Лейбниц одному из своих друзей. О машине Лейбница было известно в большинстве стран Европы.
Принцип вычислений оказался удачным, в последствие модель неоднократно дорабатывалась в разных странах разными учеными.
И с 1881 г. было организованно серийное производства арифмометров, которые использовались для практических вычислений вплоть до шестидесятых годов XX века.
Самой известной моделью серийного производства был арифмометр Феликс, российского производства, получивший в 1900г. на международной выставке в Париже золотую медаль.
Так же к механическому периоду относят теоретические разработки аналитической машин Бэбиджа, которые не были реализованы из-за отсутствия финансирования. Теоретические разработки относятся к 1920-1971 годам. Аналитическая машина должны была стать первой машиной использующей принцип программного управления и предназначавшейся для вычисления любого алгоритма, ввод-вывод планировался с помощью перфокарт, работать она должна была на паровом двигателе. Аналитическая машина состояла из следующих четырех основных частей: блок хранения исходных, промежуточных и результирующих данных (склад - память); блок обработки данных (мельница - арифметическое устройство); блок управления последовательностью вычислений (устройство управления); блок ввода исходных данных и печати результатов (устройства ввода/вывода), что в дальнейшем послужило прообразом структуры всех современных компьютеров. Одновременно с английским ученым работала леди Ада Лавлейс (дочь английского поэта Джорджа Байрона). Она разработала первые программы для машины, заложила многие идеи и ввела ряд понятий и терминов, сохранившихся до настоящего времени. Графиню Лавлейс считают первым программистом, и в ее честь назван язык программирования АДА. Хотя проект не был реализован, он получил широкую известность и высокую оценку ученых. Чарльз Бебидж на целый век обогнал время.
Продолжение следует…
Назад
Вперёд
Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.
Цель урока:
- познакомить с историей развития вычислительной техники, с устройствами, являющимися предшественниками компьютеров и их изобретателями
- дать представление о связи развития ЭВМ с развитием человеческого общества,
- познакомить с основными особенностями ЭВМ разных поколений.
- Развитие познавательного интереса, умение использовать дополнительную литературу
Тип урока: изучение нового материала
Вид: урок-лекция
Программно-дидактическое обеспечение: ПК, слайды презентации с изображением основных устройств, портретов изобретателей и ученых.
План урока:
- Организационный момент
- Актуализация новых знаний
- Предыстория компьютеров
- Поколения ЭВМ (компьютеров)
- Будущее компьютеров
- Закрепление новых знаний
- Подведение итогов урока
- Домашнее задание
1. Организационный момент
Задача этапа : Подготовить учащихся к работе на уроке. (Проверить готовность класса к уроку, наличие школьных необходимых принадлежностей, посещаемость)
2. Актуализация новых знаний
Задача этапа : Подготовка учащихся к активному усвоению новых знаний, обеспечить мотивацию и принятие учащимися цели учебно – познавательной деятельности. Постановка целей урока.
Здравствуйте! Как вы думаете, какие технические изобретения особенно изменили способы труда человека?
(Ученики высказывают свои мнения по данному вопросу, по необходимости учитель их корректирует)
- Вы правы, действительно, основным техническим устройством, повлиявшим на труд человека, является изобретение компьютеров - электронно – вычислительных машин. Сегодня на уроке, мы с вами узнаем, какие вычислительные устройства предшествовали появлению компьютеров, как изменялись сами компьютеры, последовательность становления компьютера, когда машина предназначенная просто для счёта стала сложным техническим устройством. Тема нашего урока: «История вычислительной техники. Поколения компьютеров». Цель нашего урока: познакомиться с историей развития вычислительной техники, с устройствами, являющимися предшественниками компьютеров и их изобретателями познакомиться с основными особенностями ЭВМ разных поколений.
На уроке мы будем работать с помощью мультимедийной презентации, состоящей из 4-х разделов «Предыстория компьютеров», «Поколения компьютеров», «Галерея учёных», «Компьютерный словарь». В каждом разделе есть подраздел «Проверь себя» - это тест, в котором вы сразу узнаете результат.
3. Предыстория компьютеров
Обратить внимание учеников, что ЭВМ – это электронно-вычислительная машина, другое название «компьютер» или «computer» произошло от английского глагола «compute» – вычислять, поэтому слово «компьютер» можно перевести как «вычислитель». То есть и в слове ЭВМ и в слове компьютер главный смысл это вычисления. Хотя мы с вами хорошо знаем, что современные ЭВМ позволяют не только вычислять, но и создавать и обрабатывать тексты, рисунки, видео, звук. Заглянем в историю…
(параллельно оформляем в тетради таблицу «Предыстория компьютеров»)
«Предыстория компьютеров»
Древний человек счетом овладел раньше, чем письменностью. В качестве первого помощника в счете человек избрал свои пальцы. Именно наличие десяти пальцев легло в основу десятичной системы счисления. В разных странах говорят и пишут на разных языках, а считают одинаково. В 5-ом веке до н.э. греки и египтяне использовали для счета – АБАК – устройство, похожее на русские счеты.
Абак – греческое слово и переводится как счетная доска. Идея его устройства заключается в наличии специального вычислительного поля, где по определенным правилам перемещают счетные элементы. Действительно первоначально абак представлял собой доску, покрытую пылью или песком. На ней можно было чертить линии и перекладывать камешки. В Древней Греции абак служил преимущественно для выполнения денежных расчетов. В левой части подсчитывались крупные денежные единицы, а в правой – мелочь. Счет велся в двоично-пятеричной системе счислении. На такой доске было легко складывать и вычитать, добавляя или убирая камешки и перенося их из разряда в разряд.
Придя в Древний Рим абак, изменился внешне. Римляне стали изготавливать его из бронзы, слоновой кости или цветного стекла. На доске присутствовали два ряда прорезей, по которым можно было передвигать косточки. Абак превратился в настоящий счетный прибор, позволяющий представлять даже дроби, и был значительно удобнее греческого. Римляне называли это устройство calculare – «камешки». Отсюда произошел латинский глагол calculare – «вычислять», а от него – русское слово «калькулятор».
После падения Римской империи произошел упадок науки и культуры и абак был закрыт на некоторое время. Возродился он и распространился по Европе только в X веке. Абаком пользовались купцы, менялы, ремесленники. Даже спустя шесть столетий абак оставался важнейшим инструментом для выполнения вычислений.
Естественно, что в течение такого большого промежутка времени абак менял свой внешний вид и в XLL-XLLLвв.он приобрел форму так называемого счета на линиях, так и между ними. Такая форма счета в некоторых европейских странах сохранялась до конца XVLLLв. и лишь затем окончательно уступила место вычислениям на бумаге.
В Китае абак был известен с LV века до нашей эры. На специальной доске выкладывались счетные палочки. Постепенно их сменили разноцветные фишки, а в V веке появились китайские счеты – суан-пан. Они представляли собой раму с двумя рядами нанизанных на прутики косточек. На каждом прутике их было по семь. Из Китая суан-пан пришел в Японию. Произошло это в XVL веке и устройство получило название «соробан».
В Росси счеты появились в то же время, что и в Японии. Но русские счеты были изобретены самостоятельно, что доказывают следующие факторы. Во-первых, русские счеты очень сильно отличаются от китайских. Во-вторых, это изобретение имеет свою историю.
В России был распространен «счет костьми». Он был близок европейскому счету на линиях, но писцы использовали вместо жетонов плодовые косточки. В XVL возник дощаной счет, первый вариант русских счетов. Такие счеты хранятся сейчас в Историческом музе в Москве.
Счеты в России использовались почти 300 лет и сменили их только дешевые карманные калькуляторы.
Первое в мире автоматическое устройство, которое могло выполнять сложение, было создано на базе механических часов, и разработал его в 1623 году Вильгельм Шикард, профессор кафедры восточных языков в одном из университетов Германии. Но неоценимый вклад в развитие устройств помогающих выполнять вычисления, безусловно внесли Блез Паскаль, Годфрид Лейбниц и Чарльз Беббидж.
В 1642 году один из крупнейших ученых в истории человечества – французский математик, физик, философ и богослов Блез Паскаль изобрел и изготовил механическое устройство для складывания и вычитания чисел – АРИФМОМЕТР. ? Как вы думаете, из какого материала был сделан первый в истории арифмометр? (дерево).
Главная идея конструкции будущей машины была сформирована – автоматический перенос разряда. «Каждое колесо… некоторого разряда, совершая движение на десять арифметических цифр, заставляет двигаться следующее только на одну цифру» - эта формула изобретения утверждала приоритет Блеза Паскаля в изобретении и закрепила за ним право производить и продавать машины.
Машина Паскаля осуществляла сложение чисел на специальных дисках - колесиках. Десятичные цифры пятизначного числа задавались поворотами дисков, на которые были нанесены цифровые деления. Результат читался в окошечках. Диски имели один удлиненный зуб, чтобы можно было учесть перенос в следующий разряд.
Исходные числа задавались поворотами наборных колес, вращение ручки приводило в движение различные шестерни и валики, в итоге специальные колеса с цифрами показывали результат выполнения сложения или вычитания.
Паскаль был одним из величайших гениев человечества. Он был математиком, физиком, механиком, изобретателем, писателем. Его имя носят теоремы математики и законы физики. В физике есть единица измерения давления Паскаль. В информатике его имя носит один из самых популярных языков программирования.
В 1673 году немецкий математик и философ Готфрид Вильгельм Лейбниц изобрел и изготовил арифмометр, который мог не только складывать и вычитать числа, но и умножать и делить. Скудость, примитивность первых вычислительных аппаратов не помешала Паскалю и Лейбницу высказать ряд интересных идей о роли вычислительной техники в будущем. Лейбниц писал о машинах, которые будут работать не только с числами, но и сос словами, понятиями, формулами, могли выполнять логические операции. Эта идея большинству современников Лейбница казалась абсурдом. В 18 веке взгляды Лейбница были осмеяны великим английским сатириком Дж.Свифтом, автором известного романа «Путешествия Гулливера».
Лишь в 20-ом веке стала понятна значительность идей Паскаля и Лейбница.
Наряду с устройствами для вычислений развивались и механизмы для АВТОМАТИЧЕСКОЙ РАБОТЫ ПО ЗАДАННОЙ ПРОГРАММЕ (музыкальные автоматы, часы с боем, ткацкие станки Жаккарда).
В начале 19-го века английский математик Чарльз Беббидж, занимавшийся составлением таблиц для навигации, разработал ПРОЕКТ вычислительной «аналитической» машины, в основе которого лежал ПРИНЦИП ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ (ППУ). Новаторская мысль Беббиджа была подхвачена и развита его ученицей Адой Лавлейс, дочерью поэта Джорджа Байрона – которая стала первой программисткой в мире. Однако практическая реализация проекта Беббиджа была невозможной из-за недостаточного развития промышленности и техники.
Основные элементы машины Беббиджа, присущие современному компьютеру:
- Склад – устройство, где хранятся исходные числа и промежуточные результаты. В современно компьютере это память.
- Фабрика – арифметическое устройство, в котором осуществляются операции над числами, взятые из Склада. В современном компьютере это Процессор.
- Блоки ввода исходных данных – устройство ввода.
- Печать результатов – устройство вывода.
Архитектура машины практически соответствует архитектуре современных ЭВМ, а команды, которые выполняла аналитическая машина, в основном включают все команды процессора.
Интересным историческим фактом является то, что первую программу для аналитической машины написал Ада Августа Лавлейс – дочь великого английского поэта Джорджа Байрона. Именно Беббидж заразил ее идеей создания вычислительной машины.
Идея программирования механических устройств с помощь перфокарты впервые была реализована в 1804 году в ткацком станке. Впервые применили их конструкторы ткацких станков. Преуспел в этом дел лондонский ткач Жозеф Мари Жаккард. В 1801 году он создал автоматический ткацкий станок, управляемый перфокартами.
Нить поднималась или опускалась при каждом ходе челнока в зависимости от того, есть отверстие или нет. Поперечная нить могла обходить каждую продольную той Ии иной стороны в зависимости от программы на перфокарте, создавая тем самым затейливый узор из переплетенных нитей. Такое плетение получило название «жаккард» и считается одним из самых сложных и запутанных плетений. Такой ткацкий станок, работающий по программе, был первым массовым промышленным устройством и считается одним из самых совершенных машин, когда-либо созданных человеком.
Идея записи программы на перфокарте пришла в голову и первой программистке Аде Августе Лавлейс. Именно она предложила использовать перфорированные карты в аналитической машине Беббиджа. В частности, в одном из писем она писала: «Аналитическая машина точно так же плетет алгебраические узоры, как ткацкий станок воспроизводит цвета и листья».
Герман Холлерит также использовал в своей машине перфокарты для записи и обработки информации. Перфокарты использовались и в компьютерах первого поколения.
До 40-х годов двадцатого века вычислительная техника представлялась арифмометрами, которые из механических стали электрическими, где электромагнитные реле затрачивали на умножение чисел несколько секунд, которые работали точно по тем же принципам, как и арифмометры Паскаля и Лейбница. Кроме того, они были очень ненадежны, часто ломались. Интересно, что однажды причиной поломки электрического арифмометра оказался мотылек, застрявший в реле, по-английски «мотылек, жук» – bug, отсюда появилось понятие «жучок» как неполадка в ЭВМ.
Герман Холлерит родился 29 февраля 1860 года в американском городе Буффало в семье немецких эмигрантов. Герману легко давались математика и естественные науки, и в 15 лет он поступил в Горную школу при Колумбийском университете. На способного юношу обратил внимание профессор того же университета и пригласил его после окончания школы в возглавляемое им национальное бюро по переписи населения. Перепись населения производилась каждые десять лет. Население постоянно росло, и ее численность в США к тому времени составляло около 50 миллионов человек. Заполнить на каждого человека карточку вручную, а затем подсчитать и обработать результаты, было практически невозможно. Этот процесс затянулся на несколько лет, почти до следующей переписи. Необходимо было найти выход из этой ситуации. Герману Холлериту идею механизировать этот процесс подсказал доктор Джон Биллингс, возглавлявший департамент сводных данных. Он предложил использовать для записи информации перфокарты. Свою машину Холлерит назвал табулятором и в 1887 году он был опробован в Балтиморе. Результаты оказались положительными, и эксперимент повторили в Сент-Луисе. Выигрыш во времени был почти десятикратным. Правительство США сразу же заключило с Холлеритом контракт на поставку табуляторов, и уже в 1890 году перепись населения прошла с использованием машин. Обработка результатов заняла менее двух лет и сэкономила 5 миллионов долларов. Система Холлерита не только обеспечивала высокую скорость, но и позволяла сравнить статистические данные по самым разным параметрам. Холлерит разработал удобный клавишный перфоратор, позволяющий пробивать около 100 отверстий в минуту одновременно на нескольких картах, автоматизировал процедур подачи и сортировки перфокарт. Сортировку осуществляло устройство в виде набора ящиков с крышками. Перфокарты продвигались по своеобразному конвейеру. С одной стороны карты находились считывающие штыри на пружинках, с другой – резервуар с ртутью. Когда штырь попадал в отверстие на перфокарте, то благодаря ртути, находящейся на другой стороне, замыкал электрическую цепь. Крышка соответствующего ящика открывалась и туда попадала перфокарта. Табулятор использовали для переписи населении в нескольких странах.
В 1896 году герма Холлерит сновал компанию Tabulating Machine Company (TMC) и его машины применялись повсюду – и на крупных промышленных предприятиях и в обычных фирмах. И в 1900 году табулятор использовался для переписи населения. переименовывает фирму в IBM (International Business Machines).
4. Поколения ЭВМ (компьютеров)
(параллельно оформляем записи в тетради и таблицу «Поколения ЭВМ (компьютеров)»)
| ПОКОЛЕНИЯ ЭВМ | |||||||
| № | период | Элементная база | Быстро-действие (оп/сек.) | Носители информации | программы | применение | Примеры ЭВМ |
| I | |||||||
| II | |||||||
| III | |||||||
| IV | |||||||
| V | |||||||
I поколение ЭВМ: В 30-х годах 20-го века в развитии физики произошел прорыв, коренной переворот. В вычислительных машинах стали использоваться уже не колеса, валики и реле, а вакуумные электронные лампы. Переход от электромеханических элементов к электронным сразу увеличил быстродействие машин в сотни раз. Первая действующая ЭВМ была построена в США в 1945 году, в университете штата Пенсильвания учеными Эккертом и Моучли и называлась ЭНИАК. Эта машина была построена по заказу министерства обороны США для средств ПВО, для автоматизации управления. Чтобы правильно рассчитать траекторию и скорость движения снаряда для поражения воздушной цели, надо было решить систему из 6-ти дифференциальных уравнений. Эту задачу и должна была решать первая ЭВМ. Первая ЭВМ занимала два этажа одного здания, весила 30 тонн и состояла из десятков тысяч электронных ламп, которые соединялись проводами, общая протяженность которых составляла 10 тысяч км. Когда ЭВМ ЭНИАК работала, электричество в городке отключалась, так много электричества потреблялось этой машиной, электронные лампы быстро перегревались и выходили из строя. Целая группа студентов занималась только тем, что непрерывно искала и заменяла перегоревшие лампы.
В СССР основоположником вычислительной техники стал Сергей Алексеевич Лебедев, создавший МЭСМ (малая счетная машина) 1951 год (Киев) и БЭСМ (быстродействующая ЭСМ) – 1952 г., Москва.
II поколение: В 1948 году американским ученым Уолтером Брайттеном был изобретен ТРАНЗИСТОР, полупроводниковый прибор, который заменил радиолампы. Транзистор был намного меньше радиолампы, был более надежным и потреблял намного меньше электричества, он один заменял 40 электронных ламп! Вычислительные машины стали меньше в размерах и значительно дешевле, их быстродействие достигло нескольких сот операций в секунду. Теперь ЭВМ были размером с холодильник, их могли приобрести и использовать научные и технические институты. В то время СССР шел в ногу со временем и выпускал ЭВМ мирового уровня БЭСМ-6.
III поколение: Вторая половина 20-го века характеризуется бурным развитием науки и техники, особенно физики полупроводников и с 1964 года транзисторы стали размещать на микросхемах, выполненных на поверхностях кристаллов. Это позволило преодолеть миллионный барьер в быстродействии.
IV поколение: Начиная с 1980 года ученые научились на одном кристалле размещать несколько интегральных микросхем, развитие микроэлектроники привело к созданию микропроцессоров. Кристалл ИС меньше и тоньше контактной линзы. Быстродействие современных ЭВМ исчисляется сотнями миллионов операций в секунду.
В 1977 году появился первый ПК (персональный компьютер) фирмы Apple Macintosh. С 1981 года лидером в производстве ПК стала фирма IBM (International Business Machine), эта фирма работала на рынке США еще с 19-го века и выпускала различные устройства для офисов – счеты, арифмометры ручки и т.д. и зарекомендовала себя как надежная фирма, которой доверяло большинство деловых людей в США. Но не только поэтому ПК IBM были намного популярнее, чем ПК Apple Macintosh. ПК Apple Macintosh представляли собой “черный ящик” для пользователя – он не разобрать модернизировать ПК, присоединять к ПК новые устройства, а ПК IBM были открыты для пользователя и тем самым позволяли собирать ПК как детский конструктор, поэтому большинство пользователей выбрали ПК IBM. Хотя мы с вами при слове ЭВМ представляем именно ПК, но существуют задачи, которые даже современные ПК решить не могут, с которыми могут справиться только суперЭВМ, быстродействие которых исчисляется миллиардами операций в секунду.
Научная школа Лебедева по своим результатам успешно соперничала с ведущей фирмой США IBM . Среди ученых мира, современников Лебедева, нет человека, который подобно ему обладал бы столь мощным творческим потенциалом, чтобы охватить своей научной деятельностью период от создания первых ламповых ЭВМ до сверхбыстродействующей суперЭВМ. Когда американский ученый Норберт Винер, которого называют «первый киберпророк», в 1960 году приезжал в СССР, он отметил « Они совсем немного отстают от нас в аппаратуре, зато далеко впереди нас в ТЕОРИИ автоматизации». К сожалению, в 60-х годах наука кибернетика подвергалась гонениям, как «буржуазная лженаука», ученых-кибернетиков сажали в тюрьмы, из-за чего советская электроника стала заметно отставать от зарубежной. Хотя создавать новые ЭВМ становилось невозможным, запретить мыслить ученым никто не мог. Поэтому до сих пор наши российские ученые опережают мировую научную мысль в области теории автоматизации.
Для разработки программ для ЭВМ создавались различные языки программирования (алгоритмические языки). Фортран FORTRAN – FORmula TRANslated – первый язык, создан в 1956 году Дж. Бэкусом. В 1961 году появился Бейсик BASIC (Beginners All-purpose Simbolic Instartion Code –многоцелевой язык символических инструкций для начинающих) Т.Куртц, дж. Кемени.В 1971 году профессор Цюрихского университета Николас Вирт создал язык Паскаль Pascal, который назвал в честь ученого Блеза Паскаля. Создавались и другие языки: Ада, Алгол, Кобол, Си, Пролог, Фред, Лого, Лисп и др. Но до сих пор самым популярным языком программирования является Паскаль, многие более поздние языки взяли из Паскаля основные команды и принципы построения программы, например язык Си, Си+ и система программирования Delphi, даже Бейсик, изменившись позаимствовал из Паскаля его структурированность и универсальность. Мы с вами в 11-ом классе будем изучать язык Паскаль и научимся создавать программы для решения задач с формулами, для обработки текста, научимся рисовать и создавать движущиеся рисунки.
Суперкомпьютеры
5. Будущее компьютеров
- Преимущества искусственного интеллекта (ИИ):
- Молекулярные компьютеры
- Биокомпьютеры
- Оптические компьютеры
- Квантовые компьютеры
6. Закрепление новых знаний
Закрепление нового материала возможно с помощью теста в мультимедийной презентации к уроку: раздел «Проверь себя» в каждой части презентации: «Предыстория компьютеров», «Поколения ЭВМ», «Галерея учёных».
Проверка знаний по данной теме возможно с помощью тестов «История вычислительной техники» (Приложение 1 ) в 4-х вариантах и тест об учёных «Информатика в лицах» (Приложение 2 )
7. Подведение итогов урока
Проверка заполненных таблиц (Приложение 3 )
8. Домашнее задание
- лекция в тетради по презентации, таблицы «Предыстория компьютеров», «Поколения ЭВМ»
- подготовить сообщение про 5-ое поколение ЭВМ (будущее компьютеров)
Самыми первыми вычислительными приспособлениями были собственные пальцы человека. Когда этого средства оказывалось недостаточно, в ход шли камушки, палочки, ракушки. Складывая такой набор десятками, а затем и сотнями, человек учился считать и пользоваться средствами измерения чисел. Именно с камушков и ракушек началась история развития вычислительной техники. Раскладывая их по разным столбцам (разрядам) и добавляя или убирая нужное количество камушков, можно было производить сложение и вычитание больших чисел. При многократном сложении можно было выполнять даже такое сложное действие, как умножение.
Затем начинается история развития средств Первым средством для вычисления стали изобретенные на Руси счеты. В них числа разбивались на десятки с помощью горизонтальных направляющих с косточками. Они стали незаменимым помощником торговцев, чиновников, приказчиков и управляющих. Эти люди умели пользоваться счетами просто виртуозно. В дальнейшем такое необходимое устройство проникло и в Европу.
Самым первым механическим устройством для счета, которое знает история развития вычислительной техники, стала счетная машина, которую в 1642 году построил выдающийся французский ученый Блез Паскаль. Его механический «компьютер» мог производить такие действия, как сложение и вычитание. Эту машину звали «Паскалина» и состояла она из целого комплекса, в котором устанавливались вертикально колеса с нанесенными цифрами от 0 до 9. Колесо при полном обороте цепляло соседнее колесо и поворачивало его на одну цифру. Количество колес определяло количество разрядов вычислительной машины. Если на ней устанавливали пять колес, то она могла уже проводить операции с огромными числами вплоть до 99999.
Затем в 1673 году немецкий математик Лейбниц создал устройство, которое могло не только вычитать и складывать, но также делить и умножать. В отличие от колеса были зубчатые и имели девять разных длин зубьев, чем и обеспечивались такие невероятно «сложные» действия, как умножение и деление. техники знает много имен, но одно имя известно даже неспециалистам. Это английский математик Его заслуженно называют отцом всей современной вычислительной техники. Именно ему принадлежит идея, что в вычислительной машине необходимо устройство, которое будет хранить числа. Причем это устройство должно не только хранить числа, но и давать команды вычислительной машине, что она должна с этими числами делать.
Идея Бэббиджа и легла в основу устройства и разработки всех современных компьютеров. Такой блок в вычислительной процессором. Однако ученый не оставил никаких чертежей и описаний машины, которую он изобрел. Это сделал один из его учеников в своей статье, которую он написал на французском языке. Статью прочитала графиня Ада Августа Лавлейс - дочь знаменитого поэта Джорджа Байрона, которая перевела ее на английский язык и разработала для этой машины собственные программы. Благодаря ей история развития вычислительной техники получила один из самых совершенных языков программирования - АДА.
XX век дал новый толчок развитию вычислительной техники, связанный с электричеством. Было изобретено электронное устройство, которое запоминало электрические сигналы - ламповый триггер. Созданные с его помощью первые компьютеры могли считать в тысячи раз быстрее, чем самые совершенные механические счетные машины, но были еще очень громоздкими. Первые ЭВМ весили около 30 тонн и занимали помещение размером больше 100 кв. метров. Дальнейшее развитие получили с появлением чрезвычайно важного изобретения - транзистора. Ну а современные средства вычислительной техники немыслимы без применения микропроцессора - сложной интегральной микросхемы, разработанной в июне 1971 года. Такова краткая история развития вычислительной техники. Современные достижения науки и техники подняли уровень современных компьютеров на небывалую высоту.
Поколения:
I. ЭВМ на эл. лампах, быстродействие порядка 20000 операций в секунду, для каждой машины существует свой язык программирования. (“БЭСМ”,”Стрела”). II. В 1960 г. в ЭВМ были применены транзисторы, изобретённые в 1948 г., они были более надёжны, долговечны, обладали большой оперативной памятью. 1 транзистор способен заменить ~40 эл. ламп и работает с большей скоростью. В качестве носителей информации использовались магнитные ленты. (“Минск-2”,”Урал-14). III. В 1964 г. появились первые интегральные схемы (ИС), которые получили широкое распространение. ИС - это кристалл, площадь которого 10 мм2. 1 ИС способна заменить 1000 транзисторов. 1 кристалл - 30-ти тонный “Эниак”. Появилась возможность обрабатывать параллельно несколько программ. IV. Впервые стали применяться большие интегральные схемы (БИС), которые по мощности примерно соответствовали 1000 ИС. Это привело к снижению стоимости производства компьютеров. В 1980 г. центральный процессор небольшой ЭВМ оказалось возможным разместить на кристалле площадью 1/4 дюйма. (“Иллиак”,”Эльбрус”). V. Синтезаторы, звуки, способность вести диалог, выполнять команды, подаваемые голосом или прикосновением.Ранние приспособления и устройства для счёта
Вычислительная техника является важнейшим компонентом процесса вычислений и обработки данных. Первыми приспособлениями для вычислений были счётные палочки. Развиваясь, эти приспособления становились более сложными, например, такими как финикийские глиняные фигурки, также предназначаемые для наглядного представления количества считаемых предметов. Такими приспособлениями пользовались торговцы и счетоводы того времени. Постепенно из простейших приспособлений для счёта рождались всё более и более сложные устройства: абак (счёты), логарифмическая линейка, механический арифмометр, электронный компьютер. Принцип эквивалентности широко использовался в простейшем счётном устройстве Абак или Счёты. Количество подсчитываемых предметов соответствовало числу передвинутых костяшек этого инструмента. Сравнительно сложным приспособлением для счёта могли быть чётки, применяемые в практике многих религий. Верующий как на счётах отсчитывал на зёрнах чёток число произнесённых молитв, а при "
"Считающие часы» Вильгельма Шикарда
В 1623 году Вильгельм Шикард придумал «Считающие часы» - первый механический калькулятор, умевший выполнять четыре арифметических действия. За этим последовали машины Блеза Паскаля («Паскалина», 1642 г.) и Готфрида Вильгельма Лейбница.
Примерно в 1820 году Charles Xavier Thomas создал первый удачный, серийно выпускаемый механический калькулятор - Арифмометр Томаса, который мог складывать, вычитать, умножать и делить. В основном, он был основан на работе Лейбница. Механические калькуляторы, считающие десятичные числа, использовались до 1970-х. Лейбниц также описал двоичную систему счисления, центральный ингредиент всех современных компьютеров. Однако вплоть до 1940-х, многие последующие разработки (включая машины Чарльза Бэббиджа и даже ЭНИАК 1945 года) были основаны на более сложной в реализации десятичной системе.
Перфокарточная система музыкального автомата
В 1801 году Жозеф Мари Жаккар разработал ткацкий станок, в котором вышиваемый узор определялся перфокартами. Серия карт могла быть заменена, и смена узора не требовала изменений в механике станка. Это было важной вехой в истории программирования. В 1838 году Чарльз Бэббидж перешёл от разработки Разностной машины к проектированию более сложной аналитической машины, принципы программирования которой напрямую восходят к перфокартам Жаккара. В 1890 году Бюро Переписи США использовало перфокарты и механизмы сортировки, разработанные Германом Холлеритом, чтобы обработать поток данных десятилетней переписи, переданный под мандат в соответствии с Конституцией. Компания Холлерита в конечном счёте стала ядром IBM. Эта корпорация развила технологию перфокарт в мощный инструмент для деловой обработки данных и выпустила обширную линию специализированного оборудования для их записи. К 1950 году технология IBM стала вездесущей в промышленности и правительстве. Во многих компьютерных решениях перфокарты использовались до (и после) конца 1970-х.
1835-1900-е: Первые программируемые машины
В 1835 году Чарльз Бэббидж описал свою аналитическую машину. Это был проект компьютера общего назначения, с применением перфокарт в качестве носителя входных данных и программы, а также парового двигателя в качестве источника энергии. Одной из ключевых идей было использование шестерней для выполнения математических функций. По стопам Бэббиджа, хотя и не зная о его более ранних работах, шёл Percy Ludgate, бухгалтер из Дублина [Ирландия]. Он независимо спроектировал программируемый механический компьютер, который он описал в работе, изданной в 1909 году.
1930-е - 1960-е: настольные калькуляторы
Арифмометр «Феликс» - самый распространённый в СССР. Выпускался в 1929-1978 гг
В 1948 году появился Curta - небольшой механический калькулятор, который можно было держать в одной руке. В 1950-х - 1960-х годах на западном рынке появилось несколько марок подобных устройств. Первым полностью электронным настольным калькулятором был британский ANITA Мк. VII, который использовал дисплей на трубках «Nixie» и 177 миниатюрных тиратроновых трубок. В июне 1963 года Friden представил EC-130 с четырьмя функциями. Он был полностью на транзисторах, имел 13-цифровое разрешение на 5-дюймовой электронно-лучевой трубке, и представлялся фирмой на рынке калькуляторов по цене 2200 $. В модель EC 132 были добавлены функция вычисления квадратного корня и обратные функции. В 1965 году Wang Laboratories произвёл LOCI-2, настольный калькулятор на транзисторах с 10 цифрами, который использовал дисплей на трубках «Nixie» и мог вычислять логарифмы.
Появление аналоговых вычислителей в предвоенные годы
Дифференциальный анализатор, Кембридж, 1938 год Перед Второй мировой войной механические и электрические аналоговые компьютеры считались наиболее современными машинами, и многие считали, что это будущее вычислительной техники. Аналоговые компьютеры использовали преимущества того, что математические свойства явлений малого масштаба - положения колёс или электрическое напряжение и ток - подобны математике других физических явлений, например таких как баллистические траектории, инерция, резонанс, перенос энергии, момент инерции и т. п. Они моделировали эти и другие физические явления значениями электрического напряжения и тока.
Первые электромеханические цифровые компьютеры
Z-серия Конрада Цузе В 1936 году, работая в изоляции в нацистской Германии, Конрад Цузе начал работу над своим первым вычислителем серии Z, имеющим память и (пока ограниченную) возможность программирования. Созданная, в основном, на механической основе, но уже на базе двоичной логики, модель Z1, завершённая в 1938 году, так и не заработала достаточно надёжно, из-за недостаточной точности выполнения составных частей. Следующая машина Цузе - Z3, была завершена в 1941 году. Она была построена на телефонных реле и работала вполне удовлетворительно. Тем самым, Z3 стала первым работающим компьютером, управляемым программой. Во многих отношениях Z3 была подобна современным машинам, в ней впервые был представлен ряд новшеств, таких как арифметика с плавающей запятой. Замена сложной в реализации десятичной системы на двоичную, сделала машины Цузе более простыми и, а значит, более надёжными; считается, что это одна из причин того, что Цузе преуспел там, где Бэббидж потерпел неудачу. Программы для Z3 хранились на перфорированной плёнке. Условные переходы отсутствовали, но в 1990-х было теоретически доказано, что Z3 является универсальным компьютером (если игнорировать ограничения на размер физической памяти). В двух патентах 1936 года, Конрад Цузе упоминал, что машинные команды могут храниться в той же памяти что и данные - предугадав тем самым то, что позже стало известно как архитектура фон Неймана и было впервые реализовано только в 1949 году в британском EDSAC.
Британский «Колосс»
Британский Colossus был использован для взлома немецких шифров в ходе Второй мировой войны. «Колосс» стал первым полностью электронным вычислительным устройством. В нём использовалось большое количество электровакуумных ламп, ввод информации выполнялся с перфоленты. «Колосс» можно было настроить на выполнение различных операций булевой логики, но он не являлся тьюринг-полной машиной. Помимо Colossus Mk I, было собрано ещё девять моделей Mk II. Информация о существовании этой машины держалась в секрете до 1970-х гг. Уинстон Черчилль лично подписал приказ о разрушении машины на части, не превышающие размером человеческой руки. Из-за своей секретности, «Колосс» не упомянут во многих трудах по истории компьютеров.
Первое поколение компьютеров с архитектурой фон Неймана
Память на ферритовых сердечниках. Каждый сердечник - один бит. Первой работающей машиной с архитектурой фон Неймана стал манчестерский «Baby» - Small-Scale Experimental Machine (Малая экспериментальная машина), созданный в Манчестерском университете в 1948 году; в 1949 году за ним последовал компьютер Манчестерский Марк I, который уже был полной системой, с трубками Уильямса и магнитным барабаном в качестве памяти, а также с индексными регистрами. Другим претендентом на звание «первый цифровой компьютер с хранимой программой» стал EDSAC, разработанный и сконструированный в Кембриджском университете. Заработавший менее чем через год после «Baby», он уже мог использоваться для решения реальных проблем. На самом деле, EDSAC был создан на основе архитектуры компьютера EDVAC, наследника ENIAC. В отличие от ENIAC, использовавшего параллельную обработку, EDVAC располагал единственным обрабатывающим блоком. Такое решение было проще и надёжнее, поэтому такой вариант становился первым реализованным после каждой очередной волны миниатюризации. Многие считают, что Манчестерский Марк I / EDSAC / EDVAC стали «Евами», от которых ведут свою архитектуру почти все современные компьютеры.
Первый универсальный программируемый компьютер в континентальной Европе был создан командой учёных под руководством Сергея Алексеевича Лебедева из Киевского института электротехники СССР, Украина. ЭВМ МЭСМ (Малая электронная счётная машина) заработала в 1950 году. Она содержала около 6000 электровакуумных ламп и потребляла 15 кВт. Машина могла выполнять около 3000 операций в секунду. Другой машиной того времени была австралийская CSIRAC, которая выполнила свою первую тестовую программу в 1949 году.
В октябре 1947 года директора компании Lyons & Company, британской компании, владеющей сетью магазинов и ресторанов, решили принять активное участие в развитии коммерческой разработке компьютеров. Компьютер LEO I начал работать в 1951 году и впервые в мире стал регулярно использоваться для рутинной офисной работы.
Машина Манчестерского университета стала прототипом для Ferranti Mark I. Первая такая машина была доставлена в университет в феврале 1951 года, и, по крайней мере, девять других были проданы между 1951 и 1957 годами.
В июне 1951 года UNIVAC 1 был установлен в Бюро переписи населения США. Машина была разработана в компании Remington Rand, которая, в конечном итоге, продала 46 таких машин по цене более чем в 1 млн $ за каждую. UNIVAC был первым массово производимым компьютером; все его предшественники изготовлялись в единичном экземпляре. Компьютер состоял из 5200 электровакуумных ламп, и потреблял 125 кВт энергии. Использовались ртутные линии задержки, хранящие 1000 слов памяти, каждое по 11 десятичных цифр плюс знак (72-битные слова). В отличие от машин IBM, оснащаемых устройством ввода с перфокарт, UNIVAC использовал ввод с металлизированной магнитной ленты стиля 1930-х, благодаря чему обеспечивалась совместимость с некоторыми существующими коммерческими системами хранения данных. Другими компьютерами того времени использовался высокоскоростной ввод с перфоленты и ввод/вывод с использованием более современных магнитных лент.
Первой советской серийной ЭВМ стала Стрела, производимая с 1953 на Московском заводе счётно-аналитических машин. «Стрела» относится к классу больших универсальных ЭВМ (Мейнфрейм) с треёхадресной системой команд. ЭВМ имела быстродействие 2000-3000 операций в секунду. В качестве внешней памяти использовались два накопителя на магнитной ленте емкостью 200 000 слов, объём оперативной памяти - 2048 ячеек по 43 разряда. Компьютер состоял из 6200 ламп, 60 000 полупроводниковых диодов и потреблял 150 кВт энергии.
В 1955 году Морис Уилкс изобретает микропрограммирование, принцип, который позднее широко используется в микропроцессорах самых различных компьютеров. Микропрограммирование позволяет определять или расширять базовый набор команд с помощью встроенных программ (которые носят названия микропрограмма или firmware).
В 1956 году IBM впервые продаёт устройство для хранения информации на магнитных дисках - RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control). Оно использует 50 металлических дисков диаметром 24 дюйма, по 100 дорожек с каждой стороны. Устройство хранило до 5 МБ данных и стоило по 10 000 $ за МБ. (В 2006 году, подобные устройства хранения данных - жёсткие диски - стоят около 0,001 $ за Мб.)
1950-е - начало 1960-х: второе поколение
Следующим крупным шагом в истории компьютерной техники, стало изобретение транзистора в 1947 году. Они стали заменой хрупким и энергоёмким лампам. О компьютерах на транзисторах обычно говорят как о «втором поколении», которое доминировало в 1950-х и начале 1960-х. Благодаря транзисторам и печатным платам, было достигнуто значительное уменьшение размеров и объёмов потребляемой энергии, а также повышение надёжности. Например, IBM 1620 на транзисторах, ставшая заменой IBM 650 на лампах, была размером с офисный стол. Однако компьютеры второго поколения по-прежнему были довольно дороги и поэтому использовались только университетами, правительствами, крупными корпорациями.
Компьютеры второго поколения обычно состояли из большого количества печатных плат, каждая из которых содержала от одного до четырёх логических вентилей или триггеров. В частности, IBM Standard Modular System определяла стандарт на такие платы и разъёмы подключения для них. В 1959 году на основе транзисторов IBM выпустила мейнфрейм IBM 7090 и машину среднего класса IBM 1401. Последняя использовала перфокарточный ввод и стала самым популярным компьютером общего назначения того времени: в период 1960-1964 гг. было выпущено более 100 тыс. экземпляров этой машины. В ней использовалась память на 4000 символов (позже увеличенная до 16 000 символов). Многие аспекты этого проекта были основаны на желании заменить перфокарточные машины, которые широко использовались начиная с 1920-х до самого начала 1970-х гг. В 1960 году IBM выпустила транзисторную IBM 1620, изначально только перфоленточную, но вскоре обновлённую до перфокарт. Модель стала популярна в качестве научного компьютера, было выпущено около 2000 экземпляров. В машине использовалась память на магнитных сердечниках объёмом до 60 000 десятичных цифр.
В том же 1960 году DEC выпустила свою первую модель - PDP-1, предназначенную для использования техническим персоналом в лабораториях и для исследований.
В 1961 году Burroughs Corporation выпустила B5000, первый двухпроцессорный компьютер с виртуальной памятью. Другими уникальными особенностями были стековая архитектура, адресация на основе дескрипторов, и отсутствие программирования напрямую на языке ассемблера.
Первыми советскими серийными полупроводниковыми ЭВМ стали «Весна» и «Снег», выпускаемые с 1964 по 1972 год. Пиковая производительность ЭВМ «Снег» составила 300 000 операций в секунду. Машины изготавливались на базе транзисторов с тактовой частотой 5 МГц. Всего было выпущено 39 ЭВМ.
Наилучшей отечественной ЭВМ 2-го поколения считается БЭСМ-6, созданная в 1966. В архитектуре БЭСМ-6 впервые был широко использован принцип совмещения выполнения команд (до 14 одноадресных машинных команд могли находиться на разных стадиях выполнения). Механизмы прерывания, защиты памяти и другие новаторские решения позволили использовать БЭСМ-6 в мультипрограммном режиме и режиме разделения времени. ЭВМ имела 128 Кб оперативной памяти на ферритовых сердечниках и внешнюю памяти на магнитных барабанах и ленте. БЭСМ-6 работала с тактовой частотой 10 МГц и рекордной для того времени производительностью - около 1 миллиона операций в секунду. Всего было выпущено 355 ЭВМ.
1960-е и далее: третье и последующие поколения
Бурный рост использования компьютеров начался с т. н. «3-им поколением» вычислительных машин. Начало этому положило изобретение интегральных схем, которые независимо друг от друга изобрели лауреат Нобелевской премии Джек Килби и Роберт Нойс. Позже это привело к изобретению микропроцессора Тэдом Хоффом (компания Intel). В течение 1960-х наблюдалось определённое перекрытие технологий 2-го и 3-го поколений. В конце 1975 года, в Sperry Univac продолжалось производство машин 2-го поколения, таких как UNIVAC 494.
Появление микропроцессоров привело к разработке микрокомпьютеров - небольших недорогих компьютеров, которыми могли владеть небольшие компании или отдельные люди. Микрокомпьютеры, представители четвёртого поколения, первые из которых появился в 1970-х, стали повсеместным явлением в 1980-х и позже. Стив Возняк, один из основателей Apple Computer, стал известен как разработчик первого массового домашнего компьютера, а позже - первого персонального компьютера. Компьютеры на основе микрокомпьютерной архитектуры, с возможностями, добавленными от их больших собратьев, сейчас доминируют в большинстве сегментов рынка.
1970-1990-четвертое поколение ЭВМ
Обычно считается, что период с 1970 по 1990 гг. принадлежит компьютерам четвертого поколения. Однако есть и другое мнение - многие полагают, что достижения этого периода не настолько велики, чтобы считать его равноправным поколением. Сторонники такой точки зрения называют это десятилетие принадлежащим «третьему с половиной» поколению компьютеров, и только с 1985 г., по их мнению, следует отсчитывать годы жизни собственно четвертого поколения, здравствующего и по сей день.
Так или иначе, очевидно, что начиная с середины 70-х все меньше становится принципиальных новаций в компьютерной науке. Прогресс идет в основном по пути развития того, что уже изобретено и придумано, - прежде всего за счет повышения мощности и миниатюризации элементной базы и самих компьютеров.
И, конечно же, самое главное - что с начала 80-х, благодаря появлению персональных компьютеров, вычислительная техника становится по-настоящему массовой и общедоступной. Складывается парадоксальная ситуация: несмотря на то, что персональные и миникомпьютеры по-прежнему во всех отношениях отстают от больших машин, львиная доля новшеств последнего десятилетия - графический пользовательский интерфейс, новые периферийные устройства, глобальные сети - обязаны своим появлением и развитием именно этой «несерьезной» технике. Большие компьютеры и суперкомпьютеры, конечно же, отнюдь не вымерли и продолжают развиваться. Но теперь они уже не доминируют на компьютерной арене, как было раньше.
Элементная база ЭВМ - большие интегральные схемы (БИС). Машины предназначались для резкого повышения производительности труда в науке, производстве, управлении, здравоохранении, обслуживании и быту. Высокая степень интеграции способствует увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, повышению ее надежности, что ведет к увеличению быстродействия ЭВМ и снижению ее стоимости. Все это оказывает существенное воздействие на логическую структуру (архитектуру) ЭВМ и на ее программное обеспечение. Более тесной становится связь структуры машины и ее программного обеспечения, особенно операционной системы (или монитора)-набора программ, которые организуют непрерывную работу машины без вмешательства человека. К этому поколению можно отнести ЭВМ ЕС: ЕС-1015, -1025, -1035, -1045, -1055, -1065 (“Ряд 2”), -1036, -1046, -1066, СМ-1420, -1600, -1700, все персональные ЭВМ (“Электроника МС 0501”, “Электроника-85”, “Искра-226”, ЕС-1840, -1841, -1842 и др.), а также другие типы и модификации. К ЭВМ четвертого поколения относится также многопроцессорный вычислительный комплекс "Эльбрус". "Эльбрус-1КБ" имел быстродействие до 5,5 млн. операций с плавающей точкой в секунду, а объем оперативной памяти до 64 Мб. У "Эльбрус-2" производительность до 120 млн. операций в секунду, емкость оперативной памяти до 144 Мб или 16 Мслов (слово 72 разряда), максимальная пропускная способность каналов ввода-вывода - 120 Мб/с.
Пример: IBM 370-168
Изготовлена в 1972 г. Эта модель машины была одной из самых распространенных. Емкость ОЗУ - 8.2 Мбайт. Производительность - 7.7 млн. операций в секунду.
1990-…до наших дней-5 поколение ЭВМ
Переход к компьютерам пятого поколения предполагал переход к новым архитектурам, ориентированным на создание искусственного интеллекта.
Считалось, что архитектура компьютеров пятого поколения будет содержать два основных блока. Один из них - собственно компьютер, в котором связь с пользователем осуществляет блок, называемый «интеллектуальным интерфейсом». Задача интерфейса - понять текст, написанный на естественном языке или речь, и изложенное таким образом условие задачи перевести в работающую программу.
Основные требования к компьютерам 5-го поколения: Создание развитого человеко-машинного интерфейса (распознавание речи, образов); Развитие логического программирования для создания баз знаний и систем искусственного интеллекта; Создание новых технологий в производстве вычислительной техники; Создание новых архитектур компьютеров и вычислительных комплексов.
Новые технические возможности вычислительной техники должны были расширить круг решаемых задач и позволить перейти к задачам создания искусственного интеллекта. В качестве одной из необходимых для создания искусственного интеллекта составляющих являются базы знаний (базы данных) по различным направлениям науки и техники. Для создания и использования баз данных требуется высокое быстродействие вычислительной системы и большой объем памяти. Универсальные компьютеры способны производить высокоскоростные вычисления, но не пригодны для выполнения с высокой скоростью операций сравнения и сортировки больших объемов записей, хранящихся обычно на магнитных дисках. Для создания программ, обеспечивающих заполнение, обновление баз данных и работу с ними, были созданы специальные объектно ориентированные и логические языки программирования, обеспечивающие наибольшие возможности по сравнению с обычными процедурными языками. Структура этих языков требует перехода от традиционной фон-неймановской архитектуры компьютера к архитектурам, учитывающим требования задач создания искусственного интеллекта.
Пример: IBM eServer z990
Изготовлен в 2003 г.
Физические параметры: вес 2000 кг., потребляемая мощность 21 КВт., площадь 2,5 кв. м., высота 1,94 м., емкость ОЗУ 256 ГБайт, производительность - 9 млрд. инструкций/сек.
