История вычислительной техники

  Разностная машина Чарльза Бэббидж. В 1822 году англичанин Чарльз Бэббидж построил счетное устройство, которое назвал разностной машиной. В эту машину вводилась информация на картах. Для выполнения ряда математических операций в машине применялись цифровые колеса с зубьями. Десять лет спустя Бэббидж спроектировал другое счетное устройство, гораздо более совершенное, которое назвал аналитической машиной. Друг Бэббиджа, графиня Ада Августа Лавлейс, показала, как можно использовать аналитическую машину для выполнения ряда конкретных вычислений. Чарльза Бэббиджа считают изобретателем компьютера, а Аду Лавлейс называют первым программистом компьютера. В 1985 году сотрудники Музея науки в Лондоне решили выяснить наконец, возможно ли на самом деле построить вычислительную машину Бэббиджа. После нескольких лет напряженной работы старания увенчались успехом. В ноябре 1991 году незадолго  до двухсотлетия со дня рождения знаменитого изобретателя, разностная машина впервые произвела серьезные вычисления. После смерти Бэббиджа умер и его сын, но  перед этим он успел построить несколько миникопий разностной машины Бэббиджа и разослать их по всему миру, дабы увековечить эту машину. В октябре 1995 года одна из тех копий была продана на лондонском аукционе австралийскому музею электричества в Сиднее за 200,000 доллоров.

          Герман Холлерит. В конце XIX в. были созданы более сложные механические устройства. Самым важным из них было устройство, разработанное американцем Германом Холлеритом. Исключительность его заключалась в том, что в нем впервые была употреблена идея перфокарт и расчеты велись с помощью электрического тока. Это сочетание делало машину настолько работоспособной, что она получила широкое применение в своё время. Например, при переписи населения в США, проведенной в 1890 году, Холлерит, с помощью своих машин, смог выполнить за три года то, что вручную делалось бы в течение семи лет, причем гораздо большим числом людей. (7, с. 123-132.)

4. Электронно-вычислительный период

  Идеи создания электронных вычислительных машин возникли в конце 30-х - начале 40-х гг. независимо друг от друга в четырех странах: СССР, США, Великобритании и Германии. Во время второй мировой войны (с 1939 по 1945год) были построены несколько первых электромеханических компьютеров:

Первым электронным  компьютером в 1943 году стал английский COLOSSUS-1, использующийся для расшифровки секретного кода, который применяла Германия для передачи сообщений особой важности.

В 1942 году была создана АВС(Atanasoff-Berry Computer) профессором Атанасовым Джоном Винсентом и его аспирантом Клиффордом Эдвардом Берри. Оригинальной особенностью АВС было разделение обрабатывающих и запоминающих устройств. Блок памяти состоял из набора конденсаторов с автоматическим восстановлением заряда. Информация вводилась с перфокарт. При вычислении использовалось двоичное представление чисел. Блок управления был собран на электронных лампах и позволял осуществлять многократное поразрядное сложение и вычитание чисел.  

Большой толчок в развитии вычислительной техники дала вторая мировая война: американским военным  понадобился компьютер, которым стал «Марк-1» - первый в мире автоматический вычислительный компьютер, изобретённый в 1944 году профессором Айкнем. В нём использовалось сочетание электрических сигналов и механических приводов.  

ЭВМ появились, когда возникла острейшая  необходимость в очень трудоемких и точных расчетах, особенно в таких  областях науки и техники, как  атомная физика и теория динамик полета и управления летательными аппаратами, в исследовании; аэродинамики больших скоростей. Между тем до электронная вычислительная техника (механическая и электромеханическая) позволяла только в ограниченной степени механизировать процессы вычислений. Требовался переход к элементам, работающим в более быстром темпе.

Технические предпосылки  для этого уже были созданы: развивалась  электроника и счетно-аналитическая  вычислительная техника. В 1904 году Дж. Флеминг (Великобритания) изобрел первый ламповый диод, а в 1906 году, Ли де Форест (США) — первый триод. До середины 30-х годов электронные лампы уже стояли во всех радиотехнических устройствах. Но эра ЭВМ начинается с изобретения лампового триггера. Это открытие было сделано независимо друг от друга советским ученым М. А, Бонч-Бруевичем (1918) и английскими учеными У. Экклзом и Ф. Джорданом (1919). Триггерные схемы постепенно стали широко применяться в электронике для переключения и релейной коммутации.

 В АВМ все математические  величины представляются как непрерывные значения каких-либо физических величин. Главным образом, в качестве машинной переменной выступает напряжение электрической цепи. Их изменения происходят по тем же законам, что и изменения заданных функций. В этих машинах используется метод математического моделирования (создаётся модель исследуемого объекта). Результаты решения выводятся в виде зависимостей электрических напряжений в функции времени на экран осциллографа или фиксируются измерительными приборами. Основным назначением АВМ является решение линейных и дифференцированных уравнений.

Можно выявить достоинства  и недостатки АВМ.

Достоинства:

1) высокая скорость решения задач, соизмеримая со скоростью прохождения электрического сигнала;

2)  простота конструкции АВМ;

3)  лёгкость подготовки задачи к решению;

4)  наглядность протекания исследуемых процессов, возможность изменения параметров исследуемых процессов во время самого исследования.

Недостатки:

1)  малая точность получаемых результатов (до 10%);

2)  алгоритмическая ограниченность решаемых задач;

3)  ручной ввод решаемой задачи в машину;

4) большой объём задействованного оборудования, растущий с увеличением сложности задачи

         Но если рассмотреть ЭВМ, то там числа представляются в виде последовательности цифр. В современных ЭВМ числа представляются в виде кодов двоичных эквивалентов, то есть в виде комбинаций 1 и 0. В ЭВМ осуществляется принцип программного управления. ЭВМ можно разделить на цифровые, электрифицированные и счётно-аналитические (перфорационные) вычислительные машины. ЭВМ разделяются на большие ЭВМ, мини-ЭВМ и микроЭВМ. Они отличаются своей архитектурой, техническими, эксплуатационными и габаритно-весовыми характеристиками, областями применения.

Также рассмотрим достоинства  и недостатки ЭВМ.

Достоинства:

1)  высокая точность вычислений;

2)  универсальность;

3)   автоматический ввод информации, необходимый для решения задачи;

4)  разнообразие задач, решаемых ЭВМ;

5)   независимость количества оборудования от сложности задачи.

Недостатки:

1) сложность подготовки задачи к решению (необходимость специальных знаний методов решения задач и программирования);

2)  недостаточная наглядность протекания процессов, сложность изменения параметров этих процессов;

3) сложность структуры ЭВМ, эксплуатация и техническое обслуживание;

4) требование специальной аппаратуры при работе с элементами реальной аппаратуры

  Можно выделить 4 основные поколения ЭВМ. Но это деление компьютерной техники на поколения - весьма условно, нестрогая классификация по степени развития аппаратных и программных средств, а также способов общения с компьютером. Идея делить машины на поколения вызвана к жизни тем, что за время короткой истории своего развития компьютерная техника проделала большую эволюцию.

Первое поколение (до 1955 года).  Все ЭВМ первого поколения были сделаны на основе электронных ламп, что делало их ненадежными - лампы приходилось часто менять. 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.

Притом для каждой машины использовался  свой язык программирования. 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, оперативные запоминающие устройства были реализованы на основе ртутных линий задержки электроннолучевых трубок. Эти неудобства начали преодолевать путем интенсивной разработки средств автоматизации программирования, создания систем обслуживающих программ, упрощающих работу на машине и увеличивающих эффективность её использования. Это, в свою очередь, потребовало значительных изменений в структуре компьютеров, направленных на то, чтобы приблизить её к требованиям, возникшим из опыта эксплуатации компьютеров.

          В 1946 году американские инженер-электронщик Дж. П. Эккерт и физик Дж.У. Моучли в Пенсильванском университете сконструировали, по заказу военного ведомства США, первую электронно-вычислительную машину – «Эниак». Которая предназначалась для решения задач баллистики. Она работала в тысячу раз быстрее, чем «Марк-1», выполняя за одну секунду 300 умножений или 5000 сложений многоразрядных чисел. Размеры этой машины были 30 метров в длину, объём - 85 метров³, вес - 30 тонн. Использовалось около 20000 электронных ламп.

         В 1948 году академик Сергей Алексеевич Лебедев предложил проект первой на континенте Европы ЭВМ - малой электронной счетно-решающей машины (МЭСМ). В 1951г. МЭСМ официально вводится в эксплуатацию, на ней регулярно решаются вычислительные задачи. Машина оперировала с 20разрядными двоичными кодами с быстродействием 50 операций в секунду, имела оперативную память в 100 ячеек на электронных лампах.

          В 1951 году была создана машина «Юнивак»- первый серийный компьютер с хранимой программой. В этой машине впервые была использована магнитная лента для записи и хранения информации.

             Вводится в эксплуатацию БЭСМ-2(большая  электронная счетная машина) с быстродействием около 10 тысяч операций в секунду над 39-разрядными двоичными числами. Оперативная память на электронно-акустических линиях задержки - 1024 слова, затем на электронно-лучевых трубках и позже на ферритовых сердечниках. ВЗУ состояло из двух магнитных барабанов и магнитной ленты емкость свыше 100 тысяч слов

          На этом и закончился первый период развития ЭВМ. В эти годы в мире было созданы десятки ЭВМ. Но эти машины были достаточно большими, что было не удобно.

          Второе  поколение (1958-1964). В 1958 году в ЭВМ были применены полупроводниковые транзисторы, изобретённые в 1948 году Уильямом Шокли, они были более надёжны, долговечны, малы, могли выполнить значительно более сложные вычисления, обладали большой оперативной памятью. 1 транзистор способен был заменить примерно 40 электронных ламп и работает с большей скоростью. Во-втором поколении компьютеров дискретные транзисторные логические элементы вытеснили электронные лампы. В качестве носителей информации использовались магнитные ленты («БЭСМ-6», «Минск-2»,»Урал-14») и магнитные сердечники, появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, магнитные барабаны и первые магнитные диски. В качестве программного обеспечения стали использовать языки программирования высокого уровня, были написаны специальные трансляторы с этих языков на язык машинных команд. Для ускорения вычислений в этих машинах было реализовано некоторое перекрытие команд: последующая команда начинала выполняться до окончания предыдущей. 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. 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.

  Третье поколение (1964-1972). В 1960 году появились первые интегральные схемы (ИС), которые получили широкое распространение в связи с малыми размерами, но громадными возможностями. Интегральные схемы - это кремниевый кристалл, площадь которого примерно 10 мм². Одна интегральная схема способна заменить десятки тысяч транзисторов. 1 кристалл выполняет такую же работу, как и 30-ти тонный «Эниак». А компьютер с использованием ИС достигает производительности в 10 млн. операций в секунду.

          В 1964 году, фирма IBM объявила о создании шести моделей семейства IBM 360 (System 360), ставших первыми компьютерами третьего поколения.

Машины третьего поколения  — это семейства машин с  единой архитектурой, то есть 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, то есть 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 многие другие. Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Ёмкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов.  

Четвертое поколение (1972 год и по настоящее время). Четвёртое поколение — это теперешнее поколение компьютерной техники, разработанное после 1970 года.

        Впервые стали применяться большие интегральные схемы (БИС), которые по мощности примерно соответствовали 1000 интегральным схемам. Это привело к снижению стоимости производства компьютеров. В 1980 году центральный процессор небольшой ЭВМ оказалось возможным разместить на кристалле площадью 1/4 дюйма. БИСы применялись уже в таких компьютерах, как «Иллиак», «Эльбрус». Быстродействие таких машин составляет тысячи миллионов операций в секунду. Емкость ОЗУ возросла до 500 млн. двоичных разрядов. В таких машинах одновременно выполняются несколько команд над несколькими наборами операндов.

C точки зрения структуры  машины этого поколения представляют  собой многопроцессорные и многомашинные  комплексы, работающие на общую  память и общее поле внешних устройств. Ёмкость оперативной памяти порядка 1-64 Мбайт.  (8. с.412-435.)