Автор работы: Пользователь скрыл имя, 06 Октября 2013 в 21:24, доклад
Современному человеку сегодня трудно представить свою жизнь без электронно-вычислительных машин (ЭВМ). В настоящее время любой желающий, в соответствии со своими запросами, может собрать у себя на рабочем столе полноценный вычислительный центр. Так было, конечно, не всегда. Путь человечества к этому достижению был труден и тернист. Много веков назад люди хотели иметь приспособления, которые помогали бы им решать разнообразные задачи. Многие из этих задач решались последовательным выполнением некоторых рутинных действий, или, как принято говорить сейчас, выполнением алгоритма. С попытки изобрести устройство, способное реализовать простейшие из этих алгоритмов (сложение и вычитание чисел), все и началось ...
Современному человеку сегодня
трудно представить свою жизнь без
электронно-вычислительных машин (ЭВМ).
В настоящее время любой
Блез Паскаль Точкой отсчета можно считать начало XVII века (1623 год), когда ученый В. Шикард создал машину, умеющую складывать и вычитать числа. Но первым арифмометром, способным выполнять четыре основных арифметических действия, стал арифмометр знаменитого французского ученого и философа Блеза Паскаля . Основным элементом в нем было зубчатое колесо, изобретение которого уже само по себе стало ключевым событием в истории вычислительной техники. Хотелось бы отметить, что эволюция в области вычислительной техники носит неравномерный, скачкообразный характер: периоды накопления сил сменяются прорывами в разработках, после чего наступает период стабилизации, во время которого достигнутые результаты используются практически и одновременно накапливаются знания и силы для очередного рывка вперед. После каждого витка процесс эволюции выходит на новую, более высокую ступень.
Густав Лейбниц В 1671 году немецкий философ и математик
Густав Лейбниц также создает
арифмометр на основе зубчатого колеса
особенной конструкции - зубчатою колеса
Лейбница. Арифмометр Лейбница, как
и арифмометры его
Чарльз Бэббидж Еще одним известным человеком в истории вычислительной техники стал английский математик Чарльз Бэббидж . В 1823 году Бэббидж начал работать над машиной для вычисления полиномов, но, что более интересно, эта машина должна была, кроме непосредственного производства вычислений, выдавать результаты - печатать их на негативной пластине для фотопечати. Планировалось, что машина будет приводиться в действие паровым двигателем. Из-за технических трудностей Бэббиджу до конца не удалось реализовать свой проект. Здесь впервые возникла идея использовать некоторое внешнее (периферийное) устройство для выдачи результатов вычислений. Отметим, что другой ученый, Шойц, в 1853 году все же реализовал машину, задуманную Бэббиджем (она получилась даже меньше, чем планировалась). Наверное, Бэббиджу больше нравился творческий процесс поиска новых идей, чем воплощение их в нечто материальное. В 1834 году он изложил принципы работы очередной машины, которая была названа им «Аналитической». Технические трудности вновь не позволили ему до конца реализовать свои идеи. Бэббидж смог довести машину лишь до стадии эксперимента. Но именно идея является двигателем научно-технического прогресса. Очередная машина Чарльза Бэббиджа была воплощением следующих идей:
В разработке этой машины принимала
участие графиня Ада Августа
Лавлейс, которую считают первой
в мире программистом.
Intel 4004 Итак, первый микропроцессор 4004 был создан фирмой Intel на рубеже 70-х годов. Он представлял собой 4-разрядное параллельное вычислительное устройство, и его возможности были сильно ограничены. 4004 мог производить четыре основные арифметические операции и применялся поначалу только в карманных калькуляторах. Позднее сфера его применения была расширена за счет использования в различных системах управления (например, для управления светофорами). Фирма Intel, правильно предугадав перспективность микропроцессоров, продолжила интенсивные разработки, и один из ее проектов в конечном итоге привел к крупному успеху, предопределившему будущий путь развития вычислительной техники. Intel 8080 Им стал проект по разработке 8-разрядного
процессора 8080 (1974 г.). Этот микропроцессор
имел довольно развитую систему команд
и умел делить числа. Именно он был
использован при создании персонального
компьютера Альтаир, для которого молодой
Билл Гейтс написал один из своих
первых интерпретаторов языка BASIC. Наверное,
именно с этого момента следует
вести отсчет 5-го поколения. Intel 8086 В 1976 году фирма Intel закончила разработку 16-разрядного
процессора 8086. Он имел достаточно большую
разрядность регистров (16 бит) и системной
шины адреса (20 бит), за счет чего мог адресовать
до 1 Мбайт оперативной памяти. Intel 80286 В 1985 году фирма Intel представила первый 32-разрядный микропроцессор 80386, аппаратно совместимый снизу вверх со всеми предыдущими процессорами этой фирмы. Он был гораздо мощнее своих предшественников, имел 32-разрядную архитектуру и мог прямо адресовать до 4 Гбайт оперативной памяти. Процессор 386 стал поддерживать новый режим работы - режим виртуального 8086, который обеспечил не только большую эффективность работы программ, разработанных для 8086, но и позволил осуществлять параллельную работу нескольких таких программ. Еще одно важное нововведение - поддержка страничной организации оперативной памяти - позволило иметь виртуальное пространство памяти размером до 4 Тбайт. Intel 80386 Процессор 386 был первым микропроцессором, в котором использовалась параллельная обработка. Так, одновременно осуществлялись: доступ к памяти и устройствам ввода-вывода, размещение команд в очереди для выполнения, их декодирование, преобразование линейного адреса в физический, а также страничное преобразование адреса (информация о 32-х наиболее часто используемых страницах помещалась в специальную кэш-память). Intel 80486 Вскоре после процессора 386 появился
486. В его архитектуре получили
дальнейшее развитие идеи параллельной
обработки. Устройство декодирования
и исполнения команд было организовано
в виде пятиступенчатого конвейера,
на втором в различной стадии исполнения
могло находиться до 5 команд. На кристалл
была помещена кэш-память первого уровня,
которая содержала часто Intel Pentium Pentium продолжил развитие идей параллельной
обработки. В устройство декодирования
и исполнения команд был добавлен второй
конвейер. Теперь два конвейера (называемых
u и v) вместе могли исполнять две инструкции
за такт. Внутренний кэш был увеличен вдвое
- до 8 Кбайт для кода и 8 Кбайт для данных.
Процессор стал более интеллектуальным.
В него была добавлена возможность предсказания
ветвлений, в связи с чем значительно возросла
эффективность исполнения нелинейных
алгоритмов. Несмотря на то что архитектура
системы оставалась все еще 32-разрядной,
внутри микропроцессора стали использоваться
128- и 256-разрядные шины передачи данных.
Внешняя шина данных была увеличена до
64 бит. Продолжили свое развитие технологии,
связанные с многопроцессорной обработкой
информации. Intel Pentium II Более того, процессор Pentium Pro позволил осуществлять динамическое
исполнение команд (Dynamic Execution). Суть его
в том, что три устройства декодирования
команд, работая параллельно, делят команды
на более мелкие части, называемые микрооперациями.
Далее эти микрооперации могут исполняться
параллельно пятью устройствами (двумя
целочисленными, двумя с плавающей точкой
и одним устройством интерфейса с памятью).
На выходе эти инструкции опять собираются
в первоначальном виде и порядке. Мощь
Pentium Pro дополняется усовершенствованной
организацией его кэш-памяти. Как и процессор
Pentium, он имеет 8 Кбайт кэш-памяти первого
уровня и 256 Кбайт кэш-памяти второго уровня.
Однако за счет схемных решений (использование
архитектуры двойной независимой шины)
кэш-память второго уровня расположили
на одном кристалле с микропроцессором,
что значительно повысило производительность.
В Pentium Pro реализовали 36-разрядную адресную
шину, что позволило адресовать до 64 Гбайт
оперативной памяти. Intel Pentium III Следующий выпущенный в свет
процессор, названный Pentium II, объединил
в себе все технологические достижения
обоих направлений развития архитектуры
Pentium. Кроме этого он имел новые конструктивные
особенности, в частности, его корпус выполнен
в соответствии с новой технологией изготовления
корпусов. Не забыт и рынок портативных
компьютеров, в связи с чем процессором
поддерживаются несколько режимов энергосбережения. Сборка компьютера Cray-1 Компьютер Cray-2 Компьютеры Крея применялись
в правительственных организациях, промышленных
и научно исследовательских центрах. Многие
суперкомпьютером называли тот компьютер
который был создан Сеймуром Крем. |
Сегодня компьютерные средства представлены довольно сложными системами многофункционального назначения. Однако начало компьютерной эры было положено в середине XX века сравнительно примитивными, конечно, по нынешним меркам, устройствами, созданными на основе электронных ламп.
В 1942 году американский физик Джон Моучли представил собственный проект электронной вычислительной машины – ЭВМ ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer — электронный числовой интегратор и калькулятор). Весной 1945 года она была построена для целей оборонных ведомств, а в феврале 1946 года, 60 лет назад, рассекречена. ENIAC содержала 178468 ламповых триодов и 7200 кристаллических диодов, а также 4100 магнитных элементов. Данная ЭВМ занимала площадь в 300 кв. м и в 1000 раз превосходила по быстродействию релейные аналоги.
Элементной базой первых зарубежных
и отечественных ЭВМ стали
электронные лампы, представленные
вакуумными диодами и триодами. Первые
из них содержали спираль
Параллельно с развитием элементной базы и совершенствованием схемотехнических решений осуществлялось развитие основополагающих научно-технических концепций. Так, в 1944 году американский инженер Джон Эккерт впервые выдвинул концепцию хранимой в памяти компьютера программы. А в 1946 году Джон фон Нейман предложил ряд новых идей организации ЭВМ, которая во многих чертах сохранилась до настоящего времени.
Однако реализация новейших концепций
требовала соответствующих
Отдавая должное создателям транзистора, необходимо отметить, что за долго до американских ученых исследования в области полупроводниковой электроники проводили наши соотечественники. Так например, экспериментируя со слаботочной техникой, работающей при напряжениях до 4В, русский инженер Лосев исследовал вольт-амперные характеристики детектора из цинкита и угольного волоска (из старой лампы). 13 января 1922 он открыл явление возникновения электромагнитных колебаний и эффект их усиления в полупроводниковом кристаллическом детекторе. Он обнаружил у кристалла падающий участок вольт-амперной характеристики и первым построил генерирующий детектор. Это позволило создать радиоприемник, способный принимать и усиливать электромагнитные колебания. Свой прибор Лосев, создал на контактной паре металлического острия и кристалла цинкита (оксида цинка), на которую подавалось небольшое напряжение. Прибор Лосева – приемник с генерирующим диодом, вошёл в историю полупроводниковой электроники как «кристадин» (кристаллический гетеродин). Это открытие не оформлялось никакими патентами, но было широко обнародовано и в СССР, и за рубежом. Лосев приобрел всемирную известность, а сами кристадины работали (на волне 24 м) на нескольких радиостанциях Министерства связи (Наркомпочтеля). Это принесло автору две премии министерства — в 1922 и 1925 гг. Кристадины производились до начала 1930-х гг., а потом были вытеснены усовершенствованными радиолампами. Примечательно, что продолжение исследований в этом направлении привело к созданию в 1958 г. туннельных диодов, нашедших применение в вычислительной технике 60-х годов ХХ века. Лосев первым открыл и новое явление — свечение кристаллов карборунда при прохождении тока через точечный контакт. В 1929 г. Лосев получил патент СССР (№ 12191) на изобретение светового реле. Само явление свечения мировая печать1920-х гг. называла «светом Лосева» (Lossew Licht, Losev light, etc.).
В целом же следует признать, что
исследователь явно обогнал свое
время. Несовершенство техники физических
экспериментов, отсутствие теоретической
базы, связанной с явлениями в
полупроводниках, не позволили развить
достигнутый успех. Именно поэтому
первенство долгое время оставалось
за радиолампами. Однако время требовало
своего, и к полупроводникам ученые
и инженеры вернулись после изобретения
транзистора. К сожалению, первенство
в этой области досталось не за
нашими, а за американскими исследователями.
После обнародования результатов
изобретения транзистора и
Следует отметить, что появление новых концепций происходило на всем пути совершенствования компьютерной техники. Развивалась и схемотехника, и программное обеспечение. На этом пути мир узнал много славных имен. Однако было бы ошибкой связывать все достижения только с иностранными специалистами.
Действительно, обоснование принципов построения ЭВМ с хранимой в памяти программой было осуществлено Сергеем Александровичем Лебедевым независимо от Джона фон Неймана, хотя этот факт не является достоянием общественности. Это связано и с существованием «железного» занавеса, и с секретностью подобных работ.
В результате проводимых в СССР исследований руководимый С. А. Лебедевым году коллектив в 1948 разработал и предложил первый проект отечественной цифровой электронной вычислительной машины. В дальнейшем под руководством академика С. А. Лебедева и В. М. Глушкова разрабатывается целый ряд отечественных ЭВМ. Сначала это была МЭСМ – малая электронная счетная машина (1951 год, Киев), затем БЭСМ — быстродействующая электронная счетная машина (1952 год, Москва).
Основой разнообразных логических цепей указанных ЭВМ послужили традиционные вакуумные радиолампы. Они были, по-сути, единственными доступными для создателей вычислительных машин элементами для воплощения их замыслов. Поэтому нет ничего удивительного, что и сами лампы также стремительно совершенствовались, как и архитектура ЭВМ.
Однако память на этих элементах
оказалась очень дорогой. Действительно,
для конструирования ячеек
Параллельно с МЭСМ и БЭСМ реализовывались линейки ЭВМ «Стрела», «Урал», «Минск», «Раздан», «Наири», серия «М» и др. И это только небольшая часть из многих десятков наименований реализованных проектов. Примеров же реализации достижений отечественных ученых и инженеров довольно много. Вот лишь некоторые вехи истории развития вычислительных машин.
1959 г. – опытные образцы ЭВМ
М-40, М-50 для систем противоракетной
обороны (ПРО); ЭВМ "Минск-1",
которая применялась для
Стремительный рост решаемых задач
и как следствие, усложнение внутренней
архитектуры ЭВМ требовало
Следует подчеркнуть, что вопреки
существующему общественному
Многие оригинальные разработки существенно опережали зарубежные и были по достоинству оценены зарубежными коллегами. В качестве примера можно привести ЭВМ БЭСМ-6, созданную на транзисторах.
Оригинальность и
В дальнейшем, по мере развития народного
хозяйства, увеличивалась потребность
в изделиях вычислительной техники.
С целью расширения их выпуска
была сделана попытка стандартизации
схемотехнических решений. Это стало
возможным благодаря успехам
электронной промышленности, освоившей
сначала гибридные, а затем и
монолитные микросхемы. В дальнейшем
же уже после изобретения
Реализуя возможности