История развития вычислительной техники

Компьютер содержал 17468 электронных ламп, 7200 кристаллических диодов, 4100 магнитных элементов. Потребляемая мощность составляла 174 кВт. Занимаемое пространство составляло около 300 кв.м. Время сложения составляло 200 мкс, умножения - 2800 мкс. и деления - 24000 мкс.

Арифметическое  устройство и оперативная память состояли из кольцевых электронных счетчиков. Каждый разряд числа отображался одним коль цом. Схемы колец вырабатывали сигнал переноса при переходе с 9 на 0 и соединялись между собой, образуя 10-ти разрядные регистры.

Применение  электронных ламп вместо реле обусловило качественный скачок в быстродействии. В компьютере использовалось три типа электронных схем:

• Схемы совпадения, сигнал на выходе которых появлялся только в том случае, если поступили сигналы на все входы.
• Собирательные схемы, сигнал на выходе появляется, если есть сигнал хотя бы на одном входе.
• Триггеры, выполненные на двойных триодах (две трехэлектродные электронные лампы монтировались в одном баллоне)

Машина работала в десятичной системе счисления. Триггерные ячейки использовались во всех блоках арифметического устройства. Для сложения, вычитания, запоминания информации использовалось 20 сумматоров, представляющих собой декадные кольцевые счетчики по десять триггерных колец в каждом, плюс два триггера для хранения знака числа. В каждом из декадных счетчиков применялось около 600 электронных ламп, в том числе 204 диода для запоминания десяти десятичных разряда числа и знака, остальные лампы предназначались для формирования сигналов, вывода результата и т.д. Каждый триггер был соединен с неоновой индикаторной лампой. Операции сложения и вычитания проводились путем передачи в счетчик числа или его десятичного дополнения из другого блока машины. Передача чисел производилась по группе из одиннадцати проводников, по одному на каждый десятичный разряд и один проводник для передачи знака числа. Число импульсов в каждом проводнике соответствовало значению передаваемой цифры.

Для перемножения десятиразрядных  чисел в множительном устройстве использовалось до шести декадных счетчиков.

С появлением компьютера ENIAC скорость выполнения операций значительно возросла, но программа вводилась путем установки переключателей и коммутации разъемов. Такой способ ввода программы требовал разработки сложных схем управления для арифметических устройств.

Программа задается при помощи перемычек, соединяющих блоки компьютера в определенном порядке.

Различные блоки соединялись  проводами в определенной последовательности, это и задавало последовательность вычислений. При программировании возникало много ошибок и ввод программы требовал значительных затрат времени. Для решения каждой новой задачи требовалась новая схема соединений. В зависимости от сложности задачи этот процесс занимал от 30 минут до 8 часов.

Для запоминания информации использовались статические триггеры на ламповых триодах, т.е. была сделана попытка построить все внутренние устройства на элементах одного типа. Это было приемлемо лишь на первых порах. Достаточно емкое запоминающее устройство потребовало бы огромного количества электронных ламп. Поэтому емкость памяти была мала и составляла всего 20 чисел.

Программа работы компьютера оставалась жесткой, только вводилась, для достижения большего быстродействия не с перфокарт или перфолент, а со специальных коммутационных досок при помощи переключателей и штекеров.

ENIAC можно считать скорее техническим решением, чем логическим или архитектурным на пути создания электронных вычислительных систем. Конструкция компьютера во многом повторяла конструкцию электромеханических устройств.

Роль ENIAC в развитии вычислительной техники определяется прежде всего тем, что это была первая действующая машина, в которой для выполнения арифметических и логических операций, а так же для запоминания информации использовались электронные схемы.

Несмотря на недостатки в конструкции машины, применение электронных ламп позволило достичь скоростей, о которых нельзя было и мечтать при использовании электромеханических и механических элементов.

Консультантом проекта ENIAC был известный математик Джон фон Нейман.

В 1946 году Нейман на основе критического анализа конструкции ENIAC предложил ряд новых идей организации ЭВМ, в том числе концепцию хранимой программы, он предложил записывать и хранить в памяти алгоритм вычислений вместе с данными.

В отчете "Предварительное обсуждение логического конструирования электронного вычислительного устройства" Дж. фон Нейман опубликовал основные принципы, которые заключались в следующем:

1. Компьютеры на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления.
2. Компьютер управляется программой, составленной из отдельных шагов - команд. Программа должна размещаться в одном из блоков компьютера – в запоминающем устройстве, обладающем достаточной емкостью и скоростью выборки команд.

3. Команды, так же как и числа, с которыми оперирует компьютер, записываются в двоичном коде. Это обстоятельство приводит к следующим важным последствиям:

а) промежуточные результаты вычислений, константы и другие числа могут размещаться в том же запоминающем устройстве, что и программа;

б) числовая форма записи программы позволяет производить операции над величинами, которыми закодированы команды программы;

в) появляется возможность перехода в процессе вычислений на тот или иной участок программы в зависимости от результатов вычислений, условных переходов.

4. Трудности физической реализации запоминающего устройства, быстродействие которого соответствует скорости работы логических схем требует иерархической организации памяти.
5. Арифметическое устройство конструируется на основе схем, выполняющих операцию сложения - создание специальных устройств для выполнения других операций нецелесообразно.
6. Необходимо использовать параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над словами производятся одновременно во всех разрядах слова)

Принцип использования  двоичной системы счисления расширил набор физических приборов и явлений, которые можно использовать для  представления информации в операционных и запоминающих устройствах компьютера. Две цифры для отображения "1" и "0" могут отображаться состоянием любой двухстабильной системы. Например, открытое и закрытое состояние электронного ключа (ламповой схемы), два состояния триггера, намагниченным или ненамагниченным состоянием ферромагнитной поверхности. Ну, а в настоящее время набор электронных приборов и физических явлений, позволяющих получить два состояния для записи и обработки информации стал намного шире. В двоичной системе счисления возможно построение логических схем и реализация фунций алгебры логики или Булевой алгебры. 
Принцип хранимой в памяти программы, представленной в двоичном коде, позволяет производить не только вычисления, направляя команду в устройство управления, а данные в арифметическое устройство, но и преобразовывать сами команды, например в зависимости от результатов вычислений, используя для преобразования коды команд и оперируя с ними, как с данными. 
Принцип реализации условных переходов позволяет осуществлять программы с циклическими вычислениями с автоматическим выходом из цикла. Благодаря принципу условного перехода сокращается число команд, в программе, так как не требуется повторять одинаковые участки программы. 
Принцип иерархической организации памяти был сформулирован в связи с тем, что с самого первого компьютера с сохраняемой программой существовало несоответствие между быстродействием арифметического устройства и оперативной памяти. Противоречия бы не существовало, если выполнить память на тех же элементах, что и арифметическое устройство, но такая память получалась слишком дорогой, кроме того, непомерно увеличивалось количество радиоламп, что заметно снижало надежность компьютера. Иерархическое построение оперативного запоминающего устройства позволяет иметь быстродействующую память небольшого объема только для данных и команд, подготовленных к выполнению. Все остальное хранится в запоминающем устройстве более низкого уровня, для этого стали использоваться появившиеся вскоре магнитные носители информации. 
Параллельный принцип организации вычислений позволяет значительно увеличить скорость вычислений, хотя это и приводит к более значительным затратам оборудования.

Принципы Дж.фон  Неймана показались вначале простыми и очевидными и лишь в дальнейшем они приобрели статус фундаментальных положений, надолго определивших направление развития вычислительной техники. В результате реализации идей фон Неймана была создана архитектура ЭВМ, во многих чертах сохранившаяся до настоящего времени.

Создание  глобальной сети Internet

В 1969 году министерство обороны США объединило в общую сеть суперкомпьютеры оборонных и научно-исследовательских центров. Эта сеть, получившая название ARPANET, послужила отправной точкой для создания самой известной ныне глобальной сети — Интернет. Цель ARPANET состояла в том, чтобы дать возможность подрядчикам, университетам и сотрудникам Министерства обороны, участвующим в исследованиях и разработках оборонного характера, поддерживать связь по компьютерным сетям и совместно использовать вычислительные ресурсы тех немногих на то время мощных компьютеров, которые находились в разных географических точках. Не стоит забывать, что работа проводилась в эпоху ядерного противостояния. Появление первой глобальной сети нужно было для дальнейшего изучения способов поддержания устойчивой связи в условиях ядерного нападения. Проект также задумывался для разработки концепции децентрализованного (распределенного) управления военными и гражданскими объектами в период ведения войны. Затем сеть ARPANET начала активно расти и развиваться, её начали использовать учёные из разных областей науки. 

В декабре 1970 года Сетевая рабочая группа под руководством С. Крокера завершила работу над первой версией протокола, получившего название Протокол управления сетью (Network Control Protocol, NCP). После того, как в 1971 - 1972 годах были выполнены работы по реализации NCP на узлах ARPANET, пользователи сети наконец смогли приступить к разработке приложений.

В октябре 1972 года Роберт Кан организовал большую, весьма успешную демонстрацию ARPANET на Международной конференции по компьютерным коммуникациям. Это был первый показ на публике новой сетевой технологии. Также в 1972 году появилось первое "горячее'¹ приложение - электронная почта. В марте Рэй Томлинсон из BBN, движимый необходимостью создания для разработчиков ARPANET простых средств координации, написал базовые программы пересылки и чтения электронных сообщений.

Позже Робертс добавил к этим программам возможности выдачи списка сообщений, выборочного чтения, сохранения в файле, пересылки и подготовки ответа. С тех пор более чем на десять лет электронная почта стала крупнейшим сетевым приложением. Для своего времени электронная почта была тем же, чем в наши дни является Всемирная паутина, - исключительно мощным катализатором роста всех видов межперсональных потоков данных.

Первоначальная  концепция объединения сетей ARPANET постепенно должна была перерасти в Интернет.

Интернет, в современном понимании, воплощает  ключевой технический принцип открытости сетевой архитектуры. При подобном подходе архитектура и техническая реализация отдельных сетей не навязываются извне; они могут свободно выбираться поставщиком сетевых услуг при сохранении возможности объединения с другими сетями посредством метауровня "Межсетевой архитектуры".

Однако  в описываемое нами время существовал  только один общий метод объединения сетей - традиционная коммутация соединений, когда сети объединяются на канальном уровне, а отдельные биты передаются в синхронном режиме по сквозному соединению между двумя оконечными системами.

Открытая  сетевая архитектура подразумевает, что отдельные сети могут проектироваться и разрабатываться независимо, со своими уникальными интерфейсами, предоставляемыми пользователям или другим поставщикам сетевых услуг, включая услуги Интернета.

Идея  открытой сетевой архитектуры была впервые высказана Каном в 1972 году, вскоре после того, как он начал работать в DARPA.

Деятельность, которой занимался Кан, первоначально  была частью программы разработки пакетных радиосетей, но впоследствии она переросла в полноправный проект под названием "Internetting".

Ключевым для работоспособности пакетных радиосистем был надежный сквозной протокол, способный поддерживать эффективные коммуникации, несмотря на радиопомехи или временное затенение, вызванное особенностями местности или пребыванием в туннеле.

Сначала Кан предполагал разработать протокол, специфичный для пакетных радиосетей, поскольку это избавило бы от необходимости иметь дело с множеством различных операционных систем и позволило бы продолжать использовать протокол NCP.

Однако NCP не содержал средств для адресации сетей (и машин), расположенных в месте назначения, так что некоторые модификации NCP все же были необходимы. (Первоначально предполагалось, что динамические изменения ARPANET невозможны.)

В обеспечении  сквозной надежности протокол NCP полагался на ARPANET. Если какие-то пакеты терялись, протокол (и, естественно, поддерживаемые им приложения) должны были остановиться. В модели NCP отсутствовало сквозное управление ошибками, поскольку ARPANET должна была являться единственной существующей сетью, причем настолько надежной, что от компьютеров не требовалось умения реагировать на ошибки.

В итоге  Кан решил разработать новую  версию протокола, удовлетворяющую требованиям окружения с открытой сетевой архитектурой. Этот протокол позднее будет назван Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP - Протокол управления передачей/Межсетевой протокол).