Развитие вычислительных машин

Докомпьютерная  эпоха

Абак- «Счётная доска»,V век д.н.э. в Греции и Египте. Счёты (В России в 15-17вв)

 

Логарифмическая линейка

аналоговое вычислительное устройство, позволяющее выполнять  несколько математических операций, в том числе умножение и  деление чисел, возведение в степень (чаще всего в квадрат и куб) и вычисление квадратных и кубических корней, вычисление логарифмов, тригонометрических функций и другие операции. Логарифмическая  линейка. Умножение 1,3 × 2 или деление 2,6 / 2 (см. шкалы C и D).

Принцип действия логарифмической  линейки основан на том, что умножение  и деление чисел заменяется соответственно сложением и вычитанием их логарифмов. Первый вариант линейки разработал английский математик-любитель Уильям Отред в 1622 году.

 

1645г.-Б.Паскаль, изобрёл 1 механическую счётную машину(2 действия +/-)-АРИФМОМЕТР

Француз Блез Паскаль начал создавать суммирующую машину «Паскалину» в 1642 г. в возрасте 19 лет, наблюдая за работой своего отца, который был сборщиком налогов и был вынужден часто выполнять долгие и утомительные расчёты.

Машина Паскаля представляла собой механическое устройство в  виде ящичка с многочисленными связанными одна с другой шестерёнками. Складываемые числа вводились в машину при  помощи соответствующего поворота наборных колёсиков. На каждое из этих колёсиков, соответствовавших одному десятичному  разряду числа, были нанесены деления  от 0 до 9. При вводе числа, колесики прокручивались до соответствующей  цифры. Совершив полный оборот избыток над цифрой 9 колёсико переносило на соседний разряд, сдвигая соседнее колесо на 1 позицию. Первые варианты «Паскалины» имели пять зубчатых колёс, позднее их число увеличилось до шести или даже восьми, что позволяло работать с большими числами, вплоть до 9999999. Ответ появлялся в верхней части металлического корпуса. Вращение колёс было возможно лишь в одном направлении, исключая возможность непосредственного оперирования отрицательными числами. Тем не менее, машина Паскаля позволяла выполнять не только сложение, но и другие операции, но требовала при этом применения довольно неудобной процедуры повторных сложений. Вычитание выполнялось при помощи дополнений до девятки, которые для помощи считавшему появлялись в окошке, размещённом над выставленным оригинальным значением.

Несмотря на преимущества автоматических вычислений использование десятичной машины для финансовых расчётов в рамках действовавшей в то время во Франции денежной системы было затруднительным. Расчёты велись в ливрах, су и денье. В ливре насчитывалось 20 су, в су — 12 денье. Понятно что использование десятичной системы усложняло и без того нелёгкий процесс вычислений.

Тем не менее, примерно за 10 лет Паскаль построил около 50 и  даже сумел продать около дюжины вариантов своей машины. Несмотря на вызываемый ею всеобщий восторг  машина не принесла богатства своему создателю. Сложность и высокая  стоимость машины в сочетании  с небольшими вычислительными способностями  служили препятствием её широкому распространению. Тем не менее, заложенный в основу «Паскалины» принцип связанных колёс почти на три столетия стал основой для большинства создаваемых вычислительных устройств.

 

1673г.-Г.В.Лейбниц,  арифмометр с 4 действиями.

 

Механический калькулятор  был создан Лейбницем в 1673 году. Сложение чисел выполнялось при помощи связанных друг с другом колёс, так  же как на вычислительной машине другого  выдающегося учёного-изобретателя Блеза Паскаля, — «Паскалине». Добавленная в конструкцию движущаяся часть (прообраз подвижной каретки будущих настольных калькуляторов) и специальная рукоятка, позволявшая крутить ступенчатое колесо (в последующих вариантах машины — цилиндры), позволяли ускорить повторяющиеся операции сложения, при помощи которых выполнялось деление и перемножение чисел. Необходимое число повторных сложений выполнялось автоматически.

 

1820-1856гг. – Ч.Беббидж работает над проектом аналитической, программируемой машины.

 

Работала такая машина на перфокартах

Бэббидж в 1834 году задумался  о создании программируемой вычислительной машины, которую он назвал аналитической (прообраз современного компьютера). В  отличие от разностной машины, аналитическая  машина позволяла решать более широкий  ряд задач. Именно эта машина стала  делом его жизни и принесла посмертную славу. Он предполагал, что  построение новой машины потребует  меньше время и средств, чем доработка  разностной машины, так как она  должна была состоять из более простых  механических элементов. С 1834 года Бэббидж  начал проектировать аналитическую  машину.

Архитектура современного компьютера во многом схожа с архитектурой аналитической  машины. В аналитической машине Бэббидж  предусмотрел следующие части: склад (store), фабрика или мельница (mill), управляющий элемент (control) и устройства ввода/вывода информации.

Склад предназначался для  хранения как значений переменных, с которыми производятся операции, так и результатов операций. В  современной терминологии это называется памятью.

Мельница (арифметико-логическое устройство, часть современного процессора) должна была производить операции над  переменными, а так же хранить  в регистрах значение переменных, с которыми в данный момент осуществляет операцию.

Третье устройство, которому Бэббидж не дал названия, осуществляло управление последовательностью операций, помещение переменных в склад  и извлечение их из склада, а также  выводом результатов. Оно считывало  последовательность операций и переменные с перфокарт. Перфокарты были двух видов: операционные карты и карты переменных. Из операционных карт можно было составить  библиотеку функций. Кроме того, по замыслу Бэббиджа, Аналитическая  машина должна была содержать устройство печати и устройство вывода результатов  на перфокарты для последующего использования.

Для создания компьютера в  современном понимании оставалось лишь придумать схему с хранимой программой, что было сделано 100 лет  спустя

ЭНИАК (ENIAC, сокр. от англ. Electronic Number Integrator And Computer — Электронный числовой интегратор и вычислитель)

— первый широкомасштабный электронный цифровой компьютер, который можно было перепрограммировать для решения полного диапазона задач (предыдущие компьютеры имели только часть из этих свойств). Построен в 1946 году по заказу Армии США в Лаборатории баллистических исследований для расчётов таблиц стрельбы. Запущен 14 февраля 1946 года.

Архитектуру компьютера разработали  в 1943 году Джон Преспер Экерт и Джон Уильям Мокли, учёные из Университета Пенсильвании. В отличие от созданного в 1941 году немецким инженером Конрадом Цузе комплекса Z3, использовавшего механические реле, в ЭНИАКе в качестве основы компонентной базы применялись вакуумные лампы. Всего комплекс включал 17468 ламп, 7200 кремниевых диодов, 1500 реле, 70000 резисторов и 10000 конденсаторов. Потребляемая мощность — 150 кВт. Вычислительная мощность — 300 операций умножения или 5000 операций сложения в секунду. Вес - 27 тонн. Вычисления производились в десятичной системе.

До 1948 года для перепрограммирования ENIAC нужно было, фактически, перекоммутировать его заново.

   

Первое поколение (1945-1954) - компьютеры на электронных  лампах

Это доисторические времена, 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 компьютерных динозавров, которые нередко  требовали для себя отдельных  зданий, давно стали легендой. Быстродействие - несколько тысяч операций в секунду.

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.

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.

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.

Второе поколение: конец 50-х годов — конец 60-х  годов:

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.

Быстродействие до миллиона операций в секунду! (сравните несколько  тысяч у ламповых компьютеров).

С появлением машин второго  поколения значительно расширилась  сфера использования электронной  вычислительной техники, главным образом  за счет развития программного обеспечения. Появились также специализированные машины, например ЭВМ для решения  экономических задач, для управления производственными процессами, системами  передачи информации и т.д.

Стали применяться внешние  накопители на жестких магнитных  дисках и на флоппи-дисках - промежуточный  уровень памяти между накопителями на магнитных лентах и оперативной  памятью.

В 1964 году появился первый монитор  для компьютеров - IBM 2250. Это был  монохромный дисплей с экраном 12 х 12 дюймов и разрешением 1024 х 1024 пикселов. Он имел частоту кадровой развертки 40 Гц.

Первой ЭВМ, в которой  частично использовались полупроводниковые  приборы вместо электронных ламп, была машина SEAC (Standarts Eastern Automatic Computer), созданная в 1951 году.

 

В начале 60-х годов полупроводниковые  машины стали производиться и  в СССР.

Третье поколение 1970 - 1980

Элементная база ЭВМ - малые  интегральные схемы (МИС). Машины предназначались  для широкого использования в  различных областях науки и техники (проведение расчетов, управление производством, подвижными объектами и др.). Благодаря  интегральным схемам удалось существенно  улучшить технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ. Например, машины третьего поколения  по сравнению с машинами второго  поколения имеют больший объем  оперативной памяти, увеличилось  быстродействие, повысилась надежность, а потребляемая мощность, занимаемая площадь и масса уменьшились.

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).

Характерной чертой данного  периода явилось резкое снижение цен на аппаратное обеспечение. Этого  удалось добиться главным образом  за счет использования интегральных схем. Обычные электрические соединения с помощью проводов при этом встраивались в микросхему. Это позволило получить значение времени доступа до 2х10 -9 с. В этот период на рынке появились  удобные для пользователя рабочие  станции, которые за счет объединения  в сеть значительно упростили  возможность получения малого времени  доступа, обычно присущего большим  машинам.

Начиная с момента широкого использования интегральных схем в  компьютерах, технологический прогресс в вычислительных машинах можно  наблюдать, используя широко известный  закон Мура. Один из основателей компании Intel Гордон Мур в 1965 году открыл закон, согласно которому количество транзисторов в одной микросхеме удваивается через каждые 1,5 года.

 

В вычислительных машинах  третьего поколения значительное внимание уделяется уменьшению трудоемкости программирования, эффективности исполнения программ в машинах и улучшению  общения оператора с машиной. Это обеспечивается мощными операционными  системами, развитой системой автоматизации  программирования, эффективными системами  прерывания программ, режимами работы с разделением машинного времени, режимами работы в реальном времени, мультипрограммными режимами работы и  новыми интерактивными режимами общения. Появилось и эффективное видеотерминальное  устройство общения оператора с  машиной - видеомонитор, или дисплей.