Лекция 2. История развития ЭВМ.

История компьютера тесным образом связана с попытками облегчить и автоматизировать большие объемы вычислений, около 500 г. н.э. появились счёты (абак) - устройство, состоящее из набора костяшек, нанизанных на стержни.

Все основные идеи, которые лежат в основе работы компьютеров, были изложены еще в 1833 году английским математиком Чарльзом Бэббиджем . Он разработал проект машины для выполнения научных и технических расчетов, где предугадал основные устройства современного компьютера, а также его задачи. Управление такой машиной должно было осуществляться программным путем. Для ввода и вывода данных Бэббидж предлагал использовать перфокарты - листы из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий. Идеи Бэббиджа стали реально воплощаться в жизнь в конце 19 века.

Дальнейшие развития науки и техники позволили в 1940-х годах построить первые вычислительные машины. Создателем первого действующего компьютера Z1 с программным управлением считают немецкого инженера Конрада Цузе .

В феврале 1944 года на одном из предприятий Ай-Би-Эм (IBM) была создана машина "Mark 1". Это был монстр весом около 35 тонн. В "Mark 1" использовались механические элементы для представления чисел и электромеханические - для управления работой машины.

Развитие ЭВМ делится на несколько периодов. Поколения ЭВМ каждого периода отличаются друг от друга элементной базой и математическим обеспечением.

§1 Первое поколение эвм (1945-1954 гг.)

Основоположниками компьютерной науки по праву считаются Клод Шеннон - создатель теории информации, Алан Тьюринг - математик, разработавший теорию программ и алгоритмов, и Джон фон Нейман - американский ученый, который в 1945 г сформулировал общие принципы, положенные в основу построения подавляющего большинства компьютеров.

Элементной базой компьютеров первого поколения были электронные лампы (вроде тех, что были в старых телевизорах). Это доисторические времена, эпоха становления вычислительной техники.

Ввод чисел в первые машины производился с помощью перфокарт, а программное управление последовательностью выполнения операций осуществлялось, например в ENIAC, как в счетно-аналитических машинах, с помощью штеккеров и наборных полей.

Первой серийно выпускавшейся ЭВМ 1-го поколения стал компьютер UNIVAC (Универсальный автоматический компьютер). Разработчики: Джон Мочли (John Mauchly) и Дж. Преспер Эккерт (J. Prosper Eckert).

Программное обеспечение компьютеров 1-го поколения состояло в основном из стандартных подпрограмм.

Машины этого поколения: « ENIAC », «МЭСМ», «БЭСМ», «IBM -701», «Стрела», «М-2», «М-3», «Урал» (занимаемая площадь 50 кв. м.), «Урал-2», «Минск-1», «Минск-12», «М-20» и др.

Эти машины занимали большую площадь, использовали много электроэнергии и состояли из очень большого числа электронных ламп. Например, машина «Стрела» состояла из 6400 электронных ламп и 60 тыс. штук полупроводниковых диодов. Их быстродействие не превышало 2-3 тыс. операций в секунду, оперативная память не превышала 2 Кб. Только у машины «М-2» (1958) оперативная память была 4 Кб, а быстродействие 20 тыс. операций в секунду.

§2 Второе поколение эвм (1955-1964)

В качестве основного элемента были использованы уже не электронные лампы, а полупроводниковые диоды и транзисторы , а в качестве устройств памяти стали применяться магнитные сердечники и магнитные барабаны - далекие предки современных жестких дисков. Второе отличие этих машин - это то, что появилась возможность программирования на алгоритмических языках. Были разработаны первые языки высокого уровня - Фортран, Алгол, Кобол.

Машины этого поколения: «РАЗДАН-2», «IВМ-7090», «Минск-22,-32», «Урал- 14,-16» (занимаемая площадь 20 кв. м.), «БЭСМ-3,-4,-6», «М-220, -222» и др.

Применение полупроводников в электронных схемах ЭВМ привели к увеличению достоверности, производительности до 30 тыс. операций в секунду, и опера­тивной памяти до 32 Кб. Уменьшились габаритные размеры машин и потребление электроэнергии. Но главные достижения этой эпохи принадлежат к области программ. На втором поколении компьютеров впервые появилось то, что сегодня называется операционной системой.

Соответственно расширялась и сфера применения компьютеров.

§3 Третье поколение эвм (1965-1974)

Машины третьего поколения - это семейства машин с единой архитектурой, т.е. программно совместимых. В качестве элементной базы в них используются интегральные схемы - целых устройств и узлов из десятков и сотен транзисторов, выполненных на одном кристалле полупроводника, которые также называются микросхемами.

Машины третьего поколения имеют развитые операционные системы . Они обладают возможностями мультипрограммирования, т.е. одновременного выполнения нескольких программ.

Примеры машин третьего поколения - семейства IBM-360, IBM-370, ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ) и др.

Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Ёмкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов.

В 1969 г. зародилась первая глобальная компьютерная сеть - зародыш того, что мы сейчас называем Интернетом. И в том же 1969 году одновременно появились операционная система Unix и язык программирования С ("Си"), оказавшие огромное влияние на программный мир и до сих пор сохраняющие свое передовое положение.

В 1971 г. фирма Intel, выпустила первый микропроцессор, который предназначался для только-только появившихся настольных калькуляторов.

В конце 1973 г. Intel разработала однокристальный 8-разрядный МП 8080, рассчитанный для многоцелевых применений.

Стив Возняк (будущий «отец» компьютеров Apple) собрал свой первый компьютер в 1972 году из деталей, забракованных местным производителем полупроводников в городе Беркли, штат Калифорния. Стив назвал свое изобретение Cream Soda Computer, поскольку пил именно этот напиток во время сборки аппарата.

Как только человек открыл для себя понятие "количество", он сразу же принялся подбирать инструменты, оптимизирующие и облегчающие счёт. Сегодня сверхмощные компьютеры, основываясь на принципах математических вычислений, обрабатывают, хранят и передают информацию - важнейший ресурс и двигатель прогресса человечества. Нетрудно составить представление о том, как происходило развитие вычислительной техники, кратко рассмотрев основные этапы этого процесса.

Основные этапы развития вычислительной техники

Самая популярная классификация предлагает выделить основные этапы развития вычислительной техники по хронологическому принципу:

• Ручной этап. Он начался на заре человеческой эпохи и продолжался до середины XVII столетия. В этот период возникли основы счёта. Позднее, с формированием позиционных систем счисления, появились приспособления (счёты, абак, позднее - логарифмическая линейка), делающие возможными вычисления по разрядам.
• Механический этап. Начался в середине XVII и длился почти до конца XIX столетия. Уровень развития науки в этот период сделал возможным создание механических устройств, выполняющих основные арифметические действия и автоматически запоминающих старшие разряды.
• Электромеханический этап - самый короткий из всех, какие объединяет история развития вычислительной техники. Он длился всего около 60 лет. Это промежуток между изобретением в 1887 году первого табулятора до 1946 года, когда возникла самая первая ЭВМ (ENIAC). Новые машины, действие которых основывалось на электроприводе и электрическом реле, позволяли производить вычисления со значительно большей скоростью и точностью, однако процессом счёта по-прежнему должен был управлять человек.
• Электронный этап начался во второй половине прошлого столетия и продолжается в наши дни. Это история шести поколений электронно-вычислительных машин - от самых первых гигантских агрегатов, в основе которых лежали электронные лампы, и до сверхмощных современных суперкомпьютеров с огромным числом параллельно работающих процессоров, способных одновременно выполнить множество команд.

Этапы развития вычислительной техники разделены по хронологическому принципу достаточно условно. В то время, когда использовались одни типы ЭВМ, активно создавались предпосылки для появления следующих.

Самые первые приспособления для счёта

Наиболее ранний инструмент для счёта, который знает история развития вычислительной техники, - десять пальцев на руках человека. Результаты счёта первоначально фиксировались при помощи пальцев, зарубок на дереве и камне, специальных палочек, узелков.

С возникновением письменности появлялись и развивались различные способы записи чисел, были изобретены позиционные системы счисления (десятичная - в Индии, шестидесятиричная - в Вавилоне).

Примерно с IV века до нашей эры древние греки стали вести счёт при помощи абака. Первоначально это была глиняная плоская дощечка с нанесёнными на неё острым предметом полосками. Счёт осуществлялся путём размещения на этих полосах в определённом порядке мелких камней или других небольших предметов.

В Китае в IV столетии нашей эры появились семикосточковые счёты - суанпан (суаньпань). На прямоугольную деревянную раму натягивались проволочки или верёвки - от девяти и более. Ещё одна проволочка (верёвка), натянутая перпендикулярно остальным, разделяла суанпан на две неравные части. В большем отделении, именуемом "землёй", на проволочки было нанизано по пять косточек, в меньшем - "небе" - их было по две. Каждая из проволочек соответствовала десятичному разряду.

Традиционные счёты соробан стали популярными в Японии с XVI века, попав туда из Китая. В это же время счёты появились и в России.

В XVII столетии на основании логарифмов, открытых шотландским математиком Джоном Непером, англичанин Эдмонд Гантер изобрёл логарифмическую линейку. Это устройство постоянно совершенствовалось и дожило до наших дней. Оно позволяет умножать и делить числа, возводить в степень, определять логарифмы и тригонометрические функции.

Логарифмическая линейка стала прибором, завершающим развитие средств вычислительной техники на ручном (домеханическом) этапе.

Первые механические счётные устройства

В 1623 году немецким учёным Вильгельмом Шиккардом был создан первый механический "калькулятор", который он назвал считающими часами. Механизм этого прибора напоминал обычный часовой, состоящий из шестерёнок и звёздочек. Однако известно об этом изобретении стало только в середине прошлого столетия.

Качественным скачком в области технологии вычислительной техники стало изобретение суммирующей машины "Паскалины" в 1642 году. Её создатель, французский математик Блез Паскаль, начал работу над этим устройством, когда ему не было и 20 лет. "Паскалина" представляла собой механический прибор в виде ящичка с большим количеством взаимосвязанных шестерёнок. Числа, которые требовалось сложить, вводились в машину поворотами специальных колёсиков.

В 1673 году саксонский математик и философ Готфрид фон Лейбниц изобрёл машину, выполнявшую четыре основных математических действия и умевшую извлекать квадратный корень. Принцип её работы был основан на двоичной системе счисления, специально придуманной учёным.

В 1818 году француз Шарль (Карл) Ксавье Тома де Кольмар, взяв за основу идеи Лейбница, изобрёл арифмометр, умеющий умножать и делить. А ещё спустя два года англичанин Чарльз Бэббидж приступил к конструированию машины, которая способна была бы производить вычисления с точностью до 20 знаков после запятой. Этот проект так и остался неоконченным, однако в 1830 году его автор разработал другой - аналитическую машину для выполнения точных научных и технических расчётов. Управлять машиной предполагалось программным путём, а для ввода и вывода информации должны были использоваться перфорированные карты с разным расположением отверстий. Проект Бэббиджа предугадал развитие электронно-вычислительной техники и задачи, которые смогут быть решены с её помощью.

Примечательно, что слава первого в мире программиста принадлежит женщине - леди Аде Лавлейс (в девичестве Байрон). Именно она создала первые программы для вычислительной машины Бэббиджа. Её именем впоследствии был назван один из компьютерных языков.

Разработка первых аналогов компьютера

В 1887 году история развития вычислительной техники вышла на новый этап. Американскому инженеру Герману Голлериту (Холлериту) удалось сконструировать первую электромеханическую вычислительную машину - табулятор. В её механизме имелось реле, а также счётчики и особый сортировочный ящик. Прибор считывал и сортировал статистические записи, сделанные на перфокартах. В дальнейшем компания, основанная Голлеритом, стала костяком всемирно известного компьютерного гиганта IBM.

В 1930 году американец Ванновар Буш создал дифференциальный анализатор. В действие его приводило электричество, а для хранения данных использовались электронные лампы. Эта машина способна была быстро находить решения сложных математических задач.

Ещё через шесть лет английским учёным Аланом Тьюрингом была разработана концепция машины, ставшая теоретической основой для нынешних компьютеров. Она обладала всеми главными свойствами современного средства вычислительной техники: могла пошагово выполнять операции, которые были запрограммированы во внутренней памяти.

Спустя год после этого Джордж Стибиц, учёный из США, изобрёл первое в стране электромеханическое устройство, способное выполнять двоичное сложение. Его действия основывались на булевой алгебре - математической логике, созданной в середине XIX века Джорджем Булем: использовании логических операторов И, ИЛИ и НЕ. Позднее двоичный сумматор станет неотъемлемой частью цифровой ЭВМ.

В 1938 году сотрудник университета в Массачусетсе Клод Шеннон изложил принципы логического устройства вычислительной машины, применяющей электрические схемы для решения задач булевой алгебры.

Начало компьютерной эры

Правительства стран, участвующих во Второй мировой войне, осознавали стратегическую роль вычислительных машин в ведении военных действий. Это послужило толчком к разработкам и параллельному возникновению в этих странах первого поколения компьютеров.

Пионером в области компьютеростроения стал Конрад Цузе - немецкий инженер. В 1941 году им был создан первый вычислительный автомат, управляемый при помощи программы. Машина, названная Z3, была построена на телефонных реле, программы для неё кодировались на перфорированной ленте. Этот аппарат умел работать в двоичной системе, а также оперировать числами с плавающей запятой.

Первым действительно работающим программируемым компьютером официально признана следующая модель машины Цузе - Z4. Он также вошёл в историю как создатель первого высокоуровневого языка программирования, получившего название "Планкалкюль".

В 1942 году американские исследователи Джон Атанасов (Атанасофф) и Клиффорд Берри создали вычислительное устройство, работавшее на вакуумных трубках. Машина также использовла двоичный код, могла выполнять ряд логических операций.

В 1943 году в английской правительственной лаборатории, в обстановке секретности, была построена первая ЭВМ, получившая название "Колосс". В ней вместо электромеханических реле использовалось 2 тыс. электронных ламп для хранения и обработки информации. Она предназначалась для взлома и расшифровки кода секретных сообщений, передаваемых немецкой шифровальной машиной "Энигма", которая широко применялась вермахтом. Существование этого аппарата ещё долгое время держалось в строжайшей тайне. После окончания войны приказ о его уничтожении был подписан лично Уинстоном Черчиллем.

Разработка архитектуры

В 1945 году американским математиком венгерско-немецкого происхождения Джоном (Яношем Лайошем) фон Нейманом был создан прообраз архитектуры современных компьютеров. Он предложил записывать программу в виде кода непосредственно в память машины, подразумевая совместное хранение в памяти компьютера программ и данных.

Архитектура фон Неймана легла в основу создаваемого в то время в Соединённых Штатах первого универсального электронного компьютера - ENIAC. Этот гигант весил около 30 тонн и располагался на 170 квадратных метрах площади. В работе машины были задействованы 18 тыс. ламп. Этот компьютер мог произвести 300 операций умножения или 5 тыс. сложения за одну секунду.

Первая в Европе универсальная программируемая ЭВМ была создана в 1950 году в Советском Союзе (Украина). Группа киевских учёных, возглавляемая Сергеем Алексеевичем Лебедевым, сконструировала малую электронную счётную машину (МЭСМ). Её быстродействие составляло 50 операций в секунду, она содержала около 6 тыс. электровакуумных ламп.

В 1952 году отечественная вычислительная техника пополнилась БЭСМ - большой электронной счётной машиной, также разработанной под руководством Лебедева. Эта ЭВМ, выполнявшая в секунду до 10 тыс. операций, была на тот момент самой быстродействующей в Европе. Ввод информации в память машины происходил при помощи перфоленты, выводились данные посредством фотопечати.

В этот же период в СССР выпускалась серия больших ЭВМ под общим названием "Стрела" (автор разработки - Юрий Яковлевич Базилевский). С 1954 года в Пензе началось серийное производство универсальной ЭВМ "Урал" под руководством Башира Рамеева. Последние модели были аппаратно и программно совместимы друг с другом, имелся широкий выбор периферических устройств, позволяющий собирать машины различной комплектации.

Транзисторы. Выпуск первых серийных компьютеров

Однако лампы очень быстро выходили из строя, весьма затрудняя работу с машиной. Транзистор, изобретённый в 1947 году, сумел решить эту проблему. Используя электрические свойства полупроводников, он выполнял те же задачи, что и электронные лампы, однако занимал значительно меньший объём и расходовал не так много энергии. Наряду с появлением ферритовых сердечников для организации памяти компьютеров, использование транзисторов дало возможность заметно уменьшить размеры машин, сделать их ещё надёжнее и быстрее.

В 1954 году американская фирма "Техас Инструментс" начала серийно производить транзисторы, а два года спустя в Массачусетсе появился первый построенный на транзисторах компьютер второго поколения - ТХ-О.

В середине прошлого столетия значительная часть государственных организаций и крупных компаний использовала компьютеры для научных, финансовых, инженерных расчётов, работы с большими массивами данных. Постепенно ЭВМ приобретали знакомые нам сегодня черты. В этот период появились графопостроители, принтеры, носители информации на магнитных дисках и ленте.

Активное использование вычислительной техники привело к расширению областей её применения и потребовало создания новых программных технологий. Появились языки программирования высокого уровня, позволяющие переносить программы с одной машины на другую и упрощающие процесс написания кода ("Фортран", "Кобол" и другие). Появились особые программы-трансляторы, преобразовывающие код с этих языков в команды, прямо воспринимаемые машиной.

Появление интегральных микросхем

В 1958-1960 годах, благодаря инженерам из Соединённых Штатов Роберту Нойсу и Джеку Килби, мир узнал о существовании интегральных микросхем. На основе из кремниевого или германиевого кристалла монтировались миниатюрные транзисторы и другие компоненты, порой до сотни и тысячи. Микросхемы размером чуть более сантиметра работали гораздо быстрее, чем транзисторы, и потребляли намного меньше энергии. С их появлением история развития вычислительной техники связывает возникновение третьего поколения ЭВМ.

В 1964 году фирмой IBM был выпущен первый компьютер семейства SYSTEM 360, в основу которого легли интегральные микросхемы. С этого времени можно вести отсчёт массового выпуска ЭВМ. Всего было произведено более 20 тыс. экземпляров данного компьютера.

В 1972 году в СССР была разработана ЕС (единая серия) ЭВМ. Это были стандартизированные комплексы для работы вычислительных центров, имевшие общую систему команд. За основу была взята американская система IBM 360.

В следующем году компания DEC выпустила мини-компьютер PDP-8, ставший первым коммерческим проектом в этой области. Относительно низкая стоимость мини-компьютеров дала возможность использовать их и небольшим организациям.

В этот же период постоянно совершенствовалось программное обеспечение. Разрабатывались операционные системы, ориентированные на то, чтобы поддерживать максимальное количество внешних устройств, появлялись новые программы. В 1964 году разработали Бейсик - язык, предназначенный специально для подготовки начинающих программистов. Через пять лет после этого возник Паскаль, оказавшийся очень удобным для решения множества прикладных задач.

Персональные компьютеры

После 1970 года начался выпуск четвёртого поколения ЭВМ. Развитие вычислительной техники в это время характеризуется внедрением в производство компьютеров больших интегральных схем. Такие машины теперь могли совершать за одну секунду тысячи миллионов вычислительных операций, а ёмкость их ОЗУ увеличилась до 500 миллионов двоичных разрядов. Существенное снижение себестоимости микрокомпьютеров привело к тому, что возможность их купить постепенно появилась у обычного человека.

Одним из первых производителей персональных компьютеров стала компания Apple. Создавшие её Стив Джобс и Стив Возняк сконструировали первую модель ПК в 1976 году, дав ей название Apple I. Стоимость его составила всего 500 долларов. Через год была представлена следующая модель этой компании - Apple II.

Компьютер этого времени впервые стал похожим на бытовой прибор: помимо компактного размера, он имел изящный дизайн и интерфейс, удобный для пользователя. Распространение персональных компьютеров в конце 1970 годов привело к тому, что спрос на большие ЭВМ заметно упал. Этот факт всерьёз обеспокоил их производителя - компанию IBM, и в 1979 году она выпустила на рынок свой первый ПК.

Два года спустя появился первый микрокомпьютер этой фирмы с открытой архитектурой, основанный на 16-разрядном микропроцессоре 8088, производимом компанией "Интел". Компьютер комплектовался монохромным дисплеем, двумя дисководами для пятидюймовых дискет, оперативной памятью объемом 64 килобайта. По поручению компании-создателя фирма "Майкрософт" специально разработала операционную систему для этой машины. На рынке появились многочисленные клоны IBM PC, что подтолкнуло рост промышленного производства персональных ЭВМ.

В 1984 году компанией Apple был разработан и выпущен новый компьютер - Macintosh. Его операционная система была исключительно удобной для пользователя: представляла команды в виде графических изображений и позволяла вводить их с помощью манипулятора - мыши. Это сделало компьютер ещё более доступным, поскольку теперь от пользователя не требовалось никаких специальных навыков.

ЭВМ пятого поколения вычислительной техники некоторые источники датируют 1992-2013 годами. Вкратце их основная концепция формулируется так: это компьютеры, созданные на основе сверхсложных микропроцессоров, имеющие параллельно-векторную структуру, которая делает возможным одновременное выполнение десятков последовательных команд, заложенных в программу. Машины с несколькими сотнями процессоров, работающих параллельно, позволяют ещё более точно и быстро обрабатывать данные, а также создавать эффективно работающие сети.

Развитие современной вычислительной техники уже позволяет говорить и о компьютерах шестого поколения. Это электронные и оптоэлектронные ЭВМ, работающие на десятках тысяч микропроцессоров, характеризующиеся массовым параллелизмом и моделирующие архитектуру нейронных биологических систем, что позволяет им успешно распознавать сложные образы.

Последовательно рассмотрев все этапы развития вычислительной техники, следует отметить интересный факт: изобретения, хорошо зарекомендовавшие себя на каждом из них, сохранились до наших дней и с успехом продолжают использоваться.

Классы вычислительной техники

Существуют различные варианты классификации ЭВМ.

Так, по назначению компьютеры делятся:

• на универсальные - те, которые способны решать самые различные математические, экономические, инженерно-технические, научные и другие задачи;
• проблемно-ориентированные - решающие задачи более узкого направления, связанные, как правило, с управлением определёнными процессами (регистрация данных, накопление и обработка небольших объёмов информации, выполнение расчётов в соответствии с несложными алгоритмами). Они обладают более ограниченными программными и аппаратными ресурсами, чем первая группа компьютеров;
• специализированные компьютеры решают, как правило, строго определённые задачи. Они имеют узкоспециализированную структуру и при относительно низкой сложности устройства и управления достаточно надёжны и производительны в своей сфере. Это, к примеру, контроллеры или адаптеры, управляющие рядом устройств, а также программируемые микропроцессоры.

По размерам и производительной мощности современная электронно-вычислительная техника делится:

• на сверхбольшие (суперкомпьютеры);
• большие компьютеры;
• малые компьютеры;
• сверхмалые (микрокомпьютеры).

Таким образом, мы увидели, что устройства, сначала изобретённые человеком для учёта ресурсов и ценностей, а затем - быстрого и точного проведения сложных расчётов и вычислительных операций, постоянно развивались и совершенствовались.

Электронно-вычислительные виды машин в нашей стране делятся на несколько поколений. Определяющими признаками при отнесении устройств к определенному поколению служат их элементы и разновидности таких важных характеристик, как быстродействие, емкость памяти, способы управления и переработки информации. Деление ЭВМ является условным - есть немалое количество моделей, которые, по одним признакам, относятся к одному, по другим - к другому виду поколения. В результате эти виды ЭВМ могут относиться к различным этапам развития техники электронно-вычислительного типа.

Первое поколение ЭВМ

Развитие ЭВМ разделяется на несколько периодов. Поколение устройств каждого периода имеет отличия друг от друга элементными базами и обеспечением математического типа.

1 поколение ЭВМ (1945-1954) - электронно-вычислительные машины на лампах электронного типа (подобные были в телевизорах первых моделей). Это время можно назвать эпохой становления такой техники.

Большая часть машин первого вида поколения называлась экспериментальными типами устройств, которые создавались с целью проверки одних или других положений теорий. Размер и вес компьютерных агрегатов, которые часто нуждались в отдельных зданиях, давно превратились в легенду. Введение чисел в первые машины производилось при помощи перфокарт, а программные управления последовательностями выполнимости функций осуществлялись, к примеру, в ENIAC, как в машинах счетно-аналитического типа, при помощи штекеров и видов наборного поля. Несмотря на то что подобный метод программирования требовал множества времени для того, чтобы подготовить машину - для соединений на наборных полях (коммутационной доске) блоков он давал все возможности для реализации счетных «способностей» ENIAC’а, и с большой выгодой имел отличия от метода программной перфоленты, который характерен для устройств релейного типа.

Как работали эти агрегаты

Сотрудники, которые были приписанными к данной машине, постоянно находились возле нее и осуществляли наблюдение за работоспособностью электронных ламп. Но, как только перегорала хотя бы одна лампа, ENIAC сразу же поднимался, и наставали хлопоты: все в спешке осуществляли поиск сгоревшей лампы. Главной причиной (может быть, и не точной) очень частой замены ламп была следующая: тепло и свечение ламп привлекали мотыльков, они залетали внутрь машины и способствовали возникновению короткого замыкания. Таким образом, 1 поколение ЭВМ было крайне уязвимым относительно внешних условий.

Если вышесказанное является правдой, то термин «жучки» («баги»), под которым подразумеваются ошибки в программном и аппаратном оборудовании компьютерной техники, набирает уже новое значение. Когда все лампы находились в рабочем состоянии, инженерный персонал мог сделать настройку ENIAC на какую-либо задачу, изменив вручную подключения 6 000 проводов. Все провода нужно было снова переключать, если требовалась задача другого типа.

Самые первые серийные машины

Первой серийно выпускавшейся ЭВМ первого поколения стал компьютер UNIVAC (Универсальный автоматический компьютер). Разработчиками данного компьютера были: Джон Мочли (John Mauchly) и Дж. Преспер Эккерт (J. Prosper Eckert). Это был первый тип электронного цифрового компьютера общего назначения. UNIVAC, работы по разработкам которого начались в 1946 году и завершились в 1951, обладал временем сложений 120 мкс, умножений - 1800 мкс и делений - 3600 мкс.

Данные машины занимали много площади, использовали множество электроэнергии и состояли из огромной численности ламп электронного типа. К примеру, машина «Стрела» имела 6400 таких ламп и 60 тысяч штук диодов полупроводникового типа. Быстродействия этого поколения ЭВМ не превышали 2-3 тысяч операций в секунду, объемы оперативной памяти были не больше 2 Кб. Только машина «М-2» (1958) имела оперативную память 4 Кб, а быстродействие ее было 20 тысяч операций в секунду.

ЭВМ второго поколения - существенные отличия

В 1948 году физиками-теоретиками Джоном Бардиным и Уильямом Шокли, вместе с ведущим экспериментатором фирмы «Белл телефон лабораториз» Уолтером Браттейном, был создан первый действующий транзистор. Это был прибор точечно-контактного типа, в котором три металлических «усика» имели контакт с бруском из поликристаллического материала. Таким образом, поколения ЭВМ начали совершенствоваться уже в то далекое время.

Первые виды компьютеров, которые работали на основе транзисторов, отмечают свое появление в конце 1950 годов, а к середине 1960 годов были создано внешние типы устройств с более компактными функциями.

Особенности архитектуры

Одной из удивительных способностей транзистора является то, что он один может осуществлять работу за 40 ламп электронного типа, и даже в этом случае иметь большую скорость работы, выделять минимальное количество теплоты, и практически не употреблять электрические ресурсы и энергию. Вместе с процессами замены ламп электрического типа на транзисторы усовершенствовались способы сохранения информации. Произошло увеличение объема памяти, а магнитная лента, которая впервые была применена в ЭВМ первого поколения UNIVAC, начала использоваться как для введения, так и для выведения информации.

В середине 1960 годов применялось сохранение информации на дисках. Огромные виды достижений в архитектуре компьютеров позволяли получить быстрые действия в миллион операций в секунду! Например, к транзисторным компьютерам 2 поколения ЭВМ можно отнести «Стретч» (Англия), «Атлас» (США). В тот период Советский Союз также выпускал не уступающие вышеуказанным устройствам (к примеру, «БЭСМ-6»).

Создание ЭВМ, которые построены с помощью транзисторов, стало причиной уменьшения их габаритов, масс, затрат энергии и цены на них, а также увеличило надежность и производительность. Это поспособствовало расширению круга пользователей и номенклатуры решаемых задач. Учитывая улучшенные характеристики, которыми обладало 2 поколение ЭВМ, разработчики начали создавать алгоритмические виды языков для инженерно-технического (к примеру, АЛГОЛ, ФОРТРАН) и экономического (к примеру, КОБОЛ) вида расчетов.

Значение ОС

Но даже на этих этапах главной из задач технологий программирования было обеспечение экономии ресурсов - машинного времени и количества памяти. Для решения этой задачи начали создавать прототипы современных операционных систем (комплексы программ служебного типа, которые обеспечивают хорошие распределения ресурсов ЭВМ при исполнениях задач пользователя).

Виды первых операционных систем (ОС) способствовали автоматизации работы операторов ЭВМ, которая связана с выполнением заданий пользователя: ввод в устройство текстов программ, вызовы необходимых трансляторов, вызовы требуемых для программы библиотечных подпрограмм, вызовы компоновщика для размещения данных подпрограмм и программы основного типа в памяти ЭВМ, введение данных исходного типа и т. п.

Теперь, помимо программы и данных, в ЭВМ второго поколения нужно было вводить еще и инструкцию, где находилось перечисление этапов обработки и список сведений о программе и ее авторах. После этого в устройства начали вводить одновременно некоторое количество заданий для пользователей (пакеты с заданиями), в этих видах операционных систем нужно было распределить типы ресурсов ЭВМ между данными типами заданий - возник мультипрограммный режим для обработок данных (к примеру, пока происходит вывод результатов задачи одного типа, делаются расчеты для другого, и в память можно ввести данные для третьего типа задачи). Таким образом, 2 поколение ЭВМ вошло в историю появлением упорядоченных ОС.

Третье поколение машин

За счет созданий технологии производств интегральных микросхем (ИС) получилось добиться увеличений быстрого действия и уровней надежности полупроводниковых схем, а также уменьшения их размеров, потребляемых уровней мощности и стоимости. Интегральные виды микросхем состоят из десятков элементов электронного типа, которые собраны в прямоугольных пластинах кремния, и обладают длиной стороны не больше 1 см. Подобный тип пластины (кристаллов) размещают в пластмассовом корпусе небольших габаритов, размеры в котором можно определить только с помощью числа «ножек» (выводов от входа и выхода электронных схем, созданных на кристаллах).

Благодаря указанным обстоятельствам, история развития ЭВМ (поколения ЭВМ) сделала большой прорыв. Это дало возможность не только для повышения качества работы и снижения стоимости универсальных устройств, но и создать машины малогабаритного, простого, дешевого и надежного типа - мини-ЭВМ. Такие агрегаты сначала были предназначены для замены контроллеров аппаратно-реализованнных назначений в контурах управления какими-либо объектами, в автоматизированных системах управления процессами технологического типа, системах сборов и обработки данных экспериментального типа, различных управляющих комплексах на объектах подвижного типа и т. п.

Главным моментом в то время считались унификации машин с конструктивно-технологическими параметрами. Третье поколение ЭВМ начинает выпуски своих серий или семейств, совместимых типов моделей. Дальнейшие скачки развития математических и программных обеспечений способствуют созданиям программ пакетного типа для решаемости типовых задач, проблемно ориентированного программного языка (для решаемости задач отдельных категорий). Так впервые создаются программные комплексы - виды операционных систем (разработанные IBM), на которых и работает третье поколение ЭВМ.

Машины четвертого поколения

Успешное развитие электронных устройств привело к созданиям больших интегральных схем (БИС), где один кристалл имел пару десятков тысяч элементов электрического типа. Это способствовало тому, что появились новые поколения ЭВМ, элементная база которых имела большой объем памяти и малые циклы для выполнения команд: использование байтов памяти в одной машинной операции начало резко понижаться. Но, так как затраты на программирование практически не имели сокращений, то на первый план ставились задачи экономии ресурсов человеческого, а не машинного типа.

Создавались операционные системы новых видов, которые позволяли программистам делать отладки своих программ прямо за дисплеями ЭВМ (в диалоговом режиме), и это способствовало облегчению работы пользователей и ускорению разработок нового программного обеспечения. Этот момент полностью противоречил концепциям первичных этапов информационных технологий, которые использовали ЭВМ первого поколения: «процессором выполняется только тот объем работы обработок данных, который люди принципиально не могут выполнить, - массовый счет». Стали прослеживаться тенденции иного типа: «Все, что выполнимо машинами, они должны выполнять; людьми выполняется только та часть работ, которую невозможно автоматизировать».

В 1971 году была изготовлена большая интегральная схема, где полностью размещался процессор электронно-вычислительной машины простых архитектур. Стали реальными возможности для размещений в одной большой интегральной схеме (на одном кристалле) практически всех устройств электронного типа, которые не являются сложными в архитектуре ЭВМ, то есть возможности серийных выпусков простых устройств по доступным ценам (не учитывая стоимости устройств внешнего типа). Так было создано 4 поколение ЭВМ.

Появилось много дешевых (карманных клавишных ЭВМ) и управляющих устройств, которые обустроены на одной-единственной либо нескольких больших интегральных схемах, содержащих процессоры, объемы памяти и систему связей с датчиками исполнительного типа в объектах управления.

Программы, которые управляли подачами топлив в двигатели автомобилей, движениями электронных игрушек или заданными режимами стирок белья, устанавливались в память ЭВМ или при изготовлениях подобных видов контроллеров, или непосредственно на предприятиях, которые занимаются выпуском автомобилей, игрушек, стиральных машин и т. д.

На протяжении 1970 годов началось изготовление и универсальных вычислительных систем, которые состояли из процессора, объемов памяти, схем сопряжений с устройством ввода-вывода, размещенных в единой большой интегральной схеме (однокристальные ЭВМ) или в некоторых больших интегральных схемах, установленных на одной плате печатного типа (одноплатные агрегаты). В результате, когда 4 поколение ЭВМ получило распространение, происходило повторение ситуации, возникшей в 1960 годах, когда первые мини-ЭВМ забирали часть работ в больших универсальных электронно-вычислительных машинах.

Характерные свойства ЭВМ четвертого поколения

1. Мультипроцессорный режим.
2. Обработки параллельно-последовательного типа.
3. Высокоуровневые типы языков.
4. Появление первых сетей ЭВМ.

Технические характеристики этих устройств

1. Средние задержки сигналов 0,7 нс./в.
2. Основной вид памяти - полупроводниковый. Время выработок данных из памяти такого типа - 100-150 нс. Емкости - 1012-1013 символов.
3. Применение аппаратной реализации оперативных систем.
4. Модульные построения начали применяться и для средств программного типа.

Впервые персональный компьютер был создан в апреле 1976 года Стивом Джобсом, сотрудником фирмы Atari, и Стивеном Возняком, сотрудником фирмы Hewlett-Packard. На основе интегральных 8-битных контроллеров схемы электронной игры, они создали простейший, запрограммированный на языке BASIC, компьютер игрового типа «Apple», который имел огромные успехи. В начале 1977 года была зарегистрирована компания Apple Comp., и с того времени началось производство первых в мире персональных компьютеров Apple. История поколения ЭВМ отмечает это событие как наиболее важное.

В настоящее время фирма Apple занимается выпусками персональных компьютеров Macintosh, которые за большинством параметров превосходят виды компьютеров IBM PC.

ПК в России

В нашей стране в основном используют виды компьютеров IBM PC. Этот момент объясняется такими причинами:

1. До начала 90-х США не разрешали поставлять в Советский Союз информационные технологии передового типа, к каким и относились мощные компьютеры Macintosh.
2. Устройства Макинтош были намного дороже, чем IBM PC (в настоящее время они имеют примерно одинаковую стоимость).
3. Для IBM PC разработано множественное число программ прикладного типа и это облегчает их использование в самых различных сферах.

Пятый вид поколения ЭВМ

В поздние1980 годы история развития ЭВМ (поколения ЭВМ) отмечает новый этап - появляются машины пятого вида поколения. Возникновение этих устройств связывают с переходами к микропроцессорам. С точки зрения структурных построений характерны максимальные децентрализации управлений, говоря о программных и математических обеспечениях - переходы на работу в программной сфере и оболочке.

Производительность пятого поколения ЭВМ - 10 8 -10 9 операций за секунду. Для этого типа агрегатов характерна многопроцессорная структура, которая созданная на микропроцессорах упрощенных типов, которых применяется множественное количество (решающее поле или среда). Разрабатываются электронно-вычислительные типы машин, которые ориентированы на высокоуровневые типы языков.

В данный период существуют и применяются две противоположные функции: персонификации и коллективизации ресурсов (коллективные доступы к сети).

Из-за вида операционной системы, которая обеспечивает простоту общения с электронно-вычислительными машинами пятого поколения, огромной базы программ прикладного типа из различных сфер человеческой деятельности, а также низких цен ЭВМ становится незаменимой принадлежностью инженеров, исследователей, экономистов, врачей, агрономов, преподавателей, редакторов, секретарей и даже детей.

Развитие в наши дни

Про шестое и более новые поколения развития ЭВМ можно пока только мечтать. Сюда можно отнести нейрокомпьютеры (виды компьютеров, которые созданы на основе сетей нейронного типа). Они пока не могут существовать самостоятельно, но активным образом моделируются на компьютерах современного типа.

В соответствии с общепринятой методикой оценки развития вычислительной техники первым поколением считались ламповые компьютеры, вторым -транзисторные, третьим - компьютеры на интегральных схемах, а четвёртым - с использованием микропроцессоров.

Первое поколение ЭВМ (1948–1958) создавалось на основе вакуумных электроламп, машина управлялась с пульта и перфокарт с использованием машинных кодов. Эти ЭВМ размещались в нескольких больших металлических шкафах, занимавших целые залы.

Элементной базой машин этого поколения были электронные лампы – диоды и триоды. Машины предназначались для решения сравнительно несложных научно-технических задач. К этому поколению ЭВМ можно отнести: МЭСМ, БЭСМ-1, М-1, М-2, М-З, «Стрела», Минск-1, Урал-1, Урал-2, Урал-3, М-20, «Сетунь», БЭСМ-2, «Раздан» (рис. 2.1).

ЭВМ первого поколения были значительных размеров, потребляли большую мощность, имели невысокую надежность работы и слабое программное обеспечение. Быстродействие их не превышало 2–3 тысячи операций в секунду, емкость оперативной памяти – 2 кб или 2048 машинных слов (1 кб = 1024) длиной 48 двоичных знаков.

Второе поколение ЭВМ (1959–1967) появилось в 60-е гг. ХХ века. Элементы ЭВМ выполнялись на основе полупроводниковых транзисторов (рис. 2.2, 2.3). Эти машины обрабатывали информацию под управлением программ на языке Ассемблер. Ввод данных и программ осуществлялся с перфокарт и перфолент.

Элементной базой машин этого поколения были полупроводниковые приборы. Машины предназначались для решения различных трудоемких научно-технических задач, а также для управления технологическими процессами в производстве. Появление полупроводниковых элементов в электронных схемах существенно увеличило емкость оперативной памяти, надежность и быстродействие ЭВМ. Уменьшились размеры, масса и потребляемая мощность. С появлением машин второго поколения значительно расширилась сфера использования электронной вычислительной техники, главным образом за счет развития ПО.

Третье поколение ЭВМ (1968–1973). Элементная база ЭВМ – малые интегральные схемы (МИС), содержавшие на одной пластинке сотни или тысячи транзисторов. Управление работой этих машин происходило с алфавитно-цифровых терминалов. Для управления использовались языки высокого уровня и Ассемблер. Данные и программы вводились как с терминала, так и с перфокарт и перфолент. 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 и резко снизить цены на аппаратное обеспечение. Например, машины третьего поколения по сравнению с машинами второго поколения имеют больший объем оперативной памяти, увеличенное быстродействие, повышенную надежность, а потребляемая мощность, занимаемая площадь и масса уменьшились.

Четвертое поколение ЭВМ (1974–1982). Элементная база ЭВМ – большие интегральные схемы (БИС). Наиболее яркие представители четвертого поколения ЭВМ – персональные компьютеры (ПК). Связь с пользователем осуществлялась посредством цветного графического дисплея с применением языков высокого уровня.

Машины предназначались для резкого повышения производительности труда в науке, производстве, управлении, здравоохранении, обслуживании и быту. Высокая степень интеграции способствовала увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, повышению ее надежности, что привело к увеличению быстродействия ЭВМ и снижению ее стоимости. Все это оказывает существенное воздействие на логическую структуру (архитектуру) ЭВМ и на ее ПО. Более тесной становится связь структуры машины и ее программного обеспечения, особенно операционной системы (ОС) (или монитора) – набора программ, которые организуют непрерывную работу машины без вмешательства человека

Пятое поколение ЭВМ (1990 – настоящее время) создано на основе сверхбольших интегральных схем (СБИС), которые отличаются колоссальной плотностью размещения логических элементов на кристалле.

6. Организация компьютерных систем

Процессоры

На рис. 2.1 показана структура обычного компьютера с шинной организацией. Центральный процессор - это мозг компьютера. Его задача - выполнять программы, находящиеся в основной памяти. Он вызывает команды из памяти, определяет их тип, а затем выполняет одну за другой. Компоненты соединены шиной, представляющей собой набор параллельно связанных проводов, по которым передаются адреса, данные и сигналы управления. Шины могут быть внешними (связывающими процессор с памятью и устройствами ввода-вывода) и внутренними.

Рис. 2.1. Схема компьютера с одним центральным процессором и двумя устройствами ввода-вывода

Процессор состоит из нескольких частей. Блок управления отвечает за вызов команд из памяти и определение их типа. Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические операции (например, сложение) и логические операции (например, логическое И).

Внутри центрального процессора находится память для хранения промежуточных результатов и некоторых команд управления. Эта память состоит из нескольких регистров, каждый из которых выполняет определенную функцию. Обычно размер всех регистров одинаков. Каждый регистр содержит одно число, которое ограничивается размером регистра. Регистры считываются и записываются очень быстро, поскольку они находятся внутри центрального процессора.

Самый важный регистр - счетчик команд, который указывает, какую команду нужно выполнять следующей. Название «счетчик команд» не соответствует действительности, поскольку он ничего не считает, но этот термин употребляется повсеместно1. Еще есть регистр команд, в котором находится выполняемая в данный момент команда. У большинства компьютеров имеются и другие регистры, одни из них многофункциональны, другие выполняют лишь какие-либо специфические функции.

7. Программное обеспечение. Основная память.

Вся совокупность программ, хранящихся на всех устройствах долговременной памяти компьютера, составляет его программное обеспечение (ПО) .

Системное ПО;
- прикладное ПО;
- инструментальное ПО.

Одним из первых устройств (V-IV вв. до н.э.), с которых, можно считать, началась история развития компьютеров, была специальная доска, названная впоследствии «абак». Вычисления на ней проводились перемещением костей или камней в углублениях досок из бронзы, камня, слоновой кости и тому подобное. В Греции абак существовал уже в V в. до н.э., у японцев он назывался «серобаян», у китайцев — «суанпань». В Древней Руси для счета применялось устройство, похожее на абак, — «дощаный счет». В XVII веке этот прибор принял вид привычных российских счетов.

Абак (V-IV вв. до н.э.)

Французский математик и философ Блез Паскаль в 1642 г. создал первую машину, получившую в честь своего создателя название — Паскалина. Механическое устройство в виде ящика со многими шестернями кроме сложения выполняла и вычитание. Данные вводились в машину с помощью поворота наборных колесиков, которые отвечали числам от 0 до 9. Ответ появлялся в верхней части металлического корпуса.

В 1673 году Готфрид Вильгельм Лейбниц создал механическое счетное устройство (ступенчатый вычислитель Лейбница — калькулятор Лейбница), которое впервые не только складывало и вычитало, а еще умножало, делило и вычисляло квадратный корень. Впоследствии колесо Лейбница стало прототипом для массовых счетных приборов — арифмометров.

Английский математик Чарльз Бэббидж разработал устройство, которое не только выполняло арифметические действия, но и сразу же печатало результаты. В 1832 г. была построена десятикратно уменьшенная модель из двух тысяч латунных деталей, которая весила три тонны, но была способна выполнять арифметические операции с точностью до шестого знака после запятой и вычислять производные второго порядка. Эта вычислительная машина стала прообразом настоящих компьютеров, называлась она дифференциальной машиной.

Суммирующий аппарат с непрерывной передачей десятков создает российский математик и механик Пафнутий Львович Чебышев. В этом аппарате достигнута автоматизация выполнения всех арифметических действий. В 1881 году была создана приставка к суммирующему аппарату для умножения и деления. Принцип непрерывной передачи десятков широко использовался в различных счетчиках и вычислительных машинах.

Автоматизированная обработка данных появилась в конце прошлого века в США. Герман Холлерит создал устройство — Табулятор Холлерита — в котором , нанесенная на перфокарты, расшифровывалось электрическим током.

В 1936 году молодой ученый из Кембриджа Алан Тьюринг придумал мысленный счетный аппарат-компьютер, который существовал только на бумаге. Его «умная машина» действовала по определенному заданному алгоритму. В зависимости от алгоритма, воображаемая машина могла применяться для самых разнообразных целей. Однако в то время это были чисто теоретические рассуждения и схемы, которые послужили прототипом программируемого компьютера, как вычислительного устройства, которое обрабатывает данные в соответствии с определенной последовательностью команд.

Информационные революции в истории

В истории развития цивилизации произошло несколько информационных революций — преобразований социальных общественных отношений вследствие изменений в области обработки, сохранения и передачи информации.

Первая революция связана с изобретением письменности, что привело к гигантскому качественному и количественному скачку цивилизации. Появилась возможность передачи знаний от поколений к поколениям.

Вторая (середина XVI в.) революция вызвана изобретением книгопечатания, которое радикально изменило индустриальное общество, культуру, организацию деятельности.

Третья (конец XIX в.) революция с открытиями в области электричества, благодаря чему появились телеграф, телефон, радио, устройства, которые позволяют оперативно передавать и накапливать информацию в любом объеме.

Четвертая (с семидесятых годов XX в.) революция связана с изобретением микропроцессорной технологии и появлением персонального компьютера. На микропроцессорах и интегральных схемах создаются компьютеры, системы передачи данных (информационные коммуникации).

Этот период характеризуют три фундаментальные инновации:

• переход от механических и электрических средств преобразования информации к электронным;
• миниатюризация всех узлов, устройств, приборов, машин;
• создание программно-управляемых устройств и процессов.

История развития компьютерной техники

Потребность в хранении, преобразовании и передачи информации у человека появилась значительно раньше, чем был создан телеграфный аппарат, первая телефонная станция и электронная вычислительная машина (ЭВМ). Фактически весь опыт, все знания, накопленные человечеством, так или иначе, способствовали появлению вычислительной техники. История создания ЭВМ — общее название электронных машин для выполнения вычислений — начинается далеко в прошлом и связана с развитием практически всех сторон жизни и деятельности человека. Сколько существует человеческая цивилизация, столько времени используется определенная автоматизация вычислений.

История развития компьютерной техники насчитывает около пяти десятилетий. За это время сменилось несколько поколений ЭВМ. Каждое следующее поколение отличалось новыми элементами (электронные лампы, транзисторы, интегральные схемы), технология изготовления которых была принципиально иной. В настоящее время существует общепринятая классификация поколений ЭВМ:

• Первое поколение (1946 — начало 50-х гг.). Элементная база — электронные лампы. ЭВМ отличались большими габаритами, большим потреблением энергии, малым быстродействием, низкой надежностью, программированием в кодах.
• Второе поколение (конец 50-х — начало 60-х гг.). Элементная база — полупроводниковые . Улучшились по сравнению с ЭВМ предыдущего поколения практически все технические характеристики. Для программирования используются алгоритмические языки.
• 3-е поколение (конец 60-х — конец 70-х). Элементная база — интегральные схемы, многослойный печатный монтаж. Резкое снижение габаритов ЭВМ, повышение их надежности, увеличение производительности. Доступ с удаленных терминалов.
• Четвёртое поколение (с середины 70-х — конец 80-х). Элементная база — микропроцессоры, большие интегральные схемы. Улучшились технические характеристики. Массовый выпуск персональных компьютеров. Направления развития: мощные многопроцессорные вычислительные системы с высокой производительностью, создание дешевых микроЭВМ.
• Пятое поколение (с середины 80-х гг.). Началась разработка интеллектуальных компьютеров, которая пока не увенчалась успехом. Внедрение во все сферы компьютерных сетей и их объединение, использование распределенной обработки данных, повсеместное применение компьютерных информационных технологий.

Вместе со сменой поколений ЭВМ менялся и характер их использования. Если сначала они создавались и использовались в основном для решения вычислительных задач, то в дальнейшем сфера их применения расширилась. Сюда можно отнести обработку информации, автоматизацию управления производственно-технологическими и научными процессами и многое другое.

Принципы работы компьютеров Конрада Цузе

Идея о возможности построения автоматизированного счетного аппарата пришла в голову немецкому инженеру Конраду Цузе (Konrad Zuse) и в 1934 г. Цузе сформулировал основные принципы, на которых должны работать будущие компьютеры:

• двоичная система счисления;
• использование устройств, работающих по принципу «да / нет» (логические 1 / 0);
• полностью автоматизированный процесс работы вычислителя;
• программное управление процессом вычислений;
• поддержка арифметики с плавающей запятой;
• использование памяти большой емкости.

Цузе первым в мире определил, что обработка данных начинается с бита (бит он называл «статусом да / нет», а формулы двоичной алгебры — условными суждениями), первым ввел термин «машинное слово» (Word), первым объединил в вычислители арифметические и логические операции, отметив, что «элементарная операция компьютера — проверка двух двоичных чисел на равенство. Результатом будет тоже двоичное число с двумя значениями (равно, не равно)».

Первое поколение — ЭВМ с электронными лампами

Colossus I — первая вычислительная машина на лампах, созданная англичанами в 1943 г., для раскодирования немецких военных шифров; она состояла из 1800 электронных ламп — устройств для хранения информации — и была одним из первых программируемых электронных цифровых компьютеров.

ENIAC — был создан для расчета артиллерийских таблиц баллистики; этот компьютер весил 30 тонн, занимал 1000 квадратных футов и потреблял 130-140 кВт электроэнергии. Компьютер содержал 17468 вакуумных ламп шестнадцати типов, 7200 кристаллических диодов и 4100 магнитных элементов, и содержались они в шкафах общим объемом около 100 м 3 . ENIAC имел производительность 5000 операций в секунду. Общая стоимость машины составляла $ 750 000. Потребность в потребления электричества — 174 кВт, общее занимаемое пространство — 300 м 2 .

Еще один представитель 1-го поколения ЭВМ, на который следует обратить внимание, это EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer). EDVAC интересен тем, что в нем была сделана попытка записывать программы электронным способом в так называемых «ультразвуковых линиях задержки» с помощью ртутных трубок. В 126 таких линиях было возможно сохранять 1024 строк четырехзначных двоичных чисел. Это была «быстрая» память. В качестве «медленной »памяти предполагалось фиксировать числа и команды на магнитном проводе, однако этот метод оказался ненадежным, и пришлось вернуться к телетайпным лентам. EDVAC работал быстрее своего предшественника, сложение занимало 1 мкс, деление — 3 мкс. Он содержал всего 3,5 тыс. электронных ламп и располагался на 13 м 2 площади.

UNIVAC (Universal Automatic Computer) представлял собой электронное устройство с программами, хранящимися в памяти, которые вводились туда уже не с перфокарт, а с помощью магнитной ленты; это обеспечивало высокую скорость чтения и записи информации, а, следовательно, и более высокое быстродействие машины в целом. Одна лента могла содержать миллион символов, записанных в двоичной форме. Ленты могли хранить и программы, и промежуточные данные.

Второе поколение — ЭВМ на транзисторах.

Транзисторы пришли на смену электронным лампам в начале 60-х годов. Транзисторы (которые действуют как электрические переключатели), потребляя меньше электроэнергии и выделяя меньше тепла, занимают и меньше места. Объединение нескольких транзисторных схем на одной плате дает интегральную схему (chip — «щепка», «стружка» буквально, пластинка). Транзисторы это счетчики двоичных чисел. Эти детали фиксируют два состояния — наличие тока и отсутствие тока, и тем самым обрабатывают информацию, представленную им именно в таком двоичном виде.

В 1953 г.. Уильям Шокли изобрел транзистор с p — n переходом (junction transistor). Транзистор заменяет электронную лампу и при этом работает с большей скоростью, выделяет очень мало тепла и почти не потребляет электроэнергию. Одновременно с процессом замены электронных ламп транзисторами совершенствовались методы хранения информации: как устройства памяти стали применяться магнитные сердечники и магнитные барабаны, а уже в 60-е годы получило распространение хранение информации на дисках.

Один из первых компьютеров на транзисторах — Atlas Guidance Computer — был запущен в 1957 г. и использовался при управлении запуском ракеты Atlas.

Созданный в 1957 г.. RAMAC был недорогим компьютером с модульной внешней памятью на дисках, комбинированным оперативным запоминающим устройством на магнитных сердечниках и барабанах. И хотя этот компьютер еще не был полностью транзисторным, он отличался высокой работоспособностью и простотой обслуживания и пользовался большим спросом на рынке средств автоматизации делопроизводства в офисах. Поэтому для корпоративных заказчиков срочно выпустили уже «большой» RAMAC (IBM-305), для размещения 5 Мбайт данных системе RAMAC нужно было 50 дисков диаметром 24 дюйма. Созданная на основе этой модели информационная система безотказно обрабатывала массивы запросов на 10 языках.

В 1959 году IBM создала свой первый полностью транзисторный большой универсальный компьютер модели 7090, способный выполнять 229 тыс. операций в секунду — настоящий транзисторный мэйнфрейм. В 1964 году на основе двух 7090-х мейнфреймов американская авиакомпания SABRE впервые применила автоматизированную систему продажи и бронирования авиабилетов в 65 городах мира.

В 1960 году DEC представила первый в мире миникомпьютер — модель PDP-1 (Programmed Data Processor, программируемый процессор данных), компьютер с монитором и клавиатурой, который стал одним из самых заметных явлений на рынке. Этот компьютер был способен выполнять 100 000 операций в секунду. Сама машина занимала на полу всего 1,5 м 2 . PDP-1 стал, по сути, первой в мире игровой платформой благодаря студенту MIT Стиву Расселу, который написал для него компьютерную игрушку Star War!

В 1968 году Digital впервые наладила серийное производство мини-компьютеров — это был PDP-8: цена их была около $ 10000, а размером модель была холодильник. Именно эту модель PDP-8 смогли покупать лаборатории, университеты и небольшие предприятия.

Отечественные компьютеры того времени можно охарактеризовать так: по архитектурным, схемным и функциональных решений они соответствовали своему времени, но их возможности были ограничены из-за несовершенства производственной и элементной базы. Наибольшей популярностью пользовались машины серии БЭСМ. Серийное производство, достаточно незначительное, началось выпуском ЭВМ «Урал-2» (1958), БЭСМ-2, « Минск-1» и « Урал-3» (все — 1959 г.). В 1960 г. пошли в серию « М-20» и «Урал-4». Максимальной производительностью в конце 1960 располагал «М-20» (4500 ламп, 35 тыс. полупроводниковых диодов, память на 4096 ячеек) — 20 тыс. операций в секунду. Первые компьютеры на полупроводниковых элементах («Раздан-2», «Минск — 2», «М-220» и «Днепр») находились еще в стадии разработки.

Третье поколение — малогабаритные ЭВМ на интегральных схемах

В 50-х и 60-х годах сборка электронного оборудования представляла трудоемкий процесс, который замедлялся возрастающей сложностью электронных схем. Так, например, компьютер типа CD1604 (1960 , Control Data Corp.) , содержал около 100 тыс. диодов и 25 тыс. транзисторов.

В 1959 американцы Джек Сент Клэр Килби (фирма Texas Instruments) и Роберт Н. Нойс (фирма Fairchild Semiconductor) независимо друг от друга изобрели интегральную схему (ИС) — совокупность тысяч транзисторов, размещенных на одном кристалле кремния внутри микросхемы.

Производство компьютеров на ИС (микросхемами их стали называть позже) было гораздо дешевле, чем на транзисторах. Благодаря этому многие организации смогли приобрести и освоить такие машины. А это, в свою очередь, привело к росту спроса на универсальные ЭВМ, предназначенные для решения различных задач. В эти годы производство компьютеров приобрело промышленные масштабы.

В это же время появляется полупроводниковая память, которая и по сей день используется в персональных компьютерах.

Четвертое поколение — персональные компьютеры на процессорах

Предшественниками IBM PC были Apple II, Radio Shack TRS-80, Atari 400 и 800, Commodore 64 и Commodore PET.

Рождения персональных компьютеров (ПК, PC) с полным основанием связывают с процессорами Intel. Корпорация была основана в середине июня 1968 г. с тех пор Intel превратилась в крупнейшего в мире производителя микропроцессоров с числом сотрудников более 64 тысяч. Целью Intel было создание полупроводниковой памяти и, чтобы выжить, фирма стала брать и сторонние заказы на разработку полупроводниковых устройств.

В 1971 г.. Intel получила заказ на разработку набора из 12 микросхем для программируемых микрокалькуляторов, но инженерам Intel создание 12 специализированных чипов показалось громоздким и неэффективным. Задача сокращения номенклатуры микросхем была решена путем создания «спарки» с полупроводниковой памяти и исполнительного устройства, способного работать по командам, хранящимся в ней. Это был прорыв в философии создания вычислительных средств: универсальное логическое устройство в виде 4-разрядного центрального процессорного устройства i4004, который позже был назван первый микропроцессором. Он представлял собой набор из 4 чипов, в числе которых был один чип, управляемый командами, которые хранились в полупроводниковой внутренней памяти.

Как коммерческая разработка, микрокомпьютер (так тогда называлась микросхема) появился на рынке 11 ноября 1971 под названием 4004: 4 битный, содержащий 2300 транзисторов, тактовая частота 60 кГц, стоимость — $ 200. В 1972 г. компания Intel выпустила восьмибитный микропроцессор 8008, а в 1974 г. — его усовершенствованную версию Intel-8080, которая к концу 70-х годов стала стандартом для микрокомпьютерной индустрии. Уже в 1973 году во Франции появляется первый компьютер на базе процессора 8080 — Micral. По разным причинам этот процессор не имел успеха в Америке (в Советском Союзе он был скопирован и выпускался долгое время под названием 580ВМ80). Тогда же группа инженеров ушла из Intel и образовала фирму Zilog. Наиболее громким ее продуктом является Z80, который имеет расширенный набор команд 8080 и, что обеспечило его коммерческий успех для бытовых приборов, обходился одним напряжением питания 5В. На его основе был создан, в частности, компьютер ZX-Spectrum (иногда его называют по имени создателя — Sinclair), ставший практически прообразом Home PC середины 80-х. В 1981 г. Intel выпускает 16-разрядный процессор 8086 и 8088 — аналог 8086, за исключением внешней 8-битной шины данных (вся периферия тогда была еще 8-битной).

Конкурент Intel, компьютер Apple II отличался тем, что не был вполне законченным аппаратом и оставалась некоторая свобода для доработки непосредственно пользователем — можно было устанавливать дополнительные интерфейсные платы, платы памяти и др. Именно эта особенность, которую впоследствии стали называть «открытой архитектурой», стала его основным преимуществом. Успеху Apple II способствовали еще две новинки, разработаные в 1978 году. Недорогой накопитель на гибких дисках, и первая программа для коммерческих расчетов — электронная таблица VisiCalc.

Большой популярностью в 70-х годах пользовался компьютер Altair-8800, построенный на основе процессора Intel -8080. Хотя возможности Altair были довольно ограничены — оперативная память составляла всего 4 Kb, клавиатура и экран отсутствовали, его появление было встречено с большим энтузиазмом. Он был выпущен на рынок в 1975 году, и в первые месяцы было продано несколько тысяч комплектов машины.

Этот компьютер, разработанный фирмой MITS, продавался по почте в виде набора деталей для самостоятельной сборки. Весь комплект для сборки стоил $ 397, тогда как только один процессор от Intel продавался за $360.

Распространение ПК к концу 70-х годов привело к некоторому снижению спроса на большие ЭВМ и мини-ЭВМ — фирма IBM в 1979 выпустила IBM PC на базе процессора 8088. Существующее в начале 80-х годов программное обеспечение было ориентировано на обработку текстов и простых электронных таблиц, а сама мысль о том, что «микрокомпьютер» может стать привычным и необходимым устройством на работе и дома, казалась невероятной.

12 августа 1981 года IBM представила Personal Computer (PC), ставший, в сочетании с программным обеспечением от Microsoft, стандартом для всего парка ПК современного мира. Цена модели IBM PC с монохромным дисплеем составила около $3.000, с цветным — $6.000. Конфигурация IBM PC: процессор Intel 8088 с частотой 4,77 МГц и 29 тысячами транзисторов, 64 Кб оперативной памяти, 1 флоппи-дисковод емкостью 160 Кб, — обычный встроенный динамик. В это время запуск приложений и работа с ними были настоящей мукой: из-за отсутствия жесткого диска приходилось все время менять дискеты, не было ни «мыши», ни графического оконного пользовательского интерфейса, ни точного соответствия между изображением на экране и конечным результатом (WYSIWYG). Цветная графика была крайне примитивна, о трехмерной анимации или фотообработке не было и речи, однако история развития персональных компьютеров началась именно с этой модели.

В 1984 году IBM представила еще две новинки. Во-первых, была выпущена модель для домашних пользователей, названная PCjr на базе процессора 8088, котрая была оснащена едва ли не первой беспроводной клавиатурой, но успеха на рынке эта модель не добилась.

Вторая новинка — IBM PC AT. Важнейшая особенность: переход на микропроцессоры более высоких уровней (80286 с цифровым сопроцессором 80287) с сохранением совместимости с предыдущими моделями. Этот компьютер оказался законодателем стандартов на много лет вперед в целом ряде отношений: здесь впервые появилась 16-разрядная шина расширений (остающаяся стандартной и по сей день) и графические адаптеры EGA с разрешением 640х350 при глубине представления цвета 16 бит.

В 1984 г. состоялся выпуск первых компьютеров Macintosh с графическим интерфейсом, манипулятором «мышь» и многими другими атрибутами пользовательского интерфейса, без которых не мыслятся современные настольные компьютеры. Пользователей новый интерфейс не оставил равнодушными, но революционный компьютер не был совместим ни с прежними программами, ни с аппаратными компонентами. А в тогдашних корпорациях уже стали нормальными рабочими инструментами WordPerfect и Lotus 1-2-3. Пользователи уже привыкли и приспособились к символьному интерфейса DOS. С их точки зрения, Macintosh выглядел даже как-то несерьезно.

Пятое поколение компьютеров (с 1985 и по наше время)

Отличительные признаки V -го поколения:

1. Новые технологии производства.
2. Отказ от традиционных языков программирования таких, как Кобол и Фортран в пользу языков с повышенными возможностями манипулирования символами и с элементами логического программирования (Пролог и Лисп).
3. Акцент на новые архитектуры (например, на архитектуру потока данных).
4. Новые способы ввода-вывода, удобные для пользователя (например, распознавание речи и образов, синтеза речи, обработка сообщений на естественном языке)
5. Искусственный интеллект (то есть автоматизация процессов решения задач, получения выводов, манипулирования знаниями)

Именно на рубеже 80-90-х сформировался альянс Windows-Intel. Когда в начале 1989 г. Intel выпустила микропроцессор 486, производители компьютеров не стали дожидаться примера со стороны IBM или Compaq. Началась гонка, в которую вступили десятки фирм. Но все новые компьютеры были чрезвычайно похожи друг на друга — их объединяла совместимость с Windows и процессоры от Intel.

В 1989 г. был выпущен процессор i486. Он имел встроенный математический сопроцессор, конвейер и встроенный кэш первого уровня.

Направления развития компьютеров

Нейрокомпьютеры можно отнести к шестому поколению ЭВМ. Несмотря на то, что реальное применение нейросетей началось относительно недавно, нейрокомпьютингу как научному направлению пошел седьмой десяток лет, а первый нейрокомпьютер был построен в 1958 году. Разработчиком машины был Фрэнк Розенблатт, который подарил своему детищу имя Mark I.

Теория нейронных сетей впервые была обозначена в работе МакКаллока и Питтса в 1943 г.: любую арифметическую или логическую функцию можно реализовать с помощью простой нейронной сети. Интерес к нейрокомпьютингу снова вспыхнул в начале 80-х годов и был подогрет новыми работами с многослойным перцептроном и параллельными вычислениями.

Нейрокомпьютеры — это ПК, состоящих из множества работающих параллельно простых вычислительных элементов, которые называют нейронами. Нейроны образуют так называемые нейросети. Высокое быстродействие нейрокомпьютеров достигается именно за счет огромного количества нейронов. Нейрокомпьютеры построены по биологическим принципу: нервная система человека состоит из отдельных клеток — нейронов, количество которых в мозгу достигает 10 12 , при том, что время срабатывания нейрона — 3 мс. Каждый нейрон выполняет достаточно простые функции, но так как он связан в среднем с 1 — 10 тыс. других нейронов, такой коллектив успешно обеспечивает работу человеческого мозга.

В оптоэлектронных компьютерах носителем информации является световой поток. Электрические сигналы преобразуются в оптические и обратно. Оптическое излучение в качестве носителя информации имеет ряд потенциальных преимуществ по сравнению с электрическими сигналами:

• Световые потоки, в отличие от электрических, могут пересекаться друг с другом;
• Световые потоки могут быть локализованы в поперечном направлении нанометровых размеров и передаваться по свободному пространству;
• Взаимодействие световых потоков с нелинейными средами распределено по всей среде, что дает новые степени свободы в организации связи и создания параллельных архитектур.

В настоящее время ведутся разработки по созданию компьютеров полностью состящих из оптических устройств обработки информации. Сегодня это направление является наиболее интересным.

Оптический компьютер имеет невиданную производительность и совсем другую, чем электронный компьютер, архитектуру: за 1 такт продолжительностью менее 1 наносекунды (это соответствует тактовой частоте более 1000 МГц) в оптическом компьютере возможна обработка массива данных около 1 мегабайта и больше. К настоящему времени уже созданы и оптимизированы отдельные составляющие оптических компьютеров.

Оптический компьютер размером с ноутбук может дать пользователю возможность разместить в нем едва ли не всю информацию о мире, при этом компьютер сможет решать задачи любой сложности.

Биологические компьютеры — это обычные ПК, только основанные на ДНК-вычислений. Реально показательных работ в этой области так мало, что говорить о существенных результатах не приходится.

Молекулярные компьютеры — это ПК, принцип действия которых основан на использовании изменении свойств молекул в процессе фотосинтеза. В процессе фотосинтеза молекула принимает различные состояния, так что ученым остается только присвоить определенные логические значения каждом состояния, то есть «0» или «1». Используя определенные молекулы, ученые определили, что их фотоцикл состоит всего из двух состояний, «переключать» которые можно изменяя кислотно-щелочной баланс среды. Последнее очень легко сделать с помощью электрического сигнала. Современные технологии уже позволяют создавать целые цепочки молекул, организованные подобным образом. Таким образом, очень даже возможно, что и молекулярные компьютеры ждут нас «не за горами».

История развития компьютеров еще не закончена, помимо совершенствования старых, идет и разработка совершенно новых технологий. Пример тому квантовые компьютеры — устройства, работающие на основе квантовой механики. Полномасштабный квантовый компьютер — гипотетическое устройство, возможность построения которого связана с серьезным развитием квантовой теории в области многих частиц и сложных экспериментов; эта работа лежит на передовом крае современной физики. Экспериментальные квантовые компьютеры уже существуют; элементы квантовых компьютеров могут применяться для повышения эффективности вычислений на уже существующей приборной базе.