История развития вычислительной техники

Начальный этап развития вычислительной техники.

Все началось с идеи научить машину считать или хотя бы складывать многоразрядные целые числа. Еще около 1500 г. великий деятель эпохи просвещения Леонардо да Винчи разработал эскиз 13-разрядного суммирующего устройства, что явилось первой дошедшей до нас попыткой решить указанную задачу. Первую же действующую суммирующую машину построил в 1642 г. Блез Паскаль — знаменитый французский физик, математик, инженер. Его 8-разрядная машина сохранилась до наших дней.

Рис. 1. Блез Паскаль (1623 -1662) и его счетная машина

От замечательного курьеза, каким восприняли современники машину Паскаля, до создания практически полезного и широко используемого агрегата — фрифмометра (механического вычислительного устройства, способного выполнять 4 арифметических действия) — прошло почти 250 лет. Уже в начале XIX века уровень развития ряда наук и областей практической деятельности (математики, механики, астрономии, инженерных наук, навигации и др.) был столь высок, что они настоятельнейшим образом требовали выполнения огромного объема вычислений, выходящих за пределы возможностей человека, не вооруженного соответствующей техникой. Над ее созданием и совершенствованием работали как выдающиеся ученые с мировой известностью, так и сотни людей, имена многих из которых до нас не дошли, посвятивших свою жизнь конструированию механических вычислительных устройств.

Еще в 70-х годах нашего века на полках магазинов стояли механические арифмометры и их «ближайшие родственники», снабженные электрическим приводом — электромеханические клавишные вычислительные машины. Как это часто бывает, они довольно долго удивительным образом соседствовали с техникой совершенно иного уровня — автоматическими цифровыми вычислительными машинами (АЦВМ), которые в просторечии чаще называют ЭВМ. История АЦВМ восходит еще к первой половине прошлого века и связана с именем замечательного английского математика и инженера Чарльза Бэббиджа. Им в 1822 г. была спроектирована и почти 30 лет строилась и совершенствовалась машина, названная в начале «разностной», а затем, после многочисленных усовершенствований проекта «аналитической». В «аналитическую» машину были заложены принципы, ставшие фундаментальными для вычислительной техники.

Автоматическое выполнение операций.

Для выполнения расчетов большого объема существенно не только то, как быстро выполняется отдельная арифметическая операция, но и то, чтобы между операциями не было «зазоров», требующих непосредственного человеческого вмешательства.

Работа по вводимой «на ходу» программе.

Для автоматического выполнения операций программа должна вводиться в исполнительное устройство со скоростью, соизмеримой со скоростью выполнения операций. Бэббидж предложил использовать для предварительной записи программ и ввода их в машину перфокарты, которые к тому времени применялись для управления ткацкими станками.

Необходимость специального устройства — памяти — для хранения данных.

Впервые автоматически действующие вычислительные устройства появились в середине XX века. Это стало возможным благодаря использованию наряду с мехническими конструкциями электромеханических реле. Работы над релейными машинами начались в 30-е годы и продолжались с переменным успехом до тех пор, пока в 1944 г. под руководством Говарда Айкена — амереканского математика и физика — на фирме IBM (International Business Machines) не была запущена машина «Марк — 1», впервые реализовавшая идеи Бэббиджа. Для представления чисел в ней были использованы механические элементы (счетные колеса), для управления — электромеханические. Одна из самых мощных релейных машин РВМ — 1 была в начале 50-х годов построена в СССР под руководством Н. И. Бессонова; она выполняла до 20 умножений в секунду с достаточно длинными двоичными числами.

Однако появление релейных машин безнадежно запоздало, и они были очень быстро вытеснены электронными, гораздо более производительными и надежными.

Начало современной истории электронной вычислительной техники.

Подленная революция в вычислительной технике произошла в связи с применением электронных устройств. Работа над ними началась в конце 30-х годов одновременно в США, Германии, Великобретании и СССР. К этому времени электронные лампы, ставшие технической основой устройств обработки и хранение цифровой информации, уже широчайшим образом применялись в радиотехнических устройствах.

Первой действующей ЭВМ стал ENIAC (США, 1945 — 1946 гг.). Его название по первым буквам соответствующих английских слов означает «электронно-числовой интегратор и вычислитель». Руководители ее созданием Джон Моучли и Преспер Эккерт, продолжившие начатую в конце 30-х годов работу Джорджа Атанасова. Машина содержала порядка 18 тысяч электронных ламп, множество электромеханических элементов. Ее энергопотребление равнялось 150 кВт, что вполне достаточно для обеспечения небольшого завода.

Практически одновременно велись работы над созданием ЭВМ в Великобретании. С ними связано, прежде всего, имя Аллана Тьюринга — математика, внесшего также большой вклад в теорию алгоритмов и теорию кодирования. В 1944 г. в Великобретании была запущена машина «Колосс».

Огромный вклад в теорию и практику создания электронной вычислительной техники на начальном этапе ее развития внес один из крупнейших американских математиков Джон фон Нейман. В историю науки навсегда вошли «принципы фон Неймана». Совокупность этих принципов породила классическую (фон-нейманскую) архитектуру ЭВМ. Один из важнейших принципов — принцип хранимой программы — требует, чтобы программа закладывалась в память машины так же, как в нее закладывается исходная информация. Первая ЭВМ с хранимой программой (EDSAC) была построена в Великобретании в 1949 г.

Первая отечественная ЭВМ — МЭСМ («малая электронно-счетная машина») — была создана в 1951 г. под руководством С. А. Лебедева, крупнейшего советского конструктора вычислительной техники, впоследствии академика, лауреата государственных премий, руководившего созданием многих отечественных ЭВМ. Рекордной среди них и одной из лучших в мире для своего времени была БЭСМ-6 («большая электронно-счетная машина, 6-я модель»), созданная в середине 60-х годов и долгое время бывшая базовой машиной в обороне, космических исследованиях, научно-технических исследованиях в СССР. Кроме машин серии БЭСМ выпускались и ЭВМ других серий — «Минск», «Урал», «М-20», «Мир» и другие, созданные под руководством И. С. Брука и М. А. Карцева, Б. И. Рамеева, В. М. Глушкова, Ю. А. Базилевского и других отечественных конструкторов и теоретиков информатики.

Поколение современных ЭВМ.

Историю развития современных ЭВМ разделяют на 4 поколения. Но деление компьютерной техники на поколения — весьма условная, нестрогая классификация по степени развития аппаратных и программных средств, а также способов общения с компьютером.

Идея делить машины на поколения вызвана к жизни тем, что за время короткой истории своего развития компьютерная техника проделала большую эволюцию, как в смысле элементной базы, так и в смысле изменения ее структуры, появление новых возможностей, расширения областей примененияи характера использования.

I поколение (до 1955 г.).

Все ЭВМ I-го поколения функционировали на основе электронных ламп, что делало их ненадежными — лампы приходилось часто менять. Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами, которые могли приобрести только крпные корпорации и правительства. Лампы потребляли огромное количество электроэнергии и выделяли много тепла.

Притом для каждой машины использовался свой язык программирования. Набор команд был небольшой, схема арифметико-логического устройства и устройства управления достаточно проста, программное обеспечение практически отсутствовало. Показатели объема оперативной памяти и быстродействия были низкими. Для ввода-вывода использовались перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие стройства, оперативные запоминающие стройства были реализованы на основе ртутных линий задержки электронныхлучевых трубок.

Основные компьютеры I-го поколения.

1946 г. ЭНИАК.

В 1946 г. американские инженер-электронщик Дж. П. Эккерт и физик Дж. У. Моучли в Пенсильванском университете сконструировали, по заказу военного ведомства США, первую электронно-вычислительную машину — «ЭНИАК» (Electronic Numerical Integrator and Computer), которая предназначалась для решения задач баллистики. Она работала в тысячу раз быстрее, чем «Марк-1», выполняя за одну секунду 300 умножений или 5000 сложений многоразрядных чисел. Размеры: 30 м. в длину, объем — 85 м³ вес — 30 тонн. Использовалось около 20 000 электронных ламп и 1500 реле. Мощность ее была до 150 кВт.

1949. ЭДСАК.

Первая машина с хранимой программой — «ЭДСАК» — была создана в Кембриджском ниверситете (Англия) в 1949 г. Она имела запоминающее устройство на 512 ртутных линиях задержки. Время выполнения сложения было 0,07 мс, умножения — 8,5 мс.

1951 г. МЭСМ.

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

1951 г. UNIVAC — 1. (Англия).

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

1952;1953 г. БЭСМ — 2.

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

II поколение (1958;1964).

В 1958 г. в ЭВМ были применены полупроводниковые транзисторы, изобретенные в 1948 г. Уильямом Шокли, они были более надежны, долговечны, малы, могли выполнить значительно более сложные вычисления, обладали большой оперативной памятью. 1 транзистор способен был заменить ~ 40 электронных ламп и работал с большой скоростью.

Во II поколении компьютеров дискретные транзисторные логические элементы вытеснили электронные лампы. В качестве носителей информации использовались магнитные ленты («БЭСМ — 6», «Минск — 2», «Урал — 14») и магнитные сердечники, появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, магнитные барабаны и первые магнитные диски.

В качестве программного обеспечения стали использовать языки программирования высокого уровня, были написаны специальные трансляторы с этих языков на язык машинных команд. Для ускорения вычислений в этих машинах было реализовано некоторое перекрытие команд: последующая команда начинала выполнять до окончания предыдущей.

Появился широкий набор библиотечных программ для решения разнообразных математических задач. Появились мониторные системы, управляющие режимом трансляции и исполнения программ. Из мониторных систем в дальнейшем выросли современные операционные системы.

Машинам второго поколения была свойственна программная несовместимость, которая затрудняла организацию крупных информационных систем. Поэтому в середине 60-х годов наметился переход к созданию компьютеров, программно совместимых и построенных на микроэлектронной технологической базе.

III поколение (1964;1972).

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

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

Машины третьего поколения — это семейства машин с единой архитектурой, т. е. программно совместимых. В качестве элементной базы в них используется интегральные схемы, которые также называются микросхемами.

Машины третьего поколения имеют развитые операционные системы. Они обладают возможностями мультипрограммирования, т. е. одновременного выполнения нескольких программ. Многие задачи управления памятью, устройствами и ресурсами стала брать на себя операционная система или же непосредственно сама машина.

Примеры машин третьего поколения — семейства IBM-360, IBM-370, ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ) и др. Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Емкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов.

IV поколение (с 1972 г. по настоящее время).

Четвертое поколение — это теперешнее поколение компьютерной техники, разработанное после 1970 года.

Впервые стали применяться большие интегральные схемы (БИС), которые по мощности примерно соответствовали 1000 ИС. Это привело к снижению стоимости производства компьютеров. В 1980 г. центральный процессор небольшой ЭВМ оказалось возможным разместить на кристалле площадью ¼ дюйма. БИСы применялись уже в таких компьютеров, как «Иллиак», «Эльбрус», «Макинтош». Быстродействие таких машин состовляет тысячи миллионов операций в секунду. Емкость ОЗУ возросла до 500 млн. двоичных разрядов. В таких машинах одновременно выполняются несколько команд над несколькими наборами операндов.

С точки зрения структуры машины этого поколения представляют собой многопроцессорные и многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних устройств. Емкость оперативной памяти порядка 1 — 64 Мбайт.

Распростронение персональных компьтеров к концу 70-х годов привело к некоторому снижению спроса на большие ЭВМ и мини — ЭВМ. Это стало предметов серьезного беспокойства фирмы IBM (International Business Machines Corporation) — ведущей компании по производству больших ЭВМ, и в 1979 г. фирма IBM решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров, создав первые персональные компьютеры — IBM РС.