История вычислительной техники

Теоретический материал по теме «История вычислительной техники» Историю вычислительной техники можно условно разбить на несколь­ко периодов: ·   Применение для счета подручных средств. ·   Использование приспособлений для счета. ·   Создание механических вычислительных машин. ·   Создание электронных вычислительных машин. Последний период, в свою очередь, делится на несколько подпериодов в зависимости от поколений ЭВМ. Первобытные люди не знали, чисел и использовали для запоминания определенного количества предметов наглядное представление — различ­ные подручные средства: ракушки, камешки и т.д. Многие народы исполь­зовали для счета пальцы рук, ног и другие части тела. Отделение понятия количества от понятия предмета привело к возникновению понятия числа. Возникла необходимость в системе записи чисел или в системе нумерации. У многих народностей запись чисел была очень громоздкой, поэтому для расчетов использовались специальные приспособления для счета. Самым распространенным приспособлением для счета был абак (или счеты). Древнейшие счеты были обнаружены при археологических раскоп­ках на одном из островов Эгейского моря (находка относится к IV тыс. до н.э.). Абак (от греческого аЪах — доска) — счетная доска, широко приме­нявшаяся в Древней Греции. Греческий абак представлял собой доску, на которой параллельные линии обозначали разряды единиц, десятков, сотен и т.д. На линиях помещали соответствующее число жетонов (камешек, ко­сточек). В Древнем Риме на доске для удобства делали желобки, чтобы ка­мешки не скатывались. Это приспособление называлось калькули . В Китае заменили камешки на бусинки, нанизанные на прутики, которые крепились на деревянной раме. Каждый прутик был раз­делен на две неравные части. В одной части было 5 бусинок, по количеству пальцев на руке, а во второй — только 2, по количеству рук. Это приспособ­ление называлось «суан-пан». Им пользовались в Китае уже в VI веке. В Японии подобная конструкция получила название «саробан». В Западной Европе познакомились с абаком в X веке и пользовались им вплоть до XVIII века. В XVI веке абак распространился и в России. В русском абаке на один прутик помещали сразу 10 косточек, по числу пальцев на обеих руках. Этот вид абака назывался «русские счеты». Другим устройством для счета, получившим широкое признание, была логарифмическая линейка, которая появилась в XVII в. И счеты, и лога­рифмическая линейка являются лишь приспособлениями, помогающими человеку производить вычисления, но не машинами. В рукописях выдающегося итальянского живописца, скульптора, уче­ного, инженера Леонардо да Винчи (1452—1519), есть проект тринадцатиразрядной механической вычислительной машины. В письмах и воспоминаниях современников сохранились сведе­ния о машине Вильгельма Шиккарда (1592—1636), изготовленной в 1623 г., но сгоревшей во время пожара. Несмотря на существование более ранних разработок, первой механи­ческой машиной считается суммирующий автомат, построенный в 1642 г. (по другим данным, в 1641 г.) французским математиком Б. Паскалем (1623— 1662). Сохранилось семь экземпляров машины Паскаля, один из которых находится в Музее искусств и ремесел в Париже. Эта машина выполняла сложение и вычитание над шестизначными числами. В «паскалине» деся­тичные цифры задавались поворотами колесиков с десятью зубцами, на которых были цифровые деления, а результат считывался в окошечках. Колесики были механически связаны, чтобы учитывать перенос единицы в следующий разряд. Первая машина, выполняющая все арифметические действия и возведе­ние в степень, была создана в 1673 г. немецким ученым Лейбницем Г.В. (1646—1716). Она имела подвижную каретку и выполняла умножение по принципу школьного алгоритма «умножения в столбик». В 1822 г. Ч. Бэббидж (1791—1871), возглавлявший кафедру математики Кембриджского университета, разработал проект большой машины для вы­числения и печати таблиц математических функций. Он построил рабочую модель, заслужившую одобрение и финансовую поддержку Лондонского Королевского Общества. В 1823 г. Бэббидж приступил к работе, рассчиты­вая закончить ее за три года. Но Бэббидж не учел, что не было еще точного оборудования для изготовления деталей, не было теории механизмов. К то­му же в ходе изготовления машины Бэббидж продолжал ее совершенство­вать, находить все новые решения для расширения ее возможностей, по­стоянно вносил изменения в чертежи и переделывал уже изготовленные узлы. В 1833 г. Бэббидж приостановил работы над большой машиной, из­расходовав 17 тыс. фунтов стерлингов правительственных средств и 13 тыс. собственных и выполнив при этом лишь часть проекта. Правда, работаю­щая часть машины имела значительно большее быстродействие, чем было обещано, и обеспечивала заявленную точность. В процессе создания маши­ны у Беббиджа возникла идея о создании универсальной вычислительной машины, названной впоследствии аналитической. Ее логическая схема была настолько ясной и простой, что он мог описать ее словами, не прибегая к чертежам. Аналитическая машина, по замыслу Бэббиджа, должна была: 1) выполнять простые арифметические действия; 2) запоминать начальные и промежуточные данные, результаты вычис­лений; 3) запоминать группу команд, по которым идет решение задачи; 4) выводить результаты вычислений; 5) автоматически прекращать вычисления после выполнения задачи; 6) повторять цикл вычислений. В новой машине предусматривалось устройство — «мельница», которое выполняло все арифметические действия. Исходные данные, промежуточные результаты запоминались на регистрах, объединенных в единое устройство — «склад». Управление перемещением чисел со «склада» на «мельницу» и об­ратно, а также управление действиями «мельницы» осуществлялось «конто­рой» при помощи перфокарт. Его машина намного опережала технические возможности своего времени, и довести ее до конца было практически невоз­можно. В его работах ему помогала математик Ада Лавлейс (1815—1852). Она создала для машины Бэббиджа несколько программ, которые хранились на специальных перфорированных картах. Она доказала, что машина спо­собна не только решать задачи числового характера, но и выполнять опера­ции, над словами. Сорок моделей оригинальных механизмов создал выдающийся русский ма­тематик и механик П.Л. Чебышев и среди них — арифмометр (1878), особеннос­тью которого было оригинальное приспособление для переноса десятков из млад­ших разрядов в старшие. Для своего времени это была самая совершенная счетная машина. Идеи, заложенные в этом арифмометре, легли в основу многих совре­менных вычислительных устройств. В 1875г. удобный механический арифмо­метр сконструировал петербургский инженер В.Т. Однер. За короткий срок этот арифмометр завоевал весь мир и на Всемирной выставке в Париже, устроенной в канун нового XX столетия, был удостоен золотой медали. Промышленный выпуск арифмометров в России начался в 1894 г. и продолжался более 70 лет. Герман Холлерит (1860—1929), сын немецких эмигрантов в США, скон­струировал в 1884 г. табулятор — электрическую счетную машину, автома­тизирующую процесс обработки данных при проведении переписи населе­ния. Впервые машина Холлерита была опробована в 1887 г. В 1890 году она победила в конкурсе машин для обработки данных переписи населения США. В этой машине использовались перфокарты в качестве носителей информа­ции. Основанная Холлеритом в 1887г. фирма специализировалась на выпуске перфораторов. Эта фирма сегодня носит название 1ВМ и является круп­нейшим в мире производителем компьютеров. Прообразом ЭВМ считают аналитическую машину Ч.Бэббиджа (1833), а непосредственным предшественником — электромеханическую цифровую вы­числительную машину на электромагнитных реле, созданную в 1937 г. аме­риканским ученым Г.Эйкеном. Первую вычислительную машину на электрических реле создал в 1925 г. американский ученый В.Буш, в 1930 г. он разработал дифференциальный анализатор на электронных лампах. В Германии молодой инженер К.Цузе создал машину, состоящую из тысяч телефонных реле, а в 1937—1942 гг. он разработал проект электронной машины, не реализованный из-за отсутствия ассигнований. В 1936 г. А.Тьюринг дал строгое логическое доказательство возможности создания универсальной программно управляемой вычислитель­ной машины («машина Тьюринга»). В 1937 г. американский профессор А.В. Атанасов начал разработку арифметического устройства на специальных электромеханических блоках. В 1939—1942 гг. А.В.Атанасов со своим помощником К.Верри создали первую электронную цифровую вычислительную машину. Эта машина вошла в историю под названием «АВС» — по первым буква фамилий создателей этой вычислительной машины. Во время второй мировой войны многие страны работали над созданием вычислительных машин. Ученые разных стран не знали о разработках друг друга, поэтому многие работы Тьюринга были в то время неизвестными. Тью­ринг возглавлял группу создателей первого электронного компьютера для Британской разведки во время второй мировой войны. В 1942 г. машина была создана, но все сведения о ней были засекречены до 1975 г. В 1943 г. в Англии первая программируемая вычислительная машина на вакуумных лам­пах получила название «Колосс». В 1944 г. на основе реле была построена цифровая вычислительная машина «Марк-1», а вскоре в 1947 г. — «Марк-П», в которой использовалась двоичная система счисления. Одной из удачных конструкций релейных вычислительных машин была машина РВМ-1, пост­роенная под руководством советского инженера Н.И.Бессонова в 1956г. Главный недостаток релейных машин — малая оперативная память, невысокая скорость работы, малая надежность. В США в Пенсильванском университете по заказу артиллерийского уп­равления велись работы над проектом «Электронный цифровой интегратор и вычислитель», нглийски сокращенно по первым буквам ЕК1АС. Созданная в 1946 г. машина ЕМ1АС (или по-русски ЭНИАК) и считается первой ЭВМ. Разработчиками этого проекта были Джон Мочли и Джон Эккерт.. Созданная машина весила 30 т, занимала площадь около 150 кв. м., состояла из 18000 ламп и 1500 реле. Машина работала в деся­тичной системе счисления, быстродействие — 200 мкс для операций сложе­ния и 2300 мкс — при умножении. Эта машина и вошла в историю как первая ЭВМ, хотя работоспособность ее была очень ограниченной (каждые 7 мин одна из ламп выходила из строя, задачи надо было набирать вручную на многочисленных переключателях). Несоответствие между временем ре­шения задач и временем подготовки ее вручную было настолько большим, что выигрыш от скорости вычисления почти полностью покрывался проиг­рышем во времени на подготовительных операциях. В США первая серий­ная универсальная ЭВМ «1ВМ-603» была выпущена в 1948 г. Создание ЭНИАК послужило началом бурного развития Вычислитель­ных машин. Проект первой ЭВМ заинтересовал известного математика Джона фон Неймана (1903-1957), который занялся разработкой логической схемы ЭВМ, благодаря которой можно было бы запоминать программу и изменять ее, не меняя всей схемы машины. Первая отечественная ЭВМ «МЭСМ» (малая электронная счетная маши­на) была разработана в Институте электротехники АН УССР в 1951 г. под руководством Лебедева и Глушкова. В 1947 году была создана лаборатория по разработке макета МЭСМ, а в конце 1951г. МЭСМ была построена. МЭСМ имела более универсальное назначение, чем ЭНИАК, она стала базовым про­тотипом для мирового цифрового математического машиностроения и обус­ловила переход к новому периоду — развитию искусства программирования. Несмотря на маломощность МЭСМ, с ее помощью были решены важные на­роднохозяйственные проблемы. В 1951 г. Лебедев возглавил лабораторию в Институте точной механики и вычислительной техники АН СССР и присту­пил к созданию БЭСМ-1. В 1952 г. создается первая ЭВМ из серии быстродей­ствующих электронных счетных машин (БЭСМ) общего назначения. При со­здании БЭСМ-1 были применены оригинальные научные и конструкторские разработки, которые вошли в мировой фонд вычислительной техники. Ма­шина БЭСМ-1 была не только первой быстродействующей советской ЭВМ с производительностью 8—10 тыс. операций в секунду, но и самой высокопро­изводительной машиной в Европе и одной из лучших в мире. Вскоре была создана и самая популярная в те годы машина БЭСМ-6 с быстродействием 1 млн. операций в секунду. Она серийно выпускалась с 1964 по 1984 гг. Лебедев возглавил работы по созданию трех поколений советских ЭВМ — это знаме­нитая серия БЭСМ -1, -2, ЗМ, -4, -6 и машины М-20, М-220. В зависимости от технических характеристик ЭВМ делятся на поколе­ния. В настоящее время говорят о пяти поколениях компьютеров. Компьютеры первого поколения (40—50-е гг.) работали на электронных лампах размером 8—10 см. Компьютеры имели большие размеры, недоста­точную надежность, низкую скорость вычислений (неск. десят. тыс.опера­ций/сек). Эти ЭВМ предназначались для математических расчетов, програм­мы для них писались в машинных кодах. В Минске под руководством Г.П.Лопато и В.В.Пржиялковского была создана первая машина, известного в дальнейшем семейства Минск-1. Она выпускалась Минским заводом вычислительных машин в различных модификациях: Минск-1, Минск-11, Минск-12, Минск-14. Машина широко использовалась в вычислительных центрах нашей страны. Средняя производительность машины составляла 2-3 тыс.оп/сек. На этом, по мнению некоторых экспертов, закончилась эра первого поколения ЭВМ. Компьютеры второго поколения (60-е гг.) работали на полупроводнико­вых транзисторах размером до 2 см, имели меньшие размеры, большую на­дежность, больший объем оперативной памяти, скорость вычислений — неск. сот тыс. операций/сек. Эти ЭВМ уже имели магнитные носители ин­формации, приспособления для печати. ЭВМ стали использоваться для ре­шения экономических задач, задач управления производством, появились языки программирования высокого уровня, ориентированные на решения задач определенного типа. Эпоха второго поколения компьютеров началась в 1959 году и ознаменовалась она созданием опытных образцов ЭВМ М-40 и М-50 для системы противоракетной обороны. Их создатели С. А. Лебедев и Бурцев В.С. в 1966 году были награждены Ленинской премией за специализированный автоматизированный комплекс обработки информации для системы ПРО на базе этих ЭВМ. Компьютеры третьего поколения (70-е гг.) работали на интегральных микросхемах. Характеристики ЭВМ улучшились, скорость вычислений ста­ла неск. млн. операций/сек. В ЭВМ стали использовать дисплеи с электрон­но-лучевой трубкой. Появились первые ОС и первые пакеты прикладных программ, компьютеры, работающие в многозадачном режиме. В 1964 году фирма IBM объявила о создании шести моделей семейства IBM 360 (System 360), ставших первыми компьютерами третьего поколения. Модели имели единую систему команд и отличались друг от друга объемом оперативной памяти и производительностью. В 1960 году в Институте кибернетики АН УССР создана первая полупроводниковая управляющая машина широкого назначения "Днепр", руководители проекта - Глушков и Б.Н.Малиновский. ЭВМ включала аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Эта ЭВМ использовалась в качестве центрального звена систем автоматизации непрерывных процессов. Выпускалась на протяжении 10 лет. В 1963 году была запущена в серийное производство ЭВМ Промiнь. В этой машине впервые в мире использовалось ступенчатое микропрограммное управление. К сожалению, новая схема управления не была запатентована, т.к. СССР не входил в Международный патентный союз и не могли заниматься патентованием и приобретением лицензий. Еще одним новшеством было использование памяти на металлизированных картах. Компьютеры четвертого поколения (80—90-е гг.) стали использовать большие интегральные схемы (БИС). Весь ЦП помещался в одном кристал­ле, их стали называть микропроцессорами. Быстродействие компьютеров стало десятки и сотни млн. операций/сек. Были созданы компьютеры ин­дивидуального пользования — персональные компьютеры. Компьютеры пятого поколения. Работа над компьютерами 5-го поколе­ния началась в конце 80-х гг. и продолжается в настоящее время. Ожида­лось, что компьютеры нового поколения будут использовать биологические принципы обработки информации, решать задачи, используя принцип дея­тельности головного мозга человека. Программное обеспечение будет бази­роваться на системах искусственного интеллекта