Файл: История развития средств вычислительной техники (перспективы развития средств вычислительной техники).pdf

Арифмометры К. Томаса, В. Однера, П.Л. Чебышева с некоторыми усовершенствованиями использовались до недавнего времени 80-х годов прошлого века.

Самыми значительными изобретениями этого периода, несомненно, являются разностная и аналитическая машины.

Ч. Бэббидж разработал основные принципы построения вычислительных машин, которые были реализованы в современных ЭВМ. Это принцип программного управления вычислительным процессом, использование перфокарт для управления работой вычислительной машины, в ведение команды условного перехода, принцип разделения информации на команды и данные.

К сожалению, эти машины не могли быть построены по технологиям XIX в. Линия арифмометров перешла затем в линию клавишных вычислительных машин. Усовершенствование механического арифмометра продолжалось до 70 - х гг. XX века были разработаны многочисленные конструкции с ручным и электрическим приводом.

С заменой механических счетных устройств электронными линия механических арифмометров перешла в линию электронных калькуляторов, а затем слилась с линией персональных компьютеров.

2. Электромеханический этап.

Насколько значителен был механический период в развитии средств вычислительной техники, но развитие таких областей как экономика, статистика, управление, требовавшие производить множество однообразных расчетов и толкало на новые изобретения и преобразования в вычислительном процессе.

Изобретатели в свою очередь работали над тем, чтобы облегчить труд человека и произвели ряд открытий в электротехники, а именно, создание электромеханического реле и электропривод (служит для преобразования электрической энергии в механическую).

Электромеханический этап развития вычислительной техники продолжался порядка 60 лет и является наименее продолжительным этапом.

Началом этого этапа можно обозначить создание счетно-аналитического комплекса Г. Холлиритом в 1887 году и использовался для обработки информации на перфокартах, например, при обработке результатов переписи населения. Первый комплекс состоял из перфоратора (ручного), табулятора и сортировочной машины.

Табулятор (электромеханическая машина) использовались для сортировки и обработки перфокарт.

Перфокарты до Г. Холлерита уже применялись на ткацких станках Ж. Жаккарда и вычислительной машине Ч. Бэббиджа.

В первых моделях комплекса Г. Холлитита использовалась ручная сортировка перфокарт (в 1890 году заменена электрической), а табулятор был создан на основе простейших электромеханических реле. Комплекс был опробован в 1887 г. в Балтиморе США при составлении таблиц смертности населения, в 1889 г. на примере обработки итогов переписи населения в четырех районах Сент-Луиса машина зарекомендовала себя как весьма успешная, и началось ее дальнейшее распространение.

В конце XIX века перепись населения проводилась регулярно в развитых странах и результаты ее не ограничивали данные о количестве человек, но и о национальности, поле, возрасте, религиозном вероисповедании и других сведениях. Собранные данные трудозатратно было анализировать и обрабатывать на арифмометрах и других суммирующих машинах, так появился новый тип вычислительных машин – перфорационные (ранее счетно- аналитические).

Применение разработок Г. Холлерита для развития вычислительной техники велико, так как даже в современном мире использование большого количества разнообразных устройств ввода - вывода информации не заменило вовсе использование перфокарт, которые получили второе рождение в устройствах Г. Холлерита. В 1897 году Холлерит организовал фирму, ставшею в дальнейшем называться IBM.

Еще одной важной разработкой электромеханического периода считается машина Тьюринга, которая состоит из нескольких элементов: бесконечную в две стороны ленту. Лента разделена на ячейки, в которых может быть отражен символ из определенного для данной машины конечного множества или, так называемого, алфавита машины. Особым символом машины является пробел и начально обусловлено, что ячейки ленты заполнены пробелами.

С помощью пишущей и читающей головки продвигающейся вдоль ленты машина Тьюринга меняет содержимое ячеек ленты. Таким образом, исходя из содержимого конкретной ячейки, машина решает какой символ записать и куда по ленте сдвинуться. Работа продолжается до тех пор, пока машина не встретит заранее обусловленное «заключительное» состояние.

Заключительный период электромеханического этапа развития вычислительной техники характеризуется созданием целого ряда сложных релейных и релейно-механических систем с программным управлением. Данные системы характеризуются универсальностью используемых алгоритмов и способны выполнять сложные вычисления в автоматическом режиме. По сравнению с ранее рассмотренными арифмометрами с электроприводом эти системы выполняли определенные вычисления с гораздо большими скоростями. Эти аппараты можно рассматривать в качестве прямых родоначальников универсальных ЭВМ.

3. Электронный период.

В неумолимом техническом прогрессе в области электронных вычислительных машин обычно выделяют четыре этапа – поколений развития, в которых использовалась те или иные разработки (такие, например, как электронные лампы, транзисторы и полупроводниковые диоды, интегральные микросхемы).

В различных источниках приводится различная классификация современных ЭВМ, в том числе и различное количество поколений (в данной работе будет приведено условное разбиение на четыре поколений развития ЭВМ и пятое поколение, как некий следующий шаг), для упорядочивания информации и структурирования основных характеристик поколений ЭВМ приведем следующую таблицу:

Таблица 1. Этапы развитие современных ЭВМ.

3.1. Первое поколение.

ЭВМ первого поколения появились в 1946 году. Они были сделаны на основе электронных ламп, что делало их ненадежными - лампы приходилось часто менять. В качестве внешних запоминающих устройств использовались перфоленты и перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства. Оперативные запоминающие устройства были выполнены на основе ртутных и электромагнитных линий задержки электроннолучевых трубок, магнитных барабанов.

Вычисления и составление программ выполнялось в двоичной системе исчисления на машинном языке, что позволяло использовать данные программы только в конкретной модели.

Компьютеры данного поколения сумели зарекомендовать себя в прогнозировании погоды, энергетических задач, задач военного характера и других сложнейших операциях, но они были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами. Притом для каждой машины использовался свой язык программирования. Показатели объема оперативной памяти и быстродействия были низкими.

Первой ЭВМ принято считать машину ENIAC, созданную в 1945 году в США для решения задач, связанных с движением тел, брошенных в пространстве, в основном исследование движения снарядов и пуль в военном деле.

ENIAC 15 февраля 1946 года в Филадельфии в университете штата Пенсильвания (США) была официально введена в эксплуатацию электронная цифровая вычислительная машина ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator - электронный численный интегратор и вычислитель), на электронных лампах, построенная американскими электроинженерами Дж.П. Эккертом и Дж. Мокли и использовавшая в качестве переключающих элементов 18 тысяч электронных ламп и 1500 реле. Машина с памятью на 20 слов, способная за полсекунды перемножать одно на другое 5000 пятизначных чисел, занимала площадь около 200 квадратных метров и весила 50 тонн. ENIAC предназначался для проведения артиллерийских расчетов, однако пока этот проект реализовали, война закончилась, задачи такого рода стали не актуальны, так что первой работой стали расчеты по сверхсекретному Манхэттенскому проекту (программе разработок ядерного оружия). Впоследствии ЭВМ перевезли на один из военных полигонов, где она функционировала до 1955 года.

В СССР также проводится создание ЭВМ, так в 1948 году академик Сергей Алексеевич Лебедев предложил проект первой на континенте Европы ЭВМ - Малой электронной счетно-решающей машины (МЭСМ). В 1951году МЭСМ официально вводится в эксплуатацию, на ней регулярно решаются вычислительные задачи. Машина могла оперировать с 20 разрядными двоичными кодами, отличалась скоростью действия 50 операций в одну секунду и имела оперативную память на 100 ячеек на электронных лампах. МЭСМ имела приблизительно 6000 электровакуумных ламп (около 3500 триодов и 2500 диодов), занимала площадь 60 квадратных метров и потребляла около 25 кВт мощности.

Еще до ввода в эксплуатацию ENIAC Моучли и Эккерт по заказу военного департамента США начали создание нового проекта компьютера EDVAC (Electronic Discrete Automatic Variable Computer), который был еще совершеннее первого. В этой машине предусмотрена большая оперативная память (на 1024 44-битных слов; к моменту завершения была добавлена вспомогательная память на 4000 слов для данных), предназначенная и для данных, и для программ. Использование хранения в памяти программы информации устранял основной недостаток ENIAC - необходимость перекоммутации узлов машины, что требовало до двух дней дополнительных вычислений при сложных программах. Этот недостаток не позволял считать ENIAC полностью автоматической ЭВМ.

В EDVAC программа электронным методом записывалась в память на ртутных трубках, называемых линиями задержки, а вычисления производились уже в двоичной системе исчисления, что позволило значительно снизить количество ламп и других элементов электронных цепей машины.

Полностью завершенная в 1952 году, ЭВМ содержала более 3500 ламп 19-ти различных типов и около 27 тысяч других электронных элементов.

В конце 1944 года к EDVAC в качестве научного консультанта был подключен Джон фон Нейман, который к этому времени уже имел большой авторитет в научном мире как математик с живым умом и разбиравшийся в квантовой механике и создавший математическую теорию игр. Интерес Джона фон Неймана к компьютерам был неподдельным и связан частично с его участием в Манхэттенском проекте по созданию атомной бомбы. В результате его вычислений возникла математически обоснованная возможность взрывного способа детонации атомного заряда критической массы, а также проведение множества расчетов по созданию водородной бомбы были весьма сложны. Переработав и обобщив по своему видению материалы по разработке проекта создания новой ЭВМ, Джон фон Нейман в июне 1945 года готовит итоговый научный отчет, который содержал первоклассное описание и самой машины, так и ее логических возможностей. Более того, фон Нейман в докладе на основе своего анализа проектных решений, а также идей по созданию машины А. Тьюринга по формальному универсальному вычислителю впервые представил логическую организацию компьютера безотносительно от его элементной базы, что позволило заложить современные основы, используемые при проектировании ЭВМ.

Находясь в совместной конференции в группе разработчиков EDVAC и ознакомившись с идеями Джона фон Неймана, М. Уилкс, вернувшись в английский Кэмбриджский университет, смог раньше (в мае 1949 г.) завершить разработку первой в мире ЭВМ с хранимыми в памяти программами EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator).

Компьютер EDSAC положил начало новому этапу развития вычислительной техники - первому поколению универсальных ЭВМ.

Хотелось бы затронуть тему первой серийно выпускающейся ЭВМ первого поколения, компьютеру UNIVAC (Универсальный автоматический компьютер). Разработали данный компьютер Джон Мочли и Дж. Преспер Эккерт, который был первым электронным цифровым устройством общего назначения. Работа по созданию UNIVAC началась в 1946 году, а завершилась в 1951 году и первый экземпляр был передан в Бюро переписи населения США.

Начиная с 1950 года, каждые 7-10 лет кардинально обновлялись конструктивно-технологические и программно-алгоритмические принципы построения и использования ЭВМ. В связи с этим правомерно говорить о поколениях вычислительных машин. Условно каждому поколению можно отвести 10 лет.

3.2. Второе поколение

ЭВМ второго поколения были разработаны в 50 - 60х годах двадцатого века, а в качестве основного элемента были использованы полупроводниковые диоды и транзисторы, которые способны с помощью слабой подачи напряжения разрешать течение тока, а отсутствием – блокировать.

Логические схемы строились на дискретных полупроводниковых и магнитных элементах (диоды, биполярные транзисторы, тороидальные ферритовые микротрансформаторы). В качестве конструктивно-технологической основы использовались платы из фольгированного гетинакса. Широко стал использоваться так называемый блочный принцип сборки машин, который позволил подключать к основным устройствам большое число других внешних устройств, что обеспечило большую гибкость при использовании компьютеров. Тактовые частоты работы электронных схем повысились до сотен килогерц.

В качестве устройств памяти стали применяться внешние накопители на жестких магнитных дисках и на флоппи-дисках (промежуточный уровень памяти между накопителями на магнитных лентах и оперативной памятью).

Отличием от ЭВМ первого периода является также возможность программирования на алгоритмических языках. Таким образом, появились первые языки высокого уровня: Фортран, Кобол, Алгол.

Все изменения повлияли на скорость написания программ для компьютеров, и упростить, а также резко уменьшить размеры и стоимость самих компьютеров.