Файл: История развития средств вычислительной техники (Характеристика поколений ЭВМ).pdf

Первая действующая модель счетной суммирующей машины была создана в 1642 г. знаменитым французским ученым Блезом Паскалем. Для выполнения арифметических операций Паскаль заменил поступательное перемещение костяшек в абаковидных инструментах на вращательное движение оси, так что в его машине сложению чисел соответствовало сложение пропорциональных им углов. Принцип действия счетчиков в машине Паскаля очень прост. В основе его лежит идея зубчатой пары - двух зубчатых колес, которые сцеплены между собой. Для каждого разряда имелось колесо с десятью зубцами. При этом каждый из этих зубцов представлял одну из цифр от 0 до 9. Это колесо получило название "десятичное счетное колесо". С прибавлением в данном разряде каждой единицы счетное колесо поворачивается на один зубец, другими словами на одну десятую оборота. Нужную цифру можно установить, поворачивая колесо до тех пор, пока зубец, представляющий эту цифру, не встанет против указателя или окошка. Задача состояла в том, чтобы осуществить перенос десятков. Это одна из главных проблем, которую пришлось решать Паскалю. Наличие этого механизма позволило бы вычислителю не тратить внимание на запоминание переноса из младшего разряда в старший. Машина, в которой сложение выполняется механически, должна сама определять, когда нужно производить перенос. К примеру, мы ввели в разряд девять единиц. Счетное колесо повернется на 9/10 оборота. А если теперь прибавить еще одну единицу, колесо "накопит" уже десять единиц. Их нужно передать в следующий разряд. Это и есть передача десятков. В машине Паскаля ее осуществляет удлиненный зуб. Он сцепляется с колесом десятков и поворачивает его на 1/10 оборота. В окошке счетчика десятков появится единица - один десяток, а в окошке счетчика единиц снова покажется нуль. [6]

Механизм переноса действует только в одном направлении вращения колес и не допускает выполнения операции вычитания вращением колес в обратную сторону. Поэтому Паскаль заменил операцию вычитания операцией сложения с десятичным дополнением. Машина Паскаля стала практически первым суммирующим механизмом, который был построен на совершенно новом принципе, при котором считают колеса. Она производила на современников огромное впечатление. Все чаще с именем Паскаля появлялась характеристика "французский Архимед". До нашего времени, к сожалению, дошло только 8 машин Паскаля, из которых одна является 10-разрядной. [11]

Универсальная автоматическая машина, в структуру которой уже входили почти все основные части современных ЭВМ, была изобретена еще в тридцатых годах XIX века. И сейчас мы можем лишь поражаться, что такая гигантская работа, могла быть совершена практически одним человеком. Имя этого человека, которому суждено было открыть новую и, пожалуй, наиболее важную страницу в истории вычислительной техники - Чарльз Бэббидж. За свою жизнь (1792-1871) кембриджский профессор сделал немало открытий и изобретений, которые значительно опередили его время. Круг интересов Бэббиджа был очень широк, и все же самым важным делом его жизни, по его же словам, были вычислительные машины, над созданием которых он работал около 50 лет. Аналитическая машина Бэббиджа представляла собой единый комплекс специализированных блоков. По задумке она включала следующие устройства. Первое - это устройство для хранения исходных данных и промежуточных результатов. Бэббидж называл его "складом"; в современных вычислительных машинах такое устройство называется памятью или запоминающим устройством. [2]

---

Для хранения чисел Бэббидж предложил использовать набор десятичных счетных колес. Каждое из этих колес могло останавливаться в одном из десяти положений и таким способом запоминать один десятичный знак. Колеса собирались в регистры для хранения многоразрядных десятичных чисел. По замыслу автора запоминающее устройство должно было иметь емкость в 1000 чисел по 50 десятичных знаков. Для сравнения скажу, что запоминающее устройство одной из первых ЭВМ имело объем 250 десятиразрядных чисел. [8]

Для создания памяти, где хранилась вся информация, Бэббидж использовал не только колесные регистры, но и большие металлические диски с отверстиями. В памяти на дисках хранились таблицы значений специальных функций, которые использовались в процессе вычислений.

Второе устройство машины - это устройство, в котором осуществлялись нужные операции над числами, взятыми из памяти. Бэббидж назвал его "фабрикой", а сейчас подобное устройство называется арифметическим. Время на производство арифметических операций оценивалось автором: сложение и вычитание - 1с; умножение 50-разрядных чисел - 1 мин; деление 100-разрядного числа на 50-разрядное - 1 мин. [13]

И наконец, третье устройство машины – это устройство, которое управляет последовательностью операций, выполняемых над числами. Бэббидж назвал его "конторой"; сейчас это - устройство управления.

Управление вычислительным процессом осуществлялось с помощью перфокарт - набором картонных карточек с разным расположением пробитых отверстий. Эти карты проходили под щупами, а они попадая в отверстия, приводили в движение механизмы, с помощью которых числа передавались из памяти в управляющее устройство. Результат машина отправляла обратно в память. С помощью таких перфокарт предполагалось также осуществить операции ввода числовой информации и вывода полученных результатов. По факту, таким способом решалась проблема создания автоматической вычислительной машины с программным управлением. [6]

Только после смерти Бэббиджа его сын Генри сумел построить по чертежам отца центральный узел "Аналитической машины" - арифметическое устройство, которое в 1888 году вычислило произведения числа "пи" на числа натурального ряда от одного до 32 с точностью до 29 знаков! Машина Бэббиджа оказалась работоспособной, но Чарльз этого, к сожалению, уже не увидел. [9]

А машина, созданная Лейбницем в 1694 г., давала возможность механического выполнения операции умножения без последовательного сложения и вычитания. Главной ее частью был так называемый ступенчатый валик - цилиндр с зубцами разной длины, которые взаимодействовали со счетным колесом. Передвигая колесо вдоль валика, можно было его ввести в зацепление с необходимым числом зубцов и обеспечить установку определенной цифры. [12]

---

Арифметическая машина Лейбница была по существу первым в мире арифмометром. Машиной, которая предназначена для выполнения четырех арифметических действий, позволяющей использовать 8-разрядное множимое и 9-разрядный множитель с получением 16-разрядного произведения. По сравнению с машиной Паскаля было создано принципиально новое вычислительное устройство, которое существенно ускоряло выполнение операций умножения и деления. Но несмотря на остроумие его изобретателя, арифмометр Лейбница не получил распространения по двум основным причинам: отсутствие на него устойчивого спроса и конструкционной неточности, которые сказывались при перемножении чисел.

Но основная идея Лейбница - идея ступенчатого валика оказалась очень плодотворной. Аж до конца XIX века конструкция валика совершенствовалась и развивалась разными изобретателями механических машин. [16]

Как ни блестящ был век механических арифмометров, но и он, к сожалению, исчерпал свои возможности. Людям нужны были более быстрые помощники. Этот факт заставил изобретателей искать пути совершенствования вычислительной техники, но уже не на механической, а на электромеханической основе.

Небольшой моторчик освободил пользователя от необходимости крутить ручку, плюс и скорость счета увеличилась. Сам механизм счетного устройства, который поначалу оставался неизменным, стал также постепенно усовершенствоваться. Рычажный набор, который осуществлял медленную установку чисел и приводил к значительному проценту ошибок, заменили более удобным - клавишным. Появились машины, которые записывают результат на бумажной ленте, а также другие комбинации счетных и пишущих устройств. Это был уже совсем новый шаг в механизации вычислений, но пока не их автоматизация. Все же управление процессом счета еще ложилось на плечи человека. [5]

Классическим типом средств электромеханического этапа был счетно-аналитический комплекс, который был предназначен для обработки информации на перфокарточных носителях. [11]

Первый комплекс был создан в США Г. Холлеритом в 1887 г. и состоял из ручного перфоратора, сортировочной машины и табулятора. Он должен был быть предназначен для обработки результатов переписи населения в нескольких странах, в том числе и в России. Управление механическими счетчиками и сортировкой осуществлялось электрическими импульсами, которые возникали при замыкании электрической цепи при наличии отверстия в перфокарте. Импульсы использовались и для ввода чисел, и для управления работой машины. Поэтому машина Г. Холлерита была признана первой электромеханической счетной машиной с программным управлением. Хоть счетная машина задумывалась Г. Холлеритом как машина для переписи, она по праву считается "первой статистической". [10]

---

Также была предложена Аланом Тьюрингом в 1936 году для формализации понятия алгоритма машина Тьюринга.

Машина Тьюринга является расширением конечного автомата и способна имитировать все другие исполнители, каким-либо образом реализующие процесс пошагового вычисления, в котором каждый шаг вычисления достаточно элементарен.

Машина Тьюринга имеет бесконечную в обе стороны ленту, которая разделена на квадратики. В каждой такой ячейке может быть записан некоторый символ из фиксированного конечного множества, который назывался алфавитом этой машины. Один из символов алфавита выделен и называется "пробелом", предполагалось, что изначально вся лента пуста, то есть, заполнена пробелами. [8]

Машина Тьюринга умеет менять содержимое ленты с помощью специальной читающей и пишущей головки, которая движется вдоль ленты. В каждый момент головка находится в одной из этих ячеек. Машина Тьюринга получает от головки информацию о том, какой символ там есть, и в зависимости от этой информации решает, что делать, то есть какой символ записать в текущей ячейке и куда сдвинуться после этого.[5]

Таким образом Тьюринг показал, что не существует "чудесной машины", которая способна решать все математические задачи. Но смог продемонстрировать ограниченность возможностей. Он на бумаге построил то, что позволяет решать очень многие задачи и что мы теперь называем словом "компьютер".

Наконец, на электромеханическом этапе была реализована идея Бэббиджа создания универсальной вычислительной машины с программным управлением, по сложности соизмеримая с наиболее сложными техническими системами того времени. Уже на данном этапе выявляется зависимость возможностей вычислительной техники от ее системной сложности; многие наработки данного этапа стали основой развития современного этапа развития вычислительной техники.[1]

1.2. Характеристика поколений ЭВМ

По этапам создания и используемой элементной базе ЭВМ условно делятся на поколения:

1. Первое поколение ЭВМ основано на электронных вакуумных лампах (50-е годы);

2. Второе поколение ЭВМ создано на дискретных полупроводниковых приборах (60-е годы);

3. В третьем поколении ЭВМ использовались полупроводниковые интегральные схемы с малой и средней степенью интеграции (70-е годы);

4. Четвертое поколение ЭВМ основывалось на больших и сверхбольших интегральных схемах – микропроцессорах (80-е годы);

---

5. Пятое поколение ЭВМ с многочисленными десятками микропроцессоров, которые работают параллельно и позволяют строить эффективные системы обработки знаний (90-е годы);

6. Шестое поколение это оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейтронной структурой. Машины с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, которые моделируют архитектуру нейтронных биологических систем. [16]

Каждое последующее поколение ЭВМ получало по сравнению со своими предшественниками существенно более лучшие характеристики. Таким образом, производительность ЭВМ и емкость запоминающих устройств существенно увеличивается.

ЭВМ первого поколения создавались в 1946 году. Они были разработаны на основе электронных ламп, а лампы сделали их ненадежными - лампы часто ломались. Для ввода-вывода информации использовались перфоленты и перфокарты,а также магнитные ленты и печатающие устройства. Оперативные запоминающие устройства были сделаны на базе ртутных линий задержки электроннолучевых трубок. [11]

Компьютеры этого поколения смогли зарекомендовать себя в прогнозировании погоды, энергетических задач, задач военного характера и других сложных задачах, но они были слишком большими, неудобными и очень дорогими машинами. Плюс ко всему для каждой машины использовался свой язык программирования. Показатели объема оперативной памяти и быстродействия машин были слишком низкими. [4]

В 1946 году в городе Филадельфии в университете штата Пенсильвания была сделана электронная цифровая вычислительная машина ENIAC. Она была на электронных лампах. Построили ее американские электроинженеры Дж.П. Эккертом и Дж. Мокли. Она использовала 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. Машина занимала площадь около 200 квадратных м. и весила 50 т. ENIAC должен был проведит артиллерийские расчеты. Но пока его делали, война кончилась, военные задачи отпали, поэтому первой работой стали расчеты по сверхсекретному Манхэттенскому проекту. Далее ЭВМ перевезли на один из военных полигонов, где она работала до 1955 года. [13]

В 1948г. году академик С.А. Лебедев предложил проект первой на континенте Европы ЭВМ- Малой электронной счетно-решающей машины (МЭСМ). В 1951г. МЭСМ официально ввелась в эксплуатацию, на ней постоянно решаются вычислительные задачи. Машина оперировала с 20 разрядными двоичными кодами с быстродействием 50 операций в секунду, имела оперативную память в 100 ячеек на электронных лампах. Она имеет около 6000 электровакуумных ламп. Она занимает площадь 60 мІ и потребляет мощность около 25 кВт. [8]

---