Добавлен: 28.03.2023
Просмотров: 121
Скачиваний: 2
ВВЕДЕНИЕ
Вычислительная техника является важнейшим компонентом процесса вычислений и обработки данных. Потребность в автоматизации обработки данных, в том числе вычислений, возникла очень давно. Так первыми приспособлениями для вычислений были, вероятно, счётные палочки, которые и сегодня используются в начальных классах многих школ для обучения счёту. Развиваясь, эти приспособления становились более сложными, например, такими как финикийские глиняные фигурки, также предназначаемые для наглядного представления количества считаемых предметов. Такими приспособлениями, похоже, пользовались торговцы и счетоводы того времени.
Постепенно из простейших приспособлений для счёта рождались всё более и более сложные устройства: абак (счёты), логарифмическая линейка, арифмометр и наконец - компьютер.
Слово "компьютер" означает "вычислитель", т.е. устройство для вычислений.
В наше время трудно представить себе, что без компьютеров можно обойтись. А ведь не так давно, до начала 70-х годов вычислительные машины были доступны весьма ограниченному кругу специалистов, а их применение, как правило, оставалось окутанным завесой секретности и мало известным широкой публике. Однако в 1971 году произошло событие, которое в корне изменило ситуацию и с фантастической скоростью превратило компьютер в повседневный рабочий инструмент десятков миллионов людей. В том, вне всякого сомнения знаменательном году еще почти никому не известная фирма Intel из небольшого американского городка Санта-Клара (шт. Калифорния), выпустила первый микропроцессор. Именно ему мы обязаны появлением нового класса вычислительных систем - персональных компьютеров, которыми теперь пользуются, по существу, все, от учащихся начальных классов и бухгалтеров до ученых и инженеров.
В конце XX века невозможно представить себе жизнь без персонального компьютера. Компьютер прочно вошел в нашу жизнь, став главным помощником человека. На сегодняшний день в мире существует множество компьютеров различных фирм, различных групп сложности, назначения и поколений.
Рассмотрим историю развития вычислительной техники, а также краткий обзор о возможностях применения современных вычислительных систем и дальнейшие тенденции развития компьютеров.
1. ИСТОРИЯ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ
Начало развития технологий принято считать с Блеза Паскаля - выдающегося французского математика, физика, писателя и религиозного философа, который в 1642 г. изобрел устройство, механически выполняющее сложение чисел называемую - Суммирующая машина Паскаля («Паскалина»). Его машина предназначалась для работы с 6 или 8 разрядными числами, что позволяло работать с большими числами, вплоть до 9 999 999 и могла не только складывать и вычитать, но выполнять и другие операции, но требовала при этом применения довольно неудобной процедуры повторных сложений. Паскалина представляла собой небольшой латунный ящичек 36х13х8 сантиметров, который было удобно носить с собой. Примерно за 10 лет Паскаль построил около 50 и даже сумел продать около дюжины вариантов своей машины. Но несмотря на вызываемый ею всеобщий восторг, машина не принесла богатства своему создателю, так как сложность и высокая стоимость машины в сочетании с небольшими вычислительными способностями служили препятствием её широкому распространению. Тем не менее инженерные идеи Паскаля оказали огромное влияние на многие другие изобретения в области вычислительной техники. Так, заложенный в основу «Паскалины» принцип связанных колёс стал основой для большинства создаваемых в будущем вычислительных устройств.
Следующего этапного результата добился выдающийся саксонский математик и философ Готфрид Вильгельм Лейбниц, высказавший в 1672 году идею механического умножения без последовательного сложения. В 1673 Лейбниц представил механический калькулятор (арифмометр), выполняющий сложение, вычитание, умножение и деление чисел, а также извлечение корней и возведение в степень, в Парижскую академию. Машина Лейбница требовала для установки специального стола, так как имела внушительные размеры: 100х30х20 сантиметров.
В 1812 году английский математик Чарльз Бэббидж начал работать над так называемой разностной машиной, которая должна была вычислять любые функции, в том числе и тригонометрические, а также составлять таблицы. Свою первую разностную машину, так же известную как «Малая разностная машина» Бэббидж построил в 1822. Он продемонстрировал работу машины на примере вычисления членов последовательности. Работа разностной машины была основана на методе конечных разностей. Малая машина была полностью механической и состояла из множества шестерёнок и рычагов. В ней использовалась десятичная система счисления. Она оперировала 18-разрядными числами с точностью до восьмого знака после запятой и обеспечивала скорость вычислений 12 членов последовательности в 1 минуту. Малая разностная машина могла считать значения многочленов 7-й степени. В 1823 году Бэббидж приступил к созданию Большой разностной машины, которая позволила бы заменить огромное количество людей, занимающихся вычислением различных астрономических, навигационных и математических таблиц. Однако из-за нехватки средств эта машина не была закончена, и сдана в музей Королевского колледжа в Лондоне, где хранится и по сей день. Однако эта неудача не остановила Бэббиджа, и в 1834 году он приступил к новому проекту - созданию Аналитической машины, которая должна была выполнять вычисления без участия человека. С 1842 по 1848 год Бэббидж упорно работал, расходуя собственные средства. К сожалению, он не смог довести до конца работу по созданию Аналитической машины - она оказалась слишком сложной для техники того времени.
Не за долго до этого, уроженец Эльзаса Карл Томас, основатель и директор двух парижских страховых обществ в 1818 году сконструировал счетную машину, уделив основное внимание технологичности механизма, и назвал ее арифмометром. Уже через три года в мастерских Томаса было изготовлено 16 арифмометров, а затем и еще больше. Таким образом, Томас положил начало счетному машиностроению. Его арифмометры выпускали в течение ста лет, постоянно совершенствуя и меняя время от времени названия.
Начиная с XIX века, арифмометры получили очень широкое применение. Но многие расчеты производились очень медленно, т.к. при таких расчетах выбор выполняемых действий и запись результатов производились человеком, а скорость его работы весьма ограничена. Первые арифмометры были дороги, ненадежны, сложны в ремонте и громоздки. Поэтому в России стали приспосабливать к более сложным вычислениям счеты. Например, в 1828 году генерал-майор Ф.М. Свободской выставил на обозрение оригинальный прибор, состоящий из множества счетов, соединенных в общей раме. Основным условием, позволявшим быстро вычислять, было строгое соблюдение небольшого числа единообразных правил. Все операции сводились к действиям сложения и вычитания. Таким образом, прибор воплощал в себе идею алгоритмичности.
Пожалуй, одно из последних принципиальных изобретений в механической счетной технике было сделано жителем Петербурга Вильгодтом Однером. Построенный Однером в 1890 году арифмометр фактически ничем не отличается от современных подобных ему машин. Почти сразу Однер с компаньоном наладил и выпуск своих арифмометров - по 500 штук в год. К 1914 году в одной только России насчитывалось более 22 тысяч арифмометров Однера. В первой четверти XX века эти арифмометры были единственными математическими машинами, широко применявшимися в различных областях деятельности человека. В России эти громко лязгающие во время работы машинки получили прозвище "Железный Феликс". Ими были оснащены практически все конторы.
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ
В первые десятилетия XX века конструкторы обратили внимание на возможность применения в счетных устройствах новых элементов - электромагнитных реле. В 1941 году немецкий инженер Конрад Цузе, построил вычислительное устройство, работающее на таких реле.
Почти одновременно, в 1943 году, американец Говард Эйкен с помощью работ Бэббиджа на основе техники XX века - электромеханических реле - смог построить на одном из предприятий фирмы IBM легендарный гарвардский «Марк-1» (а позднее еще и «Марк-2»). «Марк-1» имел в длину 15 метров и в высоту 2,5 метра, содержал 800 тысяч деталей, располагал 60 регистрами для констант, 72 запоминающими регистрами для сложения, центральным блоком умножения и деления, мог вычислять элементарные трансцендентные функции. Машина работала с 23-значными десятичными числами и выполняла операции сложения за 0,3 секунды, а умножения - за 3 секунды. Однако Эйкен сделал две ошибки: первая состояла в том, что обе эти машины были скорее электромеханическими, чем электронными; вторая - то, что Эйкен не придерживался той концепции, что программы должны храниться в памяти компьютера, как и полученные данные.
Примерно в то же время в Англии начала работать первая вычислительная машина на реле, которая использовалась для расшифровки сообщений, передававшихся немецким кодированным передатчиком. К середине XX века потребность в автоматизации вычислений (в том числе для военных нужд - баллистики, криптографии и т.д.) стала настолько велика, что над созданием машин, подобных «Марк-1» и «Марк-2» работало несколько групп исследователей в разных странах.
Работа по созданию первой электронно-вычислительной машины была начата, по-видимому, в 1937 году в США профессором Джоном Атанасовым, физиком, математиком и инженером-электриком, болгарином по происхождению. Эта машина была специализированной и предназначалась для решения задач математической физики. Атанасов назвал свою машину - Компьютер Атанасова - Берри (англ. Atanasoff-Berry Computer - ABC). В ходе разработок Атанасов создал и запатентовал первые электронные устройства, которые впоследствии применялись довольно широко в первых компьютерах. Полностью проект Атанасова не был завершен, однако в 1973, в результате судебного разбирательства профессора признали родоначальником электронной вычислительной техники, так как Федеральный районный суд США постановил что ABC является первым «компьютером».
ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ
В 1883 году Томас Эдисон, пытаясь продлить срок службы лампы с угольной нитью, ввел в ее вакуумный баллон платиновый электрод и пропустил через него положительное напряжение. Заметив, что в вакууме между электродом и нитью протекает ток он не смог найти никакого объяснения столь необычному явлению. Эдисон ограничился тем, что подробно описал его, на всякий случай взял патент и отправил лампу на Филадельфийскую выставку. Американский изобретатель не распознал открытия исключительной важности - термоэлектронная эмиссия. Он не понял, что его лампа накаливания с платиновым электродом по существу была первой в мире электронной лампой.
Первым, кому пришла в голову мысль о практическом использовании "эффекта Эдисона" был английский физик Дж.А. Флеминг (1849 - 1945). Работая с 1882 года консультантом эдисоновской компании в Лондоне, он узнал о "явлении" от самого Эдисона. Свой диод - двухэлектродную лампу Флейминг создал в 1904 году.
В октябре 1906 года американский инженер Ли де Форест изобрёл электронную лампу - усилитель, или аудион, как он её тогда назвал, имевший третий электрод - сетку. Им был введён принцип, на основе которого строились все дальнейшие электронные лампы, - управление током, протекающим между анодом и катодом, с помощью других вспомогательных элементов.
В 1910 году немецкий инженеры Либен, Рейнс и Штраус сконструировали триод, сетка в котором выполнялась в форме перфорированного листа алюминия и помещалась в центре баллона, а чтобы увеличить эмиссионный ток, они предложили покрыть нить накала слоем окиси бария или кальция.
В 1911 году американский физик Ч.Д. Кулидж предложил применить в качестве покрытия вольфрамовой нити накала окись тория - оксидный катод - и получил вольфрамовую проволоку, которая произвела переворот в ламповой промышленности.
В 1915 году американский физик Ирвинг Ленгмюр сконструировал двухэлектронную лампу - кенотрон, применяемую в качестве выпрямительной лампы в источниках питания. В 1916 году ламповая промышленность стала выпускать особый тип конструкции ламп - генераторные лампы с водяным охлаждением.
Идея лампы с двумя сетками - тетрода была высказана в 1919 году немецким физиком Вальтером Шоттки и независимо от него в 1923 году - американцем Э.У. Халлом, а реализована эта идея англичанином Х. Дж. Раундом во второй половине 20-х годов.
В 1929 году голландские учёные Г. Хольст и Б. Теллеген создали электронную лампу с 3-мя сетками - пентод. В 1932 году был создан гептод, в 1933 - гексод и пентагрид, в 1935 году появились лампы в металлических корпусах. Дальнейшее развитие электронных ламп, улучшение их характеристик и функциональных возможностей привело к созданию на их основе совершенно новых электронных приборов.
2. ПОКОЛЕНИЯ ЭВМ
Историю развития ЭВМ удобно описывать, пользуясь представлением о поколениях вычислительных машин. Каждое поколение ЭВМ характеризуется конструктивными особенностями и возможностями. Приступим к описанию каждого из поколений, однако нужно помнить, что деление ЭВМ на поколения является условным, поскольку в одно и то же время выпускались машины разного уровня.
ПЕРВОЕ ПОКОЛЕНИЕ
Резкий скачек в развитии вычислительной техники произошел в 40-х годах, после Второй мировой войны, и связан он был с появлением качественно новых электронных устройств электронно-вакуумных ламп, работали значительно быстрее, чем схемы на электромеханическом реле, а релейные машины быстро вытеснены более производительными и надежными электронными вычислительными машинами (ЭВМ). Применение ЭВМ значительно расширило круг решаемых задач. Стали доступны задачи, которые раньше просто не ставились: расчеты инженерных сооружений, вычисления движения планет, баллистические расчеты и т.д.