Файл: Первые вычислительные инструменты.pdf

Введение

1. В ходе всей своей деятельности, человечество испытывало потребность в проведении расчетов. Оценка поголовья скота, ведение бухгалтерского учета, запуск ракет в космос, - все это требует вычислений. Поэтому инструменты, облегчающие работу с операциями над числами, были всегда актуальны. Человечество проделало долгий путь от средств, помогающих в счетах, до техники, которая считает вместо человека.

Целью данной работы являются:

• Сбор исторической информации о средствах вычислительной техники из разных источников;
• Установление предпосылок к созданию электронной вычислительной техники;
• Категоризация и описание вычислительной техники;
• Анализ нынешнего вектора развития вычислительной техники на основе собранной информации.

1. Первые вычислительные инструменты

1. Пальцы являлись первым счетным прибором человека. Однако, для больших чисел, они не являлись достаточными. Поэтому, человеку было необходимо использовать счетные инструменты.
2. Одними из первых инструментов, помогающих вести счет, были счетные палочки. Вычисления проводились путем выкладывания счетных палочек на счетной доске. Иногда счетная доска выполнялась в виде специальной сетки, но в некоторых текстах упоминается, что для подсчетов могла использоваться любая поверхность. Правильно выложенные палочки позволяли возобновить процесс вычисления с того места, где он был прерван, что особенно важно при длительных расчетах. Ответы записывались сразу же после того, как они появлялись на счетной доске. Получающееся изображение числа палочками по своему характеру относится к десятичной системе счисления, но цифры с 1 до 9 строятся при помощи сложения — вертикальные палочки обозначали каждую единицу, а горизонтальная палочка обозначала 5.
3. Похожим принципом работы обладал абак — доска с выемками в виде полосок, в которых располагаются камни. Одним из вариантов абака являются русские счеты, которые использовались на территории СССР вплоть до распространения в обиходе калькуляторов.

2. Механическая вычислительная техника

1. Первыми механическими вычислительными устройствами являлись арифмометры — инструменты на зубчатых колесах, способные производит простые математические операции. Первым такую машину описал Леонардо да Винчи. Устройство состояло из 13 колес с десятью зубцами, числа представлялись в виде углового положения оси или колеса, а поворот одного колеса вызывал поворот соседнего в пропорции 1:10. Этот же принцип реализовали в своих машинах Вильгельм Шиккард и Блез Паскаль в XVII веке. Однако, вычислитель Вильгельма сгорел при пожаре, а суммирующая машина Паскаля не получила широкого признания.
2. В 1673 г. Готфрид Вильгельм Лейбниц усовершенствовал конструкцию машины Паскаля. Машина Лейбница могла делить и умножать, а также вычислять корень. Однако, и его устройство не получило распространения.
3. Главными причинами малого внимания к этим изобретениям являлись малый спрос на них и сложность в использовании. Первыми успешными счетными машинами были арифмометры, которые создал в 1774 г. Филипп-Малтус Хан.
4. В 1725 г. Базиль Бушон создал ткацкий станок с использованием перфорированной бумаги. Джон Филипп Фалькон усовершенствовал этот механизм, заменив бумагу на картонные перфокарты. Широкое применение перфокарты нашли после модификации ткацкого станка для массого использования Жозефом Мари Жаккардом в 1801 г. Изобретение перфокарт оказало влияние на дизайн будущих вычислительных машин, поскольку они позволяли изменить поведение устройства, не меняя при этом его архитектуру.
5. Перфокарты в качестве ввода данных для вычислительного устройства впервые использовал Чарльз Бэббидж в своей аналитической машине. Аналитическая машина Беббиджа являлась прообразом современных компьютеров. Ее архитектура состояла из устройств ввода и вывода, «склада» - устройства хранения информации, «фабрики» - устройства, выполняющего операции над числами и «конторы» - устройства, управляющего операциями. Аналитическую машину реализовать не получилось, однако принципы ее работы лягут в основы электронных вычислительных устройств через 100 лет.

3. Первое поколение ЭВМ

1. Изобретение лампового триггера, появление булевой алгебры а также Вторая мировая война поспособствовали прогрессу в области вычислительной техники. Поколения ЭВМ характеризуются архитектурой и используемой конструктивно-технологической базы. Основным элементом ЭВМ первого поколения является электронная лампа.
2. В 1943 г. по заказу Лаборатории Баллистических Исследований была начата разработка ЭВМ для баллистических расчетов. Машина получила название ENIAC (электронный числовой интегратор и вычислитель). ENIAC состоял из восемнадцати тысяч вакуумных ламп, полутора тысяч реле и имел массу тридцать тонн. Однако, машина была очень ненадежной, так как лампы быстро выходили из строя. Тем не менее, она показала потенциал ЭВМ на вакуумных лампах и породила интерес к разработке новых машин.
3. В 1944 г. Джон фон Нейман присоединился к группе разработчиков ENIAC, и в 1945г. опубликовал свой доклад, в котором была описана архитектура, которую сейчас называют «архитектурой фон Неймана». Данная архитектура предполагала четыре структуры:

• арифметико-логическое устройство (процессор);
• устройство управления процесса выполнения программ;
• запоминающие устройства;
• устройства ввода и вывода.

1. Также, эта архитектура реализовывала следующие принципы:

• информация представлена в двоичном коде;
• программы состоят из команд, которые выполняются друг за другом;
• все данные хранятся в одной памяти, будь это число или команда;
• каждая ячейка памяти имеет адрес;

1. запоминающие устройства имеют иерархию: наиболее часто используемые данные хранятся в наиболее быстром устройстве;
2. Первой ЭВМ с архитектурой фон Неймана стала EDSAC, разработанная в Британии. Также, стоит отметить машины EDVAC, UNIVAC и первую советскую ЭВМ - МЭСМ.
3. Главными характерными чертами ЭВМ первого поколения можно выделить большие размеры, высокое энергопотребление, способность выполнять от 10 до 20 тысяч операций в секунду, и плохую надежность. Однако, даже не смотря на эти недостатки, эти машины показали свой потенциал в сфере вычислительных работ, что способствовало развитию в областях ядерной физики и космических исследований, а так же проложили путь для дальнейшего прогресса ЭВМ.

4. Второе поколение ЭВМ

1. В 1948 г. Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Брайттен создали транзистор, в рамках работы над изучением полупроводниковых материалов. Транзистор оказался меньше по габаритам и гораздо более надежным, чем вакуумная лампа. Это позволило усовершенствовать структуру ЭВМ, сделав их более компактными и производительными.
2. Первым компьютером на транзисторах стал TX-0, – экспериментальная ЭВМ, разработанная в 1953 г. За ним последовал TRADIC, который имел достаточно маленькие размеры, чтобы поставить его на бомбардировщик B-52. В СССР тоже велись работы по созданию транзисторных вычислительных устройств: БЭСМ-4, «Урал-14», «Урал-16», «Минск-22», «Минск-32», М-220, М-222, «Мир» и другие. Стоит выделить такую ЭВМ как БЭСМ-6. Ее производительность достигала 1 миллиона операций в секунду, в то время, как у остальных она едва достигала 100 тысяч.
3. У ЭВМ второго поколения можно выделить следующие черты:

• Транзисторная база;
• Элементы соединялись печатными платами;
• Быстродействие, в среднем доходящее до 50-100 тысяч операций в секунду, что в разы превосходило результаты ламповых ЭВМ;
• Увеличенный объем памяти;
• Машины можно было разместить в одном помещении, благодаря своим компактным размерам. Высота ЭВМ едва превышала рост человека;
• Значительно упрощенная эксплуатация, по сравнению с машинами первого поколения;
• Появилось программирование на языках высокого уровня (Фортран, Алгол и другие). Для этого были написаны специальные трансляторы с этих языков на язык машинных команд;
• Малое потребление электроэнергии;
• Продолжительное время безотказной работы;

5. Третье поколение ЭВМ

В 1958 г. была создана первая опытная интегральная схема, построенная по идеям, предложенным Джеффри Даммером в 1952 г. Интегральные схемы представляли собой многочисленные транзисторы, расположенные на одном кристалле полупроводника. Интегральные схемы помещались на ладони, но при этом превосходили ЭВМ предыдущих поколений по вычислительным мощностям. В 1964 г. IBM объявила о создании целого семейства ЭВМ — IBM System/360. Малые размеры, малая стоимость производства, по сравнению с машинами предыдущих поколений, полная совместимость между собой, а также универсальный спектр решаемых задач были главными качествами компьютеров этой линейки, что задало новый вектор направления развития вычислительных устройств. В 1969 г. СССР заключил договор о создании единой системы — ряда ЭВМ, совместимых друг с другом.

1. ЭВМ третьего поколения имели следующие особенности:

• Элементная база - интегральные схемы малой и средней степени интеграции;
• Быстродействие: от сотен тысяч до нескольких миллионов операций в секунду;
• Объем оперативной памяти – от 16 до 8192 Кб;
• Габариты ЭВМ варьировались от сопоставимых с машинами предыдущего поколения, до размеров, не требующих отдельного помещения;
• Использование шести базовых языков – Фортран-4, Алгол-60, Кобол-65, ПЛ-1, РПГ, Ассемблер;
• Возможность параллельной работы устройств;
• Эксплуатация: более оперативно производится ремонт стандартных неисправностей, но из-за большой сложности системной организации требуется штат высококвалифицированных специалистов. Незаменимую роль играет системный программист;
• Новые устройства внешней памяти: с увеличенной емкостью и скоростью передачи данных. Первые устройства внешней памяти на магнитных дисках появились в начале 1960-х гг., после того как в 1956 г. фирма IBM разработала плавающие магнитные головки на магнитной подушке. Емкость магнитных дисков стала на порядок больше, чем емкость магнитных барабанов, применявшихся ранее;
• Устройства ввода: графические оптические читающие устройства;
• Изменения в структуре ЭВМ: наряду с микропрограммным способом управления используются принципы модульности и магистральности. Принцип модульности проявляется в построении компьютера на основе набора модулей – конструктивно и функционально законченных электронных блоков в стандартном исполнении. Под магистральностью понимается способ связи между модулями компьютера, т.е. все входные и выходные устройства соединены одними и теми же проводами.
• Резкое снижение цен на аппаратное обеспечение: этого удалось добиться главным образом за счет использования интегральных схем.

В ходе разработок в рамках единой системы выяснилось, что вне космических и военных вычислений актуальны ЭВМ меньших размеров. В 1974 г. была принята международная программа по разработке малых ЭВМ, рассчитанных на использование на производстве и в автоматизации процессов.

6. Четвертое поколение ЭВМ

1. Идея разместить многочисленные интегральные схемы на одном кристалле пришла Теду Хоффу в 1969 г. Такое устройство получило название микропроцессор. Микропроцессор – это интегральная микросхема, на которой размещено обрабатывающее устройство с собственной системой команд. Использование микропроцессоров значительно упростило конструкцию вычислительных машин. С появлением микропроцессора связано одно из важнейших событий в истории вычислительной техники – создание и применение персональных ЭВМ, что даже повлияло на терминологию. Постепенно термин «ЭВМ» был вытеснен словом «компьютер», а вычислительная техника стала называться компьютерной.
2. В 1971 г. компания Intel выпустила первый в мире микропроцессор — Intel-4004. Он мог выполнять роль обычной ЭВМ, и при этом имел компактные размеры. Первый универсальный микропроцессор Intel-8080, явившийся стандартом микрокомпьютерной технологии и созданный в 1974 г., послужил основой для создания первых персональных компьютеров.
3. С этого момента компьютерная отрасль начала развиваться во всевозможные направления. Компьютеры имели самые разные размеры, вычислительные мощности и назначения. Четвертое поколение, как правило, классифицируют по следующим категориям:

• Суперкомпьютеры;
• Мейнфреймы;
• Серверы;
• Микро-ЭВМ.

6.1 Суперкомпьютеры

1. Суперкомпьютерами считаются компьютеры с производительностью свыше 10 000 млн теоретических операций в секунду. Кроме высокой производительности существуют и другие основные признаки, характеризующие суперкомпьютеры, среди которых:
2. самый современный технологический уровень;
3. специфические архитектурные решения, направленные на повышение быстродействия;
4. цена, обычно свыше 1–2 млн долларов.
5. Архитектура суперкомпьютеров основана на идеях параллелизма и конвейеризации вычислений. В этих машинах параллельно выполняется множество похожих операций. Таким образом, сверхвысокое быстродействие обеспечивается не для всех задач, а только для задач, поддающихся распараллеливанию. Арифметико-логическое устройство суперкомпьютера устроено по принципу конвейера.
6. Отличительной особенностью суперкомпьютеров являются векторные процессоры, оснащенные аппаратурой для параллельного выполнения операций с многомерными цифровыми объектами – векторами и матрицами. В них встроены векторные регистры и параллельный конвейерный механизм обработки. Если на обычном процессоре программист выполняет операции над каждым компонентом вектора по очереди, то на векторном – выдает сразу векторные команды.
7. Наиболее распространенные суперкомпьютеры – массово-параллельные компьютерные системы. Они имеют десятки тысяч процессоров, взаимодействующих через сложную, иерархически организованную систему памяти.
8. Суперкомпьютеры используются для решения сложных и больших задач в таких областях деятельности, как: