Файл: История развития средств вычислительной техники (Предпосылки к развитию).pdf
Добавлен: 31.03.2023
Просмотров: 846
Скачиваний: 1
Английский математик, дал математическое определение алгоритма через построение, названное машиной Тьюринга. В период Второй мировой войны немцы использовали аппарат «Enigma» для шифровки сообщений. Без ключа и схемы коммутации расшифровать сообщение было невозможно. С целью раскрытия секрета британская разведка собрала группу блестящих и несколько эксцентричных ученых. Среди них был математик Алан Тьюринг. В конце 1943г. группа сумела построить мощную машину. Машину назвали «Колосс». Перехваченные сообщения кодировались, наносились на перфоленту и вводились в память машины. Лента вводилась посредством фотоэлектрического считывающего устройства со скоростью 5000 символов в секунду. Машина имела пять таких считывающих устройств. В процессе поиска соответствия, машина сопоставляла зашифрованное сообщение с уже известными кодами «Enigma». [37]
Тьюринг также разработал несколько базовых концепций информатики — «подпрограмма», «библиотека программного обеспечения», «микропрограммирование».[38]
2.2.1.3.Компьютер Цюзе
В 1934г., будучи студентом технического вуза (в Берлине), не имея ни малейшего представления о работах Ч. Бэббиджа, К. Цузе начал разрабатывать универсальную вычислительную машину, во многом подобную аналитической машине Бэббиджа.[39]
В те годы К. Цузе пришел к выводу, что будущие компьютеры будут основаны на следующих шести принципах:
1) двоичная система счисления;
2)использование устройств, работающих по принципу «да/нет» (логические единица и нуль);
3) полностью автоматизированный процесс работы вычислителя;
4) программное управление процессом вычислений;
5) поддержка арифметики с плавающей запятой;
6) использование памяти большой емкости.[40]
Машина Z1:
В 1938г. К. Цузе завершил постройку машины, занимавшую площадь 4 кв. м. Это была полностью электромеханическая программируемая цифровая машина. Она имела клавиатуру для ввода условий задач. Результаты вычислений высвечивались на панели с множеством маленьких лампочек. [41]
Машина Z-2:
Релейный Z-2 был построен и успешно заработан в апреле 1939г. В Z-2 механическое арифметическое устройство было заменено арифметическим устройством на электромагнитных телефонных реле. Результаты расчетов демонстрировались с помощью электрических ламп.
Машина Z-3:
В 1941г. К. Цузе приступил к проектированию более мощной модели - Z-3. Ввод программы, представлявшей собой последовательность довольно мощных логических команд, по-прежнему происходил с перфорированной киноленты.[42]
2.2.2. Значение электромеханического этапа развития вычислительной техники
Этот этап имел огромнейшее значение для человека. В данный период человеку почти не требовалось никаких усилий для вычисления, но всё же в машинах, помимо электроники, была и механическая часть. Давайте вспомним, как они развивались:
Первыми на этом этапе были табуляторы они производили разные операции, но по-прежнему использовали перфокарты и в них почти не было электроники. Следующим этапом были машины для шифрования и дешифровки, но у них был существенный минус, кроме как для этих операций они не имели возможности использоваться в других направлениях. Прорыв на этом этапе совершил Цузе, изобретя свой компьютер, который можно было запрограммировать для любых целей.
На этом месте оканчивается электромеханический этап и, благодаря изобретению Цузе, человечество решает отказаться от механизмов в пользу электроники и начинается новый электронный этап развития средств вычислительной техники.
2.3. Электронный этап развития вычислительной техники предпосылки
1. Математические предпосылки:
двоичная система счисления, которую Г.В. Лейбниц предложил использовать для организации вычислительных машин,
алгебра логики, разработанная Дж. Булем.
2. Алгоритмические предпосылки - абстрактная машина Тьюринга, использованная для доказательства возможности машинной реализации любого алгоритма, имеющего решение.
3. Технические предпосылки - развитие электроники.
4. Теоретические предпосылки - результаты работ К. Шеннона, соединившего электронику и логику.
Электронно-вычислительные машины появились, когда возникла острая необходимость в очень трудоемких и точных расчетах.[43]
2.3.1. Первые разработки электронного этапа развития
2.3.1.1. Машина Дж. Атанасова
Профессор физики, автор первого проекта цифровой вычислительной машины на основе двоичной, а не десятичной системы счисления. Кроме того, применение двоичной системы счисления, способствовало уменьшению размеров вычислительной машины, и снизила ее себестоимость.[44]
В 1939г. Дж. Атанасов вместе со своим ассистентом Клиффордом Э. Берри построил и испытал первую вычислительную машину, предназначенную для решения систем линейных уравнений с тридцатью неизвестными. Они решили назвать ее АВС.[45]
2.3.2. Поколения ЭВМ
В вычислительной технике существует своеобразная периодизация развития ЭВМ. Их принято делить на поколения.
Основные признаки деления ЭВМ на поколения:
1.Элементная база.
2.Быстродействие.
3.Емкость памяти.
4.Способы управления и переработки информации и др.
Границы поколений во времени размыты, так как в одно и то же время выпускались машины совершенно разного уровня. В таблице (см. Приложение 2) приведено разделение ЭВМ на поколения.
Таблица (см. Приложение 2). [46]
2.3.2.1. I поколение ЭВМ
Первое поколение ЭВМ — ламповые машины 50-х годов. Скорость счёта самых быстрых машин первого поколения доходила до 20 тысяч операций в секунду. Для ввода программ и данных использовались перфоленты и перфокарты. Поскольку внутренняя память этих машин была невелика (могла вместить в себя несколько тысяч чисел и команд программы), они, главным образом, использовались для инженерных и научных расчётов, не связанных с переработкой больших объёмов данных. Это были довольно громоздкие сооружения, содержавшие в себе тысячи ламп, занимавшие иногда сотни квадратных метров, потреблявшие электроэнергию в сотни киловатт. Программы для таких машин составлялись на языках машинных команд, поэтому программирование в те времена было доступно немногим.[47]
2.3.2.1.1. Первая ЭВМ «Эниак»
Первой ЭВМ считается машина ЭНИАК (ENIAC, Electronic Numeral Integrator and Computer - электронный цифровой интегратор и вычислитель). Её авторы, американские ученые Дж. Мочли и Преспер Экерт, работали над ней с 1943 по 1945гг. Она предназначалась для расчёта траекторий полетов снарядов.[48]
Она весила 30 т и размещалась на 170 м2.[49]
ЭНИАК был введён в строй в 1945 году, когда война уже закончилась. У него были предшественники — ещё в тридцатые годы Ванневар Буш проектировал в США устройства для решения дифференциальных уравнений, а другой американский инженер, Говард Эйкен, в 1939-1943 годах работал, при поддержке IBM, над электромеханическим компьютером Марк-1.
ЭНИАК находился в эксплуатации десять лет. Машина состояла из 17 тысяч электронных ламп и полутора тысяч реле. Военное ведомство США ассигновало на разработку ЭНИАКа 400 тысяч долларов, и над его созданием трудилась под руководством Экерта и Мочли команда из 50 человек.
Этот электронный монстр работал в десятичной системе счисления, имел. При гигантских размерах память машины была очень мала, а её программирование оказалось долгим и крайне неудобным. В отличие от современных компьютеров, программа не хранилась в памяти машины, и для её программирования приходилось вручную перекоммутировать штырьки-переключатели, как это делалось на старых телефонных станциях.[50]
2.3.2.1.2. МЭСМ (Малая электронная счётная машина)
В 1946г. С.А. Лебедев становится директором института электротехники и организует в его составе свою лабораторию моделирования и регулирования. В 1948г. С.А. Лебедев ориентировал свою лабораторию на создание МЭСМ (Малая электронная счетная машина) МЭСМ была вначале задумана как модель (первая буква в аббревиатуре МЭСМ) Большой электронной счетной машины (БЭСМ). Однако в процессе её создания стала очевидной целесообразность превращения её в малую ЭВМ. [51]
В нашей стране эта ЭВМ была создана в 1951 году.[52]
4 января специальной комиссии был продемонстрирован действующий макет электронной счетной машины, а в конце декабря малая электронная счетная машина была пущена в эксплуатацию. МЭСМ создавалась как полигон для:
1)исследования основных принципов построения вычислительных машин;
2)проверки методик решения определенных задач;
3)наработки опыта эксплуатации подобной техники.
Над машиной работали 12 научных сотрудников и 15 техников. МЭСМ размещалась на площади 60 м, имела 6 тысяч электронных ламп, трехадресную систему команд, одно арифметическое устройство параллельного действия на триггерных ячейках, запоминающее устройство емкостью 94 слова по 16 разрядов (затем разрядность была увеличена до 20). Быстродействие - 50 операций в секунду. Внешняя память отсутствовала. Первая пробная задача для МЭСМ была взята из области баллистики.[53]
2.3.2.2. II поколение ЭВМ
У ЭВМ второго поколения выделяются следующие особенности:
1)Элементная база: транзисторы.
2)Соединение элементов: печатные платы и навесной монтаж.
3)Быстродействие: как только в ЭВМ транзисторы заменили на лампы, сразу же возросла производительность.
4)Объем оперативной памяти: в ЭВМ второго поколения оказалось возможным увеличить в сотни раз.
5)Габариты: ЭВМ выполнена в виде однотипных стоек, чуть выше человеческого роста. [54]
2.3.2.2.1 Советские разработки
Шестидесятые годы XX века стали периодом бурного развития вычислительной техники в СССР. За этот период разработаны и запущены в производство вычислительные машины «Урал-1», «Урал-4», «Урал-11», «Урал-14», БЭСМ-6, «Минск-1», «Минск-2», «Минск-22», «Минск-32».[55]
Семейство машин «Урал»:
В 1964г. начался выпуск ЭВМ семейства «Урал». Разработка и выпуск происходили на Пензенском заводе вычислительных электронных машин.
Машины ряда «Урал» были построены на единой конструктивной, технологической и схемной базе. В СССР это была первая попытка проектирования не отдельной ЭВМ, а сразу целого семейства совместимых ЭВМ.[56]
«БЭСМ-6»:
В 1966г. была завершена разработка «БЭСМ-6». Машину выпускали 20 лет - с 1967-го по 1987-й гг. Всего было выпущено 355 машин. «БЭСМ-6» размещалась в крупных научных и военно-научных центрах. Производительность в 1 млн. операций в секунду для середины 1960-х - рекордная, да и для последующих лет немалая - покрывала их потребности в быстром счете.[57]
При проектировании БЭСМ-6 впервые был применен метод предварительного имитационного моделирования. С.А. Лебедев одним из первых понял огромное значение совместной работы математиков и инженеров в создании вычислительных систем. По инициативе С.А. Лебедева все схемы БЭСМ-6 были записаны формулами булевой алгебры. Это открыло широкие возможности для автоматизации проектирования и подготовки монтажной и производственной документации.[58]
Семейство машин «Минск»:
Производство ЭВМ «Минск-2» началось в 1963 г. «Минск-2» - первая универсальная советская ЭВМ второго поколения, предназначенная для решения общих научных и инженерных задач.
«Минск-2» была первой в нашей стране ЭВМ с возможностью обработки алфавитно-цифровой информации. У машины «Минск-2» появились две модификации - «Минск-22» и «Минск-23». Выпуск машины «Минск-2» и ее модификации «Минск-22» составил порядка 900 машин. Причем это были ЭВМ высокого качества, с богатым программным обеспечением, множеством архитектурных находок.[59]