Файл: История развития средств вычислительной техники.pdf

Идея Полени проста и действенна, однако, она в течение долгих лет не привлекала внимание изобретателей счетных машин. Окончательный принцип построения зубчатых колес с переменным числом зубьев, был сформирован Вильгодтом Теофильдом Однером, Петербургским механиком шведского происхождения, в 1874 году. Основным элементом устройств являлось так называемое колесо Однера, которое представляло собой колесо с переменным числом выдвижных зубьев. Число выдвинутых зубьев определялось углом поворота установочного рычажка до соответствующей цифры на шкале. Колесо Однера оказалось настолько совершенным, что практически не претерпело принципиальных изменений. На основе этих колес был построен арифмометр, который уже в 1877 году производился на заводе Нобеля, а в 1890 году началось фабричное производство на фабрике Однера - Гиля в Петербурге. Модернизированная версия арифмометра Однера под торговой маркой «Феликс» выпускалась в СССР вплоть до 1978 года

1.3. Электромеханический этап развития вычислительной техники

Электромеханический этап развития вычислительной техники был не продолжительным и продолжался порядка 60 лет - от первого табулятора Г. Холлерита до первой ЭВМ ENIAK (1945). Табулятор - электромеханическая машина, предназначенная для автоматической обработки (суммирования и категоризации) числовой и буквенной информации, записанной на перфокартах, с выдачей результатов на бумажную ленту или специальные бланки. Предпосылки для создания проектов этого типа, появились как необходимость для выполнения массовых расчетов в экономических, статистических управленческих и других сферах деятельности, а также для развитие прикладной электротехники при создании электроприводов и электромеханических реле, которые в свою очередь позволили создать электромеханические вычислительные устройства.

Классическим типом средств электромеханического этапа был счетно-аналитический комплекс, предназначенный для обработки информации на перфокарточных носителях.

Первый счетно-аналитический комплекс был создан в США Г. Холлеритом в 1887 году и состоял из ручного перфоратора, сортировочной машины и табулятора. Основным предназначением комплекса была статистическая обработка перфокарт. Управление механическими счетчиками и сортировкой производилось электрическими импульсами, возникающими в отверстиях в перфокарте при замыкании электрической цепи. Импульсы использовались также для ввода чисел, и для управления работой машины. Впервые комплекс был испытан при составлении таблиц смертности населения в 1887 года в США. После небольших модификаций в 1889 году были проведены основные испытания комплекса, по обработке итогов переписи населения в нескольких районах США. После удачных испытаний, табулятор Холлерита быстро получил международное признание и использовался для переписей населения в России, США, Австро-Венгрии и Канаде.

Также на этом этапе развития, выдающийся английский математик А. Тьюринг совершил грандиозное открытие, в котором он мысленно сконструировал абстрактный механизм, призванный решить одну из фундаментальных проблем математики, поставленную знаменитым немецким профессором Давидом Гильбертом еще в 1900 году, что в дальнейшем положило начало компьютерной эры.

Машина Тьюринга состояла бесконечной в обе стороны ленты, разделенную на ячейки. В каждой такой ячейке мог быть записан некоторый символ из фиксированного конечного множества для данной машины, и названного алфавитом данной машины. Один из символов алфавита выделен и назывался «пробелом», предполагалось, что изначально вся лента пуста, то есть, заполнена пробелами.

Машина Тьюринга меняла содержимое ленты с помощью специальной читающей и пишущей головки, которая двигалась вдоль ленты. В каждый момент головка находится в одной из ячеек. Машина Тьюринга получала от головки информацию о том, какой символ та видит, и в зависимости от этого решала, какой символ записать в текущей ячейке и в какую ячейку сдвигаться далее. При этом также менялось внутреннее состояние машины.

И наконец, на электромеханическом этапе была реализована идея Бэббиджа по созданию универсальной аналитической вычислительной машины с программным управлением, по сложности соизмеримая с наиболее сложными техническими системами того времени. В первой половине XIX века он разработал проект машины для автоматического решения задач, в котором гениально предвосхитил идею современных кибернетических машин. Машина содержала арифметическое устройство (мельницу) и память для хранения чисел (склад), т.е. основные элементы современных ЭВМ.

Заключительный период электромеханического этапа развития вычислительной техники характеризуется созданием целого ряда сложнейших релейных и релейно-механических систем с программным управлением, характеризующихся алгоритмической универсальностью и способных выполнять сложные научно-технические вычисления с большими скоростями и в автоматическом режиме. Эти аппараты можно рассматривать в качестве прямых предшественников универсальных ЭВМ

1.4. Этап электронно-вычислительных машин

Развитие электронно-вычислительных машин (ЭВМ) условно делится на несколько поколений. Поколения ЭВМ каждого периода отличаются друг от друга используемой элементной базой, программных средств, а также способов общения с ЭВМ.

Первое поколение ЭВМ создавалось на электронных лампах в приблизительный период с 1944 по 1954 года.

Второе поколение ЭВМ создавалось на дискретных полупроводниковых приборах примерно с 1955 по 1964 года.

Третье поколение ЭВМ основывалось на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции десятков и сотен транзисторов, выполненных на одном кристалле полупроводника, создаваемых с 1964 по 1974 года.

Четвертое поколение ЭВМ считается, что начался с 1975 года. В них стали использовать большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС иСБИС), микропроцессоры.

Дальнейшее деление ЭВМ на поколения нарушается. Так как все меньше становится принципиальных новаций в компьютерной науке. В основном прогресс идет по пути развития того, что уже изобретено ранее и сводится прежде всего к повышению мощности ЭВМ и миниатюризации элементной базы и самих компьютеров.

Каждое последующее поколение ЭВМ имеет по сравнению с предыдущими существенно лучшие характеристики производительности, емкость всех запоминающих устройств, размерами устройств.

1.4.1. Первое поколение ЭВМ

ЭВМ первого поколения были сделаны на основе электронных ламп.

Электронная лампа - это вакуумный электронный прибор, работа которого осуществляется за счет изменения потока электронов, двигающихся в вакууме от катода к аноду. Движение электронов происходит за счет термоэлектронной эмиссии - испускания электронов с поверхности нагретых металлов.

Применение электронных ламп резко повысило вычислительные возможности ЭВМ по сравнению с автоматическими релейными вычислительными машинами.

Для ввода-вывода данных применялись перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства. Оперативные запоминающие устройства были выполнены на основе ртутных линий задержки электроннолучевых трубок. ЭВМ обладали не большим быстродействием и объемом памяти, имели неразвитые операционные системы и языки низкого уровня. Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами, которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства. Первые ЭВМ были поистине гигантских размеров и занимали несколько комнат в научно-исследовательских институтах. Лампы потребляли огромное количество электроэнергии, выделяли колоссальное количество тепла, в следствии чего они перегревались и их приходилось часто менять. Также не менее сложными и дорогостоящими приходилось делать системы электропитания и системы охлаждения, для уменьшения перегрева ламп.

Несмотря на эти трудности, конструкции ЭВМ быстро развивалась, скорость вычисления росла и достигала нескольких тысяч операций в секунду, емкость оперативной памяти составляло порядка 2048 машинных слов. В ЭВМ первого поколения программа уже хранилась в памяти, и использовалась параллельная обработка разрядов машинных слов.

Создаваемые ЭВМ, в основном, были универсальными и применялись для решения научно-технических задач. Но со временем производство ЭВМ становится серийным, и они начинают использоваться для работы в коммерческих целях.

Первая в мире ЭВМ, официально введена в эксплуатацию 15 февраля 1946 года в Филадельфии в университете штата Пенсильвания (США) и называлась «ENIAC» (Electronic Numerical Integrator and Computer). Предназначалась она для решения задач баллистики, а в последствии в работе по программе разработок ядерного оружия.

Первой полнофункциональный ЭВМ с сохраняемой программой стала «EDSAC» (Electronic Delay Storage Automatic Computer), которая была создана в лаборатории Кембриджского университета в Англии в 1949 г. Она имела запоминающее устройство на 512 ртутных линиях задержки. Время выполнения умножения составляло 8,5 мс, а сложения - 0,07 мс,.

В 1948 году академик Сергей Алексеевич Лебедев предложил проект первой на континенте Европы ЭВМ - Малой электронной счетно-решающей машины (МЭСМ). А уже 1951 году МЭСМ официально ввели в эксплуатацию, на ней регулярно решаются вычислительные задачи. Машина работала с 20 разрядными двоичными кодами с быстродействием 50 операций в секунду и имела оперативную память в 100 ячеек на электронных лампах.

1.4.2. Второе поколение ЭВМ

В ЭВМ второго поколения в качестве основного элемента были использованы полупроводниковые диоды и транзисторы.

Полупроводники - это вещества, удельное сопротивление которых изменяется в зависимости от температуры, наличия примесей или изменением освещенности. При построении транзисторов использовали полупроводники с различными примесными проводимостями. Первый действующий транзистор был биполярным и был изобретен ещё в 1948 г. Уильямом Шокли.

Переход ЭВМ на новую элементную базу оказался неизбежным, так как рост производительности и надежность ЭВМ первого поколения достигли своего пика. Полупроводниковые приборы были надёжнее, долговечнее, обладали малыми размерами по сравнению с электронными лампами, а также могли выполнять значительно более сложные вычисления, и обладали большой оперативной памятью. В качестве устройств памяти были применены магнитные сердечники и магнитные барабаны - далекие предки современных жестких дисков. Ещё одно отличие этих машин в том, что появилась возможность программирования на алгоритмических языках.

Впервые были разработаны языки высокого уровня - Фортран, Кобол, Алгол. Были также написаны специальные трансляторы с этих языков на язык машинных команд. Для ускорения вычислений в этих машинах было реализовано некоторое перекрытие команд, то есть последующая команда начинала выполняться до окончания предыдущей. Для решения разнообразных задач, появляются широкие наборы библиотечных программ. Так же появляются мониторные системы, управляющие режимом трансляции и исполнения программ. Из которые в дальнейшем, выросли в современные операционные системы. Эти важные усовершенствования позволили значительно упростить и ускорить написание программ для компьютеров. Все это позволило резко уменьшить габариты и стоимость компьютеров.

Но машинам второго поколения была характерна программная несовместимость, в следствии которой затруднялась организация крупных информационных систем. Поэтому в середине 60-х годов намечается переход к созданию ЭВМ, с программно совместимых и построенных на микроэлектронной технологической базе.

1.4.3. Третье поколение ЭВМ

В бурно развивающихся областях науки и техники, авиации, космической техники, промышленности и в других областях, появилась потребность в миниатюрных, быстрых и надежных вычислительных устройствах. В связи с этим требовалась разработка новых технологий. Новый прорыв в производительности, надежности и миниатюризации позволила сделать технология интегральных схем, ознаменовавшая собой переход на третье поколение ЭВМ.

Интегральная схема - это кремниевый кристалл, площадь которого примерно 10 мм2. Одна такая схема может заменить десятки тысяч транзисторов, а один такой кристалл мог выполняет такую же работу, как и многотонная ЭВМ первого поколения «ENIAC». А машины с использованием нескольких интегральных схем, может достигать производительности в 10 миллионов операций в секунду.

Использование интегральных схем в ЭВМ, позволило получить ряд неоспоримых преимуществ над их предшественниками:

1. Значительно увеличилась надежность ЭВМ. Надежность интегральных схем - в десятки раз выше надежности аналогичных схем, построенных на дискретных компонентах. Повышение надежности, привело к значительному снижению стоимости эксплуатации ЭВМ.

2. За счет повышенной плотности установки интегральных схем, уменьшилось время передачи сигнала по проводникам и, как следствие, увеличилось быстродействие ЭВМ.