Файл: История развития средств вычислительной техники (Четвертое и пятое поколение ЭВМ).pdf

После знакомства Лейбница с выдающимся голландским математиком и астрономом Христианом Гюйгенсом возникла идея создания вычислительной машины. Астроному приходилось выполнять большое количество вычислений, что навело Лейбница на мысль о создании механической машины, способной облегчить подобные расчеты. Сложение чисел выполнялось в десятичной системе при помощи связанных друг с другом колёс (аналогично «Паскалине»). В конструкцию была добавлена движущая часть и специальная рукоятка, позволяющая крутить ступенчатое колесо (в более поздних вариантах колёса были заменены на цилиндры), что позволяло ускорить повторяющиеся операции сложения, так же при помощи их выполнялись операции деления и умножения чисел, а необходимое число повторяющихся операций сложения выполнилось автоматически^[9].

С развитием механики и техники человечество стало задумываться над созданием счетных машин, которые выполняли был не только простейшие действия сложения, но вычитание, деление и умножение. Были созданы в разное время машины, описанные в данной главе, в которых была заложена одинаковая суть. Они запоминали промежуточные результаты, некоторые повторяющиеся арифметические действия выполнялись автоматически, машины выводили конечный результат в определенном окошке и существенно облегчали вычислительные процессы для того времени. Однако они имели соответственно и ряд недостаток: высокая стоимость и доступность лишь небольшому количеству населения, большой объем и монотонность механических действий.

3. Электромеханический и электронно-вычислительный этапы развития вычислительной техники

3.1. Табуляторы

Табулятор – электромеханическая машина, предназначена для обработки информации в числовом и буквенном выражении, записанной на перфокартах, результат выдается на бумажную ленту или специальный бланк.

Первый табулятор создан американским изобретателем Германом Холлеритом (29.02.1860 – 17.11.1929) в 1890 году. Был ассистентом профессора в бюро по переписи населения, работа на этом поприще привела к изобретению первого статистического табулятора. Использовались для обработки массивов данных до того, как появились электронно-вычислительные машины (далее – ЭВМ). Табуляторы широко использовались в СССР и являлись основным оборудованием на машиносчётных станциях.

Данная машина могла эффективно выполнять действия сложения и вычитания, а умножение и деление выполнялись методом последовательного многократного сложения и вычитания. Работа проводилась в соответствии с набираемой на коммутационной панели программой. Холлерит организовал фирму по производству табуляционных машин – ТМС (Tabulating Machine Company), продавая машины железнодорожным и правительственным учреждениям. С годами на предприятии в результате слияний и преобразований произошел ряд изменений, в результате чего с 1924 года фирма Холлерита стала называться IBM^[10].

3.2. Машина Тьюринга

Алан Тюринг (23.06.1912 – 07.06.1954) – английский математик, криптограф, логик, оказал существенное влияние на развитие информатики.

Машина Тьюринга является расширением конечного автомата^[11] и способна имитировать все другие исполнители (с помощью задания правил перехода), каким-либо образом реализующие процесс пошагового вычисления, в котором каждый шаг вычисления достаточно элементарен.

Машина имеет бесконечную в обе стороны ленту, разделенную на квадратики (ячейки). В каждой ячейке может быть записан некоторый символ из фиксированного (для данной машины) конечного множества, называемого алфавитом данной машины. Один из символов алфавита выделен и называется "пробелом", предполагается, что изначально вся лента пуста, то есть, заполнена пробелами.

Машина Тьюринга может менять содержимое ленты с помощью специальной читающей и пишущей головки, которая движется вдоль ленты. В каждый момент головка находится в одной из ячеек. Машина получает от головки информацию о том, какой символ та видит, и в зависимости от этого (и от своего внутреннего состояния) решает, что делать, то есть какой символ записать в текущей ячейке и куда сдвинуться после этого (налево, направо или остаться на месте). При этом также меняется внутреннее состояние машины (мы предполагаем, что машина не считая ленты имеет конечную память, то есть конечное число внутренних состояний).

Так Тьюринг показал, что не существует "чудесной машины", способной решать все математические задачи. Но, продемонстрировав ограниченность возможностей, он на бумаге построил то, что позволяет решать очень многое 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 этом этапе выявляется зависимость возможностей вычислительной техники от ее системной сложности; многие наработки данного этапа легли в основу развития современного этапа развития вычислительной техники – электронного.

3.3. Первое, второе и третье поколение электронно-вычислительных машин

ЭВМ первого поколения появились в 1946 году. Они были сделаны на основе электронных ламп, что делало их ненадежными - лампы приходилось часто менять. Для ввода-вывода данных использовались перфоленты и перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства. Оперативные запоминающие устройства были реализованы на основе ртутных линий задержки электроннолучевых трубок.

Компьютеры данного поколения сумели зарекомендовать себя в прогнозировании погоды, энергетических задач, задач военного характера и других сложнейших операциях, но они были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами. Притом для каждой машины использовался свой язык программирования. Показатели объема оперативной памяти и быстродействия были низкими.

С февраля 1946 года в Филадельфии в университете штата Пенсильвания (США) была официально введена в эксплуатацию электронная цифровая вычислительная машина ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator - электронный численный интегратор и вычислитель), на электронных лампах, построенная американскими электроинженерами Дж.П. Эккертом и Дж. Мокли и использовавшая 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, занимала площадь около 200 квадратных м и весила 50 т. ENIAC предназначался для проведения артиллерийских расчетов, однако пока его строили, война закончилась, задачи такого рода отпали, так что первой работой стали расчеты по сверхсекретному Манхэттенскому проекту (программе разработок ядерного оружия). Впоследствии ЭВМ перевезли на один из военных полигонов, где она функционировала до 1955 года.

В 1948г. году академик Сергей Алексеевич Лебедев предложил проект первой на континенте Европы ЭВМ – Малой электронной счетно-решающей машины (МЭСМ)^[12]. В 1951г. МЭСМ официально вводится в эксплуатацию, на ней регулярно 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 (около 3500 триодов и 2500 диодов), занимает площадь 60 квадратных метров, потребляет мощность около 25 кВт.

В 1958 г. в ЭВМ были применены полупроводниковые транзисторы, изобретённые в 1948 г. Уильямом Шокли, они были более надёжны, долговечны, малы, могли выполнить значительно более сложные вычисления, обладали большой оперативной памятью. 1 транзистор способен был заменить ~ 40 электронных ламп и работает с большей скоростью.

Эти дискретные транзисторные логические элементы со временем вытеснили электронные лампы. В качестве носителей информации использовались магнитные ленты ("БЭСМ-6", "Минск-2","Урал-14") и магнитные сердечники, появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, магнитные барабаны и первые магнитные диски. В качестве программного обеспечения стали использовать языки программирования высокого уровня, были написаны специальные трансляторы с этих языков на язык машинных команд. Для ускорения вычислений в этих машинах было реализовано некоторое перекрытие команд: последующая команда начинала выполняться до окончания предыдущей.

Появился широкий набор библиотечных программ для решения разнообразных математических задач. Появились мониторные системы, управляющие режимом трансляции и исполнения программ. Из мониторных систем в дальнейшем выросли современные операционные системы. Машинам второго поколения была свойственна программная несовместимость, которая затрудняла организацию крупных информационных систем. Поэтому в середине 1960-х годов наметился переход к созданию компьютеров, программно-совместимых и построенных на микроэлектронной технологической базе.

Машины третьего поколения - это семейства машин с единой архитектурой, т.е. программно-совместимых, основанных на интегральных схемах.

В 1960 г. появились первые интегральные схемы (микросхемы), которые получили широкое распространение в связи с малыми размерами, но громадными возможностями. Интегральная схема - это кремниевый кристалл, площадь которого примерно 10 квадратных миллиметров. Одна такая схема способна заменить десятки тысяч транзисторов, один кристалл выполняет такую же работу, как и 30-ти тонный "Эниак". А компьютер с использованием интегральных схем достигает производительности в 10 млн. операций в секунду. Машины третьего поколения имеют развитые операционные системы, обладают возможностями мультипрограммирования, т.е. одновременного выполнения нескольких программ. Многие задачи управления памятью, устройствами и ресурсами стала брать на себя операционная система или же непосредственно сама машина.

В 1964 году, фирма IBM объявила о создании шести моделей семейства IBM 360 (System 360) на микросхемах, ставших первыми компьютерами третьего поколения.

Впоследствии были выпущены и другие машины - семейство IBM-370, ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ) и др. Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Ёмкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов.

3.4. Четвертое и пятое поколение ЭВМ

В 1970-е годы XX века появились три новых технологии: микропроцессорная, космическая и генная. Каждая из этих технологий в значительной степени меняет мировоззрение и психологию людей. Появление микропроцессора означает, что миниатюрный логический автомат может быть встроен в любое, как угодно малое устройство, при этом устройство приобретает новое качество – интеллектуальность.

Микропроцессорная технология имеет множество направлений – это и создание персональных электронных средств различного назначения, интеллектуализация всей техносферы, защита человеческого организма, помощь в выполнении необходимых функций при помощи медико-кибернетических устройств, в том числе вживляемых в организм. Высокая степень интеграции большой интегральной схемы (далее – БИС), повышенное быстродействие, высокая степень надежности, снижение стоимости, все это позволило значительно уменьшить размеры компьютеров, достигнуть быстродействия порядка сотен миллионов операций в секунду, объем основной памяти достиг десятков Мбайт.

Появился новый класс компьютеров – микрокомпьютеры. Процессор микрокомпьютера собирался теперь из одной или нескольких микропроцессорных БИС. Для построения микрокомпьютера дополнительно подключались микросхемы памяти и микросхемы, обеспечивающие обмен информацией между процессором и внешними устройствами. Компьютеры стали доступны по цене отдельным пользователям. Это привело к широкому производству персональных компьютеров. В США их выпуск возрос с 1974 по 1978 год с 73 тыс. штук до 3 млн. штук. Характеристики микрокомпьютеров быстро догоняли характеристики миникомпьютеров.

В это время наблюдались следующие тенденции – распределение вычислительных ресурсов и оснащение персональными компьютерами рабочих мест с одной стороны и объединение вычислительных ресурсов для решения общих задач большого объема. Это привело к сетевому буму, бурно стали развиваться сетевые технологии, появились специальные компьютеры для организации сетей, получившие название серверы и рабочие станции. В качестве рабочих станций компьютерных сетей стали использовать персональные компьютеры, а обслуживающие группы компьютеров серверы становились все более мощными и сравнялись по своим возможностям с универсальными компьютерами большой мощности (мэйнфреймами), появляется новый вид компьютеров – суперсерверы.