Файл: История развития средств вычислительной техники».pdf

ВВЕДЕНИЕ

Счетные устройства появились несколько столетий назад. Самым древним счетным инструментом натурального характера была собственная рука человека. Для того, чтобы упростить счет люди пользовались пальцами сперва одной руки, затем двух, а в некоторых общинах использовались и пальцы на ногах.

Раннему прогрессу письменного счета мешала многоступенчатость арифметических действия при наличествующих в те времена умножениях чисел. Помимо всего прочего, было немного людей, кто умел писать. Также не было учебного материала для письменности – пергамент стали делать только лишь со II века до н.э., папирус стоил очень дорого, а использование глиняных табличек было не слишком комфортным. Такие обстоятельства обосновывает возникновение древних счет – абака. Абак – это доска с канавками, где по позиционному принципу располагались какие-либо предметы – камни, кости и пр. Затем, около 500 г. н.э., абак был развит и возникли счеты – устройство, составленное из сочетания костяшек, насаженных на оси. На Руси достаточно долго осуществлялся счет по косточкам, сложенных по кучкам. С XV века получил признание «дощаный счет», аналогичный обычным счетам, представляющий собой рамка с зафиксированными горизонтальными нитями, на которые были насажены сливовые или вишневые косточки, пронизанные отверстиями насквозь.

В конце XV века Леонардо да Винчи (1452-1519 гг.) нарисовал эскиз 13-разрядного суммирующего приспособления с десятизубными кольцами. Но его рукописи нашли только в 1967 г., ввиду чего биография механических устройств ведет свой отсчет от суммирующей машины Паскаля. По его рисункам в современное время американская фирма по производству компьютеров в рекламных целях построила работоспособную машину.

Актуальность данной выпускной квалификационной работы состоит в том, что в современное время роль ЭВМ принимает ключевое значение в жизни человека. В связи с этим необходимым представляется знание эволюции ЭВМ как комплекса вычислительных средств, упрощающих ведение различных видов человеческой деятельности.

Цель работы – всесторонне проанализировать процесс эволюции ЭВМ на разных исторических этапах.

Для реализации поставленной цели необходимо выполнить ряд задач, а именно:

- рассмотреть исторические этапы развития ЭВМ;

- проанализировать современное состояние ЭВМ;

- оценить роль и перспективы развития ЭВМ.

Объектом исследования является электронно-вычислительная машина.

Предметом исследования является процесс эволюции ЭВМ.

Глава 1. Исторический ракурс развития вычислительных машин

1.1. Первые вычислительные машины

В 1623 г. Вильгельм Шиккард - профессор Тюбинского университета привел описание приспособления «часов для счета». Это была первая механическая машина, которая была способная осуществляться лишь операции сложения и вычитания. В современное время, основываясь на записях Шиккарда, была сформирована модель такой машины [5, с.16].

В 1642 г. математик из Франции Блез Паскаль (1623-1662 гг.) создал счетное приспособление для облегчения труда своего отца, который работал налоговым инспектором. Данное средство дало возможность складывать десятичные числа. Внешне это был ящик с большим количество шестеренок. Фундаментом суммирующей машины был счетчик-регистратор, или счетная шестерня. Она обладала десятью выступами, каждый из которых был пронумерован.

Для трансляции десятков на шестерне размещался один удлиненный зуб, касающийся и придающий оборот средней шестерне, передававшей вращение шестерне десятков. Еще одна шестерня нужна затем, чтобы обе счетные шестерни - единиц и десятков - вращались синхронно. Счетная шестерня благодаря храповому механизму (транслирующего прямое движение и не передающего обратного) замыкается с рычагом. Колебание рычага на некоторый угол давало возможность вносить в счетчик однозначные числа и осуществлять их сложение [3, с.181]. В машине Паскаля храповой привод был присоединен ко всем счетным шестерням, что давало возможность складывать и многозначные числа.

В 1673 г. немецкий ученый Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646-1716 гг.) сделал «ступенчатый вычислитель» - счетную машину, дающую возможность суммировать, вычитать, умножать, делить, находить квадратные корни, при этом применялась двоичная система счисления. Это был модернизированный инструмент, где применялась динамичная часть (прототип каретки) и ручка, благодаря которой оператор крутил колесо. Машина была начальным аналогом арифмометра, применяющегося с 1820 года до 60-х годов ХХ века.

В 1804 г. французский изобретатель Жозеф Мари Жаккар (1752-1834 гг.) придумал метод автоматического контроля за нитью при функционировании ткацкого станка. Деятельность станка программировалась благодаря целому комплексу перфокарт, любая из них осуществляла управление одним ходом челнока. Переходя к новому рисунку, оператор постоянно заменял одну колоду перфокарт иной. Образование ткацкого станка, управляемого картами с прошитыми на них отверстиями и соединенными лентой, принадлежит к одному из главных открытий, давших толчок последующему прогрессу вычислительной техники [1, с.56].

Чарльз Ксавьер Томас (1785-1870 гг.) в 1820 г. создал первый механический калькулятор, способный, помимо выполнения сложения и вычитания, умножать и делить. Мощный прогресс механических калькуляторов явился предпосылкой того факта, что к 1890 году образовалось немало полезных функций: фиксация промежуточных показателей с применением их в дальнейших действиях, печать результата и т.п. Образование дешевых и работоспособных машин дало возможность применять их для коммерческих целей и научных расчетов.

В 1822 г. британский ученый Чарлз Бэббидж (1792-1871 гг.) создал гипотезу образования программно-управляемой счетной машины, обладающей арифметическим устройством, устройством управления, ввода и печати. Изначально разработанная Бэббиджем машина - Разностная машина - функционировала на паровом двигателе. Она формировала таблицы логарифмов методом постоянной дифференциации и фиксировала вычисления на металлическую пластину [41]. Функционирующая модель, которую он спроектировал в 1822 году, была калькулятором из шести цифр, могущим осуществлять вычисления и печатать цифровые таблицы.

Аналитическую машину Бэббиджа создали энтузиасты из музея науки в Лондоне. Она включает 4000 железных, бронзовых и стальных деталей и весит 3000 кг. Но применять ее сложно - при любом вычислении необходимо огромное количеств раз вращать ручку автомата. Числа фиксируются на дисках, размещенных по вертикали и определенных в положения от 0 до 9. Двигатель начинает работать с помощью последовательности перфокарт, имеющих инструкции.

Вместе с британским ученым работала леди Ада Лавлейс (1815-1852 гг.). Она создала начальные программы для машины, основала немало идей и разработала немало понятий и терминов, сохранившихся и по нынешнее время. Ада предсказала создание современных компьютеров как многофункциональных инструментов не только для математических операций, но и для работы с графикой, звуком. В середине 70-х гг. XX века министерство обороны Америки официально утвердило наименование общего языка программирования американских ВС - Ada. Не так давно у программистов появился свой профессиональный праздник. «День программиста» отмечается 10 декабря - в день рождения Ады Лавлейс [2, с. 55].

В 1855 г. братья Джорж и Эдвард Шутц из Стокгольма создали первый механический компьютер, применяя труды Ч. Бэббиджа. В 1878 г. отечественный ученый Пафнутий Львович Чебышев проектирует суммирующий аппарат со стабильной трансляцией десятков, а в 1881 году – дополнительный аппарат для умножения и деления.

В 1880 г. ученый из Швеции Вильгодт Теофилович Однер, живший в Санкт-Петербурге, спроектировал арифмометр. Его арифмометры стабильны, невелики в размерах и комфортны в использовании. Начал свою работу Однер в 1874 году, а в 1890 году уже был стабильный интенсивный выпуск его продукта. Их модификация «Феликс» производилась до 50-х годов XX века.

1.2. Функционирование вычислительных машин в начале XX века

1918 год. Отечественный ученый М.А. Бонч-Бруевич и британские исследователи В. Икклз и Ф. Джордан (1919 г.) независимо друг от друга образовали электронное реле (триггер), которое внесло весомый вклад в прогрессе компьютерной техники.

В 1930 г. Виннивер Буш (1890-1974 гг.) проектирует дифференциальный анализатор. В своей сущности, это первая качественная попытка спроектировать компьютер, могущий реализовывать многостадийные научные вычисления. Роль Буша в истории компьютерных технологий весома, но самым частым образом его упоминают из-за пророческого текста «As We May Think» (1945 г.), где он анализирует систему гипертекста.

В 1937 г. гарвардский математик Говард Эйкен разработал схему создания большой счетной машины. Деньги на данное исследование выделил президент компании IBM Томас Уотсон, инвестировавший около 500 тыс. $. Проектирование Mark-1 стартовало в 1939 году, строило данный объект нью-йоркское предприятие IBM. Компьютер включал примерно 750000 деталей, почти 3500 реле и около 1000 км проводов. В 1946 году Джон фон Нейман разработал несколько новых проектов организации ЭВМ, включая систему хранимой программы, т.е. хранения программы в запоминающем средстве. По итогам осуществления концепций фон Неймана была образована архитектура ЭВМ, большей частью своих положений сохранившаяся до современного времени [6, с. 21].

В 1947 году появилась счётная машина Mark-2, которая была первым многозадачным аппаратом - присутствие нескольких шин давало возможность синхронно транслировать из одной части компьютера в другую несколько чисел. 23 декабря 1947 г. работники Bell Telephone Laboratories Джон Бардин и Уолтер Бремен впервые явили на свет свое изобретение - транзистор. Такое средство спустя 10 лет дало новые эффективные возможности.

В 1948 году академиком С.А. Лебедевым (1890-1974 гг.) и Б.И. Рамеевым был разработан первый проект российской цифровой ЭВМ: сперва МЭСМ - малая электронная счетная машина (1951 год, Киев), затем БЭСМ - быстродействующая электронная счетная машина (1952 год, Москва). Вместе с ними образовывались Стрела, Урал, Минск, Раздан, Наири.

В 1951 году в Англии образовались первые серийные компьютеры Ferranti Mark-1 и LEO-1. А спустя пять лет компания Ferranti создала ЭВМ Pegasus, где впервые реализовалась система регистров общего назначения. Джей Форрестер запатентовал память на магнитных сердечниках. Впервые данная память использована на машине Whirlwind-1. Это были два куба с 32х32х17 сердечниками, дававшие хранение 2048 слов для 16-разрядных двоичных чисел с одним разрядом контроля четности [8,с. 45]. В данном устройстве была впервые применена универсальная неспециализированная шина (взаимосвязи между разными средствами компьютера приобретают адаптивные черты) и в роли систем ввода-вывода использовались два устройства: электронно-лучевая трубка Вильямса и пишущая машинка с перфолентой (флексорайтер).

В 1952 г. началось опытное применение советского компьютера БЭСМ-1. В СССР в 1952-1953 годах А.А. Ляпунов создал операторный способ программирования, а в 1953-1954 годах Л.В. Канторович - систему крупноблочного программирования. В 1955 году появился первый алгоритмический язык FORTRAN (FORmule TRANslator - переводчик формул). Он применялся для реализации научно-технических и инженерных задач и создан работниками компании IBM под руководством Джон Бэкуса [10, 180]. В 1958 г. Джек Килби из Texas Instruments и Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor независимо друг от друга создают интегральную схему.

1959 г. Под руководством С.А. Лебедева спроектирована машина БЭСМ-2 производительностью 10000 операций в секунду. С ее использованием соотнесены вычисления запусков космических ракет и первых в мире искусственных спутников Земли, а затем машина М-20 – в своем роде одна из самых быстродействующих в мире – 20000 операций в секунду.

В 1960 году появился ALGOL (Algoritmic Language - алгоритмический язык), прежде всего, для научного использования. В него было интегрировано немало новых терминов, например, блочная структура. Такой язык стал системным фундаментом немалого количества языков программирования. Более десятка зарубежных специалистов по программированию в Париже приняли стандарт языка программирования ALGOL-60.

1963 г. - создание ЭВМ "Минск-32" с внешней памятью на сменных магнитных дисках. Введены в работу средства второго поколения, базирующиеся на неполупроводниковых магнитных компонентах. Так, в МГУ им. М.В. Ломоносова сотрудниками во главе с Н.П. Брусенцовым введена в эксплуатацию машина «Сетунь» (выпускающаяся серийно в 1962-1964 годах).

«Сетунь» - это небольшая по размерам машина, реализованная на магнитных компонентах. Это одноадресная машина с установленной запятой. В роли системы счисления применяется троичная система с цифрами 0, 1, - 1. В этом устройстве впервые используется данная система счисления [11, с. 77].