Файл: История развития средств вычислительной техники.pdf

Машина Тьюринга является расширением конечного автомата и способна имитировать все другие исполнители, т. е. любые другие вычислительные машины (с помощью задания правил перехода), каким - либо образом реализующие процесс пошагового вычисления, в котором каждый шаг вычисления достаточно элементарен.

Машина Тьюринга 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 Тьюринга 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".

Глава 3. Этап электронно-вычислительных машин

По этапам развития и используемой элементной базе ЭВМ условно делятся на поколения:

Первое поколение, 40-50-е годы; Представляло собой ЭВМ построенные на базе электронных вакуумных лампах.
Второе поколение, 60-70-е годы; ЭВМ уже существовали на базе дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах).
Третье поколение, 70-80-е годы; ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни - тысячи транзисторов в одном корпусе).
Четвертое поколение, 80-90е годы; ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах - микропроцессорах
Пятое поколение, находятся на стадии разработки; ЭВМ на принципиально новых технологиях.

С каждым новым поколением ЭВМ по отношению к предыдущим, не только существенно улучшаются характеристики, но и на порядок увеличивается производительность и емкость всех запоминающих устройств.

3.1 ЭВМ 1-ого поколения. Эниак (ENIAC)

Начиная с 1943 года группа специалистов под руководством Говарда Эйкена, Дж. Моучли и П. Эккерта из США начала разрабатывать вычислительную машину на основе электронных ламп. Эта машина была названа ENIAC (Electronic Numeral Integrator And Computer) и работала она в тысячи раз быстрее, чем электромеханические машины. ENIAC работал на основе 18 тысяч вакуумных ламп, занимал площадь в 915 метров², весил более 30 тонн и потреблял мощность в 150 киловатт. ENIAC имел большой недостаток – управление им осуществлялось с помощью коммутационной панели, и у него отсутствовала память, для того чтобы задать программу приходилось в течение от нескольких часов до нескольких дней подсоединять нужным образом провода. Худшим из всех недостатков была ужасающая ненадежность компьютера, так как за каждый день работы успевало выйти из строя до несскольких десятков вакуумных ламп.

Чтобы упростить процесс задания программ, Моучли и Эккерт начали конструировать новую, усовершенствованную машину, которая могла бы хранить программу в своей памяти. В 1945 году к работе привлекли знаменитого математика - Джона фон Неймана. Первая действующая машина, построенная на вакуумных лампах, официально была введена в эксплуатацию 15 февраля 1946 года. Эту машину использовали для решения некоторых задач, подготовленных фон Нейманом, связанных с секретным проектом Манхэттен в котором разрабатывалсяь атомная бомбы. Затем машина была перевезена на Абердинский полигон, где проработала вплоть до 1955 года.

ENIAC стал первым представителем 1-го поколения компьютеров. Конечно, любая классификация условна, но большинство специалистов согласны с тем, что различать поколения следует исходя из той элементной базы, на основе которой строятся машины. Таким образом, первое поколение представляется ламповыми машинами.

3.2 Устройство и работа компьютера по «принципу фон Неймана»

Необходимо отметить неоценимую роль американского математика фон Неймана в становлении вычислительной техники первого поколения. Его основной задачей было осмыслить сильные и слабые стороны ENIAC и дать рекомендации для последующих разработок. В отчете фон Неймана и его коллег Г. Голдстайна и А.Беркса (июнь 1946 года) были четко сформулированы требования к структуре компьютеров. Отметим важнейшие из них:

машины на электронных элементах должны работать не в десятичной, а именно в двоичной системе счисления;
программа, как и исходные данные, должна размещаться в памяти машины;
программа, как и числа, должна записываться в двоичном коде;
трудности физической реализации запоминающего устройства, быстродействие которого соответствует скорости работы логических схем, требуют иерархической организации памяти (то есть выделения оперативной, промежуточной и долговременной памяти);
арифметическое устройство (процессор) конструируется на основе схем, выполняющих операцию сложения; создание специальных устройств для выполнения других арифметических и иных операций нецелесообразно;
в машине используется параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над числами производятся одновременно по всем разрядам).

Практически все рекомендации фон Неймана впоследствии были воплощены в машинах первых трех поколений, их совокупность получила название «архитектура фон Неймана». Первый компьютер, в котором были воплощены эти принципы, был построен в 1949 году английским исследователем Морисом Уилксом. С той поры компьютеры стали гораздо более мощными.

Новые машины первого поколения сменяли друг друга довольно быстро. В Советском Союзе в 1951 году заработала первая отечественная электронная вычислительная машина МЭСМ, площадью около 50 квадратных метров. МЭСМ уже имела 2 вида памяти: оперативное запоминающее устройство, в виде 4 панелей высотой в 3 метра и шириной 1 метр; и долговременная память в виде магнитного барабана объемом 5000 чисел. Всего в МЭСМ было 6000 электронных ламп, а работать с ними можно было только после прохождения прогрева в 1,5-2 часов после включения машины. Ввод данных осуществлялся с помощью магнитной ленты, а вывод с помощью цифропечатающего устройством сопряженного с памятью. МЭСМ могла выполнять до 50 математических операций в секунду, запоминать в оперативной памяти 31 число и 63 команды (всего было 12 различных команд), а потребляла мощность равную 25 киловаттам.

В 1952 году на свет появилась американская машина EDWAC. Стоит также отметить построенный ранее, в 1949 году, английский компьютер EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator) – первую машину с хранимой программой. В 1952 году советские конструкторы ввели в эксплуатацию БЭСМ – самую быстродействующую машину в Европе, а в следующем году в СССР начала работать «Стрела» – первая в Европе серийная машина высокого класса. Среди создателей отечественных машин в первую очередь следует назвать имена С.А. Лебедева, Б.Я. Базилевского, И.С. Брука, Б.И. Рамеева, В.А. Мельникова, М.А. Карцева, А.Н. Мямлина. В 50-х годах появились и другие ЭВМ: «Урал», М-2, М-3, БЭСМ 2, «Минск 1», – которые воплощали в себе все более прогрессивные инженерные решения.

Возможности машин первого поколения были достаточно скромны. Так, быстродействие их по нынешним понятиям было малым: от 100 («Урал-1») до 20 000 операций в секунду (М-20 в 1959 году). Эти цифры определялись в первую очередь инерционностью вакуумных ламп и несовершенством запоминающих устройств. Объем оперативной памяти был крайне мал – в среднем 2 048 чисел (слов), этого не хватало даже для размещения сложных программ, не говоря уже о данных. Промежуточная память организовывалась на громоздких и тихоходных магнитных барабанах сравнительно небольшой емкости (5 120 слов у БЭСМ-1). Медленно работали и печатающие устройства, а также блоки ввода данных. Если же остановиться подробнее на устройствах ввода-вывода, то можно сказать, что с начала появления первых компьютеров выявилось противоречие между высоким быстродействием центральных устройств и низкой скоростью работы внешних устройств. Кроме того, выявилось несовершенство и неудобство этих устройств. Первым носителем данных в компьютерах, как известно, была перфокарта. Затем появились перфорационные бумажные ленты или просто перфоленты. Они пришли из телеграфной техники после того, как в начале XIX в. отец и сын из Чикаго Чарлз и Говард Крамы изобрели телетайп.

ЭВМ первого поколения, эти жесткие и тихоходные вычислители, были пионерами компьютерной техники. Они довольно быстро сошли со сцены, так как не нашли широкого коммерческого применения из-за ненадежности, высокой стоимости, трудности программирования.

3.3 Транзисторы. ЭВМ 2-го поколения

Элементной базой второго поколения стали полупроводники. Без сомнения, транзисторы можно считать одним из наиболее впечатляющих чудес XX века.

Патент на открытие транзистора был выдан в 1948 году американцам Д. Бардину и У.Браттейну, а через восемь лет они вместе с теоретиком В. Шокли стали лауреатами Нобелевской премии. Скорости переключения уже первых транзисторных элементов оказались в сотни раз выше, чем ламповых, надежность и экономичность – тоже. Впервые стала широко применяться память на ферритовых сердечниках и тонких магнитных пленках, были опробованы индуктивные элементы – параметроны.

Первая бортовая ЭВМ для установки на межконтинентальной ракете – «Атлас» – была введена в эксплуатацию в США в 1955 году. В машине использовалось 20 тысяч транзисторов и диодов, она потребляла 4 киловатта. В 1961 году наземные компьютеры «стретч» фирмы «Бэрроуз» управляли космическими полетами ракет «Атлас», а машины фирмы IBM контролировали полет астронавта Гордона Купера. Под контролем ЭВМ проходили полеты беспилотных кораблей типа «Рейнджер» к Луне в 1964 году, а также корабля «Маринер» к Марсу. Аналогичные функции выполняли и советские компьютеры.

В 1956 г. фирмой IBM были разработаны плавающие магнитные головки на воздушной подушке. Изобретение их позволило создать новый тип памяти – дисковые запоминающие устройства, значимость которых была в полной мере оценена в последующие десятилетия развития вычислительной техники. Первые запоминающие устройства на дисках появились в машинах IBM-305 и RAMAC. Последняя имела пакет, состоявший из 50 металлических дисков с магнитным покрытием, которые вращались со скоростью 12000 об/мин. НА поверхности диска размещалось 100 дорожек для записи данных, по 10000 знаков каждая.

3.4 Интегральные схемы. ЭВМ 3-го поколения

Приоритет в изобретении интегральных схем, ставших элементной базой ЭВМ третьего поколения, принадлежит американским ученым Д. Килби и Р. Нойсу, сделавшим это открытие независимо друг от друга. Массовый выпуск интегральных схем начался в 1962 году, а в 1964 начал быстро осуществляться переход от дискретных элементов к интегральным. Упоминавшийся выше ЭНИАК размерами 915 метров в 1971 году мог бы быть собран на пластине в 1,5 квадратных сантиметра. Началось перевоплощение электроники в микроэлектронику.

Несмотря на успехи интегральной техники и появление мини-ЭВМ, в 60-х годах продолжали доминировать большие машины. Таким образом, третье поколение компьютеров, зарождаясь внутри второго, постепенно вырастало из него.

Первая массовая серия машин на интегральных элементах стала выпускаться в 1964 году фирмой IBM. Эта серия, известная под названием IBM-360, оказала значительное влияние на развитие вычислительной техники второй половины 60-х годов. Она объединила целое семейство ЭВМ с широким диапазоном производительности, причем совместимых друг с другом. Именно в период развития третьего поколения возникла чрезвычайно мощная индустрия вычислительной техники, которая начала выпускать в больших количествах ЭВМ для массового коммерческого применения. Компьютеры все чаще стали включаться в информационные системы или системы управления производствами. Они выступили в качестве очевидного рычага современной промышленной революции.