Файл: История развития средств вычислительной техники (изучение этапов развития).pdf

Каким бы блестящим не был век механических арифмометров, но он также исчерпал свои возможности. Людям нужны были более энергичные помощники. Это заставило изобретателей искать пути совершенствования вычислительной техники, но не на механической, а на электромеханической основе.

Небольшой моторчик освободил вычислителя от необходимости крутить ручку, да и скорость счета увеличилась. Сам механизм счетного устройства, поначалу остававшийся неизменным, стал также постепенно модернизироваться. Рычажный набор, который осуществлял медленную установку чисел и приводил к значительному проценту ошибок, заменили более удобным - клавишным. Появились машины, записывающие результат на бумажной ленте, а также другие комбинации счетных и пишущих устройств. Это был уже новый шаг - механизация вычислений, но не их автоматизация. Управление процессом счета все еще ложилось на плечи человека.

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

Первый такой комплекс был создан в США Дж. Холлеритом в 1887 году и состоял из ручного перфоратора, сортировочной машины и табулятора. Он был предназначен для обработки результатов переписи в нескольких странах, включая Россию. Управление механическими счетчиками и сортировка осуществлялась электрическими импульсами, возникающими при замыкании электрической цепи при наличии отверстия в перфокарте. Импульсы использовались для ввода цифр и управления работой машины. Поэтому машина Г. Холлерита была признана первым электромеханическим компьютером с программным управлением. Хотя счетная машина была задумана Г. Холлеритом как переписная машина (переписная машина), она считается «первой статистической».

Алан Тьюринг также предложил в 1936 году формализовать концепцию алгоритма машины Тьюринга.

Машина Тьюринга является продолжением конечного автомата и способна имитировать всех других исполнителей (путем указания правил перехода), в некотором роде реализуя пошаговый процесс вычисления, в котором каждый шаг вычисления является довольно элементарным.
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 изменять содержимое ленты с помощью специальной считывающей и пишущей головки, которая перемещается вдоль ленты. В каждый момент голова находится в одной из камер. Машина Тьюринга получает от головы информацию о том, какой символ она видит, и в зависимости от этого (и от своего внутреннего состояния) решает, что делать, то есть, какой символ записывать в текущую ячейку и куда двигаться после этого (слева, правильно или остаться на месте). Это также изменяет внутреннее состояние машины (мы предполагаем, что машина, кроме ленты, имеет конечную память, то есть конечное число внутренних состояний).
Итак, Тьюринг показал, что не существует «чудесной машины», способной решить все математические задачи. Но, продемонстрировав ограниченные возможности, он построил на бумаге то, что позволяет нам многое решить, и то, что мы сейчас называем словом «компьютер».^{^[6]}

2. Электронно-вычислительный этап развития

Этапы развития ЭВМ можно формально разделить на несколько поколений:

1-ое поколение, 50-е годы; ЭВМ на электронных вакуумных лампах.

2-ое поколение, 60-е годы; ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах.

3-е поколение, 70-е годы; ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции.

4-ое поколение, 80-е годы; ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах – микропроцессорах.

5-ое поколение, 90-е годы; ЭВМ с многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы.^{^[7]}

2.1. I поколение ЭВМ

Развитие компьютеров делится на несколько периодов. Поколения компьютеров каждого периода отличаются друг от друга элементной базой и математическим программным обеспечением. Первое поколение (1945–1954) - компьютер на электронных лампах (вроде тех, что были в старых телевизорах). Это доисторические времена, эпоха развития вычислительной техники. Большинство машин первого поколения были экспериментальными устройствами и были построены с целью проверки определенных теоретических положений. Вес и размер этих компьютерных динозавров, которые часто требовали отдельных зданий для себя, давно стали легендой.

Первым серийно выпускаемым компьютером 1-го поколения был компьютер UNIVAC (Universal Automatic Computer). Разработчики: Джон Мочли и Дж. Проспер Экерт. Он был первым электронно-цифровым компьютером общего пользования. UNIVAC, создание которого началось в 1946 году и закончилось в 1951 году, имели время сложения 120 мкс, умножение -1800 мкс и деление 3600 мкс. UNIVAC может сохранить 1000 слов, 12000 цифр с временем доступа максимум до 400 мкс.

Магнитная лента несла 120000 слов и 440 000 номеров. Ввод / вывод осуществлялся с магнитной ленты, перфокарт и перфоратора. Его первый экземпляр был передан в Бюро переписей США. Программное обеспечение компьютеров 1-го поколения состояло в основном из стандартных подпрограмм.

Машины этого поколения: « ENIAC », «МЭСМ», «БЭСМ», «IBM -701», «Стрела», «М-2», «М-3», «Урал», «Урал-2», «Минск-1», «Минск-12», «М-20» и др. Эти машины занимали большую площадь, использовали много электроэнергии и состояли из очень большого числа электронных ламп. Их быстродействие не превышало 2--3 тыс. операций в секунду, оперативная память не превышала 2 Кб. Только у машины «М-2» (1958) оперативная память была 4 Кб, а быстродействие 20 тыс. операций в секунду.

2.2. II поколение ЭВМ

В качестве основного элемента больше не использовались электронные лампы, а полупроводниковые диоды и транзисторы, а также магнитные сердечники и магнитные барабаны, прародители современных жестких дисков, использовались в качестве запоминающих устройств. Второе отличие этих машин в том, что появилась возможность программирования на алгоритмических языках. Были разработаны первые языки высокого уровня - Фортран, Алгол, Кобол.

Машины этого поколения: «Раздан-2», «IBM-7090», «Минск-22, -32», «Урал-14, -16» (занимаемая площадь 20 кв. М), «БЭСМ-3, - 4, -6 "," М-220, -222 "и другие.

Применение полупроводников в электронных схемах ЭВМ привели к увеличению достоверности, производительности до 30 тыс. операций в секунду, и оперативной памяти до 32 Кб. Уменьшились габаритные размеры машин и потребление электроэнергии. Но главные достижения этой эпохи принадлежат к области программ. На втором поколении компьютеров впервые появилось то, что сегодня называется операционной системой.

Соответственно расширялась и сфера применения компьютеров.^{^[8]}

2.3. III поколение ЭВМ

Развитие в 60-х годах интегральных микросхем - целых устройств и узлов из десятков и сотен транзисторов, выполненных на одном полупроводниковом кристалле (то, что сейчас называется микросхемой), привело к созданию компьютера 3-го поколения. В то же время появляется полупроводниковая память, которая по сей день используется в персональных компьютерах в качестве оперативной. Использование интегральных микросхем значительно расширило возможности компьютеров. Теперь центральный процессор мог работать параллельно и управлять несколькими периферийными устройствами.

Компьютеры могут одновременно обрабатывать несколько программ (принцип мультипрограммирования). В результате реализации принципа мультипрограммирования появилась возможность работать в режиме разделения времени в интерактивном режиме. Удаленные пользователи компьютера могли независимо друг от друга быстро взаимодействовать с машиной.

В эти годы производство компьютеров приобретает промышленный размах. Пробившаяся в лидеры фирма IBM первой реализовала семейство ЭВМ - серию полностью совместимых друг с другом компьютеров от самых маленьких, размером с небольшой шкаф (меньше тогда еще не делали), до самых мощных и дорогих моделей. Наиболее распространенным в те годы было семейство System/360 фирмы IBM^{^[9]}.

Начиная с ЭВМ 3-го поколения, традиционным стала разработка серийных ЭВМ. Хотя машины одной серии сильно отличались друг от друга по возможностям и производительности, они были информационно, программно и аппаратно совместимы. Например, странами СЭВ были выпущены ЭВМ единой серии («ЕС ЭВМ») «ЕС-1022», «ЕС-1030», «ЕС-1033», «ЕС-1046», «ЕС-1061», «ЕС-1066» и др. Производительность этих машин достигала от 500 тыс. до 2 млн. операций в секунду, объём оперативной памяти достигал от 8 Мб до 192 Мб. К ЭВМ этого поколения также относится «IВМ-370», «Электроника -- 100/25», «Электроника -- 79», «СМ-3», «СМ-4» и др.

Низкое качество электронных компонентов было слабым местом советских компьютеров третьего поколения. Отсюда постоянное отставание западных разработок в скорости, весе и габаритах, но, как утверждают разработчики SM, не в функциональности. Чтобы компенсировать это отставание, были разработаны специальные процессоры, позволяющие создавать высокопроизводительные системы для частных задач. Оснащенный специальным процессором преобразования Фурье SM-4, например, использовался для радиолокационного картографирования Венеры.

Еще в начале 60-х годов появились первые миникомпьютеры - маленькие маломощные компьютеры, доступные по цене небольшим фирмам или лабораториям. Миникомпьютеры стали первым шагом на пути к персональным компьютерам, тестовые образцы которых были выпущены только в середине 70-х годов. Известное семейство миникомпьютеров PDP от Digital Equipment послужило прототипом для советской серии машин SM.

Между тем количество элементов и соединений между ними, умещающихся в одной микросхеме, постоянно росло, и в 70-е годы интегральные схемы содержали уже тысячи транзисторов. Это позволило объединить в единственной маленькой детальке большинство компонентов компьютера - что и сделала в 1971 г. фирма Intel, выпустив первый микропроцессор, который предназначался для только-только появившихся настольных калькуляторов.

В 1969 году родилась первая глобальная компьютерная сеть, и в то же время появились операционная система Unix и язык программирования C («C»), которые оказали огромное влияние на мир программного обеспечения, и все еще сохраняют свои передовые позиции.

2.4. IV поколение ЭВМ

Обычно считается, что период с 1975 г. принадлежит компьютерам четвертого поколения. Их элементной базой стали большие интегральные схемы (БИС. В одном кристалле интегрированно до 100 тысяч элементов). Быстродействие этих машин составляло десятки млн. операций в секунду, а оперативная память достигла сотен Мб.

Однако, есть и другое мнение - многие полагают, что достижения периода 1975-1985 г.г. не настолько велики, чтобы считать его равноправным поколением. Сторонники такой точки зрения называют это десятилетие принадлежащим "третьему-с половиной" поколению компьютеров. И только с 1985г., когда появились супербольшие интегральные схемы (СБИС. В кристалле такой схемы может размещаться до 10 млн. элементов.), следует отсчитывать годы жизни собственно четвертого поколения, здравствующего и по сей день.

Развитие ЭВМ 4-го поколения пошло по 2 направлениям:

1-ое направление — создание суперЭВМ - комплексов многопроцессорных машин. Быстродействие таких машин достигает нескольких миллиардов операций в секунду. Они способны обрабатывать огромные массивы информации. Сюда входят комплексы ILLIAS-4, CRAY, CYBER, «Эльбрус-1», «Эльбрус-2» и др. "Эльбрус-2" эксплуатировались в Центре управления космическими полетами, в ядерных исследовательских центрах. Наконец, именно комплексы "Эльбрус-2" с 1991 года использовались в системе противоракетной обороны и на других военных объектах.

2-ое направление — дальнейшее развитие на базе БИС и СБИС микро-ЭВМ и персональных ЭВМ (ПЭВМ). Первыми представителями этих машин являются Apple, IBM - PC ( XT , AT , PS /2), «Искра», «Электроника», «Мазовия», «Агат», «ЕС-1840», «ЕС-1841» и др^{^[10]}.

Начиная с этого поколения ЭВМ стали называть компьютерами.