Файл: История развития средств вычислительной техники (определение этапов и возможностей дальнейшего развития вычислительной техники).pdf

Следом за ним, в 1944 году, уже американец Говард Айкен разрабатывает машину «Марк-1»^[12]. В ней для представления чисел использовались механические элементы - счетные колеса, а для управления применялись электромеханические реле.

Из всего этого можно сделать вывод о том, что человечество всегда пыталось изобрести устройства, облегчающие математические расчеты. Подобные устройства всегда развивались параллельно с математикой, но недостаточно высокий уровень развития техники не позволял практически реализовать идеи.

2.2 Предпосылки к появлению компьютеров

Для создания компьютера необходим был целый ряд открытий в различных научных областях.

В конце девятнадцатого века необходимое развитие получила математическая физика. Благодаря чему возникла необходимость в устройствах, способных выполнять многократно повторяющиеся вычисления.

После в открытия Томасом Эдисоном явления термоэлектронной эмиссии, возникла основа для создания в 1904 году английским физиком Дж. Флемингом диода, прибора способного проводить электрический ток в одном направлении. Чуть позже появился еще один вакуумный прибор – триод.

В 1884 году, английский математик Дж. Буль, описал специальные правила логики, впоследствии названной его именем – булева алгебра. Согласно данной логике алгебраические элементы могут принимать только два значения – истина (1) или ложь (0). На основе этой логики и конструировались логические схемы.

И, наконец, русский ученый М.А. Бонч – Бруевич, а так же независимо от него ряд английских ученых создали электронное специальное реле^[13]. Оно могло принимать одно из двух состояний – соответственно 0 или 1. Впоследствии на базе данного реле был создан триггер.

Таким образом, в ХХ веке сложились все необходимые предпосылки для разработки компьютера.

2.3 Поколения электронно-вычислительных машин

2.3.1 Первое поколение ЭВМ

Развитие ЭВМ можно разделить на периоды. Как правило, электронно-вычислительную технику, делят по поколениям. Принадлежность ЭВМ к тому либо иному поколению определяется типом основных используемых в ней частей или технологией их производства. Мощность компьютера определяется элементной базой, что влечет изменения в архитектуре ЭВМ, последующему увеличению круга ее задач, к изменению способа взаимодействия пользователя и компьютера. Понятно, что градация по поколениям в смысле времени сильно размыта, потому что почти в одно и то же время выпускались ЭВМ разных типов. Другое дело, если речь про отдельно взятую машину. Тут вопрос о принадлежности к тому или иному поколению решается довольно легко.

До ЭВМ использовались релейные вычислительные машины. С помощью реле выполнялось кодирование информации в двоичном виде состояниями включено-выключено. Во время работы подобного устройства тысячи реле постоянно переключались из одного состояния в другое. Соответственно скорость работы машин была низкой и составляла около 50 сложений или 20 умножений в секунду.

С дальнейшим развитием радиотехники был осуществлен переход от релейных вычислительных машин к машинам на электронно-вакуумных лампах, которые стали элементной базой вычислительных машин первого поколения.

Первые ЭВМ создавались в период с 1943 - 1946 гг. Из них самой известной стала машина, разработанная в США Дж. Моучли. Называлась она ENIAC^[14] - электронный цифровой интегратор и вычислитель. В себе устройство содержало порядка 18000 электронных ламп и множество электромеханических реле.

Для работы ЭВМ первого поколения требовалось много электроэнергии, размещались они в огромных машинных помещениях с массивными вентиляторами охлаждения. Для этих ЭВМ программы составлялись в машинных кодах.

В 1945 году математиком и физиком - теоретиком фон Нейманом, были определены общие принципы работы универсальных вычислительных устройств. Вычислительная машина должна управляться программой с последовательным выполнением команд, при этом сама программа располагается в памяти машины. Первая подобная ЭВМ, с хранимой в памяти программой, была сконструирована в 1949 году в Англии.

В СССР ЭВМ создавал академик С. А. Лебедев^[15]. Его машины БЭСМ – 1, БЭСМ-3М, БЭСМ-4, М- 220 были признаны лучшими в мире.

ЭВМ постоянно совершенствовались и уже в середине 50 -х годов их быстродействие удалось повысить с нескольких сотен до нескольких десятков тысяч операций в секунду. Однако при этом самым надежным элементом ЭВМ оставалась электронная лампа. Дальнейшее использование ламп стало тормозить прогресс вычислительной техники.

Далее на смену лампам пришли полупроводниковые приборы, что ознаменовало собой конец первого этапа развития ЭВМ. Вычислительные машины этого этапа принято именовать ЭВМ первого поколения

Таким образом, ЭВМ первого поколения были крупных габаритов, потребляли большое количество электроэнергии, имели относительно малое быстродействие, небольшую емкость оперативной памяти, посредственную надежность работы и слабо развитое программное обеспечение. Тем не менее в ЭВМ этого поколения была заложена база логического построения машин и продемонстрированы способности цифровой вычислительной техники. При этом дальнейшее развитие и совершенствование ЭВМ тормозилось использованием в качестве элементной базы электронно-вакуумных ламп, что в свою очередь ограничивало область их применения. ЭВМ применяли по большей части для инженерных и научных расчетов, не имеющих отношения к обработке большого объема информации.

ЭВМ I-го поколения (Mark I, ENIAC, БЭСМ) возникли в 1945-1958 гг., были громоздкими конструкциями, занимавшими сотни квадратных метров, и потребляли сотни киловатт электроэнергии^[16]. Содержали в себе тысячи ламп. Максимальное быстродействие процессора от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч операций в секунду. Максимальный объем ОЗУ - несколько тысяч команд программы. Программы для них составлялись на языке машинных команд, существовали библиотеки стандартных программ. Использовались для инженерных и научных расчетов, не связанных с переработкой больших объемов информации.

компьютер вычислительный

технология

2.3.2 Второе поколение ЭВМ

Прогресс в электронике постоянно подстёгивал разработчиков ЭВМ. В США, в 1949 году был создан транзистор^[17]. Это был первый полупроводниковый прибор, способный заменить собой электронную лампу. Транзистор был меньше, обладал большим сроком службы и меньшим энергопотреблением, меньше выделял тепла при работе. С внедрением элементной базы на полупроводниках началось создание ЭВМ второго поколения. Это позволило создавать сравнительно небольшие ЭВМ, что привело к классификации вычислительных машин по размеру, на большие, средние и малые.

В СССР активно разрабатывалась и применялись малые ЭВМ. Одной из лучших в мире стала БЭСМ - 6^[18], разработанная под руководством академика С.А. Лебедева. Уровень производительности БЭСМ - 6 была в несколько раз выше, по сравнению с малых и средних ЭВМ, и составляла около одного миллиона операций в секунду. Наиболее известными ЭВМ зарубежной разработки были «Элиот» (Англия), «Сименс» (ФРГ), «Стретч» (США).

Параллельно совершенствованию ЭВМ менялись и устройства периферии, появилась внешняя память на магнитных барабанах и лентах. Развивались различные языки программирования. Были разработаны языки высокого уровня, такие как ФОРТРАН, АЛГОЛ, КОБОЛ^[19]. Само программирование и написание программ стало доступнее и проще. Увеличилась область их использования, что повлекло создание электронно-справочных и информационных систем.

ЭВМ II-го поколения (М-220, Мир, БЭСМ-4, IBM-7094) появились в 1959 – 1963 гг. Работали на транзисторах и были более компактными, надежными, менее энергоемкими. Процессоры этих машин выполняли десятки и сотни тысяч операций в секунду. Увеличился в сотни, раз максимальный объем ОЗУ. Информация хранилась на магнитных барабанах и лентах. Программирование стало проще, понятнее и доступнее. Стали развиваться языки высокого уровня программирования. Данные машины применялись для создания информационно-справочных и информационных систем.

2.3.3 Третье поколение ЭВМ

Настоящую революцию в технологиях производства ЭВМ вызвало создание интегральных схем^[20]. На общем полупроводнике размещались транзисторы, резисторы и конденсаторы. Это произошло в конце 30-х годов 20 века. Постепенно процесс изготовления интегральных схем совершенствовался и в результате на одной кремневой пластинке стало возможным размещение сотен кристаллов интегральных схем. Что ознаменовало собой переход к третьему поколению ЭВМ.

Благодаря использованию интегральных схем стало возможным размещение большего количества электронных компонентов в ЭВМ без роста их настоящих размеров. Скорость обработки данных ЭВМ увеличилась до 10 миллионов операций в секунду. И это при том что, писать программы для ЭВМ стало вполне реально для рядовых пользователей. При проектировании процессора стали применять технику микропрограммирования, т.е. конструировать сложные команды процессора из более простых.

В ЭВМ третьего поколения в качестве устройства вывода информации применялись видеотерминальные устройства или дисплеи.

Крупные серии ЭВМ третьего поколении отличались производительностью и назначением. К ним относилась, разработанная в США, серия больших и средних машин IBM360/370.

ЭВМ III-го поколения (БЭСМ-6, IBM/360) были разработаны в 1964 – 1976 гг. на основе интегральных схем^[21]. По габаритам были большие, средние, мини и микро. Их процессоры выполняли до10 миллионов операций в секунду, а объем ОЗУ достигал 16 Мбайт. Были разработаны ПЗУ. Информация хранилась на магнитных дискетах. Появились операционные системы и множество прикладных программ, а так же многопрограммный режим – возможность выполнять несколько программ одновременно. Эти ЭВМ применялись для работы с базами данных, первыми системами искусственного интеллекта, системами автоматизированного управления и проектирования.

2.3.4 Четвертое поколение ЭВМ

Развитие технологий, в конце 70-х – начале 80-х годов сделало возможным появление больших интегральных схем (БИС).

Технология производства БИС постоянно развивалась, что привело к появлению сверхбольших интегральных схем (СБИС), имеющих память 1 Мбайт. На основе СБИС стало возможным производства микропроцессора, который повлёк следующую революцию в мире вычислительной техники и привел к возникновению нового поколения ЭВМ. Микропроцессор способен выполнять функции основного блока компьютера – процессора. Работает в соответствии с заложенной в него программой и может быть использован в разных технических устройствах.

Одним из главных достижений в вычислительной технике стало появление персональных ЭВМ, по сути относящиеся к отдельному классу машин четвертого поколения. С этого момента в нашем языке вместо «ЭВМ» стал применяться другой термин - «персональный компьютер» (ПК)^[22].

Сегодня персональные компьютеры используются практически повсеместно^[23].

ЭВМ IV-го поколения (IBM PC, Macintosh, Cray, Эльбрус) возникли в

1977 – 1990 гг. на базе БИС и СБИС. По размерам были микро ЭВМ – малые габариты, сравнимые с размерами бытового телевизора и суперкомпьютеры – состоящие из отдельных блоков и центрального процессора. Максимальное быстродействие процессора от 2,5 МГц и больше, максимальный объем ОЗУ вырос до 16 Мбайт. Появились периферийные устройства, такие как цветной графический дисплей, манипуляторы типа «мышь», «джойстик», клавиатура, магнитные и оптические диски, принтеры и пр. Дополнилось и программное обеспечение различными прикладными, сетевыми и мультимедиа пакетами. Четвертое поколение ЭВМ применялось уже во всех сферах научной, производственной и учебной деятельности, отдыхе и развлечениях.

2.3.5 Пятое поколение ЭВМ

На рубеже 90-х и 2000-х годов между производителями компьютерной техники развернулась настоящая гонка. Быстрый рост тактовой частоты процессоров и их модификации. Увеличивается скорость работы процессоров влечет улучшение других узлов и периферийных устройств. По мнению некоторых источников, считается что в 90-х годах ХХ века возник компьютер 5 поколения. 5 поколение — это машины на базе сверхсложных микропроцессоров с параллельно-векторной структурой, способные одновременно выполнять десятки последовательных команд программы.

5-е поколение (Intel Pentium 4, AMD Athlon)^[24], 90-е гг.: ЭВМ с многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, многоядерная, на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы. Процессор с частотой от 4 ГГц, объем ОЗУ от 2000Mb. Из периферийных устройств обладающие картридером, flash-памятью, геймпадами, многофункциональными устройствами.

2.4 Направления развития вычислительной техники.