Файл: История развития средств вычислительной техники.pdf

Введение

Появление компьютеров (от англ. слова Compute — вычис­лять) — одна из существенных особенностей современного мира. Первоначальный смысл английского слова «компьютер» — это человек, производящий расчеты. Широкое распространение ком­пьютеров привело к тому, что все большее число людей стали изучать основы вычислительной техники, а программирование постепенно превратилось из рабочего инструмента специалиста в элемент культуры. При этом история развития средств инстру­ментального счета известна в значительно меньшей степени.

Изучение истории вычислительной техники необходимо для формирования мировоззрения, воспитания патриотизма на примерах выдающихся разработок отечественных ученых и инженеров, сохранения культурного наследия. Современный специалист должен знать историю своей отрасли, место и роль вычислительной техники в истории развития цивилизации. Кроме того, он должен иметь представление об основных этапах развития вычислительной техники и языков программирования.

Цель курсовой работы: изучение истории развития вычислительной техники.

Для достижения поставленной цели, следует решить следующие задачи:

• проанализировать литературные источники по рассматриваемому вопросу;
• изучить основные этапы развития вычислительной техники;
• познакомиться с характеристиками поколений ЭВМ;
• рассмотреть классификацию ЭВМ.

1 Периоды истории развития вычислительной техники

В истории развития вычислительной техники можно выделить четыре периода: домеханический, механический, электромеханический и электронно-вычислительный.

1.1. Домеханический период

В течение домеханического периода создавалась не вычислительная техника, а счетные устройства, древнейшими из которых являются разного вида счеты. Спустя 1000 лет, в XVII в., шотландец Джон Непер (1550—1617) изобрел устройство для выполнения умножения, известное как палочки Непера. В 1654 г. Р. Биссакар, а в 1657 г. С. Патридж независимо друг от друга разработали логарифмическую линейку. В конце XV в. Леонардо да Винчи разработал эскиз механического 13-разрядного суммирующего устройства.

1.2 Механический период

Первое в мире автоматическое устройство для выполнения операции сложения было создано на базе механических часов. В 1623 году его разработал Вильгельм Шикард, профессор кафедры восточных языков в университете Тюбингена (Гер­мания). В наши дни рабочая модель устройства была воспроизведена по чертежам и подтвердила свою работоспособность. Сам изобретатель в письмах называл ма­шину «суммирующими часами».

В 1642 году французский механик Блез Паскаль (1623-1662) разработал более компактное суммирующее устройство (рис. 2.1), которое стало первым в мире ме­ханическим калькулятором, выпускавшимся серийно (главным образом для нужд парижских ростовщиков и менял). В 1673 году немецкий математик и философ Г. В. Лейбниц (1646-1717) создал механический калькулятор, который мог выпол­нять операции умножения и деления путем многократного повторения операций сложения и вычитания.

На протяжении XVIII века, известного как эпоха Просвещения, появились но­вые, более совершенные модели, но принцип механического управления вычисли­тельными операциями оставался тем же. Идея программирования вычислительных операций пришла из той же часовой промышленности. Старинные монастырские башенные часы были настроены так, чтобы в заданное время включать механизм, связанный с системой колоколов. Такое программирование было жестким — одна и та же операция выполнялась в одно и то же время.

Идея гибкого программирования механических устройств с помощью перфори­рованной бумажной ленты впервые была реализована в 1804 году в ткацком станке Жаккарда, после чего оставался только один шаг до программного управления вычислительными операциями.

Этот шаг был сделан выдающимся английским матема­тиком и изобретателем Чарльзом Бэббиджем (1792-1871) в его Аналитической машине, которая, к сожалению, так и не была до конца построена изобретателем при жизни, но была воспроизведена в наши дни по его чертежам, так что сегодня мы вправе говорить об Аналитической машине, как о реально существующем устройстве. Особенностью Аналитической машины стало то, что здесь впервые был реализован принцип разделения информации на команды и данные. Аналитическая машина содержала два крупных узла — «склад» и «мельни­цу». Данные вводились в механическую память «склада» путем установки блоков шестерен, а потом обрабатывались в «мельнице» с использованием команд, которые вводились с перфорированных карт (как в ткацком станке Жаккарда).

Идея Чарльза Бэббиджа о раздельном рассмотрении команд и данных оказалась необычайно плодотворной. В XX веке она была развита в принципах Джона фон Неймана (1941), и сегодня в вычислительной технике принцип раздельного рас смотрения программ и данных имеет очень важное значение. Он учитывается и при разработке архитектур современных компьютеров, и при разработке компьютерных программ.

1.3 Электромеханический период

Электромеханический период развития вычислительной техники (ВТ) обусловлен развитием прикладной электротехники (электропривод и электромеханические реле), позволившей создавать электромеханические вычислительные устройства. Этот период охватывает приблизительно 60 лет — от создания Г. Холлеритом в 1888 г. электромеханической машины до 1944 г., когда была создана в США автоматическая управляемая вычислительная машина Г.Айкена MARK-1. В этой сфере работали ученые Конрад Цузе, Джон Атанасов, Алан Тьюринг, Джон фон Нейман и др.

1.4 Электронно-вычислительный период

Электронно-вычислительный период связан с развитием электроники и микроэлектроники и начинается созданием в США в 1946 г. первой ЭВМ — машины ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer). Первоначально предназначавшаяся для решения задач баллистики, машина оказалась универсальной, т.е. способной решать различные задачи. За время короткой истории своего развития электронные вычислительные машины прошли значительную эволюцию, в которой можно выделить четыре поколения ЭВМ, временные рамки которых условны, поэтому могут различаться в разных источниках информации.

2 Поколения ЭВМ

Развитие ЭВМ делится на несколько периодов. Поколения ЭВМ каждого периода отличаются друг от друга элементной базой и математическим обеспечением.

2.1 Первое поколение

Первое поколение (1945-1954 гг.) - ЭВМ на электронных лампах (вроде тех, что были в старых телевизорах). Это начало эпохи становления вычислительной техники. Большинство машин первого поколения были экспериментальными устройствами и строились с целью проверки тех или иных теоретических положений. Вес и размеры таких машин требовали для себя отдельных зданий, и стали давно легендой.

В 1946 году в США была создана первая электронная вычислительная машина (ЭВМ) - ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer - Электронный числовой интегратор и компьютер) (рис. 1.). Разработчики: Джон Мочли (John Mauchly) и Дж. Преспер Эккерт (J. Prosper Eckert).

ENIAC был произведен на свет в Школе электрической техники Moore (при университете в Пенсильвании).

Время сложения - 200 мкс, умножения - 2800 мкс и деления - 24000 мкс.

Компьютер содержал 17468 вакуумных ламп шестнадцати типов, 7200 кристаллических диодов и 4100 магнитных элементов.

Рис. 1. Первая ЭВМ ENIAC

Общая стоимость базовой машины - 750000 долларов. Стоимость включала: дополнительное оборудование, магнитные модули памяти (по цене 29706,5 доллара) и аренду у IBM (по 82,5 доллара в месяц) устройства считывания перфокарт (125 карт в минуту). Она также включала и арендную плату (по 77 долларов в месяц) за IBM-перфоратор (100 карт в минуту).

Потребляемая мощность ENIAC - 174 кВт. Занимаемое пространство - около 300 кв. м.

Ввод чисел в первые машины производился с помощью перфокарт, а программное управление последовательностью выполнения операций осуществлялось, например в ENIAC, как в счетно-аналитических машинах, с помощью штекеров и наборных полей. Хотя такой способ программирования и требовал много времени для подготовки машины, то есть для соединения на наборном поле (коммутационной доске) отдельных блоков машины, он позволял реализовывать счетные "способности" ENIAC'а и тем выгодно отличался от способа программной перфоленты, характерного для релейных машин. Солдаты, приписанные к этой огромной машине, постоянно носились вокруг нее, скрипя тележками, доверху набитыми электронными лампами. Стоило перегореть хотя бы одной лампе, как ENIAC тут же останавливался, и начиналась суматоха: все спешно искали сгоревшую лампу. Одной из причин столь частой замены ламп - возможно, и не слишком достоверной, считалась такая: их тепло и свечение привлекали мотыльков, которые залетали внутрь машины и вызывали короткое замыкание. Если это правда, то термин "жучки" (bugs), под которым подразумевают ошибки в программных и аппаратных средствах компьютеров, приобретает новый смысл. Когда все лампы работали, инженерный персонал мог настроить ENIAC на какую-нибудь задачу, вручную изменив подключение 6 000 проводов. Все эти провода приходилось вновь переключать, когда вставала другая задача.

В Советском Союзе первая электронная цифровая вычислительная машина была разработана в 1950 году под руководством академика С. А. Лебедева в Академии наук Украинской ССР. Она называлась «МЭСМ» (малая электронная счётная машина) (рис. 2).

Рис. 2. Малая электронная счётная машина (МЭСМ)

МЭСМ была самой быстродействующей и практически единственной регулярно эксплуатируемой ЭВМ в Европе. МЭСМ разработана в Институте электроники Академии наук Украины под руководством академика Сергея Алексеевича Лебедева. Принципы построения МЭСМ были разработаны С.А. Лебедевым независимо от аналогичных работ на Западе. Коллектив сотрудников, создавших МЭСМ, стал ядром организованного на базе лаборатории С.А. Лебедева Вычислительного центра НАН Украины, а впоследствии - Института кибернетики им. В.М. Глушкова НАН Украины. Конструктивно она была изготовлена в виде макета.

Работа по созданию машины носила научно-исследовательский характер и имела целью экспериментальную проверку общих принципов построения универсальных ЦВМ.

Основные параметры машины таковы: быстродействие - 50 операций в 1 секунду; емкость оперативного ЗУ - 31 число и 63 команды; представление чисел - 16 двоичных разрядов с фиксированной перед старшим разрядом запятой; команды трехадресные, длиной 20 двоичных разрядов (из них 4 разряда - код операции); рабочая частота - 5 килогерц; машина имела также постоянное (штекерное) ЗУ на 31 число и 63 команды; была предусмотрена также возможность подключения дополнительного ЗУ на магнитном барабане, емкостью в 5000 слов. ОЗУ было построено на триггерных регистрах, АУ - параллельного действия, чем в основном, и объясняются сравнительно большие аппаратурные затраты (только в ОЗУ было использовано 2500 триодов и 1500 диодов). Потребляемая мощность составляла 15 кВт, машина размещалась на площади 60 кв.м.

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. Например, машина «Стрела» состояла из 6400 электронных ламп и 60 тыс. штук полупроводниковых диодов. Их быстродействие не превышало 2…3 тыс. операций в секунду, оперативная память не превышала 2 Кб. Только у машины «М-2» (1958 г.) оперативная память была 4 Кб, а быстродействие 20 тыс. операций в секунду.

2.2 Второе поколение

ЭВМ 2-го поколения были разработаны в 50-х – 60-х гг. В качестве основного элемента были использованы уже не электронные лампы, а полупроводниковые диоды и транзисторы, а в качестве устройств памяти стали применяться магнитные сердечники и магнитные барабаны — далекие предки современных жестких дисков. Второе отличие этих машин — это то, что появилась возможность программирования на алгоритмических языках. Были разработаны первые языки высокого уровня - Фортран, Алгол, Кобол. Эти два важных усовершенствования позволили значительно упростить и ускорить написание программ для компьютеров. Программирование, оставаясь наукой, приобретает черты ремесла. Все это позволило резко уменьшить габариты и стоимость компьютеров, которые тогда впервые стали строиться на продажу.