Файл: История развития средств вычислительной техники (Домеханический период).pdf

Машина была выполнена на релейных и механических элементах. Это еще не была машина с хранимой и гибко изменяющейся программой, однако она уже показала возможность построения автоматических вычислительных машин, состоящих из большого числа логических элементов. Арифметическое и запоминающее устройства были выполнены на электромеханических устройствах. Основным логическим элементом в схемах, как и в СПМ, были реле. Посравнению с СПМ машина «Марк-1» имела достаточно длинную последовательность программных кодов и хорошее для своего времени быстродействие. Но, как и всякое механическое устройство, машина не обладала тем быстродействием, которое позволило бы осуществить качественный скачок в технологии вычислений. Улучшенная конструкция на реле повышенной надежности легла в основу ЦВМ «Марк-2» [7].

Наряду с работами Г. Айткена приблизительно в то же время велась работа других групп, в результате которой было создано еще несколько электромеханических релейных машин. Так, в 1939 г. была закончена и в 1940 г. демонстрировалась релейная машина американского математика Дж. Штибитца «Модель-Г», которая выполняла 4 арифметических действия над комплексными числами. Дальнейшая успешная разработка малых специализированных машин на тех же принципах привела к созданию в 1944-1946 гг. универсальной релейной вычислительной машины «Модель-V» [2].

В 1939 г. в США Дж. Стибниц закончил работу над релейной машиной фирмы «Белл», начатую в 1937 г. Машина выполняла арифметические операции над комплексными числами в двоично–пятеричной системе их представления. Это был релейный интерпретатор, управляемый программной перфолентой. В 1940 г. был проведен эксперимент по управлению на расстоянии вычислительной машиной «Белл-1». А в 1942 г. Дж. Стибниц сконструировал вычислительное устройство с программным управлением «Белл-2».

В 1940 г. в США под руководством Джона (Яноша) фон Неймана (1903-1957 гг.) разработан компьютер MANIAC (Mathematical Analyzer Numerical and Computer).

К первым универсальным ЦВМ с программным управлением на электромеханических элементах относят также машины, разработанные в Германии К. Зюсом к 1941 г. - «Зюс-2» и «Зюс-3». Машина «Зюс-3» была релейной, для нее был разработан язык программирования, она использовалась при расчетах ракет [10].

Одной из наиболее совершенных релейных вычислительных машин была советская машина РВМ-1, сконструированная в начале 50-х гг. выдающимся инженером Н.И. Бессоновым (1906–1963 гг.) и построенная в 1956 г. Эта машина успешно работала до 1966 года [10].

Главными недостатками релейных машин являлось отсутствие хранимой программы, что обусловливалось небольшим объемом оперативной памяти, и невысокая скорость работы, вызванная низким быстродействием электромеханических релейных переключателей [1].

Таким образом, на заре человеческой эры возник ручной этап в развитии компьютерной техники, который продолжался до середины XVII века. Позже, с формированием позиционных систем счисления, появились устройства (абак, счеты, позднее-логарифмическая линейка), позволяющие вычислять цифры.

Уровень развития науки в механический период позволил создать механические устройства, выполняющие основные арифметические операции и автоматически запоминающие высшие цифры.

Электромеханический этап-самый короткий из всех, что объединяет историю развития вычислительной техники, длился всего около 60 лет. Это промежуток между изобретением в 1887 и 1946 годах, когда появился самый первый компьютер (ENIAC). Новые машины, основанные на электрическом приводе и электрическом реле, позволяли производить расчеты с гораздо большей скоростью и точностью, но процесс подсчета все равно должен был контролироваться человеком.

2.Электронно-вычислительный период

2.1. Аналоговые вычислительные машины (АВМ)

Первая механическая вычислительная машина для решения дифференциальных уравнений при проектировании кораблей была построена А. Н. Крыловым в 1904. В основу её была положена идея интеграфа - аналогового интегрирующего прибора, разработанного польским математиком Абданк-Абакановичем (1878) для получения интеграла произвольной функции, вычерченной на плоском графике [10].

Дальнейшее развитие механических интегрирующих машин связано с работами американского учёного В. Буша, под руководством которого была создана чисто механическая интегрирующая машина (1931), а затем её электромеханический вариант (1942). В 1936 русский инженер Н. Минорский предложил идею электродинамического аналога. Толчок развитию современных АВМ постоянного тока дала разработка Б. Расселом (1942-44, США) операционного или решающего усилителя - усилителя постоянного тока, имеющего весьма высокий коэффициент усиления.

Большое значение имели работы советского математика С. А. Гершгорина (1927), заложившие основы построения сеточных моделей. В 1936 в СССР под руководством Исаака Брука были построены механический интегратор и электрический расчётный стол для определения стационарных режимов энергетических систем. В 40-х гг. была начата разработка электромеханического ПУАЗО на переменном токе и первых электронных ламповых интеграторов (Л. И. Гутенмахер). Работы, проведённые под руководством Гутенмахера (1945-46), привели к созданию первых электронных аналоговых машин с повторением решения. В 1949 в СССР под руководством В. Б. Ушакова, Трапезникова, Котельникова, С. А. Лебедева был построен ряд АВМ на постоянном токе. Эти работы положили начало развитию современной аналоговой вычислительной техники в СССР.

Аналоговые вычислительные машины предназначены в первую очередь для решения задач, описываемых системами дифференциальных уравнений: управление непрерывными процессами; моделирование в гидро и аэродинамике; исследование динамики сложных объектов, электромагнитных полей; оптимизация и оптимальное управление и др. [5]

В аналоговой вычислительной машине данные представлены с помощью аналоговых физических переменных (скорость, длина, напряжение, ток, давление), что является ее главным отличием от цифровой вычислительной машины. Однако АВМ не могут решать задачи, связанные с хранением и обработкой больших объемов информации различного типа, задачи, требующие высокой степени точности и т.д., которые легко обрабатываются цифровыми вычислительными машинами с использованием дискретной формы представления информации.

В АВМ напряжение электрической цепи выступает в роли машинной переменной. Их изменения происходят по тем же законам, что и изменения в указанных функциях. В этих машинах используется метод математического моделирования (создание модели исследуемого объекта). Результаты решения выводятся в виде зависимостей электрических напряжений в функции времени на экран осциллографа или регистрируются измерительными приборами. Основной целью АВМ является решение линейных и дифференциальных уравнений [8].

Преимущества АВМ включают в себя:

- высокую скорость решения задач, сравнимую со скоростью передачи электрического сигнала;

- простоту конструкции АВМ;

- простоту подготовки проблемы к решению;

- наглядность исследуемых процессов, возможность изменения параметров исследуемых процессов в ходе самого исследования [11].

К недостаткам АВМ можно отнести:

- низкую точность полученных результатов (до 10%);

- алгоритмические ограничения решаемых задач;

- ручной ввод проблемы, подлежащей решению в машине;

- задействованость большого количества оборудования, которое увеличивается с усложнением задачи [15].

2.2 Электронные вычислительные машины (ЭВМ)

ЭВМ появились тогда, когда возникла острая необходимость в очень трудоемких и точных расчетах, особенно в таких областях науки и техники, как атомная физика и теория динамики полета и управления летательными аппаратами, в изучении скоростной аэродинамики. Между тем, доэлектронная вычислительная техника (механическая и электромеханическая) позволяла лишь в ограниченной степени механизировать процесс вычислений. Необходимо было перейти к элементам, которые работают в более быстром темпе.

Технические предпосылки для этого уже были созданы: развивалась электроника и счетно-аналитическая вычислительная техника. В 1904 году Дж. Флеминг (Великобритания) изобрел первый ламповый диод, а в 1906 году, Ли де Форест (США) - первый триод. До середины 30-х годов электронные лампы уже стояли во всех радиотехнических устройствах. Но эра ЭВМ начинается с изобретения лампового триггера. Это открытие было сделано независимо друг от друга советским ученым М. А, Бонч-Бруевичем (1918) и английскими учеными У. Экклзом и Ф. Джорданом (1919). Триггерные схемы постепенно стали широко применяться в электронике для переключения и релейной коммутации [10].

В связи с тем, что за время короткой истории своего развития компьютерная техника проделала большую эволюцию, выделяют следующие поколения ЭВМ.

Первое поколение охватывает период до 1955 года. Все ЭВМ первого поколения были сделаны на основе электронных ламп, что делало их ненадежными - лампы приходилось часто менять. Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами, которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства. Лампы потребляли огромное количество электроэнергии и выделяли много тепла.

Более того, каждая машина использовала свой собственный язык программирования. Набор команд был невелик, схема арифметико-логического устройства и устройства управления довольно проста, а программного обеспечения практически нет. Показатели объема оперативной памяти и производительности были низкими. Для ввода и вывода использовались перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства. Оперативные запоминающие устройства были реализованы на базе ртутных линий задержки электронно-лучевых трубок [9].

Эти неудобства были преодолены интенсивным развитием средств автоматизации программирования, созданием систем программ технического обслуживания, упрощающих работу на станке и повышающих эффективность его использования. Это, в свою очередь, потребовало существенных изменений в структуре ЭВМ, направленных на приближение ее к требованиям, возникшим из опыта эксплуатации ЭВМ.

В 1946 году американские инженер-электронщик Дж. П. Эккерт и физик Дж.У. Моучли в Пенсильванском университете сконструировали, по заказу военного ведомства США, первую электронно-вычислительную машину – «Эниак». Которая предназначалась для решения задач баллистики. Она работала в тысячу раз быстрее, чем «Марк-1», выполняя за одну секунду 300 умножений или 5000 сложений многоразрядных чисел. Размеры этой машины были 30 метров в длину, объём - 85 метров3, вес - 30 тонн. Использовалось около 20000 электронных ламп.

В 1948 году академик Сергей Алексеевич Лебедев предложил проект первой на континенте Европы ЭВМ - малой электронной счетно-решающей машины (МЭСМ). В 1951г. МЭСМ официально вводится в эксплуатацию, на ней регулярно решаются вычислительные задачи. Машина оперировала с 20разрядными двоичными кодами с быстродействием 50 операций в секунду, имела оперативную память в 100 ячеек на электронных лампах.

В 1951 году была создана машина «Юнивак»- первый серийный компьютер с хранимой программой. В этой машине впервые была использована магнитная лента для записи и хранения информации.

Вводится в эксплуатацию БЭСМ-2(большая электронная счетная машина) с быстродействием около 10 тысяч операций в секунду над 39-разрядными двоичными числами. Оперативная память на электронно-акустических линиях задержки - 1024 слова, затем на электронно-лучевых трубках и позже на ферритовых сердечниках. ВЗУ состояло из двух магнитных барабанов и магнитной ленты емкость свыше 100 тысяч слов [14.]

На этом и закончился первый период развития ЭВМ. В эти годы в мире было созданы десятки ЭВМ.

Второе поколение развития ЭВМ охватывает период с 1958 г. по 1964 г. В 1958 году в ЭВМ были применены полупроводниковые транзисторы, изобретённые в 1948 году Уильямом Шокли, они были более надёжны, долговечны, малы, могли выполнить значительно более сложные вычисления, обладали большой оперативной памятью. 1 транзистор способен был заменить примерно 40 электронных ламп и работает с большей скоростью. Во-втором поколении компьютеров дискретные транзисторные логические элементы вытеснили электронные лампы. В качестве носителей информации использовались магнитные ленты («БЭСМ-6», «Минск-2»,»Урал-14») и магнитные сердечники, появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, магнитные барабаны и первые магнитные диски.