Файл: 1-337.pdf

24 Глава  Становление и эволюция цифровой вычислительной техники

По мнению специалистов в области теории эволюции компьютеров, изучение

закономерностей развития вычислительных машин и систем может, как и в био-
логии, привести к ощутимым практическим результатам.

В традиционной трактовке эволюцию вычислительной техники представляют

как последовательную смену поколений ВТ. Появление термина

 от-

носится к 1964 году, когда фирма IBM выпустила серию компьютеров IBM 360,
назвав эту серию «компьютерами третьего поколения». Сам термин имеет разные
определения, наиболее

 из которых являются:

• «Поколения вычислительных машин — это сложившееся в последнее время

разбиение вычислительных машин на классы, определяемые элементной базой
и

 [30].

• «Поколения компьютеров — нестрогая классификация вычислительных систем

по степени развития аппаратных и, в последнее время, программных средств»

[37].

При описании эволюции ВТ обычно используют один из двух подходов: хро-

нологический или технологический. В первом случае — это хронология событий,
существенно повлиявших на становление ВТ. Для наших целей больший интерес
представляет технологический подход, когда развитие вычислительной техники

рассматривается в терминах архитектурных решений и технологий. По словам глав-
ного конструктора фирмы DEC и одного из изобретателей мини-ЭВМ Белла: —

«История компьютерной индустрии почти всегда двигалась технологией».

В качестве узловых моментов, определяющих появление нового поколения ВТ,

обычно выбираются революционные идеи или технологические прорывы, карди-
нально изменяющие дальнейшее развитие средств автоматизации вычислений.
Одной из таких идей принято

 концепцию вычислительной машины с хра-

нимой в памяти программой, сформулированную Джоном фон Нейманом. Взяв ее
за точку отсчета, историю развития ВТ можно представить в виде трех этапов:
• донеймановского периода;
• эры вычислительных машин и систем с фон-неймановской архитектурой;
• постнеймановской эпохи — эпохи параллельных и распределенных вычисле-

ний, где наряду с традиционным подходом все большую роль начинают
отличные от фон-неймановских принципы организации вычислительного про-
цесса.
Значительно большее распространение, однако, получила привязка поколений

к смене технологий. Принято говорить о «механической» эре (нулевое
и последовавших  ней пяти поколениях ВС

 Первые четыре поколения тра-

диционно связывают с элементной базой вычислительных систем: электронные
лампы, полупроводниковые приборы, интегральные схемы малой степени интег-
рации (ИМС), большие (БИС), сверхбольшие (СБИС) и ультрабольшие (УБИС) 1
интегральные микросхемы. Пятое поколение в общепринятой интерпретации ас-
социируют не столько с новой элементной базой, сколько с интеллектуальными
возможностями ВС. Работы по созданию ВС пятого поколения велись в рамках
четырех достаточно независимых программ, осуществлявшихся учеными США,
Японии, стран Западной Европы и стран Совета экономической взаимопомощи.

Эволюция средств автоматизации вычислений 25

Ввиду того, что ни одна из программ не привела к ожидаемым результатам, разго-

воры о ВС пятого поколения понемногу утихают. Трактовка пятого поколения явно
выпадает из «технологического» принципа. С другой стороны, причисление всех
ВС на базе сверхбольших интегральных схем (СБИС) к четвертому поколению не
отражает принципиальных изменений в архитектуре ВС, произошедших за послед-
ние годы. Чтобы в какой-то мере проследить роль таких изменений, воспользуем-
ся несколько отличной трактовкой, предлагаемой в [174]. В работе выделяется
шесть

 Попытаемся кратко охарактеризовать каждое из них, выде-

ляя наиболее значимые события.

Нулевое поколение

Для полноты картины упомянем два события, произошедшие до нашей эры: пер-

вые счеты — абак, изобретенные в древнем Вавилоне  3000 лет до н. э., и их более
«современный» вариант с косточками на проволоке, появившийся в Китае при-
мерно за 500 лет также до н. э.

«Механическая» эра (нулевое поколение) в эволюции ВТ связана с механичес-

кими, а позже — электромеханическими вычислительными устройствами. Основ-
ным элементом механических устройств было зубчатое колесо. Начиная с XX века
роль базового элемента переходит к электромеханическому реле. Не умаляя зна-
чения многих идей «механической» эры, необходимо отметить, что ни одно из со-

зданных устройств нельзя с полным основанием назвать вычислительной машиной
в современном ее понимании. Чтобы подчеркнуть это, вместо термина «вычисли-
тельная машина» будем использовать такие слова, как «вычислитель», «калькуля-
тор» и т. п.

Хронология основных событий «механической» эры выглядит следующим об-

разом.

1492 год.

 В одном из своих дневников Леонардо да Винчи приводит рисунок

тринадцатиразрядного десятичного суммирующего устройства на основе зубча-
тых колес.

1623 год.

 Вильгельм Шиккард (Wilhelm

 1592-1635),

 уни-

верситета Тюбингена, разрабатывает устройство на основе зубчатых колес («счи-
тающие часы») для сложения и вычитания шестиразрядных десятичных чисел.

Было ли устройство реализовано при жизни изобретателя, достоверно неизвест-

но, но в 1960 году оно было воссоздано и проявило себя вполне работоспособным.

1642 год.

 Блез Паскаль (Blaise Pascal, 1623-1663) представляет «Паскалин» —

первое реально осуществленное и получившее известность механическое цифро-
вое вычислительное устройство. Прототип устройства суммировал и вычитал пя-
тиразрядные десятичные числа. Паскаль изготовил более десяти таких вычисли-
телей, причем последние модели оперировали числами длиной в восемь цифр.

1673 год.

 Готфрид Вильгельм Лейбниц (Gottfried Wilhelm

 1646-1716)

создает «пошаговый вычислитель» — десятичное устройство для выполнения всех
четырех арифметических операций над 12-разрядными десятичными числами.
Результат умножения представлялся 16 цифрами. Помимо зубчатых колес в уст-

ройстве использовался новый элемент — ступенчатый валик.

1786 год.

 Немецкий военный инженер Иоганн Мюллер (Johann Mueller, 1746-

1830) выдвигает идею «разностной машины» — специализированного калькуля-

26 Глава  Становление и эволюция цифровой вычислительной техники

 для табулирования логарифмов, вычисляемых разностным методом. Кальку-

лятор, построенный на ступенчатых валиках

 получился достаточно не-

большим (13 см в высоту и 30 см в диаметре),

 при этом мог выполнять все четыре

арифметических действия над 14-разрядными числами.

1801

 год. Жозеф Мария Жаккард (Joseph-Marie

 1752-1834) строит

ткацкий станок с программным управлением, программа работы которого задается
с помощью комплекта перфокарт.

 год. Английский математик Чарльз Бэббидж (Charles Babbage, 1792-1871)

создает сегмент разностной машины, оперирующий шестиразрядными числами
и разностями второго порядка. Разностная машина

 по идее аналогична

калькулятору Мюллера.

 год. Пер Георг Шутц (Per George Scheutz, 1785-1873) из Стокгольма, ис-

пользуя краткое описание проекта Бэббиджа, создает из дерева небольшую разно-
стную машину.

1836

 год. Бэббидж разрабатывает проект

 машины». Проект

предусматривает три считывателя с перфокарт для ввода программ и данных, па-
мять (по Бэббиджу — «склад») на пятьдесят 40-разрядных чисел, два аккумулятора
для хранения промежуточных результатов. В программировании машины предус-
мотрена концепция условного перехода. В проект заложен также и прообраз мик-
ропрограммирования — содержание инструкций предполагалось задавать путем по-

зиционирования металлических штырей в цилиндре с отверстиями. По оценкам

 суммирование должно было занимать 3 с, а умножение и деление — 2-4 мин.

1843

 год. Георг Шутц совместно с сыном Эдвардом

 Scheutz, 1821-1881)

строят разностную машину с принтером для работы с разностями третьего

1871

 год. Бэббидж создает прототип одного из устройств своей аналитической

машины — «мельницу» (так он окрестил то, что сейчас принято называть цент-
ральным процессором), а также принтер.

1885 год.

 Дорр Фельт (Dorr E. Felt, 1862-1930) из Чикаго строит свой «комп-

тометр» — первый калькулятор, где числа вводятся нажатием клавиш.

1890

 год. Результаты переписи населения в США обрабатываются с помощью

перфокарточного

 созданного Германом Холлеритом (Herman Hollerith,

1860-1929) из Массачусетсского технологического

1892 год.

 Вильям Барроуз (William S. Burroughs, 1857-1898) предлагает уст-

ройство, схожее с калькулятором Фельта, но более надежное, и от этого события
берет старт индустрия офисных калькуляторов.

1937

 год. Джорж Стибитц (George Stibitz, 1904-1995) из Bell Telephone Labo-

 демонстрирует первый однобитовый двоичный вычислитель

 базе элек-

тромеханических реле.

1937

 год. Алан Тьюринг (Alan M. Turing, 1912-1954) из Кембриджского уни-

верситета публикует статью, в которой излагает концепцию теоретической yпpo-
щенной вычислительной машины, в дальнейшем получившей название машины
Тьюринга.

 год. Клод Шеннон (Claude E. Shannon, 1916-2001) публикует статью о

лизации символической логики на базе реле.

 Эволюция средств автоматизации вычислений

1938 год.

 инженер Конрад Цузе (Konrad Zuse, 1910-1995) строит

механический программируемый вычислитель

 с памятью на

 бит.

нее

 все чаще

 первым в мире компьютером.

 : ,

1939 год.

 Джордж Стибитц и

 (Samuel Williams, 1911-1977)

представили Model

 калькулятор на базе релейной логики, управляtмый c по-

мощью модифицированного телетайпа, что позволило подключаться к
тору по телефонной линии. Более поздние модификации допускали
деленную степень программирования.

 год.

 Следующая работа Цузе — электромеханическая машина

 основу

которой составляла релейная логика, хотя память, как и в Z1, была

1941 год.

 Цузе создает электромеханический программируемый вычислитель

Z3. Вычислитель содержит 2600 электромеханических реле. Z3

 по-

пытка реализации принципа программного управления, хотя и не в полном

(в общепринятом понимании этот принцип еще не был сформулирован). В
ности, не предусматривалась возможность условного перехода.

лась на перфоленте. Емкость памяти составляла 64 22-битовых слова.
умножения занимала 3-5

 Группа ученых Гарвардского университета во главе с

 Айке-

ном (Howard Aiken,

 разрабатывает вычислитель ASCC Mark I (Automa-

 Sequence-Controlled Calculator Mark I). — первый программно управляемьш

вычислитель, получивший широкую известность. Длина устройства составила 18 м,
а весило оно 5 т. Машина состояла из множества вычислителей, обрабатывающих

свои части общей задачи под управлением единого устройства

 Ко-

 считывались с бумажной перфоленты и выполнялись в

 считьван

ия. Данные считывались с перфокарт. Вычислитель обрабатывал

числа, при этом сложение занимало 0,3  умножение — 4 с, а деление— 10 с.

1945 год.

 Цузе завершает Z4 — улучшенную версию вычислителя Z3. По архи-

тектуре у Z4 очень много общих черт с современными ВМ: память и
представлены отдельными устройствами, процессор может обрабатывать числа с
плавающей запятой  в дополнение к четырем основным арифметическим
циям, способен извлекать квадратный корень. Программа хранится на

 и

считывается последовательно.

 умаляя важности каждого из перечисленных фактов, в качестве

момента

 эпохи все-таки выделим аналитическую мащину

Бэббиджа и связанные с ней

 роль первой в истории электронной вычислительной машины в разные периоды

 несколько разработок. Общим у них было использование схем на

базе

 ламп вместо электромеханических реле, Предполага

 что электронные ключи будут

 надежнее,

 них отсут

ствуют движущиеся части, однако технология того времени была настолько несо-

 надежности электронные лампы

 лучше,

чем реле. Однако у электронных

 имелось одно

 Глава  Становление и эволюция цифровой вычислительной техники

ство: выполненные на них ключи могли переключаться примерно в тысячу раз
быстрее своих электромеханических аналогов.

Первой электронной вычислительной машиной чаще всего называют специа-

лизированный калькулятор ABC (Atanasoff-Berry Computer). Разработан он был
в период с 1939 по 1942 год профессором Джоном Атанасовым (John V. Atanasoff,

1903-1995) совместно с аспирантом Клиффордом Берри (Clifford Berry, 1918-
1963) и предназначался для решения системы линейных уравнений (до 29 уравне-

ний с 29 переменными). ABC обладал

 на 50 слов длиной 50 бит, а запо-

минающими элементами служили конденсаторы с цепями регенерации. В качестве
вторичной памяти использовались перфокарты, где отверстия не перфорирова-
лись, а прожигались.

 стал считаться первой электронной ВМ, после того как

судебным решением были аннулированы патенты создателей другого электрон-
ного калькулятора — ENIAC. Необходимо

 же отметить, что ни

 ни ENIAC

не являются вычислительным машинами в современном понимании этого терми-
на и их правильней классифицировать как калькуляторы.

Вторым претендентом на первенство считается вычислитель Colossus, постро-

енный в 1943 году в Англии в местечке Bletchley Park близ Кембриджа. Изобрета-

телем машины был профессор Макс Ньюмен (Max Newman, 1987-1984), а изгото-
вил его Томми Флауэрс (Tommy Flowers, 1905-1998). Colossus был создан для
расшифровки кодов немецкой шифровальной машины «Лоренц Шлюссель-цузат-
40». В состав команды разработчиков входил также Алан Тьюринг. Машина была
выполнена в виде восьми стоек высотой 2,3 м, а общая длина ее составляла 5,5 м.

В логических схемах машины и в системе оптического считывания информации
использовалось 2400 электронных ламп, главным образом тиратронов. Информа-

ция считывалась с пяти вращающихся длинных бумажных колец со скоростью
5000 символов/с.

Наконец, третий кандидат на роль первой электронной ВМ — уже упоминав-

шийся программируемый электронный калькулятор общего назначения ENIAC
(Electronic Numerical Integrator and Computer

 электронный цифровой интегра-

тор и вычислитель). Идея калькулятора, выдвинутая в 1942 году Джоном Мочли
(John J. Mauchly, 1907-1980) из университета Пенсильвании, была реализована
им совместно с Преспером Эккертом (J. Presper Eckert, 1919-1995) в 1946 году.
С самого начала ENIAC активно использовался в программе разработки водород-
ной бомбы. Машина эксплуатировалась до

 года и применялась для генериро-

вания случайных чисел, предсказания погоды и проектирования аэродинамичес-
ких труб.

 весил 30 тонн, содержал

 000

 имел размеры 2,5 х 30

и обеспечивал выполнение 5000 сложений и 360 умножений в секунду. Использо-
валась десятичная система счисления. Программа задавалась схемой коммутации

триггеров

 40 наборных полях. Когда все лампы работали, инженерный персонал

мог настроить ENIAC на новую задачу, вручную изменив подключение 6000 про-
водов. При пробной эксплуатации выяснилось, что надежность машины чрезвы-.

чайно низка — поиск неисправностей занимал от нескольких часов до нескольких

суток. По своей структуре ENIAC напоминал механические вычислительные ма-
шины. 10 триггеров соединялись в кольцо, образуя десятичный счетчик,
исполнял роль счетного колеса механической машины. Десять таких колец плюс