Файл: История и перспективы развития средств вычислительной техники.pdf

Введение

История не терпит сослагательных наклонений, но… Каким был бы мир, если бы Наполеон не проиграл в битве при Ватерлоо? Что бы произошло, если бы изобретатель девятнадцатого века Чарльз Бэббидж смог создать первый в мире автоматический компьютер? Ведь у него была правильная идея, но технология его времени не подходила для этой задачи. Альтернативная история -это занимательно, а реальные исторические факты -это отличная возможность найти ответы на важные вопросы. Мы должны учиться у прошлого. Не только историки призывают нас изучать историю. Известна цитата Стива Джобса: «Многие люди не могут похвастаться очень разнообразным опытом. На их жизненном графике не хватает координат, чтобы, соединив их, построить правильную траекторию движения. Большинство не видит проблему во всём её многообразии, поэтому их решения весьма прямолинейны. Чем выше культура человека, позволяющая ему шире использовать опыт человечества, тем лучше его конструкторские решения.»^[1] Из своих успехов и неудач компьютерная индустрия извлекла много важных уроков. Хотя история развития средств вычислительной техники интересна сама по себе, это также позволяет исследовать цепочку событий, которые привели к появлению современных цифровых компьютеров.

В данной работе рассмотрена история развития вычислительной техники от первых механических калькуляторов до их огромных, электромеханических последователей, созданных в начале Второй мировой войны, электронику, которая сделала возможным создание компьютеров, начиная с того, что обычно считается первым успешным электронным компьютером, ENIAC, изобретенного в конце 1940-х годов, а также современные цифровые компьютеры.

Все изученные актуальные аспекты развития вычислительной техники устойчиво обеспечивают новые перспективы в истории технологии.

Цель работы: изучить историю развития средств вычислительной техники

Задачи работы:

• Обобщить и систематизировать источники по данному вопросу
• Выделить наиболее значимые события на каждом этапе развития
• Провести анализ выделенных событий, с точки зрения их влияния на дальнейшие открытия

Глава 1. Первое поколение вычислительной техники

Существуют различные подходы в классификации средств вычислительной техники, но именно выделение поколений по этапам развития, отражает эволюцию с точки зрения используемой элементной базы и архитектуры. Основные поколения и их краткие характеристики приведены в таблице 1.

Таблица 1. Этапы развития средств вычислительной техники

Первая эра вычислительной техники приходится на 1945-1954 гг XX века. Основными характеристиками вычислительных машин этого периода является:

• Отсутствие операционной системы
• Программы создавались на машинном языке
• Использовались подключаемые платы для управления компьютером.
• Пользователь компьютера должен сидеть за консолью.
• Отсутствие промежутков между вычислениями, вводом-выводом, временем выполнения и временем отклика.
• Программы, загружаемые вручную через карточные колоды.
• Основной целью являлась создание таблиц чисел.
• Компьютеры были экзотическим экспериментальным оборудованием

При этом можно выделить прогресс, который отчетливо выражен по сравнению с предыдущим периодом:

• Люди создали библиотеки, которыми они могли бы поделиться с другими.
• Эти библиотеки были предшественниками современных операционных систем.

Рассмотрим первое поколение вычислительных машин более подробно. Первая универсальная работоспособная электронная вычислительная машина была названа ENIAC^[2] (рис 1.)

Ее создали Преспер Эккерт и Джон Мокли в школе Мура университета Пенсильвания. Название — машины- это аббревиатура, которая дословно переводится как, электронный числовой интегратор и калькулятор. Финансировался данный проект армией США и активно действовал во время Второй мировой войны, но до 1946 года так не был обнародован. ENIAC использовался для вычисления таблиц стрельбы артиллерии. Машина была огромной-100 футов длиной, 8,5 футов высокий и несколько футов шириной. Каждый из 20 десятизначных регистров был 2 фута длиной. В ее составе насчитывалось 18 000 вакуумных ламп.

Хотя размер был на три порядка больше, чем размер средней современной машины, Интегратор и Калькулятор был более чем на пять порядков медленнее. При этом необходимо отметить, что ENIAC, был программируемым, что четко отличало его от более ранних калькуляторов.

Программирование выполнялось вручную. Для этого необходимо было затыкать вверх кабели и устанавливать переключатели, что требовало от получаса до целого дня. Данные представлялись в виде перфорационных карт. ENIAC был ограничен главным образом небольшим количеством хранения и отличался очень сложным и монотонным процессом программирования.

Рис. 1. ENIAC, созданная Джон Преспер Эккерт и Джон Уильям Мокли

В 1944 году Джон фон Нейман был привлечен к проекту ENIAC. Он создал группу по улучшению способа ввода программ. При этом активно обсуждался вопрос хранения программ в числовом виде. Джон фон Нейман помог обобщить и систематизировать идеи и написал работу, предлагающую компьютер с сохраненной программой под названием EDVAC^[3] . Герман Гольдстайн растиражировал эту работу и поставил на ней имя фон Неймана, к большому разочарованию Эккерта и Мокли, чьи имена среди авторов не были указаны. Эта работа послужила основой для широко используемого термина «Компьютер фон Неймана». Ряд историков-исследователей в компьютерных областях полагают, что это термин дает слишком много кредитов фон Нейману, который концептуализировал и записал идеи, и слишком мало для инженеров Эккерта и Мокли, которые непосредственно работали над созданием машины. Но большинство историков, все же считают, что все эти три человека сыграли ключевую роль в развитии вычислительной техники. Роль фон Неймана в написании идей, в их обобщении и в осмыслении программных аспектов имела решающее значение для передачи идей более широкой аудитории.

В 1946 году Морис Уилкс из Кембриджского университета посетил школу Мура побывав на последней части цикла лекций о разработках в области электронных вычислительных машин. Когда он вернулся в Кембридж, Уилкс решил начать проект построение компьютера с сохраненной программой под названием EDSAC^[4] ( Автоматический Калькулятор). EDSAC использовал ртутные линии задержки для своей памяти, отсюда и словосочетание "задержка хранения" в его названии. EDSAC начал функционировать в 1949 году. Эта дата считается важным этапом развития вычислительной техники, дата, когда был создан первый в мире полномасштабный оперативный компьютер с сохраненной программой^[5].

Его небольшой прототип называется Марк I. Он был построен в Университете Манчестера и начал свою работу в 1948 году, может называться первой оперативной машиной с сохраненной программой. Архитектура EDSAC была основана на работе аккумулятора. Этот стиль архитектуры набора инструкций оставался популярным до начала 1970-х.

В 1947 году Мокли нашел время, чтобы помочь основать новую компьютерную ассоциацию ACM. Он был первым вице-президентом и вторым президентом ACM.

В том же году Экерт и Мокли подали заявку на патент на электронные компьютеры. Декан Школы Мура, требуя, чтобы патент был передан университету, возможно, подтолкнули Эккерту и Мокли к выводу о том, что они должны уйти со своих должностей.

Их уход стал концом для проекта EDVAC, который закрылся до 1952 года. Гольдстайн уехал, чтобы присоединиться к фон Нейману в Институте перспективных исследований Принстоне, в 1946 году. И вместе с Артуром Берксом они опубликовали отчет, основанный на «Burks, Goldstine, and von Neumann» (1946 г.).

Это послужило тому, что в Принстонском институте перспективных исследований Джулианом Бигелоу создал свою машину IAS.

Она имела в общей сложности 1024 40-битных слов и был примерно в 10 раз быстрее, чем ENIAC. Группа единомышленников Джулиана Бигелоу подумала об использовании машины, опубликовала ряд отчетов и призвала посетителей. Эти отчеты и посетители вдохновили на разработку ряда новых компьютеров, включая первый компьютер IBM, 701, который был основан на

машине IAS. Статья Беркса, Голдстайна и фон Неймана произвела фурор, она была невероятной для того времени. Читая его сегодня, вы никогда не догадаетесь, что это документ был написан в середине прошлого века. Ведь большинство рассмотренных там архитектурных концепций используются в современном компьютере.

В то же время, что и ENIAC, Говард Эйкен разрабатывал электромеханический компьютер под названием Mark-I^[6] в Гарварде. Он был разработан командой инженеров из IBM. За Mark-I с релейной машиной, создан был Mark-II с парой вакуумных трубок, далее Марк-III и Марк-IV.

Марк-III и Mark-IV были построены после первых машин с сохраненной программой. Потому что они имели отдельные памяти для инструкций и данных, машины были считаются первыми компьютерами с сохраненными программами. Каждый из них оперировал 72 числами, состоящими из 23 десятичных разрядов, делая по 3 операции сложения или вычитания в секунду. Умножение выполнялось в течение 6 секунд, деление — 15,3 секунды, на операции вычисления логарифмов и выполнение тригонометрических функций требовалось больше минуты.

Фактически «Марк I» представлял собой усовершенствованный арифмометр, заменявший труд примерно 20 операторов с обычными ручными устройствами, однако из-за наличия возможности программирования некоторые исследователи называют его первым реально работавшим компьютером.

Термин Гарвардская архитектура была придумана, чтобы описать этот тип машины. Хотя, естественно, далекий от первоначального замысла, этот термин используется сегодня для того чтобы примениться к машинам с одиночной основной памятью, но с отдельными кэшами команд и данных.

Проект «Whirlwind»^[7] стартовал в Массачусетском технологическом институте в 1947 г. Он был нацелен на применение в режиме реального времени обработки радиолокационных сигналов. Впоследствии, это сделало возможным несколько открытий, каждое из которых базировалось на создании магнитного сердечника. Ставшая впоследствии первой надежной и недорогой технологией памяти.

«Whirlwind» имел 2048 16-битных слов магнитного сердечника. Магнитные сердечники служили в качестве основной памяти для компьютерной технологии еще почти 30 лет.

Во время Второй мировой войны основные вычислительные усилия как в Великобритании, так и в США сосредоточились на специальных компьютерах, взламывающих коды. Работа Британии была нацелена на расшифровку сообщений, закодированных с помощью немецкого шифра Enigma.

Эта работа по расшифровке, велась в городе Блетчли-Парк. Она стала залогом создания двух важных вычислительных машин.

Первая, электромеханическая машина, задуманная Аланом Тьюринга, названа «BOMBE», а вторая, гораздо большая электронная машина, задуманная и разработанная Ньюманом «COLOSSUS». Это были узкоспециализированные криптоаналитические машины, которые играли жизненно важную роль в войне, предоставляя возможность читать зашифрованные сообщения. Работа в Блетчли-парке была строго засекречена, поэтому её непосредственное влияние на развитие ENIAC, EDSAC и другие компьютеры трудно отследить, но она, безусловно, оказала косвенное влияние на продвижение технологии и получение понимания проблем.

Аналогичная работа над специализированными компьютерами для криптоанализа продолжалась и в США. Непосредственным последователем этих усилий была компания «Engineering Research Associates» («ERA»), которая была основана после войны. Основной идеей ее являлось получение большой прибыли.

«ERA» построила несколько машин, которые были проданы секретным правительственным учреждениям, в том числе Сперри-Ранду, который незадолго до этого приобрел компьютерную корпорацию Джона Преспера Экертом и Джона Уильяма Мокли.