Файл: История развития средств вычислительной техники ( Что такое ЭВМ? ).pdf

Введение

С появлением компьютеров наша жизнь значительно облегчилась: теперь, чтобы заказать еду или купить что-то не нужно выходить из дома в непогоду, если нечем заняться - можно поиграть в компьютерные игры, позвонить по телефону. Но так было не всегда, ведь было время, когда компьютеров не было в нашей жизни или они предполагались исключительно для научных целей.

Актуальность данной темы заключается в том, что взглянув на историю развития вычислительных машин можно сделать выводы, какие проблемы вставали перед разработчиками во время их создания, какими путями создавались вычислительные машины, а так же, предположить, как компьютеры будут развиваться в будущем, какие функции они будут иметь и какие возможные проблемы появятся на пути их создания.

Задачами данного исследования является изучение этапов развития техники как отечественной, так и зарубежной техники, методов обработки данных и ключевые даты

Что такое ЭВМ?

Электронная вычислительная машина - комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователя.

Одной из важнейших характеристик электронно-вычислительной машины является ее быстродействие, которое исчисляется количеством команд, выполняемых за одну секунду времени.

Другой важнейшей характеристикой является емкость запоминающих устройств. Этот показатель позволяет определить, какое количество программ и данных может удерживать компьютер в памяти в один момент времени. В настоящее время объем оперативной памяти может достигать несколько гигабайт, в то время, как в начале развития вычислительной техники этот показатель был около 48 КБ.

Следующая характеристика - надежность. Это способность машины выполнять свою работу в период заданного времени. У некоторых жестких дисков среднее время наработки на отказ достигает около 60 лет.

Точность - возможность различать практически равные значения. С помощью языков программирования эта характеристика может достигать невероятных значений.

Достоверность характеризуется вероятностью получения безошибочных результатов. Уровень достоверности обеспечивается аппаратно-программными средствами самой электронно-вычислительной машины.

Все вычисления, предписанные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов-команд. Каждая команда содержит указания на конкретную выполняемую операцию, местонахождения операндов (адреса операндов) и ряд служебных признаков. Операнды - переменные, значения которых участвуют в операциях преобразования данных. Список (массив) всех переменных (входных данных, промежуточных значении и результатов вычислений) является еще одним неотъемлемым элементом любой программы.

Для доступа к программам, командам и операндам используются их адреса. В качестве адресов выступают номера ячеек памяти электронно-вычислительной машины, предназначенных для хранения объектов. Различные типы объектов, размещенные в памяти электронно-вычислительной машины, идентифицируются по контексту.

Первая вычислительная техника.

Способность считать сформировалась у человека примерно 45 тысяч лет назад, но, по понятным причинам, никакой вычислительной техники в то время создано не было. Как нетрудно догадаться, самым первым устройством для счета у человека были его собственные пальцы. Конечно, это не подходило для счета предметов, которых больше 20, но на тот момент это оказалось прекрасной вычислительной техникой. Само понятие “счет” настолько тесно оказалось связано с руками, что до сих пор существуют племена, которые говорят “две руки” вместо “десять”.

Позже появился счет с использованием камней, палочек, что считалось прорывом по тем временам.

Первое подобие счёт появилось только в Древнем Вавилоне в III тысячелетии до нашей эры и называлось оно “абак”. Абак представлял из себя прямоугольную доску с выемками для передвигания камешков или косточек.

Больше похоже на счёты устройство суаньпань - китайская разновидность абака. Впервые суаньпань упоминается в книге “Шушу цзии” 190 г. н. э. Он также представлял из себя прямоугольную раму, но вместо выемок, как у абака, в суаньпань были протянуты проволоки с нанизанными на них деревянными круглыми шариками.

Обнаруженный вначале XX века Антикитерский механизм мог моделировать движение планет. По предположениям, его могли использовать для календарных вычислений в 87-80 года до нашей эры. Вычисления выполнялись за счет соединения колёс и циферблатов, а для вычисления лунных фаз использовалась дифференциальная передача.

Но ничто из вышеперечисленного нельзя назвать вычислительными машинами, все это лишь некие вычислительные приспособления.

Первое поколение вычислительных машин.

Первое поколение характеризуется становлением машин с фон-неймановской архитектурой. В это время активно используется ламповая элементная база, из-за чего машины поглощали огромное количество энергии, а также были не очень надежными. С их помощью, в основном, решались либо научные, либо военные задачи. Программы для этих машин можно было составлять только на машинном языке. Но обо все поподробнее.

Только в 1622 году Уильям Оутред создает первую счетную алгоритмическую линейку, а уже в 1624 году Вильгельм Шиккард придумал первую “суммирующую машину”, которая могла выполнять все четыре операции над числами: сумма, разность, деление и умножение.

В 1642 году Блез Паскаль создал “Паскалину” - арифметическую машину.

Почти 200 лет не происходило ничего в мире компьютерых технологий.

И только в 1822 году Чарльз Беббидж, заручившись поддержкой государства и общественности, начал строить модель разностной машины, которая состояла из валиков и шестерней, вращаемых с помощью специального рычага. Конструкция разностной машины основывалась на использовании десятичной системы счисления. И хотя разностная машина так и не была закончена, во время ее создания у ее создателя появилась другая идея о создании универсальной аналитической машины, которая стала прообразом современного компьютера. Чарльз Беббидж считал, что компьютер должен содержать память и управляться с помощью программы. Программы, по его замыслу, должны были задаваться с помощью перфокарт, которые в то время широко использовались в ткацких станках.

В 1890 году американский инженер Герман Холлерит сконструировал “табуирующую машину”, предназначенную для обработки результатов переписи населения США. Холлерит представил перфокарты с двенадцатью рядами по двадцать дырок в каждом. Они кодировали информацию о возрасте жителя США, семейном положении, количестве детей и так далее. Перфокарты помещались в специальный аппарат, который автоматически подсчитывал число тех или иных конфигураций пробитых отверстий. По сути, это была первая в мире система для обработки больших данных.

В 1889 году профессор Мемке создал прибор, служащий для решения четырехчленных уравнений, корни которого, после определенной установки частей прибора, прямо указываются самим прибором.

К 1900 году арифмометры и счетные машины были перепроектированы под использование электрических двигателей. Чуть позже появилась должность, которая называлась “computer” - это был человек, который сидел за счетной машиной и выполнял нужные вычисления. Так, например, для военных нужд была создана команда женщин-математиков, которые вычисляли дифференциальные уравнения.

В 1929 году в Советском Союзе был создан и выпускался арифмометр “Феликс”. Он позволял работать с числами до 9 знаков и получать результат длиной до 13 знаков.

В 1936 году немецкий инженер Цузе начал создание своей первой вычислительной машины серии Z, имеющую память и возможность программирования. К сожалению, данная модель так и не заработала из-за недостаточной точности составных частей.

В Z-2 механическое арифметическое устройство было заменено арифметическим устройством на электромагнитных телефонных реле. В этом К. Цузе помог его друг, австрийский инженер Г. Шрайер, специалист в области электроники. Г. Шрейер раньше работал киномехаником, поэтому он предложил сделать устройство ввода программы с помощью перфорированной киноленты (рис. 54). Результаты расчетов демонстрировались с помощью электрических ламп. Релейный Z-2 был построен и успешно заработал в апреле 1939 г.

В 1941 году Цузе создал Z3, которая основывалась на телефонных реле. Она стала первым работающим компьютером, управляемым программой. Программы для Z3 хранились на перфорированной плёнке.

Из-за небольшого объема памяти на Z-3 нельзя было решать, например, системы линейных уравнений, а институту это требовалось. К. Цузе понимал все минусы своей машины и хотел создать полноценный компьютер, которому, по оценкам самого К. Цузе, требовалась емкость памяти как минимум 8 тыс. слов. В 1942 г. он и Г. Шрайер предложили создать компьютер принципиально нового типа. Они решили перевести машину Z-3 с электромеханических переключателей на вакуумные электронные лампы. В отличие от электромеханических переключателей электронные лампы не имеют движущихся частей; они управляются электрическим током исключительно электрическим способом. Машина, задуманная К. Цузе и Г. Шрайером, должна была работать в тысячу раз быстрее, чем любая из машин, имевшихся в то время в Германии.

К сожалению, создание Z-4 Цузе не удалось, он обещал создание нового компьютера только через два года, а Гитлер, который в то время вел ожесточенную войну, был уверен в своей победе - ему такая машина через 2 года не понадобилась бы.

В 1943 году Говард Эйкен создал вычислительную машину под названием “Марк-1”, в нем использовалось сочетание электрических сигналов и механических приводов. Машина была способна перемножить два 32-разрядных числа за 4 секунды.

В том же году Джон Преспер Эккерт и Джон Уильям Мокли начали разрабатывать архитектуру первого электронного цифрового вычислителя общего назначения, который мог бы использоваться для широкого спектра задач. Изначально создание цифрового вычислителя было задумано для целей армии США. В то время все расчеты таблиц стрельбы проводились вручную для каждого типа снаряда и орудия, и при различных комбинациях параметров требовался расчет около 3000 траекторий полета снаряда. Люди не справлялись с вычислением таких больших объемов данных, поэтому Мокли написал небольшой документ с описанием вычислительной машины ENIAC на электронных лампах, которая могла бы заменить людей в выполнении расчетов. Его идею сначала не приняли, но позже одобрили, правда, уже для целей разработки и создания термоядерного оружия. Публике данная вычислительная машина была представлена намного позже - в 1946 году, когда война уже закончилась, а ENIAC окончательно выключили 2 октября 1955 года в 23.45. Компьютер весил 30 тонн и содержал в себе 18 тысяч радиоламп.

В 1945 году Цузе строит компьютер Z4, устройство этой модели напоминает архитектуру современных компьютеров. Тогда же он разрабатывает первый алгоритмический язык программирования - Plan Calculus. А Грейс Хоппер обнаруживает первый “баг” - в его компьютер попал самый настоящий жук, который замкнул электрическую цепь, что стало причиной неработоспособности его программы.

В том же году известный математик Джон фон Нейман сформулировал общие принципы работы компьютеров. Эти принципы используются по сей день:

• Принцип двоичного кодирования. Все данные и все программы хранятся в памяти как набор двоичных чисел. Это обстоятельство приводит к следующим важным последствиям:
  • промежуточные результаты вычислений, константы и другие числа могут размещаться в том же запоминающем устройстве, что и программа;
  • числовая форма записи программы позволяет производить операции над величинами, которыми закодированы команды программы;
  • появляется возможность перехода в процессе вычислений на тот или иной участок программы в зависимости от результатов вычислений, условных переходов.
• Принцип программного управления. То есть, работа компьютеров контролируется программой, состоящей из набора инструкций, которые выполняются друг за другом.
• Принцип хранения. Во время выполнения программы, она сама и все ее данные, которые она использует или генерирует, должны лежать в общей памяти электронно-вычислительной машины
• Принцип адресуемой памяти. Память должна состоять из битов, которые должны объединяться в ячейки и иметь свой порядковый номер.
• Устройство электронно-вычислительной машины. Вычислительная машина должна иметь устройства ввода и вывода, устройство памяти, арифметико-логическое устройство и устройство управления.

Помимо этого, Джон фон Нейман выдвинул идею об использовании внешних запоминающих устройств для хранения данных и программ.

В 1947 году Джон Эккерт и Джон Мокли начали разработку первой электронной серийной машины UNIVAC. Машина использовала 5200 электровакуумных ламп, весила 13 тонн могла выполнять около 1905 операций в секунду.

С конца 1948 года лаборатория С.А. Лебедева начала разработку малой электронной счетной машины (МЭСМ). Изначально эта машина планировалась как прототип большой электронной счетной машины, но позже ее доделали до полноценной машины, способной решать реальные задачи. Эта машина занимала 60 квадратных метров, содержала в себе 6000 электровакуумных ламп и могла совершить 3000 операций в минуту. Оперативное запоминающее устройство было построено на триггерных регистрах.