Файл: История развития средств вычислительной техники (Логарифмическая линейка).pdf

8

Она производила на современников огромное впечатление, о ней слагались легенды, ей посвящались поэмы. Все чаще с именем Паскаля появлялась характеристика "французский Архимед". До нашего времени дошло только 8 машин Паскаля, из которых одна является 10-разрядной. Универсальная автоматическая машина, в структуру которой уже входили почти все основные части современных ЭВМ, была изобретена еще в тридцатых годах XIX века. И сейчас мы можем лишь поражаться, что такая гигантская работа, - а это был, без преувеличений, переворот в вычислительной технике - могла быть совершена практически одним человеком. Имя этого человека, которому суждено было открыть новую и, пожалуй, наиболее яркую страницу в истории вычислительной техники - Чарльз Бэббидж. За свою долгую жизнь (1792-1871) кембриджский профессор математики сделал немало открытий и изобретений, значительно опередивших его время. Круг интересов Бэббиджа был чрезвычайно широк, и все же главным делом его жизни, по словам самого ученого, были вычислительные машины, над созданием которых он работал около 50 лет. Аналитическая машина Бэббиджа представляла собой единый комплекс специализированных блоков. По проекту она включала следующие устройства. Первое - устройство для хранения исходных данных и промежуточных результатов. Бэббидж назвал его "складом"; в современных вычислительных машинах устройство такого типа называется памятью или запоминающим устройством. Для хранения чисел Бэббидж предложил использовать набор десятичных счетных колес. Каждое из колес могло останавливаться в одном из десяти положений и таким образом запоминать один десятичный знак. Колеса собирались в регистры для хранения многоразрядных десятичных чисел. По замыслу автора запоминающее устройство должно было иметь емкость в 1000 чисел по 50 десятичных знаков "для того, чтобы иметь некоторый запас по отношению к наибольшему числу, которое может потребоваться".

9

Для сравнения скажем, что запоминающее устройство одной из первых ЭВМ имело объем 250 десятиразрядных чисел. Для создания памяти, где хранилась информация, Бэббидж использовал не только колесные регистры, но и большие металлические диски с отверстиями. В памяти на дисках хранились таблицы значений специальных функций, которые использовались в процессе вычислений. Второе устройство машины - устройство, в котором осуществлялись необходимые операции над числами, взятыми из "склада". Бэббидж назвал его "фабрикой", а сейчас подобное устройство называется арифметическим. Время на производство арифметических операций оценивалось автором: сложение и вычитание - 1с; умножение 50-разрядных чисел - 1 мин; деление 100-разрядного числа на 50-разрядное - 1 мин. И наконец, третье устройство машины - устройство, управляющее последовательностью операций, выполняемых над числами. Бэббидж назвал его "конторой"; сейчас оно - устройство управления. Управление вычислительным процессом должно было осуществляться с помощью перфокарт - набором картонных карточек с разным расположением пробитых (перфорированных) отверстий. Карты проходили под щупами, а они, в свою очередь, попадая в отверстия, приводили в движение механизмы, с помощью которых числа передавались со "склада" на "фабрику". Результат машина отправляла обратно на "склад". С помощью перфокарт предполагалось также осуществлять операции ввода числовой информации и вывода полученных результатов. По сути дела, этим решалась проблема создания автоматической вычислительной машины с программным управлением. Только после смерти Бэббиджа его сын Генри сумел построить по чертежам отца центральный узел "Аналитической машины" - арифметическое устройство, которое в 1888 году вычислило произведения числа "пи" на числа натурального ряда от одного до 32 с точностью до 29 знаков!

10

Машина Бэббиджа оказалась работоспособной, но Чарльз этого уже не увидел. А машина, созданная Лейбницем в 1694 г., давала возможность механического выполнения операции умножения без последовательного сложения и вычитания. Главной частью ее был так называемый ступенчатый валик - цилиндр с зубцами разной длины, которые взаимодействовали со счетным колесом. Передвигая колесо вдоль валика, можно было его ввести в зацепление с необходимым числом зубцов и обеспечить установку определенной цифры. Арифметическая машина Лейбница была по существу первым в мире арифмометром - машиной, предназначенной для выполнения четырех арифметических действий, позволяющей использовать 8-разрядное множимое и 9-разрядный множитель с получением 16-разрядного произведения. По сравнению с машиной Паскаля было создано принципиально новое вычислительное устройство, существенно ускоряющее выполнение операций умножения и деления. Однако, несмотря на все остроумие его изобретателя, арифмометр Лейбница не получил распространения по двум основным причинам: отсутствие на него устойчивого спроса и конструкционной неточности, сказывающейся при перемножении предельных для него чисел. Но основная идея Лейбница - идея ступенчатого валика оказалась весьма плодотворной. Вплоть до конца XIX века конструкция валика совершенствовалась и развивалась различными изобретателями механических машин. 

11

1.6 История развития компьютера 

 Поколения компьютеров 

Рассматривая историю общественного развития, марксисты утверждают, что ’’ история есть ни что иное, как последовательная смена отдельных поколений  ’’. Это справедливо и для истории компьютеров. 

Поколения компьютеров - нестрогая классификация вычис­лительных систем по степени развития аппаратных и в последнее вре­мя - программных  средств ’’. 

Выделяют пять поколений компьютеров. Каждое поколение характеризуется элементной базой - видом элементов, из которых построена оперативная память и процессор, и развитием программ­ного обеспечения. 

Компьютеры первого поколения 

Элементной базой компьютеров первого поколения были ва­куумные электронные лампы, которые сегодня еще можно увидеть в старых телевизорах и радиоприемниках. Тысячи ламп были в ме­таллических шкафах, которые занимали много места. Весила такая ма­шина десятки тонн. Для ее работы требовалась электростанция. Для охлаждения машины использовали мощные вентиляторы. Про­граммирование выполняли в кодах машины, доступ к которой 

имели только специалисты-профессионалы. 
       Быстродействие составляло несколько тысяч операций за секун­ду. Эти машины имели небольшую оперативную память.  

12

Особенности: 

• Поскольку лампы имеют существенные размеры и их тыся­чи, то машины имели огромные размеры. 
• Поскольку ламп много и они имеют свойство перего­рать, то часто компьютер простаивал из-за поиска и замены вышед­шей из строя лампы. 
• Лампы выделяют большое количество тепла, следова­тельно, вычислительные машины требуют специальные мощные охлади­тельные системы. 
• Примеры компьютеров: 
• Колоссус – секретная разработка британского прави­тельства (в разработке принимал участие Алан Тьюринг). Это пер­вый в мире электронный компьютер, хотя и не оказавший влияние на развитие компьютерной техники (из-за своей се­кретности), но помог победить во Второй мировой войне. 
• Эниак. Создатели: Джон Моушли и Дж. Преспер Экерт. Вес машины 30 тонн. Минусы: использование десятич­ной системы счисления; множество переключателей и кабелей. 
• Эдсак. Достижение: первая машина с программой в па­мяти. 

Компьютеры второго поколения 

Элементной базой компьютеров второго поколения были транзисторы, которые заменили электронные лампы. Транзисторы значительно меньше ламп и потребляют значительно меньше энер­гии. Поэтому размеры компьютера уменьшились. Возможности же увеличились, поскольку появились языка программирования высо­кого уровня и программное обеспечение.

13

Программирование стало до­ступным и для не профессионалов в области компьютеров. В про­граммном обеспечении были заранее разработанные программы ре­шения наиболее типичных задач. Быстродействие машин достигла сотен тысяч операций за секунду.Значительно увеличилась опера­тивная память. Развиваются способы хранения информации: широ­ко используется магнитная лента, позже появляются диски. В этот пе­риод была замечена первая компьютерная игра.  Наиболее распространенными были такие марки машин: "Элиот" (Англия), "Сименс" (ФРГ), "Стретч", "CDC" (США), "Раз­даи-2", серия "Минск", "Урал", "Найри", "Мир", "Бзсм-б" (в на­шей стране).  

Компьютеры третьего поколения. 

Элементная база компьютеров третьего поколения - инте­грированные устройства (интегральные схемы, чипы). Интегриро­ванное устройство - это небольшая пластинка из чистого кремния, на которой являются миниатюрные электронные элементы: транзи­сторы, резисторы и тому подобное.  
       Таких элементов на квадратном сантиметре сначала было несколько тысяч. Значительно увеличились быстродействие (до нескольких миллионов операций за секунду) и объем оперативной намяти. Развилось программное обеспечение. Удобство в пользова­нии открыло широкий доступ к компьютерам. Пользователям нет потребности работать непосредственно с вну­тренностями компьютера не отходя ни на шаг, так- как есть пульт управления. Для работы им предоставлены терминалы (кла­виатура, дисплей и устройства введения - выведения), которые мо­гут быть отдалены от компьютера на немалые расстояния.

14

Для сохранения ин­формации используют магнитные ленты и магнитные диски. Маг­нитные носители информации стали вытеснять перфо­карты и перфо­ленты. Начался переход к информатике. Было реали­зовано мульти­программирование (это когда в памяти находится несколько выпол­няемых программ, что дает эффект экономии ре­сурсов процессора). 

Машины третьего поколения - серия "ІВМ-360", "ІВМ-370" в США, серия ЭС в нашей стране - аналог серии "ІBM". Разра­ботка проекта машины третьего поколения стоила фирме ІBM в 60-х годах 5 миллиардов долларов.  

Компьютеры четвертого поколения 

Элементной базой компьютеров четвертого поколения яв­ляются крупномасштабные интегрированные устройства. Прогресс, в физике, полупроводников дал возможность разместить большое количество элементов на маленьком кристалле кремния (десятки тысяч на квадратном сантиметре). Кроме того, на одном кристалле кремния стало возможно разместить устройство, которое воссоздает работу процессора. Такие кристаллические процессоры называются микропроцессорами. Это обусловило появление микрокалькулято­ров, персональных компьютеров, которые можно размещать на обычном рабочем столе, а также мощных много процессорных компьютеров. Увеличились быстродействие (к миллиарду операций за секунду), емкость оперативной памяти, удобство в пользовании. Массовое производство и сбыт обеспечили резкое снижение цен на компьютерную технику.  

Пользователь снова сел за пульт управления, но уже пер­сонального компьютера. Мощнейшие машины четвертого поколе­ния: "Эльбрус" в нашей стране, американские машины серии "Крей" и прочие.  
      

15

 На уровне четвертого поколения состоялось деление машин на большие вычислительные машины и персональные компьютеры.  В конце 70-х – начале 80-х популярностью пользовался компьютера Apple, разработанный Стивом Джобсом и Стивом Возняком. Позднее в массовое производство был запущен персо­нальный компьютер  IBM PC на процессоре Intel. 

1.6 Компьютер пятого поколения. 

Элементной базой компьютеров пятого поколения стали очень большие масштабные интегрированные устройства, которые содержат сотни тысяч элементов на квадратном сантиметре. В 1980 г. японское правительство и некоторые фирмы объявили десятилетнюю программу создания компьютерной системы пятого поколения, которое должна была базироваться на использовании ис­кусственного интеллекта, экспертных систем и естественного языка общения. Эту программу назвали "японским вызовом", по­скольку авангардная роль в области компьютерной техники сегодня належит США.  Сейчас выделяют , ещё пять поколений персонального PENTIUMа плюс новая оперативка, беспроводная связь, управление голосом, передача запаха, 200 гигабайт в кармане и 20 на одном дис­ке, размер калькулятора… 

16

Суперкомпьютеры

Первые суперкомпьютеры появились уже среди компьютеров второго поколения, они были предназначены для решения сложных задач, требовавших высокой скорости вычислений. Это LARC фирмы UNIVAC, Stretch фирмы IBM и "CDC-6600"(семейство CYBER) фирмы Control Data Corporation, в них были применены методы параллельной обработки (увеличивающие число операций, выполняемых в единицу времени), конвейеризация команд (когда во время выполнения одной команды вторая считывается из памяти и готовится к выполнению) и параллельная обработка при помощи процессора сложной структуры, состоящего из матрицы процессоров обработки данных и специального управляющего процессора, который распределяет задачи и управляет потоком данных в системе. Компьютеры, выполняющие параллельно несколько программ при помощи нескольких микропроцессоров, получили название мультипроцессорных систем. Отличительной особенностью суперкомпьютеров являлись векторные процессоры, оснащенные аппаратурой для параллельного выполнения операций с многомерными цифровыми объектами - векторами и матрицами. В них были встроены векторные регистры и параллельный конвейерный механизм обработки. Если на обычном процессоре программист выполнял операции над каждым компонентом вектора по очереди, то на векторном - выдавал сразу векторые команды. Компьютеры фирмы Cray Research были классикой в области векторноконвейерных суперкомпьютеров. Существует легенда, что первый суперкомпьютер Cray был собран в гараже, однако этот гараж был размером 20 х 20 метров, а платы для нового компьютера заказывались на лучших заводах США. В 1964 году был создан компьютер CDC6600, а в 1969 году - CDC7600, вошедшие в семейство CYBER.

17

Для повышения быстродействия в суперкомпьютерах семейства CYBER использовались методы конвейерной и параллельной обработки при помощи процессора сложной структуры, состоящего из матрицы процессоров обработки данных и специального управляющего процессора, который распределял задачи и управлял потоком данных в системе. В 1972 году был создан сверхпроизводительный компьютер ILIAC4 (США) с конвейерной архитектурой, включавшей 64 процессора. Это был наиболее крупный проект среди компьютеров третьего поколения. Разрабатывали компьютер сотрудники Илинойского университета во главе с Д.Слотником. Компьютер был предназначен для решения системы уравнений в частных производных при помощи итерационных разностных схем. Решение такой задачи могло быть ускорено в 64 раза по сравнению с последовательным вычислением на однопроцессорном компьютере. Максимальное быстродействие компьютера составляло 200Млн.операций в секунду. Приведем параметры суперкомпьютера CONVEX C-3440. Суперкомпьютер включал в себя 4 векторных процессора, 1 процессор ввода-вывода, объем физической памяти составлял 512 Мб, объем виртуальной памяти до 4 Гб, объем памяти на жестких дисках 4,5 Гб, 9-дорожечный накопитель на магнитной ленте, интерфейс Ethernet (10 Мбит/сек), 16-канальный мультиплексор. Пиковая производительность суперкомпьютера составляла 800 Мфлоп/сек. В 1989 году была пущена в опытную эксплуатацию векторноконвейерная супер ЭВМ Электроника ССБИС разработки Института проблем кибернетики РАН и предприятий электронной промышленности. Производительность в однопроцессорном варианте составляла 250 MFLOPS, передача данных между массовой интегральной памятью и оперативной памятью осуществлялась под управлением специализированного процессора, реализующего произвольные методы доступа.