Файл: История развития средств вычислительной техники (подробно).pdf

Американский математик Джордж Стибиц, во время работы в фирме «Bell Telephone Labs» также пришел к выводу о естественном языке булевой логики, служащим основой работы систем электромеханических реле. Одним из первых он разработал электромеханическую схему для реализации операции двоичного сложения – двоичный сумматор (прил. Г, рис. 1), а уже
в 1939 г. вместе с инженером-электриком Сэмюелом Уильямсом, создал вычислительную машину «Bell-1» для оперирования комплексными числами Дж. Стибиц назвал свою машину табулятором комплексных чисел, и в январе 1940 г. ее начали использовать в управлении фирмы.

В 1942 г. была сконструирована машина «Bell-2», автоматически управляемая программой (в «Bell-1» этого реализовано не было), с применением встроенной системы обнаружения ошибок, прекращающей процесс вычислений в случае отказа (несработки) реле.

Любая новая разработка Дж. Стибица являлась очередным шагом к созданию универсальной цифровой вычислительной машины: «Bell-3» - управлялась с помощью записанной на перфоленту программы и содержала устройство умножения, средства автоматического просмотра таблиц, записанных на бумажную перфоленту, запоминающее устройство на 10 слов.

Последней построенной релейной машиной, стала «Bell-5», оперировавшая 7-разрядными десятичными числами, имевшая арифметику с плавающей точкой и многопроцессорную систему.

В 1937 г. математиком Говардом Эйкеным в США была предложена идея создания большой счетной машины, спонсорам данной работы выступил президент компании IBM Т. Уотсон. Проектирование «Mark-1» началось в 1939 г., строило этот компьютер нью-йоркское предприятие IBM.

В качестве переключательных устройств в машине Г. Эйкена использовались электромеханические реле. Программы обработки данных были записаны на перфоленты. В отличие от Дж. Стибица, Г. Эйкен еще не осознал преимуществ двоичной системы счисления, поэтому данные вводились в машину в виде десятичных чисел, закодированных на перфокартах фирмы IBM (прил. Г, рис. 2).

«Mark-1» достигал почти 17 м в длину и более 2,5 м в высоту, содержал около 750 тыс. деталей, из них 3 304 электромеханических реле. Детали были соединены проводами общей протяженностью около 800 км, а общий вес машины достигал 5 т.

Работа над компьютером «Mark-2», представляющим собой многозадачную машину (наличие нескольких шин позволяло одновременно передавать из одной части компьютера в другую несколько чисел) шла с 1945 по 1947 г. в интересах ВМФ США. Также были созданы третий и даже четвертый варианты компьютера «Mark-1», но уже без поддержки фирмы IBM.

---

Г. Эйкен, вернувшись в университет, первым в мире начал чтение лекций по новому тогда предмету, получившему название Computer Science – наука о компьютерах. Он же первым предложил использовать машины в деловых расчетах и бизнесе.

2.2. Электронный период (с 40-х годов XX века по настоящее время).

В 40-ые года прошлого века существовали объективные предпосылки к возникновению электронной вычислительной техники (табл. 2.1).

Таблица 2.1 – Основы возникновения электронной вычислительной техники.

№ п/п	Наименование	Характеристика
1	Математические	двоичная система счисления (Г.В. Лейбниц)
		алгебра логики (Дж. Буль)
2	Алгоритмические	абстрактная машина Тьюринга
3	Технические	развитие электроники (Т. Эдисон, Г. Браун, М. Бонч-Бруевич)
4	Теоретические	компиляция электроники и логики (К. Шеннон)

Появление электронно-вычислительных машин обусловлено возникновением острой необходимости в очень трудоемких и точных расчетах (атомная физика, теория динамик полета и управления летательными аппаратами и т.п.).

Известный американский математик Н. Винер уже в то время сформировал ряд требований к вычислительным машинам:

1) для обеспечения максимального быстродействия – основываться на электронных лампах;

2) применение более экономичной двоичной, а не десятичной системы счисления;

3) способность к самообучению машины для последующей коррекции своих действия.

С переходом на безынерционные электронные элементы в вычислительной технике наступил существенный прогресс. Вычислительные машины, построенные на электронных триггерных схемах, использующих вакуумные триоды, открыли новое направление в вычислительной технике, их стали называть «электронные вычислительные машины» (прил. Д, рис. 1).

Первой попыткой создания ЭВМ была разработка американского профессора Джона Атанасова, который в 1939 г. опубликовал концепцию современной вычислительной машины:

1) применение электричества и последних достижений электроники;

2) работа основывается на двоичной системе счисления;

3) запоминающее устройство – на основе применений конденсаторов;

4) выполнение расчетов с помощью логических, а не математических действий.

---

В 1939 г. Дж. Атанасов вместе со своим ассистентом Клиффордом
Э. Берри построил и испытал первую вычислительную машину, предназначенную для решения систем линейных уравнений с тридцатью неизвестными.

Огромное влияние на развитие вычислительной техники оказали теоретические разработки А. Тьюринга, который в качестве вспомогательного средства использовал мощное, хотя и существующее лишь в его воображении, вычислительное устройство, в котором он описал основные свойства современного компьютера: контрольный модуль и читающая/пишущая головки (устройства ввода/вывода) ленты, разделенной на клетки.

Алан Тьюринг участвовал в послевоенные годы в создании мощного компьютера – машины с хранимыми в памяти программами, ряд свойств которой он взял от своей гипотетической универсальной машины. Опытный образец компьютера АСЕ (Automatic Соmputing Engine – автоматическое вычислительное устройство) вступил в эксплуатацию в мае 1950 г.

Первая ламповая машина появилась в конце 1943 года в Англии (Colossus) и содержала в себе около 2000 электровакуумных ламп. Сейчас данная ЭВМ восстановлена и хранится в музее местечка Блетчли-Парк, где она была создана.

В вычислительной технике существует своеобразная периодизация развития ЭВМ, согласно соответствующих поколений (табл. 2.2), основанных на единых научных подходах и технических принципах проектирования и построения. Границы поколений во времени размыты, так как в одно и то же время выпускались машины совершенно разного уровня, а даты фиксированы лишь сроками промышленного производства.

Таблица 2.2 – Поколения ЭВМ.

Поколения ЭВМ	В мире	В России
I поколение	1946-1955	1948-1958
II поколение	1955-1964	1959-1967
III поколение	1964-1973	1968-1973
IV поколение	1974 – по настоящее время

Проект первой в мире ЭВМ был предложен в 1942 г. американцами
Дж. Моучли и Дж. Эккертом – «Эниак» (ЕNIАС, Electronic Numerical Integrator and Calculator – электронный цифровой интегратор и калькулятор), подобно «Марку-1» Г. Эйкена, также предназначалась для решения задач баллистики, однако оказался способен решать достаточно широкий спектр математических задач из самых различных прикладных областей (прил. Д, рис. 2). Роль «Эниака» в развитии вычислительной техники определяется прежде всего тем, что это была первая работающая машина, в которой все действия – арифметические и логические операции, запоминание и хранение информации – были реализованы на электронных схемах.

---

В 1949 году английский исследователь Морис Уилкс при участии
А. Тьюринга завершил работу над созданием машины «Эдсак» (ЕDSAC, Еlectronic Delay Storage Automatic Calculator – электронный автоматический калькулятор с памятью на линиях задержки), которая полностью соответствовала архитектуре Дж. Неймана.

В 1951 г. при оказании консультативной помощи Дж. Неймана были завершены работы по созданию машины «Эдвак» (ЕDVАС, Electronic Discrete Variable Automatic Computer – электронный дискретный переменный компьютер), с оперативной памятью, в которой уже размещались программы.

В этом же 1951 г. Дж. Моучли и Дж. Эккерт также разработали машину «Юнивак» (UNIVAC, Universal Automatic Computer – универсальный автоматический компьютер) с хранимыми в памяти программами. Таких машин уже было выпущено 48 единиц, однако эта модель не является первым коммерческим компьютером – машина «ЛЕО» (LЕО от Lyons' Electronic Office) начала работать за несколько месяцев до того, как появилась «Юнивак».

В СССР в конце 1948 г. начались первые работы по созданию отечественной ЭВМ С. А. Лебедевым – малая электронная счетная машина (МЭСМ). Лебедев также независимо от Дж. Неймана обосновал принципы построения ЭВМ с хранимой в памяти программой, которые впоследствии и реализовал в МЭСМ. Ее не выпускалась серийно, технические характеристики даже для того времени были весьма скромными, тем не менее МЭСМ позволила опробовать ряд конструктивных и технологических принципов, используемых в вычислительной технике и до сих пор.

Наиболее же существенным результатом эксплуатации МЭСМ явилась подготовка первых в стране программистов и решение ряда принципиальных вопросов методики программирования.

У ЭВМ первые поколения выделяются следующие особенности: электронно-вакуумные лампы составляли базу, быстродействие достигало 10–20 тыс. операций в секунду, емкость оперативной памяти – до 2 Кбайт или 2048 машинных слов длиной 48 двоичных знаков, а процесс программирования бы в машинных кодах и крайне трудоемкий.

Важное событие, определившее возможность перехода на новую элементную базу в производстве компьютеров, произошло в 1926 г. Джулиус Эдгар Лилиэнфилд получил патент на «Метод и прибор для управления электрическими токами», в результате которого в 1948 г. сотрудники фирмы «Bell Telephone Laboratories» Дж. Бардин, У. Брайттен и У. Шокли разработали электронный прибор, способный заменить электронную лампу, – первый точечный германиевый транзистор. Его достоинства крайне велики и значимы для всей схемотехники в целом: 1 транзистор заменял 40 электронных ламп, работал с большей скоростью, выделяет крайне мало тепла и почти не потребляет электроэнергии, средний срок службы в тысячи раз превосходит продолжительность работы ламп.

---

Изменилась и технология соединения элементов, появились первые печатные платы. Такая формальная замена одного типа элементов на другой существенно повлияла на все характеристики ЭВМ: габариты, надежность, производительность, условия эксплуатации, стиль программирования и работы на машине. Изменился технологический процесс изготовления ЭВМ.

В 1959 г. в МГУ завершилась разработка уникальной троичной ЭВМ «Сетунь» (прил. Е, рис. 1), под руководством Н.П. Брусенцова, единственной в своем роде ЭВМ, не имеющей аналогов в истории вычислительной техники. В троичной цифровой вычислительной технике Н.П. Брусенцов применил трехзначные сигналы и трехстабильные элементы памяти (триты), которые могут принимать три значения (-1, 0, +1), и использовал аналог байта – трайт (шестерка тритов).

В 1964 г. начался выпуск ЭВМ семейства «Урал» второго поколения. Разработка этих ЭВМ велась в Пензенском научно-исследовательском институте математических машин (НИИММ), а выпускались они на Пензенском заводе вычислительных электронных машин (ВЭМ).

Примерно в эти же года было организовано производство ЭВМ
«Минск-2», первая универсальная советская ЭВМ второго поколения, предназначенной для решения общих научных и инженерных задач. В 1966 г. была завершена разработка «БЭСМ-6», выпускавшуюся потом 20 лет –
с 1967-го по 1987-й года. Серийный выпуск ЭВМ «Раздан» был начат
в 1958 г. Ереванском научно-исследовательском институте математических машин (ЕрНИИММ).

Если рассматривать зарубежные разработки, несомненно, особое внимание стоит уделить разработкам Массачусетского технологического института, в котором был разработан первый экспериментальный компьютер на транзисторах ТХ-0 (1953-1955 гг). В 1955 г. Bell Laboratories анонсировала первый полностью транзисторный компьютер TRADIC, который содержал 700-800 транзисторов и 10 000 диодов.

В 1958 г. была создана система SAGE (Semi-Automatic Ground Environment), осуществлявшая объединение радарных станций США и Канады в первую крупномасштабную компьютерную сеть. Воздушная система защиты базировалась на компьютере «Whirlwind II» (прил. Е,
рис. 2). В 1959 г. был создан первый мини-компьютер, предназначенный для управления технологическими процессами с обработкой информации о протекающем процессе, подназванием PDP1, разработанный корпорацией «DEC» (Digital Eguipment Corporation). Среди серийных моделей универсальных компьютеров следует отметить компьютеры «Гамма-60» и «Атлас», в которых впервые была применена страничная организация машинной памяти, а высокое номинальное быстродействие компьютера достигалось за счет применения мультипрограммного управления (одновременно могло выполняться до 4 команд), высокочастотных транзисторов, высокой скорости работы арифметического устройства, внутренних и внешних запоминающих устройств.

---