Файл: История развития средств вычислительной техники (Механический период).pdf
Добавлен: 14.05.2023
Просмотров: 261
Скачиваний: 2
Рисунок 8. Табулятор Холлерита
Работая в бюро по переписи населения, Холлерит использовал свою машину для обработки материалов массовых переписей. В 1896 г. он основал фирму по выпуску перфокарт и вычислительных (перфорационных) машин, которая позднее была преобразована в фирму IBM.
Начало XX в. было отмечено бурным развитием электротехники. Немалый вклад в нее внесли ученые США (Д. Пауэрс сконструировал автоматический карточный перфоратор; В. Буш - дифференциальный анализатор, т.е. первую аналоговую вычислительную машину, способную моделировать системы дифференциальных уровней; Д. Штибиц - машину, основанную на двоичной системе счисления, и др.), Германии (К. Зюс, независимо от Д. Штибица, создал такую же машину; К. Цуге - универсальную цифровую вычислительную машину с программным управлением, и др.), России (А.Н. Крылов построил первый в мире дифференциальный анализатор непрерывного действия). В это же время появились выполненные Г. Эдисоном описание явления электронной эмиссии и А. Тьюрингом - схемы абстрактной машины, а также разработанные К. Шенноном основные положения алгебры высказываний. Начинался новый период в истории вычислительной техники - электронный.
4. ЭЛЕКТРОННЫЙ ПЕРИОД
Развитие вычислительной техники в современном периоде принято рассматривать с точки зрения смены поколений компьютеров. Каждое поколение компьютеров в начальный момент развития характеризуется качественным скачком в росте основных характеристик компьютера, вызванным обычно переходом на новую элементную базу, а также относительной стабильностью архитектурных и логических решений.
Разбиение поколений компьютеров по годам весьма условно. В то время, как начиналось активное использование компьютеров одного поколения, создавались посылки для возникновения следующего. Кроме элементной базы и временного интервала используются следующие показатели развития компьютеров одного поколения: быстродействие, архитектура, программное обеспечение, уровень развития внешних устройств. Другим важным качественным показателем является широта области применения компьютеров.
1. Первое поколение компьютеров: 1938-1956 годы
С началом второй мировой войны правительства разных стран начали разрабатывать вычислительные машины, осознавая их стратегическую роль в ведении войны. Увеличение финансирования в значительной степени стимулировало развитие вычислительной техники. В 1930-е годы германские ученые и инженеры разработали принципы построения электронных вычислительных машин на основе уже работавших в те времена табуляторов Холлерита и механических арифмометров. В 1940 году была запущена первая в мире электронная вычислительная машина Z1, созданная под руководством немецкого инженера Конрада Цузе, а в следующем, 1941 году - значительно усовершенствованная модель Z2, выполнявшая расчеты, необходимые при проектировании самолетов и баллистических ракет Вернера фон Брауна, а также использовавшаяся для вычисления критической массы ядерной реакции распада смеси урана 238 и 235, обогащением которой занималась германская промышленность в те годы, создавая первый атомный реактор на уране.
В 1943 году английские инженеры завершили создание вычислительной машины для дешифровки сообщений немецкой армии, названной «Колосс». Однако эти устройства не были универсальными вычислительными машинами, они предназначались для решения конкретных задач. В 1944 году, получив данные о немецких разработках через разведку, американский инженер Говард Эйкен при поддержке фирмы IBM сконструировал компьютер для выполнения баллистических расчетов. Этот компьютер, названный «Марк I», по площади занимал примерно половину футбольного поля и включал более 600 километров кабеля. В компьютере «Марк I» использовался принцип электромеханического реле, заключающийся в том, что электромагнитные сигналы перемещали механические части. «Марк I» был довольно медленной машиной: для того чтобы произвести одно вычисление требовалось 3-5 с. Однако, несмотря на огромные размеры и медлительность. «Марк I» управлялся с помощью программы, которая вводилась с перфоленты. Это дало возможность, меняя вводимую программу, решать довольно широкий класс математических задач.
В 1946 году американские ученые Джон Мокли и Дж. Преспер Эккерт сконструировали электронный вычислительный интегратор и калькулятор (ЭНИАК) - компьютер, в котором электромеханические реле были заменены на электронные вакуумные лампы. Применение вакуумных ламп позволило увеличить скорость работы ЭНИАК в 1000 раз по сравнению с «Марк I». ЭНИАК состоял из 18000 вакуумных ламп, 70000 резисторов, 5 миллионов соединительных спаек и потреблял 160 кВт электрической энергии, что по тем временам было достаточно для освещения большого города. ЭНИАК использовался для расчета баллистических таблиц, расчетов в области атомной энергетики (то есть повторением того, что делали немцы), аэродинамики.
Ранние вычислительные машины могли выполнять только команды, поступающие извне, причем команды выполнялись поочередно. Хотя использование перфокарт позволяло упростить процесс ввода команд, тем не менее, часто процесс настройки вычислительной машины и ввода команд занимал больше времени, чем собственно решение поставленной задачи. Сегодня среди несведущей толпы распространяется миф о том, что американец еврейского происхождения Янош Нейман (называющий себя «Фон Нейман») предложил включить в состав компьютера для хранения последовательности команд и данных специальное устройство - память. Это опровергается реальной историей, которая свидетельствует о том, что принципы последовательной обработки данных и их хранения в «памяти» вычислительной машины были разработаны и внедрены германскими специалистами в 1930-х - 1940 году. Первая статья Джона фон Неймана, посвященная способам организации вычислительного процесса, была опубликована в 1946 году, пять лет спустя запуска германской ЭВМ Z2. В действительности архитектура ЭВМ постоянно изменялась и дополнялась, но исходные принципы управления работой компьютера с помощью хранящихся в памяти программ, впервые разработанные и внедренные германскими инженерами, остались нетронутыми, Подавляющее большинство современных компьютеров построено именно по такой последовательной архитектуре. В 1945 году в рамках спецоперации спецслужб США были захвачены и вывезены в США сотни специалистов в области физики, химического производства, вычислительных машин, которыми были укреплены американские НИИ, КБ и производства, в том числе и фирма IBM, являвшаяся главным производителем механической вычислительной техники в США еще до начала XX века.
В 1951 году был создан первый компьютер, предназначенный для коммерческого использования, - УНИАК (универсальный автоматический компьютер). В 1952 году с помощью УНИАК был предсказан результат выборов президента США.
Работы по созданию вычислительных машин велись и в СССР. Так, в 1950 году в Институте электроники Академии наук Украины под руководством академика Сергея Алексеевича Лебедева была разработана и введена в эксплуатацию МЭСМ (малая электронная счетная машина). МЭСМ стала первой отечественной универсальной ламповой вычислительной машиной в СССР. В 1952-1953 годах МЭСМ оставалась самой быстродействующей (50 операций в секунду) вычислительной машиной в Европе. Принципы построения МЭСМ были разработаны С.А. Лебедевым независимо от аналогичных работ на Западе.
В компьютерах первого поколения использовался машинный язык - способ записи программ, допускающий их непосредственное исполнение на компьютере. Программа на машинном языке представляет собой последовательность машинных команд, допустимых для данного компьютера. Процессор непосредственно воспринимает и выполняет команды, выраженные в виде двоичных кодов. Для каждого компьютера существовал свой собственный машинный язык. Это также ограничивало область применения компьютеров первого поколения.
Появление первого поколения компьютеров стало возможно благодаря трем техническим новшествам: электронным вакуумным лампам, цифровому кодированию информации и созданию устройств памяти на электростатических трубках. Компьютеры первого поколения имели невысокую производительность: до нескольких тысяч операций в секунду. Средства программирования и программного обеспечение еще не были развиты, использовался низкоуровневый машинный язык. Область применения компьютеров была ограничена.
2. Второе компьютеров: 1956-1963 годы
вакуумные лампы большое количество , поглощали много энергии, были , дорогими и . Как бедствие, первого поколения, на вакуумных , обладали низким и невысокой . В 1947 году американской компании «» Уильям Шокли, Бардин и Бреттейн изобрели . Транзисторы выполняли же функции, и электронные , но использовали свойства полупроводников. сравнению с трубками транзисторы в 200 раз места и в 100 раз электроэнергии. В же время новые устройства организации памяти - ферритовые сердечники транзистора и новых технологий данных в появилась возможность уменьшить размеры , сделать их быстрыми и , а также увеличить емкость компьютеров.
В 1954 компания Texas объявила о серийного производства , а в 1956 ученые Массачусетского института создали полностью построенный транзисторах компьютер.
язык, применявшийся первом поколении , был крайне для восприятия . Числовая кодировка , адресов ячеек обрабатываемой информации, вида программы ее места памяти не возможности следить смыслом программы. преодоления этих был придуман ассемблер. Для кодов операций обрабатываемой информации ассемблере используются обозначения, позволяющие числа и в общепринятой , а для команд - принятые обозначения. Для величин, размещаемых памяти, можно любые имена, смыслу программы. ввода программы сам заменяет имена на памяти, а коды команд числовые. Использование сделало процесс программ более .
В конце 50- - начале 60-х компьютеры второго стали интенсивно государственными организациями крупными компаниями решения различных . К 1965 году часть крупных обрабатывала финансовую с помощью . Постепенно они черты современного компьютера. Так, этот период сконструированы такие , как графопостроитель принтер, носители на магнитной и магнитных и др.
области применения потребовало создания технологий программирования. обеспечение, написанное языке ассемблер одного компьютера, непригодно для на другом . По этой , в частности, удавалось создать операционную систему - управляющую программу , так как производитель компьютеров свою операционную на своем .
Специалисты, использующие своей деятельности , вскоре ощутили в более языках, которые упрощали процесс , а также переносить программы одного компьютера другой. Подобные программирования получили языков высокого . Для их необходимо иметь (или интерпретатор), есть программу, преобразует операторы в машинный данного компьютера.
из первых программирования высокого стал Фортран ( - FORmula TRANslation), предназначался для сражения математических и стал популярен среди . Нa Фортране писать большие , разбивая задачу несколько частей (), которые программируются , а затем в единое . Так как предназначен в для вычислений, нем отсутствовали средства работы структурами данных. недостаток был в языке (COBOL - Common Oriented Language). специально предназначался обработки финансово- данных. Кроме , разработчики постарались Кобол максимально на естественный язык, что писать программы этом языке неспециалистам в . Со вторым компьютеров началось индустрии программного . В целом, период развития техники характеризуется для создания транзисторов и на ферритовых , увеличением быстродействия до нескольких тысяч операций секунду, возникновением технологий программирования, программирования высокого , операционных систем. второго поколения широкое распространение, использовались для , инженерных и расчетов, для больших объемов на предприятиях, банках, государственных .
3. Третье поколение компьютеров: 1964-1977 годы
В 1958 инженер компании Texas Instruments Джек Килби предложил идею интегральной микросхемы - кремниевого кристалла, на который монтируются миниатюрные транзисторы и другие элементы. В том же году Килби представил первый образец интегральной микросхемы, содержащий пять транзисторных элементов на кристалле германия. Микросхема Килби занимала чуть больше сантиметра площади и была несколько миллиметров толщиной. Год спустя, независимо от Килби, Нойс разработал интегральную микросхему на основе кристалла кремния. Последствии Роберт Нойс основал компанию «Интел» по производству интегральных микросхем. Микросхемы работали значительно быстрее транзисторов и потребляли значительно меньше энергии.
Первые интегральные микросхемы состояли всего из нескольких элементов. Однако, используя полупроводниковую технологию, ученые довольно быстро научились размещать на одной интегральной микросхеме сначала десятки, а затем сотни и больше транзисторных элементов.
В 1964 году компания IBM выпустила компьютер 1MB System 360, построенный на основе интегральных микросхем. Семейство компьютеров IBM System 360 - самое многочисленное семейство компьютеров третьего поколения и одно из самых удачных в истории вычислительной техники. Выпуск этих компьютеров можно считать началом массового производства вычислительной техники. Всего было выпущено более 20 000 экземпляров System 360.
1MB System 360 относится к классу так называемых мэйнфреймов. Компания DEC (Digital Equipment Corporation) представила модель миникомпьютера PDP-8. Мини-компьютеры, или компьютеры средней производительности, характеризуются высокой надежностью и сравнительно низкой стоимостью. Низкая по сравнению со стоимостью суперкомпьютеров стоимость миникомпьютеров позволила начать применять их в небольших организациях - исследовательских лабораториях, офисах, на небольших промышленных предприятиях.
В то же время проходило совершенствование программного обеспечения. Операционные системы строились таким образом, чтобы поддерживать большее количество внешних устройств, появились первые коммерческие операционные системы и новые прикладные программы. В 1968 году на одной из конференций Дуглас Энгельбарт из Станфордского института продемонстрировал созданную им систему взаимодействия компьютера с пользователем, состоящую из клавиатуры, указателя «мышь» и графического интерфейса, а также некоторые программы, в частности текстовый процессор и систему гипертекста. В 1964 году появился язык программирования Бейсик (BASIC - Beginner's All-Purpose Symbolic Instruction Code), предназначенный для обучения начинающих программистов. Бейсик обеспечивал быстрый ввод и проверку программ. Бейсик не очень подходил для написания серьезных программ, однако он давал общее представление о программировании и позволял многим далеким от компьютеров людям быстро овладеть основными навыками программирования. В 1970 году щвейцарец Никлас Вирт разработал язык программирования Паскаль, также предназначенный для обучения принципам программирования. Создававшийся как язык для обучения, Паскаль оказался очень удобен для решения многих прикладных задач. Он прекрасно обеспечивал применение методов структурного программирования, что стало необходимо при создании больших программных систем.