Файл: История развития средств вычислительной техники. ..pdf

Заключительный период (40-е годы XX века) электромеханического этапа развития вычислительной техники характеризуется созданием целого ряда сложных релейных и релейно-механических систем с программным управлением, характеризующихся алгоритмической универсальностью и способных выполнять сложные научно-технические вычисления в автоматическом режиме со скоростями, на порядок превышающими скорость работы арифмометров с электроприводом.

Конрад Цузе явился пионером создания универсальной вычислительной машины с программным управлением и хранением информации в запоминающем устройстве. Однако его первая модель Z-1 (положившая начало серии Z-машин) идейно уступала конструкции Бэббиджа - в ней не предусматривалась условная передача управления. Также, в будущем, были разработаны модели Z-2 и Z-3.

В те годы К. Цузе пришел к выводу, что будущие компьютеры будут основаны на следующих шести принципах:

1. двоичная система счисления;
2. использование устройств, работающих по принципу «да/нет»;
3. полностью автоматизированный процесс работы вычислителя;
4. программное управление процессом вычислений;
5. поддержка арифметики с плавающей запятой;
6. использование памяти большой емкости.

Последним крупным проектом релейной вычислительной техники следует считать построенную в 1957 году в СССР релейную вычислительную машину РВМ-1 и эксплуатировавшийся до конца 1964 года в основном для решения экономических задач. Создание модели РВМ-1 хоть и было весьма запоздалым, но проект ее был чрезвычайно удачным и представляется нам венцом развития релейной ВТ; РВМ-1 на целом ряде задач была вполне конкурентоспособна с ЭВМ того времени, весьма надежна и ее быстродействие было на уровне первых малых ЭВМ.

1.4 Электронный этап развития вычислительной техники

Электронно-вычислительные машины появились, когда возникла острая необходимость в очень трудоемких и точных расчетах, особенно в таких областях, как атомная физика, теория динамик полета и управления летательными аппаратами.

В связи с переходом на электронные безынерционные элементы произошел качественный скачок быстродействия. Работы, которые привели к созданию совершенно новой области техники – электроники, были начаты еще в конце XIX в.^[8]

В силу своей физико-технической природы релейная вычислительная техника не давала значительно увеличить быстроту вычислений; для данного нужен был переход на электронные безинерционные элементы повышенного быстродействия.

В начале XX века изобретатели заострили своё внимание на возможность использования в счет­ных приборах новых частей – электромагнитных реле. В 1941 году немецкий инженер Конрад Цузе, изобрёл вычислительное устройство, функционирующее на таких реле.

Практически вместе с ним, в 1943 году, американец Говард Эйкен при опоре на работы Бэббиджа и на основе техники 20-ого века – электромеханических реле – сумел собрать на одном из заводов компании IBM легендарный гарвардский «Марк-1» (а позднее еще и «Марк-2»). «Марк-1» был громадным в длину почти 17 м. и в высоту более 2,5 м. и имел вес приблизительно 4500 кг., содержал примерно 765 000 деталей, располагал 60 регистрами для констант, 72 запоминающими регистрами для сложения, центральным блоком умножения и деления, мог вычислять элементарные трансцендентные функции. Машина работала с 23-значными десятичными числами и выполняла операции сложения за 0,3 секунды, а умножения – за 3 секундыи деление за 15, 3 секунды. Однако Эйкен допустил 2 ошибки: первая состояла в том, что обе эти машины были вероятнее электромеханическими, а не электронными; вторая – то, что Эйкен не шёл той концепции, что программы должны находится в памяти компьютера, как и выходные данные.

Практически одновременно в Великобритании начала работать новейшая вы­чис­ли­тель­ная машина на реле, которая нужна была для декодирования приказов и сведений, транслирующихся немецким «Энигмой». В начале второй половины XX века необходимость в автоматизации вычислений (в том числе для военных нужд) стала первостепенной задачей, так что над разаботкой машин, наподобие "Марк-2" и "Марк-3" работало одновременно несколько групп инженеров-конструкторов во многих странах.

Работа по изобретению первой электронно-вы­чис­ли­тель­ной машины была начата, скорее всего, в 1937 году в штатах профессором Джоном Атанасовым ( мигрировавший болгарин). Данная машина была специально предназначана для решения задач мат. физики. При повелении исследований Атанасов изобрёл и запатентовал первые электронные устройства, которые в дальнейшем использовались довольно широко в первых компьютерах. Полностью Атанасовне успел завершить проект, но через несколько десятков лет в итоге судебного разбирательства Джона Атанасова признали родоначальником электронной вычислительной техники.

Глава 2. Характеристика поколений ЭВМ

2.1. Первое поколение ЭВМ 1950-1960-е годы

Начиная с 1943 года группа специалистов под руководством Говарда Эйкена, Дж. Моучли и П. Эккерта в США начала конструировать вычислительную машину на основе электронных ламп, а не на электромагнитных реле. Эта машина была названа ENIAC (Electronic Numeral Integrator And Computer) и работала она в тысячу раз быстрее, чем «Марк-1». ENIAC содержал 18 тысяч вакуумных ламп, занимал площадь 915× метров, весил 30 тонн и потреблял мощность 150 киловатт. ENIAC имел и существенный недостаток – управление им осуществлялось с помощью коммутационной панели, у него отсутствовала память, и для того чтобы задать программу приходилось в течение нескольких часов или даже дней подсоединять нужным образом провода. Худшим из всех недостатков была ужасающая ненадежность компьютера, так как за день работы успевало выйти из строя около десятка вакуумных ламп.

Чтобы упростить процесс задания программ, Моучли и Эккерт стали конструировать новую машину, которая могла бы хранить программу в своей памяти. В 1945 году к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман, который подготовил доклад об этой машине. В этом докладе фон Нейман ясно и просто сформулировал общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств, т.е. компьютеров. Это первая действующая машина, построенная на вакуумных лампах, официально была введена в эксплуатацию 15 февраля 1946 года. Эту машину пытались использовать для решения некоторых задач, подготовленных фон Нейманом и связанных с проектом атомной бомбы. Затем она была перевезена на Абердинский полигон, где работала до 1955 года.^[9]

ENIAC стал первым представителем 1-го поколения компьютеров. Любая классификация условна, но большинство специалистов согласилось с тем, что различать поколения следует исходя из той элементной базы, на основе которой строятся машины. Таким образом, первое поколение представляется ламповыми машинами. Устройство и работа компьютера по «принципу фон Неймана»

Необходимо отметить огромную роль американского математика фон Неймана в становлении техники первого поколения. Нужно было осмыслить сильные и слабые стороны ENIAC и дать рекомендации для последующих разработок. В отчете фон Неймана и его коллег Г. Голдстайна и А.Беркса (июнь 1946 года) были четко сформулированы требования к структуре компьютеров. Отметим важнейшие из них:

• машины на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления;
• программа, как и исходные данные, должна размещаться в памяти машины;
• программа, как и числа, должна записываться в двоичном коде;
• трудности физической реализации запоминающего устройства, быстродействие которого соответствует скорости работы логических схем, требуют иерархической организации памяти (то есть выделения оперативной, промежуточной и долговременной памяти);
• арифметическое устройство (процессор) конструируется на основе схем, выполняющих операцию сложения; создание специальных устройств для выполнения других арифметических и иных операций нецелесообразно;
• в машине используется параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над числами производятся одновременно по всем разрядам).^[10]

Практически все рекомендации фон Неймана впоследствии использовались в машинах первых трех поколений, их совокупность получила название «архитектура фон Неймана». Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 году английским исследователем Морисом Уилксом. С той поры компьютеры стали гораздо более мощными, но подавляющее большинство из них сделано в соответствии с теми принципами, которые изложил в своем докладе в 1945 года Джон фон Нейман.

Новые машины первого поколения сменяли друг друга довольно быстро. В 1951 году заработала первая советская электронная вычислительная машина МЭСМ, площадью около 50 квадратных метров. МЭСМ имела 2 вида памяти: оперативное запоминающее устройство, в виде 4 панелей высотой в 3 метра и шириной 1 метр; и долговременная память в виде магнитного барабана объемом 5000 чисел. Всего в МЭСМ было 6000 электронных ламп, а работать с ними можно было только после 1,5-2 часов после включения машины. Ввод данных осуществлялся с помощью магнитной ленты, а вывод – цифропечатающим устройством, сопряженным с памятью. МЭСМ могла выполнять 50 математических операций в секунду, запоминать в оперативной памяти 31 число и 63 команды (всего было 12 различных команд), и потребляла мощность равную 25 киловаттам.

В 1952 году на свет появилась американская машина EDWAC. Стоит также отметить построенный ранее, в 1949 году, английский компьютер EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator) – первую машину с хранимой программой. В 1952 году советские конструкторы ввели в эксплуатацию БЭСМ – самую быстродействующую машину в Европе, а в следующем году в СССР начала работать «Стрела» – первая в Европе серийная машина высокого класса. Среди создателей отечественных машин в первую очередь следует назвать имена С.А. Лебедева, Б.Я. Базилевского, И.С. Брука, Б.И. Рамеева, В.А. Мельникова, М.А. Карцева, А.Н. Мямлина. В 50-х годах появились и другие ЭВМ: «Урал», М-2, М-3, БЭСМ 2, «Минск 1», – которые воплощали в себе все более прогрессивные инженерные решения.

Возможности машин первого поколения были достаточно скромны. Так, быстродействие их по нынешним понятиям было малым: от 100 («Урал-1») до 20 000 операций в секунду (М-20 в 1959 году). Эти цифры определялись в первую очередь инерционностью вакуумных ламп и несовершенством запоминающих устройств. Объем оперативной памяти был крайне мал – в среднем 2 048 чисел (слов), этого не хватало даже для размещения сложных программ, не говоря уже о данных. Промежуточная память организовывалась на громоздких и тихоходных магнитных барабанах сравнительно небольшой емкости (5 120 слов у БЭСМ-1). Медленно работали и печатающие устройства, а также блоки ввода данных. Если же остановиться подробнее на устройствах ввода-вывода, то можно сказать, что с начала появления первых компьютеров выявилось противоречие между высоким быстродействием центральных устройств и низкой скоростью работы внешних устройств. Кроме того, выявилось несовершенство и неудобство этих устройств. Первым носителем данных в компьютерах, как известно, была перфокарта. Затем появились перфорационные бумажные ленты или просто перфоленты. Они пришли из телеграфной техники после того, как в начале XIX в. отец и сын из Чикаго Чарлз и Говард Крамы изобрели телетайп.

ЭВМ первого поколения, эти жесткие и тихоходные вычислители, были пионерами компьютерной техники. Они довольно быстро сошли со сцены, так как не нашли широкого коммерческого применения из-за ненадежности, высокой стоимости, трудности программирования.

2.2 Второе поколение ЭВМ: 1960-1970-е годы

Элементной базой второго поколения стали полупроводники. Без сомнения, транзисторы можно считать одним из наиболее впечатляющих чудес XX века.

Патент на открытие транзистора был выдан в 1948 году американцам Д. Бардину и У.Браттейну, а через восемь лет они вместе с теоретиком В. Шокли стали лауреатами Нобелевской премии. Скорости переключения уже первых транзисторных элементов оказались в сотни раз выше, чем ламповых, надежность и экономичность – тоже. Впервые стала широко применяться память на ферритовых сердечниках и тонких магнитных пленках, были опробованы индуктивные элементы – параметроны.

Первая бортовая ЭВМ для установки на межконтинентальной ракете – «Атлас» – была введена в эксплуатацию в США в 1955 году. В машине использовалось 20 тысяч транзисторов и диодов, она потребляла 4 киловатта. В 1961 году наземные компьютеры «стретч» фирмы «Бэрроуз» управляли космическими полетами ракет «Атлас», а машины фирмы IBM контролировали полет астронавта Гордона Купера. Под контролем ЭВМ проходили полеты беспилотных кораблей типа «Рейнджер» к Луне в 1964 году, а также корабля «Маринер» к Марсу. Аналогичные функции выполняли и советские компьютеры.^[11]