История создания вычислительной техники кратко. Реферат: История развития вычислительной техники. Развитие компьютерной техники

Стремительное развитие цифровой вычислительной техники (ВТ) и становление науки о принципах ее построения и проектирования началось в 40-х годах XX века, когда технической базой ВТ стала электроника и микроэлектроника, а основой для развития архитектуры компьютеров (называемых ранее ЭВМ) – достижения в области искусственного интеллекта.

До этого времени в течение почти 500 лет ВТ сводилась к простейшим устройствам для выполнения арифметических операций над числами. Основой практически всех изобретенных за 5 столетий устройств было зубчатое колесо, рассчитанное на фиксацию 10 цифр десятичной системы счисления. Первый в мире эскизный рисунок тринадцатиразрядного десятичного суммирующего устройства на основе таких колес принадлежит Леонардо да Винчи.

Первым реально осуществленным механическим цифровым вычислительным устройством стала "Паскалина" великого французского ученого Блеза Паскаля, которая представляла собой 6-ти (или 8-ми) разрядное устройство, на зубчатых колесах, рассчитанное на суммирование и вычитание десятичных чисел (1642 г.).

Через 30 лет после "Паскалины" в 1673 г. появился "арифметический прибор" Готфрида Вильгельма Лейбница - двенадцатиразрядное десятичное устройство для выполнения арифметических операций, включая умножение и деление.

В конце XVIII века во Франции произошли два события, имеющие принципиальное значение для дальнейшего развития цифровой вычислительной техники. К таким событиям относятся:

 изобретение Жозефом Жакардом программного управления ткацким станком с помощью перфокарт;

 разработка Гаспаром де Прони, технологии вычислений, разделившей численные вычисления на три этапа: разработка численного метода, составление программы последовательности арифметических действий, проведение собственно вычислений путем арифметических операций над числами в соответствии с составленной программой.

Указанные новшества позже были использованы англичанином Чарльзом Беббиджем, осуществившим, качественно новый шаг в развитии средств ВТ – переход от ручного к автоматическому выполнению вычислений по составленной программе . Им был разработан проект Аналитической машины - механической универсальной цифровой вычислительной машины с программным управлением (1830-1846 гг.). Машина состояла из пяти устройств: арифметическое (АУ); запоминающее (ЗУ); управления (УУ); ввода (УВВ); вывода (УВ).

Именно из таких устройств и состояли первые ЭВМ, появившиеся спустя 100 лет. АУ строилось на основе зубчатых колес, на них же предлагалось реализовать ЗУ (на тысячи 50-разрядных чисел). Для ввода данных и программы использовались перфокарты. Предполагаемая скорость вычислений - сложение и вычитание за 1 сек, умножение и деление - за 1 мин. Помимо арифметических операций имелась команда условного перехода.

Следует отметить, что хотя и были созданы отдельные узлы машины, всю машину из-за ее громоздкости создать не удалось. Только зубчатых колес для нее понадобилось бы более 50 000. Изобретатель намечал использовать паровую машину для приведения в действие своей аналитической машины.

В 1870 г. (за год до смерти Беббиджа) английский математик Джевонс сконструировал первую в мире "логическую машину", позволяющую механизировать простейшие логические выводы.

Создателями логических машин в дореволюционной России стали Павел Дмитриевич Хрущев (1849-1909) и Александр Николаевич Щукарев (1884-1936), работавшие в учебных заведениях Украины.

Гениальную идею Беббиджа осуществил американский ученый Говард Ай­кен, создавший в 1944 г. первый в США релейно-механический компьютер. Ее основные блоки – арифметики и памяти – были исполнены на зубчатых колесах. Если Беббидж намного опередил свое время, то Айкен, использовав все те же зубчатые колеса, в техническом плане при реализации идеи Беббиджа использовал устаревшие решения.

Следует отметить, что десятью годами ранее, в 1934 г. немецкий студент Конрад Цузе, работавший над дипломным проектом, решил сделать цифровую вычислительную машину с программным управлением. В этой машине впервые в мире была использована двоичная система исчисления. В 1937 г. машина Z1 произвела первые вычисления. Она была двоичной 22-х разрядной с плавающей запятой с памятью на 64 числа, и работала на чисто механической (рычажной) основе.

В том же 1937 г., когда заработала первая в мире механическая двоичная машина Z1, Джон Атанасов (болгарин по происхождению, живший в США) начал разработку специализированного компьютера, впервые в мире применив электронные лампы (300 ламп).

В 1942-43 годах в Англии была создана (с участием Алана Тьюринга) вычислительная машина "Колоссус". Эта машина, состоящая из 2000 электронных ламп, предназначалась для расшифровки радиограмм германского вермахта. Поскольку работы Цузе и Тьюринга были секретными, о них в то время знали немногие и они не вызвали какого-либо резонанса в мире.

Только в 1946 г. появилась информация об ЭВМ "ЭНИАК" (электронный цифровой интегратор и компьютер), созданной в США Д. Мочли и П. Эккертом, с применением электронной техники. В машине использовалось 18 тысяч электронных ламп, и она выполняла около 3-х тыс. операций в сек. Однако, машина оставалась десятичной, а ее память составляла лишь 20 слов. Программы хранились вне оперативной памяти.

Почти одновременно, в 1949-52 гг. ученые Англии, Советского Союза и США (Морис Уилкс, ЭВМ "ЭДСАК", 1949 г.; Сергей Лебедев, ЭВМ "МЭСМ", 1951 г.; Исаак Брук, ЭВМ "М1", 1952 г.; Джон Мочли и Преспер Эккерт, Джон фон Нейман ЭВМ "ЭДВАК", 1952 г.), создали ЭВМ с хранимой в памяти программой.

В общем случае выделяют пять поколений ЭВМ.

Первое поколение (1945-1954 ) характеризуется появлением техники на электронных лампах. Это эпоха становления вычислительной техники. Большинство машин первого поколения были экспериментальными устройствами и строились с целью проверки тех или иных теоретических положений. Вес и размеры этих компьютеров были такими, что они нередко требовали для себя отдельных зданий.

Основоположниками компьютерной науки по праву считаются Клод Шеннон – создатель теории информации, Алан Тьюринг – математик, разработавший теорию программ и алгоритмов, и Джон фон Нейман - автор конструкции вычислительных устройств, которая до сих пор лежит в основе большинства компьютеров. В те же годы возникла еще одна новая наука, связанная с информатикой, – кибернетика – наука об управлении как одном из основных информационных процессов. Основателем кибернетики является американский математик Норберт Винер.

Во втором поколении (1955-1964) вместо электронных ламп использовались транзисторы, а в качестве устройств памяти стали применяться магнитные сердечники и магнитные барабаны - далекие предки современных жестких дисков. Все это позволило резко уменьшить габариты и стоимость компьютеров, которые тогда впервые стали строиться на продажу.

Но главные достижения этой эпохи принадлежат к области программ. Во втором поколении впервые появилось то, что сегодня называется операционной системой. Тогда же были разработаны первые языки высокого уровня - Фортран, Алгол, Кобол. Эти два важных усовершенствования позволили значительно упростить и ускорить написание программ для компьютеров.

При этом расширялась сфера применения компьютеров. Теперь уже не только ученые могли рассчитывать на доступ к вычислительной технике, поскольку компьютеры нашли применение в планировании и управлении, а некоторые крупные фирмы даже начали компьютеризовать свою бухгалтерию, предвосхищая этот процесс на двадцать лет.

В третьем поколении (1965-1974) впервые стали использоваться интегральные схемы - целые устройства и узлы из десятков и сотен транзисторов, выполненные на одном кристалле полупроводника (микросхемы). В это же время появляется полупроводниковая память, которая и по сей день используется в персональных компьютерах в качестве оперативной.

В эти годы производство компьютеров приобретает промышленный размах. Фирма IBM первой реализовала серию полностью совместимых друг с другом компьютеров от самых маленьких, размером с небольшой шкаф (меньше тогда еще не делали), до самых мощных и дорогих моделей. Наиболее распространенным в те годы было семейство System/360 фирмы IBM, на основе которого в СССР была разработана серия ЕС ЭВМ. Еще в начале 60-х появляются первые миникомпьютеры - небольшие маломощные компьютеры, доступные по цене небольшим фирмам или лабораториям. Миникомпьютеры представляли собой первый шаг на пути к персональным компьютерам, пробные образцы которых были выпущены только в середине 70-х годов.

Между тем количество элементов и соединений между ними, умещающихся в одной микросхеме, постоянно росло, и в 70-е годы интегральные схемы содержали уже тысячи транзисторов.

В 1971 г. фирма Intel, выпустив первый микропроцессор, который предназначался для только-только появившихся настольных калькуляторов. Этому изобретению суждено было произвести в следующем десятилетии настоящую революцию. Микропроцессор является главной составляющей частью современного персонального компьютера.

На рубеже 60-х и 70-х годов двадцатого столетия (1969 г) зародилась первая глобальная компьютерная сеть ARPA, прототип современного Интернета. В том же 1969 г. одновременно появились операционная система Unix и язык программирования С ("Си"), оказавшие огромное влияние на программный мир и до сих пор сохраняющие свое передовое положение.

Четвертое поколение (1975 – 1985) характеризуется все меньшим количеством принципиальных новаций в компьютерной науке. Прогресс идет в основном по пути развития того, что уже изобретено и придумано, прежде всего за счет повышения мощности и миниатюризации элементной базы и самих компьютеров.

Самая главная новация четвертого поколения – это появление в начале 80-х годов персональных компьютеров. Благодаря персональным компьютерам вычислительная техника становится по-настоящему массовой и общедоступной. Несмотря на то, что персональные и миникомпьютеры по-прежнему в вычислительных мощностях отстают от больших машин, львиная доля новшеств, таких как графический пользовательский интерфейс, новые периферийные устройства, глобальные сети, связана появлением и развитием именно этой техники.

Большие компьютеры и суперкомпьютеры, конечно же, продолжают развиваться. Но теперь они уже не доминируют на компьютерной арене, как было раньше.

Некоторые характеристики вычислительной техники четырех поколений приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Поколения вычислительной техники

Пятое поколение (1986 до настоящего времени) в значительной мере определяется результатами работы японского Комитета научных исследований в области ЭВМ, опубликованными в 1981г. Согласно этому проекту ЭВМ и вычислительные системы пятого поколения кроме высокой производительности и надежности при более низкой стоимости с помощью новейших технологий, должны удовлетворять следующим качественно новым функциональным требованиям:

 обеспечить простоту применения ЭВМ путем реализации систем ввода/вывода информации голосом, а также диалоговой обработки информации с использованием естественных языков;

 обеспечить возможность обучаемости, ассоциативных построений и логических выводов;

 упростить процесс создания программных средств путем автоматизации синтеза программ по спецификациям исходных требований на естественных языках;

 улучшить основные характеристики и эксплуатационные качества вычислительной техники для удовлетворения различных социальных задач, улучшить соотношения затрат и результатов, быстродействия, легкости, компактности ЭВМ;

 обеспечить разнообразие вычислительной техники, высокую адаптируемость к приложениям и надежность в эксплуатации.

В настоящее время ведутся интенсивные работы по созданию оптоэлектронных ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой, представляющих собой распределенную сеть большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем

Для автоматизации работы с данными используют средства вычислительной техники.

Вычислительная техника (ВТ ) − это совокупность устройств, предназначенных для автоматизированной обработки данных.

Вычислительная система (ВС) – это конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ, предназначенный для обслуживания одного рабочего участка.

Центральным устройством большинства ВС является компьютер (ЭВМ).

Компьютер (англ. computer - «вычислитель»), ЭВМ (электронная вычислительная машина) - комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

Простейшие ручные приспособления

История компьютера тесным образом связана с попытками человека облегчить, автоматизировать большие объёмы вычислений. Даже простые арифметические операции с большими числами затруднительны для человеческого мозга. Поэтому уже в древности появилось устройство – абак . Абак (греч. αβαξ, abákion, лат. abacus − доска) − это счётная доска, простейшее счётное устройство, применявшееся для арифметических вычислений приблизительно с IV века до н.э. в Древней Греции, Древнем Риме. В Европе абак применялся до XVIII века.

В России ещё в средние века (16-17 вв.) на основе абака было разработано другое приспособление – русские счёты .

Механические приспособления

Механизация вычислительных операций началась в XVII веке. На первом этапе для создания механических вычислительных устройств использовались механизмы, аналогичные часовым.

В 1623 год − немецкий ученый Вильгельм Шиккард разработал первое в мире механическое устройство («суммирующие часы») для выполнения операций сложения и вычитания шестиразрядных десятичных чисел. Было ли устройство реализовано при жизни изобретателя, достоверно неизвестно, но в 1960 году оно было воссоздано по чертежам и подтвердило свою работоспособность.

В 1642 году французский механик Блез Паскаль сконструировал первое в мире механическое цифровое вычислительное устройство («Паскалин »), построенное на основе зубчатых колес. Оно могло суммировать и вычитать пятиразрядные десятичные числа, а последние модели оперировали числами с восемью десятичными разрядами.

В 1673 г. немецкий философ и математик Готфрид Вильгельм Лейбниц создал механический калькулятор, который при помощи двоичной системы счисления выполнял умножение, деление, сложение и вычитание. Операции умножения и деления выполнялись путём многократного повторения операций сложения и вычитания.

Однако широкое распространение вычислительные аппараты получили только в 1820 году, когда француз Чарльз Калмар изобрёл машину, которая могла производить четыре основных арифметических действия . Машину Калмара назвали арифмометр . Благодаря своей универсальности арифмометры использовались довольно длительное время до 60-х годов ХХ века.

Автоматизация вычислений

Идея автоматизации вычислительных операций пришла из часовой промышленности. Старинные монастырские башенные часы были построены так, чтобы в заданное время включать механизм, связанный с системой колоколов.

В 1833 году английский ученый, профессор Кембриджского университета Чарльз Беббидж разработал проект аналитической машины , которая имела черты современного компьютера. Это был гигантский арифмометр с программным управлением, арифметическим и запоминающим устройствами. Оно имело устройство для ввода информации, блок управления, запоминающее устройство и устройство вывода результатов.

Сотрудницей и помощницей Ч. Беббиджа во многих его научных изысканиях была леди Ада Лавлейс (урожденная Байрон).

Она разработала первые программы для машины и предвосхитила основы современного программирования для цифровых вычислительных машин с программным управлением. Заложила многие идеи и ввела ряд понятий и терминов, сохранившихся до настоящего времени.

Она предсказала появление современных компьютеров как многофункциональных машин не только для вычислений, но и для работы с графикой, звуком. В середине 70-х годов двадцатого столетия министерство обороны США официально утвердило название единого языка программирования американских вооруженных сил. Язык носит название Ada . День программиста отмечается в день рождения Ады Лавлейс 10 декабря.

Особенностью Аналитической машины стало то, что здесь впервые был реализован принцип разделения информации на команды и данные . Для ввода и вывода данных Бэббидж предлагал использовать перфокарты-листы из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий.

В 1888 году американский инженер Герман Холлерит сконструировал первую электромеханическую счётную машину. Эта машина, названная табулятором , могла считывать и сортировать статистические записи, закодированные на перфокартах. Для работы этой машины использовалось электричество. В 1890 изобретение Холлерита было использовано в 11-ой американской переписи населения. Работа, которую 500 сотрудников выполняли в течение семи лет, Холлерит с 43 помощниками на 43 табуляторах выполнил за один месяц.

Дальнейшее развитие науки и техники позволили в 1940-х годах построить первые вычислительные машины. В 1944 г. американский инженер Говард Эйкен при поддержке фирмы Ай-Би-Эм (IBM) сконструировал компьютер для выполнения баллистических расчетов. Этот компьютер, названный «Марк 1 », по площади занимал примерно половину футбольного поля и включал более 800 километров проводов, около 750 тыс.деталей, 3304 реле. «Марк-1 » был основан на использовании электромеханических реле и оперировал десятичными числами, закодированными на перфоленте . Машина могла манипулировать числами длиной до 23 разрядов. Для перемножения двух 23-разрядных чисел ей было необходимо 4 секунды.

Но электромеханические реле работали недостаточно быстро. В 1946 г. По заказу Армии США был создан первый широкомасштабный электронный цифровой компьютер ЭНИАК (ENIAC - электронный числовой интегратор и вычислитель), который можно было перепрограммировать для решения полного диапазона задач. Разработали его американские ученые Джон Уильям Мокли и Джон Преспер Экерт. В ЭНИАКе в качестве основы компонентной базы электромеханические реле были заменены вакуумными лампами . Всего комплекс включал 17468 ламп, 7200 кремниевых диодов, 1500 реле, 70000 резисторов и 10000 конденсаторов. Потребляемая мощность – 150 кВт по тем временам было достаточно для освещения большого города. Вычислительная мощность – 300 операций умножения или 5000 операций сложения в секунду. Вес – 27 тонн, более 30 метров. Вычисления проводились в десятичной системе. ЭНИАК использовался для расчета баллистических таблиц, предсказания погоды, расчетов в области атомной энергетики, аэродинамики, изучения космоса.

В СССР вычислительная машина МЭСМ (малая электронная счётная машина) была создана в 1951 году под руководством академика Сергея Алексеевича Лебедева. Машина вычисляла факториалы натуральных чисел и решала уравнения параболы. Одновременно Лебедев работал над созданием БЭСМ - быстродействующей электронной счётной машины, разработка которой была завершена в 1953 году.

В 1971 году фирмой Intel (США) был создан первый микропроцессор - программируемое логическое устройство, изготовленное по технологии СБИС (сверхбольших интегральных схем).

В 1964г. сотрудник Стэнфордского исследовательского центра Дуглас Энгельбарт продемонстрировал работу первой мыши-манипулятора , но только четыре года спустя мышка была показана на компьютерной конференции в Сан-Франциско.

Первый персональный компьютер (ПК) в 1976г. выпустила фирма Apple ; в СССР ПК появились в 1985г .

Таблица 1. Поколения ЭВМ

История создания и развития средств вычислительной техники

В вычислительной технике существует своеобразная периодизация развития электронных вычислительных машин. ЭВМ относят к тому или иному поколению в зависимости от типа основных используемых в ней элементов или от технологии их изготовления. Ясно, что границы поколений в смысле времени сильно размыты, так как в одно и то же время фактически выпускались ЭВМ различных типов; для отдельной же машины вопрос о ее принадлежности к тому или иному поколению решается достаточно просто.

Еще во времена древнейших культур человеку приходилось решать задачи, связанные с торговыми расчетами, с исчислением времени, с определением площади земельных участков и т. д. Рост объемов этих расчетов приводил даже к тому, что из одной страны в другую приглашались специально обученные люди, хорошо владешие техникой арифметического счета. Поэтому рано или поздно должны были появиться устройства, облегчающие выполнение повседневных расчетов. Так, в Древней Греции и в Древнем Риме были созданы приспособления для счета, называемые абак. Абак называют также римскими счетами. Эти счеты представляли собой костяную, каменную или бронзовую доску с углублениями – полосами. В углублениях находились костяшки, и счет осуществлялся передвижением костяшек.

В странах Древнего Востока существовали китайские счеты. На каждой нити или проволоке в этих счетах имелось по пятьи по две костяшки. Счет осуществлялся единицами и пятерками. В России для арифметических вычеслений применялись русские счеты, появившиеся в 16 веке, но кое – где счеты можно встретить и сегодня.

Развитие приспособлений для счета шло в ногу с достижениями математики. Вскоре после открытия логарифмов в 1623 г. была изобретена логарифмическая линейка, её автором был английский математик Эдмонд Гантер. Логарифмической линейке суждена была долгая жизнь: от 17 века до нашего времени.

Однако ни абак, ни счеты, ни логарифмическая линейка не означают механизации процесса вычислений. В 17 веке выдающимся французким ученым Блезом Паскалем было изобретено принципиально новое счетное устройство – арифметическая машина. В основу её работы Б. Паскаль положил извесную до него идею выполнения вычислений с помощью металических шестеренок. В 1645 г. им была построена первая суммирующая машина, а в 1675 г. Паскалю удается создать настоящую машину, выполняющую все четыре арифметических действия. Почти одновременно с Паскалем в 1660 – 1680 гг. Сконструировал счетную машину великий немецкий математик Готфирд Лейбниц.

Счетные машины Паскаля и Лейбница стали прообразом арифмометра. Первый арифмометр для четырех арифметических действий, нашедший арифметическое применение, удалось построить только через сто лет, 1790 г., немецкому часовому мастеру Гану. Впоследствии устройство арифмометра совершенствовалось многими механиками из Англии, Франции, Италии, России, Швейцарии. Арифмометры применялись для выполнения сложных вычислений при проектировании и строительстве кораблей. Мостов, зданий, при проведении финансовых операций. Но производительность работы на арифмометрах оставалась невысокой, настоятельным требованием времени была автоматизация вычислений.

В 1833 г. анлийский ученый Чарлз Бэбидж, занимавшийся составлением таблиц для навигации, разработал проект «аналитической машины». По его замыслу, эта машина должна была стать гигантским арифмометром с программным управлением. В машине Бэбиджа предусмотрены были также арифметические и запоминающие устройства. Его машина стала прообразом будущих компьютеров. Но в ней использовались далеко не совершенные узлы, например, для запоминания разрядов десятичного числа в ней применялись зубчатые колеса. Осуществить свой проект Бэбиджу не удалось из – за недостаточного развития техники, и «аналитическая машина» на время была забыта.

Лишь спустя 100 лет машина Бэбиджа привлекла внимкние инженеров. В конце 30 – х годов 20 века немецкий инженер Конрад Цузе разработал первую двоичную цифровую машину Z1. В ней широко использовались электромеханические реле, то есть механические переключатели, приводимые в действие электрическим током. В 1941 г. К. Уцзе создал машину Z3, полностью управляемую с помощью программы.

В 1944 г. американец Говард Айкен на одном из предприятий фирмы IBM построил мощную по тем временам машину «Марк – 1». В этой машине для представления чисел использовались механические элементы – счетные колеса, а для управления применялись электромеханические реле.

Поколения ЭВМ

Историю развития ЭВМ удобно описывать, пользуясь представлением о поколениях вычислительных машин. Каждое поколене ЭВМ характеризуется констуктивными особенностями и возможнотями. Приступим к описанию каждого из поколений, однако нужно помнить, что деление ЭВМ на поколения является условным, поскольку в одно и то же время выпускались машины разного уровня.

Первое поколение

Резкий скачек в развитии вычислительной техники произошел в 40 – х годах, после Второй мировой войны, и связан он был с появлением качественно новых электронных устройств – электронно – вакуумных ламп, работали значительно быстрее, чем схемы на электромеханическом реле, а релейные машины быстро вытеснены болеепроизводительными и надежными электронными вычислительными машинами (ЭВМ). Применение ЭВМ значительно расширило круг решаемых задач. Стали доступны задачи, которые раньше просто не ставились: расчеты инженерных сооружений, вычисления двежения планет, баллистические расчеты и т.д.

Первая ЭВМ создавалась в 1943 – 1946 гг. в США и называлась она ЭНИАК. Эта машина содержала около 18 тысяч электронных ламп, множество электромеханических реле, причем ежемесячно выходило из строя около 2 тысяч ламп. ЦУ машины ЭНИАК, а также у других первых ЭВМ, был серьезный недостаток – исполняемая программа хранилась не в памяти машины, а набаралась сложным образом с помощью внешних перемычек.

В 1945 г. извесный математик и физик – теоретик фон Нейман сформулировал общие принципы работы универсальных вычислительных устройств. Согласно фон Нейману вычислительная машина должна была управляться программой с последовательным выполнением команд, а сама программа – храниться в памяти машины. Первая ЭВМ с хранимой в памяти программой была построена в Англии в 1949 г.

В1951 году в СССР была создана МЭСМ, эти работы проводились в Киеве в Институте электродинамики под руководством крупнейшего конструктора вычислительной техники С. А. Лебедева.

ЭВМ постоянно совершенствовались, благодаря чему к середине 50 – х годов их быстродействие удалось повысить от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч операций в секунду. Однако при этом электронная лампа оставалась самым надежным элементом ЭВМ. Использование ламп стало тормозить дальнейший прогресс вычислительной техники.

Впоследствии на смену лампам пришли полупроводниковые приборы, тем самым завершился первый этап развития ЭВМ. Вычислительные машины этого этапа принято называть ЭВМ первого поколения

Действительно, ЭВМ первого поколения размещались в больших машинных залах, потребляли много электроэнергии и требовали охлаждения с помощью мощных вентилятогров. Программы для этих ЭВМ нужно было составлять в машинных кодах, и этим могли заниматься только специалисты, знающие в деталях устройство ЭВМ.

Второе поколение

Разработчики ЭВМ всегда следовали за прогрессом в электронной технике. Когда в середине 50 – х годов на смену электронным лампам пришли полупроводниковые приборы, начался перевод ЭВМ на полупроводники.

Полуповодниковые приборы (транзисторы, диоды) были, во – первых, значительно компактнее своих ламповых предшественников. Во – вторых они обладали значительно большим сроком службы. В – третьих, потребление энергии у ЭВМ на полупроводниках было существенно ниже. С внедрением цифровых элементов на полупроводниковых приборах началось создание ЭВМ второго поколения.

Благодаря применению более совершенной элементной базы начали создаваться относительно небольшие ЭВМ, произошло естественное разделение вычислительных машин на большие, средние и малые.

В СССР были разработаны и широко использовались серии малых ЭВМ «Раздан», «Наири». Уникальной по своей архитектуре была машина «Мир», разработанная в 1965 г. в Институте кибернетики Академии Наук УССР. Она предназначалась для инженерных расчетов, которые выполнял на ЭВМ сам пользователь без помощи оператора.

К средним ЭВМ относились отечественные машины серий «Урал», «М – 20» и «Минск». Но рекордной среди отечественных машин этого поколния и одной из лучших в мире была БЭСМ – 6 («большая электронно – счетная машина», 6 – я модель), которая была создана коллективом академика С. А. Лебедева. Производительность БЭСМ – 6 была на два – три порядка выше, чем у малых и средних ЭВМ, и составляла более 1 млн. Операций в секунду. За рубежем наиболее распространенными машинами второго поколения были «Эллиот» (Англия), «Сименс» (ФРГ), «Стретч» (США).

Третье поколение

Очередная смена поколений ЭВМ произошла в конце 60 – х годов при замене полупроводниковых приборов в устройствах ЭВМ на интегральлые схемы. Интегральная схема (микросхема) – это небольшая пластинка кристалла кремния, на которой размещаются сотни и тысячи элементов: диодов, транзисторов, конденсаторов, резисторов и т. д.

Применение интегральных схем позволило увеличить количество электронных элементов в ЭВМ без увеличения их реальных размеров. Быстродействие ЭВМ возросло до 10 миллионов операций в секунду. Кроме того, составлять программы для ЭВМ стало по силам простым пользователям, а не только специалистам – электронщикам.

В третьем поколении появились крупные серии ЭВМ, различающиеся своей производительностью и назначением. Это семейство больших и средних машин IBM360/370, разработанных в США. В Советском Союзе и в странах СЭВ были созданы аналогические серии машин: ЕС ЭВМ (Единая Система ЭВМ, машины большие и средние), СМ ЭВМ (Система Малых ЭВМ) и «Электроника» (система микро – ЭВМ).

ОСНОВЫ ПК

Люди всегда испытывали потребность в счете. Для этого они использовали пальцы рук, камешки, которые складывали в ку­чки или располагали в ряд. Число предметов фиксировалось с по­мощью черточек, которые проводились по земле, с помощью за­рубок на палках и узелков, которые завязывались на веревке.

С увеличением количества подлежащих подсчету предметов, развитием наук и ремесел появилась необходимость в проведении простейших вычислений. Самым древним инструментом, известным в различных странах, являются счеты (в Древнем Риме они называ­лись calculi). Они позволяют производить простейшие вычисления над большими числами. Счеты оказались настолько удачным инст­рументом, что дожили с древних времен почти до наших дней.

Никто не может назвать точное время и место появления сче­тов. Историки сходятся во мнении, что их возраст составляет не­сколько тысяч лет, а их родиной могут быть и Древний Китай, и Древний Египет, и Древняя Греция.

1.1. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ

РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

С развитием точных наук появилась настоятельная необходи­мость в проведении большого количества точных вычислений. В 1642 г. французский математик Блез Паскаль сконструировал первую механическую счетную машину, известную как суммиру­ющая машина Паскаля (рис. 1.1). Эта машина представляла собой комбинацию взаимосвязанных колесиков и приводов. На колеси­ках были нанесены цифры от 0 до 9. Когда первое колесико (еди­ницы) делало полный оборот, в действие автоматически приво­дилось второе колесико (десятки); когда и оно достигало цифры 9, начинало вращаться третье колесико и т.д. Машина Паскаля могла только складывать и вычитать.

В 1694 г. немецкий математик Готфрид Вильгельм фон Лейбниц сконструировал более совершенную счетную машину (рис. 1.2). Он был убежден, что его изобретение найдет широкое применение не только в науке, но и в быту. В от­личие от машины Паскаля Лейб­ниц использовал цилиндры, а не колесики и приводы. На цилинд­ры были нанесены цифры. Каждый цилиндр имел девять рядов высту­пов или зубцов. При этом первый ряд содержал 1 выступ, второй - 2 и так вплоть до девятого ряда, который содержал 9 выступов. Ци­линдры были подвижными и при­водились в определенное положе­ние оператором. Конструкция ма­шины Лейбница была более совер­шенной: она была способна выпол­нять не только сложение и вычи­тание, но и умножение, деление и даже извлечение квадратного корня.

Интересно, что потомки этой конструкции дожили до 70-х годов XX в. в форме механических каль­куляторов (арифмометр типа «Фе­ликс») и широко использовались для различных расчетов (рис. 1.3). Однако уже в конце XIX в. с изоб­ретением электромагнитного реле появились первые электромехани­ческие счетные устройства. В 1887 г. Герман Голлерит (США) изобрел электромеханический табулятор с вводом чисел с помощью перфо­карт. На идею использовать перфо­карты его натолкнула пробивка компостером проездных билетов на железнодорожном транспорте. Раз­работанная им 80-колонная перфо­карта не претерпела существенных изменений и в качестве носителя информации использовалась в пер­вых трех поколениях компьютеров. Табуляторы Голлерита использова­лись во время 1-й переписи насе­ления в России в 1897 г. Сам изобретатель тогда специально приезжал в Санкт-Петербург. С этого времени электромеханические табуляторы и другие подобные им устройства стали широко применяться в бухгалтерском учете.

В начале XIX в. Чарльз Бэббидж сформулировал основные по­ложения, которые должны лежать в основе конструкции вычис­лительной машины принципиально нового типа.

В такой машине, по его мнению, должны быть «склад» для хранения цифровой информации, специальное устройство, осу­ществляющее операции над числами, взятыми со «склада». Бэб­бидж называл такое устройство «мельницей». Другое устройство служит для управления последовательностью выполнения опера­ций, передачей чисел со «склада» на «мельницу» и обратно, на­конец, в машине должно быть устройство для ввода исходных дан­ных и вывода результатов вычислений. Эта машина так никогда и не была построена - существовали лишь ее модели (рис. 1.4), но принципы, положенные в ее основу, были позже реализованы в цифровых ЭВМ.

Научные идеи Бэббиджа увлекли дочь известного английско­го поэта лорда Байрона - графиню Аду Августу Лавлейс. Она заложила первые фундаментальные идеи о взаимодействии раз­личных блоков вычислительной машины и последовательности решения на ней задач. Поэтому Аду Лавлейс по праву считают первым в мире программистом. Многими понятиями, введенны­ми Адой Лавлейс в описания первых в мире программ, широко пользуются современные программисты.

Рис. 1.1. Суммирующая машина Паскаля

Рис. 1.2. Счетная машина Лейбница

Рис. 1.3. Арифмометр «Феликс»

Рис. 1.4. Машина Бэббиджа

Началом новой эры развития вычислительной техники на базе электромеханических реле стал 1934 г. Американская фирма IBM (International Buisness Machins) начала выпуск алфавитно-циф­ровых табуляторов, способных выполнять операции умножения. В середине 30-х годов XX в. на основе табуляторов создается про­образ первой локальной вычислительной сети. В Питсбурге (США) в универмаге была установлена система, состоящая из 250 терми­налов, соединенных телефонными линиями с 20 табуляторами и 15 пишущими машинками для расчетов с покупателями. В 1934 - 1936 гг. немецкий инженер Конрад Цузе пришел к идее создания универсальной вычислительной машины с программным управлением и хранением информации в запоминающем устройстве. Он сконструировал машину «Z-3» - это была первая программно-управляемая вычислительная машина – прообраз современных ЭВМ (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Вычислительная машина Цузе

Это была релейная машина, использующая двоичную систему счисления, имеющая память на 64 числа с плавающей запятой. В арифметическом блоке пользовалась параллельная арифметика. Команда включала операционную и ад­ресную части. Ввод данных осуществлялся с помощью десятичной клавиатуры, был предусмотрен цифровой вывод, а также автоматическое преобразование десятич­ных чисел в двоичные и обратно. Ско­рость выполнения операции сложения - три операции в секунду.

В начале 40-х годов XX в. в лаборато­риях IBM совместно с учеными Гарвар­дского университета была начата разработка одной из самых мощных электромеханических вычислительных машин. Она получила название MARK-1, содержала 760 тыс. компонентов и весила 5 т (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Вычислительная машина MARK -1

Последним наиболее крупным проектом в сфере релейной вычислительной техники (ВТ) следует считать построенную в 1957 г. в СССР РВМ-1, которая по целому ряду задач была вполне конкурентоспособна тогдашним ЭВМ. Тем не менее с появлением электронной лампы дни электромеханических устройств остава­лись сочтены. Электронные компоненты обладали большим пре­восходством в быстродействии и надежности, что и определило дальнейшую судьбу электромеханических вычислительных машин. Наступила эра электронных вычислительных машин.

Переход к следующему этапу развития средств вычислитель­ной техники и технологии программирования был бы невозмо­жен без основополагающих научных исследований в области пе­редачи и обработки информации. Развитие теории информации связано прежде всего с именем Клода Шеннона. Отцом киберне­тики по праву считается Норберт Винер, а создателем теории ав­томатов является Генрих фон Нейман.

Концепция кибернетики родилась из синтеза многих научных направлений: во-первых, как общий подход к описанию и ана­лизу действий живых организмов и вычислительных машин или иных автоматов; во-вторых, из аналогий между поведением со­обществ живых организмов и человеческого общества и возмож­ностью их описания с помощью общей теории управления; и, наконец, из синтеза теории передачи информации и статисти­ческой физики, который привел к важнейшему открытию, связывающему количество информации и отрицательную энтропию в системе. Сам термин «кибернетика» происходит от греческого слова, означающего «кормчий», он впервые был применен Н.Ви­нером в современном смысле в 1947 г. Книга Н.Винера, в кото­рой он сформулировал основные принципы кибернетики, на­зывается «Кибернетика или управление и связь в животном и машине».

Клод Шеннон - американский инженер и математик, чело­век, которого называют отцом современной теорий информации. Он доказал, что работу переключателей и реле в электрических схемах можно представить посредством алгебры, изобретенной в середине XIX в. английским математиком Джорджем Булем. С тех пор булева алгебра стала основой для анализа логической струк­туры систем любого уровня сложности.

Шеннон доказал, что всякий зашумленный канал связи харак­теризуется предельной скоростью передачи информации, назы­ваемой пределом Шеннона. При скоростях передачи выше этого предела неизбежны ошибки в передаваемой информации. Однако с помощью соответствующих методов кодирования информации можно получить сколь угодно малую вероятность ошибки при любой зашумленности канала. Его исследования явились фунда­ментом для разработки систем передачи информации по линиям связи.

В 1946 г. блестящий американский математик венгерского про­исхождения Генрих фон Нейман сформулировал основную кон­цепцию хранения команд компьютера в его собственной внутрен­ней памяти, что послужило огромным толчком к развитию элек­тронно-вычислительной техники.

Во время Второй мировой войны он служил консультантом в атомном центре в Лос-Аламосе, где занимался расчетами взрыв­ной детонации ядерной бомбы и участвовал в разработке водо­родной бомбы.

Нейману принадлежат работы, связанные с логической орга­низацией компьютеров, проблемами функционирования машин­ной памяти, самовоспроизводящихся систем и др. Он принимал участие в создании первой электронной вычислительной машины ENIAC, предложенная им архитектура компьютера была положе­на в основу всех последующих моделей и до сих пор так и называ­ется - «фон-неймановской».

I поколение компьютеров . В 1946 г. в США были закончены работы по созданию ENIAC - первой вычис­лительной машины на электрон­ных компонентах (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Первая ЭВМ ENIAC

Новая машина имела впечатляющие па­раметры: в ней использовалось 18 тыс. электронных ламп, она зани­мала помещение площадью 300 м 2 , имела массу 30 т, энергопотребле­ние - 150 кВт. Машина работала с тактовой частотой 100 кГц и вы­полняла операцию сложения за 0,2 мс, а умножения - за 2,8 мс, что было на три порядка быстрее, чем это могли делать релейные машины. Быстро обнаружились и недостатки новой машины. По своей структуре ЭВМ ENIAC напоминала механические вычис­лительные машины: использовалась десятичная система; программа набиралась вручную на 40 наборных полях; на перенастройку ком­мутационных полей уходили недели. При пробной эксплуатации выяснилось, что надежность этой машины очень низка: поиск не­исправностей занимал до нескольких суток. Для ввода и вывода данных использовались перфоленты и перфокарты, магнитные лен­ты и печатающие устройства. В компьютерах I поколения была ре­ализована концепция хранимой программы. Компьютеры I поко­ления использовались для прогнозирования погоды, решения энер­гетических задач, задач военного характера и в других важных об­ластях.

II поколение компьютеров. Одним из самых важных достиже­ний, которые привели к революции в конструировании ЭВМ и в конечном счете к созданию персональных компьютеров, было изобретение транзистора в 1948 г. Транзистор, который является твердотельным электронным переключательным элементом (вен­тилем), занимает гораздо меньше места и потребляет значитель­но меньше энергии, выполняя ту же работу, что и лампа. Вычис­лительные системы, построенные на транзисторах, были намно­го компактнее, экономичнее и гораздо эффективней ламповых. Переход на транзисторы положил начало миниатюризации, ко­торая сделала возможным появление современных персональных ЭВМ (как, впрочем, и других радиотехнических устройств - ра­диоприемников, магнитофонов, телевизоров и т.д.). Для машин II поколения встала задача автоматизации программирования, по­скольку увеличивался разрыв между временем на разработку про­грамм и непосредственно временем счета. Второй этап развития вычислительной техники конца 50-х - начала 60-х годов XX в. характеризуется созданием развитых языков программирования (ал­гол, фортран, кобол) и освоением процесса автоматизации уп­равления потоком задач с помощью самой ЭВМ, т.е. разработкой операционных систем.

Потребность в приспособлениях, позволяющих ускорить процесс счёта, появилась у человека ещё тысячи лет назад. Тогда для этого использовались простейшие средства, вроде счётных палочек. Позже появился абак, больше известный нам как счёты. Он позволял выполнять только самые простейшие арифметические действия. С тех пор многое изменилось. Практически у каждого дома стоит компьютер, а в кармане лежит смартфон. Всё это можно объединить под общим названием «Компьютерные технологии» или «Вычислительная техника». В этой статье вы узнаете немного больше об истории её развития.

1623 год. Вильгельм Шиккард думает: «А почему бы мне не изобрести первый арифмометр?» И он его изобретает. У него получается механический прибор, способный выполнять основные арифметические действия (сложение, умножение, деление и вычитание) и работающий с помощью зубчатых колёс и цилиндров.

1703 год. Готфрид Вильгельм Лейбниц описывает двоичную систему счисления в своём трактате «Explication de l’Arithmtique Binaire», что на русский язык переводится как «Объяснение Двоичной Арифметики». Реализация использующих её компьютеров гораздо проще, и сам Лейбниц об этом знал. Ещё в 1679 году он создал чертёж двоичной вычислительной машины. Но на практике первое подобное устройство появилось только в середине XX века.

1804 год. Впервые появляются перфорированные карты (перфокарты). Их использование не прекратилось и в 1970-х годах. Они представляют собой листы тонкого картона, в некоторых местах которого имеются отверстия. Информация записывалась различными последовательностями этих отверстий.

1820 год. Чарльз Ксавьер Томас (да, почти как профессор Икс) выпускает арифмометр Томаса, вошедший в историю как первое устройство для счёта, выпускаемое серийно.

1835 год. Чарльз Бэббидж хочет изобрести свою собственную аналитическую машину и описывает её. Изначально задачей прибора должно было стать вычисление логарифмических таблиц с высокой точностью, но позже Бэббидж передумал. Теперь его мечтой стала машина общего назначения. На то время создание подобного аппарата было вполне реально, но работать с Бэббиджем оказалось непросто из-за его характера. В результате разногласий проект был закрыт.

1845 год. Израиль Штаффель создаёт первый в истории прибор, способный извлекать из чисел квадратные корни.

1905 год. Перси Лудгерт издаёт проект программируемого механического компьютера.

1936 год. Конрад Цузе решает создать свою вычислительную машину. Он называет его Z1.

1941 год. Конрад Цузе выпускает Z3 - первый в мире компьютер, управляемый программой. Впоследствии было выпущено ещё несколько десятков аппаратов серии Z.

1961 год. Выпуск ANITA Mark VII - первого в мире полностью электронного калькулятора.

Пара слов о поколениях компьютеров.

1 поколение. Это так называемые ламповые компьютеры. Они работают с помощью электронных ламп. Первое подобное устройство было создано в середине XX века.

2 поколение. Все пользовались компьютерами 1 поколения, пока вдруг в 1947 году Уолтер Браттейн и Джон Бардин не изобрели очень важную вещь - транзистор. Так появилось второе поколения компьютеров. Они потребляли гораздо меньше энергии, а их производительность была больше. Эти устройства были распространены в 50-х-60-х годах XX века, пока в 1958 году не была изобретена интегральная схема.

3 поколение. Работа этих компьютеров была основана на интегральных схемах. Каждая такая схема содержит сотни миллионов транзисторов. Впрочем, создание третьего поколения не остановило выпуск компьютеров второго поколения.

4 поколение. В 1969 году Тэду Хоффу в голову пришла идея заменить множество интегральных схем одним маленьким устройством. Оно было позже названо микросхемой. Благодаря этому стало возможным создавать совсем маленькие микрокомпьютеры. Первое такое устройство было выпущено компанией Intel. А в 80-х годах микропроцессоры и микрокомпьютеры оказались самыми распространёнными. Мы и сейчас пользуемся ими.

Это была краткая история развития компьютерных технологий и вычислительной техники. Надеюсь, мне удалось Вас заинтересовать. До свидания!