История докомпьютерной и компьютерной эпохи

Сын изобретателя продолжил работу отца над машиной  и она с переменным успехом спустя десятилетие была построена. Действующий образец печатал результаты вычислений. Машина Беббиджа оказалась работоспособной, но изобретатель этого уже не увидел.

Аналитическая машина.

В ней предусматривались  все основные элементы, присущие современному компьютеру. Назовем их.

1. Склад - устройство, где хранятся исходные числа и промежуточные результаты. В современном компьютере это память.

2. Фабрика - арифметическое устройство, в котором осуществляются 
операции над числами, взятыми из Склада, В современном компьютере это процессор.

3. Блоки ввода исходных данных - устройства ввода.

4. Печать результатов - устройство вывода.

 Архитектура машины практически соответствует  архитектуре современных ЭВМ, а команды, которые выполняла аналитическая машина, в основном включают все команды процессора.

Интересным историческим фактом является то, что первую программу для аналитической машины написала Ада Августа Лавлейс - дочь великого английского поэта Джорджа Байрона. Именно Беббидж заразил ее идее создания вычислительной машины.

 

 

Перепись населения  производилась каждые десять лет. Население  постоянно росло, и ее численность в США к тому времени составляла около 50 миллионов человек. Заполнить на каждого человека карточку вручную, а затем подсчитать и обработать результаты, было практически невозможно. Этот процесс затянулся на несколько лет, почти до следующей переписи. Необходимо было найти выход из этой ситуации.

Герману Холлериту  идею механизировать этот процесс подсказал  доктор Джон Биллингс, возглавлявший департамент сводных данных. Он предложил использовать для записи информации перфокарты.

Свою машину Холлерит назвал табулятором и в 1887 году он был опробован в Балтиморе. Результаты оказались положительными, и эксперимент  повторили в Сент-Луисе. Выигрыш во времени был почти десятикратным. Правительство США сразу же заключило с Холлеритом контракт на поставку табуляторов, и уже в 1890 году перепись населения прошла с использованием машин. Обработка результатов заняла менее двух лет и сэкономила 5 миллионов долларов. Система Холлерита не только обеспечивала высокую скорость, но и позволяла сравнивать статистические данные по самым разным параметрам. Холлерит разработал удобный клавишный перфоратор, позволяющий пробивать около 100 отверстий в минуту одновременно на нескольких картах, автоматизировал процедуры подачи и сортировки перфокарт. Сортировку осуществляло устройство в виде набора ящиков с крышками. Перфокарты продвигались по своеобразному конвейеру. С одной стороны карты находились считывающие штыри на пружинках, с другой - резервуар с ртутью. Когда штырь попадал в отверстие на перфокарте, то благодаря ртути, находившейся на другой стороне, замыкал электрическую цепь. Крышка соответствующего ящика открывалась и туда попадала перфокарта.

Заслуги Холлерита признаны во всем мире. Его наградили множеством медалей, присвоили ученую степень  доктора философии, научные общества Европы и Америки избрали его  своим почетным членом. Табулятор  использовали для переписи населения  в нескольких странах.

В 1896 году Герман Холлерит основал  компанию Tabulating Machine Company (ТМС) и его машины применялись повсюду - и на крупных промышленных предприятиях и в обычных фирмах. И в 1900 году табулятор использовался для переписи населения.

Однако на смену  устройству Холлерита пришли другие, более совершенные машины и после переписи 1900 года предприниматель отходит от своей деятельности. Его фирму поглощает другая компания - Computer Tabulating Recording Company. Она уверенно смотрит в будущее и после окончательного ухода Германа Холлерита ее директор Томас Уотсон переименовывает фирму в IВМ (International Business Machines).

Герман Холлерит скончался 17 ноября 1929 года. И хотя официально основателем IВМ считается Томас Уотсон, многочисленные награды и патенты Холлерита занимают в музее компании одно из самых почетных мест.

Перфокарты и  автоматизация

Каким образом  можно было заставить механические машины работать по программе? Вплоть до XIX века все вычислительные операции на изобретенных машинах производились механически. Идея программирования механических устройств с помощью перфокарты впервые была реализована в 1804 году в ткацком станке. Так что же представляла собой перфокарта и как она работала?

Рассмотрим обычную  электрическую лампочку и выключатель  к ней. С помощью выключателя ее можно зажечь или погасить. Если разобрать, выключатель, то можно увидеть контакты, замыкание которых приводит к включению лампочки, а размыкание - к выключению.

Вывод: такие  кусочки картона действительно  существуют и называются перфокартами.

Впервые применили  их конструкторы ткацких станков. Преуспел в этом' деле лондонский ткач Жозеф Мари Жаккард. В 1801 году он создал автоматический ткацкий станок, управляемый перфокартами.

 

Нить поднималась  или опускалась при каждом ходе челнока  в зависимоести от того, есть отверстие ли нет. Поперечная нить могла обходить каждую продольную с той или иной стороны в зависимости от программы на перфокарте, создавая тем самым затейливый узор из переплетенных нитей. Такое плетение получило название «жаккард» и считается одним из самых сложных и запутанных плетений.

Такой ткацкий  станок, работающий по программе, был  первым массовым промышленным устройством и считается одним из самых совершенных машин, когда-либо созданных человеком.

Идея записи программы  на перфокарте пришла в голову и  первой программистке Аде Августе Лавлейс. Именно она предложила использовать перфорированные карты в Аналитической машине Беббиджа. В частности, в одном из писем она писала: «Аналитическая машина точно так же плетет алгебраические узоры, как ткацкий станок воспроизводит цветы и листья». Герман Холлерит также использовал в своей машине перфокарты для записи и обработки информации. Перфокарты использовались и в компьютерах первого поколения.

 

3. Поколения ЭВМ. Классификация современных компьютеров по функциональным возможностям

 

Рассмотрим некоторые  события, которые предшествовали появлению компьютера. Они имеют большое значение, так как такое величайшее изобретение XX века должно было иметь предпосылки и математическую и физическую силу.

Во-первых, в конце XIX века получила развитие математическая физика. Нужны стали машины, способные производить многократно повторяющиеся вычисления.

Во-вторых, в 1880 году американский изобретатель Томас Алва Эдисон ввел в вакуумный баллон электрической лампочки электрод и обнаружил протекание тока. Он открыл явление термоэлектронной эмиссии.

В-третьих, в 1904 году английский физик Джон Амброз Флеминг  на основе открытия Эдисона создал диод, а несколько позже был изобретен триод.

В-четвёртых, английский математик  Джордж Буль еще в 1848 году описал правила логики; впоследствии названной его именем - булева алгебра. В соответствии с этой логикой алгебраические элементы могут принимать только два значения — истина (0) или ложь(1). Благодаря этой логике стало возможно конструирование логических схем.

И в-пятых, в 1918 году русский ученый М.А.Бонч-Бруевич  и независимо от него английские ученые создали электронное реле, которое  могло находиться в одном из двух состояний - 0 или 1 и на базе которого был создан триггер.

К XX веку все было подготовлено для создания компьютера.

Всю электронно-вычислительную технику принято делить на поколения. Смена поколений зависит от элементной базы ЭВМ, т.е. ее технической основы. От элементной базы зависит мощность ЭВМ, что в свою очередь приводило к изменениям в архитектуре ЭВМ, расширению круга ее задач, к изменению способа взаимодействия пользователя и компьютера.

Предшественниками ЭВМ были релейные вычислительные машины. Роле позволяло кодировать информацию в двоичном виде состояниями включено-выключено. В процессе работы такой машины тысячи реле переключались из одного состояния в другое. Такие машины работали с низкой скоростью (50 сложений или 20 умножений в секунду),

Но в первой половине XX века начала бурно разниматься радиотехника и на смену реле пришли электронно-вакуумные лампы, которые и стали элементной базой вычислительных машин первого поколения.

Самой знаменитой машиной  первого поколения является ENIAC (электронный цифровой интегратор и вычислитель), созданный в 1945 году. Его конструкторами были американские ученые Дж. Моучли и Дж. Эккерт. В СССР созданием компьютеров занимался академик С.А.Лебедев. Его машины БЭСМ-1, БЭСМ -ЗМ, БЭСМ-4, М-220 были признаны лучшими в мире.

 

Характеристики	I поколение
Годы	1949-1958 гг.
Элементная база	Электронно-вакуумные  лампы
Размер (габариты)	Громоздкое сооружение, занимавшее сотни квадратных метров, потреблявшее сотни киловатт электроэнергии и содержащее в себе тысячи ламп
Максимальное быстродействие процессора	20 тысяч операций  в секунду
Максимальный  объем ОЗУ	Несколько тысяч  и команд программы
Периферийные устройства	Перфоленты и  перфокарты
Программное обеспечение	Программы составлялись на языке машинных команд, поэтому программирование было доступно не всем. Существовали библиотеки стандартных программ
Области применения	Инженерные и  научные расчеты, не связанные с  переработкой больших объемов данных
Примеры	Маrk 1,ЕNIАС, БЭСМ, Урал

 

В 1949 году в США  был создан транзистор - первый полупроводниковый прибор, заменивший электронную лампу. Транзистор занимал в десятки раз меньше места, выделял меньше тепла, потреблял меньше электроэнергии, работал более надежно. Транзисторы быстро внедрялись в радиотехнику и стали причиной перехода ЭВМ из первого поколения во второе.

Характеристики	II поколение.
Годы	1959- 1963 гг.
Элементная база	Транзисторы
Размер (габариты)	ЭВМ стали компактнее, надежнее, менее энергоемкими
Максимальное быстродействие процессора	Десятки и сотни  тысяч операций в секунду
Максимальный  объем ОЗУ	Увеличился в  сотни раз
Периферийные  устройства	Внешняя память на магнитных барабанах и лентах
Программное обеспечение	Стали развиваться  языки программирования высокого уровня ФОРТРАН, АЛГОЛ, КОБОЛ. Программы стали проще, понятнее, доступнее и программирование стало широко распространяться среди людей с высшим образованием
Области применения	Создание информационно-справочных и информационных систем
Примеры	М-220, Мир, БЭСМ-4, Урал-11, IВМ-7094

 

Производство  ЭВМ было делом хлопотным и  дорогостоящим. Транзисторы необходимо было собрать воедино, соединив огромным количеством проводов, которые опутывали блоки и части компьютера. В связи с этим сложность ЭВМ росла с каждым днем. Революцию в технологии производства ЭВМ вызвало создание интегральных схем - электронных схем, на которых транзисторы, конденсаторы и резисторы собирались в едином куске полупроводника. Операция изготовления интегральных схем все время совершенствовалась и в результате на одной кремниевой пластинке стало возможным разместить сотни кристаллов интегральных схем. Произошел переход к третьему поколению ЭВМ.

 

Характеристики	III поколение
Годы	1964 -1976 гг.
Элементная база	Интегральные  схемы
Размер (габариты)	ЭВМ делятся на большие, средние, мини и микро
Максимальное быстродействие процессора	До 30 млн операций в сек. При проектировании процессора стали  использовать технику микропрограммирования - конструирование сложных команд процессора из простых
Максимальный объем ОЗУ	До 16 Мбайт. Появляется ПЗУ
Периферийные устройства	Внешняя память на магнитных дисках, дисплей, графопостроители
Программное обеспечение	Появились операционные системы  и множество прикладных программ. Новые алгоритмические языки  высокого уровня. Многопрограммный режим  работы - возможность выполнять несколько программ одновременно
Области применения	Базы данных, первые системы искусственного интеллекта, системы автоматизированного проектирования и управления
Примеры	РDР-11, IВМ/360, СDC 6600, БЭСМ-6, Минск-32

 

Первоначально на интегральных схемах можно было разместить несколько десятков транзисторов. Но технология производства интегральных схем постоянно совершенствовалась, благодаря чему на свет появились большие интегральные схемы (БИС), содержащие тысячи, сотни тысяч и более транзисторов, и сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) с памятью 1 Мбайт, СБИС позволили создать микропроцессор, который произвел очерёдную революцию в мире вычислительной техники и привел к появлению ЭВМ четвертого поколения. Микропроцессор способен выполнять функции, основного блока компьютера - процессора. Он работает по заложенной в него программе и встраивается в различные технические устройства (станки, автомобили, самолеты). Соединив микропроцессор с устройствами ввода - вывода и внешней памяти, получили новый тип ЭВМ - микроЭВМ. И сегодня самой популярной разновидностью ЭВМ является персональный компьютер (ПК) - микроЭВМ с дружественным аппаратным и программным интерфейсом (способом общения).