История развития средств вычислительной техники

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

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

 

Показатель	Поколения ЭВМ
	Первое 1950-1960-е годы	Второе 1960-1970-е годы	Третье 1970-1980-е годы	Четвертое 1980-1990-е годы	Пятое 1990-настоящее время
Элементная база процессора	Электронные лампы	Полупроводники (Транзисторы)	Малые интегральные схемы (МИС)	Большие ИС (БИС) и Сверхбольшие ИС (СБИС)	Оптоэлектроника Криоэлектроника (лазеры, голография)
Элементная база ОЗУ	Электронно-лучевые трубки	Ферритовые сердечники	Кремниевые кристаллы	БИС и СБИС	СБИС
Основные устройства ввода	Пульт, перфокарточный, перфоленточный ввод	Алфавитно-цифровой дисплей, клавиатура		Цветной графический дисплей, клавиатура, “мышь” и др.	Цветной графический дисплей, сканер, клавиатура, устройства голосовой связи с ЭВМ
Основные устройства вывода	Алфавитно-цифровое печатающее устройство (АЦПУ), перфоленточный вывод		Графопостроитель, принтер
Внешняя память	Магнитные ленты, барабаны, перфоленты, перфокарты	Магнитный диск	Перфоленты, магнитный диск (30 см в диаметре)	Магнитные и оптические диски
Максимальная емкость ОЗУ, байт	101	102	104	105 - 107	108 (?)
Максимальное быстродействие процессора (оп/с)	104	106	107	108 - 109 +Многопроцессорность	1012 +Многопроцессорность
Языки программирования	Универсальные языки программирования, трансляторы (машинный код)	Пакетные операционные системы, оптимизирующие трансляторы (Ассемблер, Фортран)	Процедурные языки высокого уровня (ЯВУ)	Новые процедурные ЯВУ и Непроцедурные ЯВУ	Новые непроцедурные ЯВУ
Цель использования ЭВМ	Научно-технические расчеты	Технические и экономические расчеты	Управление и экономические  расчеты	Телекоммуникации, информационное обслуживание	Использование элементов искусственного интеллекта и распознавание зрительных и звуковых образов

 

Поколения ЭВМ

ЭВМ принято делить на поколения. Для компьютерной техники характерна прежде всего быстрота смены поколений - за её короткую историю развития уже успели смениться четыре поколения и сейчас мы работаем на компьютерах пятого поколения. Определяющими признаками при отнесении ЭВМ к тому или иному поколению являются их элементная база (из каких в основном элементов они построены), быстродействие, емкость памяти, способы управления и переработки информации.

 

Первое поколение. 1950-1960-е  годы

Компьютеры на электронных вакуумных лампах (диодах и триодах), а в качестве оперативных запоминающих устройств использовались электронно-лучевые трубки, в качестве внешних запоминающих устройств применялись накопители на магнитных лентах, перфокартах, перфолентах и штекерные коммутаторы.

Программирование работы ЭВМ этого поколения выполнялось  в двоичной системе счисления на машинном языке, то есть программы были жестко ориентированы на конкретную модель машины.

Машины предназначались  для решения сравнительно несложных  научно-технических задач. Они были значительных размеров, потребляли большую мощность, имели невысокую надежность работы.

Быстродействие их не превышало 2-3 тысяч операций в секунду, емкость оперативной памяти - 2048 машинных слов длиной 48 двоичных знаков. Использовались в основном для научных расчетов.

В конце этого периода  стали выпускаться устройства памяти на магнитных сердечниках.

ЭНИАК, МЭСМ, БЭСМ и первые модели ЭВМ "Минск" и "Урал".

 

Второе поколение  ЭВМ. 1960-1970-е годы

Элементной базой машин  этого поколения были полупроводниковые элементы (транзисторы). Транзисторы (твердые диоды и триоды) заменили электронные лампы в процессорах, а ферритовые (намагничиваемые) сердечники – электронно-лучевые трубки в оперативных запоминающих устройствах. Машины предназначались для решения различных трудоемких научно-технических задач, а также для управления технологическими процессами в производстве.

Появление полупроводниковых  элементов в электронных схемах существенно увеличило емкость  оперативной памяти, надежность и  быстродействие ЭВМ. Уменьшились размеры, масса и потребляемая мощность.

Скорость ЭВМ возросла до сотен тысяч операций в секунду, а память – до десятков тысяч машинных слов. Создаются долговременные запоминающие устройства на магнитных лентах. Начали применять языки программирования высокого уровня, такие как Фортран.

В 1964 году появился первый монитор для компьютеров - IBM 2250. Это был монохромный дисплей с экраном 12 × 12 дюймов и разрешением 1024 × 1024 пикселов. Он имел частоту кадровой развертки 40 Гц.

 

Третье поколение  ЭВМ: 1970-1980-е годы

Элементная база ЭВМ - малые интегральные схемы (МИС), что привело к дальнейшему увеличению скорости до миллиона операций в секунду и памяти до сотен тысяч слов. Машины предназначались для широкого использования в различных областях науки и техники.

ЭВМ третьего поколения  также характеризуется крупнейшими сдвигами в архитектуре ЭВМ, их программном обеспечении, организации взаимодействия человека с машиной. Это, прежде всего наличие развитой конфигурации внешних устройств (алфавитно-цифровые терминалы, графопостроители, магнитные диски (30 см в диаметре) и т.п.), развитая операционная система.

В период машин третьего поколения произошел крупный  сдвиг в области применения ЭВМ. Если раньше ЭВМ использовались в  основном для научно-технических  расчетов, то в 60-70-е годы первое место  стала занимать обработка символьной информации, в основном экономической.

 

IV поколение. 1980-1990-е годы

Переход к машинам  четвертого поколения – ЭВМ на больших интегральных схемах (БИС) – происходил во второй половине 70-х годов и завершился приблизительно к 1980 г. Теперь на одном кристалле размером 1 см² стали размещаться сотни тысяч электронных элементов. Скорость и объем памяти возросли в десятки тысяч раз по сравнению с машинами первого поколения и составили примерно 10⁹ операций в секунду и 10⁷ слов соответственно.

Наиболее крупным достижением, связанным с применением БИС, стало создание микропроцессоров, а затем на их основе микро-ЭВМ. Если прежние поколения ЭВМ требовали для своего расположения специальных помещений, системы вентиляции, специального оборудования для электропитания, то требования, предъявляемые к эксплуатации микро-ЭВМ, ничем не отличаются от условий эксплуатации бытовых приборов. При этом они имеют достаточно высокую производительность, экономичны в эксплуатации и дешевы.

Микро-ЭВМ используются в измерительных комплексах, системах числового программного управления, в управляющих системах различного назначения.

Дальнейшее развитие микро-ЭВМ привело к созданию персональных компьютеров (ПК), широкое распространение которых началось с 1975 г., когда фирма IBM выпустила свой первый персональный компьютер IBM PC.

В период машин четвертого поколения стали также серийно  производиться супер-ЭВМ. В нескольких серийных моделях была достигнута производительность свыше 1 млрд. операций в секунду.