История развития ЭВМ. Понятие и основные виды архитектуры ЭВМ

«История развития ЭВМ. Понятие и основные виды архитектуры ЭВМ »   Балицкая С.Ю. гр.4102

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Федеральное государственное автономное образовательное 
учреждение высшего профессионального образования 
«Дальневосточный федеральный университет»

Содержание

Содержание 2

Введение 3

История развития ЭВМ 4

Создание первых компьютеров 4

Мировая история развития цифровой вычислительной техники 6

Понятие и основные виды архитектуры  ЭВМ 10

Развитие ЭВМ в Советском  Союзе 10

Архитектуры персональных компьютеров 12

Вывод 13

Список литературы 14

Введение

История вычислений уходит глубокими  корнями в даль веков так же, как и развитие человечества. Накопление запасов, делёж добычи, обмен —  все подобные действия связаны со счётом. Для подсчёта люди использовали собственные пальцы, камешки, палочки  и узелки. Потребность в поиске решений всё более и более  сложных задач и, как следствие, все более сложных и длительных вычислений, поставила человека перед  необходимостью находить способы, изобретать приспособления, которые могли бы ему в этом помочь. Исторически  сложилось так, что в разных странах  возникли собственные денежные единицы, меры веса, длины, объёмов и расстояний. Для перевода из одной системы  измерения в другую требовались  вычисления, которые чаще всего могли  производить специально обученные  люди, которых иногда приглашали из других стран. Это естественно привело  к созданию изобретений, помогающих счёту. 
 
Одним из первых устройств (VI—V вв. до н. э.), облегчающих вычисления, можно считать специальную доску для вычислений, названную «абак». Вычисления на ней производились перемещением камешков или костей в углубления досок из бронзы, камня или слоновой кости. Со временем эти доски стали расчерчивать на несколько полос и колонок. В Греции абак существовал уже в V веке до н. э., у японцев он назывался «серобян», у китайцев — «суанпан». 
 
В Древней Руси при счёте применялось устройство, похожее на абак, называемое «русский шот». В XVII веке этот прибор уже обрёл вид привычных русских счёт. 
 
В начале XVII столетия, когда математика стала играть ключевую роль в науке, всё острее ощущалась необходимость в изобретении счётной машины. И в середине века молодой французский математик и физик Блез Паскаль создал «суммирующую» машину, названной Паскалиной, которая кроме сложения выполняла и вычитание. 
 
В 1670—1680 гг. немецкий математик Готфрид Лейбниц конструировал счётную машину, которая выполняла все арифметические действия. В течение следующих двухсот лет было изобретено и построено ещё несколько подобных счётных устройств, которые, однако, из-за своих недостатков, в том числе из-за медлительности в работе, не получили широкого распространения. 
 
Лишь в 1878 году русский ученый П. Чебышёв предложил счётную машину, выполнявшую сложение и вычитание многозначных чисел. Наибольшую популярность получил тогда арифмометр, сконструированный петербургским инженером Однером в 1874 году Конструкция прибора оказалась весьма удачной, так как позволяла довольно быстро выполнять все четыре арифметических действия. 
 
В 30-е годы XX столетия в нашей стране был разработан более совершенный арифмометр — «Феликс». Эти счётные устройства использовались несколько десятилетий, став основным техническим средством облегчения человеческого труда. 
 
 

История развития ЭВМ

Создание первых компьютеров

В 1812 году английский математик и  экономист Чарльз Бэббидж начал  работу над созданием, так называемой «разностной» машины. По его замыслам, она должна была не просто выполнять арифметические действия, а проводить вычисления по программе, задающей определённую функцию. В качестве основного элемента своей машины Бэббидж взял зубчатое колесо для запоминания одного разряда числа (всего таких колёс было 18). К 1822 году учёный построил небольшую действующую модель и рассчитал на ней таблицу квадратов. 
 
В 1834 году Бэббидж приступил к созданию «аналитической» машины. Его проект содержал более 2000 чертежей различных узлов. Машина Бэббиджа предполагалась как чисто механическое устройство с паровым приводом. Она состояла из хранилища для чисел («склад»), устройства для производства арифметических действий над числами (Бэббидж назвал его «фабрикой») и устройства, управляющего операциями машины в нужной последовательности, включая перенос чисел из одного места в другое; были предусмотрены средства для ввода и вывода чисел. Бэббидж работал над созданием своей машины до конца своей жизни (он умер в 1871 году), успев сделать лишь некоторые узлы своей машины, которая оказалась слишком сложной для того уровня развития техники. 
 
В 1842 году в Женеве была опубликована небольшая рукопись итальянского военного инженера Л.Ф. Менабреа «Очерк об аналитической машине, изобретённой Чарльзом Бэббиджем», переведённая в последствии ученицей и помощницей Бэббиджа дочерью Дж. Г. Байрона — леди Адой Лавлейс. При содействии Бэббиджа Ада Лавлейс составляла первые программы для решения систем двух линейных уравнений и для вычисления чисел Бернулли. Леди Лавлейс стала первой в мире женщиной-программистом. 
 
После Бэббиджа значительный вклад в развитие техники автоматизации счёта внёс американский изобретатель Г. Холлерит, который в 1890 году впервые построил ручной перфоратор для нанесения цифровых данных на перфокарты и ввёл механическую сортировку для раскладки этих перфокарт в зависимости от места пробива. Им была построена машина — табулятор, которая прощупывала отверстия на перфокартах, воспринимала их как соответствующие числа и подсчитывала их. Табуляторы Холлерита были использованы при переписи населения в США, Австрии, Канаде, Норвегии и в др. странах. Они же использовались при первой Всероссийской переписи населения в 1897 году, причём Холлерит приезжал в Россию для организации этой работы. В 1896 году Холлерит основал всемирно известную фирму Computer Tabulating Recording, специализирующуюся на выпуске счетно-перфорационных машин и перфокарт. В дальнейшем фирма была преобразована в фирму International Business Machines (IBM), ставшую сейчас передовым разработчиком компьютеров. 
 
Новый инструмент — ЭВМ — служит человеку пока лишь чуть больше полвека. ЭВМ — одно из величайших изобретений середины XX века, изменивших человеческую жизнь во многих ее проявлениях. Вычислительная техника превратилась в один из рычагов обеспечивающих развитие и достижения научно-технического прогресса. Первым создателем автоматической вычислительной машины считается немецкий учёный К. Цузе. Работы им начаты в 1933 году, а в 1936 году он построил модель механической вычислительной машины, в которой использовалась двоичная система счисления, форма представления чисел с «плавающей» запятой, трёхадресная система программирования и перфокарты. В качестве элементной базы Цузе выбрал реле, которые к тому времени давно применялись в различных областях техники. В 1938 году Цузе изготовил модель машины Z1 на 16 слов; в следующем году модель Z2, а еще через два года он построил первую в мире действующую вычислительную машину с программным управлением (модель Z3), которая демонстрировалась в Германском научно-исследовательском центре авиации. Это был релейный двоичный компьютер, имеющий память на 64 22-разрядных числа с плавающей запятой: 7 разрядов для порядка и 15 разрядов для мантиссы. К несчастью, все эти образцы машин были уничтожены во время бомбардировок в ходе Второй мировой войны. После войны Цузе изготовил модели Z4 и Z5. К. Цузе в 1945 году создал язык Plankalkul, который относится к ранним формам алгоритмических языков. Этот язык был большей степени машинно-ориентированным, но по некоторым возможностям превосходил АЛГОЛ.

Другую идею релейного компьютера выдвинул в 1937 году аспирант Гарвардского университета Г. Айкен. Его идеей заинтересовалась фирма IBM. В помощь Айкену подключили бригаду инженеров во главе с К. Лейком. Работа по проектированию и постройки машины, названной «Марк-1», началась в 1939 году и продолжалась 5 лет. Машина состояла из стандартных деталей, выпускаемых IBM в то время. Электронные лампы при создании вычислительной машины были впервые применены американским профессором физики и математики Д. Атанасовым. Атанасов работал над проблемой автоматизации решения больших систем линейных уравнений. В декабре 1939 году Атанасов окончательно сформулировал и осуществил на практике свои основные идеи, создав вместе с К. Берри работающую настольную модель машины. После этого он приступил к созданию машины, способной решить систему с 29 неизвестными.

Память машины была энергоёмкая — использовалось 1632 бумажного конденсатора. Всего использовалось 300 электронных ламп. К весне 1942 г. когда монтаж машины был почти завершен, США уже находилось в состоянии войны с Германией, и, к несчастью, проект был свёрнут. 
 
В 1942 году профессор электротехнической школы Мура Пенсильванского университета Д. Маучли представил проект «Использование быстродействующих электронных устройств для вычислений», положивший начало созданию первой электронной вычислительной машины ENIAC. Около года проект пролежал без движения, пока им не заинтересовалась Баллистическая исследовательская лаборатория армии США. В 1943 году под руководством Д. Маучли и Д. Эккерта были начаты работы по созданию ENIAC, демонстрация состоялась 15 февраля 1946 года. Новая машина имела «впечатляющие» параметры: 18000 электронных ламп, площадь 90 × 15 м2, весила 30 т и потребляла 150 кВт. ENIAC работала с тактовой частотой 100 кГц и выполняла сложение за 0,2 мс, а умножение — за 2,8 мс, что было на три порядка быстрее, чем это могли делать релейные машины. По своей структуре ЭВМ ENIAC напоминала механические вычислительные машины. 
 
Долгое время считалось, что ENIAC единственный электронный компьютер, но в 1975 году Великобритания сообщила о том, что уже с декабря 1945 года в государственном институте Блетчли-Парк работал первый, программируемый ЭВМ «Колосс», но для правильной оценки компьютера Англия не предоставила много данных. 
 
"Вряд ли можно сомневаться, что в будущем все более и более значительная часть закономерностей окружающего нас мира будет познаваться, и использоваться автоматическими помощниками человека. Но столь же, несомненно, и то, что все наиболее важное в процессах мышления и познания всегда будет уделом человека. Справедливость этого вывода обусловлена исторически. Человечество не представляет собой простую сумму людей. Интеллектуальная и физическая мощь человечества определяется не только суммой человеческих мускулов и мозга, но и всеми созданными им материальными и духовными ценностями. В этом смысле никакая машина и никакая совокупность машин, являясь, в конечном счете продуктом коллективной деятельности людей, не могут быть "умнее" человечества в целом, ибо при таком сравнении на одну чашу весов кладется машина, а на другую - все человечество вместе с созданной им техникой, включающей, разумеется, и рассматриваемую машину.  
 
Следует отметить также, что человеку исторически всегда будет принадлежать окончательная оценка интеллектуальных, равно как и материальных ценностей, в том числе и тех ценностей, которые создаются машинами, так что и в этом смысле машина никогда не сможет превзойти человека.  
 
Таким образом, можно сделать вывод, что в чисто информационном плане кибернетические машины не только могут, но и обязательно должны превзойти человека, а в ряде пока еще относительно узких областей они делают это уже сегодня. Но в плане социально-историческом эти машины есть и всегда останутся не более чем помощниками и орудиями человека". (В.М. Глушков. Мышление и кибернетика//Вопр. философии. -"- 1963. № 1). Что касается микроэлектроники, то следует сказать, что размеры электронных компонентов в настоящее время приближаются к пределу - 0,05 микрона. Тем не менее, существенно новых и эффективных элементов еще не появилось, а значит, для термина "инетеллектроника" возможна долгая жизнь. Как говорилось выше, развитие цифровой ВТ последние десятилетие идет, в первую очередь, по пути наращивания в ЭВМ встраиваемого искусственного интеллекта. Компьютеры, получившие свое название от первоначального назначения - автоматизации вычислений, получили второе, очень важное назначение стали незаменимыми помощниками человека в его интеллектуальной деятельности. Интеллектуализация средств аналоговой техники не состоялась, и это наряду с невысокой точностью вычислений, привело к ее поражению в соревновании с цифровой техникой Будет оно временным или окончательным - покажет время. 
 
Мировая история развития цифровой вычислительной техники

Стремительное развитие цифровой вычислительной техники (ВТ) и становление науки  о принципах ее построения и проектирования началось в 40-х годах нашего века, когда технической базой ВТ стала  электроника, затем микроэлектроника, а основой для развития архитектуры  ЭВМ - достижения в области искусственного интеллекта. До этого времени в  течение почти 500 лет цифровая вычислительная техника 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 колес  с десятью зубцами принадлежит  Леонардо да Винчи. Он был сделан в  одном из его дневников (ученый начал  вести дневник еще до открытия Америки в 1492 г.). В 1623 г. через 100 с  лишним лет после смерти Леонардо да Винчи немецкий ученый Вильгельм  Шиккард предложил свое решение той же задачи на базе шестиразрядного десятичного вычислителя, состоявшего также из зубчатых колес, рассчитанного на выполнение сложения, вычитания, а также табличного умножения и деления. Оба изобретения были обнаружены только в наше время и оба остались только на бумаге.

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, для чего, в дополнение к зубчатым колесам использовался ступенчатый валик. "Моя машина дает возможность совершать умножение и деление над огромными числами мгновенно" - с гордостью писал Лейбниц своему другу.

Прошло еще более ста лет  и лишь в конце XYIII века во Франции  были осуществлены следующие шаги, имеющие принципиальное значение для  дальнейшего развития цифровой вычислительной техники. "Программное" с помощью перфокарт управление ткацким станком, созданным Жозефом Жакаром, и технология вычислений, при ручном счете, предложенная Гаспаром де Прони, разделившего 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. Эти два новшества были использованы англичанином Чарльзом Беббиджем, осуществившим новый шаг в развитии средств цифровой вычислительной техники. Им был разработан проект Аналитической машины - механической универсальной цифровой вычислительной машины с программным управлением (1830-1846 гг.). Машина включала пять устройств - арифметическое АУ, запоминающее ЗУ, управления, ввода, вывода (как и первые ЭВМ появившиеся 100 лет спустя). АУ строилось на основе зубчатых колес, на них же предлагалось реализовать ЗУ (на 1000 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.

Программы для решения задач  на машине Беббиджа, а также описание принципов ее работы, были составлены Адой Августой Лавлейс - дочерью Байрона. Были созданы отдельные узлы машины. Всю машину из-за ее громоздкости создать не удалось. Только зубчатых колес для нее понадобилось бы более 50.000. Заставить такую махину работать, можно было только с помощью паровой машины, что и намечал Беббидж. Гениальную идею Беббиджа осуществил Говард Айкен, американский ученый, создавший в 1944 г. первую в США релейно-механическую ВМ. 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. Еще десятью годами ранее, в 1934 г. немецкий студент Конрад Цузе, работавший над дипломным проектом, решил сделать (у себя дома), цифровую вычислительную машину с программным управлением и с использованием - впервые в мире! - двоичной системы счисления. В 1937 г. машина Z1 (Цузе 1) заработала! Она была двоичной, 22-х разрядной, с плавающей запятой, с памятью на 64 числа и все это на чисто механической (рычажной) основе!

Пионерами электроники оказались  и англичане - в 1942-43 годах в Англии была создана (с участием Алана Тьюринга) ВМ "Колосс". В ней было 2000 электронных  ламп! Машина предназначалась для  расшифровки радиограмм германского  вермахта. Работы Цузе и Тьюринга были секретными. О них в то время знали немногие. Они не вызвали какого-либо резонанса в мире. И только в 1946 г. когда появилась информация об ЭВМ "ЭНИАК" (электронный цифровой интегратор и компьютер), созданной в США Д. Мочли и П. Эккертом, перспективность электронной техники стала очевидной (В машине использовалось 18 тыс.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.

Завершающую точку в создании первых ЭВМ поставили, почти одновременно, в 1949-52 гг. ученые Англии, Советского Союза  и США (Морис Уилкс, ЭДСАК, 1949 г. Сергей Лебедев, МЭСМ, 1951 г., Джон Мочли и Преспер Эккерт, Джон фон Нейман ЭДВАК, 1952 г.), создавшие ЭВМ с хранимой в памяти программой. В течение механического, релейного и в начале электронного периода развития цифровая вычислительная техника оставалась областью техники, научные основы которой только созревали.

Цифровая вычислительная техника  в это время была еще несовершенна и во многом уступала аналоговой, имевшей  в своем арсенале механические интеграторы, машины для решения дифференциальных уравнений и др.

Однако, на следующем этапе цифровая техника сделала беспрецедентный рывок за счет интеллектуализации ЭВМ, в то время как аналоговая техника не вышла за рамки средств для автоматизации вычислений.