История развития ЭВМ

ВВЕДЕНИЕ

Проследим историю развития вычислительной техники начиная от Абака и кончая современными нейрокомпьютерами и мультипроцессорными вычислительными системами. В начале остановимся на основных вехах развития, а потом перейдем к более подробному рассмотрению наиболее важных представителей каждого из поколений вычислительных систем.  
Перед нами  уже в скором будущем встанет задача разработки современных нейро- и квантовых компьютеров. Наша задача как можно полнее исследовать и познакомится с теми колоссальными наработками, которые были сделаны в предыдущее время, почерпнуть из них все уникальные архитектурно-системные решения, подходы и концепции. Наиболее интересные материалы, полученные нами в ходе проведения исследований, мы и рассмотрим в данном реферате.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Абак

Абаком называлась дощечка покрытая слоем пыли, на которой острой палочкой проводились линии и какие-нибудь предметы, размещавшиеся в полученных колонках по позиционному принципу. 
В Древнем Риме абак появился, вероятно в V-VI вв н.э., и назывался calculi или abakuli. Изготовлялся абак из бронзы, камня, слоновой кости и цветного стекла. До нашего времени дошёл бронзовый римский абак, на котором камешки передвигались в вертикально прорезанных желобках. Внизу помещались камешки для счета до пяти, а в верхней части имелось отделение для камешка, соответствующего пятёрке.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С середины XVII века с небольшим  промежутком были созданы Арифметическая машина Паскаля (или Паскалево колесо), арифмометр Полени, машина Бэббиджа, вычислитель Лейбница и т.д.

Самые первые идеи создания программируемой механической вычислительной машины выдвинуты более 160 лет назад. Они принадлежали англичанину Ч.Бэббиджеру,человеку феноменальных способностей, чьи идеи на много опередили свое время. Начиная с 1812 года Ч. Беббидж работал над изготовлением механической вычислительной машины более 30 лет. "Элементной базой" машины Беббиджа служили "цифровые" колеса с различным числом зубьев. Созданная в 1834 году Чарльзом Бэббиджем аналитическая машина стала первым прообразом современных компьютеров.

Теоретическим фундаментом  современных ЭВМ является алгебра логики, основы которой в 1854 году разработал английский математик и филосов Дж.Буль. Алгебра логики (булева алгебра) устанавливает правила выполнения логических операций сложения (ИЛИ ),умножения (И) и отрицания (НЕ). Манипулируя данными логическими операциями можно осуществить любые действия, позволяющие ЭВМ принимать определенные решения,управлять и перерабатывать потоки информации. Использование алгебры логики в качестве теоретического базиса современных ЭВМ основывается на использовании ей величин, принимающих только два значения : "Да"-"Нет","Включено"-"Выключено" и т.п.,что хорошо сопрягается с двоичной системой счисленя . Данная система счисления использует для записи чисел только две значащие цифры "0" и "1" . При использовании данной системы в ЭВМ цифра "0" воспроизводится низким уровнем сигнала , а цифра "1" - высоким уровнем.

Глубокую и принципиальную взаимосвязь булевой алгебры  и двоичного характера ключевых электронных элементов установил  математик Дж. фон Нейман. Идеи Неймана заложили основные принципы построения современных ЭВМ, состоящих из большого числа идентичных элементарных логических схем, действующих по двоичному принципу. Нейман доказал,что используя схемы "НЕ","ИЛИ","И" можно создать все основные узлы ЭВМ.

Дальнейшее развитие теория цифровых автоматов нашла в трудах академика В.М. Глушкова. Полученные им важные результаты позволили разработать новые принципы построения малых ЭВМ и найти новые области приложения вычислительной техники.

 

 

 

 

2 ЭВМ.

Электронные цифровые вычислительные машины (ЭВМ) появились в конце 40-х годов, вскоре после окончания второй мировой войны. Предпосылками к их возникновению явились развитие электронной техники и необходимость производить большие расчеты при формированиии карт стрельб в артилерии, которые к тому времени выполнялись с использованием специализированных арифмометров и программируемых механических вычислительных машин.

Первая ЭВМ - "Эниак" была создана в США в 1948 году. Она была очень специализирована и выполняла ограниченное число задач. Первые отечественные ЭВМ данного поколения были созданы немного позднее. К ним относятся таким ЭВМ , как "БЭСМ-1","Урал-1" и др. Они содержали несколько десятков тысяч ламп и проделывали 5-10 тысяч операций в секунду. Эти ЭВМ принято относить к ЭВМ первого поколения.  
 

 

 

 

 

 

Основными недостатками данных ЭВМ является их низкая надежность из-за большого количества ламп и паянных соединений а также их очень большие размеры. К примеру, ЭВМ "БЭСМ-1" занимала несколько этажей ,вследствии чего поиск и устранение неисправностей длилось очень большое время. А так как и электронные узлы данной ЭВМ имели небольшую наработку на отказ, то и ЭВМ находилась в работе всего несколько часов в неделю, а все остальное время тратилось на ее обслуживание и ремонт.

Колоссальный прогресс ЭВМ  решающим образом связан с развитием  полупроводниковой техники. " Элементной базой " ЭВМ второго поколения являются полупроводниковые приборы. Одна из мощнейших машин этого класса - "БЭСМ-6" создана в СССР в 1967 году . Она совершала около 1 мл. операций в секунду,содержала 60 тысяч биполярных транзисторов и 200 тысяч диодов. По-сравнению с ЭВМ первого поколения в данных ЭВМ значительно повысилась надежность, быстродействие,снизились габариты.При разработке ЭВМ второго поколения широкое применение нашел блочный принцип построения на простых элементарных ячейках, который был применен в ЭВМ первого поколения. Данные элементарные ячейки были названы логическими схемами и выполняли одну из логических операций : "И","ИЛИ","НЕ". Этот принцип позволил использовать при проектировании ЭВМ всего несколько типов унифицированных логических схем,что значительно сократило сроки разработки ,повысило ремонтопригодность и уменьшило себестоимость создаваемых ЭВМ. Как мы уже заметили основным элементом ЭВМ является "ключевой прибор" , для ЭВМ первого поколения- это триод,для ЭВМ второго поколения - это транзистор. Так как этот прибор определяет основные характеристики ЭВМ то к нему с течением времени предьявляются все более жесткие требования:

• Во-первых ,скорость переключения элемента ,т.е. скорость перехода из состояния "0" в состояние "1" и обратно,должна быть очень велика,так как она определяется быстродействие всей машины.
• Во-вторых , его размеры должны быть очень малы,ведь элементов в ЭВМ очень много.
• В-третьих, потребляемая им мощность и его стоимость должны быть очень низкими.
• В-четвертых,его надежность должна быть как можно выше и т.д.

Оказалось ,что единственный тип приборов из всего известного на сегодня многообразия ключевых устройств, который удовлетворяет всей совокупности жестких и противоречивых требований современных ЭВМ - это транзисторы, обьединенные в интегральные схемы (ИС). Идея размещать на печатной плате (ПП) бескорпусные транзисторы и диоды и герметизировать затем всю плату целиком появилась в начале 50-х годов.Полученную таким образом электронную ячейку назвали гибридной интегральной схемой (ГИС).ЭВМ ,построенные на данных схемах характеризует еще большее уменьшение обьемов и себестоимости по сравнению с ЭВМ второго поколения,но надежность и потребляемая мощность остались практически прежними.

Идея создавать на полупроводниковой  пластине готовую схему, содержащую транзисторы, диоды, резисторы , конденсаторы и все необходимые соединения была реализована в 1959 году. В результате полученная пластина содержит гото-вые электронные схемы . В корпус помещается схема насчитывающая до нескольких миллионов транзисторов и имеющая небольшое число внешних выводов. Размеры и потребляемая мощность электронных схем сильно уменьшились, а их надежность значительно возросла. На данном принципе были реализованы интегральные микросхемы (ИС). В начале 60-х годов уровень развития технологии не позволял изготавливать ИС с большой степенью интеграции ( степень интеграции - количесво транзисторов размещенных в единице обьема). Выпускаемые в то время ИС содержали несколько десятков тысяч транзисторов и их назвали интегральные схемы с малой степенью интеграции (МИС). На данной "элементной базе" были реализованы ЭВМтретьего поколения. Одной из самых мощных отечественных ЭВМ этого поколения является ЭВМ ЕС-1060. Она обладала быстродействием до 3 мл. операций в секунду,содержала более 10 мл. транзисторов и была реализована в виде набора стоек "шкафного" типа.

Бурное развитие полупроводниковой  технологии позволи-ло в начале 70-х годов перейти к созданию больших и сверхбольших интегральных схем (БИС И СБИС), на основе которых были созданы ЭВМ четвертого поколения, производящие десятки мл. операций в секунду. Одними из самых мощных ЭВМ данного поколения являются ЭВМ семейства "Крейт" (США) и "Эльбрус"(Россия),которые являются многопроцессорными системами и содержат до нескольких миллиардов транзисторов.

ЭВМ пятого поколения реализованы на основе Фоннеймановских моделей "нейрокомпьтеров", что позволит приблизить обьем и скорость обработки информации в ЭВМ к обьемам и скорости обработки информации в мозге человека.

В недалеком будущем нас  ждет появление квантовых компьютеров - ЭВМ шестого поколения. Разработка математического аппарата и архитектурных решений которых сейчас активно ведется.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Линейка Уатта и изобретения основанные на её базе.

 
Линейка Уатта- первая универсальная логарифмическая линейка, пригодная для выполнения любых инженерных расчетов, была сконструирована в 1779 году выдающимся английским механиком Дж.Уаттом. Она получила название "сохо-линейки", по имени местечка близ Бирмингема, где работал Уатт.

С середины XVII века с небольшим  промежутком были созданы Арифметическая машина Паскаля (или Паскалево колесо), арифмометр Полени, машина Бэббиджа

Машина Паскаля, механизм передачи десятков  
Арифметическая машина (или Паскалево колесо) была готова в 1645 году. В отличие от известных счетных инструментов типа абака в арифметической машине вместо предметного представления чисел использовалось их представление в виде углового положения оси (вала) или колеса, которое несет эта ось. 
Устройство механизма передачи десятков следующее: На счётном колесе В₁ младшего разряда имеются стержни С₁, которые при вращении оси А₁ входят в зацепление с зубьями вилки М, расположенной на конце двухколенного рычага D₁. Этот рычаг свободно вращается на оси А₂ старшего разряда, вилка же несёт на себе подпружиненную собачку. Когда при вращении оси А₁ колесо В₁ достигнет позиции, соответствующей цифре 6, стержни С₁ войдут в зацепление с зубьями вилки, а в тот момент, когда перейдет от 9 к 0, вилка выскользнет из зацеплния и под действием собственного веса упадёт вниз, увлекая за собой собачку. Собачка и протолкнёт счетное колесо В² старшего разряда, на один шаг вперёд (т.е. повернёт его вместе с осью А₂ на 36°). Рычаг Н, оканчивающийся зубом в виде топорика, играет роль защелки, препятствующей вращению колеса В₁ в обратную сторону при поднимании вилки.

Модель счетного устройства Леонардо да Винчи  
В 30-х годах 17 столетия в национальной библиотеке Мадрида были обнаружены два тома неопубликованных рукописей Леонардо да Винчи. И среди чертежей "Codex Madrid I", почти полностью посвященного прикладной механике, ученые нашли эскиз 13-разрядного суммирующего устройства с десятизубыми колёсами. В рекламных целях оно было воспроизведено фирмой IBM и оказалось вполне работоспособным.

Позднее появились и другие различные вычислительные колеса.  

 

 

 

 

 

 

 

 

Машина Хилла  
В 1857 году американец Томас Хилл создал первую многоразрядную машину. Машина Хилла была двухразрядной и в каждом разряде имела по девять расположенных вертикальными колонками клавиш и по храповому колесу (на рисунке ради наглядности показаны лишь шесть клавиш в каждом разряде). Машина Хилла была выставлена в Национальном музее в Вашингтоне, но конструктивные недостатки и малая разрядность помешали её дальнейшему распространению.

  

 

 

 

 

 

Арифмометр Полени  
В 1709 году в Падуе вышла книга посвященная, изобретённой Джованни Полени, машине. 
Основные детали этого замысловатого устройства выточены из дерева. Машина Полени, в отличие от всех известных счётных машин приводится в движение грузом-гирькой k, висящей свободно на канате. 

Аналитическая машина Бэббиджа  
В 1834 году англичанин Чарльз Бэббидж изобретает аналитическую машину. Она состояла из "склада" для хранения чисел ("накопитель"), "мельницы" - для производства арифметических действий над числами ("арифметическое устройство"), устройство, управляющее в определенной последовательности операциями машины ("устройство управления"), устройство ввода и вывода данных.В 1834 году англичанин Чарльз Бэббидж изобретает аналитическую машину. Она имела следующие составные части: 1) "склад" для хранения чисел (по современной терминологии "накопитель" или "запоминающее устройство", "память");2) "мельницу" - для производства арифметических действий над числами ("арифметическое устройство");3) устройство, управляющее в определенной последовательности операциями машины ( сейчас - "устройство управления");4) устройство ввода и вывода данных. 
Здесь он сделал одно из наиболее выдающихся своих изобретений: систему предварительного переноса (по современной терминологии - систему сквозного переноса). Время на производство арифметических операций затрачивалось так: сложение или вычитание - 1 секунда; умножение (двух 50-разрядных чисел) - 1 минута; деление (100-разрядное число на 50-разрядное) - 1 минута. 
В аналитической машине предусматривалось три различных способа вывода полученных результатов: печатание одной или двух копий, изготовление стереотипного отпечатка, пробивки на перфокартах. Аналитическая машина не была построена. Но Бэббидж сделал более 200 чертежей ее различных узлов и около 30 вариантов общей компоновки машины. При этом было использовано более 4 тысяч "механических обозначений". Аналитическая машина Бэббиджа - первый прообраз современных компьютеров.