История развития вычислительной техники

История вычислительной техники началась тогда, когда сформировалось понятие числа. Во многих языках слово «цифра» происходит от слова «палец». Пальцы стали первой «вычислительной машиной». На пальцах можно складывать, вычитать и умножать довольно большие числа. Знаменитый Фибоначчи в XIII веке рекомендовал всем осваивать счет на пальцах.

Следующим изобретением был «абак» – счеты по 5 косточек в ряду. Задача считалась решенной, только если была указана последовательность действий, которые необходимо выполнить на абаке для получения результата. Алгоритмы решения на абаке были подробно разработаны французским ученый Гербертом (950-1003),которыйвпоследствии стал папой римским Сильвестром II.

В XVII веке появились первые механические счетные устройства и машины:

· 20-е годы английский математик Вильям Оутред придумал логарифмическую линейку;

· 1632 год немецкий ученый Вильгельм Шиккард сконструировал первый в истории счетный механизм;

· 1642 год французский математик, физик и философ Блез Паскаль ( 1623-1662 ) создал свою счетную машину, которая могла складывать и вычитать;

· 1673 год немецкий математик и философ Готфрид Вильгельм Лейбниц ( 1646-1716 ) сконструировал арифмометр, выполнявший 4 арифметических действия. Лейбниц, который является одним из основоположников дифференциального и интегрального исчисления, мечтал полностью автоматизировать процесс вычислений, что в то время было невозможным, но он разработал двоичную систему счисления, которая и легла в основу автоматизации вычислений в современных компьютерах.

В первой половине XIX века англичанин Чарльз Бэббидж ( 1791-1871 ) разработал конструкцию аналитической машины, которую можно было бы назвать первым компьютером. Но она не была построена, т.к. машина должна была быть механической, а точность изготовления деталей, которая необходима для этой машины в середине XIX века была недостижима. Устройство компьютера по чертежам Бэббиджа было описано Августой Адой Лавлейс. Она же разработала основы теории программирования, написала несколько программ для еще несуществующей вычислительной машины. Загружалась программа при помощи карточек с пробитыми дырочками – перфокарт. Основные устройства аналитической машины были теми же, что и в современном компьютере:

· устройство для ввода данных («ворота»);

· запоминающее устройство, способное хранить исходные данные и промежуточные результаты (Бэббидж назвал его «складом»);

· арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции («мельница»);

· устройство управления («контора»), руководившее перемещениями со «склада» на «мельницу» и работой «мельницы», и обеспечивающее выполнение необходимых  действий в определенном порядке по заданной программе;

· устройство для вывода результата («ворота»).

Приборы, которые можно отнести к программируемым устройствам:

· математик и корабел А.Н. Крылов (1863-1945) изобрел машину для решения дифференциальных уравнений;

· в 1915 году немецкая фирма «Аскания» построила вычислительную машину для расчета времени приливов и отливов на северном побережье Германии, она работала до 1975 года;

· 1804 год французский инженер Жозеф Мари Жаккард сконструировал станки, которые ткали сложные узоры, руководствуясь последовательностью перфокарт;

· различные музыкальные автоматы, шарманки, механические пианино.

Архитектура фон Неймана

В 40-х годах XX века американец венгерского происхождения Джон (Янош) фон Нейман ( 1903-1957 ) включился в работу по созданию вычислительной машины для управления установками береговой противовоздушной обороны. Машина была названа «ENIAC» Electronic Numeric Integrator Automatic Computer – электронный численный интегратор и автоматический вычислитель (компьютер). Но она имела принципиальный недостаток, в ней отсутствовало устройство для запоминания и хранения команд.

В 1945 году Джон фон Нейман выступил с докладом, в котором были сформулированы основные принципы организации нового вычислительного устройства, получившие название архитектура фон Неймана.

АЛУ – арифметико-логическое устройство, предназначенное для выполнения арифметических и логических операций, в современных компьютерах устройство является составной частью процессора;

ОП    ­- – оперативная память, устройство, предназначенное для хранения кодов и данных выполняющейся в данный момент программы; американская аббревиатура RAM – Random Access Memory, память с произвольным доступом; русская аббревиатура ОЗУ – оперативное запоминающее устройство.

ВУ -   внешние устройства или периферия.

 

ВУ –внешние устройства или периферия.

Внешние устройства делятся на два класса:

1. Внешняя память – накопитель на гибких магнитных дисках, накопитель на жестких магнитных дисках, CD-устройства, магнитооптические накопители, DVD-устройства, флэш USB устройства.

2. Устройства ввода/вывода информации:

– устройства ввода: клавиатура, манипуляторы (мышь, сенсорная панель, джойстик), микрофон, сканер, дисплей, факс, цифровая камера, дигитайзер;

– устройства вывода: дисплей, принтер, акустические колонки, плоттер, факс, электронная доска, проектор.

УУ - – управляющее устройство (в современной технике входит в состав процессора), которое организует работу компьютера следующим образом:

1. помещает в ОП коды программы из ВУ;

2. считывает из ячейки ОП и организует выполнение первой команды программы;

3. определяет очередную команду и организует ее выполнение;

4. постоянно синхронизирует работу устройств, имеющих различную скорость выполнения операций, путем приостановки выполнения программы.

В целом принципы фон-Неймана сводятся к следующему:

1. Принцип хранимой программы. Машина имеет память, в которой хранятся программа, данные и результаты промежуточных вычислений. Программа и данные вводятся в память в виде двоичных кодов.

2. Адресный принцип. В команде указываются не сами числа, над которыми нужно выполнять арифметические действия, а адреса ячеек памяти, где эти числа находятся.

3. Принцип автоматизма. После ввода программы и данных машина работает автоматически, выполняя предписания программы без вмешательства человека. Для этого машина запоминает адрес выполняемой команды, а каждая команда содержит указание об адресе следующей команды. Указание может быть:

1) неявным – перейти к команде, следующей по адресу за выполняемой, используется при построении линейной организации управления действиями алгоритма;

2) безусловным – перейти к команде по заданному адресу, осуществляется при использовании команды перехода (GoTo) или организации подпрограмм;

3) условным – проверить заданное условие и в зависимости от его выполнения перейти к команде по тому или иному адресу, используется при организации команд ветвления и цикла.

4. Принцип переадресации. Адреса ячеек памяти, указанные в команде, можно вычислять и преобразовывать как числа.

 В 1946 году фон Нейман начинает разработку новой машины, в соответствии с разработанной архитектурой и принципами, и в 1949 годубыла создана машина «EDVAC» Electronic Discreet Variable Automatic Computer – электронный компьютер по обработке дискретных переменных, которая в последствии была признана первым компьютером.

Поколения компьютеров

Один из способов классификации компьютеров, учитывающий основные конструктивные элементы – это распределения компьютеров по поколениям.

I поколение

Время появления – середина 40-х–середина 50-х годов.

Элементная база процессоров – электронные вакуумные лампы (ЭВЛ);

Элементная база ОЗУ– электронно-лучевые трубки;

Скорость обработки данных – до 20 тысяч операций в секунду;

Сферы использования – для научных расчетов;

Представители: МЭСМ (малая электронная счетная машина) – в 1947–1951 гг. и БЭСМ (большая электронная счетная машина) – в 1952 г. разработаны под руководством С.А. Лебедева; в 1955 г. начался выпуск малой ЭВМ «Урал–1», руководитель проекта Б.И. Рамеев, самой лучшей была серийной машиной была М-20; примером зарубежной серийной машины является IBM-701 (США).

II поколение

Время появления – конец 50-х–середина 60-х годов.

Элементная база процессоров – транзисторы (твердые диоды и триоды);

Элементная база ОЗУ– ферритовые (намагниченные) сердечники;

Скорость обработки данных – до 1 млн. операций в секунду;

Сферы использования – для научных расчетов;

Новые технологии: создание долговременной памяти на магнитных дисках и лентах, пакетный режим работы обработки программ, созданы язык Ассемблера, алгоритмические языки и библиотеки стандартных программ;

Представители: БЭСМ-4, М-220, «Минск-32»; IBM-7090 (США).

III поколение

Время появления – конец 60-х–начало 70-х годов.

Элементная база процессоров и ОЗУ – интегральные полупроводниковые схемы;

Скорость обработки данных – до 10 млн. операций в секунду;

Сферы использования – научно-технические расчеты, автоматизация технологических процессов (робототехника), научные эксперименты и испытательные установки, проектно-конструкторские работы, экономические расчеты.

Новые технологии:

§ развита конфигурациярасширился спектр внешних устройств (алфавитно-цифровые терминалы, графопостроители, печатающие устройства и т.п.) с использованием стандартных средств сопряжения;

§ появилась развитая операционная система, обеспечивающая организацию взаимодействия человека с машиной и работу в мультипрограммном режиме (несколько одновременно размещаемых в оперативной памяти программ совместно используют ресурсы процессора);

§ стала возможна обработка символьной информации, в основном экономической.

§ появилсяление режима разделения времени (время разбивается на кванты – небольшие промежутки времени для выполнения какого-либо задания, у пользователя создаётся иллюзия беспрерывной работы или, если несколько пользователей, – индивидуальной работы за машиной);

§  созданыие семейства вычислительных машин, совместимых снизу вверх на уровне машинных языков, внешних устройств, модулей конструкций;

§ получили широкое распространение семейства мини-ЭВМ (машины с минимальной аппаратурой центрального процессора, позволяющая управлять процессами в режиме реального времени – темп выдачи минимальных управляющих воздействий на объект управления согласован со скоростью протекания процессов в этом объекте). 

Представители: ЕС ЭВМ (Единая Система ЭВМ), копирующая IBM-360 и IBM-370; серия мини-ЭВМ СМ ЭВМ (Системы Машин ЭВМ), ориентированная на зарубежные модели; многопроцессорная ЭВМ М-10. Скорость обработки данных у мощных машин достигала 10 млн. операций в секунду.

IV поколение

Время появления – конец 70-х–начало 80-х годов;

Элементная база процессоров и ОЗУ – большие интегральные схемы (БИС), гигабольшие интегральные схемы (ГБИС), ультрабольшие интегральные схемы (УБИС);

Скорость обработки данных – до 10⁹ операций в секунду;

Сферы использования – измерительные комплексы; системы числового программного управления; информационно-справочные и поисковые системы; управляющие системы всех сфер человеческой деятельности.

Новые технологии:

§ параллельная обработка данных (технически реализована в многопроцессорных системах, состоящих из двух или более взаимосвязанных процессоров, работающих с общей памятью и управляемых общей операционной системой);

§ появление виртуальной памяти (страничный обмен информации между внешней и основной памятью);

§ создание микропроцессоров, на основе которых были созданы микроЭВМ, а затем персональные компьютеры;

§ применение нового принципа, названного открытой архитектурой;

§ развитые усовершенствованы средства диалога «человек-компьютер»;

§  появление суперЭВМ (многопроцессорные вычислительные комплексы).

Представители: IBM PC и совместимые с ним персональные компьютеры; «Крей-3» – суперЭВМ (кремниевый кристалл заменен арсенидом галлия), имеющая производительность до 16 млрд. операций в секунду; «Эльбрус» – многопроцессорный вычислительный комплекс, разработанный в России.