История и направления развития вычислительной 


Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

История и направления развития вычислительной



ТЕМА 2.

История и направления развития вычислительной

Техники

Эволюция средств вычислительной техники

Поколения современных компьютеров

Первое поколение компьютеров

Второе поколение компьютеров

Третье поколение компьютеров

Четвертое поколение компьютеров (с 1971 года и по настоящее время)

Контрольные вопросы

Литература

XX век характеризуется необходимостью обрабатывать огромное количество информации. Для сбора, хранения, использования и распространения большого объема информации необходимо специальное устройство. Таким устройством является компьютер. В настоящее время компьютеры представлены практически во всех областях жизни человека. Для того чтобы полно оценить влияние компьютеров на жизнь человека и его будущее, необходимо понять, как проходила их эволюция.

Период в Элементная база   Быстро- действие Объём ОП   Устройства ввода /вывода   Программное обеспечение   Примеры
1946 - 1955   Электронные лампы   2 – 2 тыс.   2 Кб   Перфоленты, перфокарты, маг. ленты   Машинные коды   БЭСМ-1, М-1, Урал-1  
1955 – 1965   Транзисторы   100 – 150 тыс.   2 – 32 Кб   Магнитные барабаны, маг. диски   Языки высокого уровня   БЭСМ-6, М-222, IBM-701  
1966 - 1979   Интегральные схемы (ИС)   1 млн.   64 Кб   Многотерми- нальные системы   Операционные системы   ЕС-1030, IBM-360  
1980 – 1989   Большие интегральные схемы (БИС) 10 – 100 млн.   2 – 3 Мб   Сети персональных ЭВМ   Базы, банки данных   ЕС-1030, IBM-360 Эльбрус, ILLIAC 4  
1990 –   CБИС   Более 100 млн.     Оптические и лазерные устройства   Экспертные системы    

 

2.1. Эволюция средств вычислительной техники

Современным компьютерам предшествовали механические и электромеханические устройства.

В 1642 году французский математик и философ Блез Паскаль в возрасте 18 лет сконструировал суммирующую машину.

Машина Паскаля состояла из восьми движущихся дисков с прорезями и могла суммировать числа до восьми знаков. Для своей машины Паскаль использовал десятичную систему исчисления.

Известны и более ранние попытки создания механических суммирующих машин. Описание суммирующей машины, напоминающей по характеристикам машину Паскаля, в 1967 году было обнаружено в записках, принадлежащих Леонардо да Винчи. Подобное устройство также было описано в 1623 году Вильгельмом Шикардом. До наших дней дошли только чертежи Шикарда, обнаруженные в 1956 году.

В 1694 году немецкий математик и философ Готфрид Вильгельм Лейбниц, используя чертежи и рисунки Паскаля, улучшил машину Паскаля, добавив возможность перемножать числа. Вместо обычных шестеренок Лейбниц использовал пошаговый барабан.

Однако широкое распространение вычислительные аппараты получили только в 1820 году, когда француз Чарльз Калмар изобрел машину, которая могла производить четыре основных арифметических действия.Машину Калмара назвали арифмометр. Начало эры компьютеров в том виде, в котором они существуют сейчас, связано с именем английского математика Чарльза Бэббиджа, который в 30-х годах XIX века предложил идею вычислительной машины, осуществленную лишь в середине XX века.

Бэббидж обратил внимание на то, что машина может без ошибок выполнять вычисление больших математических таблиц посредством простого повторения шагов. Работая над этой проблемой, в 1822 году Бэббидж предложил проект машины для решения дифференциальных уравнений.

Для повторения операций в машине Бэббиджа должна была использоваться энергия пара. Таким образом, процесс вычислений действительно был автоматизирован, то есть проходил без участия человека.

В дальнейшем Бэббидж решил создать модель универсальной вычислительной машины, способной выполнять широкий круг задач. Он назвал ее аналитической машиной.

У аналитической машины Бэббиджа были все основные черты современного компьютера. Состоящая более чем из 50000 компонентов аналитическая машина включала
устройство ввода информации,
блок управления,
запоминающее устройство
и устройство вывода результатов.

Аналитическая машина могла выполнять определенный набор инструкций, которые записывались на перфокартах.

Перфокарты представляли собой прямоугольные карточки из картона. Каждой инструкции аналитической машины соответствовала определенная последовательность дырочек, которые пробивались на перфокартах, а затем с помощью устройства ввода поступали в блок управления. Хотя аналитическая машина в том виде, в котором ее задумывал Бэббидж, так и не была создана, идеи, заложенные Бэббиджем, оказали огромное влияние на развитие вычислительной техники.

Автоматизация вычислений, универсальность вычислительной машины, набор внутренних инструкций, общая конструктивная схема, организация ввода и вывода информации - все эти элементы впоследствии были использованы при создании компьютера.

В 1889 году американский изобретатель Герман Холлерит сконструировал перфокарточное устройство для решения статистических задач.

В отличие от идеи Бэббиджа, хранить на перфокартах инструкции, Холлерит использовал перфокарты для хранения данных.

Кроме того, для работы перфокарточного устройства использовалось электричество.

Цифры на перфокарте изображались одинарными отверстиями, а буквы алфавита - двойными.

Специальный электрический прибор опознавал отверстия на перфокартах и посылал сигналы в обрабатывающее устройство. Вычислительная машина Холлерита оказалась по тем временам очень быстрым устройством обработки данных, а перфокарты - удобным способом хранения данных.

Машина Холлерита была использована для обработки результатов переписи населения США. Обработка результатов предыдущей переписи 1880 года заняла около 10 лет. За это время успело вырасти новое поколение американцев. С помощью машины Холлерита те же данные были обработаны всего за шесть недель.

В 1896 году Холлерит основал компанию по производству перфорирующих устройств - Tabulating Machine Company, которая

в 1924 году после-5серий слияний и поглощений превратилась в знаменитую компанию по производству компьютеров - IBM (International Business Machines).

Механические и электромеханические вычислительные машины, предназначенные для решения сложных задач, требуют наличия огромного количества элементов для представления чисел и связей между ними, что существенно усложняет их работу.

Решая эту проблему, американцы Джон Атанасов и Клиффорд Берри в 1940 году разработали модель полностью электронного компьютера, использующего единую истому представления чисел и связей между ними - булеву алгебру. Их подход базировался на работах английского математика XIX века Джорджа Буля, посвященных аппарату символической логики.

В основе булевой алгебры лежит интерпретация элементов булевой алгебры как высказываний, принимающих значение "истина" или "ложь ". Атанасов и Берри применили эту концепцию для электронных устройств. Истине соответствовало прохождение электрического тока, а лжи - его отсутствие.

Для представления чисел Атанасов и Берри предложили использовать двоичную систему исчисления.

В 1936 году английский математик Алан Тьюринг опубликовал работу "О вычислимых числах", заложив теоретические основы теории алгоритмов.

В своей работе Тьюринг описал абстрактную вычислительную машину, которая получила название машины Тьюринга.

Машина Тьюринга представляет собой автоматическое устройство, способное находиться в конечном числе внутренних состояний и снабженное бесконечной внешней памятью - лентой.

Работа машины будет заключаться в последовательном преобразовании исходной конфигурации в соответствии с программой машины до тех пор, пока не будет достигнуто конечное состояние.

Тьюринг не преследовал цели изобрести компьютер. Тем не менее, описанная им абстрактная машина определила некоторые характеристики современных компьютеров. Так, например, бесконечная лента является аналогом оперативной памяти современного компьютера. Впервые подобная модель памяти была использована в компьютере Атанасова и Берри.

 

2.2. Поколения современных компьютеров

Развитие вычислительной техники в современном периоде принято

рассматривать с точки зрения смены поколений компьютеров. Каждое поколение компьютеров в начальный момент развития характеризуется качественным скачком в росте основных характеристик компьютера..

Используются следующие показатели развития компьютеров одного поколения:
элементная база;

временной интервал;

быстродействие,
архитектура,
программное обеспечение,
уровень развития внешних устройств
.

Другим важным качественным показателем является
широта области применения компьютеров.

 

2.2.1. Первое поколение компьютеров (1945-1956 годы)

С началом второй мировой войны правительства разных стран начали разрабатывать вычислительные машины, осознавая их стратегическую роль в ведении войны. Увеличение финансирования в значительной степени стимулировало развитие вычислительной техники.

В 1941 году немецкий инженер Конрад Цузе разработал вычислительную машину Z2, выполнявшую расчеты, необходимые при проектировании самолетов и баллистических снарядов.

В 1943 году английские инженеры завершили создание вычислительной машины для дешифровки сообщений немецкой армии, названной "Колосс".

Однако эти устройства не были универсальными вычислительными машинами, они предназначались для решения конкретных задач.

В 1944 году американский инженер Говард Эйкен при поддержке фирмы IBM сконструировал компьютер для выполнения баллистических расчетов. Этот компьютер, названный "Марк I", по площади занимал примерно половину футбольного поля и включал более 600 километров кабеля.
В компьютере "Марк I" использовался принцип электромеханического реле, заключающийся в том, что электромагнитные сигналы перемещали механические части.
"Марк I" был довольно медленной машиной: для того чтобы произвести одно вычисление требовалось 3-5 с. Однако, несмотря на огромные размеры и медлительность, "Марк I" стал более универсальным вычислительным устройством, чем машина Цузе или "Колосс".
"Марк I" управлялся с помощью программы, которая вводилась с перфоленты. Это дало возможность, меняя вводимую программу, решать довольно широкий класс математических задач.

В 1946 году американские ученые Джон Мокли и Дж. Преспер Эккерт сконструировали электронный вычислительный интегратор и калькулятор (ЭНИАК) - компьютер, в котором электромеханические реле были заменены на электронные вакуумные лампы. Применение вакуумных ламп позволило увеличить скорость работы ЭНИАК в 1000 раз по сравнению с "Марк I".
ЭНИАК стал работающим прообразом, современного компьютера
.

Во-первых, ЭНИАКбыл основан на полностью цифровом принципе обработки информации.

Во-вторых, ЭНИАК стал действительно универсальной вычислительной машиной, он использовался для расчета баллистических таблиц, предсказания погоды, расчетов в области атомной энергетики, аэродинамики, изучения космоса.

Следующий важный шаг в совершенствовании вычислительной техники сделал американский математик Джон фон Нейман.

Ранние вычислительные машины могли выполнять только команды, поступающие извне, причем команды выполнялись поочередно. Хотя использование перфокарт позволяло упростить процесс ввода команд, тем не менее, часто процесс настройки вычислительной машины и ввода команд занимал больше времени, чем собственно решение поставленной задачи.

Фон Нейман предложил включить в состав компьютера для хранения последовательности команд и данных специальное устройство - память.

реализовать в компьютере возможность передачи управления от одной программы к другой

в озможность хранить в памяти компьютера разные наборы команд (программы),

приостанавливать выполнение одной программы и передавать управление другой,

а затем возвращаться к исходной

значительно расширяла возможности программирования для вычислительных машин.

Другой ключевой идеей, предложенной фон Нейманом, стал процессор ( центральное обрабатывающее устройство), который должен был управлять всеми функциями компьютера.

В 1945 году Джон фон Нейман подготовил отчет, в котором определил следующие основные принципы работы и элементы архитектуры компьютера:

1. Компьютер состоит из процессора (центрального обрабатывающего

устройства), памяти и внешних устройств.

2. Единственным источником активности (не считая стартового или аварийного вмешательства человека) в компьютере является процессор, который, в свою очередь, управляется программой, находящейся в памяти.

3. Память компьютера состоит из ячеек, каждая из которых имеет свой

уникальный адрес. Каждая ячейка хранит команду программы или единицу обрабатываемой информации. Причем и команда, и информация имеют одинаковое представление.

4. В любой момент процессор выполняет одну команду программы, адрес которой находится в специальном регистре процессора - счетчике команд.

5. Обработка информации происходит только в регистрах процессора. Информация в процессор поступает из памяти или от внешнего устройства.

6. В каждой команде программы зашифрованы следующие предписания: из каких ячеек взять обрабатываемую информацию; какие операции совершить с этой информацией; в какие ячейки памяти направить результат; как изменить содержимое счетчика команд, чтобы знать, откуда взять следующую команду для выполнения.

7. Процессор исполняет программу команда за командой в соответствии с изменением содержимого счетчика команд до тех пор, пока не получит команду остановиться.

В дальнейшем архитектура фон Неймана незначительно изменялась и

дополнялась, но исходные принципы управления работой компьютера с помощью хранящихся в памяти программ остались нетронутыми. Подавляющее большинство современных компьютеров построено именно по архитектуре фон Неймана.

В 1951 году был создан первый компьютер, предназначенный для коммерческого использования, - УНИВАК (универсальный автоматический компьютер), в котором были реализованы все принципы архитектуры фон Неймана.

В 1952 году с помощью УНИВАК был предсказан результат выборов

президента США.

Работы по созданию вычислительных машин велись и в СССР. Так, в 1950 году в Институте электроники Академии наук Украины под руководством академика Сергея Алексеевича Лебедева была разработана и введена в эксплуатацию МЭСМ (малая электронная счетная машина). МЭСМ стала первой отечественной универсальной ламповой вычислительной машиной в СССР.

В 1952-1953 годах МЭСМ оставалась самой быстродействующей (50 операций в секунду) вычислительной машиной в Европе.

Принципы построения МЭСМ были разработаны С. А. Лебедевым независимо от аналогичных работ на Западе.

В компьютерах первого поколения использовался машинный язык - способ записи программ, допускающий их непосредственное исполнение на компьютере.

Программа на машинном языке представляет собой последовательность

машинных команд, допустимых для данного компьютера.

Процессор непосредственно воспринимает и выполняет команды, выраженные в виде двоичных кодов.

Для каждого компьютера существовал свой собственный машинный язык. Это также ограничивало область применения компьютеров первого поколения.

Появление первого поколения компьютеров стало возможно благодаря трем техническим новшествам:

электронным вакуумным лампам,

цифровому кодированию информации

и созданию устройств искусственной памяти на электростатических трубках.

Компьютеры первого поколения имели невысокую производительность: до нескольких тысяч операций в секунду.

В компьютерах первого поколения использовалась архитектура фон Неймана.

Средства программирования и программного обеспечение еще не были развиты, использовался низкоуровневый машинный язык.

Область применения компьютеров была ограничена.

 

2.2.2. Второе поколение компьютеров (1956-1963 годы)

Недостатки компьютеров первого поколения:

Электронные вакуумные лампы

выделяли большое количество тепла,

поглощали много электрической энергии,

были громоздкими,

дорогими и ненадежными.

обладали низким быстродействием

и невысокой надежностью.

В 1947 году сотрудники американской компании "Белл" Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Бреттейн изобрели транзистор. Транзисторы выполняли те же функции, что и электронные лампы, но использовали электрические свойства полупроводников.

Микросхемы работали

значительно быстрее транзисторов

и потребляли значительно меньше энергии.

Первые интегральные микросхемы состояли всего из нескольких элементов.

Однако, используя полупроводниковую технологию, ученые довольно быстро научились размещать на одной интегральной микросхеме сначала десятки, а затем сотни и больше транзисторных элементов.

В 1964 году компания IBM выпустила компьютер 1MB System 360, построенный на основе интегральных микросхем.

Семейство компьютеров IBM System 360 - самое многочисленное семейство компьютеров третьего поколения и одно из самых удачных в истории вычислительной техники.

Выпуск этих компьютеров можно считать началом массового производства вычислительной техники.

Всего было выпущено более 20 000 экземпляров System 360.

1MB System 360 относится к классу так называемых мэйнфреймов. Компания DEC (Digital Equipment Corporation) представила модель миникомпьютера PDP-8.

Мини-компьютеры, или компьютеры средней производительности,

характеризуются высокой надежностью и сравнительно низкой стоимостью.

Низкая по сравнению со стоимостью суперкомпьютеров стоимость миникомпьютеров позволила начать применять их в небольших организациях - исследовательских лабораториях, офисах, на небольших промышленных предприятиях.

В то же время проходило совершенствование программного обеспечения.

Операционные системы строились таким образом, чтобы поддерживать большее количество внешних устройств, появились первые коммерческие операционные системы и новые прикладные программы.

В 1968 году на одной из конференций Дуглас Энгельбарт из Станфордского института продемонстрировал созданную им систему взаимодействия компьютера с пользователем, состоящую из клавиатуры, указателя "мышь" и графического интерфейса, а также некоторые программы, в частности текстовый процессор и систему гипертекста.

В 1964 году появился язык программирования Бейсик (BASIC - Beginner's All-Purpose Symbolic Instruction Code), предназначенный для обучения начинающих программистов.

Бейсик обеспечивал быстрый ввод и проверку программ.

Бейсик не очень подходил для написания серьезных программ, однако он давал общее представление о программировании и позволял многим далеким от компьютеров людям быстро овладеть основными навыками программирования.

В 1970 году щвейцарец Никлас Вирт разработал язык программирования Паскаль, также предназначенный для обучения принципам программирования.

Создававшийся как язык для обучения, Паскаль оказался очень удобен для решения многих прикладных задач.

Он прекрасно обеспечивал применение методов структурного программирования, что стало необходимо при создании больших программных систем.

0сновой для компьютеров третьего поколения послужили интегральные микросхемы, что позволило значительно уменьшить стоимость и размеры компьютеров, началось массовое производство компьютеров.

В данный период развития вычислительной техники продолжалось увеличение скорости обработки информации. Компьютеры третьего поколения работали со скоростью до одного миллиона операций в секунду.

Появились новые внешние устройства, облегчающие взаимодействие человека с компьютером.

Увеличение быстродействия компьютеров и области их применения потребовало разработки новых методов создания программного обеспечения. Появились первые коммерческие операционные системы реального времени, специально разработанные для них языки программирования высокого уровня.

Область применения компьютеров третьего поколения необычайно широка:

системы обработки данных, управления, проектирования,.решения различных коммерческих задач.

 

2.2.4. Четвертое поколение компьютеров (с 1971 года и по настоящеевремя)

В 1965 году председатель совета директоров компании "Интел" Гордон Мур предположил, что количество элементов на интегральных микросхемах должно удваиваться каждые 18 месяцев.

В дальнейшем это правило, известное как закон, было применено к скорости микропроцессоров и до сих пор не нарушалось.

В 1969 году компания " Интел" выпустила еще одно важное для развития вычислительной техники устройство - микропроцессор. Микропроцессор представляет собой интегральную микросхему, на которой сосредоточено обрабатывающее устройство с собственной системой команд.

Конструкция микропроцессора позволяет применять его для решения широкого круга задач, создавая при этом различные функциональные устройства.

Использование микропроцессоров значительно упростило конструкцию компьютеров.

Практически сразу микропроцессоры получили широкое применение в различных системах управления от космических аппаратов до бытовых приборов.

В течение следующих десятилетий, следуя закону Мура, продолжалось все большее увеличение скорости и интеграции микропроцессоров. Появились сверхбольшие интегральные схемы, включающие сотни тысяч и даже миллионы элементов на один кристалл.

Это позволило продолжить уменьшение размеров

и стоимости компьютеров

и повысить их производительность и надежность.

Практически одновременно с микропроцессорами появились микрокомпьютеры, или персональные компьютеры, отличительной особенностью которых стали небольшие размеры и низкая стоимость.

Благодаря своим характеристикам персональные компьютеры предоставили возможность практически любому человеку познакомиться с вычислительной техникой.

Компьютеры перестали быть прерогативой крупных компаний и государственных учреждений, а превратились в товар массового потребления.

Одним из пионеров в производстве персональных компьютеров была компания Apple.

Ее основатели Стив Джобс и Стив Возняк собрали первую модель персонального компьютера в 1976 году и назвали ее Apple I. В 1977 году они представили свой компьютер членам компьютерного клуба в Калифорнии и на следующий день получили заказ на 50 подобных компьютеров.

Стоимость первого персонального компьютера составляла всего 500 долларов.

В том же 1977 году компания Apple представила следующую модель персонального компьютера - Apple II.

У новой модели был изящный пластиковый корпус со встроенной

клавиатурой. Впервые компьютер приобрел черты бытового прибора. Продажи персональных компьютеров резко возросли.

Apple II окончательно сломал представление о компьютере, как об огромном железном монстре, у него был изящный дизайн и дружелюбный интерфейс взаимодействия с пользователем.

Персональные компьютеры не привлекали крупные компании до 1979 года, когда появился первый процессор электронных таблиц - VisiCalc.

Идея VisiCalc была предложена с тудентом Гарварда Даном Брисклином, которому пришлось решать сложные финансовые задачи, требующие большого количества вычислений.

Со своим другом Бобом Франкстоном они написали VisiCalc для компьютера Apple II.

Программа оказалась настолько удобной для финансовых вычислений, что многие компании стали покупать Apple II с VisiCalc для своих сотрудников.

В 1981 году крупнейшая компьютерная компания IBM представила свой первый персональный компьютер - IBM PC. В течение двух лет было продано более пяти миллионов этих компьютеров.

В то же время компания Microsoft начинает выпуск программного обеспечения для IBM PC.

Появляются клоны IBM PC, но все они, так или иначе, отражают стандарты, заложенные IBM.

Появление клонов IBM PC способствовало росту промышленного производства персональных компьютеров.

В 1984 году компания Apple представила компьютер "Макинтош ". Операционная система "Макинтоша" включала в себя графический интерфейс пользователя, позволявший вводить команды, выбирая их с помощью указателя "мыш ь".

Сами команды были представлены в виде небольших графических изображений - значков.

Простота использования в сочетании с большим набором текстовых и графических программ сделала этот компьютер идеальным для небольших офисов, издательств, школ и даже детских садов.

С появлением "Макинтоша" персональный компьютер стал еще более доступным.

Для работы с ним больше не требовалось никаких специальных навыков, а тем более знания программирования.

В 1984 году компания Apple показала на телевидении первый ролик, посвященный рекламе персонального компьютера.

Компьютер действительно перестал быть чем-то особенным и превратился в обычный бытовой прибор.

На протяжении всего 50 лет компьютеры превратились из неуклюжих

диковинных электронных монстров в мощный, гибкий, удобный и доступный инструмент.

Компьютеры стали символом прогресса в XX веке.

По мере того как человеку понадобится обрабатывать все большее количество информации, будут совершенствоваться и средства ее обработки - компьютеры.

 

Контрольные вопросы

1. Дайте характеристику основных этапов развития вычислительной техники.

2. Сформулируйте, в чем заключается принципиальное значение вычислительных

инструментов, предложенных Паскалем, Бэббиджем.

3. Раскройте содержание термина "булева алгебра".

4. Что такое архитектура фон Неймана?

5. Приведите классификацию компьютеров по функциональному назначению.

6. Представьте классификацию языков программирования.

7. Перечислите основные характеристики персонального компьютера.

8. Охарактеризуйте изменение элементной базы компьютеров при смене их

поколений.

9. Какие причины обусловили появление компьютеров четвертого поколения?

10. Какие классы современных персональных компьютеров вы можете

перечислить?

Литература
1. Апокин И. А., Майстров Л. Е. История вычислительной техники. М.: Наука, 1990.
2. Гутер Р. С., Полунов Ю. Л. От Абака до компьютера. М.: Знание, 1975.
3. Королев Л. Н. Структуры ЭВМ и их математическое обеспечение. М., 1978.

 

ТЕМА 2.

История и направления развития вычислительной

Техники



Поделиться:


Последнее изменение этой страницы: 2017-02-09; просмотров: 330; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 44.202.90.91 (0.128 с.)