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.