История развития вычислительных машин. Классификация ЭВМ

Стремительное развитие цифровой вычислительной техники (ВТ) и становление науки о принципах ее построения и проектирования началось в 40-х годах XX века, когда технической базой ВТ стала электроника и микроэлектроника, а основой для развития архитектуры компьютеров (называемых ранее ЭВМ) – достижения в области искусственного интеллекта.

До этого времени в течение почти 500 лет ВТ 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 таких колес принадлежит Леонардо да Винчи.

Первым реально осуществленным механическим цифровым вычислительным устройством стала "Паскалина" великого французского ученого Блеза Паскаля, которая представляла собой 6-ти (или 8-ми) разрядное устройство, на зубчатых колесах, рассчитанное на суммирование и вычитание десятичных чисел (1642 г.).

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.

В конце XVIII века во Франции произошли два события, имеющие принципиальное значение для дальнейшего развития цифровой вычислительной техники. К таким событиям относятся:

· изобретение Жозефом Жакардом программного управления ткацким станком с помощью перфокарт;

· разработка Гаспаром де Прони, технологии вычислений, разделившей 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.

Указанные новшества позже были использованы англичанином Чарльзом Беббиджем, осуществившим, качественно новый шаг в развитии средств ВТ – переход от ручного к автоматическому выполнению вычислений по составленной программе. Им был разработан проект Аналитической машины - механической универсальной цифровой вычислительной машины с программным управлением (1830-1846 гг.). Машина состояла из пяти устройств: арифметическое (АУ); запоминающее (ЗУ); управления (УУ); ввода (УВВ); вывода (УВ).

Именно из таких устройств и состояли первые ЭВМ, появившиеся спустя 100 лет. АУ строилось на основе зубчатых колес, на них же предлагалось реализовать ЗУ (на тысячи 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.

Следует отметить, что хотя и были созданы отдельные узлы машины, всю машину из-за ее громоздкости создать не удалось. Только зубчатых колес для нее понадобилось бы более 50 000. Изобретатель намечал использовать паровую машину для приведения в действие своей аналитической машины.

В 1870 г. (за год до смерти Беббиджа) английский математик Джевонс сконструировал первую в мире "логическую машину", позволяющую механизировать простейшие логические выводы.

Создателями логических машин в дореволюционной России стали Павел Дмитриевич Хрущев (1849-1909) и Александр Николаевич Щукарев (1884-1936), работавшие в учебных заведениях Украины.

Гениальную идею Беббиджа осуществил американский ученый Говард Айкен, создавший в 1944 г. первый в США релейно-механический компьютер. 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.

Следует отметить, что десятью годами ранее, в 1934 г. немецкий студент Конрад Цузе, работавший над дипломным проектом, решил сделать цифровую вычислительную машину с программным управлением. В этой машине впервые в мире была использована двоичная система счисления. В 1937 г. машина Z1 произвела первые вычисления. Она была двоичной 22-х разрядной с плавающей запятой с памятью на 64 числа, и работала на чисто механической (рычажной) основе.

В том же 1937 г., когда заработала первая в мире механическая двоичная машина Z1, Джон Атанасов (болгарин по происхождению, живший в США) начал разработку специализированного компьютера, впервые в мире применив электронные лампы (300 ламп).

В 1942-43 годах в Англии была создана (с участием Алана Тьюринга) вычислительная машина "Колоссус". Эта машина, состоящая из 2000 электронных ламп, предназначалась для расшифровки радиограмм германского вермахта. Поскольку работы Цузе и Тьюринга были секретными, о них в то время знали немногие и они не вызвали какого-либо резонанса в мире.

Только в 1946 г. появилась информация об ЭВМ "ЭНИАК" (электронный цифровой интегратор и компьютер), созданной в США Д. Мочли и П. Эккертом, с применением электронной техники. В машине использовалось 18 тысяч 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.

Почти одновременно, в 1949-52 гг. ученые Англии, Советского Союза и США (Морис Уилкс, ЭВМ "ЭДСАК", 1949 г.; Сергей Лебедев, ЭВМ "МЭСМ", 1951 г.; Исаак Брук, ЭВМ "М1", 1952 г.; Джон Мочли и Преспер Эккерт, Джон фон Нейман ЭВМ "ЭДВАК", 1952 г.), создали ЭВМ с хранимой в памяти программой.

В общем случае выделяют шесть поколений ЭВМ.

Первое поколение (1945-1954 ) характеризуется появлением техники на электронных лампах. Это эпоха становления вычислительной техники. Большинство машин первого поколения были экспериментальными устройствами и строились с целью проверки тех или иных теоретических положений. Вес и размеры этих компьютеров были такими, что они нередко требовали для себя отдельных зданий.

Основоположниками компьютерной науки по праву считаются Клод Шеннон – создатель теории информации, Алан Тьюринг – математик, разработавший теорию программ и алгоритмов, и Джон фон Нейман - автор конструкции вычислительных устройств, которая до сих пор лежит в основе большинства компьютеров. В те же годы возникла еще одна новая наука, связанная с информатикой, – кибернетика – наука об управлении как одном из основных информационных процессов. Основателем кибернетики является американский математик Норберт Винер.

Во втором поколении (1955-1964) вместо электронных ламп использовались транзисторы, а в качестве устройств памяти стали применяться магнитные сердечники и магнитные барабаны - далекие предки современных жестких дисков. Все это позволило резко уменьшить габариты и стоимость компьютеров, которые тогда впервые стали строиться на продажу.

Но главные достижения этой эпохи принадлежат к области программ. Во втором поколении впервые появилось то, что сегодня называется операционной системой. Тогда же были разработаны первые языки высокого уровня - Фортран, Алгол, Кобол. Эти два важных усовершенствования позволили значительно упростить и ускорить написание программ для компьютеров.

При этом расширялась сфера применения компьютеров. Теперь уже не только ученые могли рассчитывать на доступ к вычислительной технике, поскольку компьютеры нашли применение в планировании и управлении, а некоторые крупные фирмы даже начали компьютеризовать свою бухгалтерию, предвосхищая этот процесс на двадцать лет.

Втретьем поколении (1965-1974) впервые стали использоваться интегральные схемы - целые устройства и узлы из десятков и сотен транзисторов, выполненные на одном кристалле полупроводника (микросхемы). В это же время появляется полупроводниковая память, которая и по сей день используется в персональных компьютерах в качестве оперативной.

В эти годы производство компьютеров приобретает промышленный размах. Фирма IBM первой реализовала серию полностью совместимых друг с другом компьютеров от самых маленьких, размером с небольшой шкаф (меньше тогда еще не делали), до самых мощных и дорогих моделей. Наиболее распространенным в те годы было семейство System/360 фирмы IBM, на основе которого в СССР была разработана серия ЕС ЭВМ. Еще в начале 60-х появляются первые миникомпьютеры - небольшие маломощные компьютеры, доступные по цене небольшим фирмам или лабораториям. Миникомпьютеры представляли собой первый шаг на пути к персональным компьютерам, пробные образцы которых были выпущены только в середине 70-х годов.

Между тем количество элементов и соединений между ними, умещающихся в одной микросхеме, постоянно росло, и в 70-е годы интегральные схемы содержали уже тысячи транзисторов.

В 1971 г. фирма Intel, выпустив первый микропроцессор, который предназначался для только-только появившихся настольных калькуляторов. Этому изобретению суждено было произвести в следующем десятилетии настоящую революцию. Микропроцессор является главной составляющей частью современного персонального компьютера.

На рубеже 60-х и 70-х годов двадцатого столетия (1969 г) зародилась первая глобальная компьютерная сеть ARPA, прототип современного Интернета. В том же 1969 г. одновременно появились операционная система Unix и язык программирования С ("Си"), оказавшие огромное влияние на программный мир и до сих пор сохраняющие свое передовое положение.

Четвертое поколение (1975 – 1985) характеризуется все меньшим количеством принципиальных новаций в компьютерной науке. Прогресс идет в основном по пути развития того, что уже изобретено и придумано, прежде всего за счет повышения мощности и миниатюризации элементной базы и самих компьютеров.

Самая главная новация четвертого поколения – это появление в начале 80-х годов персональных компьютеров. Благодаря персональным компьютерам вычислительная техника становится по-настоящему массовой и общедоступной. Несмотря на то, что персональные и миникомпьютеры по-прежнему в вычислительных мощностях отстают от больших машин, львиная доля новшеств, таких как графический пользовательский интерфейс, новые периферийные устройства, глобальные сети, связана появлением и развитием именно этой техники.

Большие компьютеры и суперкомпьютеры, конечно же, продолжают развиваться. Но теперь они уже не доминируют на компьютерной арене, как было раньше.

Пятое поколение (1986 до настоящего времени) в значительной мере определяется результатами работы японского Комитета научных исследований в области ЭВМ, опубликованными в 1981г. Согласно этому проекту ЭВМ и вычислительные системы пятого поколения кроме высокой производительности и надежности при более низкой стоимости с помощью новейших технологий, должны удовлетворять следующим качественно новым функциональным требованиям:

· обеспечить простоту применения ЭВМ путем реализации систем ввода/вывода информации голосом, а также диалоговой обработки информации с использованием естественных языков;

· обеспечить возможность обучаемости, ассоциативных построений и логических выводов;

· упростить процесс создания программных средств путем автоматизации синтеза программ по спецификациям исходных требований на естественных языках;

· улучшить основные характеристики и эксплуатационные качества вычислительной техники для удовлетворения различных социальных задач, улучшить соотношения затрат и результатов, быстродействия, легкости, компактности ЭВМ;

· обеспечить разнообразие вычислительной техники, высокую адаптируемость к приложениям и надежность в эксплуатации.

Шестое поколение - компьютеры, моделирующие архитектуру нейронных биологических систем. Искусственный интеллект. Роботы.

В настоящее время ведутся интенсивные работы по созданию оптоэлектронных ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой, представляющих собой распределенную сеть большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

В общем случае ЭВМ можно классифицировать по ряду признаков.

1. По принципу действия ЭВМ делятся на три больших класса в зависимости от формы представления информации, с которой они работают:

· АВМ – аналоговые вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения);

· ЦВМ – цифровые вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной (цифровой) форме;

· ГВМ – гибридные вычислительные машины комбинированного действия работают с информацией, представленной как в цифровой, так и в аналоговой форме. ГВМ совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. Их целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

2. По назначению ЭВМ можно разделить на три группы:

· универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных инженерно-технических задач: экономических, математических, информационных и других задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Они широко используются в вычислительных центрах коллективного пользования и в других мощных вычислительных комплексах. Характерными чертами универсальных ЭВМ является: высокая производительность; разнообразие форм обрабатываемых данных при большом диапазоне их изменения и высокой степени их представления; обширная номенклатура выполняемых операций, как арифметических, логических, так и специальных; большая емкость оперативной памяти; развитая организация системы ввода-вывода информации, обеспечивающая подключение разнообразных видов внешних устройств;

· проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими процессами. Они используются для регистрации, накопления и обработки относительно небольших объемов данных, выполнения расчетов по относительно несложным алгоритмам. Проблемно-ориентированные ЭВМ обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами;

· специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Узкая ориентация ЭВМ позволяет четко определить их структуру, существенно снизить сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы. К специализированным ЭВМ можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения, а также адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем.

3. По размерам и функциональным возможностям ЭВМ делятся на:

· сверхбольшие (суперЭВМ) – мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов - десятки миллиардов операций в секунду с объемом оперативной памяти в десятки Гбайт. В настоящее время в мире насчитывается несколько тысяч суперЭВМ, таких как Cray 3, Cray 4, Cray Y-MP C90 фирмы Cray Research, Cyber 205 фирмы Control Data, SХ-3 и SХ-Х фирмы NЕС, VP 2000 фирмы Fujitsu (Япония), VРР 500 фирмы Siemens (ФРГ). Среди лучших суперЭВМ можно отметить и суперкомпьютер "СКИФ", созданный в рамках союзного договора между Россией и Беларусью.

· большие ЭВМ чаще всего называют мэйнфреймами (Mainframe). К мэйнфреймам относят, как правило, компьютеры, имеющие производительность десятки миллионов операций в секунду, емкость памяти до 1000 Мбайт и многопользовательский режим работы. Основные направления эффективного применения мэйнфреймов – это решение научно-технических задач, работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации, работа с большими базами данных, управление вычислительными сетями и их ресурсами. Родоначальником современных больших ЭВМ является фирма IBM.

малые (мини-ЭВМ) используются чаще всего для управления технологическими процессами. Они более компактны и значительно дешевле больших ЭВМ. Их появление (70 годы прошлого столетия) обусловлено, с одной стороны, прогрессом в области электронной элементной базы, а с другой – избыточностью ресурсов больших ЭВМ для ряда приложений. Мини-ЭВМ имеют быстродействие десятки миллионов операций в секунду, объем оперативной памяти 512 Мбайт, и могут также поддерживать многопользовательский режим. Первыми мини ЭВМ были компьютеры РDР-11 (Program Driven Processor – программно-управляемый процессор) фирмы DЕС, США. Они явились прообразом советских мини ЭВМ (СМ ЭВМ): CM 1, 2,3,4,1400,1700 и др.

· сверхмалые (микро-ЭВМ) обязаны своим появлением изобретению микропроцессора, наличие которого служило первоначально определяющим признаком микроЭВМ, хотя сейчас микропроцессоры используются во всех без исключения классах ЭВМ.

Микро-ЭВМ делятся на универсальные и специализированные; в свою очередь и универсальные и специализированные микро-ЭВМ делятся на многопользовательские и однопользовательские:

- Универсальные многопользовательские микроЭВМ представляют собой мощные микроЭВМ, оборудованные несколькими видеотерминалами и функционирующие в режиме разделения времени, что позволяет эффективно работать на них сразу нескольким пользователям.

- Универсальная однопользовательская микро-ЭВМ – это ничто иное, как хорошо известный персональный компьютер (ПК).

- Специализированные многопользовательские микро-ЭВМ используются в сетевых вычислительных системах и называются серверами.

- Специализированные однопользовательские микро-ЭВМ представляют собой рабочие станции, и используются для выполнения определенного вида работ (графических, инженерных, издательских и др.).

Следует отметить, что приведенная выше классификация ЭВМ носит достаточно условный характер и может быть расширена по ряду других признаков.

 

Устройства ввода информации

Современные компьютеры могу обрабатывать числовую, текстовую, графическую, звуковую и видеоинформацию.

Для ввода в компьютер звуковой информации применяются микрофоны; сканеры, цифровые фотоаппараты и видеокамеры используются для ввода сложных графических изображений, фотографий и видеофильмов; числовая и текстовая информация также может быть введена в память компьютера с помощью сканера. Но для того чтобы успешно работать на компьютере, необходимо знать клавиатуру – важнейшее устройство ввода в память компьютера.

Клавиатура