Этапы развития технических средств и информационных ресурсов

 

Одной из основ развития информационного общества является развитие средств вычислительной техники. Проследим краткую историю развития вычислительной техники и начнем с 1642 г., когда французский ученый Б. Паскаль (1623–1662) изобрел суммирующую машину, выполняющую сложение десятичных чисел. Ее последующие образцы могли складывать 8-разрядные числа, принцип действия основывался на перемещении зубчатых колес.

В 1673 г. немецкий ученый В.Г. Лейбниц (1646–1716) сконструировал прибор для сложения, вычитания, умножения и деления 12-разрядных десятичных чисел. Кроме того, Лейбниц пояснил соотношение между двоичной и десятичной системами счисления.

Английский ученый Ч. Бэббидж (1791–1871) изобрел аналитическую машину, которая стала прототипом современных электронно-вычислительных машин (ЭВМ). Принцип ее работы, основанный на использовании зубчатых колес, основывался на автоматизации вычислений с помощью пяти устройств: ввода, вывода, управления, памяти, арифметическом. В качестве устройств ввода-вывода использовались перфокарты (предоставляли информацию наличием или отсутствием отверстий на куске плотного картона).

Английский математик А. Лавлейс (1815–1852), сотрудничая с Бэббиджем, разработала несколько программ (первых в мире) для его машины. Она впервые ввела понятие рабочих ячеек для хранения переменных и принцип их последовательного изменения, положенный в основу оператора присваивания — непременного атрибута всех языков программирования. Кроме того, она составила программу для вычисления значений тригонометрической функции, которая работала с использованием цикла — фундаментальной конструкции алгоритмических языков. В память об А. Лавлейс назван разработанный в 1980 г. язык АДА — один из универсальных языков программирования.

Немецкому инженеру К. Цузе (1910–1985), который основывался на работах Ч. Бэббиджа, удалось создать механическую вычислительную машину (1937), в которой могли быть использованы числа в формате с плавающей точкой. В основе ее работы лежало использование двоичной (а не десятичной, как у Бэббиджа) системы счисления. Позже в его машинах, использовавших принцип программного управления, стали применяться телефонные реле, заменившие механические устройства.

В 1944 г. американец Г. Айкен (1900–1973) создал первую в мире релейно-механическую цифровую машину «Марк-1». Использовавшая десятичную систему счисления машина обладала высокой производительностью и могла выполнять в короткий срок вычисления, на которые ранее тратилось 6 мес. В историю вычислительной техники она вошла и потому, что имела огромные размеры (длина — 17 м, высота — 2,5 м, вес — 5 т, 500 тыс. механических деталей).

В 1945 г. физик Д.У. Мокли (1907–1980) и инженер-электронщик П. Эккерт (1919–1995) из США создали вычислительную машину ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer — электронный цифровой интегратор и компьютер), применив в качестве основного элемента электронные вакуумные лампы. Несмотря на то что размеры ENIAC были громадны (длина — 26 м, высота — 6 м, вес — 35 т), работала она в тысячу раз быстрее, чем «МАРК-1».

В 1945 г. выдающийся венгро-американский математик Дж. фон Нейман (1903–1957) опубликовал отчет, в котором сформулировал основные принципы работы одной из цифровых вычислительных машин, разрабатывавшихся в то время. В историю они вошли как принципы фон Неймана, а структура вычислительных машин была названа фон Неймановской архитектурой. Принципы, изложенные Д. Нейманом, сводились к следующему:

• в вычислительных машинах должна использоваться двоичная система счисления, а не десятичная;

• программа, а также данные (операнды) для ее выполнения, промежуточные результаты должны размещаться в запоминающем устройстве — оперативной памяти;

• арифметические операции должны выполняться на основе операции «сложение»;

• использование принципа параллельных вычислений ускорит работу программ.

Наша страна тоже может гордиться учеными, которые внесли свой вклад в историю средств вычислительной техники.

В 1953 г. коллективом разработчиков Института точной механики и вычислительной техники Академии наук СССР под руководством академика С.А. Лебедева была разработана вычислительная машина «БЭСМ-1» (большая электронная вычислительная машина). Обладая средней производительностью 8000–10 000 операций в секунду, она могла осуществлять операции с плавающей точкой, обеспечивая высокую точность вычислений (около 10 знаков). Она была построена на основе 5 тыс. электронных ламп и занимала площадь 100 м2. Принцип ее работы базировался на двоичной системе счисления, машина имела оперативную память, в качестве устройств ввода использовались перфокарты, а вывод осуществлялся на электромеханическое печатающее устройство. Она вошла в историю как самая быстродействующая (на то время) в Европе вычислительная машина.

Первой серийной ЭВМ в Советском Союзе стала вычислительная машина «Стрела», созданная в 1953 г. под руководством Ю.Я. Базилевского. В ней были реализованы операции, которые вычисляли синус, косинус, логарифм, квадратный корень и т.д.

Команды выбирались из памяти последовательно, но могли быть изменены с помощью команд условного перехода. Машина могла обрабатывать числа, представленные в двоичной и десятичной системах счисления. Внешняя память основывалась на магнитных лентах, ввод данных осуществлялся с помощью перфокарт. Быстродействие составляло 2000–3000 операций в секунду.

В 1968 г. была закончена разработка универсальной ЭВМ «БЭСМ-6». Главным конструктором машины был академик С.А. Лебедев. В ней впервые был применен принцип совмещения нескольких команд, находящихся на разных стадиях выполнения. Для ускорения конвейерного выполнения команд использовалась регистровая память. В ней были реализованы принципы, которые лежат в основе современных компьютеров: механизмы прерывания, защиты памяти, преобразования виртуальных адресов в физические, привилегированный режим работы для операционной системы. Помимо операционной системы (ОС «Дубна»), в «БЭСМ-6» применялись разнообразные сервисные диалоговые программы, обеспечивающие выполнение прикладных программ в пакетном и диалоговом режимах. Быстродействие машины составляло до 1 млн операций в секунду.

С 1986 по 1997 г. в нашей стране выпускались персональные ЭВМ Единой системы (ЕС) различных модификаций, например, ЕС-1840, ЕС-1841, ЕС-1842, ЕС-1845, ЕС-1865. Коллективы разработчиков под руководством главных конструкторов В.Я. Пыхтина, А.П. Запольского смогли наладить их производство на Минском производственном объединении вычислительной техники и Брестском электромеханическом заводе. Тактовая частота микропроцессоров данных вычислительных машин варьировалась от 5 до 33 МГц, имелась аппаратная и программная совместимость с компьютерами IBM типа XT и AT. Уже в первых машинах ЕС удалось применить интегральные схемы. Объем оперативной памяти достигал 32 Мб, что по тем временам составляло вполне приемлемую величину. В состав ЕС входили клавиатура, монохроматический дисплей, матричное печатающее устройство, манипулятор графической информации (мышь).

К сожалению, с 1990 по 2000 г. темпы развития вычислительной техники у нас в стране стали отставать от развивающихся западных технологий. Тем не менее работа отечественных ученых долгое время способствовала паритетному развитию технологий при решении военных, научных задач, что до сих пор обеспечивает влияние России в мировом пространстве.

Классифицировать вычислительную технику принято по поколениям, основываясь на технологиях, применяемых в элементной базе.

К первому поколению компьютеров относят вычислительную технику, в которой в качестве элементной базы использовались вакуумные лампы (конец 1940-х — 1950-е гг.). Она характеризуется применением низкоуровневых языков программирования, невысоким быстродействием.

Во втором поколении компьютеров использовали полупроводниковую технологию, основанную на применении транзисторов (конец 1950-х — начало 1970-х гг.). Появились языки программирования высокого уровня, библиотеки подпрограмм. Спектр устройств ввода-вывода значительно расширился, увеличилось быстродействие.

Третье поколение компьютеров характеризуется использованием в качестве элементной базы интегральных микросхем (1970-е — начало 1980-х гг.), применением в качестве базового системного программного обеспечения операционных систем. Режим выполнения одной программы в данный момент времени сменился режимом, названным мультипрограммным.

В компьютерах четвертого поколения используются большие и сверхбольшие интегральные схемы, в которых количество транзисторов значительно выше, чем в обычных интегральных схемах (середина 1980-х гг. — настоящее время). Применение высокоуровневых, объектно-ориентированных языков программирования, доступных обычному пользователю, способствовало развитию рынка программного обеспечения. Создание интернета, массовое производство персональных компьютеров привели к бурному росту телекоммуникационных сетей, применению систем управления базами данных.

В пятом поколении компьютеров применяются принципы искусственного интеллекта (середина 1990-х гг. — настоящее время), в частности, распознавание объектов, речи, машинный перевод. Широкое применение баз знаний, экспертных систем позволяет изучать разнообразные механизмы использования в вычислительном процессе дополнительной информации о предметной области, обеспечить в конечном счете эффективное решение задач реальной сложности.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

 

1. Дайте характеристику поколениям компьютеров.

2. Какие выдающиеся личности внесли свой вклад в становление вычислительной техники? Оцените вклад каждого.

3. Используя возможности интернета, дополните материал, изложенный в параграфе 1.2, сведениями о других ученых и их открытиях, повлиявших на развитие вычислительной техники. Результат представьте в виде таблицы.

4. Назовите российских разработчиков вычислительной техники. Какие их достижения стали ключевыми?

5. Используя возможности интернета, выясните, какие российские ученые стали лауреатами Нобелевской премии в области таких наук, как химия и физика. Как их работы могут повлиять (уже оказали влияние) на развитие вычислительной техники, телекоммуникаций?

 

 

ПРАКТИКУМ