Історія розвитку електронно-обчислювальної техніки.

Перш ніж досягти сучасного рівня, обчислювальна техніка пройшла тривалий шлях розвитку. Загалом усю її історію можна поділити на три етапи — домеханічний, механічний та електронно-обчислювальний.

 

Людство пройшло довгий шлях, перш ніж досягло сучасного стану засобів обчислювальної техніки.

 

Основними етапами розвитку обчислювальної техніки є:

 

I. Ручний — з 50-го тисячоліття до н. э.;

 

II. Механічний — з середини XVII століття;

 

III. Електромеханічний — з дев'яностих років XIX століття;

 

IV. Електронний — з сорокових років XX століття.

 

I. Ручний період автоматизації обчислень почався на зорі людської цивілізації. Він базувався на використанні пальців рук і ніг. Рахунок за допомогою угрупування і перекладання предметів з'явився попередником рахунку на абаку — найбільш розвиненому рахунковому приладі старовини. Аналогом абака на Русі є рахівниці, що дійшли до наших днів. Використання абака припускає виконання обчислень по розрядах, тобто наявність деякої позиційної системи числення. Обчислення на них проводилися шляхом переміщення рахункових кісток і камінчиків (калькулей) в полоськових поглибленнях дощок з бронзи, каменя, слонячої кістки, кольорового скла. У своїй примітивній формі абак був дощечкою (пізніше він прийняв вид дошки, розділеної на колонки перегородками). На ній проводилися лінії, що розділяли її на колонки, а камінчики розкладалися в ці колонки за тим же позиційним принципом, по якому кладеться число на наші рахівниці. Це нам відомо від ряду грецьких авторів.

 

Першим пристроєм для виконання множення був набір дерев'яних брусків, відомих як палички Непера. Вони були винайдені шотландцем Джоном Непером (1550-1617рр.). На такому наборі з дерев'яних брусків була розміщена таблиця множення. Крім того, Джон Непер на початку XVII століття ввів логарифми, що зробило революційний вплив на рахунок. Винайдена їм логарифмічна лінійка - це рахунковий інструмент для спрощення обчислень, за допомогою якого операції над числами замінюються операціями над логарифмами цих чисел. Конструкція лінійки збереглася в основному до наших днів. Обчислення за допомогою логарифмічної лінійки проводяться просто, швидко, але приблизно. І, отже, вона не годиться для точних, наприклад фінансових розрахунків. Вона, поза сумнівом, є вінцем обчислювальних інструментів ручного періоду автоматизації.

 

II. Розвиток механіки в XVII столітті став передумовою створення обчислювальних пристроїв і приладів, що використовують механічний спосіб обчислень.

 

Ескіз механічного трінадцятиразрядного пристрою, що підсумовує, з десятьма колесами був розроблений ще Леонардо да Вінчі (1452— 1519рр). По цих кресленнях в наші дні фірма IBM в цілях реклами побудувала працездатну машину. Перша механічна рахункова машина була виготовлена в 1623 р. професором математики Вільгельмом Шиккардом (1592—1636рр.). В ній були механізовані операції складання і віднімання, а множення і ділення виконувалося з елементами механізації. Але машина Шиккарда незабаром згоріла під час пожежі. Тому біографія механічних обчислювальних пристроїв ведеться від машини, що підсумовує, виготовленої у 1642 р. Блезом Паскалем (1623—1662), надалі великим математиком і фізиком.

 

У 1673 р. інший великий математик Готфрід Лейбніц розробив рахунковий пристрій, на якому вже можна було множити і ділити. З деякими удосконаленнями ці машини, а названі вони були арифмометрами, використовувалися до недавнього часу.

 

Англійський математик Чарльз Беббідж (Charles Babbage, 1792—1871рр.) висунув ідею створення програмно-управляємої рахункової машини, що має арифметичний пристрій, пристрій управління, введення і друку. Перша спроектована машина Беббіджем, різницева машина, працювала на паровому двигуні. Вона заповнювала таблиці логарифмів методом постійної диференціації і заносила результати на металеву пластину. Працююча модель, яку він створив в 1822 році, була шестирозрядним калькулятором, здатним проводити обчислення і друкувати цифрові таблиці. Другий проект Беббіджа — аналітична машина, що використовує принцип програмного управління і що призначалася для обчислення будь-якого алгоритму.

 

Вона складалася з наступних чотирьох основних частин: блок зберігання початкових, проміжних і результуючих даних (склад — пам'ять); блок обробки даних (млин — арифметичний пристрій); блок управління послідовністю обчислень (пристрій управління); блок введення початкових даних і друку результатів (пристрої введення/виводу).

 

III. Електромеханічний етап розвитку обчислювальної техніки є найменш тривалим і охоплює близько 60 років — від першого табулятора Г.Холлерита до першої ЕОМ “ENIAC”.

 

В кінці XIX ст. були створені складніші механічні пристрої. Найважливішим з них був пристрій, розроблений американцем Германом Холлерітом. Винятковість його полягала в тому, що в ньому вперше була спожита ідея перфокарт і розрахунки велися за допомогою електричного струму. Це поєднання робило машину настільки працездатною, що вона отримала широке застосування свого часу. Наприклад, при переліку населення в США, проведенному у 1890 р., Холлеріт, за допомогою своїх машин зміг виконати за три роки те, що уручну робилося б в перебігу семи років, причому набагато більшим числом людей.

 

Початок — 30-і роки XX століття — розробка рахунковоаналітичних комплексів, які складаються з чотирьох основних пристроїв: перфоратора, контрольника, сортувальника і табулятора. На базі таких комплексів створюються обчислювальні центри. В цей же час розвиваються аналогові машини.

 

1930 р. — В.Буш розробляє диференціальний аналізатор, використаний надалі у військових цілях.

 

1937 р. — Дж. Атанасов, К.Берри створюють електронну машину ABC.

 

1944 р. — Г.Айкен розробляє і створює керовану обчислювальну машину MARK-1. Надалі було реалізовано ще декілька моделей.

 

1957 р. — останній найбільший проект релейної обчислювальної техніки — в СРСР створена РВМ-I, яка експлуатувалася до 1965 р.

 

IV. Електронний етап, початок якого пов'язують із створенням в США в кінці 1945 р. електронної обчислювальної машини ENIAC американським інженером-електронщиком Дж. П. Эккерт і фізиком Дж.У. Моучлі.

 

У історії розвитку ЕОТ прийнято виділяти декілька поколінь, кожне з яких має свої відмітні ознаки і унікальні характеристики. Головна відмінність машин різних поколінь полягає в елементній базі, логічній архітектурі і програмному забезпеченні, крім того, вони розрізняються по швидкодії, оперативній пам'яті, способам введення і виведення інформації.

 

I покоління (до 1955 р.)

 

Всі ЕОМ I-го покоління були зроблені на основі електронних ламп, що робило їх ненадійними - лампи доводилося часто міняти. Ці комп'ютери були величезними, незручними і дуже дорогими машинами, які могли придбати тільки крупні корпорації і уряди. Лампи споживали величезну кількість електроенергії і виділяли багато тепла. Притому для кожної машини використовувалася своя мова програмування. Набір команд був невеликим, схема арифметико-логічного пристрою і пристрою управління достатньо проста, програмне забезпечення практично було відсутнє. Показники об'єму оперативної пам'яті і швидкодії були низькими. Для введення-виводу використовувалися перфострічки, перфокарти, магнітні стрічки і друкуючі пристрої, оперативні пристрої, що запам'ятовують, були реалізовані на основі ртутних ліній затримки електроннолучевих трубок. Ці незручності почали долати шляхом інтенсивної розробки засобів автоматизації програмування, створення систем обслуговуючих програм, що спрощують роботу на машині і збільшують ефективність її використання. Це, у свою чергу, зажадало значних змін в структурі комп'ютерів, направлених на те, щоб наблизити її до вимог, що виникли з досвіду експлуатації комп'ютерів.

 

Основні комп'ютери першого покоління:

 

1. ЕНІАК.

 

У 1946 р. американські інженер-електронщик Дж. П. Эккерт і фізик Дж.У. Моучлі в Пенсільванському університеті сконструювали, за замовленням військового відомства США, першу електронно-обчислювальну машину - “Еніак” (Electronic Numerical Integrator and Computer), яка призначалася для вирішення завдань балістики. Вона працювала в тисячу разів швидше, ніж "Марк-1", виконуючи за одну секунду 300 множень або 5000 складань багаторозрядних чисел. Розміри: 30 м. в довжину, об'єм - 85 м3., вага - 30 тонн. Використовувалося близько 20000 електронних ламп и 1500 реле. Потужність її була до 150 квт.

 

2. ЕДСАК.

 

Перша машина з програмою, що зберігається, - ”Едсак” - була створена в Кембріджському університеті (Англія) в 1949 р. Вона мала пристрій, що запам'ятовував, на 512 ртутних лініях затримки. Час виконання складання був 0,07 мс, множення - 8,5 мс.

 

3. МЭСМ.

 

У 1948 році академік Сергій Олексійович Лебедев запропонував проект першої на континенті Європи ЕОМ - Малої електронної рахунково-вирішальної машини (МЕСМ). У 1951р. МЕСМ офіційно вводиться в експлуатацію, на ній регулярно вирішуються обчислювальні завдання. Машина оперувала з 20розрядними двійковими кодами з швидкодією 50 операцій в секунду, мала оперативну пам'ять в 100 осередків на електронних лампах.

 

4. UNIVAC-1. (Англія)

 

У 1951 р. була створена машина “Юнівак”(UNIVAC) - перший серійний комп'ютер з програмою, що зберігається. У цій машині вперше була використана магнітна стрічка для запису і зберігання інформації.

 

5. БЕСМ-2

 

У 1952 році вводиться в експлуатацію БЕСМ-2(велика електронна рахункова машина) з швидкодією близько 10 тис. операцій в секунду над 39-розрядними двійковими числами. Оперативна пам'ять на електронно-акустичних лініях затримки - 1024 слова, потім на електронно-променевих трубках і пізніше на феритових сердечниках.

 

II покоління (1958-1964рр.).

 

У 1958 р. в ЕОМ були застосовані напівпровідникові транзистори, винайдені в 1948 р. Уїльямом Шоклі, вони були надійніші, довговічніші, менші, мали змогу виконати значно складніші обчислення, володіли великою оперативною пам'яттю. 1 транзистор здатний був замінити ~ 40 електронних ламп і працювати з більшою швидкістю. У II-ому поколінні комп'ютерів дискретні транзисторні логічні елементи витіснили електронні лампи. Як носії інформації використовувалися магнітні стрічки ("БЕСМ-6", "Мінськ-2","Урал-14") і магнітні сердечники, з'явилися високопродуктивні пристрої для роботи з магнітними стрічками, магнітні барабани і перші магнітні диски.

 

Як програмне забезпечення стали використовувати мови програмування високого рівня, були написані спеціальні транслятори з цих мов на мову машинних команд. Для прискорення обчислень в цих машинах було реалізовано деяке перекриття команд: подальша команда починала виконуватися до закінчення попередньої. З'явився широкий набір бібліотечних програм для вирішення різноманітних математичних завдань. З'явилися моніторні системи, керівники режиму трансляції і виконання програм. З моніторних систем надалі виросли сучасні операційні системи. Машинам другого покоління була властива програмна несумісність, яка утрудняла організацію крупних інформаційних систем. Тому в середині 60-х років намітився перехід до створення комп'ютерів, програмно сумісних і побудованих на мікроелектронній технологічній базі.

 

III покоління (1964-1972рр).

 

У 1960 р. з'явилися перші інтегральні схеми (ІС), які набули широкого поширення у зв'язку з малими розмірами, але величезними можливостями. ІС - це кремнієвий кристал, площа якого приблизно 10 мм2. ІС здатна замінити десятки тисяч транзисторів. А комп'ютер з використанням ІС досягає продуктивності в 10 млн. операцій в секунду.

 

У 1964 році, фірма IBM оголосила про створення шести моделей сімейства IBM 360 (System 360), що стали першими комп'ютерами третього покоління. Машини третього покоління — це сімейства машин з єдиною архітектурою, тобто програмно сумісних. Як елементна база в них використовуються інтегральні схеми, які також називаються мікросхемами.

 

Машини третього покоління мають розвинені операційні системи. Вони володіють можливостями мультипрограмування, тобто одночасного виконання декількох програм. Багато завдань управління пам'яттю, пристроями і ресурсами стала брати на себе операційна система або ж безпосередньо сама машина.

 

Приклади машин третього покоління — сімейства IBM-360, IBM-370, ЄС ЕОМ (Єдина система ЕОМ), СМ ЕОМ (Сімейство малих ЕОМ) і ін. Швидкодія машин усередині сімейства змінюється від декількох десятків тисяч до мільйонів операцій в секунду. Ємкість оперативної пам'яті досягає декількох сотень тисяч слів.

 

IV покоління (з 1972 р. по теперішній час).

 

Четверте покоління — це теперішнє покоління комп'ютерної техніки, розроблене після 1970 року. Вперше стали застосовуватися великі інтегральні схеми (ВІС), які по потужності приблизно відповідали 1000 ІС. Це привело до зниження вартості виробництва комп'ютерів. Швидкодія таких машин складає тисячі мільйонів операцій в секунду. Ємкість ОЗУ зросла до 500 млн. двійкових розрядів. У таких машинах одночасно виконуються декілька команд над декількома наборами операндів. C точки зору структури машини цього покоління є багатопроцесорними і багатомашинними комплексами, що працюють на загальну пам'ять і загальне поле зовнішніх пристроїв. Ємкість оперативної пам'яті приблизно 1 - 64 Мбайт.

 

Розповсюдження персональних комп'ютерів до кінця 70-х років привело до деякого зниження попиту на великі ЕОМ і МІНІ-ЕОМ. Це стало предметом серйозного неспокою фірми IBM (International Business Machines Corporation) — провідній компанії по виробництву великих ЕОМ, і в 1979 р. фірма IBM вирішила спробувати свої сили на ринку персональних комп'ютерів, створивши перші персональні комп'ютери- IBM РС.

 

Персональний Комп'ютер, комп'ютер, спеціально створений для роботи в режимі одного користувача. Поява персонального комп'ютера прямо пов'язана з народженням мікрокомп'ютера.

 

ПК - настільний або портативний комп'ютер, який використовує мікропроцесор як єдиний центральний процесор, що виконує всі логічні і арифметичні операції. Ці комп'ютери відносять до обчислювальних машин четвертого і п'ятого покоління. Крім ноутбуків, до переносних мікрокомп'ютерів відносять і кишенькові комп'ютери — палмтопи. Основними ознаками ПК є шинна організація системи, висока стандартизація апаратних і програмних засобів, орієнтація на широкий круг споживачів.

 

Зараз ведуться інтенсивні розробки ЕОМ V покоління. Розробка подальших поколінь комп'ютерів проводиться на основі великих інтегральних схем підвищеного ступеня інтеграції, використання оптоелектронних принципів (лазери, голографія).

 

Ставляться абсолютно інші завдання, ніж при розробці всіх колишніх ЕОМ. Якщо перед розробниками ЕОМ з I по IV поколінння стояли такі завдання, як збільшення продуктивності в області числових розрахунків, досягнення великої ємкості пам'яті, то основним завданням розробників ЕОМ V покоління є створення штучного інтелекту машини (можливість робити логічні виводи з представлених фактів), розвиток "інтелектуалізації" комп'ютерів - усунення бар'єру між людиною і комп'ютером.

 

Комп'ютери будуть здатні сприймати інформацію з рукописного або друкарського тексту, з бланків, з людського голосу, упізнавати користувача по голосу, здійснювати переклад з однієї мови на інші. Це дозволить спілкуватися з ЕОМ всім користувачам, навіть тим, хто не володіє спеціальними знаннями в цій області. ЕОМ буде помічником людині у всіх областях.

 

 

Кодова таблиця

 

Для інформації важлива форма її подання. Звичніше виражати інформацію природною мовою спілкування. Одна й та сама інформація може мати різні форми, наприклад, відомості про погоду можуть бути висловлені російською або українською, англійською або німецькою мовою.

 

Мова спілкування — далеко не єдина форма подання інформації. Коли потрібно оперувати з числами і величинами, використовують різні символьні позначення, наприклад: v — швидкість, m — маса, t- час тощо. В обчислювальній техніці інформацію найчастіше подають у двійковій системі, тобто за допомогою двох чисел 0il.

 

У процесі передачі інформація може спотворюватися або втрачатися в результаті дії зовнішніх факторів, наприклад дії електромагнітних полів.

 

Кодування — це процес заміни знаків одного набору знаками іншого набору зі збереженням змісту тієї інформації, яка подається за допомогою цих знаків. Якщо кодування здійснюється за допомогою двох елементів (наприклад, * +» і «-» чи «0» і «1»), то таке кодування називається двійковим. Двійкове кодування інформації для подання її в пам'яті обчислювальних машин здійснюється за допомогою цифр 0 і 1 двійкової системи числення. Подання інформації за допомогою двійкових кодів конструктивно й технічно виявилося зручним тому, що двом знакам, які для цього використовуються, можуть відповідати два різні фізичні стани: намагнічена або розмагнічена елементарна ділянка на поверхні магнітного диска, тече через провідник струм чи ні, зафіксовано світловий промінь чи ні тощо

 

Кодування тексту, що вводять в комп'ютер, відбувається найпростішим способом: кожному знаку (символу) відповідає двійкове число. Правила відповідності або правила кодування записують до таблиці, що називається кодовою.

 

Кодова таблиця - це таблиця, що встановлює відповідність між символами алфавіту і двійковими числами. Ці числа називаються кодами символів і відповідають внутрішньому зображенню символів у комп'ютері.

 

Кодову таблицю називають також кодовою сторінкою. Як працює кодова таблиця? Коли ви натискаєте будь-яку клавішу на клавіатурі, електронна схема клавіатури формує певний двійковий код. Наприклад, якщо ви натиснули на клавішу цифри «1», клавіатура персонального комп'ютера сформує двійковий код 00110001. При натисканні на клавішу «2» утвориться код 00110010 тощо. Залежно від натиснутої клавіші утворюється той чи інший двійковий код, що За основу кодування символів у персональних комп'ютерах узята кодова таблиця ASCII ASCII - це скорочення від American Standard Code for Information Interchange (американський стандарт кодів для обміну інформацією). У цій таблиці кожний символ кодується двійковим числом, що складається з семи розрядів.

 

Скільки символів можна закодувати у семирозрядній кодовій таблиці? Оскільки за допомогою одного розряду (0 або 1) можна присвоювати номери тільки двом символам, семирозрядні числа дають можливість перенумерувати 27 = 128 символів. Такої кількості можливих кодів вистачає для кодування в таблиці ASCII літер одного алфавіту(англійського), і залишаються ще вільні коди для керуючих і різних спеціальних символів: %. #, &,:, -, ", *, $ та ін.

 

Якщо в комп'ютері потрібно підтримувати два алфавіти, наприклад англійський і російський, то семи розрядів коду (128 символів) уже недостатньо. Тому для кодування символів використовується 8-бітний код. Старші розряди в кодовій таблиці пробігають ряд значень від 0 до 15 (а не від 0 до 7, як у ASCII). Двійковим кодом завдовжки 8 бітів можна закодувати 2^8 = 256 символів. Кожному символу відповідає своя унікальна послідовність із восьми нулів і одиниць, яка може набувати значення від (00000000), до (11111111),. Звичайно для кожного алфавіту розробляється своя кодова сторінка. Перші 128 кодів (перша половина таблиці) призначаються дія таблиці ASCII - ці коди є стандартними й обов'язковими для всіх кодових сторінок. Наступні коди - з 128 до 255 (друга половина таблиці) - віддаються під національний стандарт, тобто під алфавіт тієї чи іншої мови. У 90-ті роки було розроблено стандарт Unicode, згідно з яким для подання кожного символу використовуються два байти. Це дає можливість закодувати дуже велику кількість символів з різних алфавітів (теоретично 216 = 65536 символів). У документах Unicode можуть застосовуватися, наприклад, математичні символи, кирилиця, латинські та грецькі літери і навіть китайські ієрогліфи. При застосуванні стандарту Unicode немає необхідності у кодових сторінках.

 

Ми описали перетворення символів (або тексту) у двійкові коди, що виконується в пристрої введення. Під час виведення інформації з комп'ютера відбувається зворотне перетворення: двійковий код кожного символу переводиться в звичайне (графічне) зображення так, щоб ця інформація могла бути прочитана людиною.

 

Сукупність усіх символів, за допомогою яких здійснюється спілкування з комп’ютером, утворює кодову таблицю. Однією з найбільш поширених є таблиця ASCII (American Standart Code for Information Interchange – Американський стандартний код для обміну інформацією). Вона містить 256 символів. Символи у кодових таблицях нумеруються числами, і ці номери називаються кодами символів. Так, наприклад, код 33 означає знак оклику, знак питання має код 63, а код апострофу – 39 і т.д. А взагалі структура кодової таблиці ASCII є такою:

перші 32 коди стандарту ASCII (від 0 до 31) називаються керуючими і застосовуються для керування комп’ютерами (наприклад, символ переходу на новий рядок має код 10, символ подачі звукового сигналу – код 7 і т. д.);

першим символом стандарту ASCII є ПРОБІЛ, що має код 32;

за ним – спеціальні символи і розділові знаки (коди з 33 по 47);

дальше йдуть десять цифр (коди 48– 57);

коди 58 – 64 використовуються для деяких математичних символів та розділових знаків;

великі букви англійського алфавіту від А до Z мають коди від 65 до 90; - коди 91– 96 використовуються для спеціальних символів; - коди 127 – 122 — це малі букви англійського алфавіту; - коди 123 – 127 — спеціальні символи.

 

Коди другої половини таблиці символів (128–255) використовуються для національних стандартів (наприклад, кодування букв російського, українського алфавітів тощо).

 

 

Носії інформації

 

Носі́й інформа́ції (data medium) — матеріальний об'єкт або середовище, призначений для зберігання даних. Останнім часом носіями інформації називають переважно пристрої, призначені для зберігання файлів даних у комп'ютерних системах, відрізняючи їх від пристроїв для введення-виведення інформації та пристроїв для обробки інформації.

За формою сигналу, який використовується для запису даних, розрізняють аналогові та цифрові носії. Для перезапису інформації з аналогового носія на цифровий чи навпаки необхідно застосовувати аналогово-цифрове чи цифро-аналогове перетворення сигналу.

 

За призначенням розрізняють носії

Для використання на різних пристроях

Вмонтовані у певний пристрій

 

За стійкістю запису і можливістю перезапису:

Постійні запам'ятовуючі пристрої (ПЗП), зміст яких не може бути змінено кінцевим користувачем (наприклад, CD-ROM, DVD-ROM). ПЗП в робочому режимі допускає тільки зчитування інформації.

Записувані пристрої, у які кінцевий користувач може записати інформацію тільки один раз (наприклад, CD-R,DVD-R, DVD+R, BD-R).

Перезаписувані пристрої (наприклад, CD-RW, DVD-RW, DVD+RW, BD-RE, магнітна стрічка тощо).

Оперативні пристрої забезпечують режим запису, зберігання й зчитування інформації в процесі її обробки. Швидкі, але дорогі ОЗП (SRAM, статичні ОЗП) будуються на основі тригерів, повільніші, але дешеві різновиди (DRAM, динамічні ОЗП) будуються на основі конденсатора. В обох видах оперативної пам'яті інформація зникає після відключення від джерела струму. Динамічні ОЗП потребують періодичного оновлення вмісту - регенерації.

 

За фізичним принципом

перфораційні (з отворами або вирізами) - перфокарта, перфострічка

магнітні - магнітна стрічка, магнітні диски

оптичні - оптичні диски CD, DVD, Blu-ray Disc

магнітооптичні - Магнітооптичний компакт-диск (CD-MO)

електронні (використовують ефекти напівпровідників) - карти пам'яті, флеш-пам'ять

 

За конструктивними (геометричними) особливостями

Дискові (магнітні диски, оптичні диски, магнітооптичні диски)

Стрічкові (магнітні стрічки, перфострічки)

Барабанні (магнітні барабани)

Карткові (банківські картки, перфокарти, флеш-карти, смарт-картки)

 

Іноді носіями інформації також називають об'єкти, читання інформації з яких не потребують спеціальних пристроїв - наприклад паперові носії.

[ред.]

Місткість носія інформації

 

Місткість цифрового носія означає кількість інформації, яку на нього можна записати; її вимірюють у спеціальних одиницях — байтах, а також у їхніх похідних — кілобайтах, мегабайтах тощо, або ж у кібібайтах, мебібайтах тощо. Наприклад, місткість найпоширеніших CD-носіїв становить 650 або 700 МБ, DVD-5 — 4,37 ГБ, двошарових DVD 8,7 гб, сучасних жорстких дисків — до 10 Тб (станом на 2009 рік).