Краткая история вычислительной техники

Лекция 3 Общие сведения (поколения, классификация, архитектура и производительность ЭВМ)

Краткая история вычислительной техники

Итак, в одной из лекций мы пришли к выводу, что компьютер, машина само по себе есть «ничто», и создал ее человек исключительно для своего удобства. Перед созданием компьютеров в истории человечества было преодолено два так называемых «информационных барьера». В первобытном обществе один человек и занимался практической деятельностью (добыча мамонтов) и обеспечивал себя информацией, сам же эту информацию и обрабатывал (например, – сколько надо мамонтов заготовить на зиму). По прошествии некоторого времени произошло разделение – одни люди занимались «производственной деятельностью», а другие стали заниматься вопросами информации. То есть был преодолен первый информационный барьер. Постепенно количество вторых стало заметно увеличиваться. И в начале 20 века сложилась ситуация, что, сколько бы людей не привлекалось дополнительно в сферу информации, они все равно не могли справиться со все растущими потребностями по подготовке и обработке информации, генерируемой человеческим обществом – возникла потребность в создании электронных машин. То есть был преодолен второй информационный барьер, произошло рождение вычислительной техники, началась эра компьютеризации.

Вычислительная техника – совокупность устройств, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки данных. Конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ, предназначенный для обслуживания одного рабочего участка, называют вычислительной системой. Центральное устройство вычислительной системы – компьютер.

Вообще же слово компьютер означает «вычислитель», то есть устройство для вычислений. Как уже было сказано, потребность в автоматизации обработки данных, в том числе вычислений, возникла очень давно. И известны приспособления и даже механические устройства, способные облегчить или автоматизировать расчеты. Многие тысячи лет назад для счета использовались счетные палочки, камешки и т.д. Более совершенное устройство – абак. Это счетное механическое устройство, появилось в 4 тысячелетии до нашей эры. Первоначально представляло собой глиняную пластину с желобами, в которых раскладывались камни, представляющие числа. В средние века в Европе абак сменился разграфленными таблицами. Вычисления с их помощью называли счетом на линиях. А в России в 16 веке появилось намного более передовое изобретение, применяемое и сейчас – счеты.

Первое в мире автоматическое устройство для выполнения операции сложения было создано на базе механических часов. Ведь часы тоже автоматически выполняют вычисления – они отсчитывают равные промежутки времени и генерируют перемещение стрелки. В 1623 году его разработал Вильгельм Шикард, профессор кафедры восточных языков в университете Тюбингена (Германия). В наши дни рабочая модель устройства была воспроиз­ведена по чертежам и подтвердила свою работо­способность. Сам изобретатель в письмах называл машину «суммирующими часами». В 1642 году французский механик Блез Паскаль (1623-1662) разработал более компактное сумми­рующее устройство (рис. 2.1), которое стало пер­вым в мире механическим калькулятором, выпускавшимся серийно (главным образом для нужд парижских ростовщиков и менял). В 1673 году Готфрид Вильгельм Лейбниц сконструировал арифмометр, позволяющий механически выполнять четыре арифметических операции. Он выполнял умножение и деление путем многократного повторения операций сложения и вычитания. Начиная с 19 века арифмометры получили очень широкое распространение и применение. На них выполняли даже очень сложные расчеты, например, расчеты баллистических таблиц для артиллерийских стрельб. Существовала даже специальная профессия – счетчик. Но все-таки расчеты проводились очень медленно – ведь выбор необходимых действий и запись результатов выполнялась человеком, а его возможности, как известно весьма ограничены.

Идея программирования вычислительных операций пришла тоже из часовой промышленности. Старинные монастырские башенные часы были настроены так, чтобы в заданное время включать механизм, связанный с системой колоколов. Это тоже уже программирование – но жесткое – одна и та же операция выполнялась в одно и то же время. Идея гибкого программирования механических устройств впервые была реализована в 1804 году в ткацком станке Жаккарда. Жаккард (Jacquard) Жозеф Мари (1752-1834), французский инженер. В 1804 году изобрел полностью автоматический станок для выработки крупноузорчатых тканей, так называемую машину Жаккарда. Станок управлялся перфорированными картами и имел счетный механизм. Колода карточек с разным расположением отверстий задавала узор на плетении ткани. Каждая карточка управляла одним ходом челнока. Станок Жаккарда до сих пор применяется в ткацком производстве, а его идея была впоследствии использована для обработки информации с помощью компьютеров. После этого оставался один шаг до программного управления вычислительными операциями.

И вот в первой половине 19 века английский математик Чарльз Бэббидж попытался создать универсальное вычислительное устройство – Аналитическую машину, которая должна была выполнять арифметические операции без участия человека. Для этого она должна была уметь выполнять программы, вводимые с помощью перфокарт и иметь «склад» для запоминания данных и промежуточных результатов (то есть – зачатки памяти). Бэббидж не смог довести работу до конца – это оказалось слишком сложно для техники того времени.

Следует отметить особую роль в разработке проекта Аналитической машины графини Ады Лавлейс, дочери поэта лорда Байрона. Её можно назвать самым первым в мире программистом мира. (в честь нее назван знаменитый язык программирования Ада).

Итак, Бэббидж разработал основные идеи, и в 1943 году американец Говард Эйкен на основе уже техники 20 века – электромеханических реле – смог построить на одном из предприятий фирмы IBM такую машину под названием «Марк-1».Еще раньше идеи Бэббижа были независимо переоткрыты немецким инженером Конрадом Цузе, который в 1941 году построил аналогичную машину.

Итак в 30-40 годы 20 столетия потребность в автоматизации вычислений настолько возросла (в том числе и для военных нужд), что над созданием машин типа построенных Эйкеном и Цузе одновременно работало несколько групп исследователей. Начиная с 1943 года, группа специалистов под руководством Джона Мочли и Преспера Экерта в США начала конструировать подобную машину уже на основе электронных ламп, а не реле. Это была первая машина первого поколения ЭВМ. Их машина, названная ENIAC, работала в тысячу раз быстрее, чем Марк-1, однако для задания ее программы приходилось в течение нескольких часов или даже нескольких дней подсоединять нужным образом провода. Это был «технический монстр». Машина весила 30 тонн, занимала 1400 кв.м, содержала более 18000 электронных ламп и потребляла около 140 кВт электроэнергии. Однако по скорости вычислений машина превосходила любые электромеханические калькуляторы – выполняла около 5000 сложений в секунду. Была не двоичной, а десятичной. Чтобы упростить процесс создания программ, Мочли и Экерт стали конструировать новую машину, которая могла бы хранить программу в своей памяти. В 1945 году к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман, который подготовил доклад об этой машине. В нем Нейман ясно и четко сформулировал общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств, то есть компьютеров.

В 1946 году фон Нейман и его коллеги построили компьютер в соответствии с новыми принципами и назвали его IAS. Работа над этим компьютером была завершена лишь в 1952 году. С той поры компьютеры стали гораздо более мощными, но подавляющее большинство из них сделано в соответствии с теми принципами, которые изложил в своем докладе в 1945 году Джон фон Нейман. Более того, они соответствуют идеям Бэббиджа.

Что касается развития электронной техники в бывшем СССР, то оно тесно связано с именем академика С.А. Лебедева, под руководством которого были созданы первые отечественные ЭВМ: в 1951 году в Киеве – МЭСМ (малая электронная счетная машина) и в 1952 году в Москве - БЭСМ (большая электронная счетная машина). Лебедев руководил и созданием БЭСМ-6 – лучшей в мире ЭВМ второго поколения (это ЭВМ, работавшие на полупроводниковых схемах), уровень которой, по мнению экспертов, на несколько лет опередил уровень зарубежных аналогов. По своей архитектуре она была ближе к ЭВМ третьего поколения и серийно выпускалась вплоть до 1981 года. В машинах второго поколения появилось замечательное изобретение – алфавитно-цифровое печатающее устройство. Громоздкое, шумное но надежное устройство – правда печать только прописными буквами и строками одинаковой длины (по 128 символов) – однако уже некий прообраз современных печатающих устройств.

ЭВМ третьего поколения (это машины, работавшие на малых интегральных схемах) появились в конце 60-х годов. В этих машинах в качестве средства общения с ЭВМ стали использоваться видео терминальные устройства – дисплею (IBM-360, IBM-370, ЕС ЭВМ (машины единой системы)-ЕС-1022 и т.п.).

Но прогресс не стоит на месте - новые технологии создания интегральных схем (большие интегральные схемы) позволили разработать в конце 70-х начале 80-х годов ЭВМ четвертого поколения, к которым относятся различного рода микро и мини ЭВМ. И, конечно, венцом развития вычислительной техники (на данный момент времени!!!) стало создание персональных ЭВМ, которые можно отнести к отдельному классу машин четвертого поколения. Именно с этого момента в нашем языке вместо ЭВМ утвердился термин ПК. (см. стр. 64). И вычислительная техника устремилась «в массы».

В развитии вычислительной техники выделяют несколько поколений. Проиллюстрируем их в следующей таблице.