История ЭВМ

 

Введение

Когда наш предок впервые взял палку, чтобы сбить плод с дерева, он удлинил свою руку. Когда человек  придумал рычаг, чтобы сдвинуть тяжелый  камень, он увеличил свою физическую силу. Подзорная труба увеличила зоркость человека, а велосипед увеличил его  скорость. Но человек на этом не остановился. Рычаг сменил мощный подъемный кран, подзорную трубу заменил телескоп, на смену велосипеду пришел автомобиль. Появились самолеты, ракеты, телевидение.

Чтобы создавать, приходилось считать. Считать все больше и больше. Тогда  человек придумал компьютер. Правда, прежде чем его придумать, человек  изобрел множество более простых  устройств, облегчающих вычисление. И если все предыдущие изобретения  увеличивали нашу физическую силу, быстроту, силу зрения, то компьютер  увеличил наши умственные возможности.

ЭВМ прочно вошли в нашу производственную деятельность и в настоящее время нет необходимости доказывать целесообразность использования вычислительной техники в системах управления технологическими процессами, проектирования, научных исследований, административного управления, в учебном процессе, банковских расчетах, здравоохранении, сфере обслуживания и т.д.

При этом последние годы, как за рубежом, так и в нашей стране характеризуются резким увеличением производства мини - и микро-ЭВМ (персональные ЭВМ)

На основе мини и персональных ЭВМ  можно строить локальные сети ЭВМ, что позволяет решать сложные  задачи по управлению производством.

Исследования показали, что из всей информации, образующейся в организации, 60-80% используется непосредственно  в этой же организации, циркулируя между  подразделениями и сотрудниками, и только оставшаяся часть в обобщенном виде поступает в министерства и  ведомства. Это значит, что средства вычислительной техники, рассредоточенные по подразделениям и рабочим местам, должны функционировать в едином процессе, а сотрудникам организации должна быть поставлена возможность общения с помощью абонентских средств между собой, с единым или распределенным банком данных. Одновременно должна быть обеспечена высокая эффективность использования вычислительной техники.

Решению этой задачи в значительной степени способствовало появление  микроэлектронных средств средней и большой степени интеграции, персональных ЭВМ, оборудования со встроенными микропроцессорами.

Об истории развития и возможностях ЭВМ будет сказано ниже.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1. История  создания ЭВМ

1.1  Механические счетные машины

Часто лавры первого конструктора механического калькулятора ошибочно отдают известному математику Блезу  Паскалю. На самом деле достоверно известно, что немецкий астроном и математик  Вильгельм Шикард, который за двадцать лет до Паскаля в письме своему другу Иоганну Кеплеру в 1623 году писал о машине, которая способна вычитать, складывать, делить и умножать. Но и версия, что именно Шикард является пионером в этой области, не верна: в 1967 году были обнаружены неизвестные  записные книжки Леонардо да Винчи, построившего то же самое, что и Шикард, но более  чем за 120 лет до него.

Первым механическим счетным устройством, которое существовало не на бумаге, а работало, была счетная машина, построенная в 1642 году выдающимся французским  ученым Блезом Паскалем. Механический «компьютер» Паскаля мог складывать и вычитать. «Паскалина» – так  называли машину – состояла из набора вертикально установленных колес  с нанесенными на них цифрами  от 0 до 9. При полном обороте колеса оно сцеплялось с соседним колесом  и поворачивало его на одно деление. Число колес определяло число  разрядов – так, два колеса позволяли  считать до 99, три – уже до 999, а пять колес делали машину «знающей»  даже такие большие числа как 99999. Считать на «Паскалине» было очень просто.   

 В 1673 году немецкий математик  и философ Готфрид Вильгельм  Лейбниц создал механическое  счетное устройство, которое не  только складывало и вычитало, но и умножало и делило. Машина  Лейбница была сложнее «Паскалины».  Числовые колеса, теперь уже зубчатые,  имели зубцы девяти различных длин, и вычисления производились за счет сцепления колес. Именно несколько видоизмененные колеса Лейбница стали основой массовых счетных приборов – арифмометров, которыми широко пользовались не только в ХIХ веке, но и сравнительно недавно наши дедушки и бабушки.

Арифмометры получили очень широкое  применение. На них выполняли даже очень сложные расчеты, например, расчеты баллистических таблиц для  артиллерийских стрельб. Существовала и специальная профессия — счетчик — человек, работающий с арифмометром, быстро и точно соблюдающий определенную последовательность инструкций (такую последовательность инструкций впоследствии стали называть программой). Но многие расчеты производились очень медленно — даже десятки счетчиков должны были работать по несколько недель и месяцев. Причина проста — при таких расчетах выбор выполняемых действий и запись результатов производились человеком, а скорость его работы весьма ограничена.

 1.2 Идеи Бэббиджа  

 Из всех изобретателей прошлых столетий, внесших вклад в развитие вычислительной техники, наиболее близко к созданию компьютера в современном представлении подошел англичанин Чарльз Бэббидж.  

 Желание механизировать вычисления  возникло у Бэббиджа в связи  с недовольством, которое он  испытывал, сталкиваясь с ошибками  в математических таблицах, используемых  в самых различных областях.

В 1822 г. Бэббидж построил пробную  модель вычислительного устройства, назвав ее "Разностной машиной": работа модели основывалась на принципе, известном  в математике как "метод конечных разностей". Данный метод позволяет  вычислять значения многочленов, употребляя только операцию сложения и не выполнять  умножение и деление, которые  значительно труднее поддаются  автоматизации. При этом предусматривалось  применение десятичной системы счисления (а не двоичной, как в современных  компьютерах).

Однако "Разностная машина" имела  довольно ограниченные возможности. Репутация  Бэббиджа как  первооткрывателя в области автоматических вычислений завоевана в основном благодаря другому, более совершенному устройству Аналитической машине (к идее создания которой он пришел в 1834 г.), имеющей удивительно много общего с современными компьютерами.

Предполагалось, что это будет  вычислительная машина для решения  широкого круга задач, способная  выполнять основные операции: сложение, вычитание, умножение, деление. Предусматривалось  наличие в машине "склада" и "мельницы" (в современных компьютерах  им соответствуют память и процессор). Причем планировалось,  что работать она будет по программе,  задаваемой с помощью перфокарт, а результаты можно будет выдавать на печать (и даже представлять их в графическом виде) или на перфокарты. Но Бэббидж не смог довести до конца работу по созданию Аналитической машины, она оказалась слишком сложной для техники того времени.

Историки утверждают, что первым человеком, сформулировавшим идею о  машине, которая может производить  вычисления автоматически (т.е. без  непосредственного участия человека благодаря заложенной программе) был  Чарльз Бэббидж . Он не просто провозгласил неочевидную в то время идею автоматической вычислительной машины, но и посвятил всю свою жизнь ее разработке. Одна из его заслуг состояла в том, что он предвосхитил функциональное устройство вычислительных устройств. По замыслу Бэббиджа, его аналитическая машина имела следующие функциональные узлы:  

- "склад" для хранения чисел (по современной терминологии память);  

- "мельница" (арифметическое устройство);  

- устройство, управляющее последовательностью операций в машине (Бэббидж не дал ему названия, сейчас используется термин устройство управления);  

- устройства ввода и вывода данных.

Идеи Бэббиджа на десятилетия опередили  появление пригодной для практической реализации вычислительных машин элементной базы – реально работающие конструкции  появились лишь в середине XX века. Фундаментальные принципы архитектуры  ЭВМ были обобщены и систематическим  образом изложены в 1946 в классической статье А. Беркса, Г. Голдстейна и Дж. Неймана "Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства". В ней, в частности, четко и логично обосновывалась структура ЭВМ.

Все функциональные блоки ЭВМ имеют вполне естественное назначение и образуют простую и логически обоснованную структуру. Последняя оказалась настолько удачной, что во многом сохранилась вплоть до наших дней. Для нее даже используется общепринятое название фон-неймановская архитектура.

Таким образом, любая вычислительная машина содержит в себе следующие  функциональные блоки:  

- арифметико-логическое устройство (АЛУ);

- устройство управления (УУ);  

- различные виды памяти;  

-устройства ввода информации и  

-устройства вывода информации.

В связи с огромными успехами в миниатюризации электронных компонентов, в современных компьютерах АЛУ  и УУ удалось конструктивно объединить в единый узел – микропроцессор. Вообще термин процессор почти повсеместно, за исключением детальной литературы, вытеснил упоминания о своих составляющих АЛУ и УУ.

Если сам перечень функциональных блоков более чем за полвека практически  не изменился, то способы их соединения и взаимодействия претерпели некоторое  эволюционное развитие.

 

 

Глава II. Поколения  ЭВМ

2.1 Компьютеры первого поколения

Первое поколение.(1945-1954) - компьютеры на электронных лампах (вроде тех, что были в старых телевизорах). Это доисторические времена, 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 компьютерных динозавров, которые нередко требовали  для себя отдельных зданий, давно  стали легендой.

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.

2.2 Компьютеры второго поколения

Во втором поколении компьютеров (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. На втором поколении компьютеров  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; программирование, оставаясь наукой, приобретает черты ремесла.

Соответственно расширялась  и сфера применения компьютеров. Теперь уже не только ученые могли  рассчитывать на доступ к вычислительной технике; компьютеры нашли применение в планировании и управлении, а  некоторые крупные фирмы даже компьютеризовали свою бухгалтерию, предвосхищая моду на двадцать лет.

2.3 Компьютеры третьего поколения

В третьем поколении ЭВМ (1965-1974) впервые стали использоваться интегральные схемы - целые устройства и узлы из десятков и сотен транзисторов, выполненные на одном кристалле  полупроводника (то, что сейчас называют микросхемами). В это же время  появляется полупроводниковая память, которая и по всей день используется в персональных компьютерах в  качестве оперативной.

В эти годы производство компьютеров приобретает промышленный размах. Пробившаяся в лидеры фирма IBM первой реализовала семейство  ЭВМ - 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. Известное семейство миникомпьютеров PDP фирмы Digital Equipment послужило прототипом для советской серии машин СМ.

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. Это позволило объединить в единственной маленькой детальке большинство  компонентов компьютера - что и  сделала 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 - ведь микропроцессор является сердцем  и душой нашего с вами персонального  компьютера.