История
создания и развития
ЭВМ
1642-2010
Рождение
ЭВМ
Абак
История
компьютера тесным образом связана
с попытками облегчить и автоматизировать
большие объемы вычислений. Даже простые
арифметические операции с большими
числами затруднительны для человеческого
мозга. Поэтому уже в древности
появилось простейшее счетное устройство
- абак. В семнадцатом
веке была изобретена логарифмическая
линейка,
облегчающая сложные математические расчеты.
В 1642 году Блез Паскаль сконструировал
восьмиразрядный суммирующий механизм.
Два столетия спустя в 1820 году француз
Шарль де Кольмар создал арифмометр, способный производить
умножение и деление. Этот прибор прочно
занял свое место на бухгалтерских столах.
Все основные идеи, которые
лежат в основе работы компьютеров, были
изложены еще в 1833 году английским математиком Чарльзом
Бэббиджем.
Он разработал проект машины для выполнения
научных и технических расчетов, где предугадал
основные устройства современного компьютера,
а также его задачи. Управление такой машиной
должно было осуществляться программным
путем. Для ввода и вывода данных Бэббидж
предлагал использовать перфокарты - листы из плотной
бумаги с информацией, наносимой с помощью
отверстий. В то время перфокарты уже использовались
в текстильной промышленности. Отверстия
в них пробивались с помощью специальных
устройств - перфораторов. Идеи Бэббиджа
стали реально воплощаться в жизнь в конце
19 века.
В 1888 году американский
инженер Герман Холлерит сконструировал
первую электромеханическую счетную
машину. Эта машина, названная табулятором, могла считывать и сортировать
статистические записи, закодированные
на перфокартах. В 1890 году изобретение
Холлерита было впервые использовано
в 11-й американской переписи населения.
Работа, которую пятьсот сотрудников выполняли
в течение семи лет, Холлерит сделал с
43 помощниками на 43 табуляторах за один
месяц.
В 1896 году Герман Холлерит основал
фирму Computing Tabulating Recording Company, которая стала
основой для будущей Интернэшнл Бизнес
Мэшинс (International Business Machines Corporation, IBM) - компании,
внесшей гигантский вклад в развитие мировой
компьютерной техники.
Дальнейшие развития науки
и техники позволили в 1940-х годах построить
первые вычислительные машины. Создателем
первого действующего компьютера Z1 с программным
управлением считают немецкого инженера Конрада Цузе.
- В феврале
1944 года на одном из предприятий
Ай-Би-Эм (IBM) в сотрудничестве с учеными
Гарвардского университета по заказу
ВМС США была создана машина "Mark
1". Это был монстр весом около 35 тонн.
В "Mark 1" использовались механические
элементы для представления чисел и электромеханические
- для управления работой машины. Числа
хранились в регистрах, состоящих из десятизубных
счетных колес. Каждый регистр содержал
24 колеса, причем 23 из них использовались
для представления числа (т.е. "Mark 1"
мог "перемалывать" числа длинной
до 23 разрядов), а одно - для представления
его знака. Регистр имел механизм передачи
десятков и поэтому использовался не только
для хранения чисел; находящееся в одном
регистре, число могло быть передано в
другой регистр и добавлено к находящемуся
там числу(или вычтено из него). Всего в
"Mark 1" было 72 регистра и, кроме того,
дополнительная память из 60 регистров,
образованных механическими переключателями.
В эту дополнительную память вручную вводились
константы - числа, которые не изменялись
в процессе вычислений.
Умножение и деление производилось
в отдельном устройстве. Кроме того, машина
имела встроенные блоки, для вычисления
sin x, 10x и log x.
Скорость выполнения арифметических
операций в среднем составляла: сложение
и вычитание - 0,3 секунды, умножение - 5,7
секунды, деление - 15,3 секунды. Таким образом
"Mark 1" был "эквивалентен" примерно
20 операторам, работающим с ручными счетными
машинами.
- Наконец, в 1946
в США была создана первая электронная
вычислительная машина (ЭВМ) - ENIAC (Electronic
Numerical integrator and Computer - Электронный числовой
интегратор и компьютер). Разработчики:
Джон Мочи (John Маuchу) и Дж. Преспер Эккерт
(J. Prosper Eckert).
Он был произведен на свет в
Школе электрической техники Moore (при университете
в Пенсильвании).
Время сложения - 200 мкс, умножения
- 2800 мкс и деления - 24000 мкс.
Компьютер содержал 17468 вакуумных
ламп шестнадцати типов, 7200 кристаллических
диодов и 4100 магнитных элементов.
Общая стоимость базовой машины
- 750000 долларов. Стоимость включала дополнительное
оборудование, магнитные модули памяти
(по цене 29706,5 доллара) и аренду у IBM (по
82,5 доллара в месяц) устройства считывания
перфокарт ( 125 карт в минуту). Она также
включала и арендную плату (по 77 долларов
в месяц) за IBM-перфоратор (100 карт в минуту).
Потребляемая мощность ENIAC -
174 кВт. Занимаемое пространство - около
300 кв. м.
В Советском Союзе первая электронная
цифровая вычислительная машина была
разработана в 1950 году под руководством
академика С.
А. Лебедева в
Академии наук Украинской ССР. Она называлась
«МЭСМ» (малая электронная счётная машина).
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
математикНорберт
Винер. Одно время
слово "кибернетика" использовалось
для обозначения вообще всей компьютерной
науки, а в особенности тех ее направлений,
которые в 60-е годы считались самыми перспективными:
искусственного интеллекта и робототехники.
Вот почему в научно-фантастических произведениях
роботов нередко называют "киберами".
А в 90-е годы это слово опять всплыло для
обозначения новых понятий, связанных
с глобальными компьютерными сетями -
появились такие неологизмы, как "киберпространство",
"кибермагазины" и даже "киберсекс".
Первое
поколение ЭВМ
- Развитие
ЭВМ делится на несколько периодов.
Поколения ЭВМ каждого периода
отличаются друг от друга элементной
базой и математическим обеспе чением.
Первое поколение (1945-1954) - ЭВМ 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. Ввод чисел
в первые машины производился с помощью
перфокарт, а программное управление последовательностью
выполнения операций осуществлялось,
например в ENIAC, как в счетно-аналитических
машинах, с помощью штеккеров и наборных
полей. Хотя такой способ программирования
и требовал много времени для подготовки
машины, то есть для соединения на наборном
поле (коммутационной доске) отдельных
блоков машины, он позволял реализовывать
счетные "способности" ENIAC'а и тем
выгодно отличался от способа программной
перфоленты, характерного для релейных
машин. Солдаты, приписанные к этой огромной
машине, постоянно носились вогруг нее,
скрипя тележками, доверху набитыми электронными
лампами. Стоило перегореть хотя бы одной
лампе, как ENIAC тут же вставал, и начиналась
суматоха: все спешно искали сгоревшую
лампу. Одной из причин - возможно, и не
слишком достоверной - столь частой замены
ламп считалась такая: их тепло и свечение
привлекали мотыльков, которые залетали
внутрь машины и вызывали короткое замыкание.
Если это правда, то термин "жучки"
(bugs), под которым подразумевают ошибки
в программных и аппаратных средствах
компьютеров, приобретает новый смысл.
Когда все лампы работали, инженерный
персонал мог настроить ENIAC на какую-нибудь
задачу, вручную изменив подключение 6
000 проводов. Все эти провода приходилось
вновь переключать, когда вставала другая
задача.
- Первой серийно
выпускавшейся ЭВМ 1-го поколения
стал компьютер UNIVAC (Универсальный
автоматический компьютер). Разработчики:
Джон Мочли (John Mauchly) и Дж. Преспер Эккерт
(J. Prosper Eckert). Он был первым электронным
цифровым компьютером общего назначения.
UNIVAC, работа по созданию которого началась
в 1946 году и завершилась в 1951-м, имел время
сложения 120 мкс, умножения -1800 мкс и деления
- 3600 мкс. UNIVAC мог сохранять 1000 слов, 12000
цифр со временем доступа до 400 мкс максимально.
Магнитная лента несла 120000 слов и 1440000
цифр. Ввод/вывод осуществлялся с магнитной
ленты, перфокарт и перфоратора. Его первый
экземпляр был передан в Бюро переписи
населения США.
Программное обеспечение компьютеров
1-го поколения состояло в основном из
стандартных подпрограмм.
Машины этого поколения: « ENIAC
», «МЭСМ», «БЭСМ», «IBM -701», «Стрела», «М-2»,
«М-3», «Урал», «Урал-2», «Минск-1», «Минск-12»,
«М-20» и др. Эти машины занимали большую
площадь, использовали много электроэнергии
и состояли из очень большого числа электронных
ламп. Например, машина «Стрела» состояла
из 6400 электронных ламп и 60 тыс. штук полупроводниковых
диодов. Их быстродействие не превышало
2—3 тыс. операций в секунду, оперативная
память не превышала 2 Кб. Только у машины
«М-2» (1958) оперативная память была 4 Кб,
а быстродействие 20 тыс. операций в секунду
ЭВМ "УРАЛ-1"
- Основные
технические характеристики
ЭВМ "УРАЛ-1"
Структура команд одноадресная.
Система счисления двоичная.
Способ представления чисел - с фиксированной
запятой и с плавающей запятой по стандартным
программам.
Разрядность-35 двоичных разрядов (10,5 десятичных)
и один разряд для знака числа.
Диапазон представляемых чисел: от 1 до
10-10.5.
Время выполнения отдельных операций:
а) деления - 20 мксек;
б) нормализации - 20 мсек;
в) остальных операций-10 мсек.
Количество команд-29.
Характеристики ЗУ:
емкость ОЗУ на магнитном барабане - 1024
тридцатишестиразрядных числа или команды;
емкость НМЛ - до 40 000 тридцатишестиразрядных
чисел или 8000 команд.
Устройство ввода - на перфорированной
киноленте шириной 35 мм.
Вывод - печатающее устройство. Скорость
печати - 100±10 чисел в минуту.
Машина построена на одноламповых типовых
ячейках.
Питание машины от сети трехфазного переменного
тока напряжением 220В ±10%, частотой 50Гц.
Потребляемая мощность 7,5 кВт.
Занимаемая площадь 50 кв. м
Второе
поколение ЭВМ
- ЭВМ 2-го поколения
были разработаны в 1950—60 гг. В качестве
основного элемента были использованы
уже не электронные лампы, а полупроводниковые
диоды итранзисторы, а в качестве устройств
памяти стали применяться магнитные сердечники
и магнитные барабаны - далекие предки
современных жестких дисков. Второе отличие
этих машин — это то, что появилась возможность
программирования на алгоритмических
языках. 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.
Все это позволило резко уменьшить габариты
и стоимость компьютеров, которые тогда
впервые стали строиться на продажу.
Машины этого поколения: «РАЗДАН-2»,
«IВМ-7090», «Минск-22,-32», «Урал- 14,-16», «БЭСМ-3,-4,-6»,
«М-220, -222» и др.
Применение полупроводников
в электронных схемах ЭВМ привели к увеличению
достоверности, производительности до
30 тыс. операций в секунду, и опера тивной
памяти до 32 Кб. Уменьшились габаритные
размеры машин и потребление электроэнергии.
Но главные достижения этой эпохи принадлежат
к области программ. На втором поколении
компьютеров впервые появилось то, что
сегодня называется операционной системой.
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.
"Урал-16"
- Основные
технические характеристики
ЭВМ "Урал-16":
Структура команд двухадресная.
Система счисления двоичная,
Способ представления чисел: с плавающей
запятой.
Разрядность: 36 двоичных разрядов (мантисса
числа — 29 разрядов, знак мантиссы -- 1 разряд,
порядок — 5 разрядов, знак порядка — 1
разряд).
Быстродействие 5000 операций/с.
Количество команд (основных) 17. Каждая
операция имеет 8 модификаций.
Характеристики запоминающих устройств.
Емкость ОЗУ на ферритах 2 К слов; время
обращения к ОЗУ 24 мкс,
Емкость внешнего НМЛ 120000 чисел; скорость
считывания с НМЛ 2000 чисел/с.
Устройства ввода — вывода обеспечивают
ввод информации в машину с фотосчитывающего
устройства на киноленте со скоростью
35 чисел/с и вывод результатов вычислений
на печатающее устройство со скоростью
20 чисел/с.
Питание машины от сети переменного тока
напряжением 380/220 В, частотой 50 Гц.
Потребляемая мощность около 3 кВт.
Занимаемая площадь 20 кв. м.
Третье
поколение ЭВМ
Разработка
в 60-х годах интегральных
схем - целых
устройств и узлов из десятков и сотен
транзисторов, выполненных на одном кристалле
полупроводника (то, что сейчас называют
микросхемами) привело к созданию ЭВМ
3-го поколения. В это же время появляется
полупроводниковая память, которая и по
сей день используется в персональных
компьютерах в качестве оперативной. Применение
интегральных схем намного увеличило
возможности ЭВМ. Теперь центральный процессор
получил возможность параллельно работать
и управлять многочисленными периферийными
устройствами. ЭВМ могли одновременно
обрабатывать несколько программ (принцип
мультипрограммирования). В результате
реализации принципа мультипрограммирования
появилась возможность работы в режиме
разделения времени в диалоговом режиме.
Удаленные от ЭВМ пользователи получили
возможность, независи мо друг от друга,
оперативно взаимодействовать с машиной.
- 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.
Начиная с ЭВМ 3-го поколения, традиционным
стала разработка серийных ЭВМ. Хотя машины
одной серии сильно отличались друг от
друга по возможностям и производительности,
они были информационно, программно и
аппаратно совместимы. Например, странами
СЭВ были выпущены ЭВМ единой серии («ЕС
ЭВМ») «ЕС-1022», «ЕС-1030», «ЕС-1033», «ЕС-1046»,
«ЕС-1061», «ЕС-1066» и др. Производительность
этих машин достигала от 500 тыс. до 2 млн.
операций в секунду, объём оперативной
памяти достигал от 8 Мб до 192 Мб.
К ЭВМ этого поколения также
относится «IВМ-370», «Электроника — 100/25»,
«Электроника — 79», «СМ-3», «СМ-4» и др.
Для серий ЭВМ было сильно расширено
программное обеспечение (операционные
системы, языки программирования высокого
уровня, прикладные программы и т.д.).
Невысокое качество электронных
комплектующих было слабым местом советских
ЭВМ третьего поколения. Отсюда постоянное
отставание от западных разработок по
быстродействию, весу и габаритам, но,
как настаивают разработчики СМ, не по
функциональным возможностям. Для того,
чтобы компенсировать это отставание,
в разрабатывались спецпроцессоры, позволяющие
строить высокопроизводительные системы
для частных задач. Оснащенная спецпроцессором
Фурье-преобразований СМ-4, например, использовалась
для радиолокационного картографирования
Венеры.