Главная Человек Презентация «История развития компьютерной техники. "история развития компьютерной техники" Информатика история развития компьютерной техники

Презентация «История развития компьютерной техники. "история развития компьютерной техники" Информатика история развития компьютерной техники

Рапанович Иван

Исследовательская работа

Скачать:

Предварительный просмотр:

Муниципальное общеобразовательное учреждение Ореховская средняя общеобразовательная школа

Школьная научно – практическая конференция школьников «Шаг в будущее »

Выполнил: Рапанович Иван

Ученик 6 класса

Руководитель: Демидова

Надежда Александровна

Орехово 2009 год

ВВЕДЕНИЕ

Счётно - решающие средства до появления ЭВМ

Поколение первое. Компьютеры на электронных лампах

Поколение второе. Транзисторные компьютеры

Поколение третье. Интегральные схемы

ПоКОЛЕНИЕ ЧЕТВЁРТОЕ. бОЛЬШИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение.

Необходимость производить вычисления существовала всегда. Люди в стремлении усовершенствовать процесс вычисления изобретали всевозможные приспособления. Об этом свидетельствуют и греческий абак,и русские щоты,и японский серобян, и ещё множество разнообразных устройств. В 17веке были созданы первые механические счётные машины, в 19веке они получили широкое распространение.

Самое удивительное устройство, названное сначала электронно – вычислительной машиной (ЭВМ), а затем компьютером, подарил человеку 20век.

Идея классифицировать машины по поколениям вызвана к жизни тем, что за время короткой истории своего развития компьютерная техника проделала большую эволюцию как в смысле элементной базы (лампы, транзисторы, микросхемы и др.), так и в смысле изменения её структуры, появление новых возможностей, расширение областей применения и характера использования.

Цель данной работы заключается : в исследовании истории развития компьютерной техники

Задачи :

 выяснить как совершенствовались компьютеры по мере развития;

 выяснить, что понимается под «поколением ЭВМ»;

 сделать вывод о проделанной работе;

 сформировать позитивный интерес к информатике

Счётно - решающие средства до появления ЭВМ.

История вычислений уходит своими корнями в глубь веков так же, как и история человечества. Накопление запасов, делёж добычи, обмен – все эти действия связаны с вычислениями. Для подсчётов люди использовали пальцы, камешки, палочки узелки и т.д.

Одним из первых устройств (5 – 4 века до н.э.), облегчавших вычисления, можно считать специальное приспособление, названное впоследствии абаком. Первоначально это была доска, посыпанная тонким слоем мелкого песка или порошка из голубой глины. На ней заострённой палочкой можно было писать буквы и цифры. Впоследствии абак был усовершенствован и вычисления на нём уже проводились путём перемещения костей и камешков в продольных углублениях, а сами доски начали изготавливать из бронзы, камня, слоновой кости и пр. Со временем эти доски стали расчерчиваться на несколько полос и колонок. У японцев этот прибор назывался «серобян», у китайцев – «суан - пан».

В Древней Руси при счёте применялось устройство, похожее на абак, и называлось оно «русский щот». В 17 веке этот прибор уже имел вид русских счётов, которые можно встретить и в наши дни.

В начале 17 столетия молодым французским математиком и физиком Блезом Паскалем была изобретена первая в мире счётная машина, названная Паскалиной.

Которая выполняла сложение и вычитание.

В 1970 – 1980 годах немецкий математик Готфрид Лейбниц сконструировал счётную машину, которая выполняла все четыре арифметических действия.

В 1978 году русский учёный П. Чебышев сконструировал счётную машину, выполнявшую сложение и вычитание многозначных чисел.

В 1984 году петербургский инженер Однер сконструировал арифмометр, который выполнял все четыре арифметических действия.

В 30 – е столетия в нашей стране был разработан более совершенный арифмометр «Феликс».

Важным событием 20 столетия было изобретение английского математика Чарлза Беббиджа, который вошел в историю как изобретатель первой вычислительной машины – прообраза современного компьютера. В 1812 г. Он начал работать над так называемой «разностной» машиной. К 1822 г. Он построил небольшую действующую модель и

рассчитал на ней таблицу квадратов. В 1833 году приступил к разработке аналитической машины. Она должна была отличаться от разностной машины большей скоростью и более простой конструкцией. Машину предполагалось приводить в действие силой пара.

К сожалению, из-за недостаточного развития технологии проект Беббиджа не был реализован.

Необходимость автоматизировать вычисления при переписи населения в США подтолкнула Генриха Холлерита к созданию в 1888 году устройства, названного табулятором, в котором информация, нанесённая на перфокарты, расшифровывалась с помощью электрического тока. В 1924 году Холлерит основал фирму IBM для серийного выпуска табуляторов.

Поколение первое.
Компьютеры на электронных лампах.

Компьютеры на основе электронных ламп появились в 40-х годах XX века. Первая электронная лампа - вакуумный диод - была построена Флемингом лишь в 1904 году, хотя эффект прохождения электрического тока через вакуум был открыт Эдисоном в 1883 году. Вскоре Ли де Форрест изобретает вакуумный триод - лампу с тремя электродами, затем появляется газонаполненная электронная лампа - тиратрон, пятиэлектродная лампа - пентод и т. д. До 30-х годов электронные вакуумные и газонаполненные лампы использовались главным образом в радиотехнике. Но в 1931 году англичанин Винни-Вильямс построил (для нужд экспериментальной физики) тиратронный счетчик электрических импульсов, открыв тем самым новую область применения электронных ламп. Электронный счетчик состоит из ряда триггеров. Триггер, изобретенный М. А. Бонч-Бруевичем (1918) и - независимо - американцами У. Икклзом и Ф. Джорданом (1919), содержит 2 лампы и в каждый момент может находиться в одном из двух устойчивых состояний; он представляет собой электронное реле. Подобно электромеханическому, оно может быть использовано для хранения одной двоичной цифры.

Использование электронной лампы в качестве основного элемента ЭВМ создавало множество проблем. Из-за того, что высота стеклянной лампы - 7см, машины были огромных размеров. Каждые 7-8 мин. одна из ламп выходила из строя, а так как в компьютере их было 15 - 20 тысяч, то для поиска и замены поврежденной лампы требовалось очень много времени. Кроме того, они выделяли огромное количество тепла, и для эксплуатации "современного" компьютера того времени требовались специальные системы охлаждения.

Чтобы разобраться в запутанных схемах огромного компьютера, нужны были целые бригады инженеров. Устройств ввода в этих компьютерах не было, поэтому данные заносились в память при помощи соединения нужного штекера с нужным гнездом.

Примерами машин I-го поколения могут служить MARK 1, ENIAC EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator), - первая машина с хранимой программой. UNIVAC (Universal Automatic Computer). Первый экземпляр Юнивака был передан в Бюро переписи населения США. Позднее было создано много разных моделей Юнивака, которые нашли применение в различных сферах деятельности. Таким образом, Юнивак стал первым серийным компьютером. Кроме того, это был первый компьютер, где вместо перфокарт использовалась магнитная лента.

Поколение второе.
Транзисторные компьютеры.

1 июля 1948 года на одной из страниц "Нью-Йорк Таймс", посвященной радио и телевидению, было помещено скромное сообщение о том, что фирма "Белл телефон лабораториз" разработала электронный прибор, способный заменить электронную лампу. Физик-теоретик Джон Бардин и ведущий экспериментатор фирмы Уолтер Брайттен создали первый действующий транзистор. Это был точечно-контактный прибор, в котором три металлических "усика" контактировали с бруском из поликристаллического германия.

Первые компьютеры на основе транзисторов появились в конце 50-х годов, а к середине 60-х годов были созданы более компактные внешние устройства, что позволило фирме Digital Equipment выпустить в 1965 г. первый мини-компьютер PDP-8 размером с холодильник (!!) и стоимостью всего 20 тыс. долларов (!!) .

Созданию транзистора предшествовала упорная, почти 10-летняя работа, которую еще в 1938 году начал физик теоретик Уильям Шокли. Применение транзисторов в качестве основного элемента в ЭВМ привело к уменьшению размеров компьютеров в сотни раз и к повышению их надежности.

И все-таки самой удивительной способностью транзистора является то, что он один способен трудиться за 40 электронных ламп и при этом работать с большей скоростью, выделять очень мало тепла и почти не потреблять электроэнергию. Одновременно с процессом замены электронных ламп транзисторами совершенствовались методы хранения информации. Увеличился объем памяти, а, магнитную ленту впервые примененную в ЭВМ Юнивак, начали использовать как для ввода, так и для вывода информации. А в середине 60-х годов получило распространение хранение информации на дисках. Большие достижения в архитектуре компьютеров позволило достичь быстродействия в миллион операций в секунду! Примерами транзисторных компьютеров могут послужить "Стретч" (Англия), "Атлас" (США). В то время СССР шел в ногу со временем и выпускал ЭВМ мирового уровня (например «БЭСМ-6»).

Поколение третье.
Интегральные схемы.

Подобно тому, как появление транзисторов привело к созданию второго поколения компьютеров, появление интегральных схем ознаменовало собой новый этап в развитии вычислительной техники - рождение машин третьего поколения. Интегральная схема, которую также называют кристаллом, представляет собой миниатюрную электронную схему, вытравленную на поверхности кремниевого кристалла площадью около 10 мм 2 .

Первые и нтегральные с хемы (ИС ) появились в 1964 году. Сначала они использовались только в космической и военной технике. Сейчас же их можно обнаружить где угодно, включая автомобили и бытовые приборы. Что же качается компьютеров, то без интегральных схем они просто немыслимы!

Появление ИС означало подлинную революцию в вычислительной технике. Ведь она одна способна заменить тысячи транзисторов, каждый из которых в свою очередь уже заменил 40 электронных ламп. Другими словами, один крошечный кристалл обладает такими же вычислительными возможностями, как и 30-тонный Эниак! Быстродействие ЭВМ третьего поколения возросло в 100 раз, а габариты значительно уменьшились.

Ко всем достоинствам ЭВМ третьего поколения добавилось еще и то, что их производство оказалось дешевле, чем производство машин второго поколения. Благодаря этому, многие организации смогли приобрести и освоить такие машины. А это, в свою очередь, привело к росту спроса на универсальные ЭВМ, предназначенные для решения самых различных задач. Большинство созданных до этого ЭВМ являлись специализированными машинами, на которых можно было решать задачи какого-то одного типа.

Поколение четвертое.
Большие интегральные схемы.

Вы уже знаете, что электромеханические детали счетных машин уступили место электронным лампам, которые в свою очередь уступили место транзисторам, а последние – интегральным схемам. Могло создастся впечатление, что технические возможности ЭВМ исчерпаны. В самом деле, что же можно еще придумать?

Чтобы получить ответ на этот вопрос, давайте вернемся к началу 70-х годов. Именно в это время была предпринята попытка выяснить, можно ли на одном кристалле разместить больше одной интегральной схемы. Оказалось, можно! Развитие микроэлектроники привело к созданию возможности размещать на одном-единственном кристалле тысячи интегральных схем. Так, уже в 1980 году, центральный процессор небольшого компьютера оказался возможным разместить на кристалле, площадью всего в четверть квадратного дюйма (1,61 см 2 ). Началась эпоха микрокомпьютеров.

Каково же быстродействие современной микроЭВМ? Оно в 10 раз превышает быстродействие ЭВМ третьего поколения на интегральных схемах, в 1000 раз - быстродействие ЭВМ второго поколения на транзисторах и в 100000 раз - быстродействие ЭВМ первого поколения на электронных лампах.

Далее, почти 40 лет назад компьютеры типа Юнивак стоили около 2,5 млн. долларов. Сегодня же ЭВМ со значительно большим быстродействием, более широкими возможностями, более высокой надежностью, существенно меньшими габаритами и более простая в эксплуатации стоит примерно 2000 долларов. Каждые 2 года стоимость ЭВМ снижается примерно в 2 раза.

Очень большую роль в развитии компьютеров сыграли две ныне гигантские фирмы: Microsoft® и Intel® . Первая из них очень сильно повлияла на развитие программного обеспечения для компьютеров, вторая же стала известна благодаря выпускаемым ей лучшим микропроцессорам.

Сравнение разных поколений компьютеров.

Во время развития компьютеров четко обозначилась тенденция к уменьшению размеров и увеличению производительности. Чем более совершенствовалась элементная база компьютеров, тем меньше и быстрее они становились. Это можно показать на примере следуюшего сравнения и таблицы:

ENIAC был размером с целый дом и весил 30 т. На его создание потратили 0,5 млн. долларов. Он потреблял 200 кВт энергии. Лампа выходила из строя каждые 7-8 минут. Он мог сложить два числа за 3 мск.		Очень большие (ENIAC, UNIVAC, EDSAC)	Значительно меньшие	Миникомпьютеры	Микрокомпьютеры
Быстротдействие	1 (условно)		1 000	100 000
Носитель информации	Перфорированная лента	Магнитный диск, м. лента	Диск	Гибкий диск

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Какими должны быть компьютеры пятого поколения?

Разработка последующих поколений компьютеров производится на основе больших интегральных схем повышенной степени интеграции, использования оптоэлектронных принципов (лазеры, голография). Развитие идёт также по пути «интеллектуализации» компьютеров, устранения барьера между человеком и компьютером. Компьютеры будут воспринимать информацию с рукописного или печатного текста, с бланков, с человеческого голоса, узнавать пользователя по голосу, осуществлять перевод с одного языка на другой.

В компьютерах пятого поколения произойдёт качественный переход от обработки данных к обработке знаний.

Архитектура компьютеров будущего поколения будет содержать два основных блока. Один из них – это традиционный компьютер, но теперь он лишен связи с пользователем. Эту связь осуществляет блок, так называемый интеллектуальный интерфейс. Его задача – понять текст, написанный на естественном языке и содержащий условие задачи, и перевести его в работающую программу для компьютера.

В настоящее время очень многие области деятельности человека связаны с применением компьютеров. Почему же эти электронные машины так плотно внедряются в нашу жизнь. Все довольно тривиально. Они выполняют рутинную расчетную и оформительскую работу, освобождая наш мозг для более необходимых и ответственных задач. В результате утомляемость резко снижается, и мы начинаем работать гораздо производительнее, нежели без применения компьютера.

Возможности современных компьютеров поражают самое богатое воображение. Они способны параллельно выполнять несколько задач, сложность которых довольно велика. Поэтому некоторые производители задумываются над созданием искусственного интеллекта. Да и сейчас работа компьютера напоминает работу интеллектуального электронного помощника человека.

Счетно-решающие средства до появления ЭВМ
Одним из первых устройств (V - IV вв. до н.э.), облегчавших вычисления, можно считать абак. Это специальная доска с углублениями, вычисления на ней производились перемещением камешков или костей.

Со временем эти доски стали расчерчивать на несколько полос и колонок. В Греции абак существовал уже в V веке до н.э., у японцев он назывался "серобян", у китайцев - "суанпан". В Древней Руси при счете применялось устройство похожее на абак, оно называлось "русский счет". В 17 веке этот прибор приобрел вид привычных русских счетов.

История развития компьютерной техники. Конспект по информатике.

В начале 17 века французский математик и физик Блез Паскаль создал первую "суммирующую машину, названную Паскалиной, которая выполняла сложение и вычитание. В 1670-1680 годах немецкий математик Лейбниц сконструировал счетную машину, которая выполняла все 4 арифметических действия.
В 1874 году петербургский инженер Однер сконструировал прибор под названием арифмометр, выполнявший довольно быстро выполнять все четыре арифметических действия над многозначными числами. В 30-е годы 20 века в нашей стране был разработан более совершенный арифмометр "Феликс". Эти счетные устройства были основным техническим средством, облегчающими труд людей, связанных с обработкой больших массивов числовой информации.
Важным событием 19 века было изобретение английского математика Чарлза Беббиджа, кото-рый вошел в историю как создатель первой вычислительной машины - прообраза настоящих компьютеров. В 1812 году он начал работать над своей "разностной машиной". Беббидж хотел сконструировать машину, которая не только выполняла бы вычисления, но и могла бы работать по заранее составленной программе, например, вычисляла числовое значение заданной функции. Основным эле-ментом его машины было зубчатое колесо - для запоминания одного разряда десятичного числа. В результате можно было оперировать 18-разрядными числами. К 1822 году ученый построил неболь-шую действующую модель и рассчитал на ней таблицу квадратов. Совершенствуя разностную маши-ну, Беббидж приступил в 1833 году к разработке "аналитической машины". Она должна была отли-чаться большей скоростью при более простой конструкции и приводиться в действие силой пара. "Аналитической машина" имела три основных блока. Первый блок для хранения чисел (память, назывался "склад"), второй блок выполняет арифметические операции ("мельница"), третий блок для управления последовательностью действий машины. Также были устройства для ввода исходных данных и печати полученных результатов. Машина должна была действовать по программе, задающей последовательность выполнения операций и передачи чисел из памяти в мельницу и обратно. Математик Ада Лайвлес (дочь поэта Байрона) разработала первые программы для машины Беббиджа. Из-за недостаточного развития технологии проект Беббиджа не был реализован, но многие изо-бретатели воспользовались его идеями. Так, в 1888 году американец Холлерит создал табулятор, позволяющий автоматизировать вычисления при переписи населения. В 1924 году Холлерит основал фирму IBM для серийного выпуска табуляторов.

Конспект - История развития компьютерной техники.

В1941 году немецкий инженер Цузе построил небольшой компьютер на основе электромехани-ческих реле, но из-за войны его труды не были опубликованы. В 1943 году в США на одном из пред-приятий фирмы IBM Эйкен создал более мощный компьютер "Марк-1", который использовался для военных расчетов. Но электромеханические реле работали медленно и ненадежно.
Первое поколение ЭВМ (1946 - середина 50-х годов) Под поколением ЭВМ понимают все типы и модели ЭВМ, разработанные различными конструкторскими коллективами, но построенными на одних и тех же научных и технических принципах.
Появление электронно-вакуумной лампы привело к созданию первой вычислительной машины. В 1946 году в США появилась вычислительная машина для решения задач под названием ЭНИАК (ENIAC -Electronic Numerical Integrator and Calculator - "электронный численный интегратор и калькулятор"). Этот компьютер работал в тысячу раз быстрее, чем "Марк-1". Но большую часть времени он простаивал, т.к. для выполнения программы надо было несколько часов нужным образом подсоединять провода.
Совокупность элементов, из которых состоит компьютер, называется элементной базой. Элементной базой компьютеров I поколения служат электронно-вакуумные лампы, резисторы и конденсаторы. Элементы соединялись проводами с помощью навесного монтажа. ЭВМ представляла собой множество громоздких шкафов и занимала специальный машинный зал, весила сотни тонн и расхо-довала сотни киловатт электроэнергии. ЭНИАК имел 20 тыс. электронных ламп. За 1 сек. Машина выполняла 300 операций умножения или 5000 операций сложения многоразрядных чисел.
В 1945 году известный американский математик Джон фон Нейман представил широкой научной общественности доклад, в котором сумел обрисовать формальную логическую организацию компьютера, отвлекшись от схем и радиоламп.

История развития компьютерной техники. Классические принципы функциональной организации и работы компьютера:
1. Наличие основных устройств: устройство управления (УУ), арифметико-логическое (АЛУ), запоми-нающее устройство(ОЗУ), устройства ввода-вывода;
2. Хранение данных и команд в памяти;
3. Принцип программного управления;
4. Последовательное выполнение операций;
5. Двоичное кодирование информации (первый компьютер "Марк-1" производил вычисления в десятичной системе счисления, но такую кодировку трудно реализовать технически, и позднее от нее отказались);
6. Использование для большей надежности электронных элементов и электрических схем (вместо элек-тромеханических реле).

Первая отечественная ЭВМ была создана в 1951 году под руководством академика С.А. Лебе-дева, и называлась она МЭСМ (малая электронная счетная машина). Позднее была создана БЭСМ-2 (большая электронная счетная машина). Самой мощной ЭВМ первого поколения в Европе была со-ветская ЭВМ М-20 с быстродействием 20 тыс. оп/сек., объем оперативной памяти - 4000 машинных слов. В среднем быстродействие ЭВМ первого поколения 10-20 тыс. оп/сек. Эксплуатация ЭВМ первого поколения слишком сложна из-за частого выхода из строя: элек-тронные лампы часто перегорали и заменять их нужно было вручную. Обслуживанием такой ЭВМ занимался целый штат инженеров. Программы для таких машин писали в машинных кодах, надо бы-ло знать все команды машины и их двоичное представление. Кроме того стоили такие компьютеры миллионы долларов.

История развития компьютерной техники. Второе поколение ЭВМ (конец 50-х - 60-е г.г.)

Изобретение транзистора в 1948 г. позволило изменить элементную базу ЭВМ на полупровод-никовые элементы (транзисторы и диоды), а также более совершенные резисторы и конденсаторы. Один транзистор заменял 40 электронных ламп, работал быстрее, был дешевле и надежнее. Измени-лась технология соединения элементной базы: появились первые печатные платы - пластины из изоляционного материала, на которых размещались транзисторы, диоды резисторы и конденсаторы. Печатные платы соединялись с помощью навесного монтажа. Сократилось потребление электроэнергии, и уменьшились в сотни раз размеры. Производительность таких ЭВМ до 1 млн. оп./сек. При выходе из строя нескольких элементов производилась замена всей платы, а не каждого элемента в от-дельности. После появления транзисторов самой трудоемкой операцией при производстве компьютеров стало соединение и спайка транзисторов для создания электронных схем. Появление алгоритмических языков облегчило процесс составления программ. Введен принцип разделения времени - различные устройства ЭВМ стали работать одновременно. В 1965 г. фирма Digital Equipment выпустила первый мини-компьютер PDP-8 размером с холодильник и стоимостью всего 20 тысяч долларов.

История развития компьютерной техники. Третье поколение ЭВМ (конец 60-х - 70-е г.г.)

В 1958 году Джон Килби впервые создал опытную интегральную схему или чип. Интегральная схема выполняла те же функции, что и электронная в ЭВМ второго поколения. Она представляла собой пластину кремния, на которой были размещены транзисторы и все соединения между ними. Элементная база - интегральные схемы. Производительность: сотни тысяч - миллионы операций в секунду. Первой ЭВМ, выполненной на интегральных схемах, была IBM-360 в 1968 году фирмы IBM, которая положила начало целой серии (чем больше номер, тем больше возможности компьютера). В 1970 году фирма Intel начала продавать интегральные схемы памяти. В дальнейшем, количество транзисторов на единицу площади интегральной схемы увеличивалось ежегодно примерно вдвое. Это обеспечивало постоянное уменьшение стоимости и рост быстродействия компьютера. Увеличился объем памяти. Появились дисплеи и графопостроители, происходит дальнейшее развитие разнообразных языков программирования. В нашей стране выпускались два семейства ЭВМ: большие (например, ЕС-1022, ЕС-1035) и малые (например, СМ-2, СМ-3). В то время вычислительный центр оснащался одной - двумя моделями ЕС-ЭВМ и дисплейным классом, где каждый программист мог подсоединиться к ЭВМ в режиме разделения времени.

История развития компьютерной техники. Четвертое поколение ЭВМ (конец 70-х - по настоящее время)

В 1970 году Маршиан Эдвард Хофф из фирмы Intel сконструировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большого компьютера. Так появился первый микропроцессор Intel-4004, который был выпущен в продажу в 1971 г. Этот микропроцессор размером менее 3 см был производительнее гигантской машины. На одном кристалле кремния удалось разместить 2250 транзисторов. Правда работал он гораздо мед-леннее и мог обрабатывать одновременно только 4 бита информации (вместо 16-32 бит у больших компьютеров), но и стоил он в десятки тысяч раз дешевле (около 500 долларов). Вскоре начался быстрый рост производительности микропроцессоров. Сначала микропроцессоры использовались в различных вычислительных устройствах (например, в калькуляторах). В 1974 году несколько фирм объявили о создании на основе микропроцессора Intel-8008 персонального компьютера, т.е. устройства, рассчитанного на одного пользователя.
Широкая продажа на рынке персональных компьютеров (ПК) связана с именами молодых американцев С. Джобса и В. Возняка, основателей фирмы Apple Computer, которая с 1977 г. наладила выпуск персональных компьютеров "Apple". Росту объема продаж способствовали многочисленные программы, разработанные для деловых применений (редактирование текстов, электронные таблицы для бухгалтерских расчетов).
В конце 70-х годов распространение ПК привело к снижению спроса на большие компьютеры. Это обеспокоило руководство фирмы IBM - ведущей компании по производству больших компьютеров, и оно решило попробовать в качестве эксперимента свои силы на рынке ПК. Чтобы не тратить на этот эксперимент много средств, подразделе-нию, ответственному за этот проект было разрешено не конструировать ПК с нуля, а использовать блоки, изготовлен-ные другими фирмами. Так, в качестве основного микропроцессора был выбран новейший в то время 16-разрядный микропроцессор Intel-8088. Программное обеспечение было поручено разработать небольшой фирме Microsoft. В августе 1981 г. новый компьютер IBM PC был готов и приобрел большую популярность среди пользователей. Фирма IBM не сделала свой компьютер единым неразъемным устройством и не стала защищать его конструкцию патентами. Наоборот, она собрала компьютер из независимо изготовленных частей и не стала держать способы соединения этих частей в секрете; конструкции IBM PC были доступны всем желающим. Это позволило другим фирмам разрабаты-вать как аппаратное, так и программное обеспечение. Очень скоро эти фирмы перестали довольствоваться ролью производителей комплектующих для IBM PC и начали сами собирать ПК, совместимые с IBM PC. Конкуренция между производителями привела к удешевлению компьютеров. Поскольку этим фирмам не требовалось нести огромные издержки на исследования, они могли продавать свои компьютеры намного дешевле аналогичных компьютеров фирмы IBM. Совместимые с IBM PC компьютеры называли "клонами" (двойниками). Общее свойство семейства IBM PC и совместимых с ним компьютеров - это совместимость программного обеспечения и принцип открытой архитектуры, т.е. возможность дополнения и замены имеющихся аппаратных средств на более современные без замены всего компьютера.
Одна из самых важных идей компьютеров четвертого поколения: для обработки информации используется одновременно несколько процессоров (мультипроцессорная обработка).

История развития компьютерной техники. Сервер.

Сервер - мощный компьютер в вычислительных сетях, который обеспечивает обслуживание подключенных к нему компьютеров и выход в другие сети. Суперкомпьютеры появились еще в 70-е годы. В отличие от компьютеров неймановской структуры в них используется многопроцессорный способ обработки. При таком способе решаемая задача разбивается на несколько частей, каждая из которых решается параллельно на своем процессоре. Это резко увеличивает производительность. Быстродействие их миллиарды операций в секунду. Но стоят такие компьютеры миллионы долларов.
Персональные компьютеры (ПК) используются повсеместно, имеют доступную цену. Для них разработано большое кол-во программных средств для различных областей применения, которые помогают человеку обрабатывать информацию. Сейчас ПК стал мультимедийным, т.е. обрабатывает не только числовую и текстовую информацию, но эффективно работает со звуком и изображением.
Портативные компьютеры (латинское слово "porto " означает "ношу") - переносные компьютеры. Самый распространенный из них ноутбук ("note book") - блокнотный персональный компьютер.
Промышленные компьютеры предназначены для использования в производственных условиях (например, для управления станками, самолетами и поездами). К ним предъявляются повышенные требования по надежности безотказной работы, устойчивости к перепадам температуры, к вибрации и т.п. Поэтому обычные персональные компьютеры не могут использоваться как промышленные.

История развития компьютерной техники. v. 1.0.

Изучив эту тему, вы узнаете:

Как развивались счетно-решающие средства до создания ЭВМ;
- что такое элементная база и как ее изменение влияло на создание новых типов ЭВМ;
- как развивалась компьютерная техника от поколения к поколению.

Счетно-решающие средства до появления ЭВМ

История вычислений уходит своими корнями в глубь веков так же, как и история развития человечества. Накопление запасов, дележ добычи, обмен - все эти действия связаны с вычислениями. Для подсчетов люди использовали собственные пальцы, камешки, палочки, узелки и пр.

Потребность в поиске решений все более и более сложных задач и, как следствие, все более сложных и длительных вычислений поставила человека перед необходимостью искать способы, изобретать приспособления, которые смогли бы ему в этом помочь. Исторически сложилось так, что в разных странах появились свои денежные единицы, меры веса, длины, объема, расстояния и т. д. Для перевода из одной системы мёр в другую требовались вычисления, которые обычно могли производить лишь специально обученные люди, досконально знавшие всю последовательность действий. Их нередко приглашали даже из других стран. И совершенно естественно возникла потребность в изобретении устройств, помогающих счету. Так постепенно стали появляться механические помощники. До наших дней дошли свидетельства о многих таких изобретениях, навсегда вошедших в историю техники.

Одним из первых устройств (V-IV века до н. э.), облегчавших вычисления, можно считать специальное приспособление, названное впоследствии абаком (рисунок 24.1). Первоначально это была доска, посыпанная тонким слоем мелкого песка или порошка из голубой глины. На ней заостренной палочкой можно было писать буквы, цифры. Впоследствии абак был усовершенствован и вычисления на нем уже проводились путем перемещения костей и камешков в продольных углублениях, а сами доски начали изготавливать из бронзы, камня, слоновой кости и пр. Со временем эти доски стали расчерчиваться на несколько полос и колонок. В Греции абак существовал еще в V веке до н. э., у японцев этот прибор назывался «серобян», у китайцев - «суан-пан».

Рис. 24.1. Абак

В Древней Руси при счете применялось устройство, похожее на абак, и называлось оно «русский щот». В XVII веке этот прибор уже имел вид привычных русских счетов, которые можно встретить и в наши днй.

В начале XVII столетия, когда математика стала играть ключевую роль в науке, все острее ощущалась необходимость в изобретении счетной машины. К этому времени относится создание молодым французским математиком и физиком Блезом Паскалем первой счетной машины (рисунок 24.2, а), названной Пас- калиной, которая выполняла сложение и вычитание.

Рис. 24.2. Счетные машины XVII века: а) Паскалина, б) машина Лейбница

В 1670-1680 годах немецкий математик Готфрид Лейбниц сконструировал счетную машину (рисунок 24.2, б), которая выполняла все четыре арифметических действия.

В течение следующих двухсот лет было изобретено и построено еще несколько подобных счетных устройств, которые из-за ряда недостатков не получили широкого распространения.

Лишь в 1878 году русский ученый П. Чебышев сконструировал счетную машину, выполнявшую сложение и вычитание многозначных чисел. Наиболее широкое распространение в то время получил арифмометр, сконструированный петербургским инженером Однером в 1874 году. Конструкция прибора оказалась весьма удачной, так как позволяла довольно быстро выполнить все четыре арифметических действия.

В 30-е годы XX столетия в нашей стране был разработан более совершенный арифмометр - «Феликс» (рисунок 24.3). Эти счетные устройства применялись несколько десятилетий и были основным техническим средством, облегчающим труд людей, связанных с обработкой больших объемов числовой информации.

Рис. 24.3. Арифмометр «Феликс»

Важным событием XIX века было изобретение английского математика Чарлза Беббиджа, который вошел в историю как изобретатель первой вычислительной машины - прообраза современных компьютеров. В 1812 году он начал работать над так называемой «разностной» машиной. Предшествующие вычислительные машины Паскаля и Леибница выполняли только арифметические действия. Беббидж же стремился сконструировать машину, которая выполняла бы определенную программу, проводила бы расчет числового значения заданной функции. В качестве основного элемента разностной машины Беббидж использовал зубчатое колесо для запоминания одного разряда десятичного числа. В результате он смог оперировать 18-разрядными числами. К 1822 году он построил небольшую действующую модель и рассчитал на ней таблицу квадратов.

Совершенствуя разностную машину, Беббидж приступил в 1833 году к разработке аналитической машины (рисунок 24.4). Она должна была отличаться от разностной машины большей скоростью и более простой конструкцией. Согласно проекту, новую машину предполагалось приводить в действие силой пара.

Аналитическая машина была задумана как чисто механический аппарат с тремя основными блоками. Первый блок - устройство для хранения чисел на регистрах из зубчатых колес и система, которая передает эти числа от одного узла к другому (в современной терминологии - это память). Второй блок - устройство, позволяющее выполнять арифметические операции. Беббидж назвал его «мельницей». Третий блок предназначался для управления последовательностью действий машины. В конструкцию аналитической машины входило также устройство для ввода исходных данных и печати полученных результатов.

Предполагалось, что машина будет действовать по программе, которая задавала бы последовательность выполнения операций и передачи чисел из памяти в мельницу и обратно. Программы, в свою очередь, должны были кодироваться и переноситься на перфокарты. В то время подобные карты уже использовались для автоматического управления ткацкими станками. Тогда же математик леди Ада Лавлейс - дочь английского поэта лорда Байрона - разрабатывает первые программы для машины Беббиджа. Она заложила многие идеи и ввела ряд понятий и терминов, которые используются и по сей день.

Рис. 24.4. Аналитическая машина Беббиджа

К сожалению, из-за недостаточного развития технологии проект Беббиджа не был реализован. Тем не менее его работы имели важное значение; многие последующие изобретатели воспользовались идеями, заложенными в основу придуманных им устройств.

Необходимость автоматизировать вычисления при переписи населения в США подтолкнула Генриха Холлерита к созданию в 1888 году устройства, названного табулятором (рисунок 24.5), в котором информация, нанесенная на перфокарты, расшифровывалась с помощью электрического тока. Это устройство позволило обработать данные переписи населения всего за 3 года вместо затрачиваемых ранее восьми лет. В 1924 году Холлерит основал фирму IBM для серийного выпуска табуляторов.

Рис. 24.5. Табулятор

Огромное влияние на развитие вычислительной техники оказали теоретические разработки математиков: англичанина А. Тьюринга и работавшего независимо от него американца Э. Поста. «Машина Тьюринга (Поста)» - прообраз программируемого компьютера. Эти ученые показали принципиальную возможность решения автоматами любой проблемы при условии, что ее можно представить в виде алгоритма, ориентированного на выполняемые машиной операции.

С момента возникновения идеи Беббиджа о создании аналитической машины до ее реального внедрения в жизнь прошло более полутора столетий. Почему же столь большим оказался разрыв во времени между рождением идеи и ее техническим воплощением? Это обусловлено тем, что при создании любого устройства, в том числе и компьютера, очень важным фактором является выбор элементной базы, то есть тех деталей, из которых собирается вся система.

Первое поколение ЭВМ

Появление электронно-вакуумной лампы позволило ученым претворить в жизнь идею создания вычислительной машины. Она появилась в 1946 году в США и получила название ЭНИАК (ENIAC - Electronic Numerical Integrator and Calculator, «электронный численный интегратор и калькулятор» - рисунок 24.6). Это событие ознаменовало начало пути, по которому пошло развитие электронно-вычислительных машин (ЭВМ).

Рис 24.6. Первая ЭВМ ЭНИАК

Дальнейшее совершенствование ЭВМ определялось развитием электроники, появлением новых элементов и принципов действий, то есть улучшением и расширением элементной базы. В настоящее время насчитывается уже несколько поколений ЭВМ. Под поколением ЭВМ понимают все типы и модели электронно-вычислительных машин, разработанные различными конструкторскими коллективами, но построенные на одних и тех же научных и технических принципах. Смена поколений обусловливалась появлением новых элементов, изготовленных с применением принципиально иных технологий.

Первое поколение (1946 - середина 50-х годов). Элементной базой служили электронно-вакуумные лампы, устанавливаемые на специальных шасси, а также резисторы и конденсаторы. Элементы соединяли проводами навесным монтажом. В ЭВМ ЭНИАК было 20 тыс. электронных ламп, из которых ежемесячно заменялось 2000. За одну секунду машина выполняла 300 операций умножения или же 5000 сложений многоразрядных чисел.

Выдающийся математик Джон фон Нейман и его коллеги изложили в своем отчете основные принципы логической структуры ЭВМ нового типа, которые позже были реализованы в проекте ЭДВАК (1950 г.). В отчете утверждалось, что ЭВМ должна создаваться на электронной основе и работать в двоичной системе счисления. В ее состав должны входить следующие устройства: арифметическое, центральное управляющее, запоминающее, для ввода данных и вывода результатов. Ученые также сформулировали два принципа работы: принцип программного управления с последовательным выполнением команд и принцип хранимой программы. Конструкция большинства ЭВМ последующих поколений, где были реализованы эти принципы, получила название «фон-неймановской архитектуры».

Первая отечественная ЭВМ была создана в 1951 году под руководством академика С. А. Лебедева, и называлась она МЭСМ (малая электронная счетная машина). Затем в эксплуатацию ввели БЭСМ-2 (большую электронную счетную машину). Самой мощной ЭВМ 50-х годов в Европе была советская электронно- вычислительная машина М-20 с быстродействием 20 тыс. оп/с и объемом оперативной памяти 4000 машинных слов.

МЭСМ (малая электронная счетная машина)

С этого времени начался бурный расцвет отечественной вычислительной техники, и к концу 60-х годов в нашей стране успешно функционировала лучшая по производительности (1 млн оп/с) ЭВМ того времени - БЭСМ-6, в которой были реализованы многие принципы работы последующих поколений компьютеров.

БЭСМ-6 (большая электронная счетная машина)

С появлением новых моделей ЭВМ произошли изменения и в названии этой сферы деятельности. Ранее любую технику, используемую для вычислений, обобщенно называли «счетно-ре- шающими приборами и устройствами». Теперь же все, что имеет отношение к ЭВМ, именуют вычислительной техникой.

Перечислим характерные черты ЭВМ первого поколения.

♦ Элементная база: электронно-вакуумные лампы, резисторы, конденсаторы. Соединение элементов: навесной монтаж проводами.
♦ Габариты: ЭВМ выполнена в виде громадных шкафов и занимает специальный машинный зал.
♦ Быстродействие: 10-20 тыс. оп/с.
♦ Эксплуатация слишком сложна из-за частого выхода из строя электронно-вакуумных ламп. Существует опасность перегрева ЭВМ.
♦ Программирование: трудоемкий процесс в машинных кодах. При этом необходимо знать все команды машины, их двоичное представление, архитектуру ЭВМ. Этим в основном были заняты математики-программисты, которые непосредственно и работали за ее пультом управления. Обслуживание ЭВМ требовало от персонала высокого профессионализма.

Второе поколение ЭВМ

Второе поколение приходится на период от конца 50-х до конца 60-х годов .

К этому времени был изобретен транзистор, который пришел на смену электронным лампам. Это позволило заменить элементную базу ЭВМ на полупроводниковые элементы (транзисторы, диоды), а также резисторы и конденсаторы более совершенной конструкции (рисунок 24.7). Один транзистор заменял 40 электронных ламп, работал с большей скоростью, был дешевле и надежнее. Средний срок его службы в 1000 раз превосходил продолжительность работы электронных ламп.

Изменилась и технология соединения элементов. Появились первые печатные платы (см. рис. 24.7) - пластины из изоляционного материала, например гетинакса, на которые по специальной технологии фотомонтажа наносился токо- проводящий материал. Для крепления элементной базы на печатной плате имелись специальные гнезда.

Рис. 24.7. Транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и печатные платы

Такая формальная замена одного типа элементов на другой существенно повлияла на все характеристики ЭВМ: габариты, надежность, производительность, условия эксплуатации, стиль программирования и работы на машине. Изменился технологический процесс изготовления ЭВМ.

Рис. 24.8. ЭВМ второго поколения

Перечислим характерные черты ЭВМ второго поколения (рисунок 24.8).
- Элементная база : полупроводниковые элементы. Соединение элементов: печатные платы и навесной монтаж.
- Габариты : ЭВМ выполнены в виде однотипных стоек, чуть выше человеческого роста. Для их размещения требуется специально оборудованный машинный зал, в котором под полом прокладываются кабели, соединяющие между собой многочисленные автономные устройства.
- Производительность : от сотен тысяч до 1 млн оп/с.
- Эксплуатация : упростилась. Появились вычислительные центры с большим штатом обслуживающего персонала, где устанавливалось обычно несколько ЭВМ. Так возникло понятие централизованной обработки информации на компьютерах. При выходе из строя нескольких элементов производилась замена целиком всей платы, а не каждого элемента в отдельности, как в ЭВМ предыдущего поколения.
- Программирование : существенно изменилось, так как стало выполняться преимущественно на алгоритмических языках. Программисты уже не работали в зале, а отдавали свои программы на перфокартах или магнитных лентах специально обученным операторам. Решение задач производилось в пакетном (мультипрограммном) режиме, то есть все программы вводились в ЭВМ подряд друг за другом, и их обработка велась по мере освобождения соответствующих устройств. Результаты решения распечатывались на специальной перфорированной по краям бумаге.
- Произошли изменения как в структуре ЭВМ, так и в принципе ее организации . Жесткий принцип управления заменился микропрограммным. Для реализации принципа программируемости необходимо наличие в компьютере постоянной памяти, в ячейках которой всегда присутствуют коды, соответствующие различным комбинациям управляющих сигналов. Каждая такая комбинация позволяет выполнить элементарную операцию, то есть подключить определенные электрические схемы.
- Введен принцип разделения времени , который обеспечил совмещение во времени работы разных устройств, например одновременно с процессором работает устройство ввода-вывода с магнитной ленты.

Третье поколение ЭВМ

Этот период продолжается с конца 60-х до конца 70-х годов. Подобно тому как изобретение транзисторов привело к созданию компьютеров второго поколения, появление интегральных схем ознаменовало новый этап в развитии вычислительной техники - рождение машин третьего поколения.

В 1958 году Джон Килби впервые создал опытную интегральную схему. Такие схемы могут содержать десятки, сотни и даже тысячи транзисторов и других элементов, которые физически неразделимы. Интегральная схема (рисунок 24.9) выполняет те же функции, что и аналогичная ей схема на элементной базе ЭВМ второго поколения, но при этом она имеет существенно меньшие размеры и более высокую степень надежности.

Рис. 24.9. Интегральные схемы Первой ЭВМ, выполненной на интегральных схемах, была IBM-360 фирмы IBM. Она положила начало большой серии моделей, название которых начиналось с IBM, а далее следовал номер, который увеличивался по мере совершенствования моделей этой серии. То есть чем больше был номер, тем большие возможности предоставлялись пользователю.

Аналогичные ЭВМ стали выпускать и в странах СЭВ (Совета экономической взаимопомощи): СССР, Болгарии, Венгрии, Чехословакии, ГДР, Польше. Это были совместные разработки, причем каждая страна специализировалась на определенных устройствах. Выпускались два семейства ЭВМ:
- большие - ЕС ЭВМ (единая система), например ЕС-1022, ЕС-1035, ЕС-1065;
- малые - СМ ЭВМ (система малых), например СМ-2, СМ-3, СМ-4.

ЕС ЭВМ (единая система) ЕС-1035

СМ ЭВМ (система малых) СМ-3

В то время любой вычислительный центр оснащался одной-двумя моделями ЕС ЭВМ (рисунок 24.10). Представителей емейства СМ ЭВМ, составляющих класс мини-ЭВМ, можно было довольно часто встретить в лабораториях, на производстве, нa технологических линиях, на испытательных стендах. Особенюсть этого класса ЭВМ состояла в том, что все они могли работать в реальном масштабе времени, то есть ориентируясь на консретную задачу.

Рис. 24.10. ЭВМ третьего поколения

Приведем характерные черты ЭВМ третьего поколения.
- Элементная база : интегральные схемы, которые вставляются в специальные гнезда на печатной плате.
- Габариты : внешнее оформление ЕС ЭВМ схоже с ЭВМ второго поколения. Для их размещения также требуется машинный зал. А малые ЭВМ - это в основном две стойки приблизительно в полтора человеческих роста и дисплей. Они не нуждались, как ЕС ЭВМ, в специально оборудованном помещении.
- Производительность : от сотен тысяч до миллионов операций в секунду.
- Эксплуатация : несколько изменилась. Более оперативно производится ремонт обычных неисправностей, но из-за большой сложности системной организации требуется штат высококвалифицированных специалистов. Большую роль играет системный программист.
- Технология программирования и решения задач : такая же, как на предыдущем этапе, хотя несколько изменился характер взаимодействия с ЭВМ. Во многих вычислительных центрах появились дисплейные залы, где каждый программист в определенное время мог подсоединиться к ЭВМ в режиме разделения времени. Как и прежде, основным оставался режим пакетной обработки задач.
- Произошли изменения в структуре ЭВМ . Наряду с микропрограммным способом управления используются принципы модульности и магистральности. Принцип модульности проявляется в построении компьютера на основе набора модулей - конструктивно и функционально законченных электронных блоков в стандартном исполнении. Под магист- ральностью понимается способ связи между модулями компьютера, то есть все входные и выходные устройства соединены одними и теми же проводами (шинами). Это прообраз современной системной шины.
- Увеличились объемы памяти . Магнитный барабан постепенно вытесняется магнитными дисками, выполненными в виде автономных пакетов. Появились дисплеи, графопостроители.

Четвертое поколение ЭВМ

Этот период оказался самым длительным - от конца 70-х годов по настоящее время. Он характеризуется всевозможными новациями, приводящими к существенным изменениям. Однако кардинальных, революционных перемен, позволяющих говорить о смене этого поколения ЭВМ, пока не произошло. Хотя, если сравнивать ЭВМ, например, начала 80-х годов и сегодняшние, то очевидно существенное различие.

Следует особо отметить одну из самых значительных идей, воплощенных в компьютере на данном этапе: использование для вычислений одновременно нескольких процессоров (мультипроцессорная обработка). Также претерпела изменение и структура компьютера.

Новые технологии создания интегральных схем позволили разработать в конце 70-х - начале 80-х годов ЭВМ четвертого поколения на больших интегральйых схемах (БИС), степень интеграции которых составляет десятки и сотни тысяч элементов на одном кристалле. Наиболее крупным сдвигом в электронно-вычислительной технике, связанным с применением БИС, стало создание микропроцессоров. Сейчас этот период расценивается как революция в электронной промышленности. Первый микропроцессор был создан фирмой Intel в 1971 году. На одном кристалле удалось сформировать минимальный по составу аппаратуры процессор, содержащий 2250 транзисторов.

С появлением микропроцессора связано одно из важнейших событий в истории вычислительной техники - создание и применение персональных ЭВМ (рисунок 24.11), что даже повлияло на терминологию. Постепенно прочно укоренившийся термин «ЭВМ» был вытеснен ставшим уже привычным словом «компьютер», а вычислительная техника стала называться компьютерной.

Рис. 24.11. Персональный компьютер

Начало широкой продажи персональных ЭВМ связано с именами С. Джобса и В. Возняка, основателей фирмы «Эпл компьютер» (Apple Computer), которая с 1977 года наладила выпуск персональных компьютеров Apple. В компьютерах этого типа за основу был взят принцип создания «дружественной» обстановки работы человека на ЭВМ, когда при создании программного обеспечения одним из основных требований стало обеспечение удобной работы пользователя. ЭВМ повернулась лицом к человеку. Дальнейшее ее совершенствование шло с учетом удобства работы пользователя. Если раньше при эксплуатации ЭВМ был реализован принцип централизованной обработки информации, когда пользователи концентрировались вокруг одной ЭВМ, то с появлением персональных компьютеров произошло обратное движение - децентрализация, когда один пользователь может компьютерами. работать с несколькими

С 1982 года фирма IBM приступила к выпуску модели персонального компьютера, ставшего эталоном на долгие времена. IBM выпустила документацию по аппаратуре и программные спецификации, что позволило другим фирмам разрабатывать как аппаратное, так и программное обеспечение. Таким образом, появились семейства (клоны) «двойников» персональных компьютеров IBM.

В 1984 году фирмой IBM был разработан персональный компьютер на базе микропроцессора 80286 фирмы Intel с шиной архитектуры промышленного стандарта - ISA (Industry Standart Architecture). С этого времени началась жесткая конкуренция между несколькими корпорациями, производящими персональные компьютеры. Один тип процессора сменял другой, что зачастую требовало дополнительной существенной модернизации, а подчас и полной замены компьютеров. Гонка в поиске все более и более совершенных технических характеристик всех устройств компьютера продолжается и по сей день. Каждый год требуется проводить коренную модернизацию существующего компьютера.

Общее свойство семейства IBM PC - совместимость программного обеспечения снизу вверх и принцип открытой архитектуры, предусматривающий возможность дополнения имеющихся аппаратных средств без изъятия старых или их модификацию без замены всего компьютера.

Современные ЭВМ превосходят компьютеры предыдущих поколений компактностью, огромными возможностями и доступностью для разных категорий пользователей.

Компьютеры четвертого поколения развиваются в двух направлениях, о которых будет рассказано в последующих темах этого раздела. Первое направление - создание многопроцессорных вычислительных систем. Второе - изготовление дешевых персональных компьютеров как в настольном, так и в переносном исполнении, а на их основе - компьютерных сетей.

Контрольные вопросы и задания

1. Расскажите об истории развития счетно-решающих устройств до появления ЭВМ.

2. Что такое поколение ЭВМ и чем вызывается смена поколений?

3. Расскажите о первом поколении ЭВМ.

4. Расскажите о втором поколении ЭВМ.

5. Расскажите о третьем поколении ЭВМ.

6. Расскажите о четвертом поколении ЭВМ.

7. Когда и почему название «ЭВМ» стало постепенно заменяться термином «компьютер»?

8. Чем прославился математик Джон фон Нейман?

Перспективы развития компьютерных систем

Изучив эту тему, вы узнаете:

Каковы основные тенденции развития компьютеров;
- каковы причины, обусловливающие эти тенденции.

Зная функциональные возможности компьютеров, можно поразмышлять над перспективами их развития. Это не слишком благодарное занятие, особенно в отношении компьютерной техники, так как ни в какой другой области не происходит таких существенных изменений в столь короткие отрезки времени. Тем не менее суть развития компьютерной техники состоит в следующем: сначала перед людьми открывается некая сравнительно новая область использования компьютеров, но для реализации этих идей нужны некоторые новые, технологически обеспеченные возможности компьютеров. Как только необходимые технологии разработаны и внедрены, сразу становятся очевидными иные перспективные области применения компьютеров и т. д.

Например, компания Fujitsu разработала универсального робота-носильщика. В фойе отеля робот приветствует гостей хриплым баритоном. Уточнив номер комнаты, робот берет тяжелые чемоданы в обе «руки» или выкатывает тележку и начинает движение в сторону лифта, затем нажимает кнопку вызова лифта, поднимается на этаж и провожает гостей в номер. Электронная карта отеля, восемь камер и ультразвуковые сенсоры позволяют роботу преодолевать любые препятствия. Правое и левое колеса вращаются независимо, поэтому движение по наклонным и неровным поверхностям дается легко. Используя систему обработки трехмерных изображений, робот может брать предметы и протягивать их гостям. Робот чутко воспринимает голосовые инструкции, подключен к Интернету. Справки об отеле можно получить на его цветном сенсорном экране. Ночью робот патрулирует коридоры отеля.

Так, например, в Массачусетсском технологическом институте (США) демонстрировались модели одежды со встроенными в них компьютерами и электронными устройствами. Сегодня новое поветрие названо «кибер- модой». Кибер-брошь, украшающая платье на этой иллюстрации, не просто аксессуар - это электронное устройство, вспыхивающее в такт сердцебиению его обладателя.

Можно предполагать, что в будущем появятся сотни активных компьютерных устройств, отслеживающих наше состояние и местоположение, легко воспринимающих нашу информацию и управляющих бытовыми приборами. Они не будут находиться в одной общей «оболочке». Они будут повсюду. Перспективы развития в отношении подобных компьютерных устройств: они станут намного более миниатюрными и будут иметь низкую стоимость.

Рассмотрим перспективы и тенденции развития компьютерной техники, обеспечивающей информационное обслуживание и управление. Каждый компьютер не только умеет безошибочно и быстро считать, но и представляет собой вместительное хранилище информации. В настоящее время все шире используется наиболее специфическая функция компьютеров - информационная, и именно это является одной из причин наступающей «всеобщей информатизации». Обычно информацию подготавливают на компьютере, затем печатают и уже в таком виде распространяют.

Однако уже в начале XXI века ожидается смена основной информационной среды - большую часть информации люди станут получать не по традиционным каналам связи - радио, телевидение, печать, а через компьютерные сети.

Изменение цели использования компьютеров наблюдается уже сегодня. Прежде компьютеры служили исключительно для выполнения различных научно-технических и экономических расчетов, и работали на них пользователи с общей компьютерной подготовкой и программисты.

Благодаря появлению телекоммуникаций кардинально изменяется область применения компьютеров пользователями. Потребность в компьютерных теле- коммуникациях постоянно расширяется. Все больше людей обращается к Интернету, чтобы узнать расписание движения поездов или последние новости из Думы, познакомиться с научной статьей коллеги, сделать выбор, где провести свободный вечер, и т. п. Информация подобного рода нужна каждому в любой момент и в любом месте.

В настоящее время разрабатывается новая концепция развития сети Интернет - это создание семантической паутины (англ. Semantic web). Она является надстройкой над существующей Всемирной паутиной и призвана сделать размещенную в сети информацию более понятной для компьютеров. С 1999 года проект семантической паутины развивается под эгидой Консорциума Всемирной паутины.

В настоящее время компьютеры принимают довольно ограниченное участие в формировании и обработке информации в Интернете. Функции компьютеров в основном сводятся к хранению, отображению и поиску информации. Это обусловлено тем, что большая часть информации в Интернете находится в текстовой форме, а компьютеры не могут воспринять и осмыслить смысловую информацию. Создание информации, ее оценку, классификацию и актуализацию - все это по-прежнему выполняет человек.

Встает вопрос - как же заставить компьютеры понимать смысл размещенной в сети информации и научить компьютеры пользоваться ею? Если компьютер пока нельзя научить понимать человеческий язык, то нужно создать язык, который был бы понятен компьютеру. В идеальном варианте вся информация в Интернете должна размещаться на двух языках: на языке, понятном человеку, и на языке, понятном компьютеру. Для создания понятного компьютеру описания сетевого ресурса в семантической паутине создан формат RDF (англ. Resource Description Framework). Он предназначен для хранения метаданных (метаданные - это данные о данных) и не предназначен для прочтения и использования человеком. Описания в формате RDF должны прикрепляться к каждому сетевому ресурсу и обрабатываться компьютером автоматически.

Семантическая паутина открывает доступ к четко структурированной информации для любых приложений, независимо от платформы и языков программирования. Программы смогут сами находить нужные ресурсы, обрабатывать информацию, обобщать данные, выявлять логические связи, делать выводы и даже принимать решения на основе этих выводов. При широком распространении и грамотном внедрении семантическая паутина может вызвать революцию в Интернете.

Семантическая паутина - это концепция сети, в которой каждый информационный ресурс на человеческом языке должен быть снабжен описанием, понятным компьютеру.

Компьютер должен быть полностью мобильным и снабжен радиомодемом для входа в компьютерную сеть. В перспективе портативные компьютеры должны стать более миниатюрными при быстродействии, сравнимом с производительностью современных суперЭВМ. Они должны иметь плоский дисплей с хорошей разрешающей способностью. Их внешние запоминающие устройства - магнитные диски - при небольших размерах будут иметь емкость более 100 Гбайт. Чтобы с компьютером можно было общаться на естественном языке, он будет широко оснащен средствами мультимедиа, в первую очередь, аудио- и видеосредствами.

Для обеспечения качественного и повсеместного обмена информацией между компьютерами будут использоваться принципиально новые способы связи:

♦ инфракрасные каналы в пределах прямой видимости;
♦ телевизионные каналы;
♦ беспроводная технология высокоскоростной цифровой связи.

Это позволит строить системы сверхскоростных информационных магистралей, связывающих воедино все существующие системы.

Сферы применения ЭВМ все расширяются, и каждая из них обусловливает новую тенденцию развития компьютерной техники. В перспективе все вычислительные комплексы и системы от суперЭВМ до персонального компьютера станут составляющими единой компьютерной сети. А при такой сложной распределенной структуре должна быть обеспечена практически неограниченная пропускная способность и скорость передачи информации.

Современные полупроводниковые компьютеры скоро исчерпают свой потенциал, и даже при условии перехода к трехмерной архитектуре микросхем их быстродействие будет ограничено значением 1015 операций в секунду. Поиски новых путей совершенствования компьютеров ведутся во многих направлениях. Существует несколько возможных альтернатив замены современных компьютеров - квантовые компьютеры, нейрокомпьютеры и оптические компьютеры. При разработке «компьютеров будущего» используется широкий спектр научных дисциплин: молекулярная электроника, молекулярная биология, робототехника, квантовая механика, органическая химия и др. Рассмотрим основные особенности этих компьютеров.

Оптический компьютер. В оптических компьютерах носителем информации является световой поток. Применение оптического излучения в качестве носителя информации имеет ряд преимуществ по сравнению с электрическими сигналами:

♦ скорость распространения светового сигнала выше скорости электрического;
♦ световые потоки, в отличие от электрических, могут пересекаться друг с другом;
♦ световые потоки могут передаваться по свободному пространству;
♦ возможность создания параллельных архитектур.

Создание большего количества параллельных архитектур, по сравнению с традиционными электронными компьютерами, является основным достоинством оптических компьютеров, оно позволяет преодолеть ограничения по быстродействию и параллельной обработке информации. Оптические технологии важны не только для создания оптических компьютеров, но также и для оптических коммуникаций и сети Интернет.

Нейрокомпьютер . Для решения некоторых задач требуется создание эффективной системы искусственного интеллекта, которая могла бы обрабатывать информацию, не затрачивая много вычислительных ресурсов. И прекрасным аналогом для решения такой проблемы может стать мозг и нервная система живых организмов, которые позволяют эффективно обрабатывать сенсорную информацию. Мозг человека состоит из 10 миллиардов нервных клеток - нейронов. Аналогично должен быть построен и нейрокомпьютер, который моделирует функции нейронов.

Появление нейрокомпьютеров, часто называемых биокомпьютерами, во многом связывают с развитием нанотехнологий, которыми активно занимаются ученые многих стран. Нейрокомпьютеры предполагается строить на базе нейрочипов (искусственных нейронах) и нейроноподобных связях, которые функционально ориентированы на конкретный алгоритм, на решение конкретной задачи. Поэтому для решения задач разного типа требуется нейронная сеть разной топологии (разновидностей соединения нейрочипов). Один искусственный нейрон может использоваться в работе нескольких алгоритмов обработки информации в сети, и каждый алгоритм реализуется при помощи некоторого количества искусственных нейронов. Нейронная сеть (перцептрон) может обучаться распознаванию образов.

Перспективность создания нейрокомпьютеров состоит в том, что искусственные структуры, имеющие свойства мозга и нервной системы, имеют ряд важных особенностей: параллельность обработки информации, способность к обучению, способность к автоматической классификации, высокая надежность, ассоциативность.

Квантовый компьютер . В основе работы квантового компьютера лежат законы квантовой механики. Квантовая механика позволяет установить способ описания и законы движения микрочастиц (атомов, молекул, атомных ядер) и их систем. Законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение атомных ядер, изучать свойства элементарных частиц.

Физический принцип действия квантового компьютера основан на изменении энергии атома. Она имеет дискретный ряд значений EQ, EI,... Еп, называемый энергетическим спектром атома. Излучение и поглощение атомом электромагнитной энергии происходит отдельными порциями - квантами, или фотонами. При поглощении фотона энергия атома увеличивается и осуществляется переход с нижнего на верхний уровень, при излучении фотона совершается обратный переход вниз.

Поэтому в качестве основной единицы квантового компьютера введено понятие «кубит» (qubit, Quantum Bit) по аналогии с традиционным компьютером, где используется понятие «бит». Известно, что бит имеет лишь два состояния - 0 и 1, тогда как состояний кубита значительно больше. Поэтому для описания состояния квантовой системы было введено понятие волновой функции в виде вектора с большим числом значений.

Для квантовых компьютеров так же, как и для классических, введены элементарные квантовые логические операции: дизъюнкция, конъюнкция и отрицание, с помощью которых будет организована вся логика квантового компьютера. При создании квантового компьютера основное внимание уделяется вопросам управления кубитами при помощи вынужденного излучения и недопущении спонтанного излучения, которое нарушит работу всей квантовой системы.

Можно предположить, что объединение квантовых, оптических и нейронных компьютеров даст миру мощную гибридную вычислительную систему. Такую систему от обычной будут отличать огромная производительность (ориентировочно 1051), за счет параллелизма выполнения операций, а также возможности эффективной обработки и управления сенсорной информацией. Для производства «компьютеров будущего» будут необходимы значительные экономические затраты, в несколько десятки раз превышающие затраты на производство современных полупроводниковых компьютеров.

В таблице 28.1 представлены общие тенденции изменения характеристик компьютерной техники с учетом основных областей использования как современных компьютеров, так и перспективных.

Таблица 28.1. Тенденции изменения характеристик компьютеров

Контрольные вопросы и задания

1. Какова зависимость между целью использования ЭВМ и развитием компьютерной техники?

2. Приведите примеры перспективного использования компьютеров.

3. На что ориентированы перспективные компьютерные системы?

4. Как вы представляете будущее компьютерной техники?

5. На какие значения технических параметров компьютеров можно ориентироваться в недалеком будущем?

6. Каково назначение семантической паутины?

7. Почему ведутся разработки компьютеров на различных принципах действий?

8. В чем состоит основная идея создания оптического компьютера?

9. В чем состоит основная идея создания нейрокомпьютера?

10. В чем состоит основная идея создания квантового компьютера?

Люди учились считать, используя собственные пальцы. Когда этого оказалось недостаточно, возникли простейшие счетные приспособления. Особое место среди них занял абак (Древняя Греция, Рим, Западная Европа до 18 века), получивший в древнем мире широкое распространение.

Сделать абак совсем несложно, достаточно разлиновать столбцами дощечку или просто нарисовать столбцы на песке. Каждому из столбцов присваивалось значение разряда чисел: разряд единиц, десятков, сотен, тысяч. Числа обозначались набором камешков, ракушек, веточек, косточек и т.п., раскладываемых по различным столбцам - разрядам. Добавляя или убирая из соответствующих столбцов то или иное количество камешков, можно было производить сложение или вычитание и даже умножение и деление как многократное сложение и вычитание соответственно. Очень похожи на абак по принципу действия русские счеты. В них вместо столбцов - горизонтальные направляющие с косточками. На Руси счетами пользовались просто виртуозно. Они были незаменимым инструментом торговцев, приказчиков, чиновников. Из России этот простой и полезный прибор проник и в Европу. Вместе с тем, наряду с вычислительными приспособлениями, развивались и механизмы для автоматизации работы человека. В ткацком станке француза Жозеф Мари Жаккара (1752-1834), созданном в 1804-08 годах, был реализован процесс создания узора ткани с помощью отверстий в картонных картах, при этом изменение положения отверстий позволяло получать различные узоры.

Первым механическим счетным устройством была счетная машина, построенная в 1642 году выдающимся французским ученым Блезом Паскалем (1623-62). 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 (1646-1716) 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.

Есть в истории вычислительной техники ученые, чьи имена, связанные с наиболее значительными открытиями в этой области, известны сегодня даже неспециалистам. Среди них английский математик Х1Х века Чарльз Бэббидж (1791-1871), которого часто называют "отцом современной вычислительной техники". В 1823 году Бэббидж начал работать над своей вычислительной машиной, состоявшей из двух частей: вычисляющей и печатающей. Машина предназначалась в помощь британскому морскому ведомству для составления различных мореходных таблиц. Первая, вычисляющая часть машины была почти закончена к 1833 году, а вторую, печатающую, удалось довести почти до половины, когда расходы превысили 17000 фунтов стерлингов (около 30000 долларов). Больше денег не было, и работы пришлось закрыть.

Хотя машина Бэббиджа и не была закончена, ее создатель выдвинул идеи, которые и легли в основу устройства всех современных компьютеров.

Бэббидж пришел к выводу - вычислительная машина должна иметь устройство для хранения чисел, предназначенных для вычислений, а также указаний (команд) машине о том, что с этими числами делать. Следующие одна за другой команды получили название "программы" работы компьютера, а устройство для хранения информации назвали "памятью" машины. Однако хранение чисел даже вместе с программой - только полдела. Главное - машина должна производить с этими числами указанные в программе операции. Бэббидж понял, что для этого в машине должен быть специальный вычислительный блок - процессор. Именно по такому принципу и устроены современные компьютеры.

Научные идеи Бэббиджа увлекли дочь знаменитого английского поэта лорда Джорджа Байрона - графиню Аду Августу Лавлейс (Огаста Ада Кинг Лавлейс) (1815-1852) . В то время еще не было таких понятий, как программирование для ЭВМ, но тем не менее Аду Лавлейс по праву считают первым в мире программистом - так сейчас называют людей, способных "объяснить" на понятном машине языке ее задачи. Дело в том, что Бэббидж не оставил ни одного полного описания изобретенной им машины. Это сделал один из его учеников в статье на французском языке. Ада Лавлейс перевела ее на английский, добавив собственные программы, по которым машина могла бы проводить сложные математические расчеты. В результате первоначальный объем статьи вырос втрое, а Бэббидж получил возможность продемонстрировать мощь своей машины. Многими понятиями, введенными Адой Лавлейс в описаниях тех первых в мире программ, широко пользуются современные программисты. В честь первого в мире программиста назван один из самых современных и совершенных языков компьютерного программирования - АДА.

Новинки техники ХХ века оказались неразрывно связанными с электричеством. Вскоре после появления электронных ламп, в 1918 году советский ученый М.А.Бонч-Бруевич (1888-1940) изобрел ламповый триггер - электронное устройство, способное запоминать электрические сигналы. По принципу действия триггер похож на качели с защелками, установленными в верхних точках качания. Достигнут качели одной верхней точки - сработает защелка, качание остановится, и в этом устойчивом состоянии они могут быть как угодно долго. Откроется защелка - качание возобновится до другой верхней точки, здесь также сработает защелка, снова остановка, и так - сколько угодно раз. По тому, где окажутся качели через некоторое время после их установки в известном положении, можно судить, открывали защелку или нет. Качели как бы запоминают открывание защелки - также и электронный триггер запоминает, поступал на него электрический сигнал или нет.

Один триггер, запоминая один сигнал, позволяет считать только до одного, но уже несколько триггеров расширяют вычислительные возможности. Если теперь придумать способ регистрации с помощью группы триггеров не только единичных сигналов, но и их десятков, сотен, тысяч - появляется возможность применить этот способ в электронно-вычислительной машине.

В период с 1937 по 1942 г. г. американцы Джон Винсент Атанасофф (1903 - 15 июня 1995) (болгарин по происхождению) и Клиффорд Берри создали первую электронно-вычислительную машину, названную в честь авторов машиной Атанасоффа-Берри (ABC). Аппарат работал с двоичными числами, мог осуществлять логические операции, имел электронную память, а ввод-вывод осуществлялся посредством перфокарт.

5 июля 1943 года ученые Пенсильванского университета в США подписывают контракт, по которому они создают электронный компьютер, известный под названием ЭНИАК. Ничего не значащее на русском языке название произошло от сокращения довольно длинного английского наименования - "электронный цифровой компьютер" (ENIAC, Electronic Numerical Integrator and Computor). 15 февраля 1946 года ЭНИАК официально ввели в строй.

История создания первой ЭВМ имеет и некоторую скандальную предысторию. Патент на изобретение получили создатели ЭНИАК. И лишь в 1973 году по решению суда патент на ЭНИАК был признан недействительным, так как было доказано, что практически все основные узлы в машине ЭНИАК заимствованы из АВС.

В 1946 году в научной статье трех американских авторов - Д. Неймана, Г. Голдстайна и А. Бернса - были изложены основные принципы построения универсальных ЭВМ, использующих одну и ту же память и для хранения обрабатываемых данных, и для хранения программы вычислений. Первая машина, реализующая эти принципы - ЭВМ EDSAC - была построена в Англии под руководством М. Уилкса в 1949 году, в Кембриджском университете. Через год была построена универсальная ЭВМ EDVAC в США.

Основоположником отечественной вычислительной техники стал Сергей Алексеевич Лебедев (1902-1974). В 1921 году, сдав экзамены экстерном по программе средней школы, Лебедев поступил в МВТУ на электротехнический факультет. Многие годы посвятил энергетике, занимаясь проблемой устойчивости энергетических систем. В конце 1940-х годов переключился на новое направление. Под его руководством в Институте электротехники АН УССР была создана первая в стране лаборатория по разработке ЭВМ. Здесь была построена первая советская ЭВМ - МЭСМ, или Малая электронная счетная машина. С 1951 работал в Москве, где возглавлял лабораторию в Институте точной механики и вычислительной техники (ИМТ и ВТ), а с 1953 года и до конца жизни был директором этого института. Под руководством С. А. Лебедева с начала 1960-х годов в институте было создано несколько поколений больших счетных машин - БЭСМ, в которых применялись оригинальные разработки.

БЭСМ-1 была для своего времени самой быстродействующей машиной в Европе (8-10 тысяч операций в секунду). БЭСМ-1 и последовавшие за ней БЭСМ-2 и М-20 были основаны на серийных отечественных электронных лампах. Затем были созданы их полупроводниковые варианты БЭСМ-3М, БЭСМ-4, М-220 и М-222. Модель БЭСМ-6 была спроектирована с использованием предварительного имитационного моделирования работы ее операционной системы, что позволило найти множество оригинальных технических решений. В разработке архитектуры БЭСМ-6 активное участие принимали программисты из созданной по инициативе Лебедева лаборатории математического обеспечения. Долгое время БЭСМ-6 считалась одной из лучших ЭВМ в мире. Лебедев разработал также основы создания многопроцессорных комплексов, вычислительных сетей, структурно-программных операционных систем, алгоритмических языков программирования и т. д. Большое внимание он уделял подготовке молодых специалистов. С 1953 возглавлял кафедру "Электронные вычислительные машины" в Московском физико-техническом институте.

Сейчас насчитывают уже несколько поколений ЭВМ. К одному поколению относят все типы и модели машин, сконструированные на одних научно-технических принципах. Смена поколения происходит с появлением новых элементов, изготовленных по принципиально иным технологиям.

Первое поколение (1946 - конец 50-х годов) компьютеров считали в тысячи раз быстрее механических счетных машин, но были очень громоздкими. ЭВМ занимала помещение размером 9х15 м, весила около 30 тонн и потребляла 150 киловатт в час. В такой ЭВМ было около 18 тысяч электронных ламп. Элементная база: электронно-вакуумные лампы, резисторы и конденсаторы. Габариты: громадные шкафы, которые занимали целые машинные залы. Скорость работы: 10 - 20 тыс. операций в секунду. Эксплуатация: очень сложная, частая замена ламп, перегрев машины. Программирование: в машинных кодах. Работали непосредственно за пультом машины специалисты высокой квалификации.

Второе поколение (конец 50-х - конец 60-х годов) электронных компьютеров обязано своим появлением важнейшему изобретению электроники ХХ века - транзистору. Миниатюрный полупроводниковый прибор позволил резко уменьшить габариты компьютеров и снизить потребляемую мощность. Скорость компьютеров возросла до миллиона операций в секунду. Элементная база: полупроводниковые элементы - транзисторы, диоды, более совершенные резисторы и конденсаторы. Появились печатные платы для монтажа элементов. Габариты: стойки чуть выше роста человека. Устанавливались в специальных залах. Производительность: до 1 млн. операций в секунду. Введен принцип разделения времени для совмещения во времени работы разных устройств. Появились процессоры для управления вводом-выводом и для работы с действительными числами. Эксплуатация: стала проще. Появился штат обслуживающего персонала в машинных залах. Программирование: появились алгоритмические языки. Программы вводились не вручную с пульта самим программистом, а с помощью перфокарт или перфолент операторами ЭВМ. Задачи решались в пакетном режиме: друг за другом по мере освобождения устройств обработки.

Третье поколение (конец 60-х - конец 70-х годов) связано с созданием интегральных схем. В сотни раз сократить число электронных элементов в компьютере позволило изобретение в 1950 году интегральных микросхем - полупроводниковых кристаллов, содержащих большое количество соединенных между собой транзисторов и других элементов. ЭВМ третьего поколения на интегральных микросхемах появились в 1964 году. Первой ЭВМ третьего поколения была IBM-360 фирмы IBM. Отечественные ЭВМ разделились на два семейства: большие (ЕС ЭВМ) и малые (СМ ЭВМ - класс мини-ЭВМ). Элементная база: интегральные схемы, которые вставляются в специальные гнезда на печатной плате. Габариты: ЕС ЭВМ схожи с ЭВМ второго поколения. СМ ЭВМ - две стойки и дисплей, которые не нуждались в специальном помещении. Скорость: до нескольких миллионов операций в секунду. Для эксплуатации требуется большой штат сотрудников: операторов, электронщиков. Большую роль играет системный программист. В структуре ЭВМ появился принцип модульности и магистральности - прообраз современной системной шины. Увеличился объем памяти, память разделилась на ОЗУ и ПЗУ, появились магнитные диски, ленты, дисплеи и графопостроители. Программирование: примерно так же, как и на предыдущем этапе. Наряду с пакетной обработкой появился режим работы с разделением времени. Разработаны операционные системы. Мини-ЭВМ уже работали в режиме реального времени.

Четвертое поколение (конец 70-х и по настоящее время) связано с разработкой больших интегральных схем. В июне 1971 года была впервые разработана очень сложная универсальная интегральная микросхема, названная микропроцессором - важнейшим элементом компьютеров четвертого поколения. Элементная база: большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС), содержащие сотни тысяч элементов на одном кристалле. Появилась технология создания микропроцессоров на базе БИС. Первый микропроцессор был создан фирмой Intel в 1971 году. Появились многопроцессорные суперЭВМ и микропроцессорные персональные ЭВМ. Термин "ЭВМ" заменился словом "компьютер". Габариты: персональный компьютер, занимающий часть письменного стола. Скорость: до миллиарда операций в секунду. Основная направленность в развитии аппаратной и программной части компьютерных технологий - обеспечение удобной работы пользователя. Сюда включается дружественный интерфейс, компактность оборудования, возможность подключения дополнительных устройств, совместимость и доступность программного обеспечения. Программирование: новые языки и среды программирования, новые принципы программирования. Развитие операционных систем, а также широкого класса программ прикладного характера.

Похожая информация.

История развития компьютерной техники

Наименование параметра	Значение
Тема статьи:	История развития компьютерной техники
Рубрика (тематическая категория)	Компьютеры

Предмет, цели, задачи и структура дисциплины

Тема 1.1. Введение

Раздел 1. Аппаратное обеспечение КОМПЬЮТЕРНой техники

Предмет дисциплины – современные средства компьютерной техники (программные и аппаратные) и основы программирования на персональном компьютере. Важно заметить, что для студентов телекоммуникационных специальностей аппаратные и программные средства компьютерной техники и их компоненты являются, с одной стороны, элементами телекоммуникационных устройств, систем и сетей и, с другой стороны, основным рабочим инструментом при их разработке и эксплуатации. Овладение основами программирования на языках высокого уровня, используемыми в программном обеспечении телекоммуникационных узлов, также является необходимым для подготовки специалиста-разработчика средств телекоммуникаций.

По этой причине целью данной дисциплины является изучение студентами современной компьютерной техники для ориентации и практического использования, формирование навыков работы с системным и прикладным программным обеспечением, а также овладение основами программирования на алгоритмических языках на персональном компьютере.

Задачи дисциплины:

· ознакомление с историей развития компьютерной техники и программирования;

· изучение основ архитектуры и организации процесса обработки данных в компьютерной системах и сетях;

· обзор базовых компонент компьютерных систем и сетей и их взаимодействия;

· ознакомление с наиболее распространенными типами компьютерных систем и сетей;

· обзор структуры и компонент программного обеспечения компьютерной техники;

· обзор наиболее распространенных в настоящее время операционных систем и сред и базовых пакетов прикладных программ, а также практическая работа с ними;

· изучение основ алгоритмизации задач и средств их программной реализации;

· изучение основ программирования и программирование на алгоритмическом языке C;

· изучение технологии программирования в телекоммуникационных системах на примере Web-технологий.

Программа курса рассчитана на два семестра.

Для контроля овладения студентами материала курса и в первом и во втором семестре предусмотрены экзамены. Текущий контроль будет проводиться на практических занятиях и лабораторных работах.

Потребность в счете возникла у людей с незапамятных времен. В далеком прошлом они считали на пальцах или делали насечки на костях, на дереве или на камнях.

Первым счетным инструментом, получившим широкое распространение, можно считать абак (от греческого слова abakion и латинского abacus, означающих доска).

Предполагается, что абак впервые появился в Вавилоне примерно в 3 тысячелетии до нашей эры. Доска абака была разделена линиями на полосы или желобки, а арифметические действия выполнялись с помощью размещённых на полосах (желобках) камней или других подобных предметов (рис. 1.1.1а). Каждый камешек означал единицу вычислений, а сама линия – разряд этой единицы. В Европе абак использовался до XVIII века.

Рис. 1.1.1. Разновидности абака: древнеримский абак (реконструкция);

б) китайский абак (суанпан); в) японский абак (соробан);

г) абак инков (юпана); д) абак инков (кипу)

В Древнем Китае и Японии использовались аналоги абака – суанпан (рис. 1.1.1б) и соробан (рис. 1.1.1в). Вместо камешков использовались цветные шарики, а вместо желобков – прутики, на которые шарики нанизывались. На аналогичных принципах базировались и абаки инков – юпана (рис. 1.1.1г) и кипу (рис. 1.1.1д). Кипу использовалось не только для счета͵ но для записи текстов.

Недостатком абака было использование недесятичных систем счисления (в греческом, римском, китайском и японском абаке использовалась пятеричная система счисления). Вместе с тем, абак не позволял оперировать с дробями.

Десятеричный абак , или русские счеты , в которых используется десятеричная система счисления и возможность оперировать десятыми и сотыми дробными долями, появился на рубеже XVI и XVII веков (рис. 1.1.2а). От классического абака счеты отличаются увеличением разрядности каждого числового ряда до 10, добавлением рядов (от 2 до 4) для операций с дробями.

Счеты практически без изменений (рис. 1.1.2б) дожили до 80 годов прошлого века, постепенно уступив место электронным калькуляторам.

Рис. 1.1.2. Русские счеты: а) счеты середины XVII века; б) современные счеты

Счеты упрощали выполнение операций сложения и вычитания, однако умножение и деление выполнить с их помощью было довольно неудобно (с помощью многократного сложения и вычитания). Устройством, облегчающим умножение и деление чисел, а также некоторые другие расчёты, стала логарифмическая линейка (рис. 1.1.3а), изобретенная в 1618 году английским математиком и астрономом Эдмундом Гантером (впервые логарифмы были введены в практику после работы шотландца Джона Непера, опубликованной в 1614 ᴦ.).

Затем в логарифмическую линейку был добавлен движок и бегунок из стекла (а затем плексигласа), имеющий визирную линию (рис. 1.1.3б). Как и счеты, логарифмическая линейка уступила место электронным калькуляторам.

Рис. 1.1.3. Логарифмическая линейка: а) линейка Эдмунда Гантера;

б) одна из последних моделей линейки

Первое механическое счетное устройство (калькулятор) было создано в 40-х годах XVII в. выдающимся французским математиком, физиком, писателем и философом Блезом Паскалем (в его честь назван один из самых распространенных современных языков программирования). Суммирующая машина Паскаля, ʼʼпаскалинаʼʼ (рис. 1.1.4а), представляла собой ящик с многочисленными шестеренками. Другие операции, кроме сложения, выполнялись при помощи довольно неудобной процедуры повторных сложений.

Первая машина, позволявшая легко производить вычитание, умножение и деление – механический калькулятор, была изобретена в 1673 ᴦ. в Германии Готфридом Вильгельмом Лейбницем (рис. 1.1.4б). В дальнейшем конструкция механического калькулятора видоизменялась и дополнялась учеными и изобретателями различных стран (рис. 1.1.4в). С широким распространением электричества в быту ручное вращение каретки механического калькулятора было заменено в электромеханическом калькуляторе (рис. 1.1.4г) на привод от встроенного в данный калькулятор электродвигателя. И механический и электромеханический калькуляторы дожили практически до наших дней, пока не были вытеснены электронными калькуляторами (рис. 1.1.4д).

Рис. 1.1.4. Калькуляторы: а) суммирующая машина Паскаля (1642 ᴦ.);

б) калькулятор Лейбница (1673 ᴦ.); в) механический калькулятор (30-е годы XX века);

г) электромеханический калькулятор (60-е годы XX века);

д) электронный калькулятор

Из всех изобретателей прошлых столетий, внесших тот или иной вклад в развитие вычислительной техники, ближе всего к созданию компьютера в современном его понимании подошел англичанин Чарльз Бэббидж. В 1822 ᴦ. Бэббидж опубликовал научную статью с описанием машины, способной рассчитывать и печатать большие математические таблицы. В том же году он построил пробную модель своей Разностной машины (рис.1.1.5), состоящую из шестеренок и валиков, вращаемых вручную при помощи специального рычага. На протяжении следующего десятилетия Бэббидж без устали работал над своим изобретением, безуспешно пытаясь практически ее реализовать. При этом, продолжая размышлять на ту же тему, он пришел к идее создания еще более мощной машины, которую он назвал аналитической машиной.

Рис. 1.1.5. Модель разностной машины Бэббиджа (1822 ᴦ.)

Аналитическая машинаБэббиджа в отличие от своей предшественницы должна была не просто решать математические задачи одного определенного типа, а выполнять разнообразные вычислительные операции в соответствии с инструкциями, задаваемыми оператором. Аналитическая машина должна была иметь такие компоненты, как ʼʼмельницаʼʼ и ʼʼскладʼʼ (по современной терминологии – арифметическое устройство и память), состоящие из механических рычажков и шестеренок. Инструкции, или команды, вводились в Аналитическую машину с помощью перфокарт (листов картона с пробитыми в них отверстиями), впервые использованных в 1804 ᴦ. французским инженеромЖозефом Мари Жаккаром для управления работой ткацких станков (рис. 1.1.6).

Рис. 1.1.6. Ткацкий станок Жаккара (1805 ᴦ.)

Одним из немногих, кто понимал, как работает машина и каковы потенциальные области ее применения, была графиня Лавлейс, урожденная Огаста Ада Байрон, единственный законный ребенок поэта лорда Байрона (в ее честь также назван один из языков программирования – АДА). Графиня отдала все свои незаурядные математические и литературные способности осуществлению проекта Бэббиджа.

При этом на базе стальных, медных и деревянных деталей, часовых механизмов, приводимых в действие паровым двигателем, аналитическую машину нельзя было реализовать, и она так и не была построена. До наших дней сохранились лишь чертежи и рисунки, которые позволили воссоздать модель этой машины (рис. 1.1.7), а также небольшая часть арифметического устройства и печатающее устройство, сконструированное сыном Бэббиджа.

Рис. 1.1.7. Модель аналитической машины Бэббиджа (1834 ᴦ.)

Лишь через 19 лет после смерти Бэббиджа один из принципов, лежащих в базе идеи Аналитической машины, – использование перфокарт – нашел воплощение в действующем устройстве. Это был статистический табулятор (рис. 1.1.8), построенный американцемГерманом Холлеритом с целью ускорить обработку результатов переписи населения, которая проводилась в США в 1890 ᴦ. После успешного использования табулятора для переписи Холлерит организовал фирму по производству табуляционных машин "Тэбьюлейтинг машин компани" (Tabulating Machine Company). С годами предприятие Холлерита претерпело ряд изменений – слияний и переименований. Последнее такое изменение произошло в 1924 ᴦ., за 5 лет до смерти Холлерита͵ когда он создал фирму ИБМ (IBM, International Business Machines Corporation).

Рис. 1.1.8. Табулятор Холлерита (1890 ᴦ.)

Еще одним фактором, способствовавшим появления современного компьютера, стали работы по двоичной системе счисления. Одним из первых, кто заинтересовался двоичной системой, стал немецкий ученый Готфрид Вильгельм Лейбниц, В своей работе ʼʼИскусство составления комбинацийʼʼ (1666 ᴦ.) он заложил основы формальной двоичной логики. Но основной вклад в исследование двоичной системы счисления внес английский математик-самоучка Джордж Буль. В своей работе под названием ʼʼИсследование законов мышленияʼʼ (1854 ᴦ.) он изобрел своеобразную алгебру – систему обозначений и правил, применимую к всевозможным объектам, от чисел и букв до предложений (эта алгебра затем была названа в его честь булевой алгеброй). Пользуясь этой системой Буль мог закодировать высказывания – утверждения, истинность или ложность которых требовалось доказать, – с помощью символов своего языка, а затем манипулировать как двоичными числами.

В 1936 ᴦ. выпускник американского университета Клод Шеннон показал, что если построить электрические цепи в соответствии с принципами булевой алгебры, то они могли бы выражать логические отношения, определять истинность утверждений, а также выполнять сложные вычисления и вплотную приблизился к теоретическим основам построения компьютера.

Еще трое исследователей – двое в США (Джон Атанасофф и Джордж Стибиц) и один в Германии (Конрад Цузе) – развивали одни и те же идеи практически одновременно. Независимо друг от друга они поняли, что булева логика может послужить очень удобной основой для конструирования компьютера. Первая грубая модель счетной машины на электрических схемах была построена Атанасоффым в 1939 ᴦ. В 1937 ᴦ. Джордж Стибиц собрал первую электромеханическую схему, выполняющую операцию двоичного сложения (в наши дни двоичный сумматор по-прежнему остается одним из базовых компонентов любого цифрового компьютера). В 1940 ᴦ. Стибиц вместе с другим сотрудником фирмы, инженером-электриком Сэмюелом Уильямсом, разработал устройство, названное калькулятором комплексных чисел – CNC (Complex Number Calculator) способное производить операции сложения, вычитания, умножения и деления, а также сложения комплексных чисел (рис. 1.1.9). При демонстрации этого устройства был впервые показан удаленный доступ к вычислительным ресурсам (демонстрация проводилась в Дармутском колледже, а сам калькулятор находился в Нью-Йорке). Связь осуществлялась с использованием телетайпа по специальным телефонным линиям.

Рис. 1.1.9. Калькулятор комплексных чисел Стибица и Вильямса (1940 ᴦ.)

Не имея ни малейшего представления о работе Чарльза Бэббиджа и о работах Буля, Конрад Цузе в Берлине начал разрабатывать универсальную вычислительную машину, во многом подобную Аналитической машине Бэббиджа. В 1938 ᴦ. первый вариант машины, названный Z1, был построен. Данные в машину вводились с клавиатуры, а результат высвечивался на панели с множеством маленьких лампочек. Во втором варианте машины, Z2, ввод данных в машину производился с помощью перфорированной фотопленки. В 1941 году Цузе закончил третью модель своего компьютера – Z3 (рис. 1.1.10). Этот компьютер являлся программно-управляемым устройством, основанным на двоичной системе счисления. Как машина Z3, так и ее преемник Z4 использовались для расчетов, связанных с конструированием самолетов и ракет.

Рис. 1.1.10. Компьютер Z3 (1941 ᴦ.)

Мощный импульс дальнейшему развитию компьютерной теории и техники дала вторая мировая война. Она также способствовала тому, что были собраны воедино разрозненные достижения ученых и изобретателей, внесших свой вклад в развитие двоичной математики, начиная с Лейбница.

По заказу командования военно-морского флота͵ при финансовой и технической поддержке фирмы IBM, молодой гарвардский математик Говард Эйкен принялся за разработку машины, в основу которой легли непроверенные идеи Бэббиджа и надежная технология XX в. Описания Аналитической машины, оставленного самим Бэббиджем, оказалось более чем достаточно. В качестве переключательных устройств в машине Эйкена использовались простые электромеханические реле (причем использовалась десятичная система счисления); инструкции (программа обработки данных) были записаны на перфоленте, а данные вводились в машину в виде десятичных чисел, закодированных на перфокартах фирмы IBM. Первые испытания машина, названная ʼʼМарк-1ʼʼ , успешно прошла в начале 1943 ᴦ. ʼʼМарк-1ʼʼ, достигавший в длину почти 17 м и в высоту более 2,5 м, содержал около 750 тыс. деталей, соединенных проводами общей протяженностью около 800 км (рис. 1.1.11). Машину стали использовать для выполнения сложных баллистических расчетов, причем за день она выполняла вычисления, на которые раньше уходило полгода.

Рис. 1.1.11. Программно-управляемый компьютер ʼʼМарк-1ʼʼ (1943 ᴦ.)

Для поиска способов расшифровки секретных немецких кодов британская разведка собрала группу ученых и поселила их неподалеку от Лондона, в изолированном от остального мира поместье. В этой группе были представители различных специальностей – от инженеров до профессоров литературы. Входил в эту группу и математик Алан Тьюринᴦ. Еще в 1936 ᴦ. в возрасте 24 лет он написал работу, с описанием абстрактного механического устройства – ʼʼуниверсальной машиныʼʼ, которая должна была справляться с любой допустимой, т. е. теоретически разрешимой, задачей – математической или логической. Некоторые идеи Тьюринга были, в конечном счете, воплощены в реальных машинах, построенных группой. Сначала удалось создать несколько дешифраторов на базе электромеханических переключателей. При этом в конце 1943 ᴦ. были построены гораздо более мощные машины, в которых вместо электромеханических реле содержалось около 2000 электронных вакуумных ламп. Англичане назвали новую машину ʼʼКолоссʼʼ. Тысячи перехваченных за день неприятельских сообщений вводились в память ʼʼКолоссаʼʼ в виде символов, закодированных на перфоленте (рис. 1.1.12).

Рис. 1.1.12. Машина для расшифровки кодов ʼʼКолоссʼʼ (1943 ᴦ.)

На другом берегу Атлантического океана, в Филадельфии, потребности военного времени способствовали появлению устройства, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ по принципам работы и применению было уже ближе к теоретической ʼʼуниверсальной машинеʼʼ Тьюринга. Машина ʼʼЭниакʼʼ (ENIAC – Electronic Numerical Integrator and Computer – электронный цифровой интегратор и вычислитель), подобно ʼʼМарку-1ʼʼ Говарда Эйкена, также предназначалась для решения задач баллистики. Главным консультантом проекта был Джон У. Мочли, главным конструктором – Дж. Преспер Экерт. Предполагалась, что машина будет содержать 17468 ламп. Такое обилие ламп отчасти объяснялось тем, что ʼʼЭниакʼʼ должен был работать с десятичными числами. В конце 1945ᴦ. ʼʼЭниакʼʼ был наконец собран (рис. 1.1.13).

Рис. 1.1.13. Электронная цифровая машина ʼʼЭниакʼʼ (1946 ᴦ.):

а) общий вид; б) отдельный блок; в) фрагмент пульта управления

Не успел ʼʼЭниакʼʼ вступить в эксплуатацию, как Мочли и Экерт уже работали по заказу военных над новым компьютером. Главным недостатком компьютера ʼʼЭниакʼʼ была аппаратная реализация программ с помощью электронных схем. Следующая модель – машинаʼʼЭдвакʼʼ (рис. 1.1.14а), вступившая в строй в начале 1951 ᴦ., (EDVAC, от Electronic Discrete Automatic Variable Computer – электронный компьютер с дискретными изменениями) – была уже более гибкой. Ее более вместительная внутренняя память содержала не только данные, но и программу в специальных устройствах – заполненных ртутью трубках, называемых ртутными ультразвуковыми линиями задержки (рис. 1.1.14б). Существенно и то, что ʼʼЭдвакʼʼ кодировал данные уже в двоичной системе, что позволило значительно сократить количество электронных ламп.

Рис. 1.1.14. Электронная цифровая машина ʼʼЭдвакʼʼ (1951 ᴦ.):

а) общий вид; б) память на ртутных ультразвуковых линиях задержки

Среди слушателей курса лекций об электронных компьютерах, проводившихся Мочли и Экертом в процессе реализации проекта ʼʼЭдвакʼʼ, оказался английский исследователь Морис Уилкс. Вернувшись в Кембриджский университет, он в 1949 ᴦ. (на два года раньше, чем оставшиеся члены группы построили машину "Эдвак") завершил сооружение первого в мире компьютера с программами, хранимыми в памяти. Компьютер получил название ʼʼЭдсакʼʼ (EDSAC, от Electronic Delay Storage Automatic Calculator – электронный автоматический калькулятор с памятью на линиях задержки) (рис. 1.1.15).

Рис. 1.1.15. Первый компьютер с программами,

хранимыми в памяти – ʼʼЭдсакʼʼ (1949 ᴦ.)

Эти первые успешные воплощения принципа хранения программы в памяти явились завершающим этапом в серии изобретений, начатых в военное время. Теперь был открыт путь для широкого распространения все более быстродействующих компьютеров.

Эпоха массового производства компьютеров началась с выпуска первого английского коммерческого компьютера LEO (Lyons’ Electronic Office), использовавшегося для расчета зарплаты работникам чайных магазинов, принадлежащих фирме ʼʼLyonsʼʼ (рис. 1.1.16а), а также первого американского коммерческого компьютера UNIVAC I (UNIVersal Automatic Computer – универсальный автоматический компьютер) (рис. 1.1.16б). Оба компьютера были выпущены в 1951 ᴦ.

Рис. 1.1.16. Первые коммерческие компьютеры (1951 ᴦ.): а) LEO; б) UNIVAC I

Качественно новый этап в проектировании компьютеров наступил, когда фирма IBM запустила свою известную серию машин – IBM/360 (начало выпуска серии – 1964 год). Шесть машин этой серии имели разную производительность, совместимый набор периферийных устройств (около 40) и были предназначены для решения разных задач, однако были построены по единым принципам, что существенно облегчало модернизацию компьютеров и обмен программами между ними (рис. 1.1.17).

Рис. 1.1.16. Одна из моделей серии IBM/360 (1965 ᴦ.)

В бывшем СССР к разработке компьютеров (они были названы ЭВМ – электронные вычислительные машины) приступили в конце 40-х годов. В 1950 ᴦ. в Институте электротехники Академии наук УССР в Киеве была испытана первая отечественная ЭВМ на электронных лампах – малая электронная счетная машина (МЭСМ), спроектированная группой ученых и инженеров под руководством академика С. А. Лебедева (рис. 1.1.18а). В 1952 ᴦ. под его руководством была создана большая электронная счетная машина (БЭСМ), которая после модернизации в 1954 ᴦ. имела высокое для того времени быстродействие – 10000 операций/с (рис. 1.18б).

Рис. 1.1.18. Первые компьютеры в СССР: а) МЭСМ (1950 ᴦ.); б) БЭСМ (1954 ᴦ.)

История развития компьютерной техники - понятие и виды. Классификация и особенности категории "История развития компьютерной техники" 2017, 2018.

Презентация «История развития компьютерной техники. "история развития компьютерной техники" Информатика история развития компьютерной техники

Скачать:

Предварительный просмотр:

Счетно-решающие средства до появления ЭВМ

Первое поколение ЭВМ

Второе поколение ЭВМ

Третье поколение ЭВМ

Четвертое поколение ЭВМ

Контрольные вопросы и задания

Перспективы развития компьютерных систем

Контрольные вопросы и задания

Рекомендуем другие статьи

Летняя школа для учителей физики "предметная компетентность учителя физики в современной школе" «Предметная компетентность учителя физики в современной школе»

Гомер. Одиссея. Песнь тринадцатая. Древняя Эллада. Гомер, Гесиод и мифы Мифы гомеровской Греции