История развития вычислительной техники 2 История развития вычислительной техники План 1. Стадии развития вычислительной техники 2. «Время — события — люди» 3. Классы вычислительных машин 1. Стадии развития вычислительной техники Вплоть до XVII в. деятельность общества в целом и каждого человека в отдельности была направлена на овладение веществом , т. е. есть познание свойств вещества и изготовление сначала примитивных, а потом все более сложных орудий труда, вплоть до механизмов и машин, позволяющих изготовлять потребительские ценности. Затем в процессе становления индустриального общества на первый план вышла проблема овладения энергией — сначала тепловой, затем электрической, наконец, атомной. Овладение энергией позволило освоить массовое производство потребительских ценностей и, как следствие, повысить уровень жизни людей и изменить характер их труда. В то же время человечеству свойственна потребность выразить и запомнить информацию об окружающем мире — так появились письменность, книгопечатание, живопись, фотография, радио, телевидение. В истории развития цивилизации можно выделить несколько информационных революций — преобразование общественных отношений из-за кардинальных изменений в сфере обработки информации, информационных технологий. Следствием подобных преобразований являлось приобретение человеческим обществом нового качества. В конце XX в. человечество вступило в новую стадию развития — стадию построения информационного общества . Информация стала важнейшим фактором экономического роста, а уровень развития информационной деятельности и степень вовлеченности и влияния ее на глобальную информационную инфраструктуру превратились в важнейшее условие конкурентоспособности страны в мировой экономике. Понимание неизбежности прихода этого общества наступило значительно раньше. Австралийский экономист К. Кларк еще в 40-е годы говорил о приближении эпохи общества информации и услуг, общества новых технологических и экономических возможностей. Американский экономист Ф. Махлуп выдвинул предположение о наступлении информационной экономики и превращении информации в важнейший товар в конце 50-х гг. В конце 60-х гг . Д. Белл констатировал превращение индустриального общества в информационное . Что касается стран, ранее входивших в СССР, то процессы информатизации в них развивались замедленными темпами. Информатика меняет всю систему общественного производства и взаимодействия культур. С наступлением информационного общества начинается новый этап не только научно-технической, но социальной революции. Меняется вся система информационных коммуникаций. Разрушение старых информационных связей между отраслями экономики, направлениями научной деятельности, регионами, странами усилило экономический кризис конца века в странах, которые уделяли развитию информатизации недостаточное внимание. Важнейшая задача общества — восстановить каналы коммуникации в новых экономических и технологических условиях для обеспечения четкого взаимодействия всех направлений экономического, научного и социального развития как отдельных стран, так и в глобальном масштабе. Современный компьютер — это универсальное, многофункциональное, электронное автоматическое устройство для работы с информацией. Компьютеры в современном обществе взяли на себя значительную часть работ, связанных с информацией. По историческим меркам компьютерные технологии обработки информации еще очень молоды и находятся в самом начале своего развития. Компьютерные технологии сегодня преобразуют или вытесняют старые технологии обработки информации. 2. «Время — события — люди» Рассмотрим историю развития вычислительных средств и методов «в лицах» и объектах (табл.1). Таблица 1. Основные события в истории развития вычислительных методов, приборов, автоматов и машин Джон Непер (1550-1617) Шотландец Джон Непер в 1614-м г. опубликовал «Описание удивительных таблиц логарифмов». Он обнаружил, что сумма логарифма чисел а и b равна логарифму произведения этих чисел. Поэтому действие умножения сводилось к простой операции сложения. Также им разработан инструмент перемножения чисел — «костяшки Непера». Он состоял из набора сегментированных стерженьков, которые можно было располагать таким образом, что, складывая числа в прилегающих друг к другу по горизонтали сегментах, получали результат их умножения. «Костяшки Непера» вскоре были вытеснены другими вычислительными устройствами (в основном механического типа). Таблицы Непера, расчет которых требовал очень много времени, были позже «встроены» в удобное устройство, ускоряющее процесс вычисления, - логарифмическую линейку (Р. Биссакар, конец 1620 г.) Вильгельм Шиккард (1592-1636) Считалось, что первую механическую счетную машину изобрел великий французский математик и физик Б. Паскаль в 1642 г. Однако в 1957 г. Ф. Гаммер (ФРГ, директор Кеплеровского научного центра) обнаружил доказательства создания механической, вычислительной машины приблизительно за два десятилетия до изобретения Паскаля Вильгельмом Шиккардом. Он назвал ее «часы для счета». Машина предназначалась для выполнения четырех арифметических действий и состояла из частей: суммирующее устройство; множительное устройство; механизм для промежуточных результатов. Суммирующее устройство состояло из зубчатых передач и представляло простейшую форму арифмометра. Предложенная схема механического счета считается классической. Однако эту простую и эффективную схему пришлось изобретать заново, так как сведения о машине Шиккарда не стали всеобщим достоянием Блэз Паскаль (1623-1662) В 1642 г., когда Паскалю было 19 лет, была изготовлена первая действующая модель суммирующей машины. Через несколько лет Блэз Паскаль создал механическую суммирующую машину («паскалина»), которая позволяла складывать числа в десятичной системе счисления. В этой машине цифры шестизначного числа задавались путем соответствующих поворотов дисков (колесиков) с цифровыми делениями, результат операции можно было прочитать в шести окошках - по одному на каждую цифру. Диск единиц был связан с диском десятков, диск десятков - с диском сотен и т. д. Другие операции выполнялись с помощью довольно неудобной процедуры повторных сложений, и в этом заключался основной недостаток «паскалины». Всего приблизительно за десятилетие он построил более 50 различных вариантов машины. Изобретенный Паскалем принцип связанных колес явился основой, на которой строилось большинство вычислительных устройств на протяжении следующих трех столетий Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646-1716) В 1672 г., находясь в Париже, Лейбниц познакомился с голландским математиком и астрономом Христианом Гюйгенсом. Видя, как много вычислений приходится делать астроному, Лейбниц решил изобрести механическое устройство для расчетов. В 1673 г. он завершил создание механического калькулятора. Развив идеи Паскаля, Лейбниц использовал операцию сдвига для поразрядного умножения чисел. Сложение производилось на нем по существу так же, как и на «паска-лине», однако Лейбниц включил в конструкцию движущуюся часть (прообраз подвижной каретки будущих настольных калькуляторов) и ручку, с помощью которой можно было крутить ступенчатое колесо или - в последующих вариантах машины - цилиндры, расположенные внутри аппарата Жозеф-Мари Жаккар (1775-1834) Развитие вычислительных устройств связано с появлением перфорационных карт и их применением. Появление же перфорационных карт связано с ткацким производством. В 1804 г. инженер Жозеф-Мари Жаккар построил полностью автоматизированный станок (станок Жаккара), способный воспроизводить сложнейшие узоры. Работа станка программировалась с помощью колоды перфокарт, каждая из которых управляла одним ходом челнока. Переход к новому рисунку происходил заменой колоды перфокарт Чарльз Бэббидж (1791-1871) Он обнаружил погрешности в таблицах логарифмов Непера, которыми широко пользовались при вычислениях астрономы, математики, штурманы дальнего плавания. В 1821 г. приступил к разработке своей вычислительной машины, которая помогла бы выполнить более точные вычисления. В 1822 г. была построена разностная машина (пробная модель), способная рассчитывать и печатать большие математические таблицы. Это было очень сложное, большое устройство и предназначалось для автоматического вычисления логарифмов. Работа модели основывалась на принципе, известном в математике как «метод конечных разностей»: при вычислении многочленов используется только операция сложения и не выполняется умножение и деление, которые значительно труднее поддаются автоматизации. В последующем он пришел к идее создания более мощной - аналитической машины. Она не просто должна была решать математические задачи определенного типа, а выполнять разнообразные вычислительные операции в соответствии с инструкциями, задаваемыми оператором. По замыслу это не что иное, как первый универсальный программируемый компьютер. Аналитическая машина в своем составе должна была иметь такие компоненты, как «мельница» (арифметическое устройство по современной терминологии) и «склад» (память). Инструкции (команды) вводились в аналитическую машину с помощью перфокарт (использовалась идея программного управления Жаккара с помощью перфокарт). Шведский издатель, изобретатель и переводчик Пер Георг Шойц воспользовавшись советами Бэббеджа, построил видоизмененный вариант этой машины. В 1855 г. машина Шойца была удостоена золотой медали на Всемирной выставке в Париже. В дальнейшем один из принципов, лежащих в основе идеи аналитической машины, - использование перфокарт -нашел воплощение в статистическом табуляторе, построенном американцем Германом Холлеритом (для ускорения обработки результатов переписи населения в США в 1890 г.) Огаста Ада Байрон (графиня Лавлейс) (1815-1852) Графиня Огаста Ада Лавлейс, дочь поэта Байрона, совместно с Ч. Бэббиджем работала над созданием программ для его счетных машин. Ее работы в этой области были опубликованы в 1843 г. Однако в то время считалось неприличным для женщины издавать свои сочинения под полным именем, и Лавлейс поставила на титуле только свои инициалы. В материалах Бэббиджа и комментариях Лавлейс намечены такие понятия, как «подпрограмма» и «библиотека подпрограмм», «модификация команд» и «индексный регистр», которые стали употребляться только в 50-х гг. XX в. Сам термин «библиотека» был введен Бэббиджем, а термины «рабочая ячейка» и «цикл» предложила А. Лавлейс. «Можно с полным основанием сказать, что аналитическая машина точно так же плетет алгебраические узоры, как ткацкий станок Жак-кара воспроизводит цветы и листья», - писала графиня Лавлейс. Она фактически была первой программисткой (в ее честь был назван язык программирования Ада) Джордж Буль (1815-1864) Дж. Буль по праву считается отцом математической логики. Его именем назван раздел математической логики - булева алгебра. В 1847 г. написал статью «Математический анализ логики». В 1854 г. Буль развил свои идеи в работе под названием «Исследование законов мышления». Эти труды внесли революционные изменения в логику как науку. Дж. Буль изобрел своеобразную алгебру - систему обозначений и правил, применяемую к всевозможным объектам, от чисел и букв до предложений. Пользуясь этой системой, Буль мог закодировать высказывания (утверждения) с помощью своего языка, а затем манипулировать ими подобно тому, как в математике манипулируют обычными числами. Три основные операции системы - это И, ИЛИ и НЕ Пафнутий Львович Чебышев (1821-1894) Им была разработана теория машин и механизмов, написан ряд работ, посвященных синтезу шарнирных механизмов. Среди многочисленных изобретенных им механизмов имеется несколько моделей арифмометров, первая из которых была сконструирована не позднее 1876 г. Арифмометр Чебышева для того времени был одной из самых оригинальных вычислительных машин. В своих конструкциях Чебышев предложил принцип непрерывной передачи десятков и автоматический переход каретки с разряда на разряд при умножении. Оба эти изобретения вошли в широкую практику в 30-е гг. XX в. в связи с применением электропривода и распространением полуавтоматических и автоматических клавишных вычислительных машин. С появлением этих и других изобретений стало возможно значительно увеличить скорость работы механических счетных устройств Алексей Николаевич Крылов (1863-1945) Русский кораблестроитель, механик, математик, академик АН СССР. В 1904 г. он предложил конструкцию машины для интегрирования обыкновенных дифференциальных уравнений. В 1912 г. такая машина была построена. Это была первая интегрирующая машина непрерывного действия, позволяющая решать дифференциальные уравнения до четвертого порядка Вильгодт Теофил Однер (1845-1905) Выходец из Швеции Вильгодт Теофил Однер в 1869 г. приехал в Петербург. Некоторое время он работал на заводе «Русский дизель» на Выборгской стороне, на котором в 1874 г. был изготовлен первый образец его арифмометра. Созданные на базе ступенчатых валиков Лейбница первые серийные арифмометры имели большие размеры в первую очередь потому, что на каждый разряд нужно было выделять отдельный валик. Однер вместо ступенчатых валиков применил более совершенные и компактные зубчатые колеса с меняющимся числом зубцов - колеса Однера. В 1890 г. Однер получает патент на выпуск арифмометров и в этом же году было продано 500 арифмометров (очень большое количество по тем временам). Арифмометры в России назывались: «Арифмометр Однера», «Оригинал-Однер», «Арифмометр системы Однер» и др. В России до 1917 г. было выпущено примерно 23 тыс. арифмометров Однера. После революции производство арифмометров было налажено на Сущевском механическом заводе им. Ф.Э.Дзержинского в Москве. С 1931 г. они стали называться арифмометры «Феликс». Далее в нашей стране были созданы модели арифмометров Однера с клавишным вводом и электроприводом Герман Холлерит (1860-1929) После окончания Колумбийского университета поступает на работу в контору по переписи населения в Вашингтоне. В это время США приступили к исключительно трудоемкой (длившейся семь с половиной лет) ручной обработке данных, собранных в ходе переписи населения в 1880 г. К 1890 г. Холлерит завершил разработку системы табуляции на базе применения перфокарт. На каждой карте имелось 12 рядов, в каждом из которых можно было пробить по 20 отверстий, они соответствовали таким данным, как возраст, пол, место рождения, количество детей, семейное положение и прочим сведениям, включенным в вопросник переписи. Содержимое заполненных формуляров переносилось на карты путем соответствующего перфорирования. Перфокарты загружались в специальные устройства, соединенные с табуляционной машиной, где они нанизывались на ряды тонких игл, по одной игле на каждую из 240 перфорируемых позиций на карте. Когда игла попадала в отверстие, она замыкала контакт в соответствующей электрической цепи машины. Полный статистический анализ результатов занял два с половиной года (втрое быстрее по сравнению с предыдущей переписью). Впоследствии Холлерит организовал фирму «Computer Tabulating Recording» (CTR). Молодой коммивояжер этой компании Том Уотсон первым увидел потенциальную прибыльность продажи счетных машин американским бизнесменам на основе перфокарт. Позднее он возглавил компанию и в 1924 г. переименовал ее в корпорацию «International Business Machines» (IBM) Ванневар Буш (1890-1974) В 1930 г. построил механическое вычислительное устройство - дифференциальный анализатор. Это была машина, на которой можно было решать сложные дифференциальные уравнения. Однако она обладала многими серьезными недостатками, прежде всего, гигантскими размерами. Механический анализатор Буша представлял собой сложную систему валиков, шестеренок и проволок, соединенных в серию больших блоков, которые занимали целую комнату. При постановке задачи машине оператор должен был вручную подбирать множество шестереночных передач. На это уходило обычно 2-3 дня. Позднее В. Буш предложил прототип современного гипертекста - проект МЕМЕХ (MEMory EXtention - расширение памяти) как автоматизированное бюро, в котором человек хранил бы свои книги, записи, любую получаемую им информацию таким образом, чтобы в любой момент воспользоваться ею с максимальной быстротой и удобством. Фактически это должно было быть сложное устройство, снабженное клавиатурой и прозрачными экранами, на которые бы проецировались тексты и изображения, хранящиеся на микрофильмах. В МЕМЕХ устанавливались бы логические и ассоциативные связи между любыми двумя блоками информации. В идеале речь идет о громадной библиотеке, универсальной информационной базе Джон Винсент Атанасофф (1903-1995) Профессор физики, автор первого проекта цифровой вычислительной машины на основе двоичной, а не десятичной системы счисления. Простота двоичной системы счисления в сочетании с простотой физического представления двух символов (0, 1) вместо десяти (0, 1,..., 9) в электрических схемах компьютера перевешивала неудобства, связанные с необходимостью перевода из двоичной системы в десятичную и обратно. Кроме того, применение двоичной системы счисления способствовало уменьшению размеров вычислительной машины и снизила бы ее себестоимость. В 1939 г. Атанасофф построил модель устройства и стал искать финансовую помощь для продолжения работы. Машина Атанасоффа была практически готова в декабре 1941 г., но находилась в разобранном виде. В связи с началом Второй мировой войны все работы по реализации этого проекта прекратились. Лишь в 1973 г. приоритет Атанасоффа как автора первого проекта такой архитектуры вычислительной машины был подтвержден решением федерального суда США Говард Айкен В 1937 г. Г. Айкен предложил проект большой счетной машины и искал людей, согласных профинансировать эту идею. Спонсором выступил Томас Уотсон, президент корпорации IBM: его вклад в проект составил около 500 тыс. долларов США. Проектирование новой машины «Марк-1», основанной на электромеханических реле, началось в 1939 г. в лабораториях Нью-Йоркского филиала IBM и продолжалось до 1944 г. Готовый компьютер содержал около 750 тыс. деталей и весил 35 т. Машина оперировала двоичными числами до 23 разрядов и перемножала два числа максимальной разрядности примерно за 4 с. Поскольку создание «Марк-1» длилось достаточно долго, пальма первенства досталась не ему, а релейному двоичному компьютеру Z3 Конрада Цузе, построенному в 1941 г. Стоит отметить, что машина Z3 была значительно меньше машины Айкена и к тому же дешевле в производстве Конрад Цузе (1910-1995) В 1934 г., будучи студентом технического вуза (в Берлине), не имея ни малейшего представления о работах Ч. Бэббиджа, К. Цузе начал разрабатывать универсальную вычислительную машину, во многом подобную аналитической машине Бэббиджа. В 1938 г. он завершил постройку машины, занимавшую площадь 4 кв. м., названную Z1 (по-немецки его фамилия пишется как Zuse). Это была полностью электромеханическая программируемая цифровая машина. Она имела клавиатуру для ввода условий задач. Результаты вычислений высвечивались на панели с множеством маленьких лампочек. Ее восстановленная версия хранится в музее Verker und Technik в Берлине. Именно Z1 в Германии называют первым в мире компьютером. Позднее Цузе стал кодировать инструкции для машины, пробивая отверстия в использованной 35-миллиметровой фотопленке. Машина, работавшая перфорированной лентой, получила название Z2. В 1941 г. Цузе построил программно-управляемую машину, основанную на двоичной системе счисления - Z3. Эта машина по многим своим характеристикам превосходила другие машины, построенные независимо и параллельно в иных странах. В 1942 г. Цузе совместно с австрийским инженером-электриком Хельмутом Шрайером предложили создать компьютер принципиально нового типа — на вакуумных электронных лампах. Эта машина должна была работать в тысячу раз быстрее, чем любая из машин, имевшихся в то время в Германии. Говоря о потенциальных сферах применения быстродействующего компьютера, Цузе и Шрайер отмечали возможность его использования для расшифровки закодированных сообщений (такие разработки уже велись в различных странах) Алан Тьюринг (1912-1954) Английский математик, дал математическое определение алгоритма через построение, названное машиной Тьюринга. В период Второй мировой войны немцы использовали аппарат «Enigma» для шифровки сообщений. Без ключа и схемы коммутации (немцы их меняли три раза в день) расшифровать сообщение было невозможно. С целью раскрытия секрета британская разведка собрала группу блестящих и несколько эксцентричных ученых. Среди них был математик Алан Тьюринг. В конце 1943 г. группа сумела построить мощную машину (вместо электромеханических реле в ней применялись около 2000 электронных вакуумных ламп). Машину назвали «Колосс». Перехваченные сообщения кодировались, наносились на перфоленту и вводились в память машины. Лента вводилась посредством фотоэлектрического считывающего устройства со скоростью 5000 символов в секунду. Машина имела пять таких считывающих устройств. В процессе поиска соответствия (расшифровки) машина сопоставляла зашифрованное сообщение с уже известными кодами «Enigma» (по алгоритму работы машины Тьюринга). Работа группы до сих пор остается засекреченной. О роли Тьюринга в работе группы можно судить по следующему высказыванию члена этой группы математика И. Дж. Гуда: «Я не хочу сказать, что мы выиграли войну благодаря Тьюрингу, но беру на себя смелость сказать, что без него мы могли бы ее и проиграть». Машина «Колосс» была ламповая (крупный шаг вперед в развитии вычислительной техники) и специализированная (расшифровка секретных кодов) Джон Моучли (1907-1980) Преспер Экерт (род. в 1919) Первой ЭВМ считается машина ЭНИАК (ENIAC, Electronic Numerial Integrator and Computer - электронный цифровой интегратор и вычислитель). Ее авторы, американские ученые Дж. Моучли и Преспер Экерт, работали над ней с 1943 по 1945 гг. Она предназначалась для расчета траекторий полетов снарядов, и представляла собой сложнейшее для середины XX в. инженерное сооружение длиной более 30 м, объемом 85 куб. м, массой 30 т. В ЭНИАКе были использованы 18 тыс. электронных ламп, 1500 реле, машина потребляла около 150 кВт. Далее возникла идея создания машины с программным обеспечением, хранимым в памяти машины, что изменило бы принципы организации вычислений и подготовило почву для появления современных языков программирования (ЭДВАК - Электронный Автоматический Вычислитель с дискретными переменными, EDVAC - Electronic Discret Variable Automatic Computer). Эта машина была создана в 1950 г. В более емкой внутренней памяти содержались и данные, и программа. Программы записывались электронным способом в специальных устройствах - линиях задержки. Самое главное было то, что в ЭДВАКе данные кодировались не в десятичной системе, а в двоичной (сократилось количество используемых электронных ламп). Дж. Моучли и П. Экерт после создания своей собственной компании задались целью создать универсальный компьютер для широкого коммерческого применения - ЮНИВАК (UNIVAC, Universal Automatic Computer - универсальный автоматический компьютер). Примерно за год до того, как первый ЭНИАК ЮНИВАК вступил в эксплуатацию в Бюро переписи населения в США, партнеры оказались в тяжелом финансовом положении и вынуждены были продать свою компанию фирме «Ремингтон Рэнд». Однако ЮНИВАК не стал первым коммерческим компьютером. Им стала машина ЛЕО (LEO, Lyons' Bectronic Office), которая применялась в Англии для расчета зарплаты работникам чайных магазинов (фирма «Лайонс»), В 1973 г. федеральный суд США признал их авторские права на изобретение электронного цифрового компьютера недействительными, а идеи - заимствованными у Дж. Атанасоффа Джон фон Нейман (1903-1957) Работая в группе Дж. Мочли и П. Экерта, фон Нейман подготовил отчет - «Предварительный доклад о машине ЭДВАК», в котором обобщил планы работы над машиной. Это была первая работа по цифровым электронным компьютерам, с которой познакомились определенные круги научной общественности (по соображениям секретности работы в этой области не публиковались). С этого момента компьютер был признан объектом, представлявшим научный интерес. В своем докладе фон Нейман выделил и детально описал пять ключевых компонентов того, что ныне называют «архитектурой фон Неймана» современного компьютера. В нашей стране независимо от фон Неймана были сформулированы более детальные и полные принципы построения электронных цифровых вычислительных машин (Сергей Алексеевич Лебедев) Сергей Алексеевич Лебедев (1902-1974) В 1946 г. С. А. Лебедев становится директором института электротехники и организует в его составе свою лабораторию моделирования и регулирования. В 1948 г. С. А. Лебедев ориентировал свою лабораторию на создание МЭСМ (Малая электронная счетная машина). МЭСМ была вначале задумана как модель (первая буква в аббревиатуре МЭСМ) Большой электронной счетной машины (БЭСМ). Однако в процессе ее создания стала очевидной целесообразность превращения ее в малую ЭВМ. Из-за засекреченности работ, проводимых в области вычислительной техники, соответствующих публикаций в открытой печати не было. Основы построения ЭВМ, разработанные С. А. Лебедевым независимо от Дж. фон Неймана, заключаются в следующем: 1) в состав ЭВМ должны входить устройства арифметики, памяти, ввода-вывода информации, управления; 2) программа вычислений кодируется и хранится в памяти подобно числам; 3) для кодирования чисел и команд следует использовать двоичную систему счисления; 4) вычисления должны осуществляться автоматически на основе хранимой в памяти программы и операций над командами; 5) помимо арифметических операций вводятся также логические - сравнения, условного и безусловного переходов, конъюнкция, дизъюнкция, отрицание; 6) память строится по иерархическому принципу; 7) для вычислений используются численные методы решения задач. 25 декабря 1951 г. МЭСМ была принята в эксплуатацию. Это была первая в СССР быстродействующая электронная цифровая машина. В 1948 г. создается Институт точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ) АН СССР, которому правительство поручило разработку новых средств вычислительной техники и С. А. Лебедев приглашается заведовать лабораторией № 1 (1951 г). Когда БЭСМ была готова (1953 г.), она ничуть не уступала новейшим американским образцам. С 1953 г. до конца своей жизни С. А. Лебедев был директором ИТМ и ВТ АН СССР, избран действительным членом АН СССР и возглавил работы по созданию нескольких поколений ЭВМ. В начале 60-х гг. создается первая ЭВМ из серии больших электронных счетных машин (БЭСМ) - БХМ-1. При создании БЭСМ-1 были применены оригинальные научные и конструкторские решения. Благодаря этому она была тогда самой производительной машиной в Европе (8-10 тысяч операций в секунду) и одной из лучших в мире. Под руководством С. А. Лебедева были созданы и внедрены в производство еще две ламповые ЭВМ - БЭСМ-2 и М-20. В 60-х гг. были созданы полупроводниковые варианты М-20: М-220 и М-222, а также БЭСМ-ЗМ и БЭСМ-4. При проектировании БЭСМ-6 впервые был применен метод предварительного имитационного моделирования (сдача в эксплуатацию была осуществлена в 1967 г.). С. А. Лебедев одним из первых понял огромное значение совместной работы математиков и инженеров в создании вычислительных систем. По инициативе С. А. Лебедева все схемы БЭСМ-6 были записаны формулами булевой алгебры. Это открыло широкие возможности для автоматизации проектирования и подготовки монтажной и производственной документации IBM Невозможно пропустить ключевой этап в развитии вычислительных средств и методов, связанных с деятельностью фирмы IBM. Исторически первые ЭВМ классической структуры и состава - Computer Installation System/360 (фирменное наименование - «Вычислительная установка системы 360», в дальнейшем известная как просто IBM/360) были выпущены в 1964 г., и с последующими модификациями (IBM/370, IBM/375) поставлялись вплоть до середины 80-х гг., когда под влиянием микроЭВМ (ПК) не начали постепенно сходить со сцены. ЭВМ данной серии послужили основой для разработки в СССР и странах-членах СЭВ так называемой Единой системы ЭВМ (ЕС ЭВМ), которые в течение нескольких десятилетий являлись основой отечественной компьютеризации. ЕС 1045 Машины включали следующие компоненты: • центральный процессор (32-разрядный) с двухадресной системой команд; • главную (оперативную) память (от 128 Кбайт до 2 Мбайт); • накопители на магнитных дисках (НМД, МД) со сменными пакетами дисков (например, IBM-2314 - 7,25 Мбайт, ШМ-2311 -29 Мбайт, IBM 3330 - 100 Мбайт), аналогичные (иногда совместимые) устройства известны и для других из вышеупомянутых серий; • накопители на магнитных лентах (НМЛ, МЛ) катушечного типа, ширина ленты 0,5 дюйма, длина от 2400 футов (720 м) и менее (обычно 360 и 180 м), плотность записи от 256 байт на дюйм (обычная) и большая в 2-8 раз (повышенная). Соответственно рабочая емкость накопителя определялась размером катушки и плотностью записи и достигала 160 Мбайт на бобину МЛ; • устройства печати - построчные печатающие устройства барабанного типа, с фиксированным (обычно 64 или 128 знаков) набором символов, включающих прописную латиницу и кириллицу (либо прописную и строчную латиницу) и стандартное множество служебных символов; вывод информации осуществлялся на бумажную ленту шириной 42 или 21 см со скоростью до 20 строк/с; • терминальные устройства (видеотерминалы, а первоначально -электрические пишущие машинки), предназначенные для интерактивного взаимодействия с пользователем (IBM 3270, DEC VT-100 и пр.), подключаемые к системе для выполнения функций управления вычислительным процессом (консоль оператора - 1 -2 шт. на ЭВМ) и интерактивной отладки программ и обработки данных (терминал пользователя - от 4 до 64 шт. на ЭВМ). Перечисленные стандартные наборы устройств ЭВМ 60-80-х гг. и их характеристики приведены здесь как историческая справка для читателя, который может их самостоятельно оценить, сравнив с современными и известными ему данными. Фирмой IBM была предложена в качестве оболочки ЭВМ IBM/360 первая функционально полноценная ОС - OS/360. Разработка и внедрение ОС позволили разграничить функции операторов, администраторов, программистов, пользователей, а также существенно (а десятки и сотни раз) повысить производительность ЭВМ и степень загрузки технических средств. Версии OS/360/370/375 - MFT (мультипрограммирование с фиксированным количеством задач), MW (с переменным количеством задач), SVS (система с виртуальной памятью), SVM (система виртуальных машин) - последовательно сменяли друг друга и во многом определили современные представления о роли ОС Билл Гейтс и Пол Аллен В 1974 г. Фирма Intel разработала первый универсальный 8-разрядный микропроцессор 8080 с 4500 транзисторами. Эдвард Роберте, молодой офицер ВВС США, инженер-электронщик, построил на базе процессора 8080 микрокомпьютер Альтаир, имевший огромный коммерческий успех, продававшийся по почте и широко использовавшийся для домашнего применения. В 1975 г. молодой программист Пол Аллен и студент Гарвардского университета Билл Гейтс реализовали для Альтаира язык Бейсик. Впоследствии они основали фирму Майкрософт (Microsoft). Стивен Пол Джобс и Стивен Возняк В 1976 г. студенты Стив Возняк и Стив Джобс, устроив мастерскую в гараже, реализовали компьютер Apple-1, положив начало корпорации Apple. 1983 г. - корпорация Apple Computers построила персональный компьютер Lisa - первый офисный компьютер, управляемый манипулятором «мышь». В 2001 Стивен Возняк основал компанию «Wheels Of Zeus» для создания беспроводной GPS технологии. 2001 — Стив Джобс представил первый плеер iPod. 2006 — Apple представила первый ноутбук на базе процессоров Intel. 2008 — Apple представила самый тонкий ноутбук в мире, получивший название MacBook Air. 3. Классы вычислительных машин Электронная вычислительная машина (ЭВМ), компьютер — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач. ЭВМ можно классифицировать по ряду признаков, в частности: • физическому представлению обрабатываемой информации; • поколениям (этапам создания и элементной базе). • сферам применения и методам использования (а также размерам и вычислительной мощности). Физическое представление обрабатываемой информации Здесь выделяют аналоговые (непрерывного действия); цифровые (дискретного действия); гибридные (на отдельных этапах обработки используются различные способы физического представления данных). АВМ — аналоговые вычислительные машины, или вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, т. е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаше всего электрического напряжения): ЦВМ — цифровые вычислительные машины, или вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, цифровой форме. В силу универсальности цифровой формы представления информации ЭВМ является более универсальным средством обработки данных. ГВМ — гибридные вычислительные машины, или вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме. Они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами. Поколения ЭВМ Идея делить машины на поколения 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 ее структуры, появления новых возможностей, расширения областей применения и характера использования (табл. 2.). Таблица 2 Этапы развития компьютерных информационных технологий Параметр Период, годы 50-е 60-е 70-е 80-е Настоящее время Цель использования компьютера Научно-технические расчеты Технические и экономи ческие расчеты Управление и экономические расчеты Управление, предоставление информации Телеком муникации, информа ционное обслужив ание Режим работы компьютера Однопрограммный Пакетная обработка Разделение времени Персональная работа Сетевая обработка Интеграция данных Низкая Средняя Высокая Очень высокая Сверхв ысокая Расположение пользователя Машинный зал Отдельное помещение Терминальный зал Рабочий стол Произ вольное мобильное Тип пользователя Инженеры-программисты Профес сиональные програм мисты Программисты Пользователи с общей компьютерной подготовкой Мало обученные пользов атели Тип диалога Работа за пультом компьютера Обмен перфоно-сителями и машино-граммами Интерактивный (через клавиатуру и экран) Интерактивный с жестким меню Интер активный экранный типа «вопрос - ответ» К первому поколению обычно относят машины, созданные на рубеже 50-х гг. и базирующиеся на электронных лампах. Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами, которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства. Лампы потребляли значительное количество электроэнергии и выделяли много тепла (рис. 1.). Набор команд был ограничен, схемы арифметико-логического устройства и устройства управления достаточно просты, программное обеспечение практически отсутствовало. Показатели объема оперативной памяти и быстродействия были низкими. Для ввода-вывода использовались перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства. Быстродействие порядка 10—20 тыс. операций в секунду. Программы для этих машин писались на языке конкретной машины. Математик, составивший программу, садился за пульт управления машины, вводил и отлаживал программы и производил по ним счет. Процесс отладки был весьма длительным по времени. Несмотря на ограниченность возможностей эти машины позволили выполнить сложнейшие расчеты, необходимые для прогнозирования погоды, решения задач атомной энергетики и др. Опыт использования машин первого поколения показал, что существует огромный разрыв между временем, затрачиваемым на разработку программ, и временем счета. Эти проблемы начали преодолевать путем интенсивной разработки средств автоматизации программирования, создания систем обслуживающих программ, упрощающих работу на машине и увеличивающих эффективность ее использования. Это, в свою очередь, потребовало значительных изменений в структуре компьютеров, направленных на то, чтобы приблизить ее к требованиям, возникшим из опыта эксплуатации компьютеров. В октябре 1945 года в США был создан первый компьютер ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Calculator — электронный числовой интегратор и вычислитель). Отечественные машины первого поколения: МЭСМ (малая электронная счетная машина), БЭСМ, Стрела, Урал, М-20. Второе поколение компьютерной техники — машины, сконструированные в 1955—65 гг. Характеризуются использованием в них как электронных ламп, так и дискретных транзисторных логических элементов (рис. 2). Их оперативная память была построена на магнитных сердечниках. В это время стал расширяться диапазон применяемого оборудования ввода-вывода, появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами (НМЛ), магнитные барабаны (НМБ) и первые магнитные диски (табл. 2.). Эти машины характеризуются быстродействием до сотен тысяч операций в секунду, емкостью памяти — до нескольких десятков тысяч слов. Появляются языки высокого уровня, средства которых допускают описание всей необходимой последовательности вычислительных действий в наглядном, легко воспринимаемом виде. Программа, написанная на алгоритмическом языке, непонятна компьютеру, воспринимающему только язык своих собственных команд. Поэтому специальные программы, которые называются трансляторами, переводят программу с языка высокого уровня на машинный язык. Появился широкий набор библиотечных программ для решения разнообразных задач, а также мониторные системы, управляющие режимом трансляции и исполнения программ, из которых в дальнейшем выросли современные операционные системы. Операционная система — важнейшая часть программного обеспечения компьютера, предназначенная для автоматизации планирования и организации процесса обработки программ, ввода-вы вода и управления данными, распределения ресурсов, подготовки и отладки программ, других вспомогательных операций обслуживания. Машинам второго поколения была свойственна программная несовместимость, которая затрудняла организацию крупных информационных систем. Поэтому в середине 60-х гг. наметился переход к созданию компьютеров, программно совместимых и построенных на микроэлектронной технологической базе. Наивысшим достижением отечественной вычислительной техники созданной коллективом С.А. Лебедева явилась разработка в 1966 году полупроводниковой ЭВМ БЭСМ-6 с производительностью 1 млн. операций в секунду. Машины третьего поколения — это семейства машин с единой архитектурой, т. е. программно совместимых. В качестве элементной базы в них используются интегральные схемы, которые также называются микросхемами. Машины третьего поколения появились в 60-е гг. Поскольку процесс создания компьютерной техники шел непрерывно, и в нем участвовало множество людей из разных стран, имеющих дело с решением различных проблем, трудно и бесполезно пытаться установить, когда «поколение» начиналось и заканчивалось. Возможно, наиболее важным критерием различия машин второго и третьего поколений является критерий, основанный на понятии архитектуры. Машины третьего поколения имеют развитые операционные системы. Они обладают возможностями мультипрограммирования, т. е. параллельного выполнения нескольких программ. Многие задачи управления памятью, устройствами и ресурсами стала брать на себя операционная система или же непосредственно сама машина. Примеры машин третьего поколения — семейства IBM-360, IBM-370, PDP-11, VAX, EC ЭВМ (Единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ) и др. Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Емкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов. Четвертое поколение — это основной контингент современной компьютерной техники, разработанной после 70-х гг. Наиболее важный в концептуальном отношении критерий, по которому эти компьютеры можно отделить от машин третьего поколения, состоит в том, что машины четвертого поколения проектировались в расчете на эффективное использование современных высокоуровневых языков и упрощение процесса программирования для конечного пользователя. В аппаратурном отношении для них характерно широкое использование интегральных схем в качестве элементной базы, а также наличие быстродействующих запоминающих устройств с произвольной выборкой емкостью в десятки мегабайт (рис. 3, б). С точки зрения структуры машины этого поколения представляют собой многопроцессорные и многомашинные комплексы, использующие общую память и общее поле внешних устройств. Быстродействие составляет до нескольких десятков миллионов операций в секунду, емкость оперативной памяти порядка 1—512 Мбайт. Для них характерны: • применение персональных компьютеров (ПК); • телекоммуникационная обработка данных; • компьютерные сети; • широкое применение систем управления базами данных; • элементы интеллектуального поведения систем обработки данных и устройств. К ЭВМ четвертого поколения относятся ПЭВМ “Электроника МС 0511” комплекта учебной вычислительной техники КУВТ УКНЦ, а также современные IBM — совместимые компьютеры, на которых мы работаем. В соответствии с элементной базой и уровнем развития программных средств выделяют четыре реальных поколения ЭВМ, краткая характеристика которых приведена в таблице 3. Таблица 3 Поколения ЭВМ Параметры сравнения Поколения ЭВМ первое второе третье четвертое Период времени 1946 - 1959 1960 - 1969 1970 - 1979 с 1980 г. Элементная база (для УУ, АЛУ) Электронные (или электрические) лампы Полупроводники (транзисторы) Интегральные схемы Большие интегральные схемы (БИС) Основной тип ЭВМ Большие Малые (мини) Микро Основные устройства ввода Пульт, перфокарточный, перфоленточный ввод Добавился алфавитно-цифровой дисплей, клавиатура Алфавитно-цифровой дисплей, клавиатура Цветной графический дисплей, сканер, клавиатура Основные устройства вывода Алфавитно-цифровое печатающее устройство (АЦПУ), перфоленточный вывод Графопостроитель, принтер Внешняя память Магнитные ленты, барабаны, перфоленты, перфокарты Добавился магнитный диск Перфоленты, магнитный диск Магнитные и оптические диски Ключевые решения в ПО Универсальные языки программирования, трансляторы Пакетные операционные системы, оптимизирующие трансляторы Интерактивные операционные системы, структурированные языки программирования Дружественность ПО, сетевые операционные системы Режим работы ЭВМ Однопрограммный Пакетный Разделения времени Персональная работа и сетевая обработка данных Цель использования ЭВМ Научно-технические расчеты Технические и экономические расчеты Управление и экономические расчеты Телекоммуникации, информационное обслуживание Таблица 4 Основные характеристики отечественных ЭВМ второго поколения Параметр Первая очередь Раздан-2 БЭСМ-4 М-220 Урал-11 Минск-22 Урал-16 Адресность 2 3 3 1 2 1 Форма представления данных С плавающей запятой С плавающей запятой С плавающей запятой С фикси рованной запятой, символьная С фикси рованной запятой, символьная С плавающей и фикси рованной запятой, символьная Длина машинного слова(дв. разр.) 36 45 45 24 37 48 Быстродействие (оп./с) 5 тыс. 20 тыс. 20 тыс. 14-15 тыс. 5 тыс. 100 тыс ОЗУ, тип, емкость (слов) Ферри товый сердечник 2048 Ферри товый сердечник 8192 Ферри товый сердечник 4096-16 384 Ферри товый сердечник 4096-16 384 Ферри товый сердечник 8192 Ферри товый сердечник 8192-65 536 ВЗУ, тип, емкость (слов) НМЛ 120 тыс. НМЛ 8 млн НМЛ 16 млн НМЛ 8 млн НМЛ до 5 млн НМЛ 12 млн НМБ130тыс. В компьютерах пятого поколения предположительно должен произойти качественный переход от обработки данных к обработке знаний. Архитектура компьютеров пятого поколения будет содержать два основных блока. Один из них — это традиционный компьютер, однако лишенный связи с пользователем. Эту связь осуществляет интеллектуальный интерфейс. Будет также решаться проблема децентрализации вычислений с помощью компьютерных сетей. Кратко основную концепцию ЭВМ пятого поколения можно сформулировать следующим образом: 1. Компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных инструкций программы. 2. Компьютеры с многими сотнями параллельно работающих процессоров, позволяющих строить системы обработки данных и знаний, эффективные сетевые компьютерные системы. Вывод До XVII в. деятельность общества в целом и каждого человека в отдельности была направлена на овладение веществом , т. е. есть познание свойств вещества и изготовление сначала примитивных, а потом все более сложных орудий труда, вплоть до механизмов и машин, позволяющих изготовлять потребительские ценности. Затем в процессе становления индустриального общества на первый план вышла проблема овладения энергией — сначала тепловой, затем электрической, наконец, атомной. В конце XX в. человечество вступило в новую стадию развития — стадию построения информационного общества . В конце 60-х гг . Д. Белл констатировал превращение индустриального общества в информационное . Важнейшая задача общества — восстановить каналы коммуникации в новых экономических и технологических условиях для обеспечения четкого взаимодействия всех направлений экономического, научного и социального развития как отдельных стран, так и в глобальном масштабе. Современный компьютер — это универсальное, многофункциональное, электронное автоматическое устройство для работы с информацией. Шотландец Джон Непер в 1614-м г. опубликовал «Описание удивительных таблиц логарифмов». В 1642 г., когда Паскалю было 19 лет, была изготовлена первая действующая модель суммирующей машины. В 1673 г. Лейбниц изобрёл механическое устройство для расчетов (механического калькулятора). 1804 г. инженер Жозеф-Мари Жаккар построил полностью автоматизированный станок (станок Жаккара), способный воспроизводить сложнейшие узоры. Работа станка программировалась с помощью колоды перфокарт, каждая из которых управляла одним ходом челнока. В 1822 г. Ч. Беббиджем была построена разностная машина (пробная модель), способная рассчитывать и печатать большие математические таблицы. В последующем он пришел к идее создания более мощной - аналитической машины. Она не просто должна была решать математические задачи определенного типа, а выполнять разнообразные вычислительные операции в соответствии с инструкциями, задаваемыми оператором. Графиня Огаста Ада Лавлейс совместно с Ч. Бэббиджем работала над созданием программ для его счетных машин. Ее работы в этой области были опубликованы в 1843 г. Дж. Буль по праву считается отцом математической логики. Его именем назван раздел математической логики - булева алгебра . Дж. Буль изобрел своеобразную алгебру - систему обозначений и правил, применяемую к всевозможным объектам, от чисел и букв до предложений (1854 г ). Модели арифмометров, первая из которых была сконструирована не позднее 1876 г. Арифмометр Чебышева для того времени был одной из самых оригинальных вычислительных машин. В своих конструкциях Чебышев предложил принцип непрерывной передачи десятков и автоматический переход каретки с разряда на разряд при умножении. Алексей Николаевич Крылов 1904 г. предложил конструкцию машины для интегрирования обыкновенных дифференциальных уравнений. В 1912 г. такая машина была построена. И другие. Электронная вычислительная машина (ЭВМ), компьютер — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач. ЭВМ можно классифицировать по ряду признаков, в частности: • физическому представлению обрабатываемой информации; • поколениям (этапам создания и элементной базе). • сферам применения и методам использования (а также размерам и вычислительной мощности).