Файл: История развития средств вычислительной техники (ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ).pdf

В течение последующих двухсот лет был изобретен и сконструирован еще целый ряд аналогичных механических вычислительных счетных устройств. В силу ряда недостатков эти устройства не получили широкого распространения.

Новый этап развития вычислительной техники связан со сконструированной в 1878 году русским ученым П. Чебышевым счетной машины, которая умела выполнять сложение и вычитание многозначных чисел.

На базе этой машины было разработано много различных устройств – арифмометров.

Лучше других известен арифмометр Феликс (рисунок 10), сконструированный петербургским инженером Однером в 1874 году. Конструкция арифмометра была очень удачна. Основное достоинство счетного устройства заключалось в высокой скорости выполнения всех четырех арифметических действий над многоразрядными числами, что существенно повышало производительность математических и производственных расчетов.

Рисунок 10 – Арифмометр Феликс

После изобретения Паскаля разрядность устройств увеличивалась, как и количество операций, которые они умели выполнять. На смену механическим вычислительным устройствам пришли электрические.[1]

В конце XVIII века во Франции совершились два события, существенно повлиявшие на дальнейшее развитие вычислительной техники:

изобретение Жозефом Жакардом программного управления ткацким станком с помощью перфокарт;
разработка Гаспаром де Прони технологии вычислений, которая разделила численные вычисления на три этапа: разработка численного метода, составление программы последовательности арифметических действий, проведение собственно вычислений путем арифметических операций над числами в соответствии с составленной программой.

Именно на таких достижениях построил свою вычислительную машину англичанин Чарльз Беббидж, разработавший проект аналитической машины, принципы устройства которой лежат в основе устройства современных электронно-вычислительных машин. Вычислительная машина Чарльза Беббиджа представлена на рисунке 11.

Рисунок 11 – Аналитическая машина Бэббиджа

В качестве базового элемента своей разностной машины Беббидж использовал зубчатые колеса для запоминания одного разряда десятичного числа. Машина Бэббиджа оперировала 18-разрядными числами. В 1822 году была построена действующая модель устройства и на нем были осуществлены расчеты таблицы квадратов.

Позже, между 1833 и 1842 годами, Чарльз Бэббидж спроектировал и делал попытки построить аналитическую машину. Хотя она так и не была им построена, именно ее считают первым прообразом компьютера. По замыслу Бэббиджа данное устройство должно было быть запрограммировано на производство любых вычислений. Вычислительная машина для ввода данных и указания порядка необходимых вычислений использовала перфокарты.[8]

Первым программистом мира считают дочь английского поэта лорда Байрона графиню Аду Августу Лавлейс (рисунок 12). Именно она описала три первые в мире вычислительные программы, составленные для машины Бэббиджа. В описании были введены понятия, и сегодня не потерявшие своей актуальности - понятие рабочих ячеек (рабочих переменных) и идея последовательного изменения их содержания, идея цикла - одной из фундаментальных конструкций структурного программирования.

В своей работе Лавлейс высказала также догадку о том, что вычислительные операции могут выполняться не только с числами, но и с другими объектами

Рисунок 12 – Ада Лавлейс

В честь графини Лавлейс получил свое название один из современных языков программирования высокого уровня – язык Ada.

Теоретические основы современных цифровых вычислительных устройств были заложены в девятнадцатом веке английским математиком Джорджем Булем.[13]

Он разработал алгебру логики, ввел в обиход логические операции:

логическое отрицание (инверсия);

логическая сумма (дизъюнкция);

логическое произведение (конъюнкция).

Джон Буль также сформулировал основные положения алгебры логики.

4 ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ЭТАП РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Следующий этап развития вычислительной техники – электромеханический, он длился всего лишь 60 лет. Это отрезок времени между изобретением в 1887 году первого табулятора до 1946 года, когда возникла самая первая электронно-вычислительная машина. Новые машины, действие которых основывалось на электроприводе и электрическом реле, позволяли производить вычисления со значительно большей скоростью и точностью, однако процессом счёта по-прежнему должен был управлять человек.

В 1888 г. американским исследователем и инженером Германом Холлеритом была сконструирована первая электромеханическая машина для сортировки и подсчета перфокарт. Устройство, названное табулятором, состояло из электромеханических реле, счетчиков и сортировочного ящика. Изобретение Холлерита нашло практическое применение при подведении итогов переписи населения в Соединенных Штатах Америки.

Табулятор Холлерита представлен на рисунке 13.

Рисунок 13 – Статистический табулятор Холлерита

Вычислительные машины с перфокартами стали феноменально популярны. На примере переписи населения было продемонстрировано, что вычисления, ранее производившиеся пятьюстами сотрудниками в течение семи лет, теперь стало возможно выполнить на машине под управлением 43 сотрудников в течение четырех недель.

В двадцатом веке пришел черед электрических счетных машин. Электрические табуляторы, разнообразные электрические калькуляторы стали массово использоваться в областях производства, требовавших большого количества вычислений. На рисунке 14 представлен типичный рабочий электрический калькулятор, применявшийся в СССР в семидесятых годах двадцатого века.

Рисунок 14 – Электрический калькулятор

Потребность в увеличении скорости и сложности расчетов постоянно росла. Научные исследования, военная промышленность задавали все новые темпы вычислений.

Интересным является тот факт, что в 1896 году Германом Холлеритом была основана фирма Computing Tabulation Company, известная сегодня во всем мире как корпорация IBM (International Business Machine Corporation).

Первая успешная реализация идеи создания автоматической электромеханической вычислительной машины на основе двоичной системы счисления принадлежит немецкому инженеру Конраду Цузе.

В 1936 году Конрад Цузе приступил к разработке вычислительного аппарата, работающего под управлением двоичной системы счисления. Машина получила название Z1 (Zuse 1).

Конраду Цузе в 1941 году удалось сконструировать действующую модель Zuse 3. Она состояла из 600 электромеханических реле счетного устройства и 2000 электромеханических реле устройства памяти.[6]

Модель электромеханического компьютера Конрада Цузе представлена на рисунке 15.

Рисунок 15 – Электромеханический компьютер Z3

В 1943 - 1944 году в Англии было представлено полностью автоматическое вычислительное устройство, названное Colossus II. В качестве основного назначения устройства называлась дешифровка перехваченных сообщений военного противника.

5 ЭЛЕКТРОННЫЙ ЭТАП РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

В результате длительного процесса развития устройств вычислительной техники в середине двадцатого века появились компьютеры. Первоначально – исключительно как устройства для реализации быстрых и универсальных расчетов. В настоящее время компьютер – универсальное устройство обработки информации, которое применяется во всем мире.

История электронно-вычислительных машин, которые сегодня привычно именуются компьютерами, ведет свой отсчет с 1946 года, с появления машины ENIAC (рисунок 16).

Рисунок 16 – Первая ЭВМ - ENIAC

ENIAC содержал 18 тысяч вакуумных ламп, занимал площадь 167 квадратных метров, весил 30 тонн и потреблял мощность 150 киловатт.[12]

После ввода в эксплуатацию первого компьютера было сделано несколько выводов, существенно повлиявших на развитие компьютерной техники на многие десятилетия вперед. ЭВМ ENIAC имела ряд недостатков, среди основных – неудобный способ программирования – перекоммутирование разъемов. недостаточный объем памяти и другие.

Базовые идеи, на основе которых долгие годы развивалась вычислительная техника, были сформулированы в 1946 году американским математиком Джоном фон Нейманом. Эти принципы назвали архитектуры фон Неймана. Архитектура фон Неймана представлена на рисунке 17.

Рисунок 17 – Архитектура фон Неймана

В 1949 году был разработан первый компьютер, отвечающий принципам архитектуры фон Неймана – английская ЭВМ EDSAC.

В Советском Союзе первая ЭВМ была выпущена в 1951 году коллективом инженеров под руководством академика С.А. Лебедева. Назывался компьютер МЭСМ — малая электронная счетная машина. [5]

За небольшой период с середины прошлого века электронная вычислительная техника прошла большой путь развития. Параллельно с развитием компьютеров активное развитие и естественную эволюцию проходят и языки программирования.

Современные периодизаторы науки выделяют 5 (иногда – 4, объединяя 4 и 5 поколения) поколений электронно-вычислительных машин, различающихся по элементной базе, объему оперативной памяти, быстродействию и способам программирования. Классификация компьютеров по поколениям представлена на рисунке 18.

Рисунок 18 – Этапы развития компьютеров

Компьютеры первого поколения реализованы на базе электронных ламп и реле. Такая элементная база делала компьютеры громоздкими и требовала создавать специальную систему охлаждения, что было крайне неудобно.

Поэтому изобретение в 1948 году транзисторов и запоминающих устройств на магнитных сердечниках оказало существенное влияние на дальнейшее развитие вычислительной техники.

Часто перегорающие вакуумные лампы, требующие высокой мощности для нагревания катода, были заменены компактными германиевыми (позже - кремниевыми) транзисторами. Компьютеры, построенные на основе транзисторов, составляют компьютеры второго поколения.[2]

Сравнить размеры радиолами и транзисторов поможет рисунок 19.

Рисунок 19 – Полупроводниковые транзисторы и вакуумные лампы

В1958 году американский инженер Джек Килби сконструировал первую интегральную микросхему. Изобретение интегральных микросхем стало революционным прорывом в развитии устройств вычислительной техники.

Появилось третье поколение компьютеров, основу элементной базы которых составили микросхемы малой и средней степени интеграции (рисунок 20). Высокая степень интеграции транзисторов в рамках интегральной схемы способствовало миниатюризации и повышении надежности компьютеров.

Рисунок 20 – Интегральные схемы 70-х годов XX века

Новый прорыв в технологии изготовления компьютеров произошел после 1971 года, когда американский инженер Эдвард Хофф Маршиан соединил основные элементы компьютера в единственный кремниевый чип (кристалл), названный микропроцессором. Первый микропроцессор получил маркировку Intel 4004.[9]

Компьютеры четвертого и пятого поколений базируются на интегральных микросхемах с большой степенью интеграции, когда на едином кристалле помещается целая микроЭВМ (рисунок 21).