Файл: ТЕХНОЛОГИИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ. История развития средств вычислительной техники в мире.pdf

Только появление электронных вычислительных машин привело к постепенному отходу эры электромеханических средств вычисления, развивавшихся вплоть до середины 50-хгг. прошлого века. Но успешно апробированные Г. Холлеритом источники ввода информации на перфокартах широко использовали несколько поколений первых ЭВМ.^[8]

2. Электронный период развития вычислительной техники

2.1 Предпосылки возникновения электронной вычислительной техники

Во время механического, электромеханического и в начале электронного периода развития только закладывались научные основы цифровой вычислительной техники.

1. Математические предпосылки возникновения электронной вычислительной техники представлены:

• двоичной системой счисления, предложенной Г.В. Лейбницем для организации вычислительных машин,
• алгеброй логики, разработанной Дж. Булем.

2. Алгоритмические предпосылки представлены абстрактной машиной Тьюринга, использованной для доказательства возможности машинной реализации любого алгоритма, имеющего решение.

3. Техническими предпосылками стало развитие электроники.

4. Теоретическими предпосылками послужили результаты работ К. Шеннона, соединившего электронику и логику.

Появление электронно-вычислительных машин связано с острой необходимостью очень трудоемких и точных расчетов, особенно в областях атомной физики, теории динамик полета и управления летательными аппаратами.

Переход на электронные безынерционные элементы вызвал качественный скачок быстродействия. Работы, приведшие к созданию совершенно новой области техники – электроники, были начаты еще в конце XIX в.

В 1884г. Т. Эдисон описал открытое им явление термоэлектронной эмиссии. В 1897г. немецким физиком Г. Брауном изобретена электронно-лучевая трубка. Триод– одна из наиболее популярных электронных ламп – был создан в 1906г. американцем Ли де Форстером. В 1918г. нашим соотечественником М. Бонч-Бруевичем изобретен ламповый триггер, сыгравший впоследствии огромную роль в развитии вычислительной техники.^[9]

К началу 40-х гг., т.е. когда появились первые автоматические вычислительные машины, электронные устройства получили уже значительное развитие и распространение во многих областях техники, прежде всего радиотехнике. Также началось зарождение телевидения и радиолокации, развитие электронной контрольно-измерительной техники.

Казалось, что достигнутая скорость вычислений будет достаточна для всех и надолго. Но действительность очень быстро заставила искать новые пути ускорения счета. Вторая мировая война поставила человеческую жизнь (летчика, артиллериста ит.д.) в зависимость от скорости вычислений. Победа зависела от быстроты и точности принятия решений (а именно для этого нужно было производить вычисления).

Именно это заставило человечество изобрести электронно-вычислительные машины и тем самым вступить в новый век – век ЭВМ. Это не значит, что без войны век ЭВМ не наступил бы. ЭВМ была бы создана в любом случае, война только обострила потребность в быстром счете и тем самым ускорила работу по созданию ЭВМ.

Решением этой проблемы занялись крупнейшие ученые того времени. Среди них был Норберт Винер – известный американский математик. Он указал, как по наблюдению траектории полета самолета до выстрела орудия можно определить положение его ствола в момент выстрела, при котором вероятность поражения будет максимальна.

Способ, предложенный Н. Винером, требовал большого объема вычислений, которые нужно было сделать за те мгновения, пока самолет приближался к цели, т.е. за 2–3 с. С такой задачей арифмометр бы не справился. Нужна была электроника!

Н. Винером был сформирован ряд требований к вычислительным машинам:

1) они должны состоять из электронных ламп (для обеспечения достаточного быстродействия);

2) использование более экономичной двоичной, а недесятичной системы счисления;

3) машина сама должна корректировать свои действия, вней необходимо выработать способность к самообучению.

Переход на безынерционные электронные элементы в вычислительной технике вызвал существенный прогресс. Вычислительные машины, основанные на электронных триггерных схемах, использующих вакуумные триоды, открыли новое направление в вычислительной технике - «электронных вычислительных машин».

Первыми разработками электронного периода были машины Дж. Атанасова, проект Ультра (аппарат «ENIGMA»), машина Тьюринга, электронный компьютер «Колосс».^[10]

2.2 Поколения ЭВМ

Существует своеобразная периодизация развития ЭВМ, называемая поколениями ЭВМ. Поколение ЭВМ – это все типы и модели ЭВМ, построенные на одних и тех же научных и технических принципах. Основные признаки деления ЭВМ на поколения в:

1. Элементной базе.

2. Быстродействии.

3. Емкости памяти.

4. Способах управления и переработки информации и пр.

Границы поколений во времени размыты, поскольку в одно и то же время выпускались машины совершенно разных уровней. При приведении дат, относящихся к поколениям, обычно имеется в виду период промышленного производства. В табл. 1 приведено разделение ЭВМ на поколения.

Таблица 1 - Поколения ЭВМ

2.2.1 Первое поколение ЭВМ

Первым поколением ЭВМ считается время становления машин архитектуры фон Неймана, основанных на электронных лампах со скоростью 10–20 тыс. арифметических операций в секунду.

Программными средствами были машинный языки язык ассемблера. В нашей стране к первому поколению относят первую отечественную вычислительную машину МЭСМ, созданную в 1951г. в г. Киеве под руководством академика С.А. Лебедева, серийные машины «Минск-1», «Стрела», БЭСМ (рис. 6), «Урал-1», «Урал-4» ипр. ЭВМ первого поколения выделяются следующими особенностями:

1. Элементной базой: электронно-вакуумными лампами.

2. Быстродействием: 10–20 тыс. операций в секунду.

3. Емкостью оперативной памяти: 2 Кбайта или 2048 машинных слов длиной 48 двоичных знаков.

4. Программированием: трудоемким процессом в машинных кодах. При этом необходимо знание всех команд машины, их двоичного представления. Нужно было знать устройство ЭВМ и как она реагирует на определенную ситуацию. Программы для этих машин писались на языке конкретной машины.

5. Устройствами ввода-вывода: печатающими устройствами, устройствами вывода информации на магнитные ленты, перфокарты, перфоленты.

6. Низкой надежностью: эксплуатация ЭВМ была слишком сложна из-за частого выхода из строя базовых элементов. Каждые 7–8 минут одна из ламп выходила из строя, а поскольку в компьютере их было 15–20 тыс., то для поиска и замены поврежденной лампы требовалось много времени. Кроме того, ими выделялось огромное количество тепла, и для работы вычислительной машины требовались специальные системы охлаждения.

7. Соединением элементов: навесным монтажом проводов. Чтобы разобраться в запутанных схемах огромного компьютера, требовались целые бригады инженеров.

8. Габаритами: использование электронной лампы в качестве основного элемента ЭВМ создавало множество проблем. Из-за того, что высота стеклянной лампы 7 см, машины были огромных размеров. ЭВМ была выполнена в виде громоздких шкафов и занимала специальный машинный зал площадью в 150–300 м². Кроме основных, были еще устройства ввода-вывода, внешняя память на магнитных лентах, устройства для набивки перфокарт и пр. С учетом этого площадь еще больше возрастала. «Рекордсменом» по занимаемой площади считалась американская машина БИЗМАК 1955г. выпуска, размещавшаяся на площади в 1600 м2, равнозначной площади 50-квартирного дома.

9. Режимом эксплуатации: как правило, круглосуточной работой ЭВМ первого поколения. Выключались машины только в случае аварии или профилактического ремонта. Включение ЭВМ после выключения было долгой процедурой, для этого требовалась длительная работа многочисленных наладчиков.

10. Высокой общей численностью персонала на одну ЭВМ в несколько сотен человек. Состав обслуживающего персонала был представлен: математиками-программистами, специалистами по электронной вычислительной технике, электриками, механиками, специалистами по вентиляционной и холодильной технике, операторами-наладчиками, перфораторщиками, диспетчерами и пр.

11. Высокими затратами на эксплуатацию ЭВМ: стоимостью электроэнергии, воды для охлаждения, содержания персонала, ремонта аппаратуры и оборудования, оснащения приборами и инструментами, строительства или аренды помещения, составлявшими сумму, вполне сопоставимую с затратами на производственные нужды небольшого завода. Продукция такого «завода» было машинное время. Оплата составляла несколько тысяч рублей за один час машинного времени.

Рисунок 6 – ЭВМ БЭСМ

Несмотря на ограниченные возможности, ЭВМ первого поколения выполняли сложнейшие расчеты, необходимые для прогнозирования погоды, решения задач атомной энергетики и пр.^[11]

В табл. 2 приведены основные технические характеристики некоторых отечественных машин первого поколения.

Опыт использования машин первого поколения показал, что существует огромный разрыв между временем, затрачиваемым на разработку программ, и временем счета. Поэтому начали интенсивно разрабатывать средства автоматизации программирования, создавать системы обслуживающих программ, упрощающих работу на машине и повышающих эффективность ее использования.^[12]

Таблица 2 - Характеристики некоторыхотечественных машин первого поколения

2.2.2 Второе поколение ЭВМ

Особенность второго периода – в использовании транзистора в качестве переключательного элемента (вместо вакуумной лампы), быстродействие возросло до сотен тысяч операций в секунду; появлении основной памяти на магнитных сердечниках и внешней памяти на магнитных барабанах. В это же время были разработаны алгоритмические языки высокого уровня Алгол, Кобол, Фортран, позволившие составление программ без учета типа машины. В нашей стране это поколение состоит из машин «Минск-2» (рис. 7), «Минск-22», «Минск-32», «БЭСМ-2»,«БЭСМ-4», «БЭСМ-6», быстродействие которых составляло миллион операций в секунду. ЭВМ второго поколения выделяются следующими особенностями:

1. Элементной базой: транзисторами.

2. Соединением элементов: печатными платами и навесным монтажом.

3. Быстродействием: замена в ЭВМ ламп на транзисторы сразу же увеличила производительность. Если быстродействие ламповых вычислительных машин составляло несколько тысяч операций в секунду, то ЭВМ на транзисторах – десятки и сотни тысяч. Так, быстродействие ЭВМ «Урал-11» составляло порядка 50 тыс. операций в секунду, «Минск-32»– 65 тыс., «Урал-16»– 100 тыс., а наиболее мощной советской ЭВМ второго поколения - «БЭСМ-6» –до 1 млн. операций в секунду.

4. Объемом оперативной памяти, увеличенном в ЭВМ второго поколения в сотни раз. В ЭВМ «Урал-14»–оперативная память на 65 тыс. чисел, в «БЭСМ-6»–на 32 тыс. чисел, в американской «Стретч»– 260 тыс., «Урал-16»–до 500 тыс. ит.д. Оперативная память построена на магнитных сердечниках.^[13]

5. Габаритами: ЭВМ выполнена в виде однотипных стоек, чуть выше человеческого роста. Для их размещения требовался специально оборудованный машинный зал, в котором под полом прокладывались кабели, соединявшие между собой многочисленные автономные устройства.

Номиниатюрностьэлектронныхэлементовисхемпозволиласущественноуменьшитьгабариты. Если ЭВМ первого поколения «Стрела» размещалась на площади 200 м2, то полупроводниковая ЭВМ того же класса «Минск-2» могла размещаться на площади 35–40 м2.

6. Устройствами ввода-вывода: появлением высокопроизводительных устройств для работы с магнитными лентами, магнитными барабанами и первыми магнитными дисками.