Во все времена, начиная с древности, людям необходимо было считать. Сначала для счета использовали пальцы собственных рук или камешки. Однако даже простые арифметические операции с большими числами трудны для мозга человека. Поэтому уже в древности был придуман простейший инструмент для счета – абак, изобретенный более 15 веков назад в странах Средиземноморья. Этот прообраз современных счетов представлял собой набор костяшек, нанизанных на стержни, и использовался купцами.
Стержни абака в арифметическом смысле представляют собой десятичные разряды. Каждая костяшка на первом стержне имеет достоинство 1, на втором стержне – 10, на третьем стержне – 100 и т.д. До XVII века счеты оставались практически единственным счетным инструментом.
В России так называемые русские счеты появились в XVI веке. Они основаны на десятичной системе счисления и позволяют быстро выполнять арифметические действия (рис. 6)
Рис. 6. Счеты
В 1614 году математик Джон Непер изобрел логарифмы.
Логарифм – это показатель степени, в которую нужно возвести число (основание логарифма), чтобы получить другое заданное число. Открытие Непера состояло в том, что таким способом можно выразить любое число, и что сумма логарифмов двух любых чисел равна логарифму произведения этих чисел. Это дало возможность свести действие умножения к более простому действию сложения. Непер создал таблицы логарифмов. Для того, чтобы перемножить два числа, нужно посмотреть в этой таблице их логарифмы, сложить их и отыскать число, соответствующее этой сумме, в обратной таблице – антилогарифмов. На основе этих таблиц в 1654 году Р. Биссакар и в 1657 году независимо от него С. Партридж разработали прямоугольную логарифмическую линейку: основной счетный прибор инженера до середины XX века (рис. 7).
Рис. 7. Логарифмическая линейка
В 1642 году Блэз Паскаль изобрел механическую суммирующую машину, использующую десятичную систему счисления. Каждый десятичный разряд представляло колесико с десятью зубцами, обозначавшими цифры от 0 до 9. Всего колесиков было 8, то есть машина Паскаля была 8-разрядной.
Однако победила в цифровой вычислительной технике не десятичная, а двоичная система счисления. Главная причина этого в том, что в природе встречается множество явлений с двумя устойчивыми состояниями, например, «включено/выключено», «есть напряжение / нет напряжения», «ложное высказывание / истинное высказывание», а явления с десятью устойчивыми состояниями – отсутствуют. Почему же десятичная система так широко распространена? Да просто потому, что у человека на двух руках – десять пальцев, и их удобно использовать для простого устного счета. Но в электронной вычислительной технике гораздо проще применять двоичную систему счисления всего с двумя устойчивыми состояниями элементов и простейшими таблицами сложения и умножения. В современных цифровых вычислительных машинах – компьютерах – двоичная система используется не только для записи чисел, над которыми нужно производить вычислительные операции, но и для записи самих команд этих вычислений и даже целых программ операций. При этом все вычисления и операции сводятся в компьютере к простейшим арифметическим действиям над двоичными числами.
Одним из первых проявил интерес к двоичной системе великий немецкий математик Готфрид Лейбниц. В 1666 году в двадцатилетнем возрасте, в работе «Об искусстве комбинаторики» он разработал общий метод, позволяющий свести любую мысль к точным формальным высказываниям. Это открыло возможность перевести логику (Лейбниц называл ее законами мышления) из царства слов в царство математики, где отношения между объектами и высказываниями определяются точно и определенно. Таким образом, Лейбниц явился основателем формальной логики. Он занимался исследованием двоичной системы счисления. При этом Лейбниц наделял ее неким мистическим смыслом: цифру 1 он ассоциировал с Богом, а 0 – с пустотой. От этих двух цифр, по его мнению, произошло все. И с помощью этих двух цифр можно выразить любое математическое понятие. Лейбниц первым высказал мысль, что двоичная система может стать универсальным логическим языком.
Лейбниц мечтал о построении «универсальной науки». Он хотел выделить простейшие понятия, с помощью которых по определенным правилам можно сформулировать понятия любой сложности. Мечтал о создании универсального языка, на котором можно было бы записывать любые мысли в виде математических формул. Думал о машине, которая могла бы выводить теоремы из аксиом, о превращении логических утверждений в арифметические. В 1673 году создал новый тип арифмометра – механический калькулятор, который не только складывает и вычитает числа, но и умножает, делит, возводит в степень, извлекает квадратные и кубические корни. В нем использовалась двоичная система счисления.
Универсальный логический язык создал в 1847 году английский математик Джордж Буль. Он разработал исчисление высказываний, впоследствии названное в его честь булевой алгеброй. Она представляет собой формальную логику, переведенную на строгий язык математики. Формулы булевой алгебры внешне похожи на формулы той алгебры, что знакома нам со школьной скамьи. Однако это сходство не только внешнее, но и внутреннее. Булева алгебра – это вполне равноправная алгебра, подчиняющаяся своду принятых при ее создании законов и правил. Она является системой обозначений, применимой к любым объектам – числам, буквам и предложениям. Пользуясь этой системой, можно закодировать любые утверждения, истинность или ложность которых нужно доказать, а затем манипулировать ими подобно обычным числам в математике.
Буль Джордж (1815–1864) – английский математик и логик, один из основоположников математической логики. Разработал алгебру логики (в трудах «Математический анализ логики» (1847) и «Исследование законов мышления» (1854)).
Огромную роль в распространении булевой алгебры и ее развитии сыграл американский математик Чарльз Пирс.
Пирс Чарльз (1839–1914) – американский философ, логик, математик и естествоиспытатель, известен своими работами по математической логике.
Предмет рассмотрения в алгебре логики – так называемые высказывания, т.е. любые утверждения, о которых можно сказать, что они либо истинны, либо ложны: «Омск – город в России», «15 – четное число». Первое высказывание истинно, второе – ложно.
Сложные высказывания, получаемые из простых с помощью союзов И, ИЛИ, ЕСЛИ...ТО, отрицания НЕ, также могут быть истинными или ложными. Их истинность зависит только от истинности или ложности образующих их простых высказываний, например: «Если на улице нет дождя, то можно пойти гулять». Основная задача булевой алгебры состоит в изучении этой зависимости. Рассматриваются логические операции, позволяющие строить сложные высказывания из простых: отрицание (НЕ), конъюнкция (И), дизъюнкция (ИЛИ) и другие.
В 1804 году Ж. Жаккар изобрел ткацкую машину для выработки тканей с крупным узором. Этот узор программировался с помощью целой колоды перфокарт – прямоугольных карточек из картона. На них информация об узоре записывалась пробивкой отверстий (перфораций), расположенных в определенном порядке. При работе машины эти перфокарты ощупывались с помощью специальных штырей. Именно таким механическим способом с них считывалась информация для плетения запрограммированного узора ткани. Машина Жаккара явилась прообразом машин с программным управлением, созданных в ХХ веке.
В 1820 году Тома де Кольмар разработал первый коммерческий арифмометр, способный умножать и делить. Начиная с XIX века, арифмометры получили широкое распространение при выполнении сложных расчетов.
В 1830 году Чарльз Бэббидж попытался создать универсальную аналитическую машину, которая должна была выполнять вычисления без участия человека. Для этого в нее вводились программы, которые были заранее записаны на перфокартах из плотной бумаги с помощью отверстий, сделанных на них в определенном порядке (слово «перфорация» означает «пробивка отверстий в бумаге или картоне»). Принципы программирования для аналитической машины Бэббиджа разработала в 1843 году Ада Лавлейс – дочь поэта Байрона.
Рис. 8. Чарльз Бэббидж
Рис. 9. Ада Лавлейс
Аналитическая машина должна уметь запоминать данные и промежуточные результаты вычислений, то есть иметь память. Эта машина должна была содержать три основных части: устройство для хранения чисел, набиравшихся с помощью зубчатых колес (память), устройство для операций над числами (арифметическое устройство) и устройство для операций над числами с помощью перфокарт (устройство программного управления). Работа по созданию аналитической машины не была завершена, но заложенные в ней идеи помогли построить в XX веке первые компьютеры (в переводе с английского это слово означает «вычислитель»).
В 1880 году В.Т. Однер в России создал механический арифмометр с зубчатыми колесами, и в 1890 году наладил его массовый выпуск. В дальнейшем под названием «Феликс» он выпускался до 50-х годов XX века (рис. 11).
Рис. 10. В.Т. Однер
Рис. 11. Механический арифмометр «Феликс»
В 1888 году Герман Холлерит (рис. 12) создал первую электромеханическую счетную машину – табулятор, в котором нанесенная на перфокарты (рис. 13) информация расшифровывалась электрическим током. Эта машина позволила в несколько раз сократить время подсчетов при переписи населения в США. В 1890 г. изобретение Холлерита было впервые использовано в 11-й американской переписи населения. Работа, которую 500 сотрудников раньше выполняли целых 7 лет, Холлерит с 43 помощниками на 43 табуляторах закончили за один месяц.
В 1896 году Холлерит основал фирму под названием Tabulating Machine Co. В 1911 году эта компания была объединена с двумя другими фирмами, специализировавшимися на автоматизации обработки статистических данных, а свое современное название IBM (International Business Machines) получила в 1924 г. Она стала электронной корпорацией, одним из крупнейших мировых производителей всех видов компьютеров и программного обеспечения, провайдером глобальных информационных сетей. Основателем IBM стал Томас Уотсон Старший, возглавивший компанию в 1914 году, фактически создавший корпорацию IBM и руководивший ею более 40 лет. С середины 1950-х годов Ай-Би-Эм заняла ведущее положение на мировом компьютерном рынке. В 1981 году компания создала свой первый персональный компьютер, который стал стандартом в своей отрасли. К середине 1980-х годов IBM контролировала около 60% мирового производства электронно-вычислительных машин.
Рис. 12. Томас Уотсон старший
Рис. 13. Герман Холлерит
В конце XIX века была изобретена перфолента – бумажная или целлулоидная пленка, на которую информация наносилась перфоратором в виде совокупности отверстий.
Широкая бумажная перфолента была применена в монотипе – наборной машине, изобретенной Т. Ланстоном в 1892 году. Монотип состоял из двух самостоятельных аппаратов: клавиатуры и отливного аппарата. Клавиатура служила для составления программы набора на перфоленте, а отливной аппарат изготавливал набор в соответствии с ранее составленной на клавиатуре программой из специального типографского сплава – гарта.
Рис. 14. Перфокарта
Рис. 15. Перфоленты
Наборщик садился за клавиатурный аппарат, смотрел в стоящий перед ним на пюпитре текст и нажимал на соответствующие клавиши. При ударе по одной из буквенных клавиш иглы перфорирующего механизма с помощью сжатого воздуха пробивали в бумажной ленте кодовую комбинацию из отверстий. Эта комбинация соответствовала данной букве, знаку или пробелу между ними. После каждого удара по клавише бумажная лента передвигалась на один шаг – 3 мм. Каждый горизонтальный ряд отверстий на перфоленте соответствует одной букве, знаку или пробелу между ними. Готовую (пробитую) катушку перфоленты переносили в отливной аппарат, в котором также с помощью сжатого воздуха с перфоленты считывалась закодированная на ней информация и автоматически изготавливался набор из литер. Таким образом, монотип является одной из первых в истории техники машин с программным управлением. Он относился к машинам горячего набора и со временем уступил свое место сначала фотонабору, а затем электронному набору.
Несколько ранее монотипа, в 1881 году, была изобретена пианола (или фонола) – инструмент для автоматической игры на фортепиано. Действовала она также с помощью сжатого воздуха. В пианоле каждой клавише обыкновенного пианино или рояля соответствует молоточек, ударяющий но ней. Все молоточки вместе составляют контрклавиатуру, приставляемую к клавиатуре пианино. В пианолу вставляется широкая бумажная перфолента, намотанная на валик. Отверстия на перфоленте проделаны заранее во время игры пианиста – это своеобразные «ноты». При работе пианолы перфолента перематывается с одного валика на другой. Считывание записанной на ней информации производится с помощью пневматического механизма. Он приводит в действие молоточки, соответствующие отверстиям на перфоленте, заставляет их ударять по клавишам и воспроизводить игру пианиста. Таким образом, пианола также являлась машиной с программным управлением. Благодаря сохранившимся перфолентам пианол удалось восстановить и заново записать современными методами игру таких замечательных пианистов прошлого, как композитор А.Н. Скрябин. Пианолой пользовались известные композиторы и пианисты Рубинштейн, Падеревский, Бузони.
Позднее было применено считывание информации с перфоленты и перфокарт с помощью электрических контактов – металлических щеточек, которые при попадании на отверстие замыкали электрическую цепь. Затем щеточки заменили на фотоэлементы, и считывание информации стало оптическим, бесконтактным. Так записывалась и считывалась информация в первых цифровых вычислительных машинах.
Логические операции тесно связаны с повседневной жизнью.
С помощью одного элемента ИЛИ на два входа, двух элементов И на два входа и одного элемента НЕ можно построить логическую схему двоичного полусумматора, способного осуществлять операцию двоичного сложения двух одноразрядных двоичных чисел (т.е. выполнять правила двоичной арифметики):
0 +0 =0; 0+1=1; 1+0=1; 1+1=0. При этом он выделяет бит переноса.
Однако такая схема не содержит третьего входа, на который можно подавать сигнал переноса от предыдущего разряда суммы двоичных чисел. Поэтому полусумматор используется только в младшем разряде логической схемы суммирования многоразрядных двоичных чисел, где не может быть сигнала переноса от предыдущего двоичного разряда. Полный двоичный сумматор складывает два многоразрядных двоичных числа с учетом сигналов переноса от сложения в предыдущих двоичных разрядах.
Соединяя двоичные сумматоры в каскад, можно получить логическую схему сумматора для двоичных чисел с любым числом разрядов.
С некоторыми изменениями эти логические схемы применяются и для вычитания, умножения и деления двоичных чисел. С их помощью построены арифметические устройства современных компьютеров.
В 1937 году Джордж Стибиц (рис.16) создал из обыкновенных электромеханических реле двоичный сумматор – устройство, способное выполнять операцию сложения чисел в двоичном коде. И сегодня двоичный сумматор по–прежнему является одним из основных компонентов любого компьютера, основой его арифметического устройства.
Рис. 16. Джордж Стибиц
В 1937–1942 гг. Джон Атанасофф (рис. 17) создал модель первой вычислительной машины, работавшей на вакуумных электронных лампах. В ней использовалась двоичная система счисления. Для ввода данных и вывода результатов вычислений использовались перфокарты. Работа над этой машиной в 1942 году была практически завершена, но из-за войны дальнейшее финансирование было прекращено.
Рис. 17. Джон Атанасофф
В 1937 году Конрад Цузе (рис.12) создал свою первую вычислительную машину Z1 на основе электромеханических реле. Исходные данные вводились в нее с помощью клавиатуры, а результат вычислений высвечивался на панели с множеством электрических лампочек. В 1938 году К. Цузе создал усовершенствованную модель Z2. Программы в нее вводились с помощью перфоленты. Ее изготавливали, пробивая отверстия в использованной 35-миллиметровой фотопленке. В 1941 году К. Цузе построил действующий компьютер Z3, а позднее и Z4, основанные на двоичной системе счисления. Они использовались для расчетов при создании самолетов и ракет. В 1942 году Конрад Цузе и Хельмут Шрайер задумали перевести Z3 с электромеханических реле на вакуумные электронные лампы. Такая машина должна была работать в 1000 раз быстрее, но создать ее не удалось – помешала война.
Рис. 18. Конрад Цузе
В 1943–1944 годах на одном из предприятий Ай-Би-Эм (IBM) в сотрудничестве с учеными Гарвардского университета во главе с Говардом Эйкеном была создана вычислительная машина «Марк-1». Весила она около 35 тонн. «Марк-1» был основан на применении электромеханических реле и оперировал числами, закодированными на перфоленте.
При ее создании использовались идеи, заложенные Ч. Бэббиджем в его аналитической машине. В отличие от Стибица и Цузе, Эйкен не осознал преимуществ двоичной системы счисления и в своей машине использовал десятичную систему. Машина могла манипулировать числами длиной до 23 разрядов. Для перемножения двух таких чисел ей было необходимо затратить 4 секунды. В 1947 году была создана машина «Марк-2», в которой уже использовалась двоичная система счисления. В этой машине операции сложения и вычитания занимали в среднем 0,125 секунды, а умножение – 0,25 секунды.
Абстрактная наука алгебра логики близка к практической жизни. Она позволяет решать самые разные задачи управления.
Входные и выходные сигналы электромагнитных реле, подобно высказываниям в булевой алгебре, также принимают только два значения. Когда обмотка обесточена, входной сигнал равен 0, а если по обмотке протекает ток, входной сигнал равен 1. Когда контакт реле разомкнут, выходной сигнал равен 0, а если контакт замкнут – равен 1.
Именно это сходство между высказываниями в булевой алгебре и поведением электромагнитных реле заметил известный физик Пауль Эренфест. Еще в 1910 году он предложил использовать булеву алгебру для описания работы релейных схем в телефонных системах. По другой версии, идея использования булевой алгебры для описания электрических переключательных схем принадлежит Пирсу. В 1936 году основатель современной теории информации Клод Шеннон в своей докторской диссертации объединил двоичную систему счисления, математическую логику и электрические цепи.
Связи между электромагнитными реле в схемах удобно обозначать с помощью логических операций НЕ, И, ИЛИ, ПОВТОРЕНИЕ (ДА) и т.д. Например, последовательное соединение контактов реле реализует операцию И, а параллельное соединение этих контактов – логическую операцию ИЛИ. Аналогично выполняются операции И, ИЛИ, НЕ в электронных схемах, где роль реле, замыкающих и размыкающих электрические цепи, выполняют бесконтактные полупроводниковые элементы – транзисторы, созданные в 1947–1948 годах американскими учеными Д. Бардиным, У. Браттейном и У. Шокли.
Электромеханические реле работали слишком медленно. Поэтому уже в 1943 году американцы начали разработку вычислительной машины на основе электронных ламп. В 1946 году Преспер Эккерт и Джон Мочли (рис. 13) построили первую электронную цифровую вычислительную машину ENIAC. Ее вес составлял 30 тонн, она занимала 170 кв. м площади. Вместо тысяч электромеханических реле ENIAC содержал 18000 электронных ламп. Считала машина в двоичной системе и производила 5000 операций сложения или 300 операций умножения в секунду. На электронных лампах в этой машине было построено не только арифметическое, но и запоминающее устройство. Ввод числовых данных осуществлялся с помощью перфокарт, программы же вводились в эту машину с помощью штекеров и наборных полей, то есть приходилось соединять для каждой новой программы тысячи контактов. Поэтому для подготовки к решению новой задачи требовалось до нескольких дней, хотя сама задача решалась за несколько минут. Это было одним из основных недостатков такой машины.
Рис. 19. Преспер Эккерт и Джон Мочли
Работы трех выдающихся ученых – Клода Шеннона, Алана Тьюринга и Джона фон Неймана – стали основой для создания структуры современных компьютеров.
Шеннон Клод (1916 г.р.) – американский инженер и математик, основоположник математической теории информации.
В 1948 году опубликовал работу «Математическая теория связи», со свой теорией передачи и обработки информации, которая включала все виды сообщений, в том числе передаваемых по нервным волокнам в живых организмах. Шеннон ввел понятие количества информации как меры неопределенности состояния системы, снимаемой при получении информации. Он назвал эту меру неопределенности энтропией по аналогии с подобным понятием в статистической механике. При получении наблюдателем информации энтропия, то есть степень его неосведомленности о состоянии системы, уменьшается.
Тьюринг Алан (1912–1954) – английский математик. Основные труды – по математической логике и вычислительной математике. В 1936–1937 гг. написал основополагающую работу «О вычислимых числах», в которой ввел понятие абстрактного устройства, названного впоследствии «машиной Тьюринга». В этом устройстве он предвосхитил основные свойства современного компьютера. Тьюринг назвал свое устройство «универсальной машиной», так как она должна была решать любую допустимую (теоретически разрешимую) математическую или логическую задачу. Данные в нее нужно вводить с бумажной ленты, поделенной на ячейки – клетки. В каждой такой клетке должен был либо содержаться символ, либо нет. Машина Тьюринга могла обрабатывать вводимые с ленты символы и изменять их, то есть стирать их и записывать новые по инструкциям, хранимым в ее внутренней памяти.
Нейман Джон фон (1903–1957) – американский математик и физик, участник работ по созданию атомного и водородного оружия. Родился в Будапеште, с 1930 года проживал в США. В своем докладе, опубликованном в 1945 году и ставшем первой работой по цифровым электронным компьютерам, выделил и описал «архитектуру» современного компьютера.
В следующей машине – EDVAC – ее более вместительная внутренняя память способна была хранить не только исходные данные, но и программу вычислений. Эту идею – хранить в памяти машины программы – наряду с Мочли и Эккертом выдвинул математик Джон фон Нейман. Он впервые описал структуру универсального компьютера (так называемую «архитектуру фон Неймана» современного компьютера). Для универсальности и эффективной работы, по мнению фон Неймана, компьютер должен содержать центральное арифметико-логическое устройство, центральное устройство управления всеми операциями, запоминающее устройство (память) и устройство ввода/вывода информации, а программы следует хранить в памяти компьютера.
Фон Нейман считал, что компьютер должен работать на основе двоичной системы счисления, быть электронным и выполнять все операции последовательно, одну за другой. Эти принципы заложены в основу всех современных компьютеров.
Машина на электронных лампах работала значительно быстрее, чем на электромеханических реле, но сами электронные лампы были ненадежны. Они часто выходили из строя. Для их замены в 1947 году Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли предложили использовать изобретенные ими переключающие полупроводниковые элементы – транзисторы.
Бардин Джон (1908–1991) – американский физик. Один из создателей первого транзистора (Нобелевская премия 1956 г. по физике совместно с У. Браттейном и У. Шокли за открытие транзисторного эффекта). Один из авторов микроскопической теории сверхпроводимости (вторая Нобелевская премия 1957 г. совместно с Л. Купером и Д. Шриффеном).
Браттейн Уолтер (1902–1987) – американский физик, один из создателей первого транзистора, лауреат Нобелевской премии по физике 1956 года.
Шокли Уильям (1910–1989) – американский физик, один из создателей первого транзистора, лауреат Нобелевской премии по физике 1956 года.
В современных компьютерах микроскопические транзисторы в кристалле интегральной схемы сгруппированы в системы «вентилей», выполняющих логические операции над двоичными числами. Так, например, с их помощью построены описанные выше двоичные сумматоры, позволяющие складывать многоразрядные двоичные числа, производить вычитание, умножение, деление и сравнение чисел между собой. Логические «вентили», действуя по определенным правилам, управляют движением данных и выполнением инструкций в компьютере.
Совершенствование первых образцов вычислительных машин привело в 1951 году к созданию компьютера UNIVAC, предназначенного для коммерческого использования. Он стал первым серийно выпускаемым компьютером.
Серийный ламповый компьютер IBM 701, появившийся в 1952 году, выполнял до 2200 операций умножения в секунду.
Компьютер IBM 701
Инициатива создания этой системы принадлежала Томасу Уотсону–младшему. В 1937 году он начал работать в компании в качестве коммивояжера. Он прерывал свою работу в IBM лишь во время войны, когда был летчиком военно-воздушных сил Соединенных Штатов. Вернувшись на работу в компанию в 1946–м, он стал ее вице-президентом и возглавлял компанию IBM с 1956 до 1971 года. Оставаясь членом совета директоров IBM, Томас Уотсон с 1979 по 1981 год являлся послом Соединенных Штатов в СССР.
Томас Уотсон (младший)
В 1964 году фирма IBM объявила о создании шести моделей семейства IBM 360 (System 360), ставших первыми компьютерами третьего поколения. Модели имели единую систему команд и отличались друг от друга объемом оперативной памяти и производительностью. При создании моделей семейства использовался ряд новых принципов, что делало машины универсальными и позволяло с одинаковой эффективностью применять их как для решения задач в различных областях науки и техники, так и для обработки данных в сфере управления и бизнеса. IBM System/360 (S/360) – это семейство универсальных компьютеров класса мейнфреймов. Дальнейшим развитием IBM/360 стали системы 370, 390, z9 и zSeries. В СССР IBM/360 была клонирована под названием ЕС ЭВМ. Они были программно совместимы со своими американскими прообразами. Это давало возможность использовать западное программное обеспечение в условиях неразвитости отечественной «индустрии программирования».
Компьютер IBM/360
Т. Уотсон (младший) и В. Лерсон у компьютера IBM/360
Первая в СССР Малая Электронная Счетная машина (МЭСМ) на электронных лампах была построена в 1949–1951 гг. под руководством академика С.А. Лебедева. Независимо от зарубежных учёных С.А. Лебедев разработал принципы построения ЭВМ с хранимой в памяти программой. МЭСМ была первой такой машиной. А в 1952–1954 гг. под его руководством была разработана Быстродействующая Электронная Счетная машина (БЭСМ), выполнявшая 8000 операций в секунду.
Лебедев Сергей Алексеевич
Созданием электронных вычислительных машин руководили крупнейшие советские ученые и инженеры И.С. Брук, В.М. Глушков, Ю.А. Базилевский, Б.И. Рамеев, Л.И. Гутенмахер, Н.П. Брусенцов.
К первому поколению советских компьютеров относятся ламповые ЭВМ – «БЭСМ-2», «Стрела», «М-2», «М-3», «Минск», «Урал-1», «Урал-2», «М-20».
Ко второму поколению советских компьютеров относятся полупроводниковые малые ЭВМ «Наири» и «Мир», средние ЭВМ для научных расчетов и обработки информации со скоростью 5–30 тысяч операций в секунду «Минск-2», «Минск-22», «Минск-32», «Урал-14», «Раздан-2», «Раздан-3», «БЭСМ-4», «М-220» и управляющие ЭВМ «Днепр», «ВНИИЭМ-3», а также сверхбыстродействующая БЭСМ-6 с производительностью 1 млн. операций в секунду.
Родоначальниками советской микроэлектроники были ученые, эмигрировавшие из США в СССР: Ф.Г. Старос (Альфред Сарант) и И.В. Берг (Джоэл Барр). Они стали инициаторами, организаторами и руководителями центра микроэлектроники в Зеленограде под Москвой.
Ф.Г. Старос
Компьютеры третьего поколения на интегральных микросхемах появились в СССР во второй половине 1960–х годов. Были разработаны Единая Система ЭВМ (ЕС ЭВМ) и Система Малых ЭВМ (СМ ЭВМ) и организовано их серийное производство. Как уже указывалось выше, эта система представляла собой клон американской системы IBM/360.
Евгений Алексеевич Лебедев был ярым противником начавшегося в 1970-е годы копирования американской системы IBM/360, которая в советском варианте носила название ЕС ЭВМ. Роль ЕС ЭВМ в развитии отечественных компьютеров неоднозначна.
На начальном этапе появление ЕС ЭВМ привело к унификации компьютерных систем, позволило установить начальные стандарты программирования и организовывать широкомасштабные проекты, связанные с внедрением программ.
Ценой этого было повсеместное свёртывание собственных оригинальных разработок и попадание в полную зависимость от идей и концепций фирмы IBM, далеко не самых лучших по тому времени. Резкий переход от простых в эксплуатации советских машин к намного более сложным аппаратным и программным средствам IBM/360 привёл к тому, что многие программисты должны были преодолевать трудности, связанные с недоделками и ошибками IBM-ских разработчиков. Начальные модели ЕС ЭВМ по эксплуатационным характеристикам нередко уступали отечественным компьютерам того времени.
На позднем этапе, особенно в 80-е, повсеместное внедрение ЕС ЭВМ превратилось в серьёзный тормоз для развития программного обеспечения, баз данных, диалоговых систем. После дорогостоящих и заранее спланированных закупок предприятия были вынуждены эксплуатировать морально устаревшие компьютерные системы. Параллельно развивались системы на малых машинах и на персональных компьютерах, которые становились всё более и более популярны.
На позднейшем этапе, с началом перестройки, с 1988–89 годов, нашу страну наводнили зарубежные персональные компьютеры. Никакие меры уже не могли остановить кризис серии ЕС ЭВМ. Отечественная промышленность не смогла создать аналогов или заменителей ЕС ЭВМ на новой элементной базе. Экономика СССР не позволила к тому времени затратить гигантские финансовые средства для создания микроэлектронной техники. В итоге произошёл полный переход на импортные компьютеры. Были окончательно свёрнуты программы по разработке отечественных компьютеров. Возникли проблемы переноса технологий на современные компьютеры, модернизации технологий, трудоустройства и переквалификации сотен тысяч специалистов.
Прогноз С.А. Лебедева оправдался. И в США, и во всем мире в дальнейшем пошли по пути, который он предлагал: с одной стороны, создаются суперкомпьютеры, а с другой – целый ряд менее мощных, ориентированных на различные применения компьютеров – персональных, специализированных и др.
Четвертое поколение советских компьютеров реализовано на основе больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных микросхем.
Примером крупных вычислительных систем четвертого поколения стал многопроцессорный комплекс «Эльбрус-2» с быстродействием до 100 млн. операций в секунду.
В 1950-х годах было создано второе поколение компьютеров, выполненных на транзисторах. В результате быстродействие машин возросло в 10 раз, а размеры и вес значительно уменьшились. Стали применять запоминающие устройства на магнитных ферритовых сердечниках, способные хранить информацию неограниченное время даже при отключении компьютеров. Их разработал Джой Форрестер в 1951–1953 годах. Большие объемы информации хранились на внешнем носителе, например на магнитной ленте или на магнитном барабане.
Первый в истории вычислительной техники накопитель на жестких магнитных дисках (винчестер – winchester) разработала в 1956 году группа инженеров IBM под руководством Рейнольда Б. Джонсона. Устройство носило название 305 RAMAC – контрольно-считывающее устройство по методу случайного доступа (Random Access Method of Accounting and Control). Накопитель состоял из 50 алюминиевых дисков диаметром 24 дюйма (около 60 см) при толщине 2,5 см каждый. На поверхность алюминиевой пластины наносился магнитный слой, на который и осуществлялась запись. Вся эта конструкция из дисков на общей оси в рабочем режиме вращалась с постоянной скоростью 1200 об/мин, а сам накопитель занимал площадку размерами 3х3,5 м. Суммарная емкость его составляла 5 Мb. Одним из важнейших принципов, использованных в конструкции RAMAC 305, явилось то, что головки не прикасались к поверхности дисков, а зависали на малом фиксированном расстоянии. Для этого использовались специальные воздушные сопла, которые направляли поток к диску через маленькие отверстия в держателях головок и тем самым создавали зазор между головкой и поверхностью вращающейся пластины.
Винчестер (жесткий диск) обеспечил компьютерных пользователей возможностью хранить очень большие объемы информации и при этом быстро извлекать нужные данные. После создания винчестера в 1958 году от носителей на магнитных лентах отказались.
В 1959 году Д. Килби, Д. Херни, К. Леховец и Р. Нойс (рис. 14) изобрели интегральные микросхемы (чипы), в которых все электронные компоненты вместе с проводниками помещались внутри кремниевой пластинки. Применение чипов в компьютерах позволило сократить пути прохождения тока при переключениях. Скорость вычислений при этом увеличилась в десятки раз. Существенно уменьшились и габариты машин. Появление чипа позволило создать третье поколение компьютеров. И в 1964 году фирма IBM начинает выпуск компьютеров IBM-360 на интегральных микросхемах.
Рис. 14. Д. Килби, Д. Херни, К. Леховец и Р. Нойс
В 1965 году Дуглас Энгелбарт (рис.15) создал первую «мышь» – компьютерный ручной манипулятор. Впервые она была применена в персональном компьютере Apple фирмы Macintosh, выпущенном позднее, в 1976 году.
Рис. 19. Дуглас Энгелбарт
В 1971 году компания IBM начала производить дискету для компьютера, изобретенную Йосиро Накамацу – съемный гибкий магнитный диск («флоппи–диск») для постоянного хранения информации. Первоначально дискета была гибкой, имела диаметр 8 дюймов и емкость 80 Кбайт, затем – 5 дюймов. Современная дискета емкостью 1,44 Мбайта, впервые выпущенная фирмой Sony в 1982 году, заключена в жесткий пластмассовый корпус и имеет диаметр 3,5 дюйма.
В 1969 году в США началось создание оборонной компьютерной сети – прародителя современной всемирной сети Internet.
В 1970-е годы были разработаны матричные принтеры, предназначенные для распечатки информации на выходе из компьютеров.
В 1971 году сотрудник компании Intel Эдвард Хофф (рис. 20) создал первый микропроцессор 4004, разместив несколько интегральных микросхем на одном кремниевом кристалле. Хотя первоначально он предназначался для использования в калькуляторах, по существу он представлял собой законченный микрокомпьютер. Это революционное изобретение кардинально перевернуло представление о компьютерах как о громоздких, тяжеловесных монстрах. Микропроцессор дал возможность создать компьютеры четвертого поколения, которые помещались на письменном столе пользователя.
Рис. 20. Эдвард Хофф
В середине 1970-х годов начинают предприниматься попытки создания персонального компьютера (ПК) – вычислительной машины, предназначенной для частного пользователя.
В 1974 году Эдвард Робертс (рис. 21) создал первый персональный компьютер «Altair» на основе микропроцессора 8080 фирмы «Intel» (рис.22). Но без программного обеспечения он был неработоспособен: ведь дома у частного пользователя нет «под рукой» своего программиста.
Рис. 21. Эдвард Робертс
Рис. 22. Первый персональный компьютер Altair
В 1975 году о создании ПК Altair узнали два студента Гарвардского университета Билл Гейтс и Пол Аллен (рис. 23). Они первыми поняли насущную необходимость написания программного обеспечения для персональных компьютеров и в течение месяца создали его для ПК «Altair» на основе языка Бейсик. В том же году они основали компанию Microsoft, быстро завоевавшую лидерство в создании программного обеспечения для персональных компьютеров и ставшую богатейшей компанией во всем мире.
Рис. 23. Билл Гейтс и Пол Аллен
Рис. 24. Билл Гейтс
В 1973 году фирмой IBM был разработан жесткий магнитный диск (винчестер) для компьютера. Это изобретение дало возможность создать долговременную память большого объема, которая сохраняется при выключении компьютера.
Первые микрокомпьютеры Altair-8800 представляли собой только набор деталей, которые нужно было еще собирать. Кроме того, пользоваться ими было крайне неудобно: они не имели ни монитора, ни клавиатуры, ни мыши. Ввод информации в них осуществлялся с помощью переключателей на передней панели, а результаты отображались с помощью светодиодных индикаторов. Позднее стали выводить результаты с помощью телетайпа – телеграфного аппарата с клавиатурой.
В 1976 году 26-летний инженер Стив Возняк из компании Hewlett-Packard создал принципиально новый микрокомпьютер. Он впервые применил для ввода данных клавиатуру, подобную клавиатуре пишущей машинки, а для отображения информации – обыкновенный телевизор. Символы выводились на его экран в 24 строки по 40 символов в каждой. Компьютер имел 8 Кбайт памяти, половину из которых занимал встроенный язык Бейсик, а половину пользователь мог использовать для введения своих программ. Этот компьютер значительно превосходил Altair-8800, имевший всего 256 байтов памяти. С. Возняк предусмотрел для своего нового компьютера разъем (так называемый «слот») для подсоединения дополнительных устройств. Первым понял и оценил перспективы этого компьютера приятель Стива Возняка – Стив Джобс (рис. 25). Он предложил организовать фирму для его серийного изготовления. 1 апреля 1976 года они основали компанию Apple, и в январе 1977 года официально зарегистрировали ее. Новый компьютер они назвали Apple-I (рис. 26). В течение 10 месяцев им удалось собрать и продать около 200 экземпляров Apple-I.
Рис. 25. Стив Возняк и Стив Джобс
Рис. 26. Персональный компьютер Apple-I
В это время Возняк уже работал над его усовершенствованием. Новая версия получила название Apple-II (рис. 23). Компьютер был выполнен в пластмассовом корпусе, получил графический режим, звук, цвет, расширенную память, 8 разъемов расширения (слотов) вместо одного. Для сохранения программ в нем использовался кассетный магнитофон. Основу первой модели Apple II составлял, как и в Apple I, микропроцессор 6502 фирмы MOS Technology с тактовой частотой 1 мегагерц. В постоянной памяти был записан Бейсик. Объем оперативной памяти в 4 Кбайта был расширен до 48 Кбайт. Информация выводилась на цветной или черно-белый телевизор, работающий в стандартной для США системе NTSC. В текстовом режиме отображались 24 строки, по 40 символов в каждой, а в графическом разрешение составляло 280 на 192 точки (шесть цветов). Основное достоинство Apple II заключалось в возможности расширения его оперативной памяти до 48 Кбайт и использования 8 разъемов для подключения дополнительных устройств. Благодаря использованию цветной графики его можно было использовать для самых различных игр (рис. 27).
Рис. 27. Персональный компьютер Apple II
Благодаря своим возможностям Apple II завоевал популярность среди людей самых различных профессий. От его пользователей не требовалось знания электроники и языков программирования.
Apple II стал первым по-настоящиму персональным компьютером для ученых, инженеров, юристов, бизнесменов, домохозяек и школьников.
В июле 1978 года Apple II был дополнен дисководом Disk II, значительно расширившим его возможности. Для него была создана дисковая операционная система Apple-DOS. А в конце 1978 года компьютер снова усовершенствовали и выпустили под именем Apple II Plus. Теперь его можно было использовать в деловой сфере для хранения информации, ведения дел, помощи в принятии решений. Началось создание таких прикладных программ, как текстовые редакторы, органайзеры, электронные таблицы.
В 1979 году Дэн Бриклин и Боб Фрэнкстон создали программу VisiCalc – первую в мире электронную таблицу. Этот инструмент лучше всего подходил для бухгалтерских расчетов. Первая его версия была написана для Apple II, который зачастую покупали только для того, чтобы работать с VisiCalc.
Таким образом, за несколько лет микрокомпьютер, во многом благодаря фирме Apple и ее основателям Стивену Джобсу и Стиву Возняку, превратился в персональный компьютер для людей самых различных профессий.
В 1981 году появился персональный компьютер IBM PC, который вскоре стал стандартом компьютерной индустрии и вытеснил с рынка почти все конкурирующие модели персональных компьютеров. Исключение составил только Apple. В 1984 году был создан Apple Macintosh – первый компьютер с графическим интерфейсом, управляемый мышью. Благодаря его преимуществам фирме Apple удалось удержаться на рынке персональных компьютеров. Она завоевала рынок в области образования и издательского дела, где выдающиеся графические возможности «Макинтошей» используются для верстки и обработки изображений.
Сегодня фирма Apple контролирует 8–10% мирового рынка персональных компьютеров, а остальные 90% – IBM-совместимые персональные компьютеры. Большая часть компьютеров Macintosh находится у пользователей в США.
В 1979 году появился оптический компакт-диск (CD), разработанный фирмы Philips и предназначенный только для прослушивания музыкальных записей.
В 1979 году фирма Intel разработала микропроцессор 8088 для персональных компьютеров.
Широкое распространение получили персональные компьютеры модели IBM PC, созданные в 1981 году группой инженеров фирмы IBM под руководством Уильяма Лоуи (William C. Lowe). Компьютер IBM PC имел процессор Intel 8088 с тактовой частотой 4.77 МHz, 16 Kb памяти с возможностью расширения до 256 Kb, операционную систему DOS 1.0. (рис. 24). Операционная система DOS 1.0 была создана компанией Microsoft. В течение всего одного месяца компания IBM сумела продать 241 683 компьютера IBM PC. По договоренности с руководителями Microsoft компания IBM отчисляла создателям программы определенную сумму за каждую копию операционной системы, устанавливавшуюся на IBM PC. Благодаря популярности персонального компьютера IBM PC руководители Microsoft Билл Гейтс и Пол Аллен вскоре стали миллиардерами, а Microsoft заняла лидирующее положение на рынке программных продуктов.
Рис. 28. Персональный компьютер модели IBM PC
В IBM PC был применен принцип открытой архитектуры, позволивший вносить усовершенствования и дополнения в существующие конструкции ПК. Этот принцип означает применение в конструкции при сборке компьютера готовых блоков и устройств, а также стандартизацию способов соединения компьютерных устройств.
Принцип открытой архитектуры способствовал широкому распространению IBM PC-совместимых микрокомпьютеров-клонов. Их сборкой из готовых блоков и устройств занялось большое число фирм во всем мире. Пользователи, в свою очередь, получили возможность самостоятельно модернизировать свои микрокомпьютеры и оснащать их дополнительными устройствами сотен производителей.
В конце 1990-х годов IBM PC-совместимые компьютеры составили 90% рынка персональных компьютеров.
Персональный компьютер IBM PC вскоре стал стандартом компьютерной индустрии и вытеснил с рынка почти все конкурирующие модели персональных компьютеров. Исключение составил только Apple. В 1984 году был создан Apple Macintosh – первый компьютер с графическим интерфейсом, управляемый мышью. Благодаря его преимуществам фирме Apple удалось удержаться на рынке персональных компьютеров. Она завоевала рынок в области образования, издательского дела, где используются их выдающиеся графические возможности для верстки и обработки изображений.
Сегодня фирма Apple контролирует 8–10% мирового рынка персональных компьютеров, а остальные 90% – IBM-совместимые персональные компьютеры. Большая часть компьютеров Macintosh находится у пользователей США.
За последние десятилетия XX века компьютеры многократно увеличили свое быстродействие и объемы перерабатываемой и запоминаемой информации.
В 1965 году Гордон Мур, один из основателей корпорации Intel, лидирующей в области компьютерных интегральных схем – «чипов», высказал предположение, что число транзисторов в них будет ежегодно удваиваться. В течение последующих 10 лет это предсказание сбылось, и тогда он предположил, что теперь это число будет удваиваться каждые 2 года. И, действительно, число транзисторов в микропроцессорах удваивается за каждые 18 месяцев. Теперь специалисты по компьютерной технике называют эту тенденцию законом Мура.
Рис. 29. Гордон Мур
Похожая закономерность наблюдается и в области разработки и производства устройств оперативной памяти и накопителей информации. Кстати, я не сомневаюсь, что к тому моменту, когда эта книга увидит свет, многие цифровые данные по их емкости и быстродействию успеют устареть.
Не отставало и развитие программного обеспечения, без которого вообще невозможно пользование персональным компьютером, и прежде всего операционных систем, обеспечивающих взаимодействие между пользователем и ПК.
В 1981 году фирма Microsoft разработала операционную cистему MS-DOS для своих персональных компьютеров.
В 1983 году был создан усовершенствованный персональный компьютер IBM PC/XT фирмы IBM.
В 1980-х годах были созданы черно-белые и цветные струйные и лазерные принтеры для распечатки информации на выходе из компьютеров. Они значительно превосходят матричные принтеры по качеству и скорости печати.
В 1983–1993 годах происходило создание глобальной компьютерной сети Internet и электронной почты E–mail, которыми смогли воспользоваться миллионы пользователей во всем мире.
В 1992 году фирма Microsoft выпустила операционную систему Windows-3.1 для IBM PC-совместимых компьютеров. Слово «Windows» в переводе с английского означает «окна». «Оконная» операционная система позволяет работать сразу с несколькими документами. Она представляет собой так называемый «графический интерфейс». Это – система взаимодействия с ПК, при которой пользователь имеет дело с так называемыми «иконками»: картинками, которыми он может управлять с помощью компьютерной мыши. Такой графический интерфейс и система окон был впервые создан в исследовательском центре фирмы Xerox в 1975 году и применен для ПК Apple.
В 1995 году фирма Microsoft выпустила операционную систему Windows-95 для IBM PC-совместимых компьютеров, более совершенную по сравнению с Windows-3.1, в 1998 году – ее модификацию Windows-98, а в 2000 году – Windows-2000, а в 2006 году – Windows ХР. Для них разработан целый ряд прикладных программ: текстовый редактор Word, электронные таблицы Excel, программа для пользования системой Internet и электронной почтой E-mail – Internet Explorer, графический редактор Paint, стандартные прикладные программы (калькулятор, часы, номеронабиратель), дневник Microsoft Schedule, универсальный проигрыватель, фонограф и лазерный проигрыватель.
За последние годы стало возможным объединить на персональном компьютере текст и графику со звуком и движущимися изображениями. Такая технология получила название «мультимедиа». В качестве носителей информации в таких мультимедийных компьютерах используются оптические компакт-диски CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory – т.е. память на компакт-диске «только для чтения»). Внешне они не отличаются от звуковых компакт-дисков, используемых в проигрывателях и музыкальных центрах.
Емкость одного CD-ROM достигает 650 Мбайт, по емкости он занимает промежуточное положение между дискетами и винчестером. Для чтения компакт-дисков используется CD-дисковод. Информация на компакт-диск записывается только один раз в промышленных условиях, а на ПК ее можно только читать. На CD-ROM издаются самые различные игры, энциклопедии, художественные альбомы, карты, атласы, словари и справочники. Все они снабжаются удобными поисковыми системами, позволяющими быстро найти нужный материал. Объема памяти двух компакт-дисков CD-ROM хватает для размещения энциклопедии, превышающей по объему Большую Советскую энциклопедию.
В конце 1990-х годов были созданы однократно записываемые CD-R и многократно перезаписываемые CD-RW оптические компакт-диски и дисководы для них, позволяющие пользователю делать любые записи звука и изображения по своему вкусу.
В 1990–2000 годах, в дополнение к настольным персональным компьютерам, были выпущены ПК «ноутбук» в виде портативного чемоданчика и еще более миниатюрные карманные «палмтоп» (наладонники) – как следует из их названия, помещающиеся в кармане и на ладони. Ноутбуки снабжены жидкокристаллическим экраном-дисплеем, размещенным в откидной крышке, а у палмтопов – на передней панели корпуса.
В 1998–2000 годах была создана миниатюрная твердотельная «флэш-память» (без подвижных деталей). Так, память Memory Stick имеет размеры и вес пластинки «жвачки», а память SD фирмы Panasonic – почтовой марки. Между тем объем их памяти, которая может храниться сколь угодно долго, составляет 64–128 Мбайт и даже 2–8 и более Гбайт.
Кроме портативных персональных компьютеров, создаются суперкомпьютеры для решения сложных задач в науке и технике – прогнозов погоды и землетрясений, расчетов ракет и самолетов, ядерных реакций, расшифровки генетического кода человека. В них используются от нескольких до нескольких десятков микропроцессоров, осуществляющих параллельные вычисления. Первый суперкомпьютер разработал Сеймур Крей в 1976 году.
В 2002 году в Японии был построен суперкомпьютер NEC Earth Simulator, выполняющий 35,6 триллионов операций в секунду. На сегодня это самый быстродействующий в мире суперкомпьютер.
Рис. 30. Сеймур Крей
Рис. 31. Суперкомпьютер Cray-1
Рис. 32. Суперкомпьютер Cray-2
В 2005 году компания IBM разработала суперкомпьютер Blue Gene производительностью свыше 30 триллионов операций в секунду. Он содержит 12000 процессоров и обладает в тысячу раз большей мощностью, чем знаменитый Deep Blue, с которым в 1997 году играл в шахматы чемпион мира Гарри Каспаров. Компания IBM и исследователи из Швейцарского политехнического института в Лозанне впервые предприняли попытку моделирования человеческого мозга.
В 2006 году персональным компьютерам исполнилось 25 лет. Посмотрим, как они изменились за эти годы. Первые из них, оборудованные микропроцессором Intel, работали с тактовой частотой всего 4,77 МГц и имели оперативную память 16 Кбайт. Современные ПК, оборудованные микропроцессором Pentium 4, созданном в 2001 году, имеют тактовую частоту 3–4 ГГц, оперативную память 512 Мбайт – 1Гбайт и долговременную память (винчестер) объемом десятки и сотни Гбайт и даже 1 Терабайт. Такого гигантского прогресса не наблюдается ни в одной отрасли техники, кроме цифровой вычислительной. Если бы такой же прогресс был в увеличении скорости самолетов, то они давно бы уже летали со скоростью света.
Миллионы компьютеров используются практически во всех отраслях экономики, промышленности, науки, техники, педагогики, медицины.
Основные причины такого прогресса – в необычайно высоких темпах микроминиатюризации устройств цифровой электроники и успехах программирования, сделавших «общение» рядовых пользователей с персональными компьютерами простым и удобным.
История развития вычислительной техники
2. «Время - события - люди»
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.
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 | 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 | 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 | 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 | 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 | 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) | 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 | 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 | 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 | 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 | 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 | 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 | 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 | 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 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 | 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
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 |
|
| Цель использования компьютера | Научно-технические расчеты | Технические и экономи | Управление, предоставление информации | муникации, информа ционное обслужив |
|
| Режим работы компьютера | Однопрограммный | Пакетная обработка | Разделение времени | Персональная работа | Сетевая обработка |
| Интеграция данных | Низкая | Средняя | Высокая | Очень высокая | |
| Расположение пользователя | Машинный зал | Отдельное помещение | Терминальный зал | Рабочий стол | вольное мобильное |
| Тип пользователя | Инженеры-программисты | сиональные програм | Программисты | Пользователи с общей компьютерной подготовкой | Мало обученные пользов |
| Тип диалога | Работа за пультом компьютера | Обмен перфоно-сителями и машино-граммами | Интерактивный (через клавиатуру и экран) | Интерактивный с жестким меню | 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 | рованной запятой, символьная | 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) | товый сердечник 2048 | товый сердечник 8192 | товый сердечник 4096-16 384 | товый сердечник 4096-16 384 | товый сердечник | товый сердечник 8192-65 536 |
| ВЗУ, тип, емкость (слов) | НМЛ 120 тыс. | 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.
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.
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).
Его стали называть арифметико-логическим. Оно стало основным устройством современных компьютеров. Таким образом, два гения XVII века, установили первые вехи в истории развития цифровой вычислительной техники. Заслуги В. Лейбница, однако, не ограничиваются созданием "арифметического прибора". Начиная со студенческих лет и до конца жизни он занимался исследованием свойств двоичной системы...
...) и современной технологией, уровнем развития которой во многом определяется прогресс в производстве средств вычислительной техники. Электронно-вычислительные машины у нас в стране принято делить на поколения. Для компьютерной техники характерна прежде всего быстрота смены поколений - за ее короткую историю развития уже успели смениться четыре поколения и сейчас мы работаем на компьютерах пятого...
История развития вычислительной техники
Развитие вычислительной техники можно разбить на следующие периоды:
Ø Ручной (VI век до н.э. - XVII век н.э.)
Ø Механический (XVII век - середина XX века)
Ø Электронный (середина XX века - настоящее время)
Хотя Прометей в трагедии Эсхила утверждает: «Подумайте, что смертным сделал я: число им изобрел и буквы научил соединять», понятие числа возникло задолго до появления письменности. Люди учились считать в течение многих веков, передавая и обогащая из поколения в поколение свой опыт.
Счет, или шире - вычисления, может быть осуществлен в различных формах: существует устный, письменный и инструментальный счет . Средства инструментального счета в разные времена имели различные возможности и назывались по-разному.
Ручной этап (VI век до н.э. - XVII век н.э.)
Возникновение счета в древности - «Это было началом начал...»
Предположительный возраст последней генерации человечества - 3-4 миллиона лет. Именно столько лет назад человек встал на ноги и взял в руки изготовленный им самим инструмент. Однако, способность считать (то есть способность разбивать понятия «больше» и «меньше» на конкретное количество единиц) сформировалась у человека значительно позднее, а именно 40-50 тысяч лет назад (поздний палеолит). Этот этап соответствует появлению современного человека (кроманьонца). Таким образом, одной из основных (если не главной) характеристикой, отличающей кроманьонца от более древней ступени человека, является наличие у него счётных способностей.
Нетрудно догадаться, что первым счетным устройством человека были его пальцы.
|
Пальцы оказались прекрасной вычислительной машиной. С их помощью можно было считать до 5, а если взять две руки, то и до 10. А в странах, где люди ходили босиком, по пальцам легко было считать до 20. Тогда этого практически хватало для большинства потребностей людей. Пальцы оказались настолько тесно связанными со счетом, что на древнегреческом языке понятие "считать" выражалось словом "упятерить". Да и в русском языке слово "пять" напоминает "пясть" - часть кисти руки (слово "пясть" сейчас упоминают редко, но производное от него - "запястье" - часто используют и сейчас). Кисть руки, пясть, - синоним и фактически основа числительного «ПЯТЬ» у многих народов. Например, малайское «ЛИМА» означает одновременно и « рука» и «пять». Однако известны народы, у которых единицами счёта были не пальцы, а их суставы. |
Научившись считать по пальцам до десяти, люди сделали следующий шаг вперед и стали считать десятками. И если одни папуасские племена умели считать лишь до шести, то другие доходили в счете до нескольких десятков. Только для этого приходилось приглашать сразу много счетчиков.
Во многих языках слова "два" и "десять" созвучны. Может быть, это объясняется тем, что когда-то слово "десять" означало "две руки". И сейчас есть племена, которые говорят "две руки" вместо "десять" и "руки и ноги" вместо "двадцать". А в Англии первые десять чисел называют общим именем - "пальцы". Значит, и англичане когда-то считали по пальцам.
Пальцевой счет сохранился кое-где и поныне, например, историк математики Л.Карпинский в книге «История арифметики» сообщает, что на крупнейшей мировой хлебной бирже в Чикаго предложения и запросы, как и цены объявляются маклерами на пальцах без единого слова.
Затем появился счет с перекладыванием камней, счет с помощью чёток… Это был существенный прорыв в счетных способностях человека - начало абстрагирования цифры.
Стремительное развитие цифровой вычислительной техники (ВТ) и становление науки о принципах ее построения и проектирования началось в 40-х годах XX века, когда технической базой ВТ стала электроника и микроэлектроника, а основой для развития архитектуры компьютеров (называемых ранее ЭВМ) – достижения в области искусственного интеллекта.
До этого времени в течение почти 500 лет ВТ сводилась к простейшим устройствам для выполнения арифметических операций над числами. Основой практически всех изобретенных за 5 столетий устройств было зубчатое колесо, рассчитанное на фиксацию 10 цифр десятичной системы счисления. Первый в мире эскизный рисунок тринадцатиразрядного десятичного суммирующего устройства на основе таких колес принадлежит Леонардо да Винчи.
Первым реально осуществленным механическим цифровым вычислительным устройством стала "Паскалина" великого французского ученого Блеза Паскаля, которая представляла собой 6-ти (или 8-ми) разрядное устройство, на зубчатых колесах, рассчитанное на суммирование и вычитание десятичных чисел (1642 г.).
Через 30 лет после "Паскалины" в 1673 г. появился "арифметический прибор" Готфрида Вильгельма Лейбница - двенадцатиразрядное десятичное устройство для выполнения арифметических операций, включая умножение и деление.
В конце XVIII века во Франции произошли два события, имеющие принципиальное значение для дальнейшего развития цифровой вычислительной техники. К таким событиям относятся:
изобретение Жозефом Жакардом программного управления ткацким станком с помощью перфокарт;
разработка Гаспаром де Прони, технологии вычислений, разделившей 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.
Указанные новшества позже были использованы англичанином Чарльзом Беббиджем, осуществившим, качественно новый шаг в развитии средств ВТ – переход от ручного к автоматическому выполнению вычислений по составленной программе . Им был разработан проект Аналитической машины - механической универсальной цифровой вычислительной машины с программным управлением (1830-1846 гг.). Машина состояла из пяти устройств: арифметическое (АУ); запоминающее (ЗУ); управления (УУ); ввода (УВВ); вывода (УВ).
Именно из таких устройств и состояли первые ЭВМ, появившиеся спустя 100 лет. АУ строилось на основе зубчатых колес, на них же предлагалось реализовать ЗУ (на тысячи 50-разрядных чисел). Для ввода данных и программы использовались перфокарты. Предполагаемая скорость вычислений - сложение и вычитание за 1 сек, умножение и деление - за 1 мин. Помимо арифметических операций имелась команда условного перехода.
Следует отметить, что хотя и были созданы отдельные узлы машины, всю машину из-за ее громоздкости создать не удалось. Только зубчатых колес для нее понадобилось бы более 50 000. Изобретатель намечал использовать паровую машину для приведения в действие своей аналитической машины.
В 1870 г. (за год до смерти Беббиджа) английский математик Джевонс сконструировал первую в мире "логическую машину", позволяющую механизировать простейшие логические выводы.
Создателями логических машин в дореволюционной России стали Павел Дмитриевич Хрущев (1849-1909) и Александр Николаевич Щукарев (1884-1936), работавшие в учебных заведениях Украины.
Гениальную идею Беббиджа осуществил американский ученый Говард Айкен, создавший в 1944 г. первый в США релейно-механический компьютер. Ее основные блоки – арифметики и памяти – были исполнены на зубчатых колесах. Если Беббидж намного опередил свое время, то Айкен, использовав все те же зубчатые колеса, в техническом плане при реализации идеи Беббиджа использовал устаревшие решения.
Следует отметить, что десятью годами ранее, в 1934 г. немецкий студент Конрад Цузе, работавший над дипломным проектом, решил сделать цифровую вычислительную машину с программным управлением. В этой машине впервые в мире была использована двоичная система исчисления. В 1937 г. машина Z1 произвела первые вычисления. Она была двоичной 22-х разрядной с плавающей запятой с памятью на 64 числа, и работала на чисто механической (рычажной) основе.
В том же 1937 г., когда заработала первая в мире механическая двоичная машина Z1, Джон Атанасов (болгарин по происхождению, живший в США) начал разработку специализированного компьютера, впервые в мире применив электронные лампы (300 ламп).
В 1942-43 годах в Англии была создана (с участием Алана Тьюринга) вычислительная машина "Колоссус". Эта машина, состоящая из 2000 электронных ламп, предназначалась для расшифровки радиограмм германского вермахта. Поскольку работы Цузе и Тьюринга были секретными, о них в то время знали немногие и они не вызвали какого-либо резонанса в мире.
Только в 1946 г. появилась информация об ЭВМ "ЭНИАК" (электронный цифровой интегратор и компьютер), созданной в США Д. Мочли и П. Эккертом, с применением электронной техники. В машине использовалось 18 тысяч электронных ламп, и она выполняла около 3-х тыс. операций в сек. Однако, машина оставалась десятичной, а ее память составляла лишь 20 слов. Программы хранились вне оперативной памяти.
Почти одновременно, в 1949-52 гг. ученые Англии, Советского Союза и США (Морис Уилкс, ЭВМ "ЭДСАК", 1949 г.; Сергей Лебедев, ЭВМ "МЭСМ", 1951 г.; Исаак Брук, ЭВМ "М1", 1952 г.; Джон Мочли и Преспер Эккерт, Джон фон Нейман ЭВМ "ЭДВАК", 1952 г.), создали ЭВМ с хранимой в памяти программой.
В общем случае выделяют пять поколений ЭВМ.
Первое поколение (1945-1954 ) характеризуется появлением техники на электронных лампах. Это эпоха становления вычислительной техники. Большинство машин первого поколения были экспериментальными устройствами и строились с целью проверки тех или иных теоретических положений. Вес и размеры этих компьютеров были такими, что они нередко требовали для себя отдельных зданий.
Основоположниками компьютерной науки по праву считаются Клод Шеннон – создатель теории информации, Алан Тьюринг – математик, разработавший теорию программ и алгоритмов, и Джон фон Нейман - автор конструкции вычислительных устройств, которая до сих пор лежит в основе большинства компьютеров. В те же годы возникла еще одна новая наука, связанная с информатикой, – кибернетика – наука об управлении как одном из основных информационных процессов. Основателем кибернетики является американский математик Норберт Винер.
Во втором поколении (1955-1964) вместо электронных ламп использовались транзисторы, а в качестве устройств памяти стали применяться магнитные сердечники и магнитные барабаны - далекие предки современных жестких дисков. Все это позволило резко уменьшить габариты и стоимость компьютеров, которые тогда впервые стали строиться на продажу.
Но главные достижения этой эпохи принадлежат к области программ. Во втором поколении впервые появилось то, что сегодня называется операционной системой. Тогда же были разработаны первые языки высокого уровня - Фортран, Алгол, Кобол. Эти два важных усовершенствования позволили значительно упростить и ускорить написание программ для компьютеров.
При этом расширялась сфера применения компьютеров. Теперь уже не только ученые могли рассчитывать на доступ к вычислительной технике, поскольку компьютеры нашли применение в планировании и управлении, а некоторые крупные фирмы даже начали компьютеризовать свою бухгалтерию, предвосхищая этот процесс на двадцать лет.
В третьем поколении (1965-1974) впервые стали использоваться интегральные схемы - целые устройства и узлы из десятков и сотен транзисторов, выполненные на одном кристалле полупроводника (микросхемы). В это же время появляется полупроводниковая память, которая и по сей день используется в персональных компьютерах в качестве оперативной.
В эти годы производство компьютеров приобретает промышленный размах. Фирма IBM первой реализовала серию полностью совместимых друг с другом компьютеров от самых маленьких, размером с небольшой шкаф (меньше тогда еще не делали), до самых мощных и дорогих моделей. Наиболее распространенным в те годы было семейство System/360 фирмы IBM, на основе которого в СССР была разработана серия ЕС ЭВМ. Еще в начале 60-х появляются первые миникомпьютеры - небольшие маломощные компьютеры, доступные по цене небольшим фирмам или лабораториям. Миникомпьютеры представляли собой первый шаг на пути к персональным компьютерам, пробные образцы которых были выпущены только в середине 70-х годов.
Между тем количество элементов и соединений между ними, умещающихся в одной микросхеме, постоянно росло, и в 70-е годы интегральные схемы содержали уже тысячи транзисторов.
В 1971 г. фирма Intel, выпустив первый микропроцессор, который предназначался для только-только появившихся настольных калькуляторов. Этому изобретению суждено было произвести в следующем десятилетии настоящую революцию. Микропроцессор является главной составляющей частью современного персонального компьютера.
На рубеже 60-х и 70-х годов двадцатого столетия (1969 г) зародилась первая глобальная компьютерная сеть ARPA, прототип современного Интернета. В том же 1969 г. одновременно появились операционная система Unix и язык программирования С ("Си"), оказавшие огромное влияние на программный мир и до сих пор сохраняющие свое передовое положение.
Четвертое поколение (1975 – 1985) характеризуется все меньшим количеством принципиальных новаций в компьютерной науке. Прогресс идет в основном по пути развития того, что уже изобретено и придумано, прежде всего за счет повышения мощности и миниатюризации элементной базы и самих компьютеров.
Самая главная новация четвертого поколения – это появление в начале 80-х годов персональных компьютеров. Благодаря персональным компьютерам вычислительная техника становится по-настоящему массовой и общедоступной. Несмотря на то, что персональные и миникомпьютеры по-прежнему в вычислительных мощностях отстают от больших машин, львиная доля новшеств, таких как графический пользовательский интерфейс, новые периферийные устройства, глобальные сети, связана появлением и развитием именно этой техники.
Большие компьютеры и суперкомпьютеры, конечно же, продолжают развиваться. Но теперь они уже не доминируют на компьютерной арене, как было раньше.
Некоторые характеристики вычислительной техники четырех поколений приведены в табл. 1.1.
Таблица 1.1
Поколения вычислительной техники
|
Поколение | ||||
|
Основной элемент |
Эл. лампа |
Транзистор |
Интегральная схема |
Большая интегральная схема (микропроцессор) |
|
Количество ЭВМ в мире (шт.) |
Десятки тысяч |
Миллионы |
||
|
Размеры ЭВМ |
Значительно меньше |
микроЭВМ |
||
|
Быстродействие (условное)операций/ сек |
Несколько единиц |
Несколько десятков |
Несколько тысяч |
Несколько десятков тысяч |
|
Носитель информации |
Перфокарта, Перфолента |
Магнитная |
Пятое поколение (1986 до настоящего времени) в значительной мере определяется результатами работы японского Комитета научных исследований в области ЭВМ, опубликованными в 1981г. Согласно этому проекту ЭВМ и вычислительные системы пятого поколения кроме высокой производительности и надежности при более низкой стоимости с помощью новейших технологий, должны удовлетворять следующим качественно новым функциональным требованиям:
обеспечить простоту применения ЭВМ путем реализации систем ввода/вывода информации голосом, а также диалоговой обработки информации с использованием естественных языков;
обеспечить возможность обучаемости, ассоциативных построений и логических выводов;
упростить процесс создания программных средств путем автоматизации синтеза программ по спецификациям исходных требований на естественных языках;
улучшить основные характеристики и эксплуатационные качества вычислительной техники для удовлетворения различных социальных задач, улучшить соотношения затрат и результатов, быстродействия, легкости, компактности ЭВМ;
обеспечить разнообразие вычислительной техники, высокую адаптируемость к приложениям и надежность в эксплуатации.
В настоящее время ведутся интенсивные работы по созданию оптоэлектронных ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой, представляющих собой распределенную сеть большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем
Вычислительные приспособления и устройства от древности до наших дней
Основными этапами развития вычислительной техники являются: Ручной - до 17 века, Механический - с середины 17 века, Электромеханический - с 90-х годов 19 века, Электронный - с 40 годов 20 века.
Ручной период начался на заре человеческой цивилизации.
В любой деятельности человек всегда придумывал и создавал самые разнообразные средства, приспособления и орудия труда с целью расширения своих возможностей и облегчения труда.
С развитием торговли появилась потребность в счете. Много веков назад для осуществления различных подсчетов человек начал использовать сначала собственные пальцы, затем камешки, палочки, узелки и прочее. Но со временем задачи, стоящие перед ним, усложнялись, и стало необходимым находить способы, изобретать приспособления, которые смогли бы ему помочь в решении данных задач.
Одним из первых устройств (V в. до н. э.), облегчавших вычисления, можно считать специальную доску, названную впоследствии абаком (с греч. "счетная доска"). Вычисления на ней проводились перемещением костей или камешков в углублениях досок из бронзы, камня, слоновой кости и пр. В Греции абак существовал уже в V веке до н. э. Одна бороздка соответствовала единицам, другая - десяткам и т. д. Если в какой-то бороздке при счете набиралось более 10 камешков, их снимали и добавляли один камешек в следующий разряд. Римляне усовершенствовали абак, перейдя от бороздок и камешков к мраморным доскам с выточенными желобками и мраморными шариками. С его помощью можно было совершать простейшие математические операции сложения и вычитания.
Китайская разновидность абака - суаньпань - появилась в VI веке н.э.; Соробан же – это японский абак, происходит от китайского суаньпаня, который был завезен в Японию в XV- XVI веках. XVI в. - Создаются русские счеты с десятичной системой счисления. Они претерпевают с веками значительные изменения, но ими продолжают пользоваться вплоть до 80-х годов 20 века.
В начале XVII века шотландский математик Дж. Непер ввел логарифмы, что оказало революционное влияние на счет. Изобретенная им логарифмическая линейка успешно использовалась еще пятнадцать лет назад, более 360 лет прослужив инженерам. Она, несомненно, является венцом вычислительных инструментов ручного периода автоматизации.
Развитие механики в XVII веке стало предпосылкой создания вычислительных устройств и приборов, использующих механический способ вычислений. Среди механических устройств выделяют суммирующие машины (умеют складывать и вычитать), множительное устройство (умножает и делит), со временем их объединили в одну - арифмометр (умеют выполнять все 4 арифметических действия).
В дневниках гениального итальянца Леонардо да Винчи (1452-1519) уже в наше время был обнаружен ряд рисунков, которые оказались эскизным наброском суммирующей вычислительной машины на зубчатых колесах, способной складывать 13-разрядные десятичные числа. В те далекие от нас годы гениальный ученый был, вероятно, единственным на Земле человеком, который понял необходимость создания устройств для облегчения труда при выполнении вычислений. Однако потребность в этом была настолько малой (точнее, ее не было совсем!), что лишь через сто с лишним лет после смерти Леонардо да Винчи нашелся другой европеец – немецкий ученый Вильгельм Шиккард (1592-1636), не читавший, естественно, дневников великого итальянца, – который предложил свое решение этой задачи. Причиной, побудившей Шиккарда разработать счетную машину для суммирования и умножения шестиразрядных десятичных чисел, было его знакомство с польским астрономом И. Кеплером. Ознакомившись с работой великого астронома, связанной в основном с вычислениями, Шиккард загорелся идеей оказать ему помощь в нелегком труде. В письме на его имя, отправленном в 1623 г., он приводит рисунок машины и рассказывает, как она устроена.
Одним из первых образцов таких механизмов были «считающие часы» немецкого математика Вильгельма Шиккарда. В 1623 году он создал машину, которая стала первым автоматическим калькулятором. Машина Шиккарда умела складывать и вычитать шестизначные числа, оповещая звонком о переполнении. К сожалению, данных о дальнейшей судьбе машины история не сохранила.
Об изобретениях Леонардо да Винчи и Вильгельма Шиккарда стало известно лишь в наше время. Современникам они были неизвестны.
Самой же известной из первых вычислительных машин стала суммирующая машина Блеза Паскаля, который в 1642 г построил модель «Паскалины»- счетной суммирующей машины для восьмизначных чисел. Б.Паскаль начал создавать «Паскалину» в возрасте 19 лет, наблюдая за работой своего отца, который был сборщиком налогов и был вынужден часто выполнять долгие и утомительные расчёты. И его единственной целью было помочь ему в работе.
В 1673 г. немецкий математик Лейбниц создает первый арифмометр, позволяющий выполнять все четыре арифметических операции. "...Моя машина дает возможность совершать умножение и деление над огромными числами мгновенно, притом не прибегая к последовательному сложению и вычитанию", – писал В. Лейбниц одному из своих друзей. О машине Лейбница было известно в большинстве стран Европы.
Принцип вычислений оказался удачным, в последствие модель неоднократно дорабатывалась в разных странах разными учеными.
И с 1881 г. было организованно серийное производства арифмометров, которые использовались для практических вычислений вплоть до шестидесятых годов XX века.
Самой известной моделью серийного производства был арифмометр Феликс, российского производства, получивший в 1900г. на международной выставке в Париже золотую медаль.
Так же к механическому периоду относят теоретические разработки аналитической машин Бэбиджа, которые не были реализованы из-за отсутствия финансирования. Теоретические разработки относятся к 1920-1971 годам. Аналитическая машина должны была стать первой машиной использующей принцип программного управления и предназначавшейся для вычисления любого алгоритма, ввод-вывод планировался с помощью перфокарт, работать она должна была на паровом двигателе. Аналитическая машина состояла из следующих четырех основных частей: блок хранения исходных, промежуточных и результирующих данных (склад - память); блок обработки данных (мельница - арифметическое устройство); блок управления последовательностью вычислений (устройство управления); блок ввода исходных данных и печати результатов (устройства ввода/вывода), что в дальнейшем послужило прообразом структуры всех современных компьютеров. Одновременно с английским ученым работала леди Ада Лавлейс (дочь английского поэта Джорджа Байрона). Она разработала первые программы для машины, заложила многие идеи и ввела ряд понятий и терминов, сохранившихся до настоящего времени. Графиню Лавлейс считают первым программистом, и в ее честь назван язык программирования АДА. Хотя проект не был реализован, он получил широкую известность и высокую оценку ученых. Чарльз Бебидж на целый век обогнал время.
Продолжение следует…