История создания персонального компьютера

    СОДЕРЖАНИЕ 
 

ВВЕДЕНИЕ 

      «Человек в  XXI века, который не будет уметь

    пользоваться  ЭВМ, будет подобен  человеку XX века,

      не умевшему ни читать, ни писать»  

    Академик  Глушков.  
 

    Прогресс  в вычислительной технике не может  не восхищать. Всего за 50 лет быстродействие серийно выпускаемых ЭВМ увеличилось  в миллион раз при существенном уменьшении размеров и энергопотребления  этих умных монстров.

    Сегодня производство компьютеров – крупнейшая отрасль промышленности, и объемы здесь таковы, что только персональных машин продано уже более миллиарда. Столь бурное развитие имеет свою причину и замечательную историю.

    Слово «компьютер» означает «вычислитель», т.е. устройство для вычислений. Потребность в автоматизации обработки данных, в том числе вычислений, возникла очень давно.

    Более 1500 лет тому назад для счета  использовались счетные палочки, камешки  и т.д. Все еще очень хорошо помнят служившие верой и правдой до конца XX века русские счеты которые работали в десятичной позиционной системе, и в учебниках по торговому вычислению еще в 80-е годы прошлого века присутствовали главы, посвященные методам работы на них.

    В наше время трудно представить себе, что без компьютеров можно обойтись. А ведь не так давно, до начала 70-х годов вычислительные машины были доступны весьма ограниченному кругу специалистов, а их применение, как правило, оставалось окутанным завесой секретности и мало известным широкой публике.

    Однако  в 1971 году произошло событие, которое  в корне изменило ситуацию и с  фантастической скоростью превратило компьютер в повседневный рабочий  инструмент десятков миллионов людей.

    В том, вне всякого сомнения знаменательном году еще почти никому не известная фирма Intel из небольшого американского городка с красивым названием Санта-Клара (шт. Калифорния), выпустила первый микропроцессор. Именно ему мы обязаны появлением нового класса вычислительных систем – персональных компьютеров, которыми теперь пользуются, по существу, все, от учащихся начальных классов и бухгалтеров до ученых и инженеров.

    Компьютер уже занимает очень много место  в жизни человека. Кто-то использует компьютер для игр, кто-то для  обучения, некоторые любят посидеть в Internet. Но все эти компьютеры имеют общую структуры и принципы функционирования, а соответственно, и историю развития.

    Эволюционный  процесс, который привел к современным  компьютерам, был и продолжает оставаться чрезвычайно быстрым и динамичным. Ученые вывели даже закономерность, что частота процессоров увеличивается вдвое каждые 18 месяцев!

    В конце XX века невозможно представить  себе жизнь без персонального  компьютера. Компьютер прочно вошел  в нашу жизнь, став главным помощником человека.

    На  сегодняшний день в мире существует множество компьютеров различных фирм, различных групп сложности, назначения и поколений.

    При создании машины, известной как "персональный компьютер", было использовано большое  число открытий и изобретений, каждое из которых внесло свою лепту в развитие компьютерной техники. И в данном реферате мы рассмотрим историю развития и историю изобретений вычислительной техники, а также сделаем краткий обзор о возможностях применения современных вычислительных систем и дальнейшие тенденции развития персональных компьютеров.  

     1    Исторические предшественники компьютеров 

    Начало  развития технологий принято считать  с Блеза Паскаля, который в 1642г. изобрел устройство, механически  выполняющее сложение чисел.

    Его машина предназначалась для работы с 6-8 разрядными числами и могла только складывать и вычитать, а также имела лучший, чем все до этого, способ фиксации результата.

    Машина  Паскаля имела размеры 36*13*8 сантиметров, этот небольшой латунный ящичек было удобно носить с собой. Инженерные идеи Паскаля оказали огромное влияние на многие другие изобретения в области вычислительной техники.

    Следующего  этапного результата добился выдающийся немецкий математик и философ  Готфрид Вильгельм Лейбниц, высказавший  в 1672 году идею механического умножения без последовательного сложения. Уже через год он представил машину, которая позволяла механически выполнять четыре арифметических действия, в Парижскую академию. Машина Лейбница требовала для установки специального стола, так как имела внушительные размеры: 100*30*20 сантиметров.

    В 1812 году английский математик Чарльз Бэббидж начал работать над так  называемой разностной машиной, которая  должна была вычислять любые функции, в том числе и тригонометрические, а также составлять таблицы. Свою первую разностную машину Бэббидж построил в 1822 году и рассчитывал на ней таблицу квадратов, таблицу значений функции y=x2+x+41 и ряд других таблиц. Однако из-за нехватки средств эта машина не была закончена, и сдана в музей Королевского колледжа в Лондоне, где хранится и по сей день [1].

    Но  эта неудача не остановила Бэббиджа, и в 1834 году он приступил к новому проекту – созданию Аналитической машины, которая должна была выполнять вычисления без участия человека.

    Именно  Бэббидж впервые додумался до того, что компьютер должен содержать память и управляться с помощью программы. Бэббидж хотел построить свой компьютер как механическое устройство, а программы собирался задавать посредством перфокарт — карт из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстии (они в то время уже широко употреблялись в ткацких станках).

    С 1842 по 1848 год Бэббидж упорно работал, расходуя собственные средства. К  сожалению, он не смог довести до конца  работу по созданию Аналитической машины – она оказалась слишком сложной  для техники того времени. Но заслуга Бэббиджа в том, что он впервые предложил и частично реализовал, идею программно-управляемых вычислений.

    Именно  Аналитическая машина по своей сути явилась прототипом современного компьютера. Эта идея и ее инженерная детализация опередили время на 100 лет!

    Воссозданная  в 1991 году в Лондоне аналитическая  машина Чарлза Бэббиджа отлично заработала, исправно вычисляя логарифмы и другие математические функции. Однако ее создателю, потратившему 10 лет (с 1823 по 1833 год) на разработку чертежей, так и не удалось ее собрать вплоть до  1842-го, когда проект был заброшен.

    Уроженец  Эльзаса Карл Томас, основатель и  директор двух парижских страховых  обществ в 1818 году сконструировал счетную  машину, уделив основное внимание технологичности механизма, и назвал ее арифмометром.

    Уже через три года в мастерских Томаса было изготовлено 16 арифмометров, а  затем и еще больше. Таким образом, Томас положил начало счетному машиностроению. Его арифмометры выпускали в  течение ста лет, постоянно совершенствуя и меняя время от времени названия. Начиная с XIX века, арифмометры получили очень широкое применение. На них выполнялись даже очень сложные расчеты, например, расчеты баллистических таблиц для артиллерийских стрельб. Существовала даже особая профессия – счетчик – человек, работающий с арифмометром, быстро и точно соблюдающий определенную последовательность инструкций (такую последовательность действий впоследствии стали называть программой).

    Но  многие расчеты производились очень  медленно, т.к. при таких расчетах выбор выполняемых действий и запись результатов производились человеком, а скорость его работы весьма ограничена.

    Первые  арифмометры были дороги, ненадежны, сложны в ремонте и громоздки. Поэтому в России стали приспосабливать  к более сложным вычислениям счеты [2].

    Например, в 1828 году генерал-майор Ф.М.Свободской выставил на обозрение оригинальный прибор, состоящий из множества счетов, соединенных в общей раме. Основным условием, позволявшим быстро вычислять, было строгое соблюдение небольшого числа единообразных правил. Все операции сводились к действиям сложения и вычитания. Таким образом, прибор воплощал в себе идею алгоритмичности.

    Пожалуй, одно из последних принципиальных изобретений  в механической счетной технике  было сделано жителем Петербурга Вильгодтом Однером. Построенный Однером в 1890 году арифмометр фактически ничем не отличается от современных подобных ему машин. Почти сразу Однер с компаньоном наладил и выпуск своих арифмометров - по 500 штук в год. К 1914 году в одной только России насчитывалось более 22 тысяч арифмометров Однера. В первой четверти XX века эти арифмометры были единственными математическими машинами, широко применявшимися в различных областях деятельности человека. В России эти громко лязгающие во время работы машинки получили прозвище «Железный Феликс». Ими были оснащены практически все конторы.

    В доэлектронную эру механические вычислители использовались и для  решения дифференциальных уравнений, и для шифрования секретных сообщений.

    Военные, по сути, первыми осознали важность вычислительной техники, и все последнее время именно вопросы национальной безопасности были главным двигателем прогресса ЭВМ [1].  

    2    Компьютеры с хранимой в памяти программой 

    В 40-х годах XX в. сразу несколько  групп исследователей повторили попытку Бэббиджа на основе техники XX в. — электромеханических реле. Некоторые из этих исследователей ничего не знали о работах Бэббиджа и переоткрыли его идеи заново.

    Первым  из них был немецкий инженер Конрад Цузе, который в 1941 г. построил небольшой компьютер на основе нескольких электромеханических реле. Но из-за войны работы Цузе не были опубликованы.

    А в США в 1943 г. на одном из предприятий  фирмы IВМ американец Говард Эйкен создал более мощный компьютер под названием  Марк-1. Он уже позволял проводить вычисления в сотни раз быстрее, чем вручную (с помощью арифмометра) и реально использовался для военных расчетов [1].  

    3    ЭВМ 1-го поколения. Электронные лампы  

    Однако  электромеханические реле работают весьма медленно и недостаточно надежно.

    Поэтому, начиная с 1943 г. в США группа специалистов под руководством Джона Мочли  и Преспера Экерта начала конструировать компьютер ЕNIАС на основе электронных  ламп. Этот монстр содержал десятки  тысяч электронных ламп и релейных переключателей. Созданный ими компьютер работал в тысячу раз быстрее, чем Марк-1. Однако обнаружилось, что большую часть времени этот компьютер простаивал — ведь для задания метода расчетов (программы) в этом компьютере приходилось в течение нескольких часов или даже нескольких дней подсоединять нужным образом провода. А сам расчет после этого мог занять всего лишь несколько минут или даже секунд [1].

    ENIAC – второй в мире электронный  калькулятор – работал в Пенсильвании  в 1943 – 1946 годах. Он еще не  был компьютером в современном смысле этого слова, и смена «программы», по которой происходят вычисления, производились с помощью переключаемых проводов, как на телефонной АТС тех времен. Этот вычислитель, состоящий из 18000 электронных ламп, использовали в основном  для решения баллистических задач, то есть расчета траекторий ракет. Чтобы упростить и убыстрить процесс задания программ, Мочли и Экерт стали конструировать новый компьютер, который мог бы хранить программу в своей памяти.

    В 1945 г. к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман, который подготовил доклад об этом компьютере. Доклад был разослан многим ученым и получил широкую известность, поскольку в нем фон Нейман ясно и просто сформулировал общие принципы функционирования компьютеров, т. е. универсальных вычислительных устройств. И до сих пор подавляющее большинство компьютеров сделано в соответствии с теми принципами, которые изложил в своем докладе в 1945 г. Джон фон Нейман.

    Первый  компьютер, в котором были воплощены  принципы фон Неймана, был построен в 1949 г. английским исследователем Морисом Уилксом. JOHNNIAC был достойным продолжателем своих предшественников, MANIACa и ILLIACa. Приступив к работе в 1953 году, он функционировал до 1966-го, наработав за это время 50000 машинных часов.

    Созданный под руководством Фон Неймана, он был вариантом современного сервера и использовал все новейшие достижения. Данная машина, хотя и состояла всего из нескольких сотен электровакуумных ламп, в высоту имела 2м и весила несколько тонн [1].  

    4    ЭВМ 2-го поколения. Транзисторы  

    В 40-х и 50-х годах компьютеры создавались  на основе электронных ламп. Поэтому  компьютеры были очень большими (они  занимали огромные залы), дорогими и  ненадежными — ведь электронные  лампы, как и обычные лампочки часто перегорают.

    Но  в 1948 г. были изобретены транзисторы — миниатюрные и недорогие электронные приборы, которые смогли заменить электронные лампы. Это привело к уменьшению размеров компьютеров в сотни раз и повышению их надежности.

    Первые  компьютеры на основе транзисторов появились  в конце 50- х годов а к середине 60- х годов были созданы и значительно более компактные внешние устройства для компьютеров, что позволило фирме Digital Equipment выпустить в 1965 г. первый мини компьютер РDР-8 размером с холодильник и стоимостью всего 20 тыс. долларов (компьютеры 40- х и 50- х годов обычно стоили миллионы долларов).

    После появления транзисторов наиболее трудоемкой операцией при производстве компьютеров  было соединение и спайка транзисторов для создания электронных схем. Но в 1959 г. Роберт Нойс (будущий основатель фирмы Intel) изобрел способ, позволяющий создавать на одной пластине кремния транзисторы и все необходимые соединения между ними.

    Полученные  электронные схемы стали называться интегральными схемами или чипами.

    В 1968 г. фирма Вurroughs выпустила первый компьютер на интегральных схемах, а в 1970 г. фирма Intel начала продавать интегральные схемы памяти. В дальнейшем количество транзисторов, которое удавалось разместить на единицу площади интегральной схемы, увеличивалось приблизительно вдвое каждый год, что и обеспечивает постоянное уменьшение стоимости компьютеров и повышение быстродействия. Первое поколение ЭВМ, работающее на лампах, просуществовало до конца 50-х годов [3].

    В 1959 году родилось второе поколение, работающее на транзисторах. Полупроводники были существенно надежнее ламп, занимали меньше места и потребляли совсем немного электричества, поэтому только машин IBM 1401 серии было продано более 10 тыс. штук. СССР в те же годы выпускал только не только стационарные ламповые ЭВМ для наведения истребителей- перехватчиков (СПЕКТР-4), но и портативные полупроводниковые ЭВМ «КУРС», предназначенные для обработки радиолокационной информации.

    В этом же 1959-м IBM выпустила свой первый мэйнфрейм 7090 с быстродействием 230 тыс. операций в секунду и специальную модификацию IBM 7030 для ядерной лаборатории США в Лос-Аламосе.

    В апреле 1964 года IBM анонсировала System/360 –  первое семейство универсальных  программно-совместимых компьютеров  и периферийного оборудования. Элементной базой семейства «360» были гибридные микросхемы, и новые модели стали считать машинами третьего поколения. Таким образом, транзисторные машины в биографии ЭВМ заняли всего лишь 5 лет [5].  

    5    ЭВМ 3-го поколения. Интегральные схемы 

    Приоритет в изобретении интегральных схем, ставших элементной базой ЭВМ третьего поколения, принадлежит американским ученым Д. Килби и Р. Нойсу, сделавшим это открытие независимо друг от друга. Массовый выпуск интегральных схем начался в 1962 году, а в 1964 начал быстро осуществляться переход от дискретных элементов к интегральным.

    Упоминавшийся выше ЭНИАК размерами 9*15 метров в 1971 году мог бы быть собран на пластине в 1,5 квадратных сантиметра. Началось перевоплощение электроники в микроэлектронику.

    Несмотря  на успехи интегральной техники и появление мини-ЭВМ, в 60-х годах продолжали доминировать большие машины. Таким образом, третье поколение компьютеров, зарождаясь внутри второго, постепенно вырастало из него [1].

    Первая  массовая серия машин на интегральных элементах стала выпускаться в 1964 году фирмой IBM. Эта серия, известная под названием IBM-360, оказала значительное влияние на развитие вычислительной техники второй половины 60-х годов. Она объединила целое семейство ЭВМ с широким диапазоном производительности, причем совместимых друг с другом. Последнее означало, что машины стало возможно связывать в комплексы, а также без всяких переделок переносить программы, написанные для одной ЭВМ, на любую другую из этой серии.

    Таким образом, впервые было выявлено коммерчески  выгодное требование стандартизации аппаратного и программного обеспечения ЭВМ.

    В СССР первой серийной ЭВМ на интегральных схемах была машина «Наири-3», появившаяся  в 1970 году. Со второй половины 60-х годов  Советский Союз совместно со странами СЭВ приступил к разработке семейства универсальных машин, аналогичного системе IBM-360. В 1972 году началось серийное производство стартовой, наименее мощной модели Единой Системы – ЭВМ ЕС-1010, а еще через год – пяти других моделей.

    Их быстродействие находилась в пределах от десяти тысяч (ЕС-1010) до двух миллионов (ЕС-1060) операций в секунду. В рамках третьего поколения в США была построена уникальная машина «ИЛЛИАК-4», в составе которой в первоначальном варианте планировалось использовать 256 устройств обработки данных, выполненных на монолитных интегральных схемах [4].

    Позднее проект был изменен, из-за довольно высокой стоимости (более 16 миллионов  долларов). Число процессоров пришлось сократить до 64, а также перейти  к интегральным схемам с малой  степенью интеграции. Сокращенный вариант  проекта был завершен в 1972 году, номинальное быстродействие «ИЛЛИАК-4» составило 200 миллионов операций в секунду. Почти год этот компьютер был рекордсменом в скорости вычислений. Именно в период развития третьего поколения возникла чрезвычайно мощная индустрия вычислительной техники, которая начала выпускать в больших количествах ЭВМ для массового коммерческого применения. Компьютеры все чаще стали включаться в информационные системы или системы управления производствами. Они выступили в качестве очевидного рычага современной промышленной революции [3].  

    6  ЭВМ 4-го поколения. Сверхбольшие интегральные схемы (СБИС)  

    Начало 70-х годов знаменует переход  к компьютерам четвертого поколения  – на сверхбольших интегральных схемах (СБИС). Другим признаком ЭВМ нового поколения являются резкие изменения в архитектуре.

    Техника четвертого поколения породила качественно  новый элемент ЭВМ – микропроцессор. В 1971 году пришли к идее ограничить возможности процессора, заложив  в него небольшой набор операций, микропрограммы которых должны быть заранее введены в постоянную память. Оценки показали, что применение постоянного запоминающего устройства в 16 килобит позволит исключить 100‑200 обычных интегральных схем. Так возникла идея микропроцессора, который можно реализовать даже на одном кристалле, а программу в его память записать навсегда. В то время в рядовом микропроцессоре уровень интеграции соответствовал плотности, равной примерно 500 транзисторам на один квадратный миллиметр, при этом достигалась очень хорошая надежность. К середине 70-х годов положение на компьютерном рынке резко и непредвиденно стало изменяться. Четко выделились две концепции развития ЭВМ. Воплощением первой концепции стали суперкомпьютеры, а второй – персональные ЭВМ. Из больших компьютеров четвертого поколения на сверхбольших интегральных схемах особенно выделялись американские машины «Крей-1» и «Крей-2», а также советские модели «Эльбрус-1» и «Эльбрус-2». Первые их образцы появились примерно в одно и то же время – в 1976 году. Все они относятся к категории суперкомпьютеров, так как имеют предельно достижимые для своего времени характеристики и очень высокую стоимость [5].  

    7    ЭВМ 5-го поколения 

    На  ЭВМ пятого поколения ставятся совершенно другие задачи, нежели при разработки всех прежних ЭВМ.

    Если  перед разработчиками ЭВМ с I по IV поколений стояли такие задачи, как увеличение производительности в области числовых расчётов, достижение большой ёмкости памяти, то основной задачей разработчиков ЭВМ V поколения является создание искусственного интеллекта машины (возможность делать логические выводы из представленных фактов), развитие "интеллектуализации" компьютеров - устранения барьера между человеком и компьютером. Компьютер теперь используется и дома, это компьютерные игры, прослушивание высококачественной музыки, просмотр фильмов. Уже сейчас компьютеры способны воспринимать информацию с рукописного или печатного текста, с бланков, с человеческого голоса, узнавать пользователя по голосу, осуществлять перевод с одного языка на другой. Это позволяет общаться с компьютерами всем пользователям, даже тем, кто не имеет специальных знаний в этой области.

    Параллельно с аппаратным усовершенствованием  современных компьютеров разрабатываются  и технологические разработки по увеличению количества инструкций. Первой разработкой в этой области стала MMX (MultiMedia eXtension- "мультимедиа–расширение") — технология, которая может превратить "простой" Pentium ПК в мощную мультимедийную систему.

    Как известно, на кристалле процессора Pentium интегрирован математический сопроцессор. Этот функциональный блок, который отвечает за "перемалывание чисел", но на практике, подобные возможности требуются все же достаточно редко, их используют в основном системы САПР и некоторые программы, решающие чисто вычислительные задачи. У большинства пользователей этот блок просто простаивает.

    Создавая  технологию MMX, фирма Intel стремилась решить две задачи: во-первых, задействовать  неиспользуемые возможности, а во-вторых, увеличить производительность ЦП при  выполнении типичных мультимедиа-программ. С этой целью в систему команд процессора были добавлены дополнительные инструкции (всего их 57) и дополнительные типы данных, а регистры блока вычислений с плавающей запятой выполняют функции рабочих регистров [6].

    Дополнительные  машинные команды предназначены  для таких операций, как быстрое преобразование Фурье (функция, используемая при декодировании видео), которые зачастую выполняются специальными аппаратными средствами.

    Процессоры, использующие технологию MMX, совместимы с большинством прикладных программ, ведь для "старого" программного обеспечения регистры MMX выглядят точно так же, как обычные регистры математического сопроцессора. Однако, встречаются и исключения. например, прикладная программа может одновременно обращаться только к одному блоку - либо вычислений с плавающей запятой, либо MMX. В ином случае результат, как правило, не определен и нередко происходит аварийное завершение прикладной программы.

    Технология MMX - это генеральное направление  развития архитектуры процессоров. В первую очередь ее преимущества смогут оценить конечные пользователи - мультимедиа-компьютеры стали заметно мощнее и дешевле.

    Эта идея оказалась настолько удачной, что за ММХ проследовал «расширенный ММХ», 3DNow!, «расширенный 3DNow!», а потом SSE и сейчас SSE2.

    Кроме технологических решений по увеличению количества инструкций, велась работа и по улучшению процесса производства. Ведь транзисторов для обработки информации становилось все больше и больше, и они в конце концов просто не помещались на кристалл, что приводило к более совершенным решениям. В настоящее время процессоры Intel выпускаются по техпроцессу с нормой в 0,13 мКм, и на одном квадратном миллиметре кристалла располагается миллионы транзисторов. Intel планирует перейти на 0,09 мКм техпроцесс в ближайшем будущем [6].  

    8    Краткая история компьютерной техники 

    1623г.  Первая «считающая машина», созданная  Уильямом Шикардом. Это довольно  громоздкий аппарат мог применять  простые арифметические действия (сложение, вычитание) с 7-значными  числами.

    1644г.  «Вычислитель» Блеза Паскаля  – первая по настоящему популярная считающая машина, производившая арифметические действия над 5-значными числами.

    1668г.  Вычислитель сера Сэмюэля Морланда, предназначавшийся для финансовых  операций.

    1674г.  Вильгельм Годфрид фон Лейбниц  сконструировал механическую счётную машину, которая умела производить не только операции сложения и вычитания, но и умножения!

    1820г.  Первый калькулятор – «Арифмометр»  Шарля де Кольмара. Продержалось  на рынке (с некоторыми усовершенствованиями) целых 90 лет!

    1834г.  Знаменитая «Аналитическая машина» Чарльза Бэббиджа – первый программируемый компьютер, использовавший примитивные программы на перфокартах.