Рождение ЭВМ
Содержание
Глава
I. История создания ЭВМ ..............................
Глава
II. Поколение ЭВМ...........................
2.1. Первое поколение..............
2.2. Второе поколение..............
2.3. Третье поколение .............
2.4. Четвертое поколение ..........
2.5. Пятое поколение...............
2.6. Современные персональные компьютеры....................
Приложение
1. Таблица сравнения поколений
ЭВМ ..............................
Глава
III. Место в современном мире..........................
3.1. Эволюционный процесс..........
3.2 Современные компьютеры........
3.3 Семейство компьютеров.........
Заключение....................
Глава I. История создания ЭВМ
История компьютера тесным образом связана с попытками облегчить и автоматизировать большие объемы вычислений. Даже простые арифметические операции с большими числами затруднительны для человеческого мозга. Поэтому уже в древности появилось простейшее счетное устройство - абак. Абак (греч. abax, abakion, латинский abacus - доска, счётная доска), счётная доска, применявшаяся для арифметических вычислений в Древней Греции, Риме, затем в Западной Европе до 18 века. Доска разделялась на полосы, счёт осуществлялся передвижением находящихся в полосах счётных марок (костяшек, камней и т.п.). В странах Дальнего Востока распространён китайский аналог абака - суан-пан, в России - счёты.
Развитие приспособлений для счета шло в ногу с достижениями математики. Вскоре после открытия логарифмов в 1623 г. была изобретена логарифмическая линейка, её автором был английский математик Эдмонд Гантер. Логарифмической линейке суждена была долгая жизнь: от 17 века до нашего времени.
Однако ни абак, ни счеты, ни логарифмическая линейка не означают механизации процесса вычислений. В 1642 году выдающимся французским ученым Блезом Паскалем было изобретено принципиально новое счетное устройство – арифметическая машина. В основу её работы Б. Паскаль положил известную до него идею выполнения вычислений с помощью металлических шестеренок. В 1645 г. им была построена первая суммирующая машина, а в 1675 г. Паскалю удается создать настоящую машину, выполняющую все четыре арифметических действия. Почти одновременно с Паскалем в 1660 – 1680 гг. Сконструировал счетную машину великий немецкий математик Готфирд Лейбниц.
Счетные машины Паскаля и Лейбница стали прообразом арифмометра. Первый арифмометр для четырех арифметических действий, нашедший арифметическое применение, удалось построить только через сто лет, 1790 г., немецкому часовому мастеру Гану. Впоследствии устройство арифмометра совершенствовалось многими механиками из Англии, Франции, Италии, России, Швейцарии. Арифмометры применялись для выполнения сложных вычислений при проектировании и строительстве кораблей. Мостов, зданий, при проведении финансовых операций. Но производительность работы на арифмометрах оставалась невысокой, настоятельным требованием времени была автоматизация вычислений.
В 1833 г. анлийский ученый Чарлз Бэбидж, занимавшийся составлением таблиц для навигации, разработал проект «аналитической машины». По его замыслу, эта машина должна была стать гигантским арифмометром с программным управлением. В машине Бэбиджа предусмотрены были также арифметические и запоминающие устройства. Его машина стала прообразом будущих компьютеров. Но в ней использовались далеко не совершенные узлы, например, для запоминания разрядов десятичного числа в ней применялись зубчатые колеса. Управление такой машиной должно было осуществляться программным путем. Для ввода и вывода данных Бэббидж предлагал использовать перфокарты - листы из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий. В то время перфокарты уже использовались в текстильной промышленности. Отверстия в них пробивались с помощью специальных устройств - перфораторов.
Осуществить свой проект Бэбиджу не удалось из – за недостаточного развития техники, и «аналитическая машина» на время была забыта. Идеи Бэббиджа стали реально воплощаться в жизнь в конце 19 века.
В 1888 году американский инженер
Герман Холлерит сконструировал первую
электромеханическую счетную
В 1896 году Герман
Холлерит основал фирму
Дальнейшие развития науки и техники позволили в 1940-х годах построить первые вычислительные машины. Создателем первого действующего компьютера Z1 с программным управлением считают немецкого инженера Конрада Цузе.
В феврале 1944 года на одном
из предприятий IBM в сотрудничестве
с учеными Гарвардского университета
по заказу ВМС США была создана машина "Mark 1". Это
был монстр весом около 35 тонн. В "Mark
1" использовались механические элементы
для представления чисел и электромеханические
- для управления работой машины. Числа
хранились в регистрах, состоящих из десятизубных
счетных колес. Каждый регистр содержал
24 колеса, причем 23 из них использовались
для представления числа (т.е. "Mark 1"
мог "перемалывать" числа длинной
до 23 разрядов), а одно - для представления
его знака. Регистр имел механизм передачи
десятков и поэтому использовался не только
для хранения чисел; находящееся в одном
регистре, число могло быть передано в
другой регистр и добавлено к находящемуся
там числу(или вычтено из него). Всего в
"Mark 1" было 72 регистра и, кроме того,
дополнительная память из 60 регистров,
образованных механическими переключателями.
В эту дополнительную память вручную вводились
константы - числа, которые не изменялись
в процессе вычислений.
Умножение и деление производилось в
отдельном устройстве. Кроме того, машина
имела встроенные блоки, для вычисления
sin x, 10x и log x. Скорость выполнения
арифметических операций в среднем составляла:
сложение и вычитание - 0,3 секунды, умножение
- 5,7 секунды, деление - 15,3 секунды. Таким
образом "Mark 1" был "эквивалентен"
примерно 20 операторам, работающим с ручными
счетными машинами.
Наконец, в 1946 в США была
создана первая электронная вычислительная
машина (ЭВМ) - ENIAC (Electronic Numerical integrator and Computer
- Электронный числовой интегратор
и компьютер). Разработчики: Джон Мочи
(John Маuchу) и Дж. Преспер Эккерт (J.
Prosper Eckert). Он был произведен на свет
в Школе электрической техники Moore (при
университете в Пенсильвании).
Время сложения - 200 мкс, умножения - 2800
мкс и деления - 24000 мкс.
Компьютер содержал 17468 вакуумных ламп
шестнадцати типов,
7200 кристаллических диодов
и 4100 магнитных элементов. Общая
стоимость базовой машины - 750000 долларов.
Стоимость включала дополнительное оборудование,
магнитные модули памяти (по цене 29706,5
доллара) и аренду у IBM (по 82,5 доллара в
месяц) устройства считывания перфокарт
( 125 карт в минуту). Она также включала
и арендную плату (по 77 долларов в месяц)
за IBM-перфоратор (100 карт в минуту).
Потребляемая мощность ENIAC - 174 кВт. Занимаемое
пространство - около 300 кв. м.
В Советском Союзе первая электронная цифровая вычислительная машина была разработана в 1950 году под руководством академика С. А. Лебедева в Академии наук Украинской ССР. Она называлась «МЭСМ» (малая электронная счётная машина).
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. Одно время слово "кибернетика" использовалось для обозначения вообще всей компьютерной науки, а в особенности тех ее направлений, которые в 60-е годы считались самыми перспективными: искусственного интеллекта и робототехники.
Глава II. Поколения ЭВМ.
Развитие ЭВМ делится на несколько периодов. Поколения ЭВМ каждого периода отличаются друг от друга элементной базой и математическим обеспечением.
2.1. Первое поколение (1945-1950) - ЭВМ 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 вычислительных машин нередко требовали для себя отдельных зданий. Ввод чисел в первые машины производился с помощью перфокарт, а программное управление последовательностью выполнения операций осуществлялось, например в ENIAC, как в счетно-аналитических машинах, с помощью штеккеров и наборных полей. Хотя такой способ программирования и требовал много времени для подготовки машины, то есть для соединения на наборном поле (коммутационной доске) отдельных блоков машины, он позволял реализовывать счетные «способности» ENIAC'а и тем выгодно отличался от способа программной перфоленты, характерного для релейных машин. Солдаты, приписанные к этой огромной машине, постоянно носились вокруг нее, скрипя тележками, доверху набитыми электронными лампами. Стоило перегореть хотя бы одной лампе, как ENIAC тут же вставал, и начиналась суматоха: все спешно искали сгоревшую лампу. Одной из причин - возможно, и не слишком достоверной - столь частой замены ламп считалась такая: их тепло и свечение привлекали мотыльков, которые залетали внутрь машины и вызывали короткое замыкание. Если это правда, то термин «жучки» (bugs), под которым подразумевают ошибки в программных и аппаратных средствах компьютеров, приобретает новый смысл. Когда все лампы работали, инженерный персонал мог настроить ENIAC на какую-нибудь задачу, вручную изменив подключение 6 000 проводов. Все эти провода приходилось вновь переключать, когда вставала другая задача.
Следующий важный шаг в
совершенствовании
1. Компьютер состоит из процессора (центрального
обрабатывающего устройства), памяти и
внешних устройств.
2. Единственным источником активности
(не считая стартового или аварийного
вмешательства человека) в компьютере
является процессор, который, в свою очередь,
управляется программой, находящейся
в памяти.
3. Память компьютера состоит из ячеек,
каждая из которых имеет свой уникальный
адрес. Каждая ячейка хранит команду программы
или единицу обрабатываемой информации.
Причем и команда, и
информация имеют одинаковое представление.
4. В любой момент процессор выполняет
одну команду программы, адрес которой
находится в специальном регистре процессора
- счетчике команд.
5. Обработка информации происходит только
в регистрах процессора. Информация в
процессор поступает из памяти или от
внешнего устройства.
6. В каждой команде программы зашифрованы
следующие предписания: из каких ячеек
взять обрабатываемую информацию; какие
операции совершить с эй информацией;
в какие ячейки памяти направить результат;
как изменить содержимое счетчика команд,
чтобы знать, откуда взять следующую команду
для выполнения.
7. Процессор исполняет программу команда
за командой в соответствии с изменением
содержимого счетчика команд до тех пор,
пока не получит команду остановиться.
В дальнейшем архитектура фон Неймана
незначительно изменялась и дополнялась,
но исходные принципы управления работой
компьютера с помощью хранящихся в памяти
программ остались нетронутыми. Подавляющее
большинство современных компьютеров
построено именно по архитектуре фон Неймана.
Первой серийно выпускавшейся
ЭВМ 1-го поколения стал компьютер UNIVAC
(Универсальный автоматический компьютер).
Он был первым электронным цифровым
компьютером общего назначения. UNIVAC,
работа по созданию которого началась
в 1946 году и завершилась в 1951-м, имел
время сложения 120 мкс, умножения -1800
мкс и деления - 3600 мкс. UNIVAC мог
сохранять 1000 слов, 12000 цифр со временем
доступа до 400 мкс максимально. Магнитная
лента несла 120000 слов и 1440000 цифр. Ввод/вывод
осуществлялся с магнитной
Программное обеспечение компьютеров 1-го поколения состояло в основном из стандартных подпрограмм.
Машины этого поколения: «ENIAC», «МЭСМ», «БЭСМ», «IBM -701», «Стрела», «М-2», «М-3», «Урал», «Урал-2», «Минск-1», «Минск-12», «М-20» и др. Эти машины занимали большую площадь, использовали много электроэнергии и состояли из очень большого числа электронных ламп. Например, машина «Стрела» состояла из 6400 электронных ламп и 60 тыс. штук полупроводниковых диодов. Их быстродействие не превышало 2-3 тыс. операций в секунду, оперативная память не превышала 2 Кб. Только у машины «М-2» (1958) оперативная память была 4 Кб, а быстродействие 20 тыс. операций в секунду.
Основные
технические характеристики ЭВМ "УРАЛ-1"
Структура команд: одноадресная.
Система счисления: двоичная.
Способ представления чисел - с фиксированной
запятой и с плавающей запятой по стандартным
программам.
Разрядность-35 двоичных разрядов (10,5 десятичных)
и один разряд для знака числа.
Диапазон представляемых чисел: от 1 до
10-10.5.
Время выполнения отдельных операций:
а) деления - 20 мксек;
б) нормализации - 20 мсек;
в) остальных операций-10 мсек.
Количество команд-29.
Характеристики ЗУ:
емкость ОЗУ на магнитном барабане
- 1024 тридцатишестиразрядных числа или
команды;
емкость НМЛ - до 40 000 тридцатишестиразрядных
чисел или 8000 команд.
Устройство ввода - на перфорированной
киноленте шириной 35 мм.
Вывод - печатающее устройство. Скорость
печати - 100±10 чисел в минуту.
Машина построена на одноламповых типовых
ячейках.
Питание машины от сети трехфазного переменного
тока напряжением 220В ±10%, частотой 50Гц.
Потребляемая мощность 7,5 кВт.
Занимаемая площадь 50 кв. м.
2.2. Второе поколение ЭВМ (1950-1960)
ЭВМ 2-го поколения были разработаны в 1950-60 гг. В качестве основного элемента были использованы уже не электронные лампы, а полупроводниковые диоды и транзисторы, а в качестве устройств памяти стали применяться магнитные сердечники и магнитные барабаны - далекие предки современных жестких дисков. Второе отличие этих машин - это то, что появилась возможность программирования на алгоритмических языках. Были разработаны первые языки высокого уровня - Фортран, Алгол, Кобол. Эти два важных усовершенствования позволили значительно упростить и ускорить написание программ для компьютеров. Программирование, оставаясь наукой, приобретает черты ремесла. Все это позволило резко уменьшить габариты и стоимость компьютеров, которые тогда впервые стали строиться на продажу.
Машины этого поколения: «РАЗДАН-2», «IВМ-7090», «Минск-22, - 32», «Урал - 14, - 16», «БЭСМ-3, - 4, - 6», «М-220, -222» и др.
Применение полупроводников в электронных схемах ЭВМ привели к увеличению достоверности, производительности до 30 тыс. операций в секунду, и оперативной памяти до 32 Кб. Уменьшились габаритные размеры машин и потребление электроэнергии. Но главные достижения этой эпохи принадлежат к области программ. На втором поколении компьютеров впервые появилось то, что сегодня называется операционной системой. Соответственно расширялась и сфера применения компьютеров. Теперь уже не только ученые могли рассчитывать на доступ к вычислительной технике; компьютеры нашли применение в планировании и управлении, а некоторые крупные фирмы даже компьютеризовали свою бухгалтерию.
Основные
технические характеристики ЭВМ "Урал-16":
Структура команд двухадресная.
Система счисления двоичная,
Способ представления чисел: с плавающей
запятой.
Разрядность: 36 двоичных разрядов (мантисса
числа — 29 разрядов, знак мантиссы -- 1 разряд,
порядок — 5 разрядов, знак порядка — 1
разряд).
Быстродействие 5000 операций/с.
Количество команд (основных) 17. Каждая
операция имеет 8 модификаций.
Характеристики запоминающих устройств.
Емкость ОЗУ на ферритах 2 К слов; время
обращения к ОЗУ 24 мкс,
Емкость внешнего НМЛ 120000 чисел; скорость
считывания с НМЛ 2000 чисел/с.
Устройства ввода — вывода обеспечивают
ввод информации в машину с фотосчитывающего
устройства на кинолепте со скоростью
35 чисел/с и вывод результатов вычислений
на печатающее устройство со скоростью
20 чисел/с.
Питание машины от сети переменного тока
напряжением 380/220 В, частотой 50 Гц.
Потребляемая мощность около 3 кВт.
Занимаемая площадь 20 кв. м.
2.3. Третье поколение (1964-1971 годы)
В 1958 инженер компании Texas
Instruments Джек Килби предложил идею
интегральной микросхемы - кремниевого
кристалла, на который монтируются
миниатюрные транзисторы и
Первые интегральные микросхемы
состояли всего из нескольких элементов.
Однако, используя полупроводниковую
технологию, ученые довольно быстро научились
размещать на одной интегральной
микросхеме сначала десятки, а затем
сотни и больше транзисторных
элементов.
В 1964 году компания IBM выпустила
компьютер IMB System 360, построенный на основе
интегральных микросхем. Семейство компьютеров
IBM System 360 - самое многочисленное семейство
компьютеров третьего поколения и одно
из самых удачных в истории вычислительной
техники. Выпуск этих компьютеров можно
считать началом массового производства
вычислительной техники. Всего было выпущено
более 20 000 экземпляров System 360.
IMB System 360 относится к классу
так называемых мэйнфреймов. Компания
DEC (Digital Equipment Corporation) представила модель
миникомпьютера PDP-8. Мини-компьютеры, или
компьютеры средней производительности,
характеризуются высокой надежностью
и сравнительно низкой стоимостью. Низкая
по сравнению со стоимостью суперкомпьютеров
стоимость миникомпьютеров позволила
начать применять их в небольших организациях
- исследовательских лабораториях, офисах,
на небольших промышленных предприятиях.
В то же время проходило
совершенствование программного обеспечения.
Операционные системы строились
таким образом, чтобы поддерживать
большее количество внешних устройств,
появились первые коммерческие операционные
системы и новые прикладные программы.
В 1968 году на одной из конференций
Дуглас Энгельбарт из Станфордского
института продемонстрировал
Основой для компьютеров третьего поколения послужили интегральные микросхемы, что позволило значительно уменьшить стоимость и размеры компьютеров, началось массовое производство компьютеров. В данный период развития вычислительной техники продолжалось увеличение скорости обработки информации. Компьютеры третьего поколения работали со скоростью до одного миллиона операций в секунду. Появились новые внешние устройства, облегчающие взаимодействие человека с компьютером.
Увеличение быстродействия компьютеров и области их применения потребовало разработки новых методов создания программного обеспечения. Появились первые коммерческие операционные системы реального времени, специально разработанные для них языки программирования высокого уровня. Область применения компьютеров третьего поколения необычайно широка: системы обработки данных, управления, проектирования, решения различных коммерческих задач.
2.4. Четвертое поколение (с 1971 года)
Начиная с середины 1970-х годов стройная картина смены поколений нарушается. Все меньше становится 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.
Период с 1971 г. принадлежит компьютерам четвертого поколения. Их элементной базой стали большие интегральные схемы (БИС). В одном кристалле интегрированно до 100 тысяч элементов). Быстродействие этих машин составляло десятки млн. операций в секунду, а оперативная память достигла сотен Мб. Появились микропроцессоры (1971 г. фирма Intel), микро-ЭВМ и персональные ЭВМ. Стало возможным коммунальное использование мощности разных машин (соединение машин в единый вычислительный узел и работа с разделением времени).
Однако, есть и другое мнение - многие полагают, что достижения периода 1971-1985 гг. не настолько велики, чтобы считать его равноправным поколением. Сторонники такой точки зрения называют это десятилетие принадлежащим «третьему-с половиной» поколению компьютеров. И только с 1985 г., когда появились супербольшие интегральные схемы (СБИС). В кристалле такой схемы может размещаться до 10 млн. элементов.), следует отсчитывать годы жизни собственно четвертого поколения, здравствующего и по сей день.
Развитие ЭВМ 4-го поколения пошло по 2 направлениям:
1-ое направление - создание суперЭВМ - комплексов многопроцессорных машин. Быстродействие таких машин достигает нескольких миллиардов операций в секунду. Они способны обрабатывать огромные массивы информации. Сюда входят комплексы ILLIAS-4, CRAY, CYBER, «Эльбрус-1», «Эльбрус-2» и др. Многопроцессорные вычислительные комплексы (МВК) «Эльбрус-2» активно использовались в Советском Союзе в областях, требующих большого объема вычислений, прежде всего, в оборонной отрасли. Вычислительные комплексы «Эльбрус-2» эксплуатировались в Центре управления космическими полетами, в ядерных исследовательских центрах. Наконец, именно комплексы «Эльбрус-2» с 1991 года использовались в системе противоракетной обороны и на других военных объектах.
2-ое направление - дальнейшее развитие на базе БИС и СБИС микро-ЭВМ и персональных ЭВМ (ПЭВМ). Первыми представителями этих машин являются Apple, IBM - PC (XT, AT, PS /2), «Искра», «Электроника», «Мазовия», «Агат», «ЕС-1840», «ЕС-1841» и др.
Начиная с этого поколения ЭВМ стали называть компьютерами.
Благодаря появлению и развитию персональных компьютеров (ПК), вычислительная техника становится по-настоящему массовой и общедоступной. Несмотря на то, что персональные и миникомпьютеры по-прежнему во всех отношениях отстают от больших машин, львиная доля новшеств - графический пользовательский интерфейс, новые периферийные устройства, глобальные сети - обязаны своим появлением и развитием именно этой техники. Большие компьютеры и суперкомпьютеры, конечно же, не вымерли и продолжают развиваться. Но теперь они уже не доминируют на компьютерной арене, как было раньше.
2.5. Пятое поколение.
ЭВМ пятого поколения - это ЭВМ будущего. Программа разработки, так называемого, пятого поколения ЭВМ была принята в Японии в 1982 г. Предполагалось, что к 1991 г. будут созданы принципиально новые компьютеры, ориентированные на решение задач искусственного интеллекта. С помощью языка Пролог и новшеств в конструкции компьютеров планировалось вплотную подойти к решению одной из основных задач этой ветви компьютерной науки - задачи хранения и обработки знаний. Коротко говоря, для компьютеров пятого поколения не пришлось бы писать программ, а достаточно было бы объяснить на «почти естественном» языке, что от них требуется.
Предполагается, что их элементной базой будут служить не СБИС, а созданные на их базе устройства с элементами искусственного интеллекта. Для увеличения памяти и быстродействия будут использоваться достижения оптоэлектроники и биопроцессоры.
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.
К сожалению, японский проект ЭВМ пятого поколения повторил трагическую судьбу ранних исследований в области искусственного интеллекта. Более 50-ти миллиардов йен инвестиций были потрачены впустую, проект прекращен, а разработанные устройства по производительности оказались не выше массовых систем того времени. Однако, проведенные в ходе проекта исследования и накопленный опыт по методам представления знаний и параллельного логического вывода сильно помогли прогрессу в области систем искусственного интеллекта в целом.

- Рождение ЭВМ
- Рождение, эволюция и смерть звезд
- Рождения Вселенной
- Рождественские гадания
- Рождество в Великобритании
- Рождество в Италии
- Рождество во Франции
- Рождение русского театра
- Рождение Русского флота в эпоху Петра I
- Рождение современной химии
- Рождение социологии и его основные факторы
- Рождение фотографии: изобретения Ньепса, Талбота и Даггера
- Рождение чешской нации (Ян Гус, гуситские войны)
- Рождение чешской нации Ян Гус, гуситские войны