Вычисление средств

Содержание: 
 

Введение

       1. Ручной период

       2. Механический этап

       З. Электромеханический этап

       4. Современный этап. Этап ЭВМ

       5. Таблица поколений 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

      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.

      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.

      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.

1.Ручной  период 

Ручной период автоматизации вычислений начался  на заре человеческой цивилизации. Он базировался на использовании пальцев  рук и ног. Счет с помощью группировки  и перекладывания предметов явился предшественником счета на абаке  — наиболее развитом счетном приборе  древности. Аналогом абака на Руси являются дошедшие до наших дней счеты. Использование  абака предполагает выполнение вычислений по разрядам, т.е. наличие некоторой  позиционной системы счисления.

 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. 
 

2. Механический этап 

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. 

Нам хорошо знаком прибор, способный автоматически  выполнять вычисления, — это часы. Независимо от принципа действия, все  виды часов (песочные, водяные, механические, электрические, электронные и др.) обладают способностью генерировать через  равные промежутки времени перемещения  или сигналы и регистрировать возникающие при этом изменения, то есть выполнять автоматическое суммирование сигналов или перемещений. Этот принцип  прослеживается даже в солнечных  часах, содержащих только устройство регистрации (роль генератора выполняет система  Земля — Солнце).

В основе любого современного компьютера, как и в  электронных часах, лежит тактовый генератор, вырабатывающий через равные интервалы времени электрические  сигналы, которые используются для  приведения в действие всех устройств  компьютерной системы. Управление компьютером  фактически сводится к управлению распределением сигналов между устройствами. Такое  управление может производиться  автоматически (в этом случае говорят  о программном управлении) или  вручную с помощью внешних  органов управления — кнопок, переключателей, перемычек и т. п. (в ранних моделях). В современных компьютерах внешнее  управление в значительной степени  автоматизировано с помощью специальных  аппаратно-логических интерфейсов, к  которым подключаются устройства управления и ввода данных (клавиатура, мышь, джойстик и другие). В отличие  от программного управления такое управление называют интерактивным.

Идея программирования вычислительных операций пришла из той  же часовой промышленности. Старинные  монастырские башенные часы были настроены  так, чтобы в заданное время включать механизм, связанный с системой колоколов. Такое программирование было жестким  — одна и та же операция выполнялась  в одно и то же время. Идея гибкого программирования механических устройств с помощью перфорированной бумажной ленты впервые была реализована в 1804 году в ткацком станке Жаккарда, после чего оставался только один шаг до программного управления вычислительными операциями.

1673 г. — немецкий  математик Лейбниц создает первый  арифмометр, позволяющий выполнять  все четыре арифметических операции.

1881 г. — организация  серийного производства арифмометров.

    Арифмометры  использовались для практических  вычислений вплоть до шестидесятых  годов XX века. 
 
 

3. Электромеханичекский этап 

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. Однако 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. С 1842 по 1848 год Бэббидж упорно работал, расходуя собственные средства.  

Бэббидж разрабатывал конструкцию аналитической машины в одиночку. Он часто посещал промышленные выставки, где были представлены различные  новинки науки и техники. Именно там состоялось его знакомство с  Адой Августой Лавлейс (дочерью Джорджа Байрона), которая стала его очень близким другом, помощником и единственным единомышленником. В 1840 году Бэббидж ездил по приглашению итальянских математиков в Турин, где читал лекции о своей машине. Луиджи Менабреа, преподаватель туринской артиллерийской академии, создал и опубликовал конспект лекций на французском языке. Позже Ада Лавлейс перевела эти лекции на английский язык, дополнив их комментариями по объёму превосходящими исходный текст. В комментариях Ада сделала описание ЦВМ и инструкции по программированию к ней. Это были первые в мире программы. Именно поэтому Аду Лавлейс справедливо называют первым программистом. Однако, аналитическая машина так и не была закончена. Вот, что писал Бэббидж в 1851 году: «Все разработки, связанные с Аналитической машиной, выполнены за мой счёт. Я провёл целый ряд экспериментов и дошёл до черты, за которой моих возможностей не хватает. В связи с этим я вынужден отказаться от дальнейшей работы». Несмотря на то, что Бэббидж подробно описал конструкцию аналитической машины и принципы её работы, она так и не была построена при его жизни. Причин этому было много. Но основными стали: полное отсутствие финансирования проекта по созданию аналитической машины и низкий уровень технологий того времени. Бэббидж не стал в этот раз просить помощи у правительства, так как понимал, что после неудачи с разностной машиной ему всё равно откажут.

Архитектура современного компьютера во многом схожа с архитектурой аналитической машины. В аналитической  машине Бэббидж предусмотрел следующие  части: склад (store), фабрика или мельница (mill), управляющий элемент (control) и устройства ввода/вывода информации.

Склад предназначался для хранения как значений переменных, с которыми производятся операции, так и результатов операций. В  современной терминологии это называется памятью.

Мельница (арифметико-логическое устройство, часть современного процессора) должна была производить операции над  переменными, а также хранить  в регистрах значение переменных, с которыми в данный момент осуществляет операцию.

Третье устройство, которому Бэббидж не дал названия, осуществляло управление последовательностью  операций, помещение переменных в  склад и извлечение их из склада, а также выводом результатов. Оно считывало последовательность операций и переменные с перфокарт. Перфокарты были двух видов: операционные карты и карты переменных. Из операционных карт можно было составить библиотеку функций. Кроме того, по замыслу Бэббиджа, Аналитическая машина должна была содержать  устройство печати и устройство вывода результатов на перфокарты для последующего использования.

Для создания компьютера в современном понимании оставалось лишь придумать схему с хранимой программой, что было сделано 100 лет  спустя Эккертом, Мочли и Фон Нейманом. 

Статистический  табулятор, построенный американцем Германом Холлеритом с целью ускорить обработку результатов переписи населения, которая проводилась в США в 1890 г. Холлерит родился в г. Буффало (шт. Нью-Йорк) в семье немецких эмигрантов. Закончив Колумбийский университет, он поступил на работу в контору по переписи населения в Вашингтоне. Он прибыл сюда как раз в то время, когда сотни служащих приступили к исключительно трудоемкой (длившейся семь с половиной лет) ручной обработке данных, собранных в ходе переписи населения 1880 г.

Карты табулятора Холлерита были размером в долларовую бумажку. На каждой карте имелось 12 рядов, в каждом из которых можно  было пробить по 20 отверстий, соответствующих таким данным, как возраст, пол, место рождения, количество детей, семейное положение и прочие сведения, включенные в вопросник переписи американского населения. Агенты, проводившие перепись, записывали ответы опрашиваемых в специальные формуляры. Заполненные формуляры отсылались в Вашингтон, где содержащуюся в них информацию переносили на карты путем соответствующего перфорирования. Затем перфокарты загружали 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 проходила его, замыкая контакт в соответствующей электрической цепи машины; это в свою очередь приводило к тому, что счетчик, состоящий из вращающихся цилиндров, продвигался на одну позицию вперед.

Машина Холлерита  оказалась настолько быстродействующей, что предварительные подсчеты были завершены через 6 недель, а полный статистический анализ занял два  с половиной года. За истекшее с предыдущей переписи десятилетие население США выросло почти на 13 млн. человек, достигнув 62 622 250 чел., но обработка результатов переписи 1890 г. потребовала приблизительно втрое меньше времени по сравнению с предыдущей. 
 

4. Современный этап. Этап ЭВМ. 

Подлинная революция  в вычислительной технике произошла  в связи с применением электронных  устройств. Работа над ними началась в конце 30-х годов одновременно в США, Германии, Великобритании и  СССР. К этому времени электронные  лампы, ставшие технической основой  устройств обработки и хранения цифровой информации, уже широчайшим образом применялись в радиотехнических устройствах.

Первой действующей  ЭВМ стал ENIAC (США, 1945 – 1946 гг.). Его  название по первым буквам соответствующих  английских слов означает “электронно-числовой интегратор и вычислитель”. Руководили ее созданием Джон Моучли и Преспер  Эккерт, продолжившие начатую в конце 30-х годов работу Джорджа Атанасова. Машина содержала порядка 18 тысяч электронных ламп, множество электромеханических элементов. Ее энергопотребление равнялось 150 кВт, что вполне достаточно для обеспечения небольшого завода.

Практически одновременно велись работы над созданием ЭВМ  в Великобритании. С ними связано прежде всего имя Аллана Тьюринга – математика, внесшего также большой вклад в теорию алгоритмов и теорию кодирования. В 1944 г. в Великобритании была запущена машина “Колосс”.

Эти и ряд  других первых ЭВМ не имели важнейшего с точки зрения конструкторов  последующих компьютеров качества – программа не хранилась в  памяти машины, а набиралась достаточно сложным образом с помощью  внешних коммутирующих устройств.

Огромный вклад  в теорию и практику создания электронной  вычислительной техники на начальном  этапе ее развития внес один из крупнейших американских математиков Джон фон  Нейман. В историю науки навсегда вошли “принципы фон Неймана”. Совокупность этих принципов породила классическую (фон-неймановскую) архитектуру  ЭВМ. Один из важнейших принципов  – принцип хранимой программы  – требует, чтобы программа закладывалась  в память машины так же, как в  нее закладывается исходная информация. Первая ЭВМ с хранимой программой (EDSAC) была построена в Великобритании в 1949 г.

Проекты и реализация машин «Марк–1», EDSAC и EDVAC в Англии и США , МЭСМ в СССР заложили основу для развёртывания работ по созданию ЭВМ вакуумноламповой технологии – серийных ЭВМ первого поколения. Разработка первой электронной серийной машины UNIVAC (Universal Automatic Computer) была начата примерно в 1947 г. Эккертом и Маучли. Первый образец машины (UNIVAC-1) был построен для бюро переписи США и пущен в эксплуатацию весной 1951 г. Синхронная, последовательного действия вычислительная машина UNIVAC-1 создана на базе ЭВМ ENIAC и EDVAC. Работала она с тактовой частотой 2,25 МГц и содержала около 5000 электронных ламп. 

БЭСМ-6 — советская электронная вычислительная машина, первая суперЭВМ на элементной базе второго поколения — полупроводниковых транзисторах.

Разработка БЭСМ-6 завершена в конце 1966 года. Главный  конструктор — Сергей Алексеевич Лебедев, заместители главного конструктора — В. А. Мельников, Л. Н. Королёв. В 1968 году начат выпуск на заводе Счётно-аналитических машин (САМ) в Москве.

Особенности БЭСМ-6:

Элементная база — транзисторный парафазный усилитель с диодной логикой на входе

Тактовая частота  — 10 МГц

48-битное машинное  слово

Быстродействие  — около 1 млн операций в секунду, близкое к рекордному для того времени (наиболее производительная американская система CDC 6600 (англ.), выпускавшаяся с 1964 года, обеспечивала быстродействие 3 млн операций в секунду)

Конвейерный центральный  процессор (ЦП) с отдельными конвейерами  для устройства управления (УУ) и  арифметического устройства (АУ). Конвейер позволял совмещать обработку нескольких команд, находящихся на разных стадиях  выполнения.

8-слойная физическая  организация памяти (интерливинг)

Виртуальная адресация  памяти и расширяемые регистры страничной приписки.

Совмещённое АУ для целой и плавающей арифметики.

Кеш на 16 48-битных слов: 4 чтения данных, 4 чтения команд, 8 — буфер записи

Система команд включала в себя 50 24-битных команд (по две в слове). 
 
 
 

5. Таблица поколений  ЭВМ.