Тема 2. История развития вычислительной техники

(Долинер)

История развития вычислительной техники состоит из двух этапов: доэлектронного и электронного.

Вычисления производились с давних времен. Для этого использовались счеты, арифмометры, логарифмические линейки и другие приспособления. Были такие расчеты, когда десятки человек работали несколько месяцев (расчеты баллистических таблиц для артиллерийских стрельб).

Первый счетный инструмент (после пальцев на руке) появился в V-IV) веках до н.э. и назывался АБАК (греч. «узнать») и представлял собой доску, разделенную на колонки в которых могли размещаться камешки по позиционному признаку. АБАК в виде счет дошел до нашего времени.

В 1642 году Блэз Паскаль (французский ученый), сконструировал механическую суммирующую машину.

В 1673 немецкий математик Лейбниц усовершенствовализобретение Паскаля и разработал арифмометр для выполнения основных арифметических действий. Лейбниц также очень активно разрабатывал двоичную систему счисления.

В 1801 г. Инженер Жаккар автоматизировалткацкий станок. Рисунок на ткани задавался программой, хранимой на перфокарте.

В 1834 г. английский ученый Чарльз Бэббидж предложил проект Аналитической машины, которая должна была производить не просто вычисления, а выполнять программы. «Программистом» у него работала дочь лорда Байрона Ада Лавлейс.

В 1847-54 гг. математик Джордж Буль разработал основы математической логики. Матлогика лежит основе работы процессоров, ее называют также булевой алгеброй.

В 1890 году американский изобретатель Герман Холлерит создал электрический статистический табулятор, который успешно использовался для обработки переписи населения США в 1897 г. В 1924 году Холлерит основал легендарную фирму IBM, одну из ведущих компьютерных фирм мира в современном мире.

В 1943 году американец Говард Эйкен [1] при поддержке фирмы IBM построил вычислительную машину «МАРК-1» на базе электромеханических реле со скоростью счета 5 операций в секунду. Это было последнее достижение доэлектронного периода.

Электронный период. В ХХ веке потребность в быстрых расчетах резко возросла. Так, появление ракетной техники потребовало многократного увеличения скорости счета. Ведь для управления ракетой информация о её траектории должна обрабатываться в течение малой доли секунды. Эту проблему не могли решить инерционные механические устройства, необходимо было использовать более быстрые электрические процессы.

В 1946 году группа специалистов под руководством Джона Мочли и Преснера Экерта в США построили ЭВМ на основе электронных ламп. Их машина, названная ENIAK, работала в тысячу раз быстрее, чем «МАРК-1» (5000 оп/сек), но для задания ей программы приходилось в течение нескольких часов или даже дней подсоединять нужным образом провода, то есть программа была «жесткой». Встала проблема разработки универсальной ЭВМ, которая могла бы решать широкий круг задач, легко переходя от одной задачи к другой.

Разработкой теоретических основ универсальной ЭВМ занялся знаменитый немецкий математик Джон фон Нейман. В 1945 году он сформулировал принципы, на которых должна строиться универсальная ЭВМ:

1. Принцип двоичного кодирования. Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов (двоичных цифр, битов) и разделяется на единицы, называемые словами.

2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

3. Принцип адресуемости памяти. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к хранящимся в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.

4. Принцип последовательного программного управления. предполагает, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

5. 5 Принцип жесткости архитектуры. Неизменяемость в процессе работы топологии, архитектуры, списка команд.

Нейман также выделил в ЭВМ четыре основных блока:

1. Арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции.

2. Устройство управления, которое организует выполнение программ (сейчас оба этих устройства объединены в одном – процессоре).

3. Запоминающее устройство, или память для хранения программ и данных.

4. Внешние устройства для ввода-вывода информации.

Первая ЭВМ, в которой были воплощены принципы фон Неймана (программа хранилась в памяти), была построена в 1949 году английским исследователем Марксом Уилксом [1]. Она явилась прообразом ЭВМ первого поколения, промышленное производство которых было налажено в 50-х годах.

Первая отечественная вычислительная машина МЭСМ (Малая Электронная Счетная Машина) была разработана в 1950 г. под руководством академика С.А.Лебедева. Позже была разработана серия БЭСМ.

ЭВМ можно условно разделить на несколько поколений. Рассмотрим эти поколения.

ЭВМ, компьютеры и компьютерные системы состоят из двух частей: аппаратного и программного обеспечения.

Аппаратное обеспечение – комплекс технических средств, включающих ЭВМ и внешние устройства, присоединенные к ней.

Программное обеспечение – комплекс программ, необходимых для работы компьютерной системы.

Первое поколение ЭВМ.

(1946-1955)

Элементная база – электронные лампы.

Производительность - 10⁴ флопс.

Оперативная память - До 2 Кб.

ВЗУ - Магнитные ленты и барабаны, 100 Кб.

Устройства ввода-вывода - Устройства для работы с перфолентами и перфокартами, печатающие устройства.

Программное обеспечение - программы в машинных кодах, автокод, языки ассемблера.

Представители: ЭНИАК, МЭСМ, БЭСМ, Стрела, М-20, Урал-1.

Аппаратное обеспечение ЭВМ первого поколения определялось элементной базой – электронными лампами.

Элементная база – электронные устройства, лежащие в основе ЭВМ. Поскольку электронные лампы имеют большие габариты, энергопотребление и небольшой ресурс работы, то и ЭВМ первого поколения были громоздкие (занимали большие залы), потребляли большое количество электроэнергии, были ненадежны (часто, по несколько раз в день давали сбои). Но скорость счета достигала уже десятков тысяч операций в секунду. Это перевешивало недостатки.

Внешние устройства. Для ввода информации использовали бумажную перфоленту (лента с отверстиями). Пользоваться ей было неудобно, она рвалась при перемотке. Для вывода информации использовали печатающее устройство, которое могло печатать только числа на узком рулоне бумаги. Программисту приходилось расшифровывать эти длинные колонки цифр, что было довольно утомительно.

Программное обеспечение. Программы писались на машинном языке, то есть в виде длинной последовательности нулей и единиц. Это очень трудоемко. Поэтому в 50-х годах были разработаны системы, позволяющие писать программы с использованием мнемонических обозначений машинных команд. Такой язык назвали автокодом или языком ассемблера. Это были языки низкого уровня (чем ближе язык к естественному человеческому, тем выше его уровень), программирование на них требует высокой квалификации программиста.

Уровень языка определяется близостью его к естественному человеческому языку, т.е. чем ближе, тем уровень выше, чем ближе алгоритмический язык к языку машинных команд, тем его уровень ниже.