История развития компьютерной техники

Предмет, цели, задачи и структура дисциплины

Тема 1.1. Введение

Раздел 1. Аппаратное обеспечение КОМПЬЮТЕРНой техники

Предмет дисциплины – современные средства компьютерной техники (программные и аппаратные) и основы программирования на персональном компьютере. Для студентов телекоммуникационных специальностей аппаратные и программные средства компьютерной техники и их компоненты являются, с одной стороны, элементами телекоммуникационных устройств, систем и сетей и, с другой стороны, основным рабочим инструментом при их разработке и эксплуатации. Овладение основами программирования на языках высокого уровня, используемыми в программном обеспечении телекоммуникационных узлов, также является необходимым для подготовки специалиста-разработчика средств телекоммуникаций.

Поэтому целью данной дисциплины является изучение студентами современной компьютерной техники для ориентации и практического использования, формирование навыков работы с системным и прикладным программным обеспечением, а также овладение основами программирования на алгоритмических языках на персональном компьютере.

Задачи дисциплины:

· ознакомление с историей развития компьютерной техники и программирования;

· изучение основ архитектуры и организации процесса обработки данных в компьютерной системах и сетях;

· обзор основных компонент компьютерных систем и сетей и их взаимодействия;

· ознакомление с наиболее распространенными типами компьютерных систем и сетей;

· обзор структуры и компонент программного обеспечения компьютерной техники;

· обзор наиболее распространенных в настоящее время операционных систем и сред и основных пакетов прикладных программ, а также практическая работа с ними;

· изучение основ алгоритмизации задач и средств их программной реализации;

· изучение основ программирования и программирование на алгоритмическом языке C;

· изучение технологии программирования в телекоммуникационных системах на примере Web-технологий.

Программа курса рассчитана на два семестра.

Для контроля овладения студентами материала курса и в первом и во втором семестре предусмотрены экзамены. Текущий контроль будет проводиться на практических занятиях и лабораторных работах.

Потребность в счете возникла у людей с незапамятных времен. В далеком прошлом они считали на пальцах или делали насечки на костях, на дереве или на камнях.

Первым счетным инструментом, получившим широкое распространение, можно считать абак (от греческого слова abakion и латинского abacus, означающих доска).

Предполагается, что абак впервые появился в Вавилоне примерно в 3 тысячелетии до нашей эры. Доска абака была разделена линиями на полосы или желобки, а арифметические действия выполнялись с помощью размещённых на полосах (желобках) камней или других подобных предметов (рис. 1.1.1а). Каждый камешек означал единицу вычислений, а сама линия – разряд этой единицы. В Европе абак использовался до XVIII века.

Рис. 1.1.1. Разновидности абака: древнеримский абак (реконструкция);

б) китайский абак (суанпан); в) японский абак (соробан);

г) абак инков (юпана); д) абак инков (кипу)

В Древнем Китае и Японии использовались аналоги абака – суанпан (рис. 1.1.1б) и соробан (рис. 1.1.1в). Вместо камешков использовались цветные шарики, а вместо желобков – прутики, на которые шарики нанизывались. На аналогичных принципах базировались и абаки инков – юпана (рис. 1.1.1г) и кипу (рис. 1.1.1д). Кипу использовалось не только для счета, но для записи текстов.

Недостатком абака было использование недесятичных систем счисления (в греческом, римском, китайском и японском абаке использовалась пятеричная система счисления). Кроме того, абак не позволял оперировать с дробями.

Десятеричный абак, или русские счеты, в которых используется десятеричная система счисления и возможность оперировать десятыми и сотыми дробными долями, появился на рубеже XVI и XVII веков (рис. 1.1.2а). От классического абака счеты отличаются увеличением разрядности каждого числового ряда до 10, добавлением рядов (от 2 до 4) для операций с дробями.

Счеты практически без изменений (рис. 1.1.2б) дожили до 80 годов прошлого века, постепенно уступив место электронным калькуляторам.

Рис. 1.1.2. Русские счеты: а) счеты середины XVII века; б) современные счеты

Счеты упрощали выполнение операций сложения и вычитания, однако умножение и деление выполнить с их помощью было довольно неудобно (с помощью многократного сложения и вычитания). Устройством, облегчающим умножение и деление чисел, а также некоторые другие расчеты, стала логарифмическая линейка (рис. 1.1.3а), изобретенная в 1618 году английским математиком и астрономом Эдмундом Гантером (впервые логарифмы были введены в практику после работы шотландца Джона Непера, опубликованной в 1614 г.).

Затем в логарифмическую линейку был добавлен движок и бегунок из стекла (а затем плексигласа), имеющий визирную линию (рис. 1.1.3б). Как и счеты, логарифмическая линейка уступила место электронным калькуляторам.

Рис. 1.1.3. Логарифмическая линейка: а) линейка Эдмунда Гантера;

б) одна из последних моделей линейки

Первое механическое счетное устройство (калькулятор) было создано в 40-х годах XVII в. выдающимся французским математиком, физиком, писателем и философом Блезом Паскалем (в его честь назван один из самых распространенных современных языков программирования). Суммирующая машина Паскаля, «паскалина» (рис. 1.1.4а), представляла собой ящик с многочисленными шестеренками. Другие операции, кроме сложения, выполнялись при помощи довольно неудобной процедуры повторных сложений.

Первая машина, позволявшая легко производить вычитание, умножение и деление – механический калькулятор, была изобретена в 1673 г. в Германии Готфридом Вильгельмом Лейбницем (рис. 1.1.4б). В дальнейшем конструкция механического калькулятора видоизменялась и дополнялась учеными и изобретателями различных стран (рис. 1.1.4в). С широким распространением электричества в быту ручное вращение каретки механического калькулятора было заменено в электромеханическом калькуляторе (рис. 1.1.4г) на привод от встроенного в этот калькулятор электродвигателя. И механический и электромеханический калькуляторы дожили практически до наших дней, пока не были вытеснены электронными калькуляторами (рис. 1.1.4д).

Рис. 1.1.4. Калькуляторы: а) суммирующая машина Паскаля (1642 г.);

б) калькулятор Лейбница (1673 г.); в) механический калькулятор (30-е годы XX века);

г) электромеханический калькулятор (60-е годы XX века);

д) электронный калькулятор

Из всех изобретателей прошлых столетий, внесших тот или иной вклад в развитие вычислительной техники, ближе всего к созданию компьютера в современном его понимании подошел англичанин Чарльз Бэббидж. В 1822 г. Бэббидж опубликовал научную статью с описанием машины, способной рассчитывать и печатать большие математические таблицы. В том же году он построил пробную модель своей Разностной машины (рис.1.1.5), состоящую из шестеренок и валиков, вращаемых вручную при помощи специального рычага. На протяжении следующего десятилетия Бэббидж без устали работал над своим изобретением, безуспешно пытаясь практически ее реализовать. Однако, продолжая размышлять на ту же тему, он пришел к идее создания еще более мощной машины, которую он назвал аналитической машиной.

Рис. 1.1.5. Модель разностной машины Бэббиджа (1822 г.)

Аналитическая машинаБэббиджа в отличие от своей предшественницы должна была не просто решать математические задачи одного определенного типа, а выполнять разнообразные вычислительные операции в соответствии с инструкциями, задаваемыми оператором. Аналитическая машина должна была иметь такие компоненты, как «мельница» и «склад» (по современной терминологии – арифметическое устройство и память), состоящие из механических рычажков и шестеренок. Инструкции, или команды, вводились в Аналитическую машину с помощью перфокарт (листов картона с пробитыми в них отверстиями), впервые использованных в 1804 г. французским инженером Жозефом Мари Жаккаром для управления работой ткацких станков (рис. 1.1.6).

Рис. 1.1.6. Ткацкий станок Жаккара (1805 г.)

Одним из немногих, кто понимал, как работает машина и каковы потенциальные области ее применения, была графиня Лавлейс, урожденная Огаста Ада Байрон, единственный законный ребенок поэта лорда Байрона (в ее честь также назван один из языков программирования – АДА). Графиня отдала все свои незаурядные математические и литературные способности осуществлению проекта Бэббиджа.

Однако на основе стальных, медных и деревянных деталей, часовых механизмов, приводимых в действие паровым двигателем, аналитическую машину нельзя было реализовать, и она так и не была построена. До наших дней сохранились лишь чертежи и рисунки, которые позволили воссоздать модель этой машины (рис. 1.1.7), а также небольшая часть арифметического устройства и печатающее устройство, сконструированное сыном Бэббиджа.

Рис. 1.1.7. Модель аналитической машины Бэббиджа (1834 г.)

Лишь через 19 лет после смерти Бэббиджа один из принципов, лежащих в основе идеи Аналитической машины, – использование перфокарт – нашел воплощение в действующем устройстве. Это был статистический табулятор (рис. 1.1.8), построенный американцем Германом Холлеритом с целью ускорить обработку результатов переписи населения, которая проводилась в США в 1890 г. После успешного использования табулятора для переписи Холлерит организовал фирму по производству табуляционных машин "Тэбьюлейтинг машин компани" (Tabulating Machine Company). С годами предприятие Холлерита претерпело ряд изменений – слияний и переименований. Последнее такое изменение произошло в 1924 г., за 5 лет до смерти Холлерита, когда он создал фирму ИБМ (IBM, International Business Machines Corporation).

Рис. 1.1.8. Табулятор Холлерита (1890 г.)

Еще одним фактором, способствовавшим появления современного компьютера, стали работы по двоичной системе счисления. Одним из первых, кто заинтересовался двоичной системой, стал немецкий ученый Готфрид Вильгельм Лейбниц, В своей работе «Искусство составления комбинаций» (1666 г.) он заложил основы формальной двоичной логики. Но основной вклад в исследование двоичной системы счисления внес английский математик-самоучка Джордж Буль. В своей работе под названием «Исследование законов мышления» (1854 г.) он изобрел своеобразную алгебру – систему обозначений и правил, применимую к всевозможным объектам, от чисел и букв до предложений (эта алгебра затем была названа в его честь булевой алгеброй). Пользуясь этой системой Буль мог закодировать высказывания – утверждения, истинность или ложность которых требовалось доказать, – с помощью символов своего языка, а затем манипулировать как двоичными числами.

В 1936 г. выпускник американского университета Клод Шеннон показал, что если построить электрические цепи в соответствии с принципами булевой алгебры, то они могли бы выражать логические отношения, определять истинность утверждений, а также выполнять сложные вычисления и вплотную приблизился к теоретическим основам построения компьютера.

Еще трое исследователей – двое в США (Джон Атанасофф и Джордж Стибиц) и один в Германии (Конрад Цузе) – развивали одни и те же идеи практически одновременно. Независимо друг от друга они поняли, что булева логика может послужить очень удобной основой для конструирования компьютера. Первая грубая модель счетной машины на электрических схемах была построена Атанасоффым в 1939 г. В 1937 г. Джордж Стибиц собрал первую электромеханическую схему, выполняющую операцию двоичного сложения (в наши дни двоичный сумматор по-прежнему остается одним из основных компонентов любого цифрового компьютера). В 1940 г. Стибиц вместе с другим сотрудником фирмы, инженером-электриком Сэмюелом Уильямсом, разработал устройство, названное калькулятором комплексных чисел – CNC (Complex Number Calculator) способное производить операции сложения, вычитания, умножения и деления, а также сложения комплексных чисел (рис. 1.1.9). При демонстрации этого устройства был впервые показан удаленный доступ к вычислительным ресурсам (демонстрация проводилась в Дармутском колледже, а сам калькулятор находился в Нью-Йорке). Связь осуществлялась с использованием телетайпа по специальным телефонным линиям.

Рис. 1.1.9. Калькулятор комплексных чисел Стибица и Вильямса (1940 г.)

Не имея ни малейшего представления о работе Чарльза Бэббиджа и о работах Буля, Конрад Цузе в Берлине начал разрабатывать универсальную вычислительную машину, во многом подобную Аналитической машине Бэббиджа. В 1938 г. первый вариант машины, названный Z1, был построен. Данные в машину вводились с клавиатуры, а результат высвечивался на панели с множеством маленьких лампочек. Во втором варианте машины, Z2, ввод данных в машину производился с помощью перфорированной фотопленки. В 1941 году Цузе закончил третью модель своего компьютера – Z3 (рис. 1.1.10). Этот компьютер являлся программно-управляемым устройством, основанным на двоичной системе счисления. Как машина Z3, так и ее преемник Z4 использовались для расчетов, связанных с конструированием самолетов и ракет.

Рис. 1.1.10. Компьютер Z3 (1941 г.)

Мощный импульс дальнейшему развитию компьютерной теории и техники дала вторая мировая война. Она также способствовала тому, что были собраны воедино разрозненные достижения ученых и изобретателей, внесших свой вклад в развитие двоичной математики, начиная с Лейбница.

По заказу командования военно-морского флота, при финансовой и технической поддержке фирмы IBM, молодой гарвардский математик Говард Эйкен принялся за разработку машины, в основу которой легли непроверенные идеи Бэббиджа и надежная технология XX в. Описания Аналитической машины, оставленного самим Бэббиджем, оказалось более чем достаточно. В качестве переключательных устройств в машине Эйкена использовались простые электромеханические реле (причем использовалась десятичная система счисления); инструкции (программа обработки данных) были записаны на перфоленте, а данные вводились в машину в виде десятичных чисел, закодированных на перфокартах фирмы IBM. Первые испытания машина, названная «Марк-1», успешно прошла в начале 1943 г. «Марк-1», достигавший в длину почти 17 м и в высоту более 2,5 м, содержал около 750 тыс. деталей, соединенных проводами общей протяженностью около 800 км (рис. 1.1.11). Машину стали использовать для выполнения сложных баллистических расчетов, причем за день она выполняла вычисления, на которые раньше уходило полгода.

Рис. 1.1.11. Программно-управляемый компьютер «Марк-1» (1943 г.)

Для поиска способов расшифровки секретных немецких кодов британская разведка собрала группу ученых и поселила их неподалеку от Лондона, в изолированном от остального мира поместье. В этой группе были представители различных специальностей – от инженеров до профессоров литературы. Входил в эту группу и математик Алан Тьюринг. Еще в 1936 г. в возрасте 24 лет он написал работу, с описанием абстрактного механического устройства – «универсальной машины», которая должна была справляться с любой допустимой, т. е. теоретически разрешимой, задачей – математической или логической. Некоторые идеи Тьюринга были, в конечном счете, воплощены в реальных машинах, построенных группой. Сначала удалось создать несколько дешифраторов на основе электромеханических переключателей. Однако в конце 1943 г. были построены гораздо более мощные машины, в которых вместо электромеханических реле содержалось около 2000 электронных вакуумных ламп. Англичане назвали новую машину «Колосс». Тысячи перехваченных за день неприятельских сообщений вводились в память «Колосса» в виде символов, закодированных на перфоленте (рис. 1.1.12).

Рис. 1.1.12. Машина для расшифровки кодов «Колосс» (1943 г.)

На другом берегу Атлантического океана, в Филадельфии, потребности военного времени способствовали появлению устройства, которое по принципам работы и применению было уже ближе к теоретической «универсальной машине» Тьюринга. Машина «Эниак» (ENIAC – Electronic Numerical Integrator and Computer – электронный цифровой интегратор и вычислитель), подобно «Марку-1» Говарда Эйкена, также предназначалась для решения задач баллистики. Главным консультантом проекта был Джон У. Мочли, главным конструктором – Дж. Преспер Экерт. Предполагалась, что машина будет содержать 17468 ламп. Такое обилие ламп отчасти объяснялось тем, что «Эниак» должен был работать с десятичными числами. В конце 1945г. «Эниак» был наконец собран (рис. 1.1.13).

Рис. 1.1.13. Электронная цифровая машина «Эниак» (1946 г.):

а) общий вид; б) отдельный блок; в) фрагмент пульта управления

Не успел «Эниак» вступить в эксплуатацию, как Мочли и Экерт уже работали по заказу военных над новым компьютером. Главным недостатком компьютера «Эниак» была аппаратная реализация программ с помощью электронных схем. Следующая модель – машина «Эдвак» (рис. 1.1.14а), вступившая в строй в начале 1951 г., (EDVAC, от Electronic Discrete Automatic Variable Computer – электронный компьютер с дискретными изменениями) – была уже более гибкой. Ее более вместительная внутренняя память содержала не только данные, но и программу в специальных устройствах – заполненных ртутью трубках, называемых ртутными ультразвуковыми линиями задержки (рис. 1.1.14б). Существенно и то, что «Эдвак» кодировал данные уже в двоичной системе, что позволило значительно сократить количество электронных ламп.

Рис. 1.1.14. Электронная цифровая машина «Эдвак» (1951 г.):

а) общий вид; б) память на ртутных ультразвуковых линиях задержки

Среди слушателей курса лекций об электронных компьютерах, проводившихся Мочли и Экертом в процессе реализации проекта «Эдвак», оказался английский исследователь Морис Уилкс. Вернувшись в Кембриджский университет, он в 1949 г. (на два года раньше, чем оставшиеся члены группы построили машину "Эдвак") завершил сооружение первого в мире компьютера с программами, хранимыми в памяти. Компьютер получил название «Эдсак» (EDSAC, от Electronic Delay Storage Automatic Calculator – электронный автоматический калькулятор с памятью на линиях задержки) (рис. 1.1.15).

Рис. 1.1.15. Первый компьютер с программами,

хранимыми в памяти – «Эдсак» (1949 г.)

Эти первые успешные воплощения принципа хранения программы в памяти явились завершающим этапом в серии изобретений, начатых в военное время. Теперь был открыт путь для широкого распространения все более быстродействующих компьютеров.

Эпоха массового производства компьютеров началась с выпуска первого английского коммерческого компьютера LEO (Lyons’ Electronic Office), использовавшегося для расчета зарплаты работникам чайных магазинов, принадлежащих фирме «Lyons» (рис. 1.1.16а), а также первого американского коммерческого компьютера UNIVAC I (UNIVersal Automatic Computer – универсальный автоматический компьютер) (рис. 1.1.16б). Оба компьютера были выпущены в 1951 г.

Рис. 1.1.16. Первые коммерческие компьютеры (1951 г.): а) LEO; б) UNIVAC I

Качественно новый этап в проектировании компьютеров наступил, когда фирма IBM запустила свою известную серию машин – IBM/360 (начало выпуска серии – 1964 год). Шесть машин этой серии имели разную производительность, совместимый набор периферийных устройств (около 40) и были предназначены для решения разных задач, однако были построены по единым принципам, что существенно облегчало модернизацию компьютеров и обмен программами между ними (рис. 1.1.17).

Рис. 1.1.16. Одна из моделей серии IBM/360 (1965 г.)

В бывшем СССР к разработке компьютеров (они были названы ЭВМ – электронные вычислительные машины) приступили в конце 40-х годов. В 1950 г. в Институте электротехники Академии наук УССР в Киеве была испытана первая отечественная ЭВМ на электронных лампах – малая электронная счетная машина (МЭСМ), спроектированная группой ученых и инженеров под руководством академика С. А. Лебедева (рис. 1.1.18а). В 1952 г. под его руководством была создана большая электронная счетная машина (БЭСМ), которая после модернизации в 1954 г. имела высокое для того времени быстродействие – 10000 операций/с (рис. 1.18б).