История вычислительной техники

Развитие вычислительной техники можно разбить на следующие периоды: Домеханический (с VI века до н.э. до XVII века н.э.). Механический (с XVII века до начала XX века). Электромеханический (с начала до середины XX века). Электронный (с середины XX века до настоящего времени). В свою очередь, электронный период можно разбить на: Электронно-ламповый (с 1944 по 1960 год) 1-е поколение компьютеров. Полупроводниковый (с 1950 по 1970 год) 2-е поколение компьютеров. Микросхемный (с 196 года по настоящее время) 3-е и 4-е поколение.

Домеханический период В V – IV вв. до н.э. созданы древнейшие из известных счётов – «саламинская доска» (по имени острова Саламин в Эгейском море), которая у греков и в Западной Европе назывались «абак».

VI–V век до н.э. абак. Возник в Вавилоне, Египте и Финикии. Первое упоминание принадлежит Геродоту о египетском абаке. В IV веке до н.э. Пифагор считал целесообразным обучать правилам работы на абаке учеников. Первый дошедший до нас рисунок абака на греческой вазе принадлежит III веку до н.э. Римляне усовершенствовали абак. В Европе абак появился только в X веке. Греческий (египетский) абак – это дощечка, покрытая слоем пыли, на которой острой палочкой проводились линии и какие-нибудь предметы, размещавшиеся в полученных колонках по позиционному принципу. В Древнем Риме абак появился, вероятно в V–VI вв н.э., и назывался calculi или abakuli. Изготовлялся абак из бронзы, камня, слоновой кости и цветного стекла. До нашего времени дошёл бронзовый римский абак, на котором камешки передвигались в вертикально прорезанных желобках. Внизу помещались камешки для счета до пяти, а в верхней части имелось отделение для камешка, соответствующего пятёрке. Абак IV век до н.э. позиционная система счета в Китае. Запись чисел осуществлялась выкладыванием бамбуковых палочек. Отсутствие палочки означало нуль. Вычисления с помощью палочек осуществлялись на счетной доске. Можно было умножать, делить, извлекать квадратные и кубические корни! I век до н.э. в Китае сформулированы правила действий над отрицательными числами! Китайский суан-пан – состояли из деревянной рамки, разделенной на верхние и нижние секции. Палочки соотносятся с колонками, а бусинки с числами. У китайцев в основе счета лежала не десятка, а пятерка. Она разделена на две части: в нижней части на каждом ряду располагаются по 5 косточек, в верхней части – по две. Таким образом, для того чтобы выставить на этих счетах число 6, ставили сначала косточку, соответствующую пятерке, и затем прибавляли одну в разряд единиц. Суань-пан

500 год в Индии появилась десятичная позиционная система счисления с использованием нуля, вытеснившая абак. Позиционная система счисления позволяла вести расчеты письменно, что было более удобно. VI век прообраз китайских счётов. VI–XVI век вариации на тему счётов в разных странах. X век суаньпань в Китае. XV век кипу у инков. XVI век соробан в Японии, счёты в России. Японский соробан – прямоугольная рама содержит произвольное количество вертикальных бамбуковых палочек (чем больше их число, тем с большим разрядом цифр можно проводить операции). На каждой палочке по 5 деревянных косточек, разделённых поперечной полосой – над полосой одна косточка, под полосой – 4. На Руси долгое время считали по косточкам, раскладываемым в кучки. Примерно с XV века получил распространение "дощаный счет", завезенный, видимо, западными купцами вместе с ворванью и текстилем. «Дощаный счет» – «Русский абак» почти не отличался от обычных счетов и представлял собой рамку с укрепленными горизонтальными веревочками, на которые были нанизаны просверленные сливовые или вишневые косточки. Счеты, которые появились в XV в.в. состоят на особом месте, т.к. используют десятичную, а не пятеричную систему счисления, как все остальные абаки. Основная заслуга изобретателей абака – создание позиционной системы представления чисел. Вычисления на абаке производились перемещением камешке по желобам на доске. Соробан Счеты

Начало XVII века (1610 год) шотландский математик Джон Непер изобретает логарифмы. Умножение и деление превращается в чистое сложение и вычитание. Как альтернативу логарифмам он изобретает специальные счётные палочки, умножающие на основе способа, разработанного в Индии. В дальнейшем они легли в основу Логарифмической линейки – механическое устройсво для выполнения умножения, деления, возведения в квадрат и извлечение квадратного корня, основанную на двоичной системе счисления! Этот инструмент до недавнего времени был вычислительным средством инженеров. И лишь в последние годы его вытеснили электронные калькуляторы. Линейка Уатта - первая универсальная логарифмическая линейка, пригодная для выполнения любых инженерных расчетов, была сконструирована в 1779 году выдающимся английским механиком Дж.Уаттом. Она получила название "сохо-линейки", по имени местечка близ Бирмингема, где работал Уатт.

Существует следующая классификация механических счётных машин: 1.Суммирующая машина складывает и вычитает. 2.Множительное устройство умножает и делит. 3.Арифмометр один и тот же механизм складывает, вычитает, умножает и делит. 4.Разностная машина табулирование функций методом конечных разностей. 5.Аналитическая машина выполняет операции по программе. 6.Табулятор основа счетно-аналитического комплекса. Некоторые устройства по своей конструкции занимают промежуточные положения, их принадлежность к тому или иному типу приводится условно. Механический период

Развитие механики в XVII веке стало предпосылкой создания вычислительных устройств и приборов, использующих механический способ вычислений. Вот наиболее значимые результаты, достигнутые на этом пути г. немецкий ученый В.Шиккард описывает и реализует в единственном экземпляре механическую счетную машину, предназначенную для выполнения четырех арифметических операций над шестиразрядными числами г. Б.Паскаль построил восьмиразрядную действующую модель счетной суммирующей машины. Впоследствии была создана серия из 50 таких машин, одна из которых являлась десятиразрядной. Так формировалось мнение о возможности автоматизации умственного труда г. немецкий математик Лейбниц создает первый арифмометр, позволяющий выполнять все четыре арифметических операции г. организация серийного производства арифмометров. Арифмометры использовались для практических вычислений вплоть до шестидесятых годов XX века г. – 18-летний французский физик и математик Блез Паскаль создает первую модель вычислительной машины «Паскалину». (слева) 1820 г. – эльзасец Карл Ксавье Томас изобрёл арифмометр и впервые в мире организовал промышленное производство арифмометров. (справа)

Английский математик Чарльз Бэббидж (Charles Babbage, ) выдвинул идею создания программно-управляемой счетной машины, имеющей арифметическое устройство, устройство управления, ввода и печати. Первая спроектированная Бэббиджем машина, разностная машина, работала на паровом двигателе. Она заполняла таблицы логарифмов методом постоянной дифференциации и заносила результаты на металлическую пластину. Работающая модель, которую он создал в 1822 году, была шестиразрядным калькулятором, способным производить вычисления и печатать цифровые таблицы. Второй проект Бэббиджа аналитическая машина, использующая принцип программного управления и предназначавшаяся для вычисления любого алгоритма. Проект не был реализован, но получил широкую известность и высокую оценку ученых. Аналитическая машина состояла из следующих четырех основных частей: блок хранения исходных, промежуточных и результирующих данных (склад память); блок обработки данных (мельница арифметическое устройство); блок управления последовательностью вычислений (устройство управления); блок ввода исходных данных и печати результатов (устройства ввода/вывода). Одновременно с английским ученым работала леди Ада Лавлейс (Ada Byron, Countess of Lovelace, ). Она разработала первые программы для машины, заложила многие идеи и ввела ряд понятий и терминов, сохранившихся до настоящего времени. Леди Ада Августа Лавлейс составляла программы для машины Бэббиджа Чарльз Бэббидж Работы по изготовлению «Аналитической машины» были прерваны смертью Ч. Бэббиджа. Полностью она была достроена только в наше время в 1991 г. двумя инженерами Р. Криком и Б. Холловеем в Лондонском научном музее к 200-летию со дня рождения её автора. Она состоит из 4000 деталей и может вычислять разности 7-го порядка.

Эра электронных вычислительных машин началась в 30-х годах XX в. В 40-х годах удалось создать первую программируемую счетную машину на основе электромеханических реле. Реле – это элемент, имеющий два рабочих состояния «включено» и «выключено». При проектировании этих электромеханических счетных машин использовался аппарат математической логики. 40-е годы XX в. считаются годами бурного прогресса научных и технических новшеств. Не успели начать серийно выпускать электромеханические счетные машины, как появились первые ЭВМ, в которых логические элементы были реализованы на основе радиоламп. Первые электромеханические машины были созданы в Германии К. Цузе (Ц-3, 1941 г.) и в США под руководством профессора Гарвардского университета Г. Айкена (МАРК-1, 1944 г.).

Поколения и классификация компьютеров.

Компьютеры 1 поколения ( ) К первому поколению обычно относятся машины, созданные на рубеже 50-х годов. В их системах использовались электронные лампы. Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами, которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства. Набор команд был небольшой, схема арифметико-логического устройства и устройства управления достаточно проста, программное обеспечение практически отсутствовало. Показатели объема оперативной памяти и быстродействия были низкими. Для ввода-вывода использовались перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства. Быстродействие - порядка тыс. операции в секунду. Первые ЭВМ были слишком дорогими, громоздкими и потому не имели массового применения: они использовались только в крупных научных центрах, в космосе, обороне, в метеорологии. Они производили вычисления со скоростью несколько десятков тысяч операций в секунду, последовательность вычислений задавалась программами. Программы писались на машинном языке, алфавит которого состоял из двух знаков «0» и «1». Программы вводились в ЭВМ с помощью перфокарт или перфолент, результаты вычислений выводились в форме длинных последовательностей нулей и единиц с помощью печатающих устройств. Писать программы на машинном языке и расшифровывать результаты вычислений могли только высококвалифицированные программисты Несмотря на ограниченность возможностей, эти машины позволили выполнить сложнейшие расчеты, необходимые для прогнозирования погоды, решения задач атомной энергетики и др. Опыт использования машин первого поколения показал, что существует огромный разрыв между временем, затрачиваемым на разработку программ, и временем счета. Эти трудности начали преодолевать путем интенсивной разработки средств автоматизации программирования, создания систем обслуживающих программ, упрощающих работу на машине и увеличивающих эффективность её использования. Это, в свою очередь, потребовало значительных изменений в структуре компьютеров, направленных на то, чтобы приблизить её к требованиям, возникшим из опыта эксплуатации компьютеров. Машины первого поколения: ENIAC, МЭСМ (малая электронная счетная машина), БЭСМ, Стрела, Урал, М-20.

1945 г. США. Была построена первая ЭВМ «ENIAC» (Electronic Numerical Integrator And Computer) и введена в эксплуатацию Эккертом и Моули 15 февраля 1946 года. Проработала до 1955 года г. США. Универсальная ЦВМ SSEK фирмы IBM на электромеханических реле и электронных лампах. В г.Манчестер создан компьютер Baby первое в мире программируемое электронно- вычислительное устройство. Объем памяти составлял всего 1024 бит. Данные хранились в виде заряженных точек на катодно-лучевой трубке. Электронный луч, сканируя экран, записывал на него двоичные нули и единицы, которые впоследствии можно было считывать. Впоследствии Baby был доработан и продавался под названием Mark г. Великобритания. Морис Уилкс построил ЭВМ «ЭДСАК» (Electronic Delay Storage Automatic Computer) г. СССР. В Киеве под управлением академика С.А.Лебедева построен первый советский компьютер «МЭСМ». Проработал до 1956 г г. Первый образец серийной электронной машины UNIVAC (Universal Automatic Computer) г. Нейман построил ЭВМ «ЭДВАК». В СССР построен компьютер БЭСМ (Большая Электронная Счетная Машина) трехадресная машина параллельного действия, оперировавшая с 39-разрядными словами со скоростью 10 тыс. операций в секунду г. В СССР выпущен первый серийный компьютер «Стрела» г. Япония. ЭВМ «ФУДЖИК». СССР. Серийно стала выпускаться машина БЭСМ-2. Она имела трёхадресную систему команд, а для упрощения программирования широко применялся метод стандартных программ, который в дальнейшем положил начало модульному программированию, пакетам прикладных программ г. ФРГ. Налажено серийное производство компьютеров г. СССР. ЭВМ «М-20» построена под управлением Лебедева оп/с. Использовался в первом в мире успешном противоракетном испытании.

Компьютер первого поколения

Компьютеры 2 поколения Второе поколение компьютерной техники - машины, сконструированные примерно в гг. Характеризуется использованием в них как электронных ламп, так и дискретных транзиторных логических элементов. Их оперативная память была построена на магнитных сердечника. В это время стал расширяться диапазон применяемого оборудования ввода-вывода, появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, магнитными барабаны и первые магнитные диски. Быстродействие - до сотен тысяч операций в секунду, емкость памяти - до нескольких десятков тысяч слов. Появились так называемые языки высокого уровня, средства которых допускают описание всей необходимой последовательности вычислительных действий в наглядном, легковоспринимаемом виде. Программа, написанная на алгоритмическом языке, непонятна компьютеру, воспринимающему только язык своих собственных команд. Поэтому специальные программы, которые называются трансляторами, переводят программу с языка высокого уровня на машинный язык. Появились широкий набор библиотечных программ для решения разнообразных математических задач; мониторные системы, управляющие режимом трансляции и исполнения программ. На основе мониторных систем в дальнейшем были созданы современные операционные системы. Таким образом, операционная система является программным расширением устройства управления компьютера. Для некоторых машин второго поколения была свойственна программная несовместимость, которая затрудняла организацию крупных информационных систем. Поэтому в середине 60 - х годов наметился переход к созданию компьютеров, программно совместимых и построенных на микроэлектронной технологической базе. Применение транзисторов позволило уменьшить габариты ЭВМ и увеличить их вычислительную мощность. Однако габариты ЭВМ на транзисторах всё же оставались очень большими для их широкого применения.

23 декабря 1947 г. три ученых в лабораториях компании Bell, Вильям Шоклей, Уолтер Братэйн и Джон Бардин изобрели точечный транзисторный усилитель (транзистор), что привело к уменьшению в размерах компьютеров, которые до этого момента использовали электронные лампы г. Джон Мочли придумывает интерпритатор Short Order Code первый язык программирования высокого уровня г. IBM выпускает свой первый промышленный электронный компьютер (IBM 701), который представлял собой синхронную ЭВМ параллельного действия, содержащую 4000 электронных ламп и германиевых диодов. Усовершенствованный вариант машины IBM 704 отличалась высокой скоростью работы, в ней использовались индексные регистры и данные представлялись в форме с плавающей запятой. После ЭВМ IBM 704 была выпущена машина IBM 709. В этой машине впервые была применена косвенная адресация и впервые появились каналы ввода-вывода. В том же году (1952) фирма Remington-Rand выпустила ЭВМ UNIVAC-1103, на котором впервые были применены программные прерывания. Компании Remington Rand и IBM выпускают мэйнфреймы, предназначенные для решения деловых задач г. – закончена разработка БЭСМ-1 (Большой Электронной Счётной Машины) с быстродействием около 10 тыс. операций в секунду под руководством Сергея Алексеевича Лебедева г. Изобретена память на магнитных сердечниках, идея которой возникла в 1951 году г. США. Выпущена бортовая судовая ЭВМ. Имела полупроводников. 4 кВт г. Фирмой IBM были разработаны плавающие магнитные головки на воздушной подушке. Изобретение их позволило создать новый тип памяти дисковые ЗУ, значимость которых была в полной мере оценена в последующие десятилетия развития вычислительной техники. Первые ЗУ на дисках появились в машинах IBM 305 и RAMAC 1957 г. Появляются первые матричные принтеры и прототипы первых винчестеров (IBM 305 RAMAC). Инженер из IBM Джон Бэкус разрабатывает язык программирования FORTRAN (FORmula TRANslation) г. В США, ФРГ и Японии появились первые серийные полупроводниковые ЭВМ г. – в СССР создана ЭВМ М-20 со средним быстродействием 20 тыс. операций в секунду – самая мощная ЭВМ 50-х годов в Европе г. Фирма IBM разработала мощную вычислительную систему Stretch (IBM 7030) г. Англия. «АТЛАС» г. Фирма «DEC» выпустила первый мини-компьютер «PDP-5».

1965–1967 г. СССР. «БЭСМ-6» оп/с. Быстродействие около 1 млн. операций в секунду. Применение в машине одноадресной системы команд подтверждало общую тенденцию повышения гибкости коммандного управления. Центральный процессор характеризовался высокой степенью локального параллелизма, у него были сверхбыстродействующее буферное запоминающее устройство и расширенная система команд, он обладал возможностью организации стековой памяти и разбиением оперативной памяти на независимые блоки. Широко использовалось совмещение выполнения операций обращения к памяти с работой арифметического устройства и устройства управления. Имелось пять уровней предварительного просмотра команд. Работа машины в режиме разделения времени и мультипрограммирования обеспечивалась аппаратной системой прерываний, схемой защиты памяти, индексацией и развитой системой преобразования виртуальных адресов памяти в физические. Были предусмотрены также косвенная адресация и возможности переадресации. Общий объем математического обеспечения достигал сотен тысяч строк кода. ЭВМ БЭСМ-6

Компьютеры 3 поколения ( ) Впервые стали использоваться интегральные схемы - целые устройства и узлы из десятков и сотен транзисторов, выполненные на одном кристалле полупроводника (то, что сейчас называют микросхемами). В это же время появляется полупроводниковая память, которая и по всей день используется в персональных компьютерах в качестве оперативной. Компьютеры выполняли миллионы операций в секунду. Благодаря этому уменьшились размеры, потребление электроэнергии и стоимость компьютеров. Возможно, наиболее важным критерием различием машин второго и третьего поколений является критерий, основанный на понятии архитектуры. Машины третьего поколения - это семейства машин с единой архитектурой, т.е программно совместимых. В качестве элементарной базы в них используются интегральные схемы, которые также называются микросхемами. Машины третьего поколения имеют развитые операционные системы. Они обладают возможностями мультипрограммирования, т.е. одновременного выполнения нескольких программ. Многие задачи управления памятью, устройствами и ресурсами стала брать на себя операционная система или же непосредственно сама машина. Примерами машин третьего поколения - семейства IBM-360,IBM-370, EC ЭВМ (Единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ) и др. Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Емкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов. В составе ЭВМ третьего поколения были включены удобные устройства ввода-вывода, дисплей на основе электронно-лучевых трубок, накопители информации на магнитных лентах и дисках, графопостроители, т.д. К работе с этими ЭВМ стали подключаться широкий круг специалистов, машины появились в институтах и университетах. Начали создаваться операционные системы, базы данных, языки системы «искусственного интеллекта», стали внедряться системы автоматизированного проектирования. Компьютеры выполняли миллионы операций в секунду. В эти годы производство компьютеров приобретает промышленный размах. Пробившаяся в лидеры фирма IBM первой реализовала семейство ЭВМ - серию полностью совместимых друг с другом компьютеров от самых маленьких, размером с небольшой шкаф (меньше тогда еще не делали), до самых мощных и дорогих моделей. Наиболее распространенным в те годы было семейство System/360 фирмы IBM, на основе которого в СССР была разработана серия ЕС ЭВМ.

Еще в начале 60-х появляются первые миникомпьютеры - небольшие маломощные компьютеры, доступные по цене небольшим фирмам или лабораториям. Миникомпьютеры представляли собой первый шаг на пути к персональным компьютерам, пробные образцы которых были выпущены только в середине 70-х годов. Известное семейство миникомпьютеров PDP фирмы Digital Equipment послужило прототипом для советской серии машин СМ. Между тем количество элементов и соединений между ними, умещающихся в одной микросхеме, постоянно росло, и в 70-е годы интегральные схемы содержали уже тысячи транзисторов. Это позволило объединить в единственной маленькой детальке большинство компонентов компьютера - что и сделала в 1971 г. фирма Intel, выпустив первый микропроцессор, который предназначался для только-только появившихся настольных калькуляторов. Этому изобретению суждено было произвести в следующем десятилетии настоящую революцию - ведь микропроцессор является сердцем и душой нашего с вами персонального компьютера. Но и это еще не все - поистине, рубеж 60-х и 70-х годов был судьбоносным временем. В 1969 г. зародилась первая глобальная компьютерная сеть - зародыш того, что мы сейчас называем Интернетом. И в том же 1969 г. одновременно появились операционная система Unix и язык программирования С ("Си"), оказавшие огромное влияние на программный мир и до сих пор сохраняющие свое передовое положение.

Компьютеры 4 поколения На рубеже 80-х годов были созданы и выпущены в массовое производство ЭВМ четвертого поколения. Элементарной базой этих ЭВМ стали микропроцессоры –большие интегральные микросхемы, которые способны выполнять функции основного блока компьютера – процессора. Их можно сравнить с миниатюрным мозгом, работающего по программе заложенной в его памяти. Соединив микропроцессор с устройствами ввода-вывода, внешней памяти, получили новый тип компьютера – микро-ЭВМ, габариты которых позволяют устанавливать их на любом рабочем месте. В составе этих ЭВМ включаются удобные средства накопления информации (магнитные и оптические), ввода и вывода информации: компактные печатающие устройства, мышь, джойстик, удобная клавиатура, цветные графические мониторы, т.д. Наиболее яркими представителями ЭВМ четвертого поколения служат персональные компьютеры. Современные персональные компьютеры могут выполнять несколько миллиардов операций в секунду. Первый персональный компьютер Apple II («дедушка» современных компьютеров Macintosh) был создан в 1977 году. В 1982 году фирма IBM приступила к созданию персональных компьютеров IBM PC («дедушки» современных IBM – совместимых компьютеров) Десятки миллионов персональных ЭВМ, установленных в службах сервиса и управления, на производстве и в образовании, требуют овладения компьютерной грамотности от всего населения. Появление и распространение ПК по своему значению для общественного развития сопоставимо с появлением книгопечатания. Именно ПК сделали компьютерную грамотность массовым явлением. С развитием этого типа машин появилось понятие «информационные технологии», без которых уже нельзя обойтись в большинстве областей деятельности человека. Машины четвертого поколения проектировались в расчете на эффективное использование языков программирования высокого уровня и упрощение процесса программирования для конечного пользователя.

Компьютеры 5 поколения ЭВМ пятого поколения – это машина недалекого будущего. Основное их качеством должен быть высокий интеллектуальный уровень. Машины пятого поколения – это реализованный искусственный интеллект. В них будет возможным ввод с голоса, голосовое общение, машинное «зрение», машинное «осязание». Многое уже практически сделано в этом направлении. Разработка следующих поколений компьютеров производится на основе больших интегральных повышений интеграции, использования оптоэлектронных принципов (лазеры, голография). Развитие идет также по пути "интеллектуализации" компьютеров, устранения барьера между человеком и компьютером будут способны воспринимать информацию с рукописного или печатного теста, с бланков, с человеческого голоса, узнавать пользователя по голосу, осуществлять перевод с одного языка на другой. В компьютерах пятого поколения произойдет качественный переход от обработки данных к обработке знаний. Архитектура компьютеров будущего поколения будет содержать два основных блока. Один из них - это традиционный компьютер, но теперь он лишен связи с пользователем. Эту связь осуществляет блок, так называемый интеллектуальный интерфейс. Его задача - понять текст, написанный на естественном языке и содержащий условие задачи, и перевести его в рабочую программу для компьютера. Будет также решаться проблема децентрализации вычислений с помощью компьютерных сетей, как больших, находящих на значительном расстоянии друг от друга, так и миниатюрных компьютеров, размещенных на одном кристалле полупроводника.

История вычислительной техники уникальна, прежде всего, фантастическими темпами развития аппаратных и программных средств. До сих пор работают некоторые программисты, начинавшие еще на ламповых ЭВМ, которые без преувеличения и без кавычек можно назвать древними. В самом деле, дистанция между лазерным принтером и «ЭНИАК» ничуть не меньше, чем между «Мерседесом» и, скажем, Кабриолетом XVII века. Сами лазерные принтеры тоже выглядят дедушками рядом с некоторыми устройствами мультимедиа. И никто не возьмется предсказать, какой будет информационная технология через 1000 лет.