1 Учебный курс: «Архитектура вычислительных систем» (4 курс) доцент кафедры ФТМПМ ИФИТ ДВФУ, кандидат физико-математических наук Луняков Юрий Вилорьевич, т ( ) е-mail: Сайт с информационными материалами для самостоятельного изучения: ftp://ftp.dvo.ru/pub/Computers/

Вычислительные системы 2

3

4

Слева – кипу, узелки для запоминания численной информации у индейцев – инков. Справа – бирки, долговые расписки у многих народов (они разрезались, и одна половинка оставалась у должника, а другая – у кредитора). Просуществовали до XVII века.

Десятичная система 6 сложение и вычитание

Десятичная система 7 Умножение на девять 4 4 × 9 = 36

Десятичная система 8 деление на девять и на три = 9

Абак – вершина домеханического этапа. Появился впервые около 3000 лет назад. Обратите внимание – западноевропейский абак пятеричный, в отличие от русских счетов (десятеричных). А грузинские счеты – двадцатеричные. Грузины изначально использовали для счета пальцы и рук, и ног, так как ходили в открытых сандалиях и пальцы ног были доступны для счета, в отличие от северных народов.

Счёты 10 35

Счёты

Счеты продолжают использоваться и в наши дни – некоторые наши продавцы на рынках не доверяют микрокалькуляторам. Абак очень широко используется продавцами в странах Азии и в «Чайнатаунах» Северной Америки. Счет на абаке продолжает быть предметом изучения в школах стран Азии; к сожалению, у нас и на Западе этому школьников уже не учат. Абак полезен при обучении детей основным математическим действиям, особенно умножению. Он прекрасный помощник при заучивании таблицы умножения, наиболее нелюбимого занятия для маленьких детей. Абак является прекрасным средством при изучении различных систем счисления, так как легко адаптируется под разные основания. Он незаменим при обучении счету слепых детей. Чтобы считать на нем, не нужны батарейки. Абак и счеты сегодня

13 Логарифмическая линейка Логарифмическая Линейка 1630 Основана на правилах логарифмирования Нэпера Использовалась до 1970 Gunter's line lg(x) + lg(y) = lg(xy).

14 Логарифмические Линейки lg(x) + lg(y) = lg(xy). lg(x) lg(y) = lg(x / y).

15 Цилиндрическая Логарифмическая Линейка 3,8 x 6,61 Log(3,8) = 0,58; log(6,61)=0,82. log(25,12) =1,4

16 Спиральная Логарифмическая Линейка Точность – до 4-5 знаков

17 Современные Логарифмические Линейки Breitling Navitimer ORIENT OCEM58002DV

Механический этап развития средств обработки численной информации Элементная база – механические устройства. Появившиеся на этом этапе средства механизировали отдельные операции при проведении расчетов, как правило, перенос в старшие разряды г. – 70-е годы XX века

19 История вычислительной техники Леонардо да Винчи ( ) суммирующая вычислительная машины на зубчатых колесах, способная складывать 13-разрядные десятичные числа. Специалисты известной американской фирмы IBM воспроизвели машину в металле и убедились в полной состоятельности идеи ученого. Его суммирующую машину можно считать изначальной вехой в истории цифровой вычислительной техники. Это был первый цифровой сумматор, своеобразный зародыш будущего электронного сумматора – важнейшего элемента современных ЭВМ, пока еще механический, очень примитивный (с ручным управлением).

Чертеж суммирующей машины Леонардо да Винчи из так называемого Мадридского Кодекса, обнаруженного в Национальном Мадридском музее в 1967 г. Сам кодекс датируется примерно 1500 годом.

Современная реконструкция суммирующей машины Леонардо да Винчи. Сделана фирмой IBM в рекламных целях. Экспонируется в музее IBM. Используется в образовательных целях.

К дискам крепятся изнутри машины колеса с десятью зубьями, каждое из которых находится в таком зацеплении с себе подобным, что если любое правое колесо повернется десять раз, то находящееся слева от него колесо сделает один поворот, или если первое из упомянутых колес сделает 100 оборотов, третье слева колесо повернется один раз. Вильям Шиккард ( ) Первая работающая машина для сложения «Вычисляющие часы». 6-ти разрядная машина, которая могла складывать и вычитать числа, и информировала пользователя о переполнении с помощью звонка (семизначные числа). Сама машина и ее чертежи были потеряны и забыты во время войны, сотрясавшей приблизительно в тот период Европу. Однако в 1935 году чертежи были найдены... только для того, чтобы быть потерянными снова, по причине Второй Мировой войны. Злоключения машины Шикарда закончились лишь в 1956 году, когда ее чертежи были заново обнаружены тем же человеком! В 1960 группа энтузиастов построила машину и на практике удостоверилась, что она работает.

В гг. девятнадцатилетний Блез Паскаль ( ), тогда еще мало кому известный французский ученый, создает действующую суммирующую машину ("паскалину"). Вначале он сооружал ее с одной единственной целью – помочь отцу в расчетах, выполняемых при сборе налогов. В последующие четыре года им были созданы более совершенные образцы машины. Они были шести- и восьми разрядными, строились на основе зубчатых колес, могли производить суммирование и вычитание десятичных чисел. Было создано примерно 50 образцов машин, Б. Паскаль получил королевскую привилегию на их производство, но широкого практического применения "паскалины" не получили. 23 Блез Паскаль ( ) Вычитание в дополнительном коде Множество зубчатых колёс

Паскалина – суммирующая машина Блеза Паскаля г. Механизирован процесс переноса разрядов – с помощью длинного зуба на зубчатом колесе, который при полном обороте зацеплял колесо старшего разряда и проворачивал его на одно деление. Умела только складывать числа. Вычитание выполнялось как сложение с дополнительным числом. Этот принцип выполнения вычитания используется во всех современных компьютерах.

Суммирующая машинка типа паскалины, XIX век.

«Пошаговый вычислитель», выполняющий арифметические действия, позволяющая перемножать до двенадцати разрядов с результатом до 16 знаков 26 Готфрид Лейбниц (1646 – 1716). Арифмометр Лейбница г. Место зубчатых колес в машине Паскаля занял изобретенный Лейбницем ступенчатый валик, позволивший выполнять умножение и деление, а не только сложение. Великий математик, один из создателей дифференциального и интегрального исчислений; сконструировал первый арифмометр

Ступенчатый валик Лейбница Механизм ввода одного разряда числа в арифмометре Лейбница Устройство арифмометра Лейбница

Арифмометр Лейбница

Арифмометр Томаса Построен по принципу ступенчатого валика, предложенного Лейбницем. Первый промышленно выпускаемый арифмометр г. Родоначальник так называемых томас-машин.

30 Впервые сохраняется программа – металлические карты Появляется устройство для запоминания и ввода информации Первый промышленный компьютер Работает до сих пор!

Перфокарты Жаккара (1804 г.) Перфокарты исключительно широко использовались на ЭВМ I- го, II-го и частично III-го поколения для ввода информации и для вывода промежуточных данных (которые затем использовались в последующих расчетах). В 60-е годы перфокарта была просто знаковым символом вычислительной техники. Перфокарты – маленькие кусочки картона с пробитыми в них отверстиями – вставлялись в станок, который считывал закодированный этими отверстиями узор и переплетал нити ткани в соответствии с ним. Такая ткань называется с тех пор жаккардовой.

Чарльз Беббидж Английский математик. (1791–1871). Открыл и обосновал почти все основные принципы архитектуры современных компьютеров. Пытался реализовать (в течение 70 лет, после его смерти работу продолжил его сын) такую машину (названную им аналитической) на базе механических устройств. Основоположник программирования.

33 Чарльз Бэббидж Разностная Машина 1822 –На правилах логарифмирования Аналитическая Машина 1833 –Могла сохранять числа –Вычислитель мельница использовал металлические перфокарты для ввода: операционные карты и карты переменных –Была паровой машиной! –Ада Августа ЛавлейсАда Августа Лавлейс (дочь Джорджа Байрона)

34 Разностная Машина Каретка – механизм умножения на 10, или сдвига разрядов. Впервые появилась в арифмометре Лейбница.

Чертеж секции дифференциальной (разностной) машины Чарльза Беббиджа Первая машина, задуманная Беббиджем, названа им дифференциальной. Это еще не компьютер, а калькулятор. Вскоре Беббидж охладел к своему детищу, так как его увлек более величественный проект – аналитическая машина. Была изготовлена только секция разностной машины, в 1822 г.

Современная реконструкция секции разностной машины Беббиджа

37 Принцип разностной машины F(x)=ax 3 +bx 2 +cx+d F(x)=3ax 2 +2bx F(x)=6ax+2b F(x)=6a парабола прямая постоянная

Беббидж продумал и начал разработку Аналитической Машины В Аналитической Машине отсутствовало одно основное свойство сегодняшних компьютеров: «концепция хранимой программы», которая необходима для того, чтобы считать вычислительную машину компьютером. Программа должна храниться в только читаемой (read-only) памяти, например, в виде перфокарт. Машина могла бы оперировать 40- разрядными числами; процессор должен был иметь два «аккумулятора» для хранения промежуточных результатов и несколько вспомогательных. Кроме того, в машине присутствовал «склад» (память), в котором могли храниться вплоть до ста чисел. Было предусмотрено несколько устройств для чтения перфокарт (на них должны были записываться как программы, так и данные). Еще одно достижение Беббиджа: в программах могли использоваться переходы. Присутствовал также и прообраз микропрограммирования – значение инструкций задавалось с помощью позиционирования металлических штырей в цилиндре с отверстиями, который назывался «контрольный цилиндр». Машина складывала за 3 секунды, а операции умножения и деления занимали минуты. Однако в 1842 году проект был закрыт Беббидж разработал улучшенную и упрощенную версию дифференциального анализатора, которая могла оперировать дифференциалами 7-ого порядка и 31-разрядными числами, но никто не согласился дать денег на постройку устройства.

39 Аналитическая Машина

40 Таким образом, Чарльз Беббидж разработал концепцию и частично реализовал механический прототип появившихся спустя столетие ЭВМ. В Аналитической машине предполагалось иметь те же, что и в ЭВМ, пять основных устройств: арифметическое, памяти, управления, ввода, вывода. Программа выполнения вычислений записывалась на перфокартах (пробивками), на них же записывались исходные данные, промежуточные и окончательные результаты вычислений. В число операций, помимо четырех арифметических, была включена операция условного перехода и операции с кодами команд. Автоматическое выполнение программы вычислений обеспечивалось устройством управления. Поэтому, этот выдающийся англичанин может по достоинству считаться праотцом современной вычислительной техники. «Меня дважды спрашивали [члены парламента]: А скажите, мистер Бэббидж, если заложить в машину неверные числа, на выходе она все равно выдаст правильный ответ? Я не в состоянии постичь, какую же кашу надо иметь в голове, чтобы она порождала подобного рода вопросы?»

Ада Байрон, леди Лавлейс, дочь поэта Байрона, первая женщина-программист (1815–1852 гг.) Сотрудница Беббиджа. Заложила вместе с ним основы программирования. Автор первой работы по программированию. Эта работа – комментарии к описанию итальянским математиком Менабреа разностной машины Беббиджа. В этих комментариях впервые были изложены базовые понятия программирования. Единственная работа Ады Лавлейс, но с ней она вошла в историю науки

Ада Байрон Ею была написана первая компьютерная программа – для аналитической машины Беббиджа. Ей не на чем было отладить свою программу, так как аналитическая машина никогда была построена. Проверить вручную подобную программу весьма трудно – желателен машинный эксперимент – ведь программа Ады была не игрушечным упражнением типа того, что предлагают школьникам на уроках программирования; это была достаточно сложная реальная программа расчета чисел Бернулли. Эксперимент по проверке программы Ады Байрон был проведен в СССР в 1978 г. на машине БЭСМ-6. Текст программы был записан на языке FORTRAN. В программе оказалась всего одна ошибка. Ада дала красивейшее решение поставленной задачи; программа обеспечивает экономию памяти и требует минимального количества перфокарт.

И дифференциальная, и тем более аналитическая машины Беббиджа опередили свое время. Если бы аналитическая машина была бы построена, она стала бы первым в мире работающим компьютером. Однако до первого компьютера оставалось еще более ста лет. Работы Беббиджа по созданию вычислительных машин были забыты на сто лет. Создатели первых компьютеров переоткрывали все заново. Но сейчас иначе, чем гением и провидцем Беббиджа уже не называют.

А развитие вычислительной техники шло своим путем. Следующее открытие на этом пути – колесо Однера, изобретение петербургского механика шведского происхождения Вильгорда Однера. Колесо Однера с выдвижными зубьями заменило ступенчатый валик Лейбница в качестве процессора арифмометра. Арифмометры на основе ступенчатого валика называются томас-машинами. Арифмометры на основе колеса Однера называются однер-машинами. Долгое время они существовали вместе; у каждого типа были свои достоинства – томас-машины были более надежны, однер-машины – более компактны и легки в управлении. Постепенно однер-машины вытеснили томас-машины, чтобы, в свою очередь, быть вытесненными электронными калькуляторами и компьютерами.

Колесо Однера Модель колеса Однера. Московский Политехнический музей.

Арифмометр Однера

Знаменитый арифмометр «Феликс» Непременная принадлежность каждой конторы вплоть до 70- х годов XX века. Разновидность однер-машины. Был вытеснен только электронными калькуляторами.

Арифмометр Берроуза – шаг к электромеханическим устройствам Действия на этом арифмометре можно было выполнять, как крутя рукоятку вручную, так и с помощью электромотора. Клавишный ввод. Первый кассовый аппарат.

В 1893 году производство арифмометров В.Т. Однера под маркой «Брунсвига» организовала немецкая фирма. При участии инженера и предпринимателя Ф. Тринкса было разработано 15 моделей этого арифмометра, которые выпускались до конца 1930-х годов. В России они пользовались спросом, приобретались частными лицами, банками, счетоводческими курсами. Очень компактное устройство. Арифмометр «Брунсвига».

50 Дорр Фелт - Арифмометры(1886)

Вершина механического этапа развития средств обработки численной информации Арифмометр. А это уже не конторский «Феликс», а одна из дорогих и сложных моделей. Когда-то он был столь же незаменим, как сейчас компьютер. Выполнял 4 действия арифметики. Использовался в научных и технических расчетах. Арифмометр. А это уже не конторский «Феликс», а одна из дорогих и сложных моделей. Когда-то он был столь же незаменим, как сейчас компьютер. Выполнял 4 действия арифметики. Использовался в научных и технических расчетах.

Виды арифмометров Счётная машинка Феликс (Музей Воды, Санкт-Петербург) Арифмометр Facit CA 1-13 Арифмометр Mercedes R38SM Модели арифмометров различались в основном по степени автоматизации и по конструкции.

Электромеханический этап развития средств обработки численной информации На этом этапе основным считающим элементом было электромеханическое устройство – реле. Появился новый тип машин – счетно-аналитические, в которых выполнялись не только счетные операции, но автоматически проводились сопоставления и анализ данных (это были предшественники современных СУБД – Систем Управления Базами Данных). И первый настоящий работающий компьютер – универсальный автоматический вычислительный прибор – был электромеханическим г. – середина XX века

54 В 1889 году американский изобретатель Герман Холлерит сконструировал перфокарточное устройство для решения статистических задач. В отличие от идеи Бэббиджа, хранить на перфокартах инструкции, Холлерит использовал перфокарты для хранения данных. Кроме того, для работы перфокарточного устройства использовалось электричество. Цифры на перфокарте изображались одинарными отверстиями, а буквы алфавита - двойными. Специальный электрический прибор опознавал отверстия на перфокартах и посылал сигналы в обрабатывающее устройство. Вычислительная машина Холлерита оказалась по тем временам очень быстрым устройством обработки данных, а перфокарты - удобным способом хранения данных. Машина Холлерита была использована для обработки результатов переписи населения США. Обработка результатов предыдущей переписи 1880 года заняла около 10 лет. С помощью машины Холлерита в 1890 году те же данные были обработаны всего за 6 недель. В 1896 году Холлерит основал компанию по производству перфорирующих устройств - Tabulating Machine Company, которая в 1924 году после серии слияний и поглощений превратилась в знаменитую компанию по производству компьютеров - IBM (International Business Machines).

Первой счетно-аналитической машиной был изобретенный Г. Холлеритом (США) в 1888 г. табулятор, который применялся, в частности, при переписи населения США в 1890 году. Табулятор и сортировщик Г. Холлерита

56 Механические Дифференциальные Решатели Ванневар Буш разработал Дифференциальные Решатели е –Для решения дифференциальных уравнений dz = y dx –Позже появились электрические версии

57 Дифференциальный Решатель

58 Через 63 года после смерти Ч. Беббиджа нашелся "некто", взявший на себя задачу создать машину, подобную по принципу действия той, которой отдал жизнь Ч. Беббидж. Им оказался... немецкий студент Конрад Цузе ( ). Работу по созданию машины он начал в 1934 г., за год до получения инженерного диплома. Конрад ничего не знал ни о машине Беббиджа, ни о работах Лейбница, ни о алгебре Буля, которая словно создана для того, чтобы проектировать схемы с использованием элементов, имеющих лишь два устойчивых состояния. Тем не менее он оказался достойным наследником В. Лейбница и Дж. Буля, поскольку вернул к жизни уже забытую двоичную систему исчисления, а при расчете схем использовал нечто подобное булевой алгебре. В 1937г. машина Z1 (что означало "Цузе 1") была готова и заработала!

59 Z1 была, подобно машине Беббиджа, чисто механической. Использование двоичной системы сотворило чудо – машина занимала всего два квадратных метра на столе в квартире изобретателя! Длина слов составляла 22 двоичных разряда. Выполнение операций производилось с использованием плавающей запятой. Память (тоже на механических элементах) содержала 64 слова (против 1000 у Беббиджа, что тоже уменьшило размеры машины). Числа и программа вводилась вручную. Еще через год в машине появилось устройство ввода данных и программы, использовавшее киноленту, на которую перфорировалась информация, а механическое арифметическое устройство заменило АУ последовательного действия на телефонных реле. В 1941 г. Цузе с участием Г. Шрайера создает релейную вычислительную машину с программным управлением (Z3), содержащую 2000 реле и повторяющую основные характеристики Z1 и Z2. Релейные компьютеры

Немецкий математик Конрад Цузе, создатель первой программно-управляемой универсальной вычислительной (релейной) машины Z3 (1939–1941 гг.). Вообще им была создана целая серия электромеханических машин – Z1, Z2, Z3, Z4. Z3 (в отличие от предшествующих) была уже чисто релейной. На самом деле Z3 не может считаться полноценным компьютером, а лишь мощным калькулятором, так как в ней не была предусмотрена условная передача управления, и машина не могла решать задачи с разветвленными алгоритмами.

61 История вычислительной техники Итак, К. Цузе установил несколько вех в истории развития компьютеров: - первым в мире использовал при построении вычислительной машины двоичную систему исчисления (1937 г.), - создал первую в мире релейную вычислительную машину с программным управлением (1941г.) - спроектировал и построил цифровую специализированную управляющую вычислительную машину (1943 г.).

Первый работающий компьютер – электромеханический Mark-1 Разработчик первых компьютеров семейства Mark – Говард Айкен. В числе первых программистов на этих компьютерах была лейтенант ВМФ США Грейс Хоппер, легендарная «бабушка программирования», первый программист на флоте и создательница языка программирования высокого уровня COBOL. Компьютеры семейства Mark использовались для проведения военных расчетов. Размеры Mark-1 впечатляют: он имел 17 м в длину и по 2,5 м в высоту и ширину. Объем памяти был равен 72 словам (ячейкам), скорость вычисления составляла три сложения в секунду. Следующий компьютер из серии – Mark-II был уже полностью релейным.

Первый работающий компьютер – электромеханический Mark-1 Mark-1 был электромеханическим устройством в том смысле, что приводился в действие с помощью электричества; но его считающие элементы были чисто механическими – зубчатыми колесами (память была релейной). Фактически это была реализация машины Беббиджа, дополненная электропитанием. Говард Айкен при создании машины не знал о работах Беббиджа, но впоследствии гордился тем, что ему первому удалось реализовать его гениальный проект.

Первый работающий компьютер – электромеханический Mark-1 Молодая Грейс Хоппер, работающая на первом действующем электромеханическом компьютере Mark-1, разработанном в Гарварде Говардом Айкеном. Маrk-1 использовался вплоть до 1959 года, хотя уже появились более мощные и совершенные электронные компьютеры. На нем выполнялись жизненно важные расчеты для ВМФ США во время 2-й мировой войны.

1945 год. Первый компьютерный «bug» (ошибка) Термин bug теперь повсеместно распространен в среде пользователей компьютеров всех уровней и означает ошибку или дефект – как в самой машине, так и, что более распространено, в программе (отсюда фраза debugging a program – отладка программ, вылавливание ошибок). Первая официальная запись об использовании термина bug в компьютерном контексте связана с релейным компьютером Mark II в Гарварде.

Сейчас стало общепринятой широко распространенной версией, что это легендарная Грейс Мюррей Хоппер, американский офицер Военно- Морского Флота США и математик, обнаружила проштрафившееся насекомое. Грейс была первопроходцем в области обработки данных и разработчиком первого компилятора, программы, что транслирует с языка высокого уровня (удобного для восприятия человеком) в машинный язык, понимаемый компьютером. В 1983 году Грейс стала первой женщиной, получившей звание контр-адмирала в Военно-Морском флоте США). 9 сентября 1945 года моль влетела в одно из реле и застопорила его. Согрешившая моль была засушена в журнале учета рядом с официальной записью, которая начиналась словами: «Первый действительный случай найденного насекомого (bug)». подробнее

Электронный этап На этом этапе основными элементами машины были электронные приборы – электронно-вакуумные лампы, транзисторы, интегральные схемы, большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) интегральные схемы. В соответствии с этими элементами в электронном этапе выделяют поколения ЭВМ.

Как все это начиналось – Вторая Промышленная Революция, или Информационная Революция Начиналось все в 40-х годах XX века, в характерной для войны, а потом и холодной войны обстановке глубочайшей секретности. В США главным заказчиком зарождающейся вычислительной техники было Министерство обороны.

Первое поколение ЭВМ Элементная база – электронно-вакуумные лампы. Начиная с этого этапа практически все ЭВМ были автоматическими приборами для обработки информации, то есть работали по введенной в них программе.

Первый электронный компьютер ABC В 1939 году Джон (Иван) Атанасов, (математик из США болгарского происхождения) разработал c помощью своего аспиранта Клиффорда Берри прототип электронного компьютера, названного им ABC (Atanasoff– Berry Computer), в колледже штата Айова. В 1973 году этой машине и ее создателям судом был отдан приоритет как первому электронному компьютеру. На самом деле, существуют большие сомнения, была ли это действительно работающая машина, а не просто набор разрозненных компонентов.

ABC – компьютер Атанасова–Берри (Atanasoff–Berry Computer), 1942 г.

После мучительного судебного процесса в 80-х годах, выиграв дело против Sperry Univac, защищавшего права компьютера ENIAC и его создателей Эккерта и Маучли, Атанасов был провозглашен изобретателем компьютера. Джон (Иван) Атанасов (1903–1995 гг.)

73 До Второй мировой войны в области конструирования компьютерных систем не было практически никакого прогресса, но это время следует считать времен зарождения и первоначального становления компьютерной науки. 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. Компьютерная наука

Клод Шеннон – основоположник математической теории кодирования

На этой ЭВМ успешно расшифровывались секретные послания немцев (зашифрованные на Энигме и машине Лоренца) во время II мировой войны. Первая электронная (английская) ЭВМ Colossus (1943 г.).

Алан Тьюринг – один из создателей Colossus

Первая английская ЭВМ Colossus (реконструкция). Это уникальный пример компьютера – в нем отсутствовало Арифметическое Устройство.

Первый электронный цифровой компьютер. США г. ENIAC (Electronic Numerical Integrator, Analyzer and Computer) – первый, знаменитый, родоначальник...

ENIAC. Часть машинного зала.

ENIAC, который был детищем ума Джона Уильяма Маучли и Дж. Преспера Эккерта младшего, был поистине чудовищем. Он был более трех метров высотой и занимал более 100 кв. метров площади, весил порядка 30 тонн, и использовал более резисторов, конденсаторов, 6000 переключателей и электронных ламп. Окончательный вариант работающей машины потреблял 150 киловатт мощности, чего было достаточно для работы небольшого завода или освещения небольшого города. Одной из важнейших проблем электронно-ламповых компьютеров была надежность работы; 90% того времени простаивания ENIAC, занимало нахождение и замена перегоревших электронных ламп. Записи 1952 года показывают, что примерно электронных ламп пришлось заменить только в течение этого года, что в среднем составляет 50 ламп в день.

Замена неисправной электронной лампы превращалась в серьезную проблему – ведь их было свыше ENIAC

Один из главных создателей первой ЭВМ – ENIAC – Джон Маучли

Подготовка к решению задачи на ЭВМ ENIAC (так называемое штекерное программирование). Такое программирование занимало несколько дней, а сам расчет на ЭВМ – несколько минут.

ENIAC, коммутационная доска Программирование на ENIAC осуществлялось с помощью такой доски. Штекеры с проводниками вставлялись в соответствующие разъемы на этой доске, в зависимости от программы. Это очень замедляло процесс расчетов. Во все последующих цифровых компьютерах программа помещалась в память (принцип хранимой программы фон Неймана). Хотя на аналоговых компьютерах штекерное программирование еще долго и широко применялось.

ENIAC, память Память ENIAC была на ртутных линиях задержки

Ртутные линии задержки как компьютерная память Одной из главных проблем при создании первых компьютеров была разработка надежных форм памяти. Множество различных экзотических технологий было испробовано, из которых относительно удачным был выбор ртутных линий задержки. Они представляли собой тонкие трубки ртути, герметично закрытые кристаллами кварца. Напряжение переменного тока, приложенное к кристаллу кварца, обуславливало его вибрацию. И обратно, вибрация кристалла кварца вызывала генерацию электрического тока. Принцип ртутных линий задержки был в том, что кратковременное приложение электрического напряжения к кристаллу на одном конце трубки генерировало импульс, который распространялся через ртуть с известной скоростью. Когда импульс достигал другого конца линии задержки, он возбуждал кристалл на конце, который генерировал соответствующий ток. Путем усиления выходного напряжения от второго кристалла и подачей его обратно на первый кристалл устанавливался непрерывный цикл. Более того, целый набор индивидуальных импульсов мог поддерживаться одной единственной линией задержки, подобно колонне людей, марширующей по коридору. Реально, линией задержки длиной полтора метра могло храниться 1000 битов информации.

Ртутные линии задержки как компьютерная память Главный создатель английского компьютера EDSAC Морис Уилкс с ртутными линиями задержки

Эта иллюстрация представляет один из наиболее популярных – IBMовский стандарт – однодюймовую по ширине бумажную перфоленту, поддерживающую 8 треков (нумеруются от 0 до 7) с расстоянием 0.1 дюйма между отверстиями. Данные в первые компьютеры вводились с бумажной перфоленты (или с кинопленки). Так же вводилась и программа. Перфолента использовалась и на более поздних компьютерах.

Американский математик венгерского происхождения Джон фон Нейман. Разработал основные принципы архитектуры современных ЭВМ, в том числе принцип хранимой программы (помещение программы, как и данных, в память компьютера) и принцип двоичного представления информации в компьютере (эти два пункта отсутствовали в структуре аналитической машины Беббиджа, в остальном совпадавшей с машиной фон Неймана). Джон фон Нейман

In mathematics you don't understand things. You just get used to them. If people do not believe that mathematics is simple, it is only because they do not realize how complicated life is.

ЭВМ EDVAC – следующая за ENIAC (1949–1952 гг. США), с хранимой программой. Разработчики – Маучли и Эккерт. EDVAC

Английский EDSAC – первый компьютер с хранимой программой Хотя первым разработанным компьютером с хранимой программой был EDVAC (1946 г.), но по разным причинам он заработал лишь в 1952 году, и первым компьютером с хранимой программой оказался первый европейский электронный компьютер EDSAC.

Первый компьютер с хранимой программой – английский EDSAC, 1949 г.

Первый компьютер с хранимой программой – английский EDSAC Экраны слежения за прохождением программы

UNIVAC Первый коммерческий (продаваемый) компьютер г. Разработчики: Маучли и Эккерт. С хранимой программой.

Джон Маучли (на заднем плане) у ЭВМ UNIVAC

1952 год. Президентские выборы в США. В 8.30 вечера, получив всего несколько миллионов голосов (примерно 7% от общего числа) для обработки, UNIVAC предсказал победу Эйзенхауэра на президентских выборах, хотя все предварительные опросы общественного мнения предсказывали победу его сопернику Стивенсону. Первый компьютерный прогноз Дж. Преспер Эккерт, разработчик ENIAC и UNIVAC, обозреватель Уолтер Кронкайт и оператор у UNIVAC.

98 В 1947 году Норберт Винер (1894 – 1964) вводит в обращение термин "кибернетика" как обозначение дисциплины о законах передачи информации и управления: Кибернетика или управление и связь в животном и машине. Винер полагал очевидным, что многие концептуальные схемы, определяющие поведение живых организмов при решении конкретных задач, практически идентичны схемам, характеризующим процессы управления в сложных технических системах.

Что представляла собой работа на ЭВМ первого поколения Трудоемким и малоэффективным, с точки зрения современного пользователя, был процесс общения человека с машиной первого поколения. Как правило, сам разработчик, написавший программу в машинных кодах, вводил ее в память ЭВМ с помощью перфокарт и затем вручную управлял ее выполнением. Электронный монстр на определенное время отдавался в безраздельное пользование программисту, и от уровня его мастерства, способности быстро находить и исправлять ошибки и умения ориентироваться за пультом ЭВМ во многом зависела эффективность решения вычислительной задачи. Ориентация на ручное управление определяла отсутствие каких бы то ни было возможностей буферизации программ. Но зато было чувство небывалого единения с машиной, которое затем было на длительный период утрачено и возродилось только с появлением персональных компьютеров.

Подведем итоги (I поколение ЭВМ) Элементная база первых вычислительных машин – электронные лампы – определяла их большие габариты, значительное энергопотребление, низкую надежность и, как следствие, небольшие объемы производства и узкий круг пользователей, главным образом, из мира науки и военных. В таких машинах практически не было средств совмещения операций выполняемой программы и распараллеливания работы различных устройств; команды выполнялись одна за другой, АЛУ простаивало в процессе обмена данными с внешними устройствами, набор которых был очень ограниченным.

101 Первый Транзистор Используют кремний Разработаны в 1948 Переключатель on-off Второе поколение компьютеров, использующее транзисторы, появилось в 1955 Изобретатели: В.Б. Шокли, Дж. Бардин, У. Бреттейн.

Второе поколение ЭВМ Элементная база – устройства на основе транзисторов. Хотя транзисторы были изобретены в 1948 г., первые ЭВМ на транзисторной основе появились гораздо позже – в начале 60-х годов. Это изобретение позволило разработать машины значительно меньших габаритов и энерго- потребления и гораздо более высокой производительности и надежности при меньшей стоимости.

TRADIC – первый компьютер на транзисторах 1955 г. Лаборатория AT&T объявила о создании первого полностью транзисторного компьютера TRADIC. Он содержал порядка 800 транзисторов вместо электронных ламп. Транзисторы – совершенно не нагревающиеся в работе, высокоэффективные усиливающие устройства, разработанные в Bell Laboratory – позволили свести потребляемую мощность машины к 100 ватт, или одной двадцатой мощности, требуемой сравнимым по вычислительным возможностям компьютером на электронно- вакуумных лампах. И занимала эта ЭВМ объем всего 3 куб. фута.

Джон Бэкус – один из создателей первого универсального процедурного языка программирования – FORTRAN (1954– 1957 гг.).

ERMA – первый компьютерный шрифт, 1959 г.

У машин II поколения оперативная память была на ферритовых сердечниках

А это вся оперативная память БЭСМ-6 – 32 К машинных слов (впоследствии она была расширена до 192 К); смертельно мало по сегодняшним меркам, а ведь какие только задачи не решались на БЭСМ-6! Эта машина использовалась для моделирования сложнейших физических процессов и управления производством, а также в системах проектирования при разработке новых ЭВМ.

Второе поколение ( ): транзисторы и системы пакетной обработки

Подведем итоги II поколения ЭВМ Структурные изменения машин II поколения – появление возможности совмещения операций ввода/вывода с вычислениями в центральном процессоре, увеличение объема оперативной и внешней памяти, использование алфавитно- цифровых устройств для ввода и вывода данных. «Открытый» режим использования машин I поколения сменился «закрытым», при котором программист уже не допускался в машинный зал, а сдавал свою программу на алгоритмическом языке оператору ЭВМ, который и занимался ее дальнейшим пропуском на машине. ЭВМ становились более доступными, расширялась область их применения и, наряду с задачами вычислительными, появлялись задачи, связанные с обработкой текстовой информации. Их решение стало возможным благодаря появлению команд, оперирующих с символами. Тогда же появился 8-ми разрядный байт, байтовая структура ОП, более удобная для работы с текстами. Машины II поколения имели гораздо большую разрядность, например, в БЭСМ-6 было 48 разрядов.

110 Интегральные Схемы Третье поколение использовало Интегральные Схемы (чипы). Интегральные Схемы – это транзисторы, резисторы и конденсаторы, объединённые вместе на одном чипе

111 Третье Поколение – Интегральные Схемы Операционные Системы Меньше и компактней

Первые интегральные схемы 1958 г. Джек Килби создает первую интегральную схему в Texas Instruments, доказывая, что резисторы и емкости могут сосуществовать на одном кусочке полупроводника. Его схема состояла из германиевой подложки с пятью компонентами, соединенными проводниками. Силиконовая интегральная схема г. Реальная схема Роберта Нойса. Разработанная им технология позволяла печатать проводящие каналы прямо на силиконовой поверхности г. Интегральная схема, реализующая резисторно- транзисторную логику, триггер, и первая интегральная схема как монолитный кристалл.

Легендарная IBM-360, компьютер-эпоха, с аналогами которого знакомы и наши программисты. Знаменитая серия ЕС ЭВМ была разработана в странах СЭВ на основе архитектурных решений ЭВМ серии IBM-360

114 История вычислительной техники "Становление и развитие вычислительной техники в СССР шло в послевоенные годы в условиях отсутствия контактов с учеными Запада: разработка ЭВМ за рубежом велась в условиях секретности, поскольку первые цифровые электронные машины предназначались, в первую очередь, для военных целей." (Б.Н.Малиновский, "История вычислительной техники в лицах")

115 Развитие отечественной техники 1952 БЭСМ БЭСМ М БЭСМ АС-6

116 История вычислительной техники Сергей Алексеевич Лебедев ( ) - основоположник компьютерной техники в СССР. Под его руководством были созданы 15 типов ЭВМ, начиная с ламповых и заканчивая современными суперкомпьютерами на интегральных схемах.

Реконструкция стойки БЭСМ-1 Когда в 1954 году оперативная память БЭСМ была укомплектована усовершенствованной элементной базой (потенциалоскопами), быстродействие машины (до 8 тысяч операций в секунду) оказалось на уровне лучших американских ЭВМ и самым высоким в Европе. Доклад Лебедева о БЭСМ в 1956 году на конференции в западногерманском городе Дармштадте произвел настоящий фурор, поскольку малоизвестная советская машина оказалась лучшей европейской ЭВМ.

Элементы процессора ЭВМ БЭСМ-1 на электронно- вакуумных лампах

119 БЭСМ-6 Среднее быстродействие - до 1 млн. одноадресных команд/с Длина слова - 48 двоичных разрядов и два контрольных разряда Представление чисел - с плавающей запятой Рабочая частота - 10 МГц Занимаемая площадь кв. м

По элементной базе (транзисторной) относится ко II поколению. Но многие принципы структурной организации БЭСМ-6 были революционными для своего времени и предвосхищали архитектурные особенности машин третьего поколения Лучшая советская ЭВМ – БЭСМ-6 (1967 г.).

121 БЭСМ- 6

Машина БЭСМ-6, разработанная к 1967 году коллективом ИТМ и ВТ под руководством С.А.Лебедева, занимает особенно важное место в развитии и использовании вычислительной техники в СССР. Она явилась первым в СССР мэйнфреймом – ЭВМ с производительностью 1 миллион флоп/сек. Новые принципы, заложенные в архитектуру, структурную организацию машины и ее программное (тогда оно называлось математическое) обеспечение, повлияли на создание многих ЭВМ и вычислительных комплексов следующих поколений. БЭСМ-6 была построена на элементной базе транзисторных переключателей тока и диодно- резисторной комбинаторной логики и ферритовой памяти.

Легендарная IBM-360, компьютер-эпоха, с аналогами которого знакомы и наши программисты. Знаменитая серия ЕС ЭВМ была разработана в странах СЭВ на основе архитектурных решений ЭВМ серии IBM-360

Накопители на магнитных дисках Впервые в СССР появились у ЭВМ Единой Серии (начало 70-х годов). Первые такие диски имели емкость порядка нескольких Мбайт. Высота устройства примерно 1 метр.

Автоматическое цифровое печатающее устройство (АЦПУ) для ЭС ЭВМ. Печатала только символьную информацию и никаких вам графиков. Тем, кто с ним работал, никогда не забыть его стрекочущий звук.

Первый микрокалькулятор 1972 год. Hewlett-Packard анонсирует калькулятор HP-3 как «быструю, супер-точную электронную логарифмическую линейку», с памятью на полупроводниках типа компьютерной. HP-3 отличался от подобных устройств способностью оперировать с щироким спектром логарифмических и тригонометрических функций, запоминать больше промежуточных значений для дальнейшего использования и воспринимать и отображать данные в стандартной инженерной форме.

127 Первый Микропроцессор – ,250 транзисторов 4-битный 108Khz Микрочип

128 Микрочип Сверхбольшая Интегральная Схема (СБИС) –Транзисторы, резисторы, конденсаторы ,250 транзисторов Pentium IV – 42,000,000 транзисторов –Каждый транзистор 0.13 микрон

Третье поколение ( ): Интегральные схемы и многозадачность Мультипрограммирование spooling MULTIX (MULTiplexed Information and Computing service UNIX POSIX MINIX LINUX

Четвертое поколение ЭВМ Элементная база – большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС). Начало – 80-е годы. Современные компьютеры по своей элементной базе относятся к этому поколению. Однако по своей архитектуре и возможностям – это уже следующий этап истории компьютера.

1975 год – год рождения суперкомпьютера Cray-1, названного так в честь его создателя Сеймура Крэя. Продолжатели этой линии, современные суперкомпьютеры Cray-X,– были в течение более чем 20-ти лет самыми мощными вычислительными машинами. Остаются самими мощными машинами и по сей день для тех задач, для которых невозможно эффективное распараллеливание. В СССР компьютеры такого класса не производились. Суперкомпьютеры

Машинный зал суперкомпьютера Cray-1. На переднем плане – центральный процессор, окруженный блоками охлаждения.

Cray-1. Блок питания

Суперкомпьютер Cray-2 Центральный процессор суперкомпьютера Cray-2. Вокруг – блоки охлаждения на жидком фреоне. Именно на этом компьютере создавались анимационные эффекты в фильме «Терминатор-2».

Знаменитый Cray-2.

Суперкомпьютер Cray-10. Задачи мониторинга окружающей среды, прогноза погоды, многие военные и космические задачи, анализ человеческой речи, некоторые эффекты компьютерной графики и анимации в фильмах, создание новых лекарственных средств, конструирование самолетов и автомобилей могут быть решены только на суперкомьютерах.

Эпоха персональных компьютеров Элементная база – БИС и СБИС. Именно в эту эпоху началось массированное проникновение компьютеров во все сферы человеческой деятельности. Компьютеры начали обрабатывать текстовую, графическую, видео, аудио и другие виды информации. За компьютеры сели пользователи (в отличие от программистов на предыдущих этапах).

Первый персональный компьютер Xerox Alto (1973 г.). Графика высокого разрешения, полностраничный экран, быстрые магнитные устройства внешней памяти, мышь! К сожалению, он так никогда не появился на рынке из-за сильного противодействия конкурентов.

Первые микропроцессоры Intel г. Motorola г.

Первый коммерческий персональный компьютер ALTAIR (1975 год).

Компьютер Altair со снятой крышкой

Первый персональный компьютер линии Apple – Apple I. (Стив Джобс и Стив Возняк, 1976 г.). Дедушка нынешних компьютеров Apple Macintosh.

Персональный компьютер Apple][

Знаменитый персональный компьютер Apple 2 (1979 г.)

Первый персональный компьютер знаменитой линии Apple Macintosh

Персональный компьютер TSR-8 (конец 70-х годов).

Первый персональный компьютер фирмы IBM Та самая, первая IBM PC, 1981 года выпуска, выглядит как новенькая, а ведь именно с нее началась эпоха «персоналок» в нашей стране.

Даг Энгельбарт (Douglas Engelbart) – изобретатель мыши, но не только... Фундаментальные работы ученого стали идейной основой для ряда ключевых технологий в современных вычислительных системах, интерактивных средствах и компьютерных сетях.

Конец пятидесятых – начало шестидесятых годов. В ту пору в академическом сообществе принят в перспективе развития вычислительной техники путь автоматизации интеллектуальной деятельности человека (искусственный интеллект, автоматизация перевода и другие попытки замещения человека компьютером; всерьез говорили про компьютеры, сочиняющие музыку и стихи). Время показало, что это направление при всей своей привлекательности для огромного большинства академически ориентиро-ванных ученых – дорога если не в тупик, то уж точно на боковой путь. Энгельбарт смотрел на жизнь совершенно иначе: он не пытался заменить человека компьютером, уже тогда прекрасно понимая значение разделения функций между машиной и человеком.

Вот основные функции задуманной им системы взаимодействия человека с компьютером: редактирование текстов в онлайновом режиме; гипертекстовые ссылки; телеконференция; электронная почта; конфигурирование рабочего места в соответствии с потребностями пользователя. Эти функции невозможно было реализовать теми средствами, которые имелись в распоряжении ученых. Поэтому Энгельбарту пришлось создать целый ряд других программных и аппаратных средств, которые сегодня стали классикой: мышь для указания позиции на экране; многооконную систему вывода информации на экран; онлайновую систему подсказок (help) с контекстной привязкой; мультимедиа; архитектуру клиент-сервер; универсальный пользовательский интерфейс.

Довольно долго общественное мнение связывало появление мыши с лабораторией Xerox Alto или первыми моделями компьютеров компании Apple. Это справедливо в том смысле, что в большую жизнь мышь вошла именно оттуда, однако придумана она была отнюдь не там.

Первая мышка (1968 год), придуманная Дагом Энгельбартом. Первый экземпляр такого манипулятора был изготовлен инженером Биллом Инглишем (Bill English), а программы для него написал Джефф Рулифсон (Jeff Rulifson).

Операционные системы Large scale integration, Intel 8080 (1974)CP/M Disk Operating System (DOS)/BASIC MicroSoft Disk Operating System (MS-DOS) Intel (1983) Graphical User Interface (GUI) Windows 3.1 Windows95, 98Windows NT (New Technology) Unix X Windows

Первый модем г.

Рождение Всемирной Паутины В 1990 родился World Wide Web – когда Тим Бернерс-Ли, исследователь из ЦЕРНа, Лаборатории Физики Высоких Энергий, в Женеве, разработал HyperText Markup Language. HTML превратил Internet в World Wide Web. Браузер устанавливает связи и посылает запросы на сервер, позволяя пользователю просмотреть сайт. Гипертекстовая система позволила людям объединить их знания в глобальную сеть гипертекстовых документов. Тим Бернерс-Ли разработал первые WWW-сервер и браузер, ставшие доступными общественности в 1991 г.

Эта линия суперкомпьютеров началась в 1998 году, впервые на этих суперкомпьютерах был преодолен рубеж в 1 триллион операций в секунду. Эти компьютеры создаются не на базе оригинального процессора, а с использованием базе нескольких тысяч параллельных процессоров Pentium Pro. Своей максимальной мощности достигают при обработке параллельных процессов, например, как поисковые серверы во Всемирной Паутине или на программах шахматной игры. Суперкомпьютер ASCI RED

Дизайн машинного зала компьютера ASCI RED

Часть машинного зала компьютера ASCI RED, на переднем плане – консоль (рабочее место системного оператора суперкомпьютера).

Анфилада машинного зала суперкомпьютер а ASCI RED.

Внутри суперкомпьютера… Сравните с тем, как ремонтируются и модернизируются персональные компьютеры.

Стояки с параллельными процессорами суперкомпьютера ASCI RED

162 Поколения компьютеров

163 Прогресс Компьютеров

164 Типы компьютеров