ФГОБУ ВПО "СибГУТИ" Кафедра вычислительных систем История вычислительной техники Преподаватель: Доцент Кафедры ВС, к.т.н. Поляков Артем Юрьевич © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» ФГОБУ ВПО "СибГУТИ" Кафедра вычислительных систем ОСНОВЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

Этапы развития вычислительной техники © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 2 1. Домеханический этап 2. Механический этап 3. Первое поколение ЭВМ 4. Второе поколение ЭВМ 5. Третье поколение ЭВМ 6. Персональные ЭВМ

Этапы развития вычислительной техники © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 3 Домеханический этап

Пальцевый счет (счёт на пальцах, дактилономия) © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 4 Математические вычисления, осуществляемые человеком с помощью сгибания, разгибания или указывания пальцев рук (иногда и ног). Пальцы рук и ног – первая числовая последовательность, полностью отделенная от считаемых объектов. Расположение пальцев на теле человека обусловило появление различных систем счисления (СС): Пятеричной – 5 пальцев на одной руке (страны тропической Африки). Десятиричной – пальцы на двух руках (страны Евразии) Двадцатеричной – все пальцы рук и ног (цивилизация Майа). Способы счета отличаются: 1. Движениями пальцев (разгибание, загибание) 2. Порядком использования пальцев (Римский счет – до , древнекитайская позиционная десятичная система счёта – до ) 3. Значениями пальцев и рук.

Простейшие приспособления для счета © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 5 бирки кости бирки кости Сложение Вычитание Умножение Деление Дроби Степени Корни Степени Корни абак логарифмич. линейка логарифмич. линейка китайские счетные палочки счеты палочки Непера Тригонометрия Логарифмы

Палочки Непера © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 6

Логарифмическая линейка © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 7 Логарифмическая линейка – аналоговое вычислительное устройство, позволяющее выполнять несколько математических операций, в том числе умножение и деление чисел, возведение в степень (чаще всего в квадрат и куб) и вычисление квадратных и кубических корней, вычисление логарифмов, вычисление тригонометрических и гиперболических функций и другие операции.

Принцип работы логарифмической линейки © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 8 Произведение двух чисел основано на формуле: lg(x) + lg(y) = lg(xy) Для того чтобы вычислить произведение двух чисел: 1. Начало или конец подвижной шкалы совмещают с первым множителем на неподвижной шкале. 2. На подвижной шкале находят второй множитель. Напротив него на неподвижной шкале –результат: С помощью логариф- мической линейки находят лишь мантиссу числа, его порядок вычисляют в уме. 25 x 5 = 2,5 x x10 0 = 2,5x5x10 1 = 1,25x10 1 x10 1 = 1,25x x 5 = 2,5 x x10 0 = 2,5x5x10 1 = 1,25x10 1 x10 1 = 1,25x10 2

Принцип работы логарифмической линейки (2) © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 9 Деление двух чисел основано на формуле: lg(x) - lg(y) = lg(x/y) Чтобы разделить числа, на подвижной шкале находят делитель и совмещают его с делимым на неподвижной шкале. Начало (или конец) подвижной шкалы указывает на результат:

Сложение и вычитание чисел при помощи логарифмической линейки © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 10 Базовыми действиями на логарифмической линейке являются умножение и деление. Даже такие простые операции, как сложение и вычитание необходимо выражать через них: x + y = (x/y + 1)y x – y = (x/y – 1)y На примере этих операций наглядно демонстрируется принцип понятности алгоритмов. Исполнителю (человеку с логарифмической линейкой) доступен ограниченный набор элементарных операций над вещественными числами, в частности, умножение и деление. Любые инструкции (алгоритмы) для этого исполнителя должны содержать только операции этого набора. Любые другие действия необходимо детализировать до уровня элементарных операций. Пример с long и long long Пример с long и long long

Этапы развития вычислительной техники © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 11 Механический этап

Переполнение разряда © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» = = 1 1

Леонардо да Винчи © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 13 В 1492 г. Леонардо да Винчи разработал чертеж счетной машины и описал его в своих дневниках, ныне известных, как двухтомник «Мадридский Кодекс» Стержни расположены так, чтобы маленькое колесо стержня входило в сцепление с большим колесом на соседнем стержне. Десять оборотов первого стержня приводят к одному полному обороту второго стержня и т.д. регистр Развитие ВТ Регистр – логическое устройство, используемое для хранения n- разрядных двоичных чисел и выполнения преобразований над ними. перепол нение перепол нение

Паскалина © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 14 Изобретатель: Блез Паскаль, 1645 г. Сложение: ввод первого слагаемого, далее последовательное смещение наборных колес на разряды второго слагаемого. Вычитание: замена на сложение (аналог обратного кода в ПК), эксплуатируется ограниченная разрядность. Умножение/деление: многократное сложение/вычитание. регистр Развитие ВТ сложение вычитание сложение вычитание перепол нение перепол нение

Вычисляющие часы © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 15 Изобретатель: математик и астроном Вильгельм Шикард, 1623 г. (раньше Паскалины!) Сложение: аналогично Паскалине Вычитание: установка уменьшаемого, далее обратным вращением колес ввод вычитаемого Умножение и деление: основано на палочках Неппера

Вычисляющие часы (2) © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 16 регистр Развитие ВТ сложение вычитание сложение вычитание умножение деление умножение деление перепол нение перепол нение

Вычисляющие часы (умножение) © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 17

Калькулятор Лейбница © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 18 Изобретатель: Готфрид Вильгельм Лейбниц, 1673 г. Действия: сложение, вычитание, умножение, деление. Особенности – ускорение операций умножения за счет: 1) запоминания множимого или делимого; 2) сдвиг множителя/делителя на х разрядов: один оборот ГК = 10 x оборотов ГК при нулевом сдвиге. регистр Развитие ВТ сдвиг сложение вычитание сложение вычитание умножение деление умножение деление перепол нение перепол нение

Арифмометр Полени © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 19 Изобретатель: Джованни Полени, 1709 г. Особенности: 1. Используется колесо (L) с переменным количеством зубцов (выставляется вручную), с помощью которых вводятся входные данные: 3 сектора – единицы (K), десятки (H), сотни (J) 2. Ручной привод заменен внешним источником энергии (падающий груз F). регистр Развитие ВТ сдвиг сложение вычитание сложение вычитание умножение деление умножение деление перепол нение перепол нение Источник энергии Источник энергии html цикл

Арифмометр Полени (2) © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 20 Алгоритм умножения 254 на Выставить на колесе L секторы: K = 4 зубца, H – 5, J – Умножение на единицы (8) Установить штифт E в отверстие (D) напротив цифры 8 и отпустить груз. Промежуточный результат – стрелки B1 – B6.

Арифмометр Полени (3) © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 21 Алгоритм умножения 254 на Умножение на десятки (4) Повернуть ручку A на 360 градусов (сдвиг, десятки) Установить штифт E в отверстие (D) напротив цифры 4 и отпустить груз. Промежуточный результат – стрелки B1 – B6.

Арифмометр Полени (4) © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 22 Алгоритм умножения 254 на Умножение на сотни (5) Повторно повернуть ручку A на 360 градусов (сдвиг, сотни) Установить штифт E в отверстие (D) напротив цифры 5 и отпустить груз. Результат – стрелки B1 – B6.

Перфокарты Жаккара © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 23 Изобретатель: Жозеф Жаккар, 1802 г. Особенности: Программное управление при помощи перфокарт. регистр Развитие ВТ сдвиг сложение вычитание сложение вычитание умножение деление умножение деление перепол нение перепол нение Источник энергии Источник энергии Программа цикл

Аналитическая машина Беббиджа © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 24 Изобретатель: Чарльз Бэббидж, гг. Развитие созданной Бэббиджем разностной машины Прототип современных ЭВМ Машине не была построена, предложен только проект, в котором были заложены важнейшие принципы: 1. Наличие пяти основных устройств: а) арифметическое устройство; б) устройство управления; в) память; г) устройства ввода и вывода. 2. Принцип программного управления: а) работа машины зависит от результатов промежуточных вычислений; б) условное и циклическое выполнение. регистр Развитие ВТ АУ Источник энергии Источник энергии Программа УУ Архитектура Вв/Выв. Память Условный переход Условный переход цикл

© Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 25 Предшественники ЭВМ первого поколения

Табулятор Холлерита © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 26 Изобретатель: Герман Холлерит, 1890 г. Особенности: 1. Входные данные записывались на перфокартах 2. Привод - электрический Использование: перепись населения США. В дальнейшем Г. Холлерит основал компанию IBM (International Business Machines)

Z3 – компьютер на основе реле © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 27 Изобретатель: Конрад Цузе, 1941 г. Наименование Значение Система счисленияДВОИЧНАЯ Частота 5,3 Гц Арифм. устройствос плавающей точкой Действия+, -, *, /, Элем. базареле Разрядность слова 22 бита Объем памяти 64 слова Входные данныедесятичные числа с плав. точкой Выходные данныедесятичные числа с плав. точкой

Поколения электронно-вычислительных машин (ЭВМ) © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 28

Электронные лампы – замена реле © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 29 Изобретатель: Ли де Форест, 1906 г. Составные части: 1. Стеклянный баллон с вакуумом или специальным газом. 2. Катод: электрод, подключенный к отрицательному полюсу источника тока. который подогревается для обеспечения эмиссии электронов. 3. Анод: положительный электрод, улавливающий электроны с катода. 4. Сетка: управляющий элемент. При подаче отрицательного напряжения на сетку ток электронов между катодом и анодом прерывается.

Операция ИЛИ-НЕ (стрелка Пирса) © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 30 XYXY

Триггер © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 31 S – (set trigger) – установка триггера R – (reset trigger) – сброс триггера Q – состояние триггера Q' – инвертированное состояние Логическая "1" – сигнал "высокого" напряжения (3,5 – 5 В) Логический "0" – сигнал "низкого" напряжения (0 – 1,5 В) В режиме хранения на R и S подан логический "0". Для установки триггера в состояние "1" на S подается "1", на R – "0". Для установки триггера в состояние "0" на S подается "0", на R – "1".

Установка триггера в "1" © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» Установка "1" 2. Режим хранения XYXY

Установка триггера в "0" © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» Установка "0" 2. Режим хранения XYXY

Джон фон Нейман © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 34 ХарактеристикаЭВМ ENIACЭВМ EDVAC Система счисления Десятичная Двоичная Хранение программы Аппаратная коммутация В памяти компьютера совместно с данными Разрядность слова 10 (дес.) ~ 34 (дв.) 44 (дв.) Объем памяти (слов) 1024 Выполнение Последовательное, циклическое, условные переходы

ЭВМ первого поколения ( гг.) © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 35 Состав Состав соответствует принципам сформулированным Ч. Бэббиджем: центральный процессор (ЦП) арифметико-логическое устройство (АЛУ) управляющее устройство (УУ) оперативная память устройства ввода-вывода (УВВ) Элементная базаэлектронные лампы Способ программирования Программа на языке ассемблера

Электрическая проводимость материалов © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 36 По способности проводить электрический ток вещества можно разделить на: проводники полупроводники диэлектрики В проводниках (медь, алюминий и т.д.) присутствуют свободные носители заряда: часть электронов сравнительно слабо связанных с ядром. Такие электроны могут перемещаться с орбиты одного ядра на орбиту другого под воздействием внешнего электрического поля. К диэлектрикам относят вещества, способные поляризоваться в электрическом поле. В них присутствует незначительное количества свободных электронов и молекул, вытянутых по форме (полярные диполи). Под воздействием внешнего электрического поля связанные заряды диэлектрика смещаются в направлении действующих на них сил, чем выше напряженность поля - и тем больше. В результате поляризации на поверхности диэлектрика образуются заряды разных знаков. Полупроводники (кремний, германий) отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения.

Примесная проводимость полупроводников © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 37 К полупроводникам относятся элементы IV группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева, которые на внешней оболочке имеют четыре валентных электрона. Типичные полупроводники - германий Ge и кремний Si. Чистые полупроводники обладают высоким удельным сопротивлением. Для снижения высокого удельного сопротивления в чистые полупроводники вводят примеси (легируют). В качестве легирующих примесей применяют элементы III (бор, алюминий) и V (мышьяк, индий, фосфор) групп периодической системы элементов Д. И. Менделеева.

p-проводимость полупроводников © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 38 Чистые полупроводники кристаллизируются в виде решетки. Каждая валентная связь содержит два электрона, оболочка атома имеет восемь электронов и находится в состоянии равновесия. Элементы III группы (бор В) имеют на внешней оболочке три электрона. Поэтому хотя атом бора и «встанет» в кристалл, одного электрона не будет хватать.

p-проводимость полупроводников (2) © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 39 При ненулевой температуре с определённой вероятностью четвёртая связь решетки образуется за счет захвата недостающего 4-го электрона у атома кремния. При этом лишенный 4-го электрона атом кремния приобретает положительный заряд (вакансия). Из-за теплового движения электронов вакансия может быть заполнена электроном, отнятым у соседнего атома кремния, при этом тот приобретёт положительный заряд - вакансия переместится на этот атом кремния. Считается, что носителями заряда являются перемещаемые положительно заряженные вакансии (дырки). При приложении электрического поля дырки начинают упорядоченно двигаться к катоду.

n-проводимость полупроводников © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 40 Элементы V группы (мышьяк As) имеют на внешней оболочке пять электронов. Поэтому в кристалле один электрон окажется лишним. Примеси, при добавлении которых к полупроводнику образуются свободные электроны, называются донорными. Проводимость в полупроводнике с донорной примесью осуществляется за счет свободных электронов. Такой проводник называется полупроводником n-типа.

p-n переход © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 41 n-тип электронная проводимость p-тип "дырочная" проводимость

Проводимость в одном направлении © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» Прямое включение (ослабляет внутреннее поле) Обратное включение (усиливает внутреннее поле) Протекание тока "Запертое" состояние

Транзисторы © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ»

Схема включения транзистора © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 44

Реализация операции ИЛИ-НЕ © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 45 XYXY Если на оба входа подан логический "0" (оба транзистора закрыты, их сопротивление близко к ), то на выходе формируется напряжение, V = U п. Если на любой из входов подана логическая "1", то соответствующий транзистор открывается и через него начинает течь ток. Сопротивление открытого транзистора 0. В этом случае V – падение напряжения на открытом транзисторе, которое также 0. А

Второе поколение ЭВМ ( гг.) © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 46 Состав аналогично первому поколению дополнительные процессоры ввода-вывода (снижение нагрузки на ЦП) Элементная базатранзисторы Способ программирования Высокоуровневые языки программирования Algol, FORTRAN, COBOL Программное обеспечение Операционная система Компиляторы Библиотеки стандартных подпрограмм

Третье поколение ЭВМ ( гг.) © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 47 Состав аналогично второму поколению Элементная базаинтегральные микросхемы Способ программирования Высокоуровневые языки программирования Algol, FORTRAN, COBOL Программное обеспечение Возрастает роль и функции операционной системы Пакеты прикладных программ Рост объема разработок в области технологий программирования и операционных систем Унификация ПО

Четвертое поколение ЭВМ ( гг.) © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 48 Состав аналогично третьему поколению попытки создать функционально-полную ЭВМ на одном кристалле создание микропрцессоров: одна СБИС, реализующая арифметическую и логическую обработку информации. Элементная база большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС)

Пятое поколение ЭВМ (1984 г. – наши дни) © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 49 Аппаратурная часть Развитие параллельных технологий: многопроцессорные и многоядерные вычислительные системы использование графических сопроцессоров Развитие мобильных технологий: интеграция ПК и мобильных устройств системы на кристалле (System on Chip – SoC) расширение функций мобильных устройств Расширение спектра периферийных устройств

Пятое поколение ЭВМ (1984 г. – наши дни) © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» 50 Программная часть Совершенствование операционных систем. Совершенствование пользовательского интерфейса, использующего возможности современных периферийных устройств (мышь, тач-пад, сенсорный экран). Создание новых парадигм программирования. Развитие средств разработки, отладки и оптимизации ПО. Виртуализация аппаратурного и программного обеспечения, обеспечение переносимости программ. Создание широкого спектра прикладных программ. Развитие Интернет-технологий.

Литературные источники © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» История развития ЭВМ [загл. с экрана]. – URL: 2. История развития ЭВМ [загл. с экрана] Компьютерная революция [загл. с экрана]. – Архив рубрики «История возникновения компьютера» [загл. с экрана]. – 5.Z3 [загл. с экрана]. – 6. Электронная лампа [загл. с экрана]. – ENIAC [загл. с экрана]. – 8. EDVAC [загл. с экрана]. – 9. Транзистор [загл. с экрана]. –

Литературные источники © Кафедра вычислительных систем ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» Диоды. For dummies [загл. с экрана]. – Биполярные транзисторы. For dummies [загл. с экрана]. – Электрические переходы [загл. с экрана]. –