Этапы развития вычислительной техники.

В практике повседневной жизни человеку приходится решать различные проблемы или задачи, многие из которых возникают в неизменном виде и достаточно регулярно. Появляется потребность в разработке типовых подходов и правил решения, часто повторяющихся проблем и задач. Набор правил, направленный на решение задачи и состоящий в выполнении некоторых простых, типизированных действий, называется алгоритмом. Однако для успешного решения задачи кроме алгоритма необходим ещё и его исполнитель. Достаточно давно возникла идея поручить выполнение алгоритма, если это возможно, машине. Нам, живущим в ХХI веке, такие машины хорошо известны: всевозможные бытовые устройства (стиральные машины, кухонные комбайны), устройства связи, машины (роботы) промышленного производства, работающие на конвейере и т.п. Однако, исторически первыми появились устройства для выполнения вычислительных алгоритмов, и это случилось достаточно давно.

Одним из первых известных устройств, предназначенных для проведения вычислений, является абак, что означает «счётная доска». Предполагают, что абак впервые появился в Древнем Вавилоне около 3 тыс. до н. э. Первоначально он представлял собой доску, разграфлённую на полосы или со сделанными углублениями. Счётные марки (камешки, косточки) передвигались по линиям или углублениям. В 5 в. до н. э. в Египте вместо линий и углублений стали использовать палочки и проволоку с нанизанными камешками. На этом этапе абак использовался скорее для запоминания промежуточных результатов в цепочке вычислений. Начиная с IV в. до н.э., абак использовался для выполнения арифметических вычислений в древнегреческой и древнеримской цивилизациях. В России аналогом абака явились «русские счёты». Они появились в XVI веке и применяются до настоящего времени.

Следующий этап развития характеризуется созданием вычислительных устройств на механической основе с применением шестерней. Среди разработчиков и создателей таких машин следует отметить Блеза Паскаля, Готфрида Лейбница, Чарльза Бэббиджа. Каждый из них внес в процесс развития вычислительной техники свои оригинальные идеи, которые используются и в современных ЭВМ.

Первую суммирующую 8–ми разрядную машину построил Блез Паскаль (1641-1645). Он наладил производство таких машин. Каждой цифре от 0 до 9 соответствовал угол поворота счётного колеса. Всего было восемь таких колес. Операция умножения заменялась многократным сложением. Вклад Паскаля в развитие вычислительной техники, не утративший своего значения, состоял в том, что он первым догадался заменить операцию вычитания сложением с дополнением вычитаемого. Этот способ выполнения вычитания и сейчас используется в современных процессорах.

Лейбниц (около 1673 г.) создал первый арифмометр, который выполнял все четыре арифметических действия. Он первым предложил выполнять вычисления в двоичной системе счисления (на уровне проекта). Авторство в создании двоичной системы также приписывается Лейбницу. Двоичное представление данных и двоичная арифметика лежат в основе работы современных компьютеров. Арифмометр Лейбница был более «продвинутым» устройством по сравнению с машиной Паскаля. Вклад Лейбница в развитие ВТ высоко оценил Норберт Винер, один из идейных разработчиков первой ЭВМ.

Следующий значительный шаг в деле создания вычислительных машин был сделан Чарльзом Бэббиджем в начале XIX века. Конструктивно машина Бэббиджа аналогична современным ЭВМ. Она содержала следующие элементы:

• «Склад» для хранения чисел (устройство хранения данных в современных ЭВМ).

• «Фабрика» – вычислительное устройство (ВУ), выполняющее операции над числами (в современных ЭВМ ему соответствует процессор).

• Устройство управления (УУ) - также присутствует в современных ЭВМ.

• Устройство ввода-вывода (УВВ) данных – на печать и на перфокарты.

Перфокарта была изобретена Жозефом Жаккардом в 1801 г. и применялась для управления работой ткацкого станка. Позднее Герман Холлерит применил перфокарту для обработки данных по переписи населения в 1890 г. Эти работы привели в дальнейшем к созданию корпорации IBM. Перфокарты использовались в практике программирования для ввода программ и данных в ЭВМ вплоть до 80-х годов XX века.

Полностью реализовать свои идеи по созданию вычислительной машины Бэббиджу не позволил технологический уровень того времени. Передовыми достижением для того времени явились способ ввода алгоритма в машину с помощью перфокарт и сама возможность изменять алгоритм работы машины. Тогда же впервые возникла проблема составления программ и впервые возникла идея создания библиотеки программ для вычислительной машины. Рядом с Бэббиджем появляется ещё один исторически важный персонаж – леди Ада Лавлейс (1815–1852), дочь Байрона. Она занималась разработкой алгоритмов и программ для машины Бэббиджа и считается первым в мире программистом. Ей приписывают создание алгоритма вычисления чисел Бернулли и изобретение команды для разветвления вычислительного процесса. В 1840 г. Бэббидж ездил по приглашению итальянских математиков в Турин, где читал лекции о своей машине. Был издан конспект этих лекций на французском языке. Позже Ада Лавлейс перевела эти лекции на английский язык, дополнив их комментариями, которые по своему объёму превосходили исходный текст. В комментариях Ада сделала описание машины Бэббиджа и инструкции по программированию к ней. Это были первые в мире программы, поэтому Аду Лавлейс справедливо считают первым программистом. В восьмидесятых годах XX века был разработан язык программирования, который назвали «Ада», в честь Ады Лавлейс.

Следующий этап в истории создания ЭВМ связан с именем Конрада

Цузе (1910 - 1995). Он считается создателем первой работающей программируемой ЭВМ и первого языка программирования высокого уровня.

К. Цузе проектировал самолёты в компании Henschel Aircraft. Ему приходилось выполнять огромные объёмы вычислений. Цузе решил автоматизировать процесс вычислений. В 1934 г. Цузе придумал модель автоматического калькулятора, которая состояла из УУ, ВУ, памяти и полностью совпадала с архитектурой современных компьютеров. Он сформулировал шесть принципов работы компьютеров:

1. должна использоваться двоичная система счисления;

2. должны использоваться устройства, работающие по принципу да/нет;

3. должен быть полностью автоматизирован процесс работы ВУ;

4. процесс вычислений должен управляться программно;

5. необходима поддержка арифметики с плавающей запятой, а не только с фиксированной;

6. следует использовать память большой ёмкости.

В период с 1938 по 1944 г. Цузе создал три модели вычислительных машин Z1, Z2, Z3. Модель Z1представляла собой двоичное механическое вычислительное устройство с электрическим приводом и возможностью программирования при помощи клавиатуры. Результат вычислений отображался на ламповой панели. Это была экспериментальная модель. Машина Z2 считывала инструкции с перфорированной 35-миллиметровой киноплёнки. Модель Z3 сегодня многие считают первым, реально действовавшим программируемым компьютером. Порядок вычислений теперь можно было определять заранее, однако условные переходы и циклы отсутствовали. В сентябре 1950 года Цузе сконструировал машину Z4. В то время Z4 был единственным работающим компьютером в Европе и первым компьютером в мире, который был продан. Цузе первым разработал язык программирования, не привязанный к архитектуре ЭВМ

(1966 г).

Важнейшей вехой в развитии вычислительной техники явилось создание в Пенсильванском университете первой ЭВМ под руководством Дж. Маучли и Преспера Эккерта. Проект стартовал в 1943 г. при поддержке Лаборатории баллистических исследований для расчётов таблиц стрельбы армии США, а уже в 1946 (1945) была продемонстрирована ЭВМ ENIAC (от Electronic Numerical Integrator and Automatic Calculator)_. Это был первый широкомасштабный, электронный, цифровой компьютер, способный быть перепрограммированным для решения целого диапазона задач. Его отдельные характеристики: потребляемая мощность — 150 кВт., вычислительная мощность — 300 операций умножения или 5000 операций сложения в секунду, вес - 27 тонн. Вычисления производились в десятичной системе.

Разработка второй ЭВМ началось ещё до окончательного запуска ENIAC. В группу разработчиков был включён Дж. фон Нейман. ЭВМ известна под аббревиатурой EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer). В отличие от ENIAC, это был первый компьютер с хранимой в памяти программой, который работал в двоичной, а не десятичной системе счисления. Приведём основные технические характеристики EDVAC.

Компьютер располагал встроенными операциями сложения, вычитания и умножения, а также программной реализацией деления; объём памяти составлял 5, 5 килобайт в современной терминологии.

Основные конструктивные компоненты EDVAC:

• устройство чтения/записи с магнитной ленты;

• контролирующее устройство с осциллографом;

• устройство-диспетчер, принимающее инструкции от контролирующего устройства и из памяти и направляющее их в другие устройства;

• вычислительное устройство, выполняющее за раз одну арифметическую операцию над парой чисел и посылающее результат в память;

• таймер;

• три временных регистра, в каждом из которых хранилось одно слово.

Время выполнения операции сложения — 864 микросекунды, умножения — 2900 микросекунд. Компьютер состоял из почти 6000 электровакуумных ламп, и 12000 диодов, и потреблял 56 кВт энергии. Занимаемая площадь — 45, 5 м², масса — 7850 кг. Полный состав обслуживающего персонала — 30 человек на каждую 8-часовую смену.

У истоков создания первой ЭВМ стояли многие учёные. В частности, Н. Винер в своей книге «Кибернетика» перечисляет следующие принципы конструирования ЭВМ.

1) Центральные суммирующие и множительные устройства должны быть цифровыми, как в обычном арифмометре, а не основываться на измерении (как в дифференциальном анализаторе Буша).

2) Эти устройства, являющиеся по существу переключателями, должны состоять из электронных ламп, а не из зубчатых передач или электромеханических реле. Это необходимо, чтобы обеспечить достаточное быстродействие.

3) В соответствии с принципами, принятыми для ряда существующих машин Белловских телефонных лабораторий, должна использоваться более экономичная двоичная, а не десятичная система счисления.

4) Последовательность действий должна планироваться самой машиной так, чтобы человек не вмешивался в процесс решения задачи с момента введения исходных данных до снятия окончательных результатов. Все логические операции, необходимые для этого, должна выполнять сама машина.

5) Машина должна содержать устройство для запасания данных. Это устройство должно быстро их записывать, надежно хранить до стирания, быстро считывать, быстро стирать их и немедленно подготавливаться к запасанию нового материала.

Как пишет Н. Винер: «Все эти рекомендации представляют собой идеи, положенные в основу современной сверхбыстрой вычислительной машины. Эти мысли почти носились тогда в воздухе, и я не хочу в данный момент заявлять какие-либо претензии на исключительный приоритет в их формулировке. Все же указанные рекомендации оказались полезными, и я надеюсь, что они имели некоторое влияние на популяризацию этого круга идей среди инженеров».

Другой известный учёный, Дж. фон Нейман, при конструировании ЭВМ EDVAC сформулировал ряд требований, которым должна

удовлетворять ЭВМ. С тех пор (1945 г.) эти требования известны как принципы Джона фон Неймана, положенные в основу архитектуры современных ЭВМ.

1. Основные блоки ЭВМ: устройство управления (УУ), арифметикологическое устройство (АЛУ), оперативная память (ОП или ОЗУ), внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), устройство ввода-вывода данных (УВВ).

2. УУ и АЛУ объединяются в единое устройство, называемое процессором.

3. Алгоритм решения задачи (программа) представлен в виде последовательности управляющих слов – команд, которые определяют смысл выполняемой операции. Последовательность (совокупность) команд образует программу.

4. Команда – совокупность сведений, необходимых процессору для выполнения определённого действия. Адресный принцип состоит в том, что в команде указываются не сами числа, над которыми надо выполнить действия, а их адреса в ОП.

5. Структура команды (первые ЭВМ были 3-х адресными) имеет вид:

Здесь КОП – код выполняемой операции (инструкция для

процессора); А1, А2, А3 – адреса операндов. Например, команда могла содержать инструкцию: сложить числа, хранящиеся по адресам А1, А2, результат записать по адресу А3.

6. Данные и программа кодируются в двоичной системе счисления и хранятся в оперативной памяти (ОП) ЭВМ. Процессор определяет действия, подлежащие выполнению путём считывания команд из ОП.

Порядок команд определяется программой.

7. После ввода программы и данных машина работает сама, без вмешательства человека. ЭВМ запоминает адрес выполняемой команды. Каждая команда содержит адрес следующей команды. Возможные варианты: переход к следующей, переход по заданному адресу (команда безусловного перехода), условный переход.

Все современные компьютеры по своей структуре являются Неймановскими машинами. Принцип «невмешательства» человека в процесс вычислений в современной практике часто нарушается – человек может управлять ходом вычислительных процессов, менять параметры выполняемых алгоритмов и т.п.

В СССР первая ЭВМ была запущена в регулярную эксплуатацию в 1951 г. под руководством С.М. Лебедева. Эта машина известна под названием МЭСМ – малая электронно-счетная машина. В 1953 г. С.М Лебедевым была запущена самая производительная на тот момент в Европе ЭВМ – БЭСМ (большая электронно-счётная машина).

Рис. 8. Принципиальная схема ЭВМ Дж. фон Неймана.

Принцип работы ЭВМ (с шинной организацией) становится ясным после рассмотрения алгоритма и схемы работы УУ. Номер пункта соответствует номеру в кружочке на рисунке 9.

1. В память ЭВМ загружена программа. Счётчик адреса команд (САК) содержит адрес первой команды.

2. Процессор (ЦП) считывает команду из оперативной памяти (ОП), используя адрес из САК. Команда поступает в регистр команд.

3. Из прочитанной команды выделяется код операции (КОП) и адреса ОП, по которым хранятся операнды команды. КОП поступает в блок управления операциями ЭВМ.

4. Продолжается чтение команды (данных), если это необходимо. Длина команды прибавляется к содержимому САК. Теперь САК содержит адрес команды, которая будет выполняться на следующем шаге.

5. По адресам операндов, выделенных из текущей команды, считываются данные из ОЗУ и поступают в АЛУ.

6. КОП передаётся в АЛУ, где производятся вычисления.

7. Полученный результат записывается в память ЭВМ. Длина команды прибавляется к содержимому САК. Теперь САК содержит адрес команды, которая будет выполняться на следующем шаге.

Рис. 9. Схема работы УУ.

Историю развития вычислительной техники с моментазапуска первой

ЭВМ и до настоящего времени принято описывать в терминах «поколений» ЭВМ. Деление компьютерной техники на поколения — весьма условная, нестрогая классификация вычислительных систем по степени развития аппаратных и программных средств, а также способам общения с компьютером.

Идея делить машины на поколения вызвана к жизни тем, что за время короткой истории своего развития компьютерная техника проделала большую эволюцию как в смысле элементной базы (лампы, транзисторы, микросхемы и др.), так и в смысле изменения её структуры. Стали появляться новые возможности, расширялись области применения, изменился характера использования ЭВМ.

Принято выделять до пяти поколений. Это деление достаточно условно и оправдывает себя в основном в отношении ЭВМ в промежутке времени от 1946 – 1990 г. XX века. В настоящее время скорость модернизации компьютеров столь высока, что любая попытка провести классификацию в современных условиях устаревает прежде своего осуществления. Приведём краткие характеристики каждого поколения.

Первое поколение ЭВМ. К первому поколению обычно относят машины, созданные на рубеже 50-х годов. В их схемах использовались электронные лампы. Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами, которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства. Лампы потребляли огромное количество электроэнергии и выделяли много тепла. Набор команд был небольшой, схема арифметико-логического устройства и устройства управления достаточно проста, программное обеспечение практически отсутствовало. Для ввода-вывода использовались перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства. Быстродействие порядка 10-20 тысяч операций в секунду. Ёмкость памяти от 2 до 8 килобайт. Но это только техническая сторона. Очень важна и другая — способы использования компьютеров, стиль программирования, особенности математического обеспечения. Программы для этих машин писались на языке конкретной машины. Математик, составивший программу, садился за пульт управления машины, вводил и отлаживал программы, производил по ним вычисления. Процесс отладки был наиболее длительным по времени. Несмотря на ограниченные возможности, эти машины позволили выполнить сложнейшие расчёты, 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 проблемы 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. Отечественные машины первого поколения: МЭСМ (малая электронная

счётная машина), БЭСМ, Стрела, Урал, М-20.

Второе поколение ЭВМ — машины, сконструированные примерно в 1955-1965 г. Характеризуются использованием в них как электронных ламп, так и дискретных транзисторных логических элементов. Их оперативная память была построена на магнитных сердечниках. В это время стал расширяться диапазон применяемого оборудования вводавывода, появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, магнитные барабаны и первые магнитные диски. Быстродействие — до сотен тысяч операций в секунду, ёмкость памяти — до 100 Кбайт.

Совершился переход от программирования в машинных кодах к программированию на алгоритмических языках. Появились языки высокого уровня (Fortran, Algol), средства которых допускают описание всей необходимой последовательности вычислительных действий в наглядном, легко воспринимаемом 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. Появился широкий набор библиотечных программ для решения разнообразных математических задач.

Появились мониторные системы, управляющие режимом трансляции и исполнения программ. Из мониторных систем в дальнейшем выросли современные операционные системы. Операционная система — важнейшая часть программного обеспечения компьютера, предназначенная для автоматизации планирования и организации процесса обработки программ, ввода-вывода и управления данными, распределения ресурсов, подготовки и отладки программ, других вспомогательных операций обслуживания. Таким образом, операционная система является программным расширением устройства управления компьютера. Для некоторых машин второго поколения уже были созданы операционные системы с ограниченными возможностями.

Машинам 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. К середине 1960-х годов мировой парк машин второго поколения оценивался в 30 000 штук.

Машины третьего поколения созданы после 60-x годов. Поскольку процесс создания компьютерной техники шел непрерывно, и в нём участвоваломножество людей из разных стран, имеющих дело с решением различных проблем, трудно и бесполезно пытаться установить, когда «поколение» начиналось и заканчивалось. Возможно, наиболее важным критерием различия машин второго и третьего поколений является критерий, основанный на понятии архитектуры. Машины третьего поколения — это семейства машин с единой архитектурой, т.е. программно совместимых. Другой важный признак: в качестве элементной базы в ЭВМ третьего поколения используются интегральные схемы, которые также называются микросхемами. Отличием интегральных схем от транзисторных с дискретными компонентами является объёмное или общее поверхностное формирование транзисторов, диодов, сопротивлений.

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. Примеры машин третьего поколения — семейства IBM-360, IBM-370, ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ). Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до нескольких миллионов операций в секунду. Ёмкость оперативной памяти достигает нескольких мегабайт.

Четвёртое поколение ЭВМ — это поколение компьютерной техники, разработанное после 1970 года. При проектировании машин четвёртого поколения использовались большие интегральные схемы - БИС. В аппаратурном отношении для них характерно широкое использование интегральных схем в качестве элементной базы, а также наличие быстродействующих запоминающих устройств с произвольной выборкой ёмкостью в десятки мегабайт. Наиболее важный в концептуальном отношении критерий, по которому эти компьютеры можно отделить от машин третьего поколения, состоит в том, что машины четвёртого поколения проектировались в расчете на эффективное использование современных высокоуровневых языков программирования и упрощение процесса программирования для конечного пользователя.

C точки зрения структуры машины этого поколения представляют собой многопроцессорные и многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних устройств. Быстродействие составляет до нескольких десятков миллионов операций в секунду, ёмкость оперативной памяти порядка 1 - 64 Мбайт.

Для этого периода развития ВТ характерны: применение персональных компьютеров; телекоммуникационная обработка данных; компьютерные сети; широкое применение систем управления базами данных; появление отдельных элементов интеллектуального поведения систем обработки данных и устройств.

Пятое поколение ЭВМ – это машины, создание которых началось в конце 1980-х годов. Их разработка производится на основе больших интегральных схем повышенной степени интеграции, использования

оптоэлектронных принципов (лазеры, голография).

Развитие идет также по пути «интеллектуализации» компьютеров, устранения барьера между человеком и компьютером. Компьютеры этого поколения способны воспринимать информацию с рукописного или печатного текста, с бланков, с человеческого голоса, узнавать пользователя по голосу, осуществлять перевод с одного языка на другой. В компьютерах пятого поколения произошёл качественный переход от обработки данных к обработке знаний. Решается проблема децентрализации вычислений с помощью компьютерных сетей, как больших, находящихся на значительном расстоянии друг от друга, так и миниатюрных компьютеров, размещённых на одном кристалле полупроводника. Некоторые направления развития ВТ на современном этапе кажутся экзотическими, но предсказать их дальнейшую судьбу сложно. К таким направлениям следует отнести, например, разработку биокомпьютеров, оптических процессоров.

Вычислительная техника играет в становлении информатики основополагающую роль благодаря двум факторам. Во-первых, ВТ стала универсальным средством хранения, представления и обработки информации. Ушли в прошлое времена, когда ЭВМ использовалась только для выполнения вычислений для нужд учёных, промышленности или военных. При помощи компьютера мы слушаем музыку, смотрим фильмы, храним фотографии, читаем книги в электронном виде, делаем диагностику в медицине, получаем нужную информацию из Интернета. Во-вторых, теоретические основы ВТ и программирования стали общепризнанными разделами информатики и способствовали её дальнейшему развитию