История появления и развития вычислительной техники

 
 
 
 
 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Тема: «История появления и развития вычислительной техники» 
 
 
 
 
 
 

Содержание: 
 
 
 
 

1. Механические  счетные устройства…………..3
2. Аналитическая машина Бэббиджа…………....4
3. Этапы создания ЭВМ………………………….5
4. Первое поколение компьютеров……………...5
5. Принципы фон Неймана………………………6
6. Второе поколение компьютеров……………...8
7. Третье поколение компьютеров………………9
8. Четвертое поколение компьютеров………….11

 
 
 
 
 

 

      Эволюцию производительных сил и  производственных отношений можно  проследить по характеру производства: от ручного труда человечество перешло к использованию примитивных орудий труда, затем к механизации и далее к автоматизации труда.

     XX век характеризуется необходимостью  обрабатывать огромное количество  информации. Для сбора, хранения, использования и распространения большого объема информации необходимо специальное устройство. Таким устройством является компьютер. В настоящее время компьютеры представлены практически во всех областях жизни человека. Для того чтобы полно оценить влияние компьютеров на жизнь человека и его будущее, необходимо понять, как проходила их эволюция. 

Механические  счетные устройства

     Современным компьютерам предшествовали механические и электромеханические устройства. Первое в мире механическое устройство для выполнения операций сложения было создано в 1623 г. Его разработал Вильгельм Шикард, профессор кафедры восточных языков в университете Тьюбингена (Германия). В наши дни рабочая модель устройства была воспроизведена по чертежам и подтвердила свою работоспособность. Сам изобретатель в письмах называл машину «суммирующими часами».

     В 1642 году выдающимся французским ученым Блезом Паскалем было разработано более компактное суммирующее устройство, которое стало первым в мире механическим калькулятором, выпускающимся серийно. Машина Паскаля состояла из восьми движущихся дисков с прорезями и могла суммировать числа до восьми знаков. Для своей машины Паскаль использовал десятичную систему исчисления. Например, если первый диск смещался на десять прорезей, что составляло его полный оборот, он перемещал следующий диск на одну позицию и, таким образом, увеличивал количество десятков на один. Когда диск, представляющий десятки, делал полный оборот, он смещал следующий диск, увеличивая количество сотен, и т. д.

     В 1673 году немецкий математик и философ  Готфрид Вильгельм Лейбниц создал механическое счетное устройство, которое не только складывало и вычитало, но также умножало и делило. Машина Лейбница была немного сложнее «Паскалины». В отличие от «Паскалины», числовые колеса, теперь уже зубчатые, имели зубцы девяти различных длин, и вычисления производились за счет сцепления колес.

     Однако  широкое распространение вычислительные аппараты получили только в 1820 году, когда  француз Чарльз Калмар изобрел машину, которая могла производить четыре основных арифметических действия. Машину Калмара назвали арифмометр. Благодаря своей универсальности, арифмометры использовались довольно длительное время. Многие ученые и изобретатели совершенствовали эти устройства. Так, швед, живший в России, Вильгодт Однер в 1880 году создал арифмометр, в котором использовалось переменное число зубцов. Позднее на основе арифмометра Однера был создан арифмометр "Феликс", выпускавшийся в СССР вплоть до 70-х годов. 
 

     Аналитическая машина Бэббиджа

     Из  всех изобретателей прошлых столетий, внесших вклад в развитие вычислительной техники, наиболее близко к созданию компьютера в современном представлении подошел англичанин Чарльз Бэббидж. Желание механизировать вычисления возникло у Бэббиджа в связи с недовольством, которое он испытывал, сталкиваясь с ошибками в математических таблицах, используемых в самых различных областях. В 1822 г. Бэббидж построил пробную модель вычислительного устройства, назвав ее "Разностной машиной": работа модели основывалась на принципе, известном в математике как "метод конечных разностей". Данный метод позволяет вычислять значения многочленов, употребляя только операцию сложения и не выполнять умножение и деление, которые значительно труднее поддаются автоматизации. При этом предусматривалось применение десятичной системы счисления (а не двоичной, как в современных компьютерах). Однако "Разностная машина" имела довольно ограниченные возможности.

     Репутация Бэббиджа как первооткрывателя в  области автоматических вычислений завоевана в основном благодаря  другому, более совершенному устройству Аналитической машине (к идее создания которой он пришел в 1834 г.), имеющей удивительно много общего с современными компьютерами. Предполагалось, что это будет вычислительная машина для решения широкого круга задач, способная выполнять основные операции: сложение, вычитание, умножение, деление. Предусматривалось наличие в машине "склада" и "мельницы" (в современных компьютерах им соответствуют память и процессор). Причем планировалось, что работать она будет по программе, задаваемой с помощью перфокарт, а результаты можно будет выдавать на печать. Но Бэббидж не смог довести до конца работу по созданию Аналитической машины, она оказалась слишком сложной для техники того времени.

     Историки  утверждают, что первым человеком, сформулировавшим идею о машине, которая может производить вычисления автоматически (т.е. без непосредственного участия человека благодаря заложенной программе) был Чарльз Бэббидж. Он не просто провозгласил неочевидную в то время идею автоматической вычислительной машины, но и посвятил всю свою жизнь ее разработке. Одна из его заслуг состояла в том, что он предвосхитил функциональное устройство вычислительных устройств.

     В аналитическую машину были заложены принципы, ставшие фундаментальными для вычислительной техники:

     1.) Автоматическое выполнение операций.

     Для выполнения расчетов большого объема существенно не только то, как быстро выполняется отдельная арифметическая операция, но и то, чтобы между  операциями не было «зазоров», требующих  непосредственного человеческого  вмешательства. Например, большинство калькуляторов не удовлетворяют этому требованию, хотя каждое доступное им действие выполняют очень быстро. Необходимо, чтобы операции следовали одна за другой безостановочно

     2.) Работа по вводимой «на ходу»  программе

     Для автоматического выполнения операций программа должна вводиться в исполнительное устройство со скорость, соизмеримой со скоростью выполнения операций. Бэббидж предложил использовать для предварительной записи программ и ввода в их машину перфокарты, которые к тому времени применялись для управления ткацкими станками.

     3.) Необходимость специального устройства  – памяти – для хранения  данных (Бэббидж назвал его складом).

      

     Этапы создания ЭВМ

       В истории вычислительной техники  существует своеобразная периодизация  ЭВМ по поколениям. В её основу изначально был положен физико-технологический принцип: машину относят к тому или иному поколению в зависимости от используемых в ней физических элементов или технологий их изготовления. Границы поколений во времени размыты, так как в одно и то же время выпускались машины совершенно разного уровня. Когда приводят даты , относящиеся к поколениям, то скорее всего имеют в виду период промышленного производства, проектирование велось существенно раньше, а встретить в эксплуатации весьма экзотические устройства можно и сегодня.

     В настоящее время физико-технологический  принцип не является единственным при  определении той или иной ЭВМ  к поколению. Следует считаться  и с уровнем программного обеспечения, быстродействием и другими факторами. Следует понимать, что разделение ЭВМ по поколению весьма относительно. 

     Первое  поколение компьютеров (1945-1956 годы)

     В 1944 году американский инженер Говард Эйкен при поддержке фирмы IBM сконструировал компьютер для выполнения баллистических расчетов. Этот компьютер, названный "Марк I", по площади занимал примерно половину футбольного поля и включал более 600 километров кабеля. В компьютере "Марк I" использовался принцип электромеханического реле, заключающийся в том, что электромагнитные сигналы перемещали механические части. "Марк I" был довольно медленной машиной: для того чтобы произвести одно вычисление требовалось 3-5 с. "Марк I" управлялся с помощью программы, которая вводилась с перфоленты. Это дало возможность, меняя вводимую программу, решать довольно широкий класс математических задач.

     В 1946 году американские ученые Джон Мокли  и Дж. Преспер Эккерт сконструировали  электронный вычислительный интегратор и калькулятор (ЭНИАК) - компьютер, в  котором электромеханические реле были заменены на электронные вакуумные лампы. Применение вакуумных ламп позволило увеличить скорость работы ЭНИАК в 1000 раз по сравнению с "Марк I". ЭНИАК состоял из 18000 вакуумных ламп, 70000 резисторов, 5 миллионов соединительных спаек и потреблял 160 кВт электрической энергии, что по тем временам было достаточно для освещения большого города. Между тем, ЭНИАК стал работающим прообразом современного компьютера. Во-первых, ЭНИАК был основан на полностью цифровом принципе обработки информации. Во-вторых, ЭНИАК стал действительно универсальной вычислительной машиной, он использовался для расчета баллистических таблиц, предсказания погоды, расчетов в области атомной энергетики, аэродинамики, изучения космоса.

     Следующий важный шаг в совершенствовании  вычислительной техники сделал американский математик Джон фон Нейман. Ранние вычислительные машины могли выполнять только команды, поступающие извне, причем команды выполнялись поочередно. Хотя использование перфокарт позволяло упростить процесс ввода команд, тем не менее, часто процесс настройки вычислительной машины и ввода команд занимал больше времени, чем собственно решение поставленной задачи. Фон Нейман предложил включить в состав компьютера для хранения последовательности команд и данных специальное устройство - память. Кроме того, Джон фон Нейман предложил реализовать в компьютере возможность передачи управления от одной программы к другой. Возможность хранить в памяти компьютера разные наборы команд (программы), приостанавливать выполнение одной программы и передавать управление другой, а затем возвращаться к исходной значительно расширяла возможности программирования для вычислительных машин. Другой ключевой идеей, предложенной фон Нейманом, стал процессор (центральное обрабатывающее устройство), который должен был управлять всеми функциями компьютера.  

     Принципы  фон Неймана

     В 1946 году группа учёных во главе с  Джоном фон Нейманом (Герман Голдстайн, Артур Беркс) опубликовали статью «Предварительное рассмотрение логической конструкции  Электронно-вычислительного устройства». В статье обосновывалось использование двоичной системы для представления данных в ЭВМ (преимущественно для технической реализации, простота выполнения арифметических и логических операций. До этого машины хранили данные в десятеричном виде), выдвигалась идея использования программами общей памяти. Имя фон Неймана было достаточно широко известно в науке того времени, что отодвинуло на второй план его соавторов, и данные идеи получили название «Принципы фон Неймана».

     В целом эти принципы сводятся к  следующему:

        1) Основными блоками фон-неймановской машины являются блок управления, арифметико-логическое устройство, память и устройство ввода-вывода.

       2) Информация кодируется в двоичной  форме и разделяется на единицы,  называемые словами.

       3) Алгоритм представляется в форме последовательности управляющих слов, которые определяют смысл операции. Эти управляющие слова называются командами. Совокупность команд, представляющая алгоритм, называется программой.

       4) Программы и данные хранятся  в одной и той же памяти. Разнотипные слова различаются по способу использования, но не по способу кодирования.

     ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или  команда. Над командами можно  выполнять такие же действия, как  и над данными.

     5) Устройство управления и арифметическое устройство обычно объединяются в одно, называемое центральным процессором. Они определяют действия, подлежащие выполнению, путем считывания команд из оперативной памяти. Обработка информации, предписанная алгоритмом, сводится к последовательному выполнению команд в порядке, однозначно определяемом программой. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.

     Компьютеры, построенные на этих принципах, называются машинами фон-Неймановского типа.