История развития вычислительной техники

История развития вычислительной техники.

Ещё 1500 лет назад  для облегчения вычислений стали  использовать счёты. В 1642 г. Блез Паскаль  изобрёл устройство, механически  выполняющее сложение чисел, а в 1694 г. Готфрид Лейбниц сконструировал арифмометр, позволяющий механически  производить четыре арифметических действия.

Первая счетная  машина, использующая электрическое  реле, была сконструирована в 1888 г. американцем  немецкого происхождения Германом Холлеритом и уже в 1890 г. применялась  при переписи населения. В качестве носителя информации применялись перфокарты. Они были настолько удачными, что  без изменений просуществовала  до наших дней.

Первой электронной  вычислительной машиной принято  считать машину ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer - электронный числовой интегратор и вычислитель), разработанную под руководством Джона Моучли и Джона Экера в Пенсильванском университете в США. ENIAC содержал 17000 электронных ламп, 7200 кристаллических диодов, 4100 магнитных элементов и занимал площадь в 300 кв. метром. Он в 1000 раз превосходил по быстродействию релейные вычислительные машины и был построен в 1945 г.

Первой отечественной  ЭВМ была МЭСМ (малая электронная  счетная машина), выпущенная в 1951 г. под руководством Сергея Александровича Лебедева. Её номинальное быстродействие—50 операций в секунду.

Компьютеры 40-х и 50-х годов были доступны только крупным  компаниям и учреждениям, так  как они стоили очень дорого и  занимали несколько больших залов. Первый шаг к уменьшению размеров и цены компьютеров стал возможен с изобретением в 1948 г. транзисторов. Через 10 лет, в 1958 г. Джек Килби придумал, как на одной пластине полупроводника получить несколько транзисторов. В 1959 г. Роберт Нойс (будущий основатель фирмы Intel) изобрел более совершенный метод, позволивший создать на одной пластинке и транзисторы, и все необходимые соединения между ними. Полученные электронные схемы стали называться интегральными схемами, или чипами. В 1968 г. фирма Burroughs выпустила первый компьютер на интегральных схемах, а в 1970 г. фирма Intel начала продавать интегральные схемы памяти.

В 1971 г. был сделан ещё один важный шаг на пути к  персональному компьютеру—фирма Intel выпустила интегральную схему, аналогичную по своим функциям процессору большой ЭВМ. Так появился первый микропроцессор Intel-4004. Уже через год был выпущен процессор Intel-8008, который работал в два раза быстрее своего предшественника.

Вначале эти микропроцессоры  использовались только электронщиками-любителями и в различных специализированных устройствах. Первый коммерчески распространяемый персональный компьютер Altair был сделан на базе процессора Intel-8080, выпущенного в 1974 г. Разработчик Altair—крохотная компания MIPS из Альбукерка (шт. Нью-Мексико)—продавала машину в виде комплекта деталей за 397 долл., а полностью собранной—за 498 долл. У компьютера была память объёмом 256 байт, клавиатура и дисплей отсутствовали. Можно было только щёлкать переключателями и смотреть, как мигают лампочки. Вскоре у Altair появились и дисплей, и клавиатура, и добавочная оперативная память, и устройство долговременного хранения информации (сначала на бумажной ленте, а затем на гибких дисках).

А в 1976 г. был выпущен  первый компьютер фирмы Apple, который представлял собой деревянный ящик с электронными компонентами. Если сравнить его с выпускаемым сейчас iMac, то становится ясным, что со временем изменялась не только производительность, но и улучшался дизайн ПК.

Вскоре к производству ПК присоединилась и фирма IBM. В 1981 г. она выпустила первый компьютер IBM PC. Благодаря принципу открытой архитектуры  этот компьютер можно было самостоятельно модернизировать и добавлять  в него дополнительные устройства, разработанные независимыми производителями. За каких-то полгода IBM продала 50 тыс. машин, а через два года обогнала Apple по объёму продаж.  

Производительность  современных ПК больше, чем у суперкомпьютеров, сделанных десять лет назад. Поэтому через несколько лет обыкновенные персоналки будут работать со скоростью, которой обладают современные суперЭВМ. Кстати, в январе 1999 г. самым быстрым был компьютер SGI ASCI Blue Mountain. По результатам тестов Linpack parallel его быстродействие равнялось 1,6 TFLOPS (триллионов операций с плавающей точкой в секунду).

Идеи 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 (и  даже представлять их в графическом  виде) или на перфокарты. Но Бэббидж  не смог довести до конца работу по созданию Аналитической машины—она оказалась слишком сложной для техники того времени.  

Машины Фон-Неймановского типа.   

В основу построения подавляющего большинства ЭВМ положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 году американским ученым венгерского  происхождения ДЖОНОМ фон НЕЙМАНОМ.   

Прежде всего, компьютер  должен иметь следующие устройства:  

* Арифметическо-логическое устройство, выполняющие арифметические и логические операции;  

* Устройство управления, которое организует процесс выполнения  программ;  

* Запоминающее устройство, или память для хранения программ  и данных;  

* Внешние устройства  для ввода-вывода информации.   

В основе работы компьютера лежат следующие принципы:  

* Принцип двоичного  кодирования. Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в  ЭВМ, кодируется с помощью двоичных  сигналов.  

* Принцип программного  управления. Из него следует, что  программа состоит из набора  команд, которые выполняются процессором  автоматически друг за другом  в определенной последовательности.  

* Принцип однородности  памяти. Программы и данные хранятся  в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что  хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда.  Над командами можно выполнять  такие же действия, как и над  данными.  

* Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.   

Машины, построенные  на этих принципах, называются Фон-Неймановскими.   
 

Ручной  этап развития вычислительной техники 

Ручной этап развития ВТ начался на заре человеческой цивилизации - он охватывает период от 50 тысячелетия до н.э. и до XVII века. Фиксация результатов счета у разных народов на разных континентах производилась разными способами: пальцевый счет, нанесение засечек, счетные палочки, узелки и т.д. Наконец, появление приборов, использующих вычисление по разрядам, как бы предполагали наличие некоторой позиционной системы счисления, десятичной, пятеричной, троичной и т.д. К таким приборам относятся абак, русские, японские, китайские счеты. Логарифмическая линейка - последнее средство для счета, которое относят к ручному этапу.  

Способы счета ручного  периода продолжают использоваться и в наше время. Нередко используется пальцевый счет. Счеты в недавнем прошлом в СССР использовали повсеместно. Да еще и сегодня кое-где их можно встретить, помогающими в расчетных операциях. А логарифмическая линейка, вплоть до 1970-х гг., была основным инструментом любого инженера.

Пальцевый счет 

Самым первым инструментом счета у древнего пещерного человека в верхнем палеолите, безусловно, были пальцы рук. Сама природа предоставила человеку этот универсальный счетный  инструмент. У многих народов пальцы (или их суставы) при любых торговых операциях выполняли роль первого счетного устройства. Для большинства бытовых потребностей людей их помощи вполне хватало.  

К счету по пальцам  рук восходят многие системы счисления, например пятеричная (одна рука), десятеричная (две руки), двадцатеричная (пальцы рук  и ног), сорокаричная (суммарное число пальцев рук и ног у покупателя и продавца). У многих народов пальцы рук долгое время оставались инструментом счета и на наиболее высоких ступенях развития.  

Известные средневековые  математики рекомендовали в качестве вспомогательного средства именно пальцевый счет, допускающий довольно эффективные системы счета.  

Однако в разных странах и в разные времена  считали по-разному.  

Несмотря на то что у многих народов кисть руки является синонимом и фактической основой числительного "пять", у различных народов при пальцевом счете от одного до пяти указательный и большой пальцы могут иметь разные значения.  

У итальянцев при  счете на пальцах рук большой  палец обозначает цифру 1, а указательный - метит цифру 2; когда же считают  американцы и англичане, указательный палец означает цифру 1, а средний - 2, в этом случае большой палец  представляет цифру 5. А русские начинают счет на пальцах, первым загибая мизинец, и заканчивают большим пальцем, обозначающим цифру 5, при этом указательный палец сопоставлялся с цифрой 4. Но когда показывают количество, выставляют указательный палец, затем средний  и безымянный.

Средняя Европа 

Североевропейский пальцевой счет позволял показывать пальцами одной руки, складываемыми  в различные комбинации, все числа  от 1 до 100. Причем большим и указательным пальцами изображались десятки, остальными тремя - единицы.  

Например, число 30 получалось, когда большой и указательный пальцы левой руки были соединены в кольцо. Для того чтобы изобразить число 60, большой палец нужно согнуть и как бы склонить его перед указательным, нависающим над ним. Чтобы показать число 100, нужно было прижать выпрямленный большой палец снизу к указательному и отвести остальные три пальца в сторону.

Россия 

В древнерусской  нумерации единицы назывались "перстами", десятки - "суставами", а все  остальные числа - "сочислениями".  

Счет парами вплоть до середины XVIII века всегда занимал  важное место в жизни россиян, поскольку имел качественное происхождение - пара рук, ног, глаз и пр. Недаром  говорили: "два сапога - пара", "двугривенный" и т.д.  

Четверичная система  счета основана на "перстах" руки, не считая большого пальца. Большой - вовсе  не "перст", он "палесъ"! - в этой системе счисления означал конец счета, то есть являлся эквивалентом нуля.  

Счет восьмерками  также основан на пальцевом счете  и, по сути, является сочетанием двоичной и четверичной систем. Элементы восьмеричной системы существовали на Руси еще  в начале XX столетия. Это и восьмиконечный крест, который использовали староверы, и восьмиголосное церковное пение, и название русской питейной меры - "осьмушки", получаемой в результате последовательного троекратного деления пополам. В русской народной метрологии - это вообще деление какой-либо учетной нераздельной меры (например, куска пахотной земли, сажени или ведра вина) на части, соответствующие 1/2,1/4 и 1/8 долям.  

Пальцевой счет девятками  является, пожалуй, самым распространенным русским народным способом умножения  на пальцах с помощью так называемых девятериц - своеобразной таблицы умножения, обозначающей девятилетние сроки человеческой жизни. Наши предки в древности какое-то время считали девятками (впрочем, похоже, что они все-таки считали восьмерками, а с девяти начинался уже новый отрезок счета). С тех пор прошло не менее семи - девяти столетий, но мы до сих пор трепещем перед грозным "девятым валом" или устраиваем поминки по усопшему на девятый день после кончины.  

Счет десятками  возник около 3-2,5 тысячи лет до нашей  эры в Древнем Египте. Претерпев  небольшие изменения, древнеегипетская десятеричная система сначала обосновалась на Востоке (в Индии примерно к VI веку нашей эры, более известная  как индийский счет), а затем  через весьма активную торговлю в XI-XIII веках достигла пределов Древней  Руси. От Орды Русь переняла десятичную систему счисления для весовых  измерений и денежного счета, опередив в этом даже Европу, которая  познакомилась с десятеричной системой счисления через арабов только в XIII веке, а усвоила ее и того позже.  

Однако окончательно эта система счисления прижилась  в России вместе с реформами Петра I, пришедшими к нам из Европы.