Автор: Пользователь скрыл имя, 08 Февраля 2013 в 15:39, реферат
История компьютера тесным образом связана с попытками облегчить и автоматизировать большие объемы вычислений. Даже простые арифметические операции с большими числами затруднительны для человеческого мозга. Поэтому уже в древности появилось простейшее счетное устройство - абак. В семнадцатом веке была изобретена логарифмическая линейка, облегчающая сложные математические расчеты. В 1642 году Блез Паскаль сконструировал восьмиразрядный суммирующий механизм. Два столетия спустя в 1820 году француз Шарль де Кольмар создал арифмометр, способный производить умножение и деление. Этот прибор прочно занял свое место на бухгалтерских столах.
Рождение ЭВМ
История компьютера тесным
Все основные идеи, которые лежат в основе
работы компьютеров, были изложены еще
в 1833 году английским математиком Чарльзом Бэббиджем. Он разработал
проект машины для выполнения научных
и технических расчетов, где предугадал
основные устройства современного компьютера,
а также его задачи. Управление такой машиной
должно было осуществляться программным
путем. Для ввода и вывода данных Бэббидж
предлагал использовать перфокарты - листы из плотной бумаги
с информацией, наносимой с помощью отверстий.
В то время перфокарты уже использовались
в текстильной промышленности. Отверстия
в них пробивались с помощью специальных
устройств - перфораторов. Идеи Бэббиджа
стали реально воплощаться в жизнь в конце
19 века.
В 1888 году американский инженер Герман
Холлерит сконструировал первую электромеханическую
счетную машину. Эта машина, названная табулятором, могла считывать и
сортировать статистические записи, закодированные
на перфокартах. В 1890 году изобретение
Холлерита было впервые использовано
в 11-й американской переписи населения.
Работа, которую пятьсот сотрудников выполняли
в течение семи лет, Холлерит сделал с
43 помощниками на 43 табуляторах за один
месяц.
В 1896 году Герман Холлерит основал фирму
Computing Tabulating Recording Company, которая стала основой
для будущей Интернэшнл Бизнес Мэшинс
(International Business Machines Corporation, IBM) - компании,
внесшей гигантский вклад в развитие мировой
компьютерной техники.
Дальнейшие развития науки и техники
позволили в 1940-х годах построить первые
вычислительные машины. Создателем первого
действующего компьютера Z1 с программным
управлением считают немецкого инженера Конрада Цузе.
В феврале 1944 года на одном из предприятий
Ай-Би-Эм (IBM) в сотрудничестве с учеными
Гарвардского университета по заказу
ВМС США была создана машина "Mark 1".
Это был монстр весом около 35 тонн. В "Mark
1" использовались механические элементы
для представления чисел и электромеханические
- для управления работой машины. Числа
хранились в регистрах, состоящих из десятизубных
счетных колес. Каждый регистр содержал
24 колеса, причем 23 из них использовались
для представления числа (т.е. "Mark 1"
мог "перемалывать" числа длинной
до 23 разрядов), а одно - для представления
его знака. Регистр имел механизм передачи
десятков и поэтому использовался не только
для хранения чисел; находящееся в одном
регистре, число могло быть передано в
другой регистр и добавлено к находящемуся
там числу(или вычтено из него). Всего в
"Mark 1" было 72 регистра и, кроме того,
дополнительная память из 60 регистров,
образованных механическими переключателями.
В эту дополнительную память вручную вводились
константы - числа, которые не изменялись
в процессе вычислений.
Умножение и деление производилось в
отдельном устройстве. Кроме того, машина
имела встроенные блоки, для вычисления
sin x, 10x и log x.
Скорость выполнения арифметических
операций в среднем составляла: сложение
и вычитание - 0,3 секунды, умножение - 5,7
секунды, деление - 15,3 секунды. Таким образом
"Mark 1" был "эквивалентен" примерно
20 операторам, работающим с ручными счетными
машинами.
Наконец, в 1946 в США была создана первая
электронная вычислительная машина (ЭВМ)
- ENIAC (Electronic Numerical integrator and Computer - Электронный
числовой интегратор и компьютер). Разработчики:
Джон Мочи (John Маuchу) и Дж. Преспер Эккерт
(J. Prosper Eckert).
Он был произведен на свет в Школе электрической
техники Moore (при университете в Пенсильвании).
Время сложения - 200 мкс, умножения - 2800
мкс и деления - 24000 мкс.
Компьютер содержал 17468 вакуумных ламп
шестнадцати типов, 7200 кристаллических
диодов и 4100 магнитных элементов.
Общая стоимость базовой машины - 750000
долларов. Стоимость включала дополнительное
оборудование, магнитные модули памяти
(по цене 29706,5 доллара) и аренду у IBM (по
82,5 доллара в месяц) устройства считывания
перфокарт ( 125 карт в минуту). Она также
включала и арендную плату (по 77 долларов
в месяц) за IBM-перфоратор (100 карт в минуту).
Потребляемая мощность ENIAC - 174 кВт. Занимаемое
пространство - около 300 кв. м.
В Советском Союзе первая электронная
цифровая вычислительная машина была
разработана в 1950 году под руководством
академика С. А. Лебедева в Академии
наук Украинской ССР. Она называлась «МЭСМ»
(малая электронная счётная машина).
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. В те же годы возникла еще
одна новая наука, связанная с информатикой,
- кибернетика, наука об управлении как
одном из основных информационных процессов.
Основателем кибернетики является американский
математикНорберт Винер. Одно время
слово "кибернетика" использовалось
для обозначения вообще всей компьютерной
науки, а в особенности тех ее направлений,
которые в 60-е годы считались самыми перспективными:
искусственного интеллекта и робототехники.
Вот почему в научно-фантастических произведениях
роботов нередко называют "киберами".
А в 90-е годы это слово опять всплыло для
обозначения новых понятий, связанных
с глобальными компьютерными сетями -
появились такие неологизмы, как "киберпространство",
"кибермагазины" и даже "киберсекс".
Первое поколение ЭВМ
Развитие ЭВМ делится на несколько
периодов. Поколения ЭВМ каждого
периода отличаются друг от друга
элементной базой и математическим
обеспечением. Первое поколение (1945-1954)
- ЭВМ на электронных лампах (вроде
тех, что были в старых телевизорах). Это
доисторические времена, эпоха становления
вычислительной техники. Большинство
машин первого поколения были экспериментальными
устройствами и строились с целью проверки
тех или иных теоретических положений.
Вес и размеры этих компьютерных динозавров,
которые нередко требовали для себя отдельных
зданий, давно стали легендой. Ввод чисел
в первые машины производился с помощью
перфокарт, а программное управление последовательностью
выполнения операций осуществлялось,
например в ENIAC, как в счетно-аналитических
машинах, с помощью штеккеров и наборных
полей. Хотя такой способ программирования
и требовал много времени для подготовки
машины, то есть для соединения на наборном
поле (коммутационной доске) отдельных
блоков машины, он позволял реализовывать
счетные "способности" ENIAC'а и тем
выгодно отличался от способа программной
перфоленты, характерного для релейных
машин. Солдаты, приписанные к этой огромной
машине, постоянно носились вогруг нее,
скрипя тележками, доверху набитыми электронными
лампами. Стоило перегореть хотя бы одной
лампе, как ENIAC тут же вставал, и начиналась
суматоха: все спешно искали сгоревшую
лампу. Одной из причин - возможно, и не
слишком достоверной - столь частой замены
ламп считалась такая: их тепло и свечение
привлекали мотыльков, которые залетали
внутрь машины и вызывали короткое замыкание.
Если это правда, то термин "жучки"
(bugs), под которым подразумевают ошибки
в программных и аппаратных средствах
компьютеров, приобретает новый смысл.
Когда все лампы работали, инженерный
персонал мог настроить ENIAC на какую-нибудь
задачу, вручную изменив подключение 6
000 проводов. Все эти провода приходилось
вновь переключать, когда вставала другая
задача.
Первой серийно выпускавшейся ЭВМ 1-го
поколения стал компьютер UNIVAC (Универсальный
автоматический компьютер). Разработчики:
Джон Мочли (John Mauchly) и Дж. Преспер Эккерт
(J. Prosper Eckert). Он был первым электронным
цифровым компьютером общего назначения.
UNIVAC, работа по созданию которого началась
в 1946 году и завершилась в 1951-м, имел время
сложения 120 мкс, умножения -1800 мкс и деления
- 3600 мкс. UNIVAC мог сохранять 1000 слов, 12000
цифр со временем доступа до 400 мкс максимально.
Магнитная лента несла 120000 слов и 1440000
цифр. Ввод/вывод осуществлялся с магнитной
ленты, перфокарт и перфоратора. Его первый
экземпляр был передан в Бюро переписи
населения США.
Программное обеспечение компьютеров
1-го поколения состояло в основном из
стандартных подпрограмм.
Машины этого поколения: « ENIAC », «МЭСМ»,
«БЭСМ», «IBM -701», «Стрела», «М-2», «М-3», «Урал»,
«Урал-2», «Минск-1», «Минск-12», «М-20» и др. <br >Эти
машины занимали большую площадь, использовали
много электроэнергии и состояли из очень
большого числа электронных ламп. Например,
машина «Стрела» состояла из 6400 электронных
ламп и 60 тыс. штук полупроводниковых диодов.
Их быстродействие не превышало 2—3 тыс.
операций в секунду, оперативная память
не превышала 2 Кб. Только у машины «М-2»
(1958) оперативная память была 4 Кб, а быстродействие
20 тыс. операций в секунду.</br >
Основные технические
характеристики ЭВМ "УРАЛ-1"
Структура команд одноадресная.
Система счисления двоичная.
Способ представления чисел - с фиксированной
запятой и с плавающей запятой по стандартным
программам.
Разрядность-35 двоичных разрядов (10,5 десятичных)
и один разряд для знака числа.
Диапазон представляемых чисел: от 1 до
10-10.5.
Время выполнения отдельных операций:
а) деления - 20 мксек;
б) нормализации - 20 мсек;
в) остальных операций-10 мсек.
Количество команд-29.
Характеристики ЗУ:
емкость ОЗУ на магнитном барабане - 1024
тридцатишестиразрядных числа или команды;
емкость НМЛ - до 40 000 тридцатишестиразрядных
чисел или 8000 команд.
Устройство ввода - на перфорированной
киноленте шириной 35 мм.
Вывод - печатающее устройство. Скорость
печати - 100±10 чисел в минуту.
Машина построена на одноламповых типовых
ячейках.
Питание машины от сети трехфазного переменного
тока напряжением 220В ±10%, частотой 50Гц.
Потребляемая мощность 7,5 кВт.
Занимаемая площадь 50 кв. м.
Второе поколение ЭВМ
ЭВМ 2-го поколения были разработаны
в 1950—60 гг. В качестве основного
элемента были использованы уже не
электронные лампы, а полупроводниковые
диоды итранзисторы, а
в качестве устройств памяти стали применяться
магнитные сердечники и магнитные барабаны
- далекие предки современных жестких
дисков. Второе отличие этих машин — это
то, что появилась возможность программирования
на алгоритмических языках. Были разработаны
первые языки высокого уровня - Фортран,
Алгол, Кобол. Эти два важных усовершенствования
позволили значительно упростить и ускорить
написание программ для компьютеров. Программирование,
оставаясь наукой, приобретает черты ремесла.
Все это позволило резко уменьшить габариты
и стоимость компьютеров, которые тогда
впервые стали строиться на продажу.
Машины этого поколения: «РАЗДАН-2», «IВМ-7090»,
«Минск-22,-32», «Урал- 14,-16», «БЭСМ-3,-4,-6», «М-220,
-222» и др.
Применение полупроводников в электронных
схемах ЭВМ привели к увеличению достоверности,
производительности до 30 тыс. операций
в секунду, и оперативной памяти до 32 Кб.
Уменьшились габаритные размеры машин
и потребление электроэнергии. Но главные
достижения этой эпохи принадлежат к области
программ. На втором поколении компьютеров
впервые появилось то, что сегодня называется
операционной системой. Соответственно
расширялась и сфера применения компьютеров.
Теперь уже не только ученые могли рассчитывать
на доступ к вычислительной технике; компьютеры
нашли применение в планировании и управлении,
а некоторые крупные фирмы даже компьютеризовали
свою бухгалтерию, предвосхищая моду на
двадцать лет.
Основные технические
характеристики ЭВМ "Урал-16":
Структура команд двухадресная.
Система счисления двоичная,
Способ представления чисел: с плавающей
запятой.
Разрядность: 36 двоичных разрядов (мантисса
числа — 29 разрядов, знак мантиссы -- 1 разряд,
порядок — 5 разрядов, знак порядка — 1
разряд).
Быстродействие 5000 операций/с.
Количество команд (основных) 17. Каждая
операция имеет 8 модификаций.
Характеристики запоминающих устройств.
Емкость ОЗУ на ферритах 2 К слов; время
обращения к ОЗУ 24 мкс,
Емкость внешнего НМЛ 120000 чисел; скорость
считывания с НМЛ 2000 чисел/с.
Устройства ввода — вывода обеспечивают
ввод информации в машину с фотосчитывающего
устройства на кинолепте со скоростью
35 чисел/с и вывод результатов вычислений
на печатающее устройство со скоростью
20 чисел/с.
Питание машины от сети переменного тока
напряжением 380/220 В, частотой 50 Гц.
Потребляемая мощность около 3 кВт.
Занимаемая площадь 20 кв. м.
Третье поколение ЭВМ
Разработка в 60-х годах интегральных
схем - целых устройств и узлов из десятков
и сотен транзисторов, выполненных на
одном кристалле полупроводника (то, что
сейчас называют микросхемами) привело
к созданию ЭВМ 3-го поколения. В это же
время появляется полупроводниковая память,
которая и по сей день используется в персональных
компьютерах в качестве оперативной. Применение
интегральных схем намного увеличило
возможности ЭВМ. Теперь центральный процессор
получил возможность параллельно работать
и управлять многочисленными периферийными
устройствами. ЭВМ могли одновременно
обрабатывать несколько программ (принцип
мультипрограммирования). В результате
реализации принципа мультипрограммирования
появилась возможность работы в режиме
разделения времени в диалоговом режиме.
Удаленные от ЭВМ пользователи получили
возможность, независимо друг от друга,
оперативно взаимодействовать с машиной.
В эти годы производство компьютеров
приобретает промышленный размах. Пробившаяся
в лидеры фирма IBM первой реализовала семейство
ЭВМ - серию полностью совместимых друг
с другом компьютеров от самых маленьких,
размером с небольшой шкаф (меньше тогда
еще не делали), до самых мощных и дорогих
моделей. Наиболее распространенным в
те годы было семейство System/360 фирмы IBM.
Начиная с ЭВМ 3-го поколения, традиционным
стала разработка серийных ЭВМ. Хотя машины
одной серии сильно отличались друг от
друга по возможностям и производительности,
они были информационно, программно и
аппаратно совместимы. Например, странами
СЭВ были выпущены ЭВМ единой серии («ЕС
ЭВМ») «ЕС-1022», «ЕС-1030», «ЕС-1033», «ЕС-1046»,
«ЕС-1061», «ЕС-1066» и др. Производительность
этих машин достигала от 500 тыс. до 2 млн.
операций в секунду, объём оперативной
памяти достигал от 8 Мб до 192 Мб.
К ЭВМ этого поколения также относится
«IВМ-370», «Электроника — 100/25», «Электроника
— 79», «СМ-3», «СМ-4» и др.
Для серий ЭВМ было сильно расширено программное
обеспечение (операционные системы, языки
программирования высокого уровня, прикладные
программы и т.д.).
Невысокое качество электронных комплектующих
было слабым местом советских ЭВМ третьего
поколения. Отсюда постоянное отставание
от западных разработок по быстродействию,
весу и габаритам, но, как настаивают разработчики
СМ, не по функциональным возможностям.
Для того, чтобы компенсировать это отставание,
в разрабатывались спецпроцессоры, позволяющие
строить высокопроизводительные системы
для частных задач. Оснащенная спецпроцессором
Фурье-преобразований СМ-4, например, использовалась
для радиолокационного картографирования
Венеры.
Еще в начале 60-х появляются первые миникомпьютеры
- небольшие маломощные компьютеры, доступные
по цене небольшим фирмам или лабораториям.
Миникомпьютеры представляли собой первый
шаг на пути к персональным компьютерам,
пробные образцы которых были выпущены
только в середине 70-х годов. Известное
семейство миникомпьютеров PDP фирмы Digital
Equipment послужило прототипом для советской
серии машин СМ.
Между тем количество элементов и соединений
между ними, умещающихся в одной микросхеме,
постоянно росло, и в 70-е годы интегральные
схемы содержали уже тысячи транзисторов.
Это позволило объединить в единственной
маленькой детальке большинство компонентов
компьютера - что и сделала в 1971 г. фирма
Intel, выпустив первый микропроцессор, который
предназначался для только-только появившихся
настольных калькуляторов. Этому изобретению
суждено было произвести в следующем десятилетии
настоящую революцию - ведь микропроцессор
является сердцем и душой современного
персонального компьютера.
Но и это еще не все - поистине, рубеж 60-х
и 70-х годов был судьбоносным временем.
В 1969 г. зародилась первая глобальная компьютерная
сеть - зародыш того, что мы сейчас называем
Интернетом. И в том же 1969 году одновременно
появились операционная система Unix и язык
программирования С ("Си"), оказавшие
огромное влияние на программный мир и
до сих пор сохраняющие свое передовое
положение.
Четвертое поколение ЭВМ
К сожалению, начиная с середины 1970-х годов
стройная картина смены поколений нарушается.
Все меньше становится принципиальных
новаций в компьютерной науке. Прогресс
идет в основном по пути развития того,
что уже изобретено и придумано, - прежде
всего за счет повышения мощности и миниатюризации
элементной базы и самих компьютеров.
Обычно считается, что период с 1975 г. принадлежит
компьютерам четвертого поколения. Их
элементной базой стали большие интегральные
схемы (БИС. В одном кристалле интегрированно
до 100 тысяч элементов). Быстродействие
этих машин составляло десятки млн. операций
в секунду, а оперативная память достигла
сотен Мб. Появились микропроцессоры (1971
г. фирма Intel), микро-ЭВМ и персональные
ЭВМ. Стало возможным коммунальное использование
мощности разных машин (соединение машин
в единый вычислительный узел и работа
с разделением времени).
Однако, есть и другое мнение - многие полагают,
что достижения периода 1975-1985 г.г. не настолько
велики, чтобы считать его равноправным
поколением. Сторонники такой точки зрения
называют это десятилетие принадлежащим
"третьему-с половиной" поколению
компьютеров. И только с 1985г., когда появились
супербольшие интегральные схемы (СБИС.
В кристалле такой схемы может размещаться
до 10 млн. элементов.), следует отсчитывать
годы жизни собственно четвертого поколения,
здравствующего и по сей день.
Развитие ЭВМ 4-го поколения пошло по 2-м
направлениям:
1-ое направление — создание суперЭВМ
- комплексов многопроцессорных машин.
Быстродействие таких машин достигает
нескольких миллиардов операций в секунду.
Они способны обрабатывать огромные массивы
информации. Сюда входят комплексы ILLIAS-4,
CRAY, CYBER, «Эльбрус-1», «Эльбрус-2» и др. Многопроцессорные
вычислительные комплексы (МВК) "Эльбрус-2"
активно использовались в Советском Союзе
в областях, требующих большого объема
вычислений, прежде всего, в оборонной
отрасли. Вычислительные комплексы "Эльбрус-2"
эксплуатировались в Центре управления
космическими полетами, в ядерных исследовательских
центрах. Наконец, именно комплексы "Эльбрус-2"
с 1991 года использовались в системе противоракетной
обороны и на других военных объектах.
2-ое направление — дальнейшее развитие
на базе БИС и СБИС микро-ЭВМ и персональных
ЭВМ (ПЭВМ). Первыми представителями этих
машин являются Apple, IBM - PC ( XT , AT , PS /2), «Искра»,
«Электроника», «Мазовия», «Агат», «ЕС-1840»,
«ЕС-1841» и др.
Начиная с этого поколения ЭВМ повсеместно
стали называть компьютерами. А слово
«компьютеризация» прочно вошло в наш
быт.
Благодаря появлению и развитию персональных
компьютеров (ПК), вычислительная техника
становится по-настоящему массовой и общедоступной.
Складывается парадоксальная ситуация:
несмотря на то, что персональные и миникомпьютеры
по-прежнему во всех отношениях отстают
от больших машин, львиная доля новшеств
- графический пользовательский интерфейс,
новые периферийные устройства, глобальные
сети - обязаны своим появлением и развитием
именно этой "несерьезной" техники.
Большие компьютеры и суперкомпьютеры,
конечно же, не вымерли и продолжают развиваться.
Но теперь они уже не доминируют на компьютерной
арене, как было раньше.