Этапы развития компьютерных технологий

Развитие приспособлений для счета шло в ногу с достижениями математики. Скоро после открытия логарифмов в 1623 г. Была изобретена логарифмическая  линейка, ее автором был английский математик Эдмонд Гантер. Логарифмической линейке суждена была долгая жизнь: от 17 века и приблизительно до конца ХХ века.

Ни абак, ни счеты, ни логарифмическая линейка не означают механизации процесса вычислений. В 17 веке выдающимся французским ученым Блезом Паскалем было изобретено принципиально  новое счетное устройство - арифметическая машина. В базу ее работы Б. Паскаль  положил известную до него идею выполнения вычислений с помощью металлических  шестеренок. В 1645 г. Им была построена  первая суммирующая машина, а в 1675 г. Паскалю удается сделать реальную машину, выполняющую все четыре арифметических деяния. Практически сразу с Паскалем в 1660 - 1680 гг. Сконструировал счетную  машину великий германский математик  Готфрид Лейбниц.

Счетные машины Паскаля  и Лейбница стали прообразом арифмометра. Первый арифмометр для четырех арифметических действий, нашедший арифметическое применение, удалось выстроить лишь через  сто лет, 1790 г., германскому часовому мастеру Гану. Потом устройство арифмометра  совершенствовалось многими механиками из Англии, Франции, Италии, России, Швейцарии. Арифмометры применялись для  выполнения сложных вычислений при  проектировании и строительстве  кораблей, мостов, зданий, при проведении денежных операций. Но производительность работы на арифмометрах оставалась низкой, настоятельным требованием времени  была автоматизация вычислений.

В 1834 г. английский ученый Чарльз Бэббидж, закончил описание машины, он назвал ее «аналитической машиной» По его плану, эта машина обязана  была стать огромным арифмометром с  программным управлением, она была способна не просто считать, но и управлять  ходом собственной работы в зависимости  от заложенной программы, то есть он пытался  воплотить идею программного управления вычислительным процессом. В машине Бэббиджа предусмотрены были также арифметические и запоминающие устройства. Его машина стала прообразом будущих компьютеров. Это изобретение опередило эпоху на 100 лет. Но в ней использовались далеко не совершенные узлы, к примеру, для запоминания разрядов десятичного числа в ней применялись зубчатые колеса. Выполнить свой проект Бэббиджу не удалось из-за недостаточного развития техники, и «аналитическая машина» на время была забыта.

В 1887 году Герман Холлерит изобрел устройство названное табулятором - вычислительная машина, предназначавшаяся  для автоматической обработки числовой и буквенной информации, записанной на перфокартах.

В конце 30 - х годов ХХ века германский инженер Конрад Цузе разработал первую двоичную цифровую машину Z1. В ней обширно использовались электромеханические реле, то есть механические переключатели, приводимые в действие электрическим током. В 1941 г. К. Уцзе создал машину Z3, полностью управляемую с помощью программы.

В 1944 г. Американец Говард Айкен на одном из компаний компании IBM выстроил мощную по тем временам машину «Марк - 1». В данной машине для представления чисел использовались механические элементы - счетные колеса, а для управления применялись электромеханические реле.

Таким образом, краткая  история докомпьютерной эпохи показывает, что человечество стремилось изобрести устройства, облегчающие математические расчета. Счетные машины XVII- XVIII в.в. шли в ногу с развитием математики. К сожалению, недостаточный уровень развития техники не позволил практически и в полной мере реализовать все великие идеи.

2.2 Открытия, предшествующие созданию компьютеров

Компьютера - величайшего  изобретения ХХ века. Для его создания должны были произойти открытия в  области физики, математики, техники.

Во-первых, в конце XIX века получила развития математическая физика. Нужны стали машины, способные  производить многократно повторяющиеся  вычисления.

Во-вторых, в 1800 году американский изобретатель Т. Эдисон открыл явление  термоэлектронной эмиссии, что послужило  основой для создания в 1904 году английским физиком Дж. Флемингом диода, прибора обладающего односторонней проводимостью электрического тока. Несколько позже был создан еще один вакуумный прибор - триод.

В-третьих, английский математик Дж. Буль еще в 1884 году описал правила логики, впоследствии названной его именем - булева алгебра. В соответствии с логикой алгебраические элементы могут принимать только два значения - истина (1) или ложь (0) . Благодаря этой логике стало возможно конструирование логических схем.

И, в-четвертых, в 1918 году русский ученый М.А. Бонч - Бруевич и независимо от него английские ученые создали электронное реле, которое могло находиться в одном из двух состояний - 0 или 1 и на базе которого был создан триггер.

Можно сказать, что  к ХХ веку все было подготовлено для создания компьютера. Выше перечисленные  события имели большое значение, они создали предпосылки для  появления компьютера.

2.3 Поколения ЭВМ

2.3.1 Первое поколение

В вычислительной технике  существует своеобразная периодизация развития электронных вычислительных машин. Всю электронно-вычислительную технику принято делить на поколения. ЭВМ относят к тому либо иному  поколению в зависимости от типа главных используемых в ней частей либо от технологии их производства. От элементной базы зависит мощность компьютера, что в свою очередь привело  к изменениям в архитектуре ЭВМ, расширению круга ее задач, к изменению  способа взаимодействия пользователя и компьютера. Ясно, что границы  поколений в смысле времени сильно размыты, так как в одно и то же время практически выпускались ЭВМ разных типов; для отдельной же машины вопрос о её принадлежности к тому либо иному поколению решается довольно просто.

Предшественниками ЭВМ  были релейные вычислительные машины. Реле позволяло кодировать информацию в двоичном виде состояниями включено-выключено. В процессе работы такой машины тысячи реле переключались из одного состояния  в другое. Такие машины работами с низкой скоростью (50 сложений или 20 умножений в секунду).

С развитием в первой половине ХХ века радиотехники связан переход от релейных вычислительных машин к машинам на электронно-вакуумных  лампах, которые стали элементарной базой вычислительных машин первого  поколения.

Первая ЭВМ создавалась  в 1943 - 1946 гг. Самой знаменитой была машина созданная в США и называлась она ENIAC (электронный цифровой интегратор и вычислитель). Эта машина содержала около 18 тысяч электронных ламп, множество электромеханических реле. Ее создателями были Дж. Моучли.

ЭВМ первого поколения  располагались в огромных машинных залах, потребляли много электроэнергии и требовали остывания с помощью  массивных вентиляторов. Программы  для этих ЭВМ необходимо было составлять в машинных кодах, и этим могли  заниматься лишь мастера, понимающие в  деталях устройство ЭВМ.

В 1945 году известный  математик и физик - теоретик фон  Нейман определил общие принципы работы универсальных вычислительных устройств. Согласно фон Нейману  вычислительная машина обязана была управляться программой с последовательным выполнением команд, а сама программа - храниться в памяти машины. Первая ЭВМ с хранимой в памяти программой была построена в Англии в 1949 г.

В СССР созданием компьютеров  занимался академик С. А. Лебедева. Его  машины БЭСМ - 1, БЭСМ-3М, БЭСМ-4, М- 220 были признаны лучшими в мире.

ЭВМ постоянно совершенствовались, благодаря чему к середине 50 -х годов их быстродействие удалось повысить от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч операций в секунду. Но при этом электронная лампа оставалась самым надежным элементом ЭВМ. Внедрение ламп стало тормозить дальнейший прогресс вычислительной техники.

Потом на смену лампам пришли полупроводниковые приборы, тем самым завершился первый этап развития ЭВМ. Вычислительные машины этого  этапа принято именовать ЭВМ  первого поколения

Таким образом, машины первого поколения имели внушительные размеры, потребляли огромную мощность, имели сравнимо маленькое быстродействие, малую емкость оперативной памяти, невысокую надежность работы и недостаточно развитое программное обеспечение. В ЭВМ этого поколения были заложены базы логического построения машин и продемонстрированы способности  цифровой вычислительной техники. Но использование  в качестве элементной базы электронно-вакуумных  ламп тормозило развитие и совершенствование  ЭВМ, ограничивало область их применения. Они использовались в основном для  инженерных и научных расчетов, не связанных с переработкой больших  объемов информации.

В ниже приведенной  таблице собрана краткая характеристика ЭВМ I-го поколения:

компьютер вычислительный информационный технология

2.3.2 Второе поколение

Создатели ЭВМ постоянно  следовали за прогрессом в электронной  технике. В 1949 году в США был создан транзистор - первый полупроводниковый  прибор, заменивший электронную лампу. Они были компактнее, имели большой  срок службы, значительно меньше потребляли электроэнергию, выделяли меньше тепла  при работе. С внедрением цифровых частей на полупроводниковых устройствах  началось создание ЭВМ второго поколения. Благодаря применению более совершенной  элементной базы начали создаваться  относительно небольшие ЭВМ, вышло  естественное разделение вычислительных машин на большие, средние и малые.

В СССР были разработаны  и обширно использовались серии  малых. Рекордной посреди российских машин этого поколения и одной  из наилучших в мире была БЭСМ - 6 («большая электронно-счетная машина»), которая была создана коллективом  академика С.А. Лебедева. Производительность БЭСМ - 6 была на два - три порядка  выше, чем у малых и средних  ЭВМ, и составляла более 1 млн. Операций в секунду. За рубежом более распространенными  машинами второго поколения были «Элиот» (Англия), «Сименс» (ФРГ), «Стретч» (США).

Одновременно с  развитием ЭВМ развивались и  периферийные устройства - внешняя  память на магнитных барабанах и  лентах. Совершенствовались языки программирования, появились языки высокого уровня ФОРТРАН, АЛГОЛ, КОБОЛ. Программы и  программирование стало проще, понятнее и доступнее. Расширилась область  применения, стали создаваться электронно-справочные и информационные системы.

В ниже приведенной  таблице собрана краткая характеристика ЭВМ II-го поколения:

2.3.3 ЭВМ третьего поколения

Революцию технологии производства ЭВМ вызвало создание интегральных схем, на которых транзисторы, конденсаторы и резисторы собрались  в едином куске полупроводника. Это  произошло в конце 30-х годов XX века. Операция изготовления интегральных схем все время совершенствовалась и в результате на одной кремневой  пластинке стало возможным разместить сотни кристаллов интегральных схем. Произошел переход к третьему поколению ЭВМ.

Применение интегральных схем позволило увеличить количество электронных частей в ЭВМ без  роста их настоящих размеров. Быстродействие ЭВМ возросло до 10 миллионов операций в секунду. Не считая того, составлять программы для ЭВМ стало по силам обычным пользователям, а  не лишь специалистам - электронщикам. При проектировании процессора стали  использовать технику микропрограммирования - конструирование сложных команд процессора из простых.