Краткие исторические сведения. Поколения ЦВМ

Лекция 1. История развития ЦВМ. Основные сведения из теории информации и теории алгоритмов. Принципы построения и классификация ЦВМ.

Краткие исторические сведения. Поколения ЦВМ

Основные сведения из теории информации

2.1. Понятие информации

2.2. Количество информации. Единицы измерения информации

Основные сведения из теории алгоритмов

3.1. Понятие алгоритма

3.2. Свойства алгоритмов

3.3. Алгоритмические системы: операторные описания и граф-схемы

Принципы построения и классификация ЦВМ

4.1. Принцип программного управления процессом вычислений

4.2. Операционные ресурсы ЦВМ

4.3. Аппаратные средства ЦВМ: память, процессор, периферийные устройства

4.4. Иерархия аппаратных средств ЦВМ

Краткие исторические сведения. Поколения ЦВМ

Важнейшее мировое явление середины XX столетия, характеризующее качественно новый этап научно-технической ре­волюции, состоит в создании цифровых электронных вычислитель­ных машин (ЭВМ). Сам этот факт и последующий быстрый прогресс нового научно-технического направления — вычислительной тех­ники (ВТ) — обусловлены всем историческим процессом раз-вития по­знания и производительных сил. Эта объективно-историческая обу­словленность выразилась, во-первых, в значительном расширении класса задач вычислительного и логического характера в физике, астрономии, экономике, управлении производством, энергетике, кос­монавтике, авиации и других отраслях науки и техники, во-вторых, в возрастании сложности, громоздкости и точности самих вычислений при решении указанных задач. В то же время появление цифровых ЭВМ оказало сильное влияние на развитие вычислительной матема­тики, поставив основной ее целью исследова- ние математических аспектов применения и производства ЭВМ.

В современной истории науки и техники развитие ВТ принято разделять на несколько периодов. Первый период соответствует времени от зарождения вычислительной техники до 1946 года. При этом подобно тому, как невозможно указать исторически достовер­ные сведения об изобретении колеса или рычага, так же невозмож­но дать конкретную историческую справку о первых технических средствах для механизации счета. По-видимому, древнейшими при­способлениями для цифрового счета являются палочки с зарубка­ми, счетные палочки, абак, счеты в различных их вариантах. В 1642 г. Б. Паскаль сконструировал машину для сложения и вы­читания, использо-вавшуюся при выполнении расчетов по сбору налогов во Франции. Известный математик Г. В. Лейбниц в 1694 г. усовершенствовал машину Паскаля. Машина Лейбница выполня­ла четыре основные арифметические операции, возведение в степень и извлечения корня. В 1820 г. Т. де Кольмар разработал арифмо­метр, пригодный для практического применения в коммерческих опе-рациях. Широкое распространение получил арифмометр, со­зданный русским инженером В. Т. Однером в 1874 г. Эта конструк­ция оказалась столь удачной, что к настоящему времени разработа­но более 50 типов малых механических и электромеханических вы­числительных машин, работающих по принципу машины Однера. В 60—90-е годы XIX ст. ряд механических вычислителей разрабо­тан академиком П. Л. Чебышевым. В конце XIX ст. появились электромеханические счетно-перфора-ционные и счетно-аналитические машины, в которых были автоматизированы некоторые элемен­ты процесса вычислений. Электромеханические моделирующие устройства для решения систем алгебраических и дифференциальных уравнений были предложены А. Н. Крыловым и Н. Е. Жу­ков-ским.

В 1833 г. Ч. Бэббидж пришел к выводу о возможности построе­ния машины, которая могла бы выполнять любые вычисления, за­данные оператором, а не только вычисления одного специального вида, как это имело место во всех ранее предложенных проектах. Эта машина была названа Ч. Бэббиджем «аналитической машиной» и состояла из двух частей — «мельницы» и «склада», которые являют­ся прототипами процессора и памяти в современных цифровых ЭВМ. «Мельница» предназначалась для выполнения арифметиче­ских операций над числами (арифметическое устройство), а «склад» — для хранения чисел (запоминающее устройство). По проекту Бэб­биджа «склад» должен состоять из 50 000 цифровых колес. Для ввода чисел в машину и управления ходом вычислений предполага­лось использовать перфокарты (соединенные в единую ленту), при­меняв-шиеся в жаккардовых машинах при ткачестве сложных ри­сунков. При жизни Ч. Бэббиджа машина не была построена. К 1910 г. была построена часть «мельницы» и продемонстрирована в действии при вычислении таблицы чисел, кратных , с точностью до 20 десятичных разрядов. Однако далее работы по созда­нию «аналитической машины» были приостановлены, так как проект Бэббиджа значительно опережал в то время технические воз­можности его реализации. Лишь примерно через 100 лет конструкторы вернулись к идеям Бэббиджа.

Успехи радиотехники, телефонной связи и теории релейно-контактных схем, а также опыт эксплуатации электромеханиче­ских вычислительных устройств создали необходимые предпосылки для разработки в 40-х годах XX ст. средств вычислительной техни­ки, в которых в качестве основных структурных элементов ис­пользовались электромагнитные реле. Первая ЭВМ «МАРК-1» с прог-раммным управлением на электромагнитных реле была по­строена в 1944 г. Г. Айкеном в США.

Второй период истории вычислительной техники — электрон­ный — начинается в 1946 г. с создания Дж. Маучли (США) цифро­вой ЭВМ «ЭНИАК» (электронный числовой интегратор и вычисли­тель), основным элементом которой стал триггер на электронных лампах, изобретенный в 1922 г. советским ученым М. А. Бонч-Бруевичем.

Первая советская электронная вычислительная машина МЭСМ (малая электронная счетная машина) построена под руководством академика С. А Лебедева в Институте электротехники АН УССР в 1950 г. Созданные вслед за ней машины БЭСМ (С. А. Лебедев), «Стрела» (Ю. Я. Базилевский), М-2 (И. С. Брук), «Урал» (Б. И. Рамеев), «Киев» (В. М. Глушков) и др. были вы-полнены по класси­ческой схеме процессор—память, а опыт их разработки и эксплуата­ции послужил в последующие годы основой для организации массового производства различных по назначению и техническим воз­можностям серий отечественных ЭВМ.

Развитие вычислительной техники неразрывно связано с раз­витием электронной техники: первые ЭВМ были ламповыми, одна­ко уже через несколько лет достижения полупроводниковой тех­ники позволили заменить ламповые компоненты ЭВМ полупровод­никовыми, а затем начать процесс микроминиатюризации схем и элементов ЭВМ, что значительно повышает их быстродействие и надежность, уменьшает габаритные размеры, массу и потребляе­мую мощность. Эта связь, выра-жающая зависимость основных ха­рактеристик ЭВМ от конструктивно-технологических особенно­стей их реализации, обуславливает периодизацию развития ВТ по­сле начального этапа по поколе-ниям ЭВМ.

К первому поколению (1950–1958 гг.) относят ЭВМ, построен­ные на электронных лампах с использованием дискретных радио­деталей и методов навесного монтажа. В машинах второго поколе­ния (1959—1967 гг.) транзисторы полностью заменили электронные лампы. Схемы ЭВМ второго поколения изготовлялись методами пе­чатного монтажа. В ЭВМ третьего поколения (1968—1978 гг.) боль­шинство транзисторов и дискретных радиодеталей заменено микро­схемами малой степени интеграции, а все соединения между ними выполняются методами многослойного печатного монтажа. Произ­водимые в настоящее время средства вычислительной техники от­носятся к четвертому поколению и характеризуются применением микросхем высокой степени интеграции.

Одновременно с развитием конструктивно-технологических ос­нов ВТ происходил процесс совершенствования структуры ЭВМ. Первые ЭВМ использовались в основном как своеобразные «мощные арифмометры» для решения научно-технических задач со сравни­тельно небольшим числом входных и выходных данных и большим количеством вычислений. В дальнейшем появились машины, пред­назначенные для решения планово-экономических задач с большим объемом исход-ных данных и относительно несложными вычисле­ниями; ЭВМ, ориентированные на решение инже-нерных задач, характеризующиеся наличием удобных средств общения человека с машиной; ЭВМ для решения задач контроля и управления произ­водственными процессами; бортовые и аэрокос-мические ЭВМ с минимальными габаритными размерами, массой и потребляемой мощностью и т. п. В 60-е годы XX ст. освоен выпуск машин с пере­менным составом оборудования, имеющих не-сколько модификаций и отличающихся своими возможностями. Вслед за ними началась разработка средств ВТ, включающих оборудование, из которого можно компоновать различные ЭВМ. Смена поколений ЭВМ про­исходит через 8–10 лет. Сейчас ведется интенсивная разработка принципов построения и исследование особенностей конструктив­но-технологической реализации машин пя-того поколения.

Теоретические основы цифровой вычислительной техники были заложены исследованиями Дж. фон Неймана, К. Шеннона, А. Тью­ринга, Э. Поста, Д. Хафмена, В. И. Шестакова, М. А. Гаврилова и др.

Мировую известность получили результаты, полученные науч­ными и производственно-конструкторскими коллективами под ру­ководством В. М. Глушкова, Э. В. Евреинова, А. П. Ершова, A. М. Ларионова, С. А. Лебедева, А. А. Ляпунова, Г. И. Марчука, B. С. Михалевича, Б. Н. Наумова, И. В. Прангишвили, Г. Е. Пу­хова, М. Р. Шура-Бура и др.

Область применения средств ВТ охватывает в настоя­щее время практически все отрасли производства, науку, оборону, искусство, спорт и др. Внедрение ЭВМ в некоторые отрасли народ­ного хозяйства явилось действенным средством повышения их эф­фективности. Для других же отраслей само их существование было бы невозможным без использования ЭВМ. Являясь главной экспе­риментально-технической базой кибернетики, ВТ на практике ре­ализует прогрессивный принцип математизации и кибернетизации науки и техники. В связи с этим само понятие цифро- вой ВТ эволю­ционировало от наименования совокупности технических средств, предназначенных для механизации и автоматизации вычислений, до наименования комплексного научно-технического направления, включающего разработку и исследование принципов построения, проектирования, конструирования и производства технических средств и математического обеспечения цифровых ЭВМ.

Современная цифровая ВТ — наиболее мощное средство авто­матической обработки информации — воплощает в себе достижения многих отраслей науки и техники и является результатом роста осознанной общественной необходимости в повышении производи­тельности труда. Цифровыми ЭВМ называются ком­плексы технических средств, которые в соответствии с некоторой программой реализуют математические операции по обработке ин­формации, представ-ленной в цифровой форме.