Основные этапы истории развития вычислительной техники

Основными этапами развития вычислительной техники являются:

I. Ручной – с 50-го. тысячелетия до н. э.;

II. Механический – с середины XVII века;

III. Электромеханический – с девяностых годов XIX века;

IV. Электронный – с сороковых годов XX века.

I. Ручной этап автоматизации вычислений начался на заре человеческой цивилизации. Он базировался на использовании пальцев рук и ног. Счет с помощью группировки и перекладывания предметов явился предшественником счета на абаке – наиболее развитом счетном приборе древности. Аналогом абака на Руси являются счеты. Использование абака предполагает выполнение вычислений по разрядам, то есть наличие позиционной системы счисления. В начале XVII века шотландский математик Дж. Непер ввел логарифмы, что оказало революционное влияние на счет. Изобретенная им логарифмическая линейка успешно использовалась еще 15 лет назад, более 360 лет прослужив инженерам. Она является венцом вычислительных инструментов ручного периода автоматизации.

II. Механический этап. Развитие механики в XVII веке стало предпосылкой создания вычислительных устройств и приборов, использующих механический способ вычислений.

1623 г. – немецкий ученый В. Шиккард описывает и реализует механическую счетную машину, предназначенную для выполнения 4 арифметических операций над 6-разрядными числами.

1642 г. – Б. Паскаль построил 8-разрядную действующую модель счетной суммирующей машины. Впоследствии была создана серия из 50 таких машин, одна из которых являлась десятиразрядной. Так формировалось мнение о возможности автоматизации умственного труда.

1673 г. – немецкий математик Лейбниц создает 1-ый арифмометр, позволяющий выполнять все 4 арифметические операции.

1881 г. – организация серийного производства арифмометров. Арифмометры использовались для практических вычислений вплоть до шестидесятых годов XX века.

Английский математик Чарльз Бэббидж выдвинул идею создания программно-управляемой счетной машины, имеющей арифметическое устройство, устройство управления, ввода и печати. Первая спроектированная Бэббиджем машина, разностная машина, работала на паровом двигателе. Она заполняла таблицы логарифмов методом постоянной дифференциации и заносила результаты на металлическую пластину. Работающая модель, которую он создал в 1822 году, была шестиразрядным калькулятором, способным производить вычисления и печатать цифровые таблицы. Второй объект Бэббиджа – аналитическая машина, использующая принцип программного управления и предназначавшаяся для вычисления любого алгоритма. Проект не был реализован, но получил широкую известность и высокую оценку ученых.

Аналитическая машина состояла из следующих четырех основных частей: блок хранения исходных, промежуточных и результирующих данных (склад – память); блок обработки данных (мельница – арифметическое устройство); блок управления последовательностью вычислений (устройство управления); блок ввода исходных данных и печати результатов (устройства ввода/вывода).

Одновременно с английским ученым работала леди Ада Лавлейс. Она разработала первые программы для машины, заложила многие идеи и ввела ряд понятий и терминов, сохранившихся до настоящего времени.

III. Электромеханический этап развития ВТ явился наименее продолжительным и охватывает около 60 лет – от первого табулятора Г. Холлерита до первой ЭВМ «ENIAC»; 1887 г. – создание Г. Холлеритом в США первого счетно-аналитического комплекса, состоящего из ручного перфоратора, сортировочной машины и табулятора. Одно из наиболее известных его применений – обработка результатов переписи населения в нескольких странах, в том числе и в России. В дальнейшем фирма Холлерита стала одной из четырех фирм, положивших начало известной корпорации IBM.

Начало – 30-е годы XX века – разработка счетно-аналитических комплексов. Состоят из четырех основных устройств: перфоратор, контрольник, сортировщик и табулятор. На базе таких комплексов создаются вычислительные центры. В то же время развиваются аналоговые машины.

1930 г. – В. Буш разрабатывает дифференциальный анализатор, использованный в дальнейшем в военных целях; 1937 г. – Дж. Атанасов, К. Берри создают электронную машину АВС; 1944 г. – Г. Айкен разрабатывает и создает управляемую вычислительную машину MARK-1; 1957 г. – последний крупнейший проект релейной вычислительной техники – в СССР создана РВМ-I, которая эксплуатировалась до 1965 г.

IV. Электронный этап, начало которого связывают с созданием в США в конце 1945 г., электронной вычислительной машины ENIAC.

Поколения развития ЭВМ

В истории развития ЭВМ принято выделять несколько поколений, каждое из которых имеет свои отличительные признаки и уникальные характеристики. Главное отличие машин разных поколений состоит в элементной базе, логической архитектуре и программном обеспечении, кроме того, они различаются по быстродействию, оперативной памяти, способам ввода и вывода информации и т. д. см. табл. 1.

С каждым новым поколением ЭВМ увеличивались быстродействие и надежность их работы при уменьшении стоимости и размеров, совершенствовались устройства ввода и вывода информации. В соответствии с трактовкой компьютера – как технической модели информационной функции человека – устройства ввода приближаются к естественному для человека восприятию информации (зрительному, звуковому) и, следовательно, операция по ее вводу в компьютер становится все более удобной для человека.

Таблица 2.1

Современный компьютер (ЭВМ) – это универсальное, многофункциональное, электронное автоматическое устройство для работы с информацией. Компьютеры в современном обществе взяли на себя значительную часть работ, связанных с информацией. По историческим меркам компьютерные технологии обработки информации еще молоды и находятся в самом начале своего развития. Компьютерные технологии сегодня преобразуют или вытесняют старые, докомпьютерные технологии обработки информации. Текущий этап завершится построением в индустриально развитых странах глобальных всемирных сетей для хранения и обмена информацией.

ЭВМ пятого поколения должны удовлетворять следующим качественно новым функциональным требованиям:

1) обеспечивать простоту применения ЭВМ путем эффективных систем ввода/вывода информации, диалоговой обработки информации с использованием естественных языков, возможности обучаемости, ассоциативных построений и логических выводов (интеллектуализация ЭВМ);

2) упростить процесс создания программных средств путем автоматизации синтеза программ по спецификациям исходных требований на естественных языках;

3) улучшить основные характеристики и эксплуатационные качества ЭВМ, обеспечить их разнообразие и высокую адаптируемость к приложениям.

2.5. Понятие и обобщенная структура архитектуры вычислительной техники. Принципы работы вычислительной техники
как формального исполнителя алгоритмов (программ)

Работа компьютера имитирует (моделирует) информационную деятельность сотрудника УИС. Но компьютер – техническое устройство, поэтому для того, чтобы он выполнил определенные действия, им нужно управлять. Компьютер действует как автоматический формальный исполнитель алгоритмов обработки информации.

Идея структуры электронной вычислительной машины (ЭВМ), была предложена американским математиком Джоном фон Нейманом (1903 – 1957). Идея оказалась настолько удачной, что она практически не изменилась на протяжении последних нескольких поколений компьютерной, микрокомпьютерной техники и остается основой для построения современных компьютеров.

На приведенной схеме структуры вычислительной машины присутствуют следующие блоки:

Арифметико-логическое устройство (АЛУ)выполняет разнообразные арифметические: сложение, вычитание, умножение, деление; и логические действия: сравнение чисел, формирование признаков для выбора одной из ветвей обработки информации и др. Набор операций, производимых АЛУ над двоичными числами, различен для разных компьютеров и определяется особенностями конструкции, а также сферой использования конкретного типа машины.

Одной из основных характеристик любого вычислительного устройства является быстродействие, или производительность, которая обычно измеряется средним числом элементарных операций, выполняемых АЛУ в секунду.

Запоминающие устройства (ЗУ) – это совокупность устройств, в которых хранится различная информация, программы и данные. Память компьютера разделяется на внутреннюю и внешнюю.

Внутренняя память(внутренние запоминающие устройства)–это устройства, в которых хранится информация (данные и программа их обработки). Та очень быстродействующая часть внутренней памяти, с которой работает АЛУ, называется оперативным запоминающим устройством(ОЗУ).В процессе обработки информации происходит постоянное считывание данных из ОЗУ в АЛУ и обратная операция – запись данных. Другой частью внутренней памяти является постоянное запоминающее устройство(ПЗУ).В ПЗУ хранятся данные о конфигурации (составе оборудования) компьютера, а также программы, с помощью которых происходит запуск компьютера при включении питания.

Следует отметить, что память компьютера должна обладать двумя противоречивыми характеристиками: высокой скоростью чтения/записи информации и большой емкостью. Размещение в компьютере большого по объему ОЗУ обходится очень дорого. Для компенсации этих двух недостатков в состав компьютера включается внешняя память.

Внешняя память (Внешние запоминающие устройства, ВЗУ)– это устройства позволяющие хранить информацию сколь угодно долго при использовании машинных носителей информации. Важной отличительной особенностью является их объем во много раз превосходящий ОЗУ, в пересчете на хранимые единицы информации – в тысячи раз дешевле, но работает в тысячи раз медленнее ОЗУ.

Устройство управления(УУ) управляет последовательным выполнением программы обработки данных, записанной в ОЗУ, координирует действия всех узлов машины. При этом УУ не только рассылает приказы, но и получает информацию о результатах их выполнения. Это самое сложное и дорогое устройство компьютера. Совокупность УУ и АЛУ в современных компьютерах называют процессором (центральным процессором).

Устройства ввода (Уввода)служат для ввода внешней информации, поступающей в оперативную память. Эта информация подготовлена для ввода вне компьютера (программы и исходные данные).

Устройства вывода (Увывода)позволяют представить результаты работы компьютера в форме, пригодной для ее дальнейшего использования: в виде текстов, таблиц, графиков, изображений на экране дисплея.

Автоматизм в работе вычислительной техники означает, что некоторые свои действия она выполняет без вмешательства человека в соответствии со следующими общими принципами:

1) двоичное кодирование информации;

2) программное управление работой (идея Чарльза Бэббиджа);

Вычислительная техника может производить лишь небольшое число элементарных операций, поэтому любую задачу обработки информации нужно сводить к последовательному их выполнению. Каждая операция осуществляется под воздействием управляющего сигнала – команды, которая представляет собой информацию об операции, которую требуется выполнить, представленную в специальной форме. Она определяет действия машины в течение некоторого времени. Этот принцип реализуется в том, что компьютер работает автоматически, без участия человека, по программе.

Компьютерная программа – это закодированная информация о действиях, которые предписывается выполнить компьютеру, алгоритм для исполнения компьютером, записанный или на языке машинных двоичных кодов, или на специальном языке программирования.

3) хранимая программа (по предложению американского математика Джона фон Неймана (1903–1957)) наряду с данными каждая команда программы работы компьютера, кодируемая определенной последовательностью из нулей и единиц, помещается как число в одной из ячеек оперативной памяти, то есть:

– команды и числа однотипны по форме представления в машине (записаны в двоичном коде);

– числа размещаются в том же запоминающем устройстве, что и программа;

– благодаря числовой форме записи команд программы машина может производить операции над ними в цифровой форме.

Таким образом, функционирование структуры вычислительной машины, приведенной на рисунке, основано на принципе программного управления и хранимой в памяти программы, куда она предварительно вводится с Уввода. Команды выбираются из ОЗУ последовательно одна за другой под действием управляющих сигналов УУ, анализируются и выполняются в АЛУ, а результаты обработки данных направляются обратно в ОЗУ. Всем этим процессом управляет УУ. По необходимости информация может сохраняться во внешней памяти и/или выводиться посредством Увывода.