Основные этапы развития средств вычислительной техники.

Хронологическая шкала этапов:

Основные устройства и приспособления ручного этапа:

• Подручные средства счета и отображения данных: палочки, узелки, бусинки, ракушки, камни, насечки и др.
• Абак − первое устройство для поразрядного счета. Появилось более 3-х тысяч лет назад в Средиземноморье. Конструкция: доска (из глины, бронзы, камня, слоновой кости и проч.) с желобками (разрядами числа), в которых перемещались камешки или кости (единицы разряда). В Древнем Риме абак назывался calculi или abaculi, от первого слова произошло латинское слово calculatore − вычислять, а затем слово «калькуляция».
• В 1614 году шотландский математик Джон Непер ввел понятие логарифма и изобрел таблицы логарифмов для упрощения операций по умножению и делению чисел − эти операции заменялись операциями сложения и вычитания логарифмов чисел.

Пример:

· В 1615 году Уильям Оутред изобрел логарифмическую линейку − устройство, позволяющее находить логарифмы чисел без помощи таблиц.

Основные устройства механического этапа:

• Первая механическая машина была построена немецким ученым Вильгельмом Шиккардом (предположительно в 1623 году). Машина была реализована в единственном экземпляре и предназначалась для выполнения арифметических операций. Из-за недостаточной известности машины Шиккарда более 300 лет считалось, что первую суммирующую машину сконструировал Блез Паскаль.
• Суммирующая машина Паскаля − изобретена в 1642 году, выполняла сложение чисел. Изобретатель − Блез Паскаль (французский математик, физик, религиозный философ и писатель).
• Счетное устройство Лейбница − немецкий ученый-математик Готфрид Лейбниц расширил возможности машины Паскаля, добавив операции умножения, деления и извлечения квадратного корня. Специально для своей машины Лейбниц применил двоичную систему счисления, содержащую две цифры: 0 и 1. В последствии устройство Лейбница было усовершенствовано и использовалось вплоть до XX века в виде арифмометров.
• Аналитическая машина Бэббиджа. В 1834 году англичанин Чарльз Бэббидж разработал проект автоматической вычислительной машины. Он выделял в своей машине следующие составные части:

− «склад» для хранения чисел (по современной терминологии − память);

− «мельницу» для производства арифметических действий (арифметическое устройство в составе процессора);

− устройство, управляющее последовательностью выполнения операций (устройство управления);

− устройства ввода-вывода данных.

В качестве источника энергии для приведения в действие механизмов машины Бэббидж предполагал использовать паровой двигатель. Для автоматизации вычислений Бэббидж предложил управлять машиной с помощью перфорированных карт, содержащих коды команд (перфокарты впервые были использованы в управлении ткацкими станками Жозеф-Мари Жаккардом, в 1804 году). Первые программы для машины Бэббиджа создавала его помощница Ада Лавлейс (урожденная Байрон). Она разработала основные принципы программирования, которые остаются актуальными до настоящего времени (например, термин «цикл»). В 1980 году в честь нее был назван новый язык программирования − Аda.

Проект Бэббиджа не был реализован, т.к. опережал технические возможности своего времени.

· Теоретические основы современных цифровых вычислительных машин заложил английский математик Джордж Буль (1815−1864). Занимаясь исследованием законов мышления, он применил в логике систему формальных обозначений и правил, близкую к математической. Впоследствии эту систему назвали логической алгеброй или булевой алгеброй. Основное назначение системы, по замыслу Буля, состояло в том, чтобы кодировать логические высказывания и сводить структуры логических умозаключений к простым выражениям, близким по форме к математическим формулам. Результатом формального расчета логического выражения является одно из двух логических значений: истина (1) или ложь (0). Не вся система Дж. Буля была впоследствии использована при создании ЭВМ, но четыре основные операции: И (пересечение), ИЛИ (объединение), НЕ (обращение) и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ − лежат в основе работы всех видов процессоров современных ЭВМ.

Основные устройства электромеханического этапа:

• В 1888 году Герман Холлерит сконструировал первую электромеханическую машину для сортировки и подсчета перфокарт. Эта машина, названная табулятором, содержала реле, счетчики, сортировочный ящик. Изобретение Холлерита было использовано при подведении итогов переписи населения в США. Успех применения табулятора был феноменален. До этого итоги переписи 1880 года обрабатывались 500 сотрудниками в течение 7 лет. Холлерит сделал обработку итогов переписи 1890 года с 43 помощниками на 43 табуляторах за 6 недель. В 1896 году Холлерит основал фирму по производству табуляторов. Спустя несколько лет (в 1924 г.) это предприятие переименовали в известнейшую теперь фирму International Business Machine Corporation (IBM).
• Релейные машины Цузе. Немецкий инженер Конрад Цузе был первым, кто успешно осуществил идею создания автоматизированной электромеханической вычислительной машины на основе двоичной системы счисления. Серия машин Цузе: Z 1 (1938 г.), Z 2, Z 3 (1941 г.). Действующая модель Z 3 содержала 600 реле счетного устройства и 2000 реле памяти; могла выполнять 8 команд, в том числе сложения, вычитания, умножения и деления чисел, извлечения квадратного корня; программа для машины набивалась на перфоленты.
• Релейные машины Говарда Айкена. В 1944 году профессор Гарвардского университета Говард Айкен при участии группы инженеров фирмы IBM, разработал автоматическую вычислительную машину Mark 1. Машина была построена на реле и содержала около 75 тысяч компонентов.

Технические и научные предпосылки электронного этапа:

− 1897 год − открыт электрон;

− 1904 год − изобретен диод;

− 1906 год − изобретен триод;

− 1907 год − получен патент на электронно-лучевую трубку;

− 1918/1919 год − изобретен ламповый триггер;

− 1936 год − Алан Тьюринг (Англия) и Э.Пост (США) разработали концепцию абстрактной вычислительной машины и обосновали возможность решения любой задачи при условии ее алгоритмизации;

− 1937 год − Дж. Атанасов (США) сформулировал принципы строения и работы автоматической вычислительной машины на электронных лампах; им были созданы и запатентованы первые электронные схемы отдельных узлов ЭВМ.

Основные устройства электронного этапа:

• В 1943 году в Англии была разработана автоматическая вычислительная машина на электронных лампах Colossus; предназначалась для дешифровки перехваченных сообщений военного противника.
• Первая действующая ЭВМ (названа ENIAC) была построена в 1945 году и рассекречена в 1946. Заказчик − Баллистическая исследовательская лаборатория Армии США. Инженеры Джон Маучли (консультант) и Проспер Эккерт (конструктор) заимствовали основные идеи у Атанасова. Машина была огромной: 6×4×30 метров; вес − более 30 тонн; содержала 18 тыс. электронных ламп, 1500 реле, потребляла мощность более 150 кВт. Основным недостатком машины ENIAC являлось то, что программа не хранилась в памяти машины. Машина программировалась путем соединения проводами соответствующих гнезд на коммутационной панели, что делало составление программ очень медленным (до нескольких дней) и утомительным делом.
• Американский ученый Джон фон Нейман был привлечен в 1944 году в качестве научного консультанта к проекту EDVAC, разрабатываемому в США параллельно с проектом ENIAC. В 1945 году им был опубликован 101-страничный отчет «Предварительный доклад о машине EDVAC», в котором было изложено описание концепции и конструкции ЭВМ EDVAC. Основные положения концепции Д. фон Неймана используются до настоящего времени.

Функциональная схема фон-неймановской вычислительной машины (классической ВМ)

АЛУ (арифметико-логическое устройство) – блок, выполняющий арифметические и логические операции;

УУ (устройство управления) – блок, выполняющий функции управления всеми устройствами ВМ;

ЗУ (запоминающее устройство) – блок, реализующий функции памяти;

Устройства ввода-вывода – блоки, обеспечивающие ввод-вывод информации.

Указанные функциональные блоки могут иметь различную конструктивную реализацию.

Принципы фон Неймана:

1) Принцип двоичного кодирования: вся информация (и данные, и программа их обработки) кодируется в двоичной форме и представляет собой совокупность многоразрядных двоичных чисел.

2) Принцип программного управления: вычислительная машина управляется программой, состоящей из отдельных команд. Каждая команда определяет один акт преобразования данных.

3) Принцип хранимой программы: данные и программа их обработки хранятся в одной памяти.

4) Принцип адресности данных: в программе указываются не сами данные, а адреса ячеек памяти, где хранятся данные. Доступ к данным осуществляется по их адресам.

5) Принцип автоматизма: после ввода программы и данных вычислительная машина работает автоматически, выполняя предписанные действия без вмешательства человека. Для этого в каждой команде есть указание на адрес следующей команды. Указание может быть: неявным, безусловным или условным.

• Английская ЭВМ EDSAC, простроенная в 1949 году, была первой ЭВМ с хранимой программой. Считается, что именно с этого проекта и начинается 1-е поколение ЭВМ.