Главная страница / 7. Основные этапы развития вычислительно...: 7.1. Основные этапы разви...
7.1. Основные этапы развития вычислительной техники
| ← 6.5. Контрольные вопросы и задания | 7.2. Архитектура ЭВМ → |
История науки и есть сама наука.
И. Гёте
Основные хронологические этапы развития вычислительной техники представлены в табл. 7.1.
Таблица 7.1. Основные этапы развития вычислительной техники
| № пп | Этап | Период развития |
|---|---|---|
| 1 | Ручной | Не установлен |
| 2 | Механический | С середины XVII в. |
| 3 | Электромеханический | С 90-х гг. XIX в. |
| 4 | Электронный | С 40-х гг. XX в. |
Рассмотрим основные моменты каждого из этапов.
Более трех тысяч лет назад в Средиземноморье было распространено простейшее приспособление для счета: доска, разделенная на полосы, где перемещались камешки или кости. Такая счетная дощечка называлась абак и использовалась для ручного счета. В Древнем Риме абак назывался calculi или abaculi и изготавливался из бронзы, камня, слоновой кости и цветного стекла. Слово calculus означает «галька», «голыш». От этого слова произошло латинское слово calculatore (вычислять), а затем слово «калькуляция». Абак позволял лишь запоминать результат, а все арифметические действия должен был выполнять человек.
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.
Блез Паскаль (французский математик, физик, религиозный философ и писатель) в 1642 году изобрел механическую счетную машину, выполнявшую сложение, а в 1674 году Готфрид Лейбниц расширил возможности машины Паскаля, добавив операции умножения, деления и извлечения квадратного корня. Специально для своей машины Лейбниц применил систему счисления, использующую вместо привычных для человека десяти цифр две: 1 и 0. Двоичная система счислений широко используется в современных ЭВМ.
Ни одна из этих машин не была автоматической и требовала непрерывного вмешательства человека. В 1834 году Чарлз Бэббидж (Charles Babbage) первым разработал подробный проект автоматической вычислительной машины. Он так и не построил свою машину — в то время невозможно было достичь требуемой точности изготовления ее узлов.
Ч. Бэббидж выделял в своей машине следующие составные части:
- «склад» для хранения чисел (по современной терминологии — память);
- «мельницу» для производства арифметических действий (арифметическое устройство, процессор);
- устройство, управляющее последовательностью выполнения операций (устройство управления);
- устройства ввода и вывода данных.
В качестве источника энергии для приведения в действие механизмов машины Ч. Бэббидж предполагал использовать паровой двигатель.
Ч. Бэббидж предложил управлять своей машиной с помощью перфорированных карт, содержащих коды команд, подобно тому как использовались перфокарты в ткацких станках Жаккара. На этих картах было представлено то, что сегодня мы назвали бы программой.
Ч. Бэббидж довольно подробно рассматривал вопросы, связанные, как мы сейчас говорим, с программированием. В частности, им была разработана весьма важная для программирования идея «условной передачи управления». Идеи Бэббиджа заложили фундамент, на котором со временем были построены ЭВМ.
Первые программы для вычислительной машины Бэббиджа создавала Ада Лавлейс (Ada Lovelace) — дочь известного поэта Джорджа Байрона, в честь которой впоследствии был назван один из языков программирования. Выражаясь современным языком, А. Лавлейс составила программу вычисления чисел Бернулли, разработала основные принципы программирования, которые остаются актуальными до настоящего момента времени. 
Ряд терминов, введенных А. Лавлейс, используются и сейчас, например «цикл», «рабочие ячейки».
Теоретические основы современных цифровых вычислительных машин заложил английский математик Джордж Буль (1815—1864). Он разработал алгебру логики, ввел в обиход логические операторы И, ИЛИ и НЕ. (Заметим, что его дочь Э. Войнич — автор известного произведения «Овод».)
В 1888 году Германом Холлеритом (Herman Hollerith) была сконструирована первая электромеханическая машина 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 вычислительных машин с перфокартами был феноменален. То, чем за десять лет до этого занимались 500 сотрудников в течение 7 лет, Г. Холлерит сделал с 43 помощниками на 43 вычислительных машинах за 4 недели.
В 1896 году Г. Холлерит основал фирму Computing Tabulation Company. Спустя несколько лет это предприятие переименовали в известнейшую теперь фирму International Business Machine Corporation (IBM).
Немецкий инженер Конрад Цузе (Konrad Zuse) был первым, кто успешно осуществил идею создания автоматической электромеханической вычислительной машины на основе двоичной системы счисления. В 1936 году он начал конструировать вычислительный аппарат, работающий в двоичной системе счисления, который впоследствии был назван Zuse 1 (Z1).
В 1941 году Цузе сумел построить действующую модель Zuse 3, которая состояла из 600 реле счетного устройства и 2000 реле устройства памяти.
В 1944 году(по другим источникам, в 1943 году) в Англии было разработано полностью автоматическое вычислительное устройство Colossus II. Основным его назначением была дешифровка перехваченных сообщений военного противника.
В том же году была построена еще одна полностью автоматическая вычислительная машина, изобретенная профессором Гарвардского университета Говардом Айкеном (Aiken Howard, 1900—1973) при участии группы инженеров фирмы IBM. Она была названа ASCC (другое название Mark 1) и была электромеханической (построена на реле), состоящей приблизительно из 750 тыс. компонентов. На умножение она тратила около 4 с. До знакомства с работами Цузе научная общественность считала машину ASCC первой электромеханической машиной.
В 1937 году в США Джордж Атанасов начал работы по созданию электронной вычислительной машины. Им были созданы и запатентованы первые электронные схемы отдельных узлов ЭВМ. Совместно с Клиффордом Берри к 1942 году была построена электронная машина ABC (Atanasoff-Berry Computer).
Электронная вычислительная машина, разработанная Преспером Эккертом и Джоном Маучли (John W. Mauchly и J. Presper Eckert, Jr.) в США в 1946 году, была названа ENIAC. При создании этой машины Эккерт и Маучли заимствовали основные идеи у Дж. Атанасова. ENIAC была примерно в 1000 раз быстрее, чем ASCC. Она состояла из 18 тыс. электронных ламп, 1500 реле, имела вес более 30 т., потребляла мощность более 150 кВт.
Фотография позволяет наглядно оценить прогресс вычислительной техники. Несколько человек находятся внутри ENIAC — современные ЭВМ уже можно разместить внутри человека.
Первоначально ENIAC программировалась путем соединения проводами соответствующих гнезд на коммутационной панели, что делало составление программы очень медленным и утомительным занятием. Американский математик и физик венгерского происхождения Джон фон Нейман (1903—1957) предложил хранить программу — последовательность команд управления ЭВМ — в памяти машины, что позволяло оперировать с программой так же, как с данными. Последующие ЭВМ строились с большим объемом памяти, с учетом того, что там будет храниться программа.
В докладе Дж. фон Неймана, посвященном описанию ЭВМ, выделено пять базовых элементов компьютера:
- арифметико-логическое устройство (АЛУ);
- устройство управления (УУ);
- запоминающее устройство (ЗУ);
- система ввода информации;
- система вывода информации.
Описанную структуру ЭВМ принято называть архитектурой фон Неймана.
ЭВМ первого поколения в качестве элементной базы использовали электронные лампы и реле.
Изобретение в 1948 году транзисторов и запоминающих устройств на магнитных сердечниках оказало глубокое воздействие на вычислительную технику. Ненадежные вакуумные лампы, которые требовали большой мощности для нагревания катода, заменялись небольшими германиевыми (впоследствии кремниевыми) транзисторами. Компьютеры, построенные в середине 50-х годов ХХ века, стали называть машинами второго поколения.
Революционный прорыв в миниатюризации и повышении надежности компьютеров произошел в 1958 году, когда американский инженер Д. Килби (Jack Kilby) разработал первую интегральную микросхему. В середине 1960-х годов появилось третье поколение ЭВМ, основу элементной базы которых составляли микросхемы малой и средней степени интеграции.
Другая революция в технологии изготовления ЭВМ произошла в 1971 году, когда американский инженер Маршиан Эдвард Хофф (Marcian E. Hoff) объединил основные элементы компьютера в один небольшой кремниевый чип (кристалл), который он назвал микропроцессором. Первый микропроцессор получил маркировку Intel 4004.
ЭВМ четвертого поколения строятся на интегральных микросхемах с большой степенью интеграции. На одном кристалле размещается целая микроЭВМ. Заметим, что переход от третьего поколения ЭВМ к четвертому не был революционным. Отличия коснулись не столько принципов построения ЭВМ, сколько плотности упаковки элементов в микросхемах.
Развитие ЭВМ идет по пути непрерывного повышения быстродействия, надежности, расширения функциональных возможностей, уменьшения габаритов и потребляемой мощности, упрощения правил работы на компьютере. Среди ЭВМ четвертого поколения появились персональные компьютеры (ПК или ПЭВМ), которые позволяют индивидуально работать каждому пользователю.
Первой ПЭВМ можно считать компьютер Altair-8800, созданный в 1974 году Э. Робертсом. Для этого компьютера П. Аллен и Б. Гейтс в 1975 г. создали транслятор с популярного языка Basic. Впоследствии Пол Аллен и Билл Гейтс создали известную компанию Microsoft.
В 1976 году Стивен П. Джобс и Стефан Г. Возниак основали в гараже Пало-Альто (Калифорния) предприятие Apple Computer. После 6 месяцев работы Возниаку удалось собрать действующий макет под названием Apple 1. Сейчас компания с таким названием хорошо известна многим пользователям ЭВМ.
В настоящее время ведется разработка ЭВМ пятого поколения, характерными особенностями которых будут способность к самообучению и наличие речевого ввода и вывода информации.
Таким образом, вычислительная техника постоянно впитывала в себя самые последние достижения науки, техники и технологии (электронные лампы, транзисторы, микроэлектроника, лазеры, средства связи), благодаря чему ее развитие идет необычайно высокими темпами.
В ХХI веке, когда на смену электронным приборам придут квантовые, оптические или биоэлектронные приборы, современные нам ЭВМ будут казаться будущим пользователям такими же монстрами, какими нам кажутся вычислительные машины 40-х годов ХХ в.
| ← 6.5. Контрольные вопросы и задания | 7.2. Архитектура ЭВМ → |