Первые инструкции для вычислительного устройства были написаны

1.1. Периоды создания и развития вычислительной техники

1.1.1. Домеханический период

1.1.2. Механический период

1.1.3. Электрический период

1.1.4. Электронный период

1.2. Поколения ЭВМ

1.2.1. Первое поколение

1.2.2. Второе поколение

1.2.3. Третье поколение

1.2.4. Четвертое поколение. Персональные компьютеры

1.2.5. Пятое поколение

1.1. Периоды создания и развития вычислительной техники

В истории развития вычислительных машин различают домеханический, механический, электрический и электронный периоды. Рассмотрим каждый из них подробнее.

1.1.1. Домеханический период

Простым и эффективным приспособлением для счета, известным уже в V−IV вв. до н.э. в Греции и Западной Европе, был так называемый абак, представляющий собой пластину, выполненную из различных материалов, покрытую слоем пыли. На ней острой палочкой проводили линии и в получившихся колонках по позиционному принципу размещали какие–нибудь предметы, например, камешки или палочки. В Древнем Риме абак представлял собой пластину, имеющую полосковые углубления, в которых располагались счетные кости или шарики. Вычисления производились путем перекладывания в определенном порядке камешков, костей и т.п. Китайцы на аналогичном приспособлении (суан–пан) в XII−XIII вв. научились выполнять такие сложные математические операции, как извлечение корня квадратного и корня кубического. С его помощью они решали линейные уравнения и считали, что таким образом можно выполнить любую математическую операцию. Они же пришли к выводу, что для выполнения операций необходимы определенные правила — алгоритмы. От абака на рубеже XVI−XVII вв. произошли и русские счеты, которыми пользовались чуть не до конца XX века.

Великим творцом эпохи Возрождения Леонардо да Винчи (1452−1519 гг.) был разработан эскиз тринадцатиразрядного суммирующего устройства с десятизубыми колесами. Позднее по этому эскизу фирма IBM в целях рекламы построила работоспособную машину.

Знаменательным событием в области усовершенствования инструментального счета было изобретение логарифмов. В 1614 г. шотландский математик Джон Непер (1550−1617 гг.) опубликовал трактат «Описание удивительных таблиц логарифмов» — первое руководство по вычислениям с помощью логарифмов. Изобретение логарифмов позволило существенно упростить выполнение операций умножения и деления, которые были сведены к более простым арифметическим операциям сложения и вычитания. Непер изобрел также палочки для счета, которые впоследствии получили название палочек Непера. Палочки Непера, как и сам метод, быстро получили распространение в Европе и были одно время даже более популярны, чем логарифмы.

Открытие логарифмов послужило основой для создания логарифмической линейки, появление прототипа которой относят к началу XVII века. Первые логарифмические линейки были изобретены в Англии. Почти 3,5 столетия логарифмическая линейка господствовала среди всех счетных средств.

1.1.2. Механический период

Биографии механических вычислительных машин ведутся от машины восемнадцатилетнего французского математика и физика Блеза Паскаля (1623–1662 гг.). Первую модель вычислительной машины, которая получила распространение и могла выполнять арифметические операции сложения и вычитания, он создал в 1642 г. В 1645 г. арифметическая машина «Паскалина», или «Паскалево колесо», получает законченный вид. До настоящего времени сохранилось восемь его машин. Одна из них находится в Музее искусств и ремесел в Париже, где собрана полная коллекция математических инструментов (в том числе и модель арифмометра русского ученого П.Л. Чебышева).

Первая счетная машина, которая механически производила сложение, вычитание, умножение и деление была изобретена в 1670 г. немецким математиком, физиком, философом и изобретателем Готфридом Вильгельмом Лейбницем (1646–1716 гг.). Машина получила название арифмометр, ее окончательный вариант был завершен в 1710 г. Но машина была еще несовершенна, а потому не получила широкого распространения. Однако арифмометр Лейбница содержал уже почти все принципы работы позднейших механических арифмометров.

В XIX веке были сделаны открытия в области физики, станкостроения и автоматизации производства, которые положили начало интенсивному развитию вычислительной техники. В 1801–1804 гг. французский изобретатель Ж.М. Жаккар впервые использовал перфокарты для управления автоматическим ткацким станком.

Самым значительным событием XIX века в области создания вычислительной техники стал проект разностной машины английского математика Чарльза Бэббиджа (1791–1871 гг.), впервые в истории высказавшего идею создания вычислительных машин с программным управлением. Работать над машиной Ч. Бэббидж начал в 1812 г., к 1822 г. он построил действующую разностную машину и рассчитал на ней таблицу квадратов. Но более совершенную машину изготовить не удалось, поскольку в то время развитие техники и производство точных механизмов находились на недостаточно высоком уровне.

Совершенствуя разностную машину, ученый увидел возможность создания нового устройства, способного выполнять сложные вычислительные алгоритмы. В 1833 г. он приступил к работе над машиной, которую назвал аналитической. Она должна была отличаться большей скоростью и иметь более простую конструкцию, чем разностная машина.

Аналитическая машина состояла из трех основных блоков: устройства для хранения чисел и системы, которая передает эти числа от одного узла машины к другому (склад); устройства, позволяющего выполнять арифметические операции (фабрика); устройства для управления последовательностью действий машины. В конструкцию аналитической машины входило также устройство для ввода исходных данных и печати полученных результатов, т. е. ввод–вывод. Предполагалось, что машина будет действовать по программе, которая задавала бы последовательность операций и последовательность передач чисел со склада на фабрику и обратно.

С 1841 г. занялась изучением аналитической машины Ч. Бэббиджа Ада Августа Байрон (1815–1852 гг.), по мужу Лавлейс. О машине Ч. Бэббиджа Ада Лавлейс писала, что «аналитическая машина вышивает алгебраические узоры так же, как станок Жаккара вышивает цветочки и листочки». А. Лавлейс разработала первые программы для аналитической машины, заложив тем самым теоретические основы программирования. Она впервые ввела понятие цикла операции. Ей принадлежат некоторые термины, употребляемые программистами и сейчас, например, рабочие ячейки. В единственном своем труде — в «Комментариях» она высказала очень важную мысль о том, что аналитическая машина может решать такие задачи, которые из–за трудности вычислений практически невозможно решить вручную. Так впервые машина была рассмотрена не только как механизм, заменяющий человека, но и как устройство, способное выполнить работу, превышающую возможности человека. В наши дни А. А. Лавлейс по праву называют самым первым программистом в мире.

Ч. Бэббиджу так и не удалось реализовать свой проект по созданию универсальной вычислительной машины: cлишком сложной оказалась задача ее построения на основе средств той эпохи — штифтов, рычагов, зубчатых колес, объединенных сложнейшими кинематическими связями. Задолго до появления электронных вычислительных машин он заложил их теоретические основы, разработал принципы их построения, их главные узлы, предсказал пути развития вычислительной техники.

В XIX веке создаются счетные устройства и машины в России. В 1828 г. генерал–майор русской армии Ф.М. Слободской создает счетные приборы, которые вместе со специальными таблицами позволяли сводить арифметические действия к сложению и вычитанию. В 1845 г. З.Я. Слонимский получает патент на счетный прибор — суммирующую машину «Снаряд для сложения и вычитания». В 1867 г. российский ученый В.Я. Буняковский создает счетный механизм, основанный на принципе действий русских счетов. Русские ученые и инженеры внесли значительную лепту и в разработку конструкции арифмометров. Крупнейший русский математик и механик П.Л. Чебышев создает в 1878 г. оригинальный арифмометр с непрерывной передачей десятков. Этот аппарат выполнял суммирование и вычитание. В 1881 г. он изобрел приставку к своему прибору для умножения и деления. В 1880 г. петербургский инженер В.Т. Однер создает в России арифмометр с зубчаткой с переменным числом зубцов, а в 1890 г. налаживает массовый выпуск усовершенствованных арифмометров, нашедших применение во всем мире. Данные в арифмометр вводились вручную, а привод осуществлялся вращением рукоятки. Простота работы с арифмометрами и достаточная надежность сделали их популярными. Их модификация «Феликс» выпускалась в СССР до 50–х годов XX века. До 70–х гг. XX века выпускались электромеханические арифмометры (так называемые клавишные машины), отличавшиеся от своих предков тем, что их не требовалось вращать вручную. Все они были снабжены электроприводами и работали автоматически, делая нужное число оборотов и передвигая каретку без участия оператора.

В XIX столетии рост промышленности и транспорта и расширение коммерческой деятельности банков сделали построение быстродействующих счетных машин актуальной задачей. Но по–настоящему удачная конструкция многоразрядной клавишной суммирующей машины была предложена лишь в 1885 г. в США. Это сделал механик Дорр Э. Фелт (Фельт), назвавший свою машину комптометром. Практически одновременно с ним начинает работу над бухгалтерской машинойУильям С. Бэрроуз. В конце 1885 г. ему удалось создать машину, которая печатала вводимые числа, суммировала их и затем печатала результат. В 1886 г. У.С. Бэрроуз создает первую в мире фирму по производству счетных машин.

Важный шаг на пути автоматизации вычислений был сделан американцем Г. Холлеритом (1860–1929 гг.), который изобрел электромеханические машины для вычислений с помощью перфокарт, получившие название счетно–аналитических машин. Работая с 1882 г. в Массачусетском технологическом институте и затем в Бюро патентов США, он начал разрабатывать машины для механизации обработки данных переписи. В 1888 г. он создает особое устройство — табулятор, в котором обрабатывается информация, нанесенная на перфокарты. Перфокарты на специальной машине могли сортироваться по выбранному признаку, числа, пробитые в перфокартах, могли суммироваться, а сумма — пробиваться в перфокарте или печататься. В 1884–1889 гг. он оформил ряд патентов на устройства для статистической обработки информации. Система Г. Холлерита включала перфокарту, перфоратор, сортировальную машину и табулятор. В 1896 г. Г. Холлерит основал фирму по выпуску перфокарт и счетно–перфорационных машин (СПМ). В дальнейшем она была преобразована в известную фирму–производитель вычислительной техники — IBM. Развитие СПМ шло до 50–х годов. С появлением электронной техники возникли комбинированные системы, в которых вычислительные функции были расширены за счет введения в комплект машин электронных вычислителей, а носителем информации по–прежнему оставалась перфокарта. Такие гибридные машины выпускались как за рубежом, так и в нашей стране: IBM–604 (США), ЭВ–80, «Рута», М–5000 (СССР). В 1892 г. У. Барроуз выпускает первый коммерческий сумматор.

В 1904 г. известный русский математик, академик А.Н. Крылов предложил конструкцию машины для решения обыкновенных дифференциальных уравнений, которая была построена в 1912 г. В своих «Лекциях о приближенных вычислениях» он углубил теорию и привел описание различных механических систем для вычисления интегралов, гармонического анализа. Академик А.Н. Крылов изобрел также механический интегратор, развивающий принцип планиметра — прибора для вычисления площадей.

В 1919 г. академик Н.Н. Павловский создал метод исследования при помощи аналого–математического моделирования и дал ему полное теоретическое обоснование. Он же успешно применил новое средство вычислительной техники — аналоговую вычислительную машину (АВМ), которая была создана для реализации разработанного метода. Этот метод успешно развивался и действовал до 60–х гг., когда он был заменен цифровым моделированием на ЭВМ. Таким образом, развитие аналоговых вычислительных машин в 20–30–х гг. XX века обогнало развитие цифровой техники, так как в этот период еще не было технологической базы, необходимой для создания универсальных ЭВМ. В области цифровой техники продолжала развиваться линия арифмометров и СПМ для выполнения учетных и статистических расчетных работ.

Одной из технических предпосылок создания вычислительных машин было изобретение лампового диода и триода. В 1904 г. Дж. Флеминг (Великобритания) изобрел первый ламповый диод, а в 1906 г. Ли де Форест и Р. Либен (США) — первый триод. Но эра ЭВМ начинается с изобретения лампового триггера. В 1918 г. русский ученый М.А. Бонч–Бруевич изобрел триггер, имевший только два устойчивых положения равновесия: «открыто», «закрыто». Это изобретение имело большое значение для создания в дальнейшем современных вычислительных машин. В 1919 г. независимо от М.А. Бонч–Бруевича такой же прибор изобрели американцы У. Икклз (Экклз) и Ф. Джордан. Триггерные схемы постепенно стали широко применяться в электронике для переключения и релейной коммутации.

В 1931 г. французский инженер Р.–Л.В. Валтат выдвинул идею использования двоичной системы счисления при создании механических счетных устройств.

В начале XX века были проведены исследования в области полупроводников и сконструирована первая электронно–лучевая трубка.
В 1907 г. русский ученый Б.Л. Розинг заявил патент на использование в телевидении электроннолучевой трубки. К середине 30–х гг. XX столетия в результате разработок В.К. Зворыкина и Ф. Франсуорта в США, К. Свинтона в Великобритании, В.П. Грабовского, С.И. Катаева, А.П. Константинова, Б.Л. Розинга, П.В. Тимофеева и П.В. Шмакова в СССР появляются первые системы электронного телевидения.

В 1936 г. английский математик Алан Тьюринг (1912–1954 гг.) и независимо от него американский математик и логик Э.Л. Пост (1879–1954 гг.) выдвинули и разработали концепцию абстрактной вычислительной машины.

А. Тьюринг опубликовал в 1936 г. статью с доказательством того, что любой алгоритм может быть реализован с помощью дискретного автомата. Он предложил абстрактную схему такого автомата, получившего название машины Тьюринга и положившего начало целому направлению в теории автоматов. Машина Тьюринга — гипотетический универсальный преобразователь дискретной информации, теоретическая вычислительная система. Тьюринг и Пост показали принципиальную возможность решения автоматами любой проблемы при условии возможности ее алгоритмизации с учетом выполняемых им операций. Этими работами теоретически была доказана возможность создания универсальной цифровой вычислительной машины (ЦВМ).
Перед второй мировой войной А. Тьюринг начал разрабатывать вычислительную машину с широкими логическими возможностями.
За три года он разработал первый проект электронного мозга — автоматической вычислительной машины АСЕ — и первым подготовил ряд программ. В 1947 г. он занимается изучением проблемы обучения вычислительной машины.

В 1936 г. немецкий инженер–кибернетик К. Зюс начал работы по созданию универсальных автоматических цифровых машин с программным управлением на механических элементах. Это была последняя разработка, относящаяся к механическому периоду в истории развития вычислительных машин.

1.1.3. Электрический период

К 30–м годам XX века стала очевидной связь между релейными схемами и алгеброй логики (булевой алгеброй), основы которой заложил английский математик и логик Джордж Буль (1815–1864 гг.) в работе 1847 г. «Математический анализ логики». Идеи своей алгебры он развил в вышедшей в свет в 1854 г. работе «Исследование законов мышления». Когда появилась принципиальная возможность создания средств вычислительной техники на электрической базе, логические операции, введенные Дж. Булем, оказались весьма полезны. Они изначально ориентированы на работу только с двумя сущностями: истина и ложь. Нетрудно понять, как они пригодились для работы с двоичным кодом, который в вычислительных машинах представляется всего двумя сигналами: выключено и включено (ноль и единица). Начиная с 30–х гг. XX века появляются вычислительные машины, использующие логические схемы для электромагнитных реле и оперирующие перфокартами. Эти машины могли выполнять довольно сложные арифметические вычисления.

Первая удачная попытка построить универсальную цифровую машину была предпринята в 1937 г. в США математиком Говардом Айткеном. Эта машина получила название вычислительной машины с автоматическим управлением последовательностью операций и известна под именем «Марк–1». Над первым вариантом машины Г. Айткен работал до 1944 г., машина создавалась на базе фирмы IBM и имела программное управление, программа набиралась на коммутационных досках и переключателях. Машина была выполнена на релейных и механических элементах. Это еще не была машина с хранимой и гибко изменяющейся программой, однако она уже показала возможность построения автоматических вычислительных машин, состоящих из большого числа логических элементов. Арифметическое и запоминающее устройства были выполнены на электромеханических устройствах. Основным логическим элементом в схемах, как и в СПМ, были реле. Посравнению с СПМ машина «Марк–1» имела достаточно длинную последовательность программных кодов и хорошее для своего времени быстродействие. Но, как и всякое механическое устройство, машина не обладала тем быстродействием, которое позволило бы осуществить качественный скачок в технологии вычислений. Улучшенная конструкция на реле повышенной надежности легла в основу ЦВМ «Марк–2».

Наряду с работами Г. Айткена приблизительно в то же время велась работа других групп, в результате которой было создано еще несколько электромеханических релейных машин. Так, в 1939 г. была закончена и в 1940 г. демонстрировалась релейная машина американского математика Дж. Штибитца «Модель–Г», которая выполняла 4 арифметических действия над комплексными числами. Дальнейшая успешная разработка малых специализированных машин на тех же принципах привела к созданию в 1944–1946 гг. универсальной релейной вычислительной машины «Модель–V».

В 1937 г. американский физик Джон В. Атанасов формулирует принципы автоматической вычислительной машины на ламповых схемах для решения систем линейных уравнений. В 1939 г. он создал вместе со своим аспирантом Кл. Берри работающую настольную модель ЭВМ. Две малые ЭВМ, созданные ими в период 1937–1942 гг., были прототипами большой ЭВМ для решения систем линейных уравнений, которая была готова в декабре 1941 г. В машине Д. Атанасова были разделены блоки арифметического и оперативно–запоминающего устройств. Первое было выполнено на радиолампах, а второе — на вращающемся барабане с конденсаторами. Внешняя память была выполнена на типовом перфокарточном оборудовании. Работала машина в двоичной системе счисления. Переводы из десятичной системы в двоичную и обратно были решены схемно.

В конце 30–х гг. С.А. Лебедев (1902–1974 гг.) в Институте электротехники АН УССР приступил к конструированию ЭВМ, работающей в двоичной системе счисления. В 1941 г. работа была прервана.

В 1939 г. в США Дж. Стибниц закончил работу над релейной машиной фирмы «Белл», начатую в 1937 г. Машина выполняла арифметические операции над комплексными числами в двоично–пятеричной системе их представления. Это был релейный интерпретатор, управляемый программной перфолентой. В 1940 г. был проведен эксперимент по управлению на расстоянии вычислительной машиной «Белл–1». А в 1942 г. Дж. Стибниц сконструировал вычислительное устройство с программным управлением «Белл–2».

В 1940 г. в США под руководством Джона (Яноша) фон Неймана (1903–1957 гг.) разработан компьютер MANIAC (Mathematical Analyzer Numerical and Computer).

К первым универсальным ЦВМ с программным управлениям на электромеханических элементах относят также машины, разработанные в Германии К. Зюсом к 1941 г. — «Зюс–2» и «Зюс–3». Машина «Зюс–3» была релейной, для нее был разработан язык программирования, она использовалась при расчетах ракет.

Одной из наиболее совершенных релейных вычислительных машин была советская машина РВМ–1, сконструированная в начале 50–х гг. выдающимся инженером Н.И. Бессоновым (1906–1963 гг.) и построенная в 1956 г. Эта машина успешно работала до 1966 г.

Главными недостатками релейных машин являлось отсутствие хранимой программы, что обусловливалось небольшим объемом оперативной памяти, и невысокая скорость работы, вызванная низким быстродействием электромеханических релейных переключателей.

1.1.4. Электронный период

В начале 40–х годов XX века потребность в автоматизации вычислений стала настолько велика, что над созданием машин типа построенных К. Зюсом и Г. Айткеном одновременно работало несколько групп исследователей. В США исследования с ЭВМ продолжил Джон Моучли, который в 1941 г. детально ознакомился с проектом Дж. В. Атанасова, а в 1942 г. предложил собственный проект вычислительной машины, предназначенной для военных целей. В 1943 г. начались работы над реализацией проекта Дж. Моучли по заданию Баллистической исследовательской лаборатории Армии США. Работы велись в Пенсильванском университете под руководством Дж. Моучли и инженера–электронщика Д.П. Эккерта. Ученые начали конструировать вычислительную машину на основе электронных ламп, а не электрических реле. Их машина, названная ENIAC (ЭНИАК) — Electronic Numerical Integrator and Computer (электронный цифровой компьютер), в основном была закончена в 1944 г., её окончательный вариант был введен в строй 15 февраля 1946 г.

ЭНИАК предназначался для использования при расчетах баллистических таблиц для орудий береговой обороны США. Первым практическим применением ЭНИАК было решение задач для проекта атомной бомбы в Лос–Аламосской лаборатории в штате Нью–Мексико. В последующее время ЭНИАК использовался в Америке в основном в военных целях: для составления артиллерийских таблиц и таблиц прицельного сбрасывания бомб с самолетов.

Приблизительно одновременно с постройкой ЭНИАК создавалась ЭВМ и в Великобритании с целью дешифровки кодов, которыми пользовались вооруженные сила Германии в период второй мировой войны. Математический метод дешифровки был разработан группой математиков, в число которых входил А. Тьюринг. В начале 40–х годов А. Тьюринг совместно с Х.А. Ньюменом в Блетчи сконструировали машину «Colossus–1», которая в 1943 г. начала работать и которую можно считать первым электронным компьютером. Хотя и ЭНИАК и «Colossus–1» работали на электронных лампах, они по существу копировали электромеханические машины: новое содержание (электроника) было втиснуто в старую форму (структуру доэлектронных машин).

В 1945 г. Дж. фон Нейман разработал концепцию электронно–вычислительной машины EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer) с вводимыми в память программами и числами. Сама машина была завершена в 1950 г. Главными элементами концепции были: принцип хранимой программы и принцип параллельной организации вычислений, согласно которому операции над числом проводятся по всем его разрядам одновременно.

В 1946 г. вместе с Г. Гольдстейном и А. Берксом он написал и выпустил отчет «Предварительное обсуждение логической конструкции электронной вычислительной машины», в котором и были изложены основные принципы логической структуры ЭВМ нового типа.

Авторы всесторонне обосновывали предлагаемые принципы и давали технические проработки их реализации в новой машине. Они утверждали, что ЭВМ должна создаваться на электронной основе и работать в двоичной системе счисления. В ее состав должны входить: арифметическое устройство с представлением чисел в форме с плавающей точкой, центральное устройство управления, запоминающие устройства (в том числе оперативное запоминающее устройство для чисел и команд и связанное с ним внешнее запоминающее устройство большой емкости), устройства ввода данных и вывода результатов на печать. В системе команд должны быть команды условной и безусловной передачи управления.

Принципы Дж. фон Неймана определили на многие годы бурное развитие цифровой вычислительной техники. Более того, архитектура большинства ЭВМ с последовательным выполнением команд в программе получила название фон Неймановской архитектуры ЭВМ.

Но работа по созданию EDVAC шла медленно, и запущена машина в эксплуатацию была лишь в 1952 г. По окончании работ над EDVAC фон Нейман не оставлял идеи об использовании ЭВМ как универсального инструмента для решения сложных математических и логических задач. Уже после смерти ученого, по оставшимся после него рукописям, А. Беркс выпустил книгу «Теория самовоспроизводящих автоматов», содержание которой послужило основой для возникновения нового научного направления — теории клеточных автоматов, переросшей позже в теорию однородных структур. Эта теория лежит в основе создания ЭВМ с новой архитектурой (нейрокомпьютеров), интенсивно разрабатывающихся в настоящее время.

Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 г. английским профессором Морисом В. Уилксом. Машина называлась EDSAC (Electronic Data Storage Automatic Computer) и имела оперативную память на ртутных линиях задержки.

Машина «Джониак», построенная в 1946–1952 годах и названная так в честь фон Неймана, имела память на электроннолучевой трубке специальной конструкции.Позднее здесь был применен для запоминающего устройства магнитный барабан, впервые использованный в 1947 г. в английской вычислительной машине, созданной под руководством Э. и К. Бут. Магнитная лента была впервые использована в 1951 г. на машине UNIVAC–1, построенной Дж. Моучли и Д.П. Эккертом. Это была первая большая вычислительная машина, созданная не по специальному заказу, а для продажи.

Несмотря на то, что исследования в области электроники в нашей стране были начаты на несколько лет позже, чем в США и Великобритании, в сжатые сроки был выполнен ряд проектов цифровых ЭВМ. Первые ЭВМ в нашей стране создавались для решения сложных и трудоемких математических задач. Работы над первой ЭВМ начались в 1946 г. группой ученых под руководством академика Сергея Алексеевича Лебедева в Институте электротехники АН УССР. В 1947 г. был закончен проект малой электронной счетной машины — МЭСМ. Основные опытно–конструкторские работы, монтаж и испытания прошли в 1949–1950 гг. В октябре 1951 г. машина была введена в эксплуатацию. Это была самая быстродействующая тогда машина в Европе. С ее помощью был решен ряд важных задач, в том числе расчет устойчивости магистральной линии электропередачи Куйбышев–Москва (1951 г.). Функциональная схема машины удовлетворяла всем принципам Дж. фон Неймана.

Осенью 1952 г. вступил в строй опытный образец машины БЭСМ (большая электронно–счетная машина), созданный в Институте точной механики и вычислительной техники под руководством С.А. Лебедева. По многим параметрам БЭСМ превосходила EDVAC, в ней были осуществлены решения, вошедшие в практику вычислительной техники только через несколько лет. БЭСМ–2 имела оперативную память на электронно–акустических линиях задержки, затем — на электронно–лучевых трубках и позже — на ферритовых сердечниках. Внешнее запоминающее устройство состояло из магнитных барабанов и магнитной ленты.

В Энергетическом институте АН СССР под руководством И.С. Брука и М.А. Карцева в 1952 г. была введена в действие машина М–2 средней мощности и малая машина М–3.

Серийное производство ЭВМ в нашей стране началось в 1953 г. Под руководством Ю.Я. Базилевского и Б.И. Рамеева была разработана машина «Стрела», выпускавшаяся малой серией. В 1955 г. в Пензе начался выпуск малой ЭВМ «Урал–1», созданной также под руководством Б.И. Рамеева. В 50–е годы разработаны серийные ЭВМ: в Ереване под руководством Ф.Т. Саркисяна — «Раздан», в Минске (В.В. Пржиялковскй и др.) — ЭВМ «Минск», а в Киеве — «Киев».
В 1958 г. самой мощной в Европе была советская ЭВМ М–20, созданная усилиями коллективов С.А. Лебедева и Ю.Я. Базилевского.

С переходом к серийному производству ламповых ЭВМ с хранимой программой начинается период машин первого поколения. Здесь история развития вычислительной техники переходит в историю поколений ЭВМ.

1.2. Поколения ЭВМ

1.2.1. Первое поколение

Первое поколение ЭВМ представляло собой машины дорогие, громоздкие, использовавшиеся только в крупных научных центрах для решения задач, связанных с исследованиями в области ядерной физики, ракетной техники, космоса и метеорологии. Машины этого поколения отличались большим потреблением энергии, низкой надежностью, сравнительно малым быстродействием. Программирование на них велось в машинных кодах. Эти машины создавались и производились с начала и до конца 50–х гг. XX века.

В эти годы появился ряд технологических, структурных и программных нововведений. В технологии наблюдались миниатюризация электронных ламп, улучшение их характеристик и постепенный переход к твердотельным элементам. Этот процесс начался заменой ламповых диодов полупроводниковыми и завершился заменой ламповых триодов транзисторами. Первые серийные универсальные ЭВМ, выполненные на транзисторах, выпущены в 1958 г. в США, Японии и ФРГ, в 1959 г. — в Великобритании, в 1960 г. — во Франции и в 1961 г. — в СССР («Раздан–2», главный конструктор Е.Я. Брусиловский). В системе запоминающих устройств важнейшим изобретением стало создание оперативной памяти на ферритовых сердечниках и долговременной памяти на магнитных дисках. В 1951 г. Дж. Рабинов (США) построил прототип дискового запоминающего устройства. В 1957 г. начался серийный выпуск машин с памятью на дисках.

В организации вычислительного процесса крупнейшим нововведением было совмещение во времени вычислений и ввода–вывода информации. Впервые это новшество применили в серийных моделях высокого класса, разработанных в США (IBM–704 (1956 г.) и IBM–709 (1958 г.)) и в СССР (М–20 (1958 г.)). В программировании к числу важнейших относятся разработки методов программирования в символических обозначениях и появление алгоритмических языков. В СССР в 1952–1953 гг. А.А. Ляпунов разработал операторный метод программирования, а в 1953–54 гг. Л.В. Канторович — концепцию крупноблочного программирования.

Таким образом, с первым поколением ЭВМ связаны разработки основ программирования, достижение сравнительно емкой и быстрой памяти, переход к ЭВМ на стандартных и специализированных блоках, разработка устройств ввода–вывода (УВВ) информации на перфокартах и перфолентах. Применение машин первого поколения дало возможность накопить опыт конструирования и использования программирования.

Характерные черты ЭВМ первого поколения:

• элементная база: электронно–вакуумные лампы, резисторы, конденсаторы. Соединение элементов — навесной монтаж проводами;

• габариты: ЭВМ выполнена в виде громоздких шкафов и занимает специальный машинный зал;

• быстродействие: 10–20 тыс. операций в секунду;

• эксплуатация: слишком сложна из–за частого выхода из строя;

• программирование: трудоемкий процесс в машинных кодах. Общение с ЭВМ требовало от специалистов высокого профессионализма.

1.2.2. Второе поколение

Второе поколение компьютеров обязано своим рождением транзистору — миниатюрному полупроводниковому прибору, заменившему электронные лампы. Транзистор сконструировали американские физики Уолтер Браттейн, Джон Бардин и Уильям Шокли в 1948 г. Первый промышленный биполярный транзистор был создан также в 1948 г.

В 1954 г. в мире выпускалось около 5 млн транзисторов, в 1958 г. — 200 млн, в 1963 г. — около 1.5 млрд. Использование транзисторов в радио– и вычислительной технике позволило уменьшить размеры и потребляемую мощность устройств.

Период машин второго поколения — наиболее короткий в истории вычислительной техники. Эти машины выпускались с конца 50–х и в начале 60–х годов XX века. Первый компьютер на транзисторах был создан фирмой NCR в США в 1954–1957 гг. Он назывался NCR–304. Всего в мире было изготовлено около 30 тыс. транзисторных ЭВМ, причем произошел крупный сдвиг в области их применения. Если в начале 50–х гг. ЭВМ использовались преимущественно для научно–технических расчетов, то в 60–е гг. первое место стала занимать обработка символьной информации, в основном экономической.

Единственная часть компьютера, где транзисторы не смогли заменить электронные лампы — это блоки памяти, но там стали использовать изобретенные к тому времени схемы на магнитных сердечниках. К середине 60–х годов появились и значительно более компактные внешние устройства для компьютеров, что позволило фирме Digital Equipment Corporation выпустить в 1965 г. первый мини–компьютер PDP–8.

Более дешевое производство новой элементной базы и использование печатных схем позволили удешевить и сами машины, уменьшить их габариты, повысить быстродействие и емкость памяти при достаточной надежности. В ЦВМ этого поколения получает развитие мультипрограммирование, т.е. совмещение во времени выполнения различных программ, а также переход от машинных к проблемно–ориентированным и универсальным алгоритмическим языкам. К 1967 г. насчитывалось уже около 1000 таких языков. В 1953–57 гг. в США под руководством Дж. Бейкуса разработан алгоритмический язык Fortran (Фортран) — «переводчик формул». В 1957 г. разработан первый вариант процедурно–ориентированного алгоритмического языка Algol (Алгол). В конце 50–х годов Дж. Маккарти в Массачусетском технологическом институте (МТИ, США) разрабатывает язык LISP (ЛИСП) для работ по проблеме искусственного интеллекта. В 1960 г. в США создается COBOL (Кобол) — язык, ориентированный на обработку коммерческой информации. В этом же 1960 г. С. Пейперт с коллегами из МТИ предлагают язык программирования LOGO (Лого), с помощью которого можно управлять «черепахой» — программной моделью малого робота.

В 1965 г. Дж. Кемени и Т. Курц в США разрабатывают язык программирования BASIC (Бейсик), который первоначально предназначался для вводного курса по информатике. BASIC — Beginner’s All–purpose Symbolic Instruction Code, что может быть переведено как «многоцелевой символический код–инструкция для начинающих». Математическое и программное обеспечение становится фактором, определяющим стоимость и конструктивные решения машины.

Первые ЦВМ на полупроводниках в нашей стране начали создаваться с 1961 г. Для научных расчетов создаются ЭВМ средней мощности: в Москве — М–220 (разработчик В.С. Антонов), БЭСМ–3, БЭСМ–4; в Пензе — «Урал–11», «Урал–14», «Урал–16»; в Минске — «Минск–22», «Минск–23», «Минск–32»; в Ереване — «Раздан–2», «Раздан–3». В 1961 г. была создана первая в стране серийная универсальная полупроводниковая ЭВМ Днепр–1. Машина М–220 была совместима с БЭСМ–4 и продолжала линию М–20. Принципы совместимости машин внутри семейства и агрегатный принцип комплектации были осуществлены на серии «Урал–11» — «Урал–16» раньше, чем он был провозглашен и реализован на всемирно известной серии IBM–360, однако ограниченность производственной базы и малая численность системных программистов не позволяли разработчикам «Урала» распространить эти принципы в глобальном масштабе.

В машинах «Минск–22», «Минск–23», «Минск–32» появилось алфавитно–цифровое печатающее устройство (АЦПУ). Это был громоздкий, но надежный агрегат, который позволял печатать на перфорированной бумаге форматированный текст. В первой половине 70–х гг. самой распространенной машиной в СССР стала «Минск–32», имевшая неплохую операционную систему, мощные системы программирования, пишущую машинку в качестве терминала оператора.

В 1967–1969 гг. в Институте точной механики и вычислительной техники АН СССР под руководством С.А. Лебедева и В.А. Мельникова создаются первые полупроводниковые мини–ЭВМ для научных расчетов, под руководством Г.Е. Овсепяна в Ереване — «Наири–2», под руководством В.М. Глушкова в Киеве (институт кибернетики АН УССР) — «Мир–2». Для машин «Мир» создаются специальные входные языки Мир, Аналитик. В «Мир–2» впервые диалог с пользователем осуществляется с помощью дисплея со световым пером. В это же время в СССР развивается применение ЭВМ для управления технологическими процессами сбора и обработки экспериментальных данных в реальном масштабе времени, для планово–экономических расчетов. Сдана в эксплуатацию и рекомендована к массовому внедрению первая в стране автоматизированная система управления (АСУ) предприятия с массовым производством — «Львов». В институте кибернетики АН УССР создается управляющая ЭВМ «Днепр–2» с развитой системой прерывания, обеспечивающей одновременную работу с более 1600 входных и более 100 выходных аналоговых устройств.

Лучшей в мире ЭВМ второго поколения стала БЭСМ–6, созданная в Институте точной механики и вычислительной техники АН СССР под руководством С.А. Лебедева и В.А. Мельникова. БЭСМ–6 работала в мультипрограммном режиме, обладала высоким быстродействием (около 1 млн операций в сек.), по своей архитектуре была близка к ЭВМ третьего поколения. До 1973 г. она была одной из наиболее производительных однопроцессорных машин в мире. Машина имела систему автоматизированного программирования с входными языками: Фортран, Алгол–60, ЛИСП и др. Программное обеспечение разрабатывалось Л.Н. Королевым, М.Р. Шура–Бурой, Н.Н. Говоруном, Э.З. Любимским и др. В дальнейшем на БЭСМ–6 используется разработанная в Новосибирске под руководством А.П. Ершова α–система программирования с расширением языка Алгол–60. Эта машина широко использовалась при разработке и реализации отечественных космических программ. БЭСМ–6 выпускалась серийно до 1981 г. и использовалась на вычислительных центрах до конца 90–х гг.

Период машин второго поколения характеризуется крупнейшими сдвигами в архитектуре ЭВМ, их программном обеспечении, организации взаимодействия человека с машиной. Эти достижения в дальнейшем применяются в машинах третьего и четвертого поколений. Это в первую очередь относится к многопроцессорным системам, организации мультипрограммной работы, разделению времени. Формируются основы организации взаимодействия человека с машиной. Но с ростом требований к вычислительной технике, расширением сфер ее использования машины второго поколения перестают удовлетворять потребителей вследствие большой трудоемкости их производства и невысокой надежности из–за множества дискретных элементов и связей.

Характерные черты ЭВМ второго поколения:

• элементная база: полупроводниковые элементы; cоединение элементов – печатные платы и навесной монтаж;

• габариты: ЭВМ выполнены в виде однотипных стоек, для их размещения требуется специально оборудованный машинный зал,
  в котором под полом прокладываются кабели, соединяющие между собой многочисленные автономные устройства;

• производительность: до 1 млн операций/с;

• эксплуатация: появились вычислительные центры (ВЦ) с большим штатом обслуживающего персонала, где устанавливались обычно несколько ЭВМ. При выходе из строя нескольких элементов производилась замена целиком всей платы, а не каждого элемента в отдельности, как в ЭВМ предыдущего поколения;
• программирование велось преимущественно на алгоритмических языках. Программисты передавали свои программы на перфокартах или магнитных лентах операторам ЭВМ на ВЦ для организации дальнейших расчетов на ЭВМ. Решение задач производилось в пакетном режиме, т. е. все программы вводились в ЭВМ подряд друг за другом, а их обработка велась по мере освобождения соответствующих ресурсов. Результаты решения распечатывались на специальной перфорированной бумаге.

1.2.3. Третье поколение

К 1964 г. появились ЭВМ третьего поколения на интегральных схемах (ИС), постепенно заменявших транзисторы. Период создания и внедрения ЭВМ третьего поколения занял по времени отрезок от начала 60–х до середины 70–х гг. Элементной базой этих компьютеров стали ИС, идея создания которых была предложена в 1952 г. инженером из Великобритании Дж. Даммером. В 1958 г. Джек Килби (США) решил задачу, как на одной пластине полупроводника получить несколько транзисторов. В 1959 г. Роберт Нойс (будущий основатель фирмы Intel, США) изобрел метод, позволивший создавать на одной пластине и транзисторы, и все необходимые соединения между ними. Полученные электронные схемы и стали называться интегральными схемами, или чипами.

В 1961 г. в продажу поступила первая, выполненная на пластине кремния интегральная схема, содержащая триггер на 6 элементах, в 1963 г. ИС имела 10–20 элементов, в 1967 г. — примерно 100, к 1970 г. — 1000, к 1975 г. — 30000, к 1982 г. — 300000 элементов на кристалле в несколько квадратных миллиметров.

В 1968 г. фирма Burroughs выпустила первый компьютер на интегральных схемах, а в 1970 г. фирма Intel начала продавать ИС памяти.

Использование ИС привело к резкому снижению габаритов ЭВМ, повышению их надежности, увеличению производительности. К тому же времени относится появление внешних запоминающих устройств на магнитных дисках, обладающих емкостью в сотни миллионов бит и высоким быстродействием. Основным режимом эксплуатации машин этого поколения является режим мультипрограммирования.

Начало периода машин третьего поколения связано с разработкой ЭВМ серии IBM–360, позднее — IBM–370 (IBM — International Business Machines Corporation), оказавшей огромное влияние на развитие вычислительной техники во всем мире. Выпуск машин IBM–360 был начат в США в 1965 г. Сущность идей, заложенных в проект IBM–360, заключалась в создании семейства машин на ИС, имеющих широкий диапазон производительности и совместимых на уровне машинных языков, периферийных устройств, модулей конструкции и системы элементов, а также операционных систем (ОС).

Наиболее значительным явлением в этот период было создание мини–ЭВМ. Сущность идеи состояла в такой минимизации аппаратуры, которая позволяла на уровне технологии середины 60–х гг. создать универсальные ЭВМ, способные осуществлять управление в реальном масштабе времени.

В этот период развитие ЭВМ в СССР проходило в направлении создания ЭВМ единой системы (ЕС ЭВМ), в основных чертах копирующих IBM–360 и IBM–370, программно–совместимых между собой, а также с ЭВМ типа IBM–360. При создании всех моделей ЕС ЭВМ ставились следующие задачи: улучшить соотношение между стоимостью и производительностью машин; увеличить объем оперативной памяти; повысить точность вычислений; разработать комплекс внешних устройств; обеспечить возможность создания многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем.

К третьему поколению ЭВМ принадлежат и малые вычислительные машины СМ — семейство малых ЭВМ. Это были СМ–1, СМ–2, СМ–3 и СМ–4. Наличие запоминающих устройств различной емкости и быстродействия, стандартизация подключения к процессору устройств ввода–вывода символьной и графической информации открыли возможности использования СМ ЭВМ в различных измерительных, управляющих, информационных комплексах. Они сопрягались с ЕС ЭВМ как периферийные процессоры, удаленные терминалы, процессоры ввода–вывода.

В это же время в СССР выпускаются мини–ЭВМ «Мир–31», «Мир–32», «Наири–34», ЭВМ серии АСВТ М–6000 и М–7000 для управления технологическими процессами; на интегральных микросхемах — настольные мини–ЭВМ М–180 «Электроника–100, –200», «Электроника ДЗ–28», «Электроника НЦ–60» и другие.

Вклад отечественной науки в мировое развитие электронной вычислительной техники в этот период связан с идеями и разработками машины М–10 (1975 г., главный конструктор М. А. Карцев). М–10 была первой в мире промышленно освоенной многопроцессорной ЭВМ.

В структуру машин третьего поколения вводятся ОС, облегчающие программирование, связь пользователя с машиной, ее обслуживание. Также в состав этих машин включали системы, работающие в режиме реального масштаба времени — встроенные микропроцессоры, позволявшие практически немедленно обрабатывать всю поступающую от других систем, периферийных устройств и датчиков информацию и тут же посылать обратно управляющие сигналы. Мини–ЭВМ стали использоваться в станках с числовым программным управлением, для управления роботами–манипуляторами и т.п.

Однако компьютеры третьего поколения по–прежнему оставались сложными в обслуживании. Большим ЭВМ требовались специальные помещения, а малые плохо подходили для установки на сравнительно небольших движущихся объектах: самолетах, космических кораблях, где ЭВМ нужны для управления оборудованием, для вычисления курса. А высокая стоимость не позволяла использовать подобные компьютеры в недорогих технических устройствах.

Характерные черты ЭВМ третьего поколения:

• элементная база — интегральные схемы;

• габариты: малые ЭВМ — это в основном две стойки, дисплей. Они не нуждались, как ЕС ЭВМ, в специально оборудованном помещении;

• производительность: сотни тысяч — миллионы операций в секунду;

• эксплуатация: более оперативно производится ремонт стандартных неисправностей, но из–за большой сложности системной организации требуется штат высококвалифицированных специалистов. Незаменимую роль играет системный программист;

• технология программирования и решения задач: во многих вычислительных центрах появились дисплейные залы, где каждый программист мог подсоединиться к ЭВМ в режиме разделения времени. Как и прежде, основным оставался режим пакетной обработки задач;

• произошли изменения в структуре ЭВМ. Наряду с микропрограммным способом управления используются принципы модульности и магистральности. Модульность проявляется в построении компьютера на основе набора модулей — конструктивно и функционально законченных электронных блоков в стандартном исполнении. Под магистральностью понимается способ связи между модулями компьютера, когда все входные и выходные устройства подсоединены одними и теми же проводами (шинами). Это — прообраз современной системной шины;
• увеличились объемы памяти. Магнитный барабан вытесняется магнитными дисками. Появились дисплеи, графопостроители.

1.2.4. Четвертое поколение. Персональные компьютеры

Переход к машинам четвертого поколения — ЭВМ на больших интегральных схемах (БИС) происходил в середине и второй половине 70–х годов и завершился приблизительно к 1980 г. Машины этого поколения развивались, во–первых, в направлении создания мощных многопроцессорных систем, имеющих производительность до сотен миллионов операций в секунду, и, во–вторых, в направлении создания дешевых компактных мини– и микро–ЭВМ.

Большие ЭВМ четвертого поколения представляют собой многопользовательские машины с развитыми возможностями для работы с базами данных, с различными формами удаленного доступа. Они имеют несколько процессоров и ориентированы на выполнение определенных операций, процедур или на решение некоторых классов задач. Выпуск их стал увеличиваться, хотя их доля в общем парке постоянно снижается. Серия машин IBM S/390 продолжила линию машин IВМ–360 и IВМ–370. Они позволяют задавать переменную конфигурацию (число процессоров 1–10, емкость оперативной памяти 512– 81292 Мбайт, число каналов 3–256).

К числу машин четвертого поколения относятся и машины RS/6000, предназначенные для создания графических рабочих станций, Unix–серверов, кластерных комплексов. Первоначально эти машины предполагалось применять для обеспечения научных исследований.

К числу средних ЭВМ четвертого поколения относят ЭВМ типа AS/400 (Advanced Portable Model 3) — 64–разрядные «бизнескомпьютеры». Они предназначены в первую очередь для работы в финансовых структурах. В этих машинах особое внимание уделяется сохранению и безопасности данных, программной совместимости и т.д. Они могут использоваться в качестве основы серверов в локальных сетях, для управления сложными технологическими производственными процессами.

В период машин четвертого поколения стали серийно производиться супер–ЭВМ. Первым суперкомпьютером считается «Сгау–1» («КРЭЙ–1», проект С. Крея), установленный в Лос–Аламосе (США). Этот компьютер выполнял до 100 млн арифметических операций в секунду. В нашей стране похожие характеристики имела супер–ЭВМ «Эльбрус–2». Многопроцессорные комплексы «Эльбрус–2» и «Эльбрус–3» имели суммарное быстродействие соответственно 100 млн и порядка 1 млрд операций в секунду. Нашими учеными также была создана многопроцессорная вычислительная система ПС–2000, содержащая до 64 процессоров, которые управлялись общим потоком команд. В этой системе при распараллеливании процесса выполнения программ могло достигаться быстродействие до 200 млн операций в секунду.

Рост степени интеграции БИС стал технологической основой повышения производительности ЭВМ. В нескольких серийных моделях был преодолен рубеж 1 млрд операций в секунду. В 1985 г. начался серийный выпуск четырехпроцессорной «КРЭЙ–2» производительностью 200 млн скалярных и 1,2 млрд векторных операций в секунду, в 1990 г. — выпуск японской четырехпроцессорной SX–344.

К числу наиболее значительных разработок конца 80–х—начала 90–х гг. относится ЭВМ «КРЭЙ–3». Проект предусматривал 16–процессорную организацию машины и выполнение 8 млрд скалярных и 16 млрд векторных операций в секунду.

С развитием науки и техники выдвигаются новые задачи, требующие больших объемов вычислений. Особенно эффективно применение супер–ЭВМ при решении задач проектирования, в которых натурные эксперименты оказываются дорогостоящими, недоступными или практически неосуществимыми. В этом случае ЭВМ позволяет методами численного моделирования получить результаты вычислительных экспериментов, обеспечивая приемлемое время и точность решения, т.е. решающим условием необходимости разработки и применения подобных ЭВМ является экономический показатель «производительность/стоимость». Например, при создании супер–ЭВМ GF–11 (Gigaflop–11) с быстродействием 11 млрд оп/сек предварительные расчеты показали, что применение этой системы позволит решить целый комплекс новых задач. Одной из таких задач было уточнение массы протона на основе квантовой хромодинамики — доминирующей теории, пытающейся описать первичную структуру материи. При использовании новой ЭВМ эта работа должна была быть выполнена за 1,5–4 месяца. Решение же этой задачи на существующей вычислительной технике требовало около 15 лет. Еще одним примером крупномасштабных задач считается задача разработки новых схем СБИС (сверхбольших ИС) для следующих поколений ЭВМ. Супер–ЭВМ позволяют по сравнению с другими типами машин точнее, быстрее и качественнее решать подобные задачи, обеспечивая необходимый приоритет в разработках перспективной вычислительной техники. Дальнейшее развитие супер–ЭВМ связывается с использованием направления массового параллелизма, при котором одновременно могут работать сотни и даже тысячи процессоров. В настоящее время супер–ЭВМ используются для решения крупномасштабных вычислительных задач, для обслуживания крупнейших информационных банков данных.

Требуемое количество супер–ЭВМ для отдельной страны, такой как Россия, должно составлять 100–200 штук, больших ЭВМ — тысячи, средних — десятки и сотни тысяч, ПЭВМ — миллионы, встраиваемых микро–ЭВМ — миллиарды.

История создания персональных компьютеров берет свое начало с момента создания микропроцессора (МП). Микропроцессор — это программируемое логическое устройство, выполненное на основе одной или нескольких БИС. Его задача — декодировать команды вложенной в него программы и реализовать их. Микропроцессоры обладают высокой надежностью и производительностью, малыми размерами и низкой стоимостью. Это позволяет встраивать микропроцессоры в контрольно–измерительные приборы, промышленно–технологи-ческое оборудование, бытовые приборы. Создание микропроцессора стало наиболее крупным сдвигом в электронной вычислительной технике, связанным с применением БИС, поскольку именно на его основе были созданы микро–ЭВМ. Микрокомпьютер (микро–ЭВМ) представляет собой вычислительную систему, включающую микропроцессор, память и устройства ввода–вывода. Микро–ЭВМ обладают достаточно высокими эксплуатационными параметрами, сравнимыми с аналогичными параметрами средних ЭВМ. Габариты микро–ЭВМ, требования к условиям эксплуатации и потребление электроэнергии находятся в границах обычных требований, предъявляемых к бытовым электроприборам. Область применения микро–ЭВМ весьма широка. Они входят составной частью в измерительные комплексы, системы числового программного управления, управляющие системы различного назначения.

В 1970 г. Маршиан Эдвард Хофф из фирмы Intel сконструировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору (ЦП) большой ЭВМ. В конечном счете на одном кремниевом кристалле ему удалось сформировать минимальный по составу аппаратуры процессор, а на других БИС — оперативную и постоянную память. Так появился первый микропроцессор Intel–4004, который был выпущен в продажу в конце 1970 г. Конечно, возможности Intel–4004 были куда скромнее, чем у центрального процессора большой ЭВМ — он работал гораздо медленнее и мог обрабатывать одновременно только 4 бита информации (процессоры больших ЭВМ обрабатывали 16 или 32 бита одновременно). Но в 1973 г. фирма Intel выпустила 8–битовый микропроцессор Intel–8008, а в 1974 г. — его усовершенствованную версию Intel–8080, которая до конца 70–х годов стала стандартом для микрокомпьютерной индустрии.

Выпуск первого микропроцессора служит ориентировочной датой начала микропроцессорной революции. Она шла двумя путями: МП встраиваются непосредственно в аппаратуру (связи, производственную, медицинскую, бытовую и т. д.) и служат основой построения соответствующих управляющих устройств; на базе МП создаются как микро–ЭВМ, так и суперсистемы. В ходе микропроцессорной революции систематически совершенствовалась технология БИС, с чем связана стремительная смена поколений МП. В 80–е гг. создаются мощные 32–разрядные МП, содержащие схемы памяти, контроля и диагностики и служащие элементной базой для создания ЭВМ пятого поколения.

С микропроцессорной революцией непосредственно связано одно из важнейших событий в истории ЭВМ — создание и широкое применение персональных ЭВМ (ПЭВМ).

С их распространением начинается фаза всеобщей компьютеризации, которая продолжается и сегодня. С 1980 г. по 1990 г. выпуск ПЭВМ в США вырос с 0,37 млн до 25 млн шт. и в настоящее время этот класс машин абсолютно доминирует в мировом парке ЭВМ.

В начале 1975 г. появился первый коммерчески распространяемый компьютер «Альтаир–8800» (фирма MITS, США), построенный на основе микропроцессора Intel–8080. Хотя возможности его были весьма ограничены (оперативная память составляла 256 байт, клавиатура и экран отсутствовали), его появление было встречено с большим энтузиазмом. Покупатели этого компьютера снабжали его дополнительными устройствами: монитором, клавиатурой, блоками расширения памяти и т.д. В конце 1975 г. Пол Аллен и Билл Гейтс (будущие основатели фирмы Microsoft) создали для компьютера «Альтаир»интерпретатор языка Basic, что позволило пользователям достаточно просто общаться с компьютером и легко писать для него программы. Позднее потребности в ПЭВМ возрастали невиданными темпами. Так, в 1983 г. в мире было продано 10 млн персональных компьютеров — небывалое число для вычислительной техники.

В дальнейшем компьютеры стали продаваться в полной комплектации, с клавиатурой и монитором. Росту объема продаж ПК способствовали также многочисленные программы, разработанные для деловых применений (например, редактор текстов WordStar и табличный процессор VisiCalc соответственно 1978 и 1979 гг.). Эти программы сделали для делового мира покупку компьютеров выгодным вложением денег: с их помощью стало возможно эффективнее выполнять бухгалтерские расчеты, составлять документы и т.д. В результате оказалось, что для многих организаций необходимые им расчеты стало возможно выполнять не на больших или мини–ЭВМ, а на ПК, что значительно дешевле.

Революция в индустрии персональных компьютеров была совершена двумя фирмами — IBM и Apple Computer, соперничество которых способствовало бурному развитию высоких технологий, улучшению технических и пользовательских качеств персональных компьютеров. При этом первым всенародным персональным компьютером стал компьютер фирмы Apple Computer.

История этой фирмы началась в 1976 году, когда Стивен Джобс и Стивен Возник создали свою первую модель, назвав ее «Apple» (яблоко). Развитием работ в данном направлении стал компьютер Apple II, созданной на 8–разрядном микропроцессоре фирмы Motorola.

Компьютер Apple II обладал модульной конструкцией с возможностью расширения системы. Техническая информация о компьютере была опубликована, что дало возможность др. производителям выпускать аппаратуру, которой пользователи могли дополнять свои компьютеры. Другими словами, архитектура Apple II была открытой, что явилось новинкой для того времени.

В 1981 году на рынке персональных компьютеров появилась фирма IBM, которая во много раз превосходила по своим размерам и финансовым возможностям фирму Apple. Это связано с тем, что распространение ПЭВМ к концу 70–х годов привело к снижению спроса на большие и мини–ЭВМ. В качестве основного микропроцессора компьютера IBM был выбран микропроцессор Intel–8088. В данном компьютере были использованы и другие комплектующие различных фирм, а его программное обеспечение было поручено разработать небольшой фирме Microsoft.

В августе 1981 г. новый компьютер под названием IBM PC был представлен публике и вскоре после этого приобрел большую популярность у пользователей. Через один–два года IBM PC занял ведущее место на рынке, вытеснив модели 8–битовых компьютеров, став фактически стандартом персонального компьютера. Сейчас такие компьютеры (совместимые с IBM PC) составляют более 90% всех производимых в мире ПК. Основой популярности IBM PC является заложенная в нем возможность усовершенствования его отдельных частей и использования новых устройств. Фирма IBM сделала компьютер не единым неразъемным устройством, а обеспечила возможность его сборки из частей, изготовленных независимо различными фирмами.

В 1983 г. был выпущен компьютер IBM PC XT (Personal Computer Extended Technology), имеющий встроенный жесткий диск, в 1985 г. — компьютер IBM PC AT (Personal Computer Advanced Technology) на основе нового микропроцессора Intel–80286, работающий в 3–4 раза быстрее IBM PC XT.

Однако очень скоро другие фирмы начали собирать компьютеры, совместимые с IBM PC, и продавать их значительно дешевле аналогичных компьютеров фирмы IBM. Уже в 1982 г. на рынке появились точные копии компьютеров фирмы IBM, так называемые клоны, выпускаемые другими фирмами, поэтому сегодня мы говорим об IBM–совместимых компьютерах, сохраняющих архитектуру и технологические особенности первоначального IBM PC. Принцип открытой архитектуры лишил фирму IBM монополии на выпуск ПК класса IBM PC. К 1984 г. IBM PC–совместимые компьютеры производили уже около 50 компаний, а к концу 1986 г. ежегодная продажа IBM PC–совместимых компьютеров сторонними фирмами превзошла по объему продажу оригинальных компьютеров IBM. При этом первые компьютеры на основе 32–разрядного микропроцессора Intel–80386 были выпущены уже не IBM, a фирмой Compaq Computer. В конце 80–х гг. фирма IBM опять сделала попытку вернуть себе монополию на производство персональных компьютеров, выпустив новую оригинальную модель PS/2, отличную от IBM PC и имеющую закрытую архитектуру. Однако модель не имела успеха и в настоящее время большинство компьютеров типа IBM PC изготавливается в Юго–Восточной Азии (Тайвань, Сингапур, Южная Корея и т.д.). Наибольшее влияние на развитие компьютеров типа IBM PC теперь оказывает не IBM, a фирма Intel — производитель микропроцессоров и фирма Microsoft — разработчик ОС Windows и многих других используемых на IBM PC программ.

Что же касается Apple Computer, то она сохранила особенности своей модели, отличной от IBM PC. Компьютер, выполненный фирмой на самом новом в то время микропроцессоре Motorola 68000, получил имя Macintosh (название одного из популярных сортов американских яблок «макинтош»). Компьютер имел высококачественный графический дисплей, «мышь» и был прост в освоении даже для неподготовленного пользователя, который мог практически ничего не вводить с клавиатуры, а лишь использовать маленькие картинки–пиктограммы, обозначающие разнообразные действия. Кроме этого, впервые компьютер дополнили генератором звука и микрофоном. В начале 1984 года Macintosh поступил в продажу. В комплекте с новейшим лазерным печатающим устройством (принтером) Macintosh с его графическими возможностями стал идеальной машиной для развивающихся в то время настольных издательств. Полюбился компьютер и преподавателям школ, колледжей, университетов. А вот в деловом мире по–прежнему популярностью пользовались IBM–совместимые компьютеры.

В СССР в 1988 г. был начат массовый выпуск школьных персональных компьютеров и классов учебной вычислительной техники «Корвет», «Электроника УКНЦ» и др., профессиональных компьютеров ДВК–ЗМ, ДВК–4, «Искра–1030», «Нейрон», ЕС–1841 и др.

Выпуск микропроцессоров серии Power PC, разработанных совместно фирмами Apple, IBM и Motorola, начался в 1993 г., а в 1994 г. стали появляться в продаже компьютеры фирм Apple и IBM на базе этого микропроцессора. Большой интерес для пользователей представляет персональный компьютер Power Macintosh, который появился в 1994 г. Этот компьютер использует микропроцессор Power PC. Особенностью Power Macintosh является возможность работать с программами, написанными для IBM–совместимых персональных компьютеров.

В настоящее время на компьютерном рынке рядом с фирмами IBM и Apple Computer трудятся такие крупные фирмы, как Compaq, Packard Bell, Dell, Hewlett–Packard и др.

Причины успеха персональных компьютеров. В настоящее время индустрия производства компьютеров и ПО для них является одной из наиболее важных сфер экономики развитых стран. Ежегодно в мире продаются десятки миллионов компьютеров. Только в США объем продаж компьютеров, услуг и программного обеспечения составляет десятки миллиардов долларов и постоянно продолжает расти. Основная причина этого – невысокая стоимость компьютеров и их сравнительная выгодность для многих деловых применений по сравнению с большими и мини–ЭВМ. Но имеются и другие причины:

• простота использования, обеспеченная с помощью диалогового способа взаимодействия с компьютером, удобных и понятных пользовательских интерфейсов;

• возможность индивидуального взаимодействия с компьютером без каких–либо посредников и ограничений;

• относительно высокие возможности по переработке информации (типичная скорость — несколько миллионов операций в секунду, емкость оперативной памяти — до сотен Мбайт, емкость жестких дисков — десятки Гбайт);

• высокая надежность и простота ремонта, основанные на интеграции компонентов компьютера;

• возможность расширения и адаптации к особенностям применения — один и тот же компьютер может быть оснащен различными периферийными устройствами и программными средствами;

• наличие программного обеспечения, охватывающего практически все сферы человеческой деятельности, а также мощных систем для разработки нового ПО.

Но несмотря на то, что область применения персональных компьютеров очень широка, имеются задачи, которые лучше решать на более мощных ЭВМ.

Ограниченность области применения персональных компьютеров:

• при обработке больших объемов информации часто оказывается целесообразным совместное использование компьютеров разного уровня, где на каждом уровне решаются задачи, соответствующие его возможностям. Например, в крупном коммерческом банке обработка информации о клиентах и расчетах скорее всего потребует большую ЭВМ, а ввод данных и анализ результатов может осуществляться и на персональных компьютерах;

• во многих задачах оказывается недостаточной вычислительная мощность персональных компьютеров. Например, расчет механической прочности конструкции из нескольких сотен элементов можно сделать и на персональном компьютере, но если надо рассчитать прочность конструкции из сотен тысяч элементов, то потребуется уже большая или даже супер–ЭВМ;

• при компьютерном производстве видеофильмов персональный компьютер вполне можно использовать для создания простеньких движущихся картинок на экране. Но для создания реалистичных фильмов и специальных видеоэффектов используются специализированные компьютеры, предназначенные для эффективной обработки трехмерных изображений и анимации.

1.2.5. Пятое поколение

С конца 80–х годов XX века в истории развития ЭВМ наступила пора пятого поколения машин. Проект машин пятого поколения разработан ведущими японскими фирмами и научными организациями, согласно этому проекту ЭВМ и вычислительные системы коренным образом отличаются от машин предшествующих поколений. Прежде всего, их структура отличается от той, которую предложил Джон фон Нейман, и содержит:

• блок общения, обеспечивающий интерфейс между пользователем и ЭВМ на языке, близком к естественному;

• базу знаний, хранящую все необходимые для решения задач сведения о той предметной области, к которой эти задачи относятся;

• решатель, который организует подготовку программы решения задачи на основании знаний из базы знаний и исходных данных, полученных из блока общения.

ЭВМ пятого поколения должны самоорганизовываться в процессе решения задач, иметь собственную внутреннюю модель мира и активно взаимодействовать с внешней средой, распознавать образы, делать выводы из информации, уметь оперировать в нечетких ситуациях, пополнять имеющиеся знания (т.е. иметь способность обучаться), вести диалог с человеком на естественном речевом или графическом языках, иметь способность понимать содержимое базы знаний и использовать эти знания при решении задач. Таким образом, в этих машинах широко используются модели и средства, разработанные в искусственном интеллекте. В них, в частности, широко используются языки, характерные для представления знаний, модели знаний в виде семантических сетей, фреймов и продукций.

Разработка машин пятого поколения ведется на основе СБИС, а также на основе перехода к супермикроэлектронике, где расстояния между элементами схем будут меньше микрона, и на основе использования достижений интегральной микрооптоэлектроники, в которой каналами связи являются световые лучи, а для преобразования электрических сигналов в световые и наоборот используются лазеры, свето– и фотодиоды. Благодаря достижениям современной техники только в компьютерах пятого поколения стало возможным технически реализовать идеи, высказанные еще в 70–е годы.

Отличительные черты ЭВМ пятого поколения:

• новая технология производства на базе новых материалов;

• отказ от традиционных языков высокого уровня (Фортран, Паскаль и др.) в пользу языков с повышенными возможностями манипулирования символами и с элементами логического программирования (Пролог, ЛИСП);

• акцент на новые архитектуры (например, на архитектуру потока данных) и отход от структур фон Неймана;

• новые способы ввода–вывода, удобные для пользователя (например, распознавание речи и образов, синтез речи, обработка сообщений на естественном языке);

• искусственный интеллект, тесно связанный с исследованиями в области экспертных систем.

История развития вычислительной техники.

Информатика как наука, включает
в себя много направлений, в том числе и раздел, связанный с изучением вычислительной
техники. История развития вычислительной техники насчитывает тысячи лет, с момента
возникновения первых счетных палочек до современных высокотехнологичных компьютерных
средств.

Первые приспособления для
счета

Первыми устройствами для выполнения
простых арифметических операций, известными исторической науке, были счеты. Так,
среди культурных артефактов древнего мира – Египта, Вавилона, Греции, Рима, Китая
можно найти специальный предмет, предназначенный для счета – абак. Абак представляет
собой доску, на которой в специальных углублениях расположены небольшие камни. Современные
варианты счетов, в виде бусин, нанизанных на проволоку, используются, и посей день
для выполнения операций сложения и вычитания.

Рис. 1.
Абак — приспособление для счета.

Для более сложных операций,
таких как умножение, деление, возведение в степень, вычисление корней и логарифмов,
были придуманы различные приспособления. Это логарифмические линейки и таблицы.
Логарифмическая линейка была изобретена в 1622 году англичанином Уильямом Отредом,
а первая таблица появилась в 1614 году и содержала значения тригонометрических функций.

Механические устройства
для вычислений

Как техническое средство вычислительная
техника берет начало от арифмометров – механических вычислительных устройств, выполняющих
поразрядные операции умножения, деления, сложения и вычитания. Известны «Считающие
часы», созданные немецким ученым Вильгельмом Шиккардом (1623 г.), «Паскалина» –
изобретение французского механика Блеза Паскаля (1642 г.), «Ступенчатый вычислитель»
Готфрида Вильгельма Лейбница (1673 г).

Рис. 2.
Арифмометр.

Итогом механического периода
вычислительных приборов стала разработка английского ученого Чарльза Беббиджа, ставшая
прообразом современного компьютера. Задумка аналитической машины, представляла собой
проект вычислительного устройства общего назначения, в котором в качестве носителя
информации использовались перфокарты. Эта машина, хоть и не была построена при жизни
ученого, послужила примером для создания современных компьютеров.

Следующей вехой в развитии
вычислительных комплексов явилось использование электромеханических устройств. Первым
представителем семейства электромеханических машин стал табулятор Холлерита, разработанный
в 1887 г, позволявший автоматизировать и ускорить обработку статистической информации.

Программируемые вычислители

Результатом эволюции вычислительных
устройств явилось создание электронной вычислительной машины в том виде, в котором
мы привыкли ее сейчас видеть. Однако и ЭВМ прошли несколько этапов развития, связанных
в первую очередь, с развитием электронной элементной базы:

·               
вакуумные лампы;

·               
полупроводниковые транзисторы;

·               
интегральные микросхемы;

·               
микропроцессоры.

К первому поколению вычислительных
устройств, базирующемуся на лампах можно отнести ENIAC (США, 1946 г.), ЭВМ
БСЭМ-2 (СССР, 1949 г.). Эти машины позволяли производить до 20 тысяч операций в
секунду и в качестве устройства ввода использовали перфокарты. Огромные габариты
и энергопотребление таких устройств обусловлено особенностями используемой элементной
базы.

Самый первый компьютер под
названием ENIAC, созданный в 1946 году имел массу более двадцати тонн и занимал
огромное помещение площадью порядка 150 квадратных метров.

Следующий этап развития ЭВМ
связан с изобретением полупроводникового транзистора — компактного и экономичного
аналога электронной лампы. Быстродействие подобных устройств увеличилось уже до
сотен тысяч операций в секунду, а их габариты и энергопотребление значительно снизилось.
Что привело к более широкому распространению ЭВМ и упрощению взаимодействия с пользователем.
Одним из представителей семейства полупроводниковых машин является ЭВМ БСЭМ-6 (СССР,
1959 г.)

Объединение транзисторных схем
в отдельные интегральные микросхемы (ИМС) дало толчок третьему поколению компьютеров.
Для этого этапа характерно дальнейшее увеличение производительности и снижение стоимости
производства и эксплуатации. А также появление различных периферийных устройств,
таких как накопители на магнитных дисках, дисплеи, графопостроители. Среди машин
третьего поколения можно выделить IBM-360 (США) и ЕС ЭВМ (СССР).

В настоящее время все компьютеры
относятся к четвертому поколению и основаны на использовании микропроцессоров —
сверхбольших интегральных схем. Это первый тип компьютеров, который появился в розничной
продаже.

От первого до пятого поколения.

Немногим более 50 лет прошло с тех пор, как появилась
первая электронная вычислительная машина. За этот короткий для развития общества
период сменилось несколько поколений вычислительных машин, а первые ЭВМ сегодня
являются музейной редкостью. Сама история развития вычислительной техники представляет
немалый интерес, показывая тесную взаимосвязь математики с физикой (прежде всего
с физикой твердого тела, полупроводников, электроникой) и современной технологией,
уровнем развития которой во многом определяется прогресс в производстве средств
вычислительной техники.

Электронно-вычислительные машины принято делить
на поколения. Для компьютерной техники характерна прежде всего быстрота смены поколений
— за ее короткую историю развития уже успели смениться четыре поколения и сейчас
мы работаем на компьютерах пятого поколения. Что же является определяющим признаком
при отнесении ЭВМ к тому или иному поколению? Это прежде всего их элементная база
(из каких в основном элементов они построены), и такие важные характеристики, как
быстродействие, емкость памяти, способы управления и переработки информации. Конечно
же, деление ЭВМ на поколения в определенной мере условно. Существует немало моделей,
которые по одним признакам относятся к одному, а по другим — к другому поколению.
И все же, несмотря на эту условность поколения ЭВМ можно считать качественными скачками
в развитии электронно-вычислительной техники.

Первое поколение ЭВМ (1948 — 1958 гг.)

Элементной базой машин этого поколения были электронные
лампы – диоды и триоды. Машины предназначались для решения сравнительно несложных
научно-технических задач. К этому поколению ЭВМ можно отнести: МЭСМ, БЭCМ-1, М-1,
М-2, М-З, “Стрела”, “Минск-1”, “Урал-1”, “Урал-2”, “Урал-3”, M-20, «Сетунь»,
БЭСМ-2, «Раздан». Они были значительных размеров, потребляли большую мощность,
имели невысокую надежность работы и слабое программное обеспечение. Быстродействие
их не превышало 2—3 тысяч операций в секунду, емкость оперативной памяти—2К или
2048 машинных слов (1K=1024) длиной 48 двоичных знаков. В 1958 г. появилась машина
M-20 с памятью 4К и быстродействием около 20 тысяч операций в секунду. В машинах
первого поколения были реализованы основные логические принципы построения электронно-вычислительных
машин и концепции Джона фон Неймана, касающиеся работы ЭВМ по вводимой в память
программе и исходным данным (числам).

Этот период явился началом коммерческого применения
электронных вычислительных машин для обработки данных. В вычислительных машинах
этого времени использовались электровакуумные лампы и внешняя память на магнитном
барабане. Они были опутаны проводами и имели время доступа 1х10-3 с. Производственные
системы и компиляторы пока не появились. В конце этого периода стали выпускаться
устройства памяти на магнитных сердечниках. Надежность ЭВМ этого поколения была
крайне низкой.

Второе поколение ЭВМ (1959 — 1967 гг.)

Элементной базой машин этого поколения были полупроводниковые
приборы. Машины предназначались для решения различных трудоемких научно-технических
задач, а также для управления технологическими процессами в производстве. Появление
полупроводниковых элементов в электронных схемах существенно увеличило емкость оперативной
памяти, надежность и быстродействие ЭВМ. Уменьшились размеры, масса и потребляемая
мощность. С появлением машин второго поколения значительно расширилась сфера использования
электронной вычислительной техники, главным образом за счет развития программного
обеспечения. Появились также специализированные машины, например ЭВМ для решения
экономических задач, для управления производственными процессами, системами передачи
информации и т.д. К ЭВМ второго поколения относятся:

·              
ЭВМ М-40, -50 для систем противоракетной обороны;

·              
Урал —11, —14,
—16 — ЭВМ общего назначения, ориентированные на решение инженерно-технических
и планово-экономических задач;

·              
Минск -2, -12, -14 для решения
инженерных, научных и конструкторских задач математического и логического характера;

·              
Минск—22 предназначена
для решения научно-технических и планово-экономических задач;

·              
БЭСМ-3 -4, -6
машин общего назначения, ориентированных на решение сложных задач науки и техники;

·              
М-20, —220, -222
машина общего назначения, ориентированная на решение сложных математических задач;

·              
МИР-1 малая электронная
цифровая вычислительная машина, предназначенная для решения широкого круга инженерно-конструкторских
математических задач,

·              
«Наири» машина общего назначения, предназначенная
для решения широкого круга инженерных, научно-технических, а также некоторых типов
планово-экономических и учетно-статистических задач;

·              
Рута-110 мини ЭВМ общего
назначения;

·              
и ряд других ЭВМ.

ЭВМ БЭСМ-4, М-220, М-222 имели быстродействие порядка
20—30 тысяч операций в секунду и оперативную память — соответственно 8К, 16К и 32К.
Среди машин второго поколения особо выделяется БЭСМ-6, обладающая быстродействием
около миллиона операций в секунду и оперативной памятью от 32К до 128К (в большинстве
машин используется два сегмента памяти по 32К каждый).

Данный период характеризуется широким применением
транзисторов и усовершенствованных схем памяти на сердечниках. Большое внимание
начали уделять созданию системного программного обеспечения, компиляторов и средств
ввода-вывода. В конце указанного периода появились универсальные и достаточно эффективные
компиляторы для Кобола, Фортрана и других языков.

Была достигнута уже величина времени доступа 1х10-6
с, хотя большая часть элементов вычислительной машины еще была связана проводами.

Вычислительные машины этого периода успешно применялись
в областях, связанных с обработкой множеств данных и решением задач, обычно требующих
выполнения рутинных операций на заводах, в учреждениях и банках. Эти вычислительные
машины работали по принципу пакетной обработки данных. По существу, при этом копировались
ручные методы обработки данных. Новые возможности, предоставляемые вычислительными
машинами, практически не использовались.

Именно в этот период возникла профессия специалиста
по информатике, и многие университеты стали предоставлять возможность получения
образования в этой области.

Третье поколение ЭВМ (1968 — 1973 гг.)

Элементная база ЭВМ — малые интегральные схемы
(МИС). Машины предназначались для широкого использования в различных областях науки
и техники (проведение расчетов, управление производством, подвижными объектами и
др.). Благодаря интегральным схемам удалось существенно улучшить технико-эксплуатационные
характеристики ЭВМ. Например, машины третьего поколения по сравнению с машинами
второго поколения имеют больший объем оперативной памяти, увеличилось быстродействие,
повысилась надежность, а потребляемая мощность, занимаемая площадь и масса уменьшились.

В СССР в 70-е годы получают дальнейшее развитие
АСУ. Закладываются основы государственной и межгосударственной, охватывающей страны
— члены СЭВ (Совет Экономической Взаимопомощи) системы обработки данных. Разрабатываются
универсальные ЭВМ третьего поколения ЕС, совместимые как между собой (машины средней
и высокой производительности ЕС ЭВМ), так и с зарубежными ЭВМ третьего поколения
(IBM-360 и др. — США). В разработке машин ЕС ЭВМ принимают участие специалисты СССР,
Народной Республики Болгария (НРБ), Венгерской Народной Республики (ВНР), Польской
Народной Республики (ПНР), Чехословацкой Советской Социалистической Республики (ЧССР)
и Германской Демократической Республики (ГДР). В то же время в СССР создаются многопроцессорные
и квазианалоговые ЭВМ, выпускаются мини-ЭВМ «Мир-31», «Мир-32»,
«Наири-34». Для управления технологическими процессами создаются ЭВМ серии
АСВТ М-6000 и М-7000 (разработчики В.П. Рязанов и др.). Разрабатываются и выпускаются
настольные мини-ЭВМ на интегральных микросхемах М-180, «Электроника -79, -100,
-125, -200», «Электроника ДЗ-28», «Электроника НЦ-60» и
др.

К машинам третьего поколения относились «Днепр-2»,
ЭВМ Единой Системы (ЕС-1010, ЕС-1020, ЕС-1030, ЕС-1040, ЕС-1050, ЕС-1060 и несколько
их промежуточных модификаций — ЕС-1021 и др.), МИР-2, «Наири-2» и ряд
других.

Этот период связан с бурным развитием вычислительных
машин реального времени. Появилась тенденция, в соответствии с которой в задачах
управления наряду с большими вычислительными машинами находится место и для использования
малых машин. Так, оказалось, что миниЭВМ исключительно хорошо справляется с функциями
управления сложными промышленными установками, где большая вычислительная машина
часто отказывает. Сложные системы управления разбиваются при этом на подсистемы,
в каждой из которых используется своя миниЭВМ. На большую вычислительную машину
реального времени возлагаются задачи планирования (наблюдения) в иерархической системе
с целью координации управления подсистемами и обработки центральных данных об объекте.

МиниЭВМ начали применяться и для решения инженерных
задач, связанных с проектированием. Проведены первые эксперименты, показавшие эффективность
использования вычислительных машин в качестве средств проектирования.

Применение распределенных вычислительных систем
явилось базой для децентрализации решения задач, связанных с обработкой данных на
заводах, в банках и других учреждениях. Вместе с тем для данного периода характерным
является хронический дефицит кадров, подготовленных в области электронных вычислительных
машин. Это особенно касается задач, связанных с проектированием распределенных вычислительных
систем и систем реального времени.

Четвертое поколение ЭВМ (1974 — 1982 гг.)

Элементная база ЭВМ — большие интегральные схемы
(БИС). Машины предназначались для резкого повышения производительности труда в науке,
производстве, управлении, здравоохранении, обслуживании и быту. Высокая степень
интеграции способствует увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры,
повышению ее надежности, что ведет к увеличению быстродействия ЭВМ и снижению ее
стоимости. Все это оказывает существенное воздействие на логическую структуру (архитектуру)
ЭВМ и на ее программное обеспечение. Более тесной становится связь структуры машины
и ее программного обеспечения, особенно операционной системы (или монитора) — набора
программ, которые организуют непрерывную работу машины без вмешательства человека.

Характерной чертой данного периода явилось резкое
снижение цен на аппаратное обеспечение. Этого удалось добиться главным образом за
счет использования интегральных схем. Обычные электрические соединения с помощью
проводов при этом встраивались в микросхему. Это позволило получить значение времени
доступа до 2х10 -9 с. В этот период на рынке появились удобные для пользователя
рабочие станции, которые за счет объединения в сеть значительно упростили возможность
получения малого времени доступа, обычно присущего большим машинам. Дальнейший прогресс
в развитии вычислительной техники был связан с разработкой полупроводниковой памяти,
жидкокристаллических экранов и электронной памяти. В конце этого периода произошел
коммерческий прорыв в области микроэлектронной технологии.

Программное обеспечение для малых вычислительных
машин вначале было совсем элементарным, однако уже к 1968 г. появились первые коммерческие
операционные системы реального времени, специально разработанные для них языки программирования
высокого уровня и кросс системы. Все это обеспечило доступность малых машин для
широкого круга приложений. Сегодня едва ли можно найти такую отрасль промышленности,
в которой бы эти машины в той или иной форме успешно не применялись. Их функции
на производстве очень многообразны; так, можно указать простые системы сбора данных,
автоматизированные испытательные стенды, системы управления процессами. Следует
подчеркнуть, что управляющая вычислительная машина теперь все чаще вторгается в
область коммерческой обработки данных, где применяется для решения коммерческих
задач.

Возросшая производительность вычислительных машин
и только появившиеся многомашинные системы дали принципиальную возможность реализации
таких новых задач, которые были достаточно сложны и часто приводили к неразрешимым
проблемам при их программной реализации. Начали говорить о «кризисе программного
обеспечения». Тогда появились эффективные методы разработки программного обеспечения.
Создание новых программных продуктов теперь все чаще основывалось на методах планирования
и специальных методах программирования.

К этому поколению можно отнести ЭВМ ЕС: ЕС-1015,
-1025, -1035, -1045, -1055, -1065 (“Ряд 2”), -1036, -1046, -1066, СМ-1420, -1600,
-1700, все персональные ЭВМ (“Электроника МС 0501”, “Электроника-85”, “Искра-226”,
ЕС-1840, -1841, -1842 и др.), а также другие типы и модификации. К ЭВМ четвертого
поколения относится также многопроцессорный вычислительный комплекс «Эльбрус».
» Эльбрус -1КБ» имел быстродействие до 5,5 млн. операций с плавающей точкой
в секунду, а объем оперативной памяти до 64 Мб. У «Эльбрус-2» производительность
до 120 млн. операций в секунду, емкость оперативной памяти до 144 Мб или 16 М слов
(слово 72 разряда), максимальная пропускная способность каналов ввода-вывода — 120
Мб/с.

“ЭЛЬБРУС-1”

В состав семейства многопроцессорных вычислительных
комплексов входит система Эльбрус-1 с производительностью от 1,5 млн. операций в
сек до 10 млн. операций в сек и высокопроизводительная система Эльбрус-2 с суммарным
быстродействием более 100 млн. операций в сек. Системы Эльбрус-1 и Эльбрус-2 построены
на одних и тех же структурных принципах, их модули функционально идентичны, а их
процессоры имеют одинаковую систему команд и одинаковую по функциям единую операционную
систему (ЕОС).

“ЭЛЬБРУС-2”

Симметричный Многопроцессорный (10 процессоров)
вычислительный комплекс «Эльбрус-2» на матричных ECL БИС, выпущен в 1985
г. (В.С. Бурцев). Производительностью 125 млн. оп/сек (MIPS), емкость оперативной
памяти до 144 Мб или 16 М слов (слово 72 разряда), максимальная пропускная способность
каналов ввода-вывода — 120 Мб/с. Применялся в Центре управления космическими полетами,
в области ядерных исследований (Арзамас-16, Челябинск-70) и на объектах Министерства
обороны.

ЕС-1045

1979 г.-начало выпуска в Ереване и Казане модели
ЕС-1045. Главный конструктор А.Т.Кучукян.

Область применения: вычислительные центры предприятий,
объединений, ведомств. Решение научно-технических планово-экономических и информационно-логических
задач.

Основные характеристики.

·              
Элементная база: интегральные микросхемы малой и средней
степени интеграции;

·              
Производительность – от 660 тыс. операций в секунду
до 800 тыс. операций;

·              
Суммарная пропускная способность каналов — 5 Мб/с;

·              
Объем буферного ЗУ, имеющего цикл 120 нс — 8 Кб;

·              
Объем оперативного ЗУ — 1-4 Мб;

·              
Цикл ОЗУ — 1,2 мкс;

·              
Ширина выборки из ОЗУ — 144 разряда;

·              
Акселератор, ускоряющий выполнение 25 «длинных»
машинных операций;

·              
Возможность подключения матричного процессора ЕС-2345;

·              
Средства прямого управления для создания двухмашинных
комплексов;

·              
Универсальный интерфейс для связи с внешними устройствами;

·              
Пять совмещенных с процессором блок-мультиплексных каналов
с общей пропускной способностью 5 Мб/с;

·              
Два встроенных адаптера канал – канал;

·              
Накопители на сменных магнитных дисках емкостью 29 и
100 Мб;

·              
Накопители на магнитных лентах с плотностью записи 32
и 64 импульсов на 1 мм;

·              
Автоматическая система контроля и диагностики электропитания,
осуществляющая автоматическое измерение и программное изменение напряжений вторичных
источников питания;

·              
Занимаемая основным комплектом площадь — 120 кв. м.;

·              
Рабочая температура окружающего воздуха — 5-40^сС;

·              
Мощность, потребляемая ЭВМ, — 35 кВА.

ЕС-1035Б

Электронная вычислительная машина ЕС-1035Б, относящаяся
к ЕС ЭВМ «Ряд-2», предназначена для решения широкого круга научно-технических, экономических
и других задач и может быть успешно применена в систе­мах пакетной обработки данных
коллективного пользования, в развитых системах телеобработки данных, в системах
реального времени. ЕС-1035Б выпускается в НРБ. Программное обеспечение ЕС-1035 может
работать под управлением операционной системы типа ДОС ЕС или ОС ЕС. Последняя наиболее
эффективно функционирует на моделях ЕС ЭВМ с большим объемом основ­ной памяти (256—512Кбайт).
Эта система обеспечивает работу в одно­программном режиме и режимах мультипрограммирования
с фиксирован­ным или переменным числом задач. ОС ЕС планирует очередность выполнения
задач соответственно заданным приоритетам и реализует динамиче­ское распределение
ресурсов.

Однако серьезные машины работают не только с цифрами,
но и с текстом. Для того чтобы закодировать все цифры, буквы и специальные символы
необходимо было увеличить разрядность процессора. В результате в 1972 году появился
восьмиразрядный i8008, а в 1974 был разработан i8080. Этот восьмиразрядный микропроцессор
был выполнен по NMOS (N-channel Metal Oxide Semiconductor) технологии, а его тактовая
частота не превышала 2 МГц. У него было более широкое множество микрокоманд. Кроме
того, это был первый микропроцессор, который мог делить числа. Процессор i8080 оказал
значительное влияние на дальнейшее развитие вычислительной техники. Таким образом
история развития электроники подошла к созданию персональных компьютеров. Во второй
половине 70-х гг. сложилась благоприятная ситуация для их появления на рынке. Ощущалась
потребность в недорогих ЭВМ, способных поддерживать одно рабочее место. Многие персональные
компьютеры того времени базировались на 8-разрядных процессорах, таких как i8080
и его дальнейшей разработкой компанией Zilog Corporation — Z80. Стандартом операционной
системы для персональных компьютеров стала разработанная компанией Digital Research
CP/M (Control Program for Microcomputers). Она была сделана по образу операционных
систем больших ЭВМ, но размеры были гораздо меньше, что давало возможность работать
на микропроцессоре.

Пятое поколение ЭВМ

На ЭВМ пятого поколения ставятся совершенно другие
задачи, нежели при разработки всех прежних ЭВМ. Если перед разработчиками ЭВМ с
I по IV поколений стояли такие задачи, как увеличение производительности в области
числовых расчётов, достижение большой ёмкости памяти, то основной задачей разработчиков
ЭВМ V поколения является создание искусственного интеллекта машины (возможность
делать логические выводы из представленных фактов), развитие «интеллектуализации»
компьютеров — устранения барьера между человеком и компьютером. Компьютер теперь
используется и дома, это компьютерные игры, прослушивание высококачественной музыки,
просмотр фильмов. Уже сейчас компьютеры способны воспринимать информацию с рукописного
или печатного текста, с бланков, с человеческого голоса, узнавать пользователя по
голосу, осуществлять перевод с одного языка на другой. Это позволяет общаться с
компьютерами всем пользователям, даже тем, кто не имеет специальных знаний в этой
области.

Параллельно с аппаратным усовершенствованием современных
компьютеров разрабатываются и технологические разработки по увеличению количества
инструкций. Первой разработкой в этой области стала MMX (MultiMedia eXtension- «мультимедиа–расширение»)
— технология, которая может превратить «простой» Pentium ПК в мощную мультимедийную
систему.

Как известно, на кристалле процессора Pentium интегрирован
математический сопроцессор. Этот функциональный блок, который отвечает за «перемалывание
чисел», но на практике, подобные возможности требуются все же достаточно редко,
их используют в основном системы САПР и некоторые программы, решающие чисто вычислительные
задачи. У большинства пользователей этот блок просто простаивает.

Создавая технологию MMX, фирма Intel стремилась
решить две задачи: во-первых, задействовать неиспользуемые возможности, а во-вторых,
увеличить производительность ЦП при выполнении типичных мультимедиа-программ. С
этой целью в систему команд процессора были добавлены дополнительные инструкции
(всего их 57) и дополнительные типы данных, а регистры блока вычислений с плавающей
запятой выполняют функции рабочих регистров.

Дополнительные машинные команды предназначены для
таких операций, как быстрое преобразование Фурье (функция, используемая при декодировании
видео), которые зачастую выполняются специальными аппаратными средствами.

Процессоры, использующие технологию MMX, совместимы
с большинством прикладных программ, ведь для «старого» программного обеспечения
регистры MMX выглядят точно так же, как обычные регистры математического сопроцессора.
Однако, встречаются и исключения. например, прикладная программа может одновременно
обращаться только к одному блоку — либо вычислений с плавающей запятой, либо MMX.
В ином случае результат, как правило, не определен и нередко происходит аварийное
завершение прикладной программы.

Технология MMX — это генеральное направление развития
архитектуры процессоров. В первую очередь ее преимущества смогут оценить конечные
пользователи — мультимедиа-компьютеры стали заметно мощнее и дешевле.

Эта идея оказалась настолько удачной, что за ММХ
проследовал «расширенный ММХ», 3DNow!, «расширенный 3DNow!», а потом SSE и сейчас
SSE2.

Кроме технологических решений по увеличению количества
инструкций, велась работа и по улучшению процесса производства. Ведь транзисторов
для обработки информации становилось все больше и больше, и они в конце концов просто
не помещались на кристалл, что приводило к более совершенным решениям. В настоящее
время процессоры Intel выпускаются по техпроцессу с нормой в 0,13 мКм, и на одном
квадратном миллиметре кристалла располагается миллионы транзисторов. Intel планирует
перейти на 0,09 мКм техпроцесс в ближайшем будущем.

Intel Itanium

Последним уже завершенным процессором Intel является
процессов Intel Itanium (IA-64).

По мнению представителей Intel, архитектура процессора
Itanium — это самая значительная разработка со времени презентации 386-го процессора
в 1985 г. Первые образцы 64-разрядного процессора Intel представляют собой картридж
размером примерно 10х6 см, который включает в себя кэш-память третьего уровня емкостью
2 либо 4 Мбайт и радиатор. Картридж монтируется в разъем типа Slot и имеет 418 выводов.
Процессор имеет трехуровневую иерархию сверхоперативной памяти. Если кэш-память
первого и второго уровней интегрирован прямо на кристалле процессора, то микросхемы
кэш-памяти третьего уровня расположены на самой плате картриджа. На реализацию процессора
с соблюдением проектных норм 0,13 мКм потребовалось около 320 млн. транзисторов,
из которых только 25 млн. пришлось на реализацию самого ядра, а остальные — на кэш-память.
Самый большой модуль процессора — это блок вычислений с плавающей запятой, он занимает
около 10% площади кристалла. Производительность Itanium составляет до 6,4 млрд.
операций с плавающей запятой в секунду. Благодаря архитектуре EPIC (Explicitly Parallel
Instruction Computing) и 15 исполнительным устройствам процессор может выполнять
до 20 операций одновременно. При этом он может непосредственно адресовать до 16
Тбайт (2⁴⁰) памяти при пропускной способности до 2,1 Гбайт/с. В процессоре
реализована поддержка всех расширений Intel (технологии MMX, eMMX, SSE, и симметричной
мультипроцессорной обработки), за исключением SSE2.

Intel рассматривает Itanium в качестве родоначальника
нового семейства процессоров, которое будет развиваться в ближайшие 25 лет. За первой
моделью с кодовым названием Merced последуют McKinley, Madison, Deerfield и другие
новые версии. По официальным данным, шесть моделей подобных кристаллов уже находятся
на стадии разработки. Ожидается, что процессор McKinley дебютирует с тактовой частотой
в 2 ГГц или выше. По имеющейся информации, все 64-разрядные процессоры Intel будут
содержать в своем названии слово Itanium, а McKinley, Madison и прочие имена так
и останутся кодовыми названиями. Таким образом, скорее всего официально анонсированы
будут Itanium II, Itanium III и т. д.

Первое поколение компьютеров: от Древнего Рима до Второй Мировой

Лень — двигатель прогресса. Стремление человечества хотя бы частично автоматизировать свою деятельность всегда выливалось в различные изобретения. Математические вычисления и подсчеты также не избежали научного прогресса. Ещё в Древнем Риме местные «таксисты» использовали аналог современного таксометра — механическое устройство, которое определяло стоимость поездки в зависимости от длины маршрута. Время шло, и к середине прошлого века эволюция вычислительных систем привела к появлению нового типа устройств — компьютеров. Тогда, конечно, их так никто не называл. Для этого использовался другой термин — ЭВМ (электронно-вычислительная машина). Но время и прогресс стерли границы между этими определениями. Так как же прогресс дошел до первых ЭВМ и как они работали?

История развития

Арифмометр

Одно из главных событий в истории развития вычислительных систем является изобретение арифмометра. Арифмометр — это механическая вычислительная машина, предназначенная для выполнения алгебраических операций. Первая схема такого устройства датируется 1500 годом за авторством Леонардо да Винчи. Вокруг его схемы в 60-х годах 20 века возникло много споров. Доктор Роберто Гуателли, работавший в IBM с 1951 года по проекту воссоздания машин Леонардо да Винчи, в 1968 году создал копию счетной машины по эскизам 16-го века.

Данная машина представляла собой 13-разрядную суммирующую машину.

В следующем году вокруг этой машины начали появляться различные возражения, а именно по поводу её механизма. Существовало мнение о том, что машина да Винчи представляет собой механизм пропорционирования, а не счетную машину. Также возникал вопрос и о её работе: по идее, 1 оборот первой оси вызывает 10 оборотов второй, 100 оборотов третьей и 10 в степени n оборотов n-ной оси. Работа такого механизма не могла осуществляться из-за огромной силы трения. По итогу голоса сторонников и противников счетной машины Леонардо да Винчи разделились, но, тем не менее, IBM решила убрать эту модель из коллекции

Но, оставим наработки Леонардо Да Винчи. Расцвет арифмометров пришелся на 17 век. Первой построенной моделью стал арифмометр Вильгельма Шиккарда в 1623 году. Его машина была 6-разрядной и состояла из 3 блоков — множительного устройства, блока сложения-вычитания и блока записи промежуточных результатов. 

Копия арифмометра Шиккарда

Также 17 век отметился ещё несколькими арифмометрами: «паскалина» за авторством Блеза Паскаля, арифмометр Лейбница и машина Сэмюэля Морленда. В промышленных масштабах арифмометры начали производиться в начале 19 века, а распространены были практически до конца 20-го.

Аналитическая и разностная машины Бэббиджа

Чарльз Бэббидж — английский математик, родившийся в конце 18 века. На его счету числится большое количество научных работ и изобретений. Но в рамках данной статьи нас интересуют два его проекта: аналитическая машина и разностная машина.

Идея о создании разностной машины не принадлежит Чарльзу Бэббиджу. Она впервые была описана немецким инженером Иоганном Мюллером в книге с очень сложным названием. До конца не ясно, повлияли ли на Бэббиджа идеи Мюллера при создании разностной машины, поскольку Чарльз ознакомился с его работой в переводе, дата создания которого неизвестна.

Книга Иоганна Мюллера

Считается, что основные идеи для создания разностной машины Бэббидж взял из работ Гаспара де Прони и его идей о декомпозиции математических работ. Его идея заключалась в следующем: есть 3 уровня, на каждом из которых математики занимаются решением определенных проблем. На верхнем уровне находятся самые крутые математики и их задача — вывод математических выражений, пригодных для расчетов. У математиков на втором уровне стояла задача вычислять значения функций, которые вывели на верхнем уровне, для аргументов, с определенным периодом. Эти значения становились опорными для третьего уровня, задачей которого являлись рутинные расчеты. От них требовалось делать только грамотные вычисления. Их так и называли — «вычислители». Эта идея навела Бэббиджа на мысль о создании машины, которая могла бы заменить «вычислителей». Машина Бэббиджа основывалась на методе аппроксимации функций многочленами и вычисления конечных разностей. Собственно, поэтому машина и называется разностной. 

В 1822 году Бэббидж построил модель разностной машины и заручился государственной поддержкой в размере 1500 фунтов стерлингов. Он планировал, что закончит машину в течение 3 лет, но по итогу работа была не завершена и через 9 лет. За это время он получил ещё 15500 фунтов стерлингов в виде субсидий от государства. Но всё же часть машины функционировала и производила довольно точные (>18 знаков после запятой) расчеты.

Созданная на основе работ Бэббиджа разностная машина

Во время работы над разностной машиной у Чарльза Бэббиджа возникла идея о создании аналитической машины — универсальной вычислительной машины. Её называют прообразом современного цифрового компьютера, и не зря. Она состояла из арифметического устройства (»мельницы»), памяти (»склада») и устройства ввода-вывода, реализованного с помощью перфокарт различного типа. К сожалению, данная идея осталась лишь на бумаге.

Схема аналитической машины Бэббиджа

Табулятор 

История электромеханических машин начинается в 1888 году, когда американский инженер Герман Холлерит, основатель компании CTR (будущая IBM), изобрел электромеханическую счетную машину — табулятор, который мог считывать и сортировать данные, закодированные на перфокартах. В аппарате использовались электромагнитные реле, известные еще с 1831 года и до Холлерита не применявшиеся в счетной технике. Управление механическими счетчиками и сортировкой осуществлялось электрическими импульсами, возникающими при замыкании электрической цепи при наличии отверстия в перфокарте. Импульсы использовались и для ввода чисел, и для управления работой машины. Поэтому табулятор Холлерита можно считать первой счетной электромеханической машиной с программным управлением. Машину полностью построили в 1890 году и использовали при переписи населения США в том же году. Впоследствии табуляторы использовались вплоть до 1960-х — 1970-х годов в бухгалтерии, учете, обработке данных переписей и подобных работах. И даже если в учреждении имелась полноценная ЭВМ, табуляторы все равно использовали, чтобы не нагружать ЭВМ мелкими задачами. 

Табулятор IBM

Электромеханические машины времен ВМВ

Следующий виток в развитии вычислительной техники пришелся на Вторую мировую войну. Расчетные машины использовали для атак на вражеские шифры, расчета баллистики и при разработке сложных видов вооружения (авиация, ядерное оружие). 

В 1937 году Клод Шеннон в своей работе A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits показал, что электронные связи и переключатели могут представлять выражения булевой алгебры. Машины тех лет можно условно на два типа: электромеханические (основанные на электромагнитных переключателях) и электронные (полностью на электровакуумных лампах). К первым относились американский Harvard Mark I и компьютеры немецкого инженера Конрада Цузе. 

Mark I

Работа над Mark I началась в 1939 году в Endicott laboratories по субподрядному договору с IBM. В качестве основы использовались наработки Чарльза Бэббиджа. Компьютер последовательно считывал инструкции с перфоленты, условного перехода не было, циклы организовывались в виде склеенных в кольцо кусков перфоленты. Принцип разделения данных и инструкций в Mark I получил известность как Гарвардская архитектура. Машину закончили в 1944 году и передали в ВМФ США. Характеристики:

• 765 тысяч деталей (электромеханических реле, переключателей и т. п.)
• Длина — 17 м, высота — 2.5 м, вес — 4.5 тонн
• Потребляемая мощность — 4 кВт
• Объем памяти — 72 числа, состоящих из 23 разрядов (память на десятичных цифровых колесах)
• Вычислительная мощность — 3 операции сложения и вычитания в секунду, 1 операция умножения в 6 секунд, 1 операция деления в 15.3 секунды, логарифм и тригонометрические операции требовали больше минуты.

Mark 1

Z3-Z4

В 1936 немецкий инженер Конрад Цузе начал работу над своим первым вычислителем Z1. Первые две модели из серии Z были демонстративными. Следующий же компьютер, Z3, который закончили в 1941, имел практическое применение: с его помощью делали аэродинамические расчеты (стреловидные крылья самолетов, управляемые ракеты). Машина была выполнена на основе телефонных реле. Инструкции считывались с перфорированной пленки. Так же, как в Mark I, отсутствовали инструкции условного перехода, а циклы реализовывались закольцованной перфолентой. Z3 имел некоторые преимущества перед своими будущими собратьями (ENIAC, Mark I): вычисления производились в двоичной системе, устройство позволяло оперировать числами с плавающей точкой. Так как Цузе изначально исходил из гражданских интересов, его компьютеры более близки к современным, чем тогдашние аналоги. В 1944 году практически был завершен Z4, в котором уже присутствовали инструкции условного перехода. Характеристики Z3:

• Арифметическое устройство: с плавающей точкой, 22 бита, +, −, ×, /, квадратный корень.
• Тактовая частота: 5,3 Гц.
• Средняя скорость вычисления: операция сложения — 0,8 секунды; умножения — 3 секунды.
• Хранение программ: внешний считыватель перфоленты.
• Память: 64 слова с длиной в 22 бита.
• Ввод: десятичные числа с плавающей запятой.
• Вывод: десятичные числа с плавающей запятой.
• Элементов: 2600 реле — 600 в арифметическом устройстве и 2000 в устройстве памяти. Мультиплексор для выбора адресов памяти.
• Потребление энергии: 4 кВт.
• Масса: 1000 кг.

При постройке Z4 Цузе просил финансирование на замену электромагнитных реле полностью электронными схемами (лампами), но ему отказали. У электромеханических машин имелось два существенных недостатка — низкое быстродействие и ограниченная износостойкость контактов (не более 10 млн переключений или 120 суток непрерывной работе при 1 переключении в секунду). Дальнейшая история показала, что перспективный путь — это использование электровакуумных ламп.

Z3

Первые ламповые компьютеры

Однозначно определить первый в мире компьютер сложно. Многими учеными определение первого поколения основывается на вычислительной базе из электронных ламп. При этом первое поколение компьютеров разрабатывалось во время Второй мировой войны. Возможно, созданные в то время компьютеры засекречены и по сей день. В целом выделяют два возможных первенца — ENIAC и Colossus

ENIAC

Electronic Numerical Integrator and Computer (Электронный числовой интегратор и вычислитель) или ENIAC создавался по заказу от армии США для расчета баллистических таблиц. Изначально, подобные расчеты производились людьми и их скорость не могла соотноситься с масштабом военных действий. Построен компьютер был лишь к осени 1945 года. 

Характеристики ENIAC:

• Вес — 30 тонн.
• Объем памяти — 20 число-слов.
• Потребляемая мощность — 174 кВт.
• Количество электронных ламп — 17 468
• Вычислительная мощность — 357 операций умножения или 5000 операций сложения в секунду.
• Тактовая частота — 100 кГц
• Устройство ввода-вывода данных — табулятор перфокарт компании IBM: 125 карт/минуту на ввод, 100 карт/минуту на вывод.

Colossus

Colossus в отличие от ENIAC был очень узконаправленной машиной. Он создавался исключительно с одной целью — декодирование немецких сообщений, зашифрованных с помощью Lorenz SZ. Эта машина было схожа с немецкой Enigma, но состояла из большего числа роторов. Для декодирования этих сообщений было решено создать Colossus. Он включал в себя 1500 электронных ламп, потреблял 8,5 КВт и обладал тактовой частотой в 5.8 МГц. Такое значение частоты достигалось за счет того, что Colossus был создан для решения только одной задачи и применяться в других областях не мог. К концу войны на вооружении Британии стояло 10 таких машин. После войны все они были уничтожены, а данные о них засекречены. Только в 2000 году эта информация была рассекречена.

Реконструированная модель Colossus

Принцип работы

Вакуумные лампы

Радиолампа представляет собой стеклянную колбу с электродами, из которой откачан воздух. Простейшая разновидность ламп — диод, состоящий из катода и анода, а также спирали, разогревающей катод до температур, при которых начинается термоэлектронная эмиссия. Электроны покидают катод и под действием разности потенциалов притягиваются к аноду. В обратном направлении заряд не переносится, так как заряженных ионов в колбе нет (вакуум). При изменении полярности электроны, покинувшие разогретый электрод, будут притягиваться обратно. До второго электрода они долетать не будут, отталкиваясь от него из-за отрицательного потенциала. Если добавить еще один электрод, то получится триод. В электровакуумном триоде устанавливается сетка между катодом и анодом. При подаче на сетку отрицательного потенциала она начинает отталкивать электроны, не позволяя им достичь анода. При подаче модулированного сигнала ток будет повторять изменения потенциала на сетке, поэтому изначально триоды использовали для усиления сигналов.

Радиолампа и схема триггера на двух триодах

Если взять два триода и соединить анод каждого с сеткой другого, то мы получим триггер. Он может находиться в одном из двух состояний: если через один триод идет ток (триод открыт), то на сетке второго триода появляется потенциал, препятствующий току через второй триод (триод закрыт). Если кратковременно подать отрицательный потенциал на сетку открытого триода, то мы прекратим ток через него, что откроет второй триод, который уже закроет первый. Триоды поменяются местами. Таким образом можно хранить один бит информации. Через другие схемы триодов можно строить логические вентили, реализующие конъюнкцию, дизъюнкцию и отрицание, что позволяет создать электронно-вычислительное устройство. 

Запоминающее устройство

На первых порах развития ЭВМ использовались разные подходы к созданию запоминающих устройств. Помимо памяти на триггерах из радиоламп и на электромагнитных реле (как в Z3) имелись следующие виды:

• Память на магнитных барабанах
• Память на электронно-лучевых трубках
• Память на линиях задержки

Линии задержки

Основная идея линий задержки возникла в ходе разработки радаров во время Второй мировой войны. В первых ЭВМ в качестве линий использовались трубки с ртутью (у нее очень низкое затухание ультразвуковых волн), на концах которой располагались передающий и принимающий пьезокристаллы. Информация подавалась с помощью импульсов, модулированных высокочастотным сигналом. Импульсы распространялись в ртути. Информационная емкость трубки в битах равнялась максимальному количеству одновременно передаваемых импульсов. Единица кодировалось присутствием импульса на определенном «месте», ноль — отсутствием импульса. Приемный пьезокристалл передавал импульс на передающий — информация циркулировала по кругу. Для записи вместо регенерации импульсов вводились записываемые. Такой вид памяти использовался в компьютерах EDVAC, EDSAC и UNIVAC I.

Запоминающее устройство на ртутных акустических линиях задержки в UNIVAC I

Запоминающие электронно-лучевые трубки (трубки Уильямса)

При попадании электронного луча на точку на люминофорном экране происходит вторичная эмиссия и участок люминофора приобретает положительный заряд. Благодаря сопротивлению люминофорного слоя, точка долю секунды держится на экране. Однако, если не отключать луч сразу, а сдвинуть его в сторону от точки, рисуя тире, то электроны, испущенные во время эмиссии, поглощаются точкой, и та приобретает нейтральный заряд. Таким образом, если выделить N точек, то можно записать N бит информации (1 — нейтральный заряд, 0 — положительный заряд). Для считывания информации используется доска с электродами, прикрепленная к внешней стороне экрана. Электронный луч снова направляется в точку, и та приобретает положительный заряд независимо от изначального. С помощью электрода можно определить величину изначального заряда (значение бита), однако информация уничтожается (после каждого считывания нужна перезапись). Так как люминофор быстро теряет заряд, необходимо постоянно считывать и записывать информацию. Такой вид памяти использовался в Манчестерском Марк I и Ferranti Mark1; американских IBM 701 и 702

Трубка Уильямса

Магнитные барабаны 

Магнитные барабаны чем-то похожи на современные магнитные диски. На поверхность барабана был нанесен тонкий ферромагнитный слой. Несколько считывающих головок, расположенных по образующим диска, считывают и записывают данные на своей отдельной магнитной дорожке. 

Архитектура фон Неймана

Архитектура фон Неймана строилась на следующих принципах:

• Принцип двоичности:

Информация в компьютере представляется в виде двоичного кода.

• Принцип программного управления:

Программа представляет собой набор команд, которые процессор выполняет друг за другом в определенном порядке.

• Принцип однородности памяти:

Программы и данные хранятся вместе в памяти компьютера.

• Принцип адресуемости памяти:

Память состоит из пронумерованных ячеек, к которым процессор в произвольным момент времени имеет доступ.

• Принцип условного перехода:

В программе возможно присутствие команд условного перехода, которые изменяют последовательность выполнения команд.

Основным недостатком этой архитектуры является ограничение пропускной способности между памятью и процессором. Из-за того, что программа и данные не могут считываться одновременно, пропускная способность между памятью и процессором существенно ограничивает скорость работы процессора. В дальнейшем, данную проблему решили с помощью введения кеша, что вызвало другие проблемы( например, уязвимость Meltdown).

Справедливости ради необходимо уточнить, что данные идеи не являются идеями Джона фон Неймана в полной степени. Также в их разработке участвовали ещё несколько ученых, пионеров компьютерной техники: Джон Преспер Экерт и Джон Уильям Мокли.

Гарвардская архитектура

Гарвардская архитектура была разработана в 30-е годы прошлого века Говардом Эйкеном в Гарвардском университете (Невероятно, но факт). В отличии от архитектуры фон Неймана, Гарвардская подразумевала разные хранилища для данных и инструкций, а также разные каналы их передачи. Такой подход позволял одновременно считывать команда из программы и данные из памяти, что вело к значительному увеличению общей производительности компьютера. Но, в тоже время, такая схема усложняет саму систему. В дальнейшем Гарвардская архитектура проиграла архитектуре фон Неймана, отчасти из-за этого фактора.

Гарвардская архитектура

Языки

В самых первых компьютерах программы считывались с перфоленты (как в Z3 и Mark I). Устройство чтения перфоленты предоставляло управляющему устройство код операции для каждой инструкции и адреса памяти. Затем управляющее устройство все это декодировало, посылало управляющие сигналы вычислительному блоку и памяти. Набор инструкций жестко задавался в схеме, каждая машинная инструкция (сложение, сдвиг, копирование) реализовывалась непосредственно в схеме. В ENIAC для изменения программы его нужно было перекоммутировать заново, на что уходило значительное время. Машинные коды считают первым поколением языков программирования. 

Перфорированная лента с программой вычислений

Первые программисты всегда имели при себе блокнот, в который они записывали наиболее употребляемые подпрограммы — независимые фрагменты программы, вызываемые из главной подпрограммы, например извлечение корня или вывод символа на дисплей. Проблема состояла в том, что адреса расположения переменных и команд менялись в зависимости от размещения в главной программе. Для решения этой проблемы кембриджские программисты разработали набор унифицированных подпрограмм (библиотеку), которая автоматически настраивали и размещали подпрограммы в памяти. Морис Уилкс, один из разработчиков EDSAC (первого практически реализованного компьютера с хранимой в памяти программой), назвал библиотеку подпрограмм собирающей системой (assembly system). Теперь не нужно было собирать программу вручную из машинных кодов, специальная программа (ассемблер) «автоматически» собирала программу. Первые ассемблеры спроектированы Кэтлин Бут в 1947 под ARC2 и Дэвидом Уилером в 1948 под EDSAC. При этом сам язык (мнемоники) называли просто множеством базовых команд или начальными командами. Использовать слово «ассемблер» для процесса объединения полей в командное слово начали в поздних отчетах по EDSAC. Ассемблер можно назвать вторым поколением языков. 

«Начальные команды» для EDSAC

Компьютеры первого поколения в СССР

После Второй мировой войны часть немецких разработок в области компьютерных технологий перешли СССР. Ведущие специалисты сразу заинтересовались возможностями ЭВМ, а правительство согласилось, что устройства для быстрых и точных вычислений — это перспективное направление. 

МЭСМ и БЭСМ

В 1948 году основоположник советской вычислительной техники С.А. Лебедев направил в Академию наук СССР докладную записку: в ней сообщалось о необходимости создания ЭВМ для практического использования и научного прогресса. Для разработки этой машины под Киевом, в Феофании институту отвели здание, ранее принадлежавшее монастырю. Через 2 года МЭСМ (малая электронная счетная машина) произвела первые вычисление — нахождение корней дифференциального уравнения. В 1951 году инспекция из академии наук приняла работу Лебедева. МЭСМ имела сложную трехадресную систему команд и следующие характеристики:

• Тактовая частота — 5 КГц
• Быстродействие — 3000 операций в минуту
• 6000 вакуумных ламп
• Потребляемая мощность — 25 КВт
• Площадь — 60 кв.м
• Ввод данных: перфокарты или магнитная лента
• Память на триггерных ячейках

МЭСМ

В 1950 году Лебедева перевели в Москву. Там он начал работать над БЭСМ-1 и к 1953 году построил опытный образец, отличавшийся отличной производительностью. Характеристики были следующими:

• Быстродействие — до 10000 операций в минуту
• 5000 вакуумных ламп
• Потребляемая мощность — 35 КВт
• Площадь — 1000 кв.м

БЭСМ-1 получилась ЭВМ широкого профиля. Её планировали предоставлять ученым и инженерам для проведения различных работ.

Серия «М» и «Стрела»

В тоже время в Москве велась работа над М-1. М-1 была намного менее мощной, чем МЭСМ, но при этом занимала намного меньше места и тратила меньше энергии. Характеристики М-1:

• 730 вакуумных ламп
• Быстродействие — 15-20 операций в секунду
• Потребляемая мощность — 8 КВт
• Площадь — 4 кв.м
• Память электронно-лучевых трубках

М-1

В 1952 году на свет выпустили М-2. Её мощность увеличилась практически в 100 раз, при этом количество ламп увеличилось только вдвое. Подобный результат получился благодаря использованию управляющих полупроводниковых диодов. Характеристики М-2 были следующие:

• 1676 вакуумных ламп
• Быстродействие — 2000-3000 операций в секунду
• Потребляемая мощность — 29 КВт
• Площадь — 22 кв.м
• Память электронно-лучевых трубках

М-2

В «массовое» производство первой попала «Стрела». Всего было произведено 7 штук. Характеристики «Стрелы» были следующие:

• 6200 вакуумных ламп и 60 тыс. диодов.
• Быстродействие — 2000 операций в секунду
• Потребляемая мощность — 150 КВт
• Площадь — 300 кв.м
• Память электронно-лучевых трубках

Стрела

Во многих смыслах «Стрела» была хуже М-2. Она выполняла всё те же 2 тысячи операций в секунду, но при этом занимала на порядок больше места и тратила в несколько раз больше электричества. М-2 не попала в массовое производство, поскольку её создатели не уложились в срок. М-1 не обладала хорошей производительностью и к моменту, когда М-2 была доведена до ума, «Стрела» была отдана в производство.

Следующий потомок серии «М» — М-3 вышел в 1956 году и был в каком-то смысле урезанным вариантом. Она выполняла порядка 30 операций в секунду, но при этом занимала мало места, благодаря чему пошла в серийное производство. Характеристики М-3 были следующие:

• 774 вакуумных ламп
• Быстродействие — 30 операций в секунду
• Потребляемая мощность — 10 КВт
• Площадь — 3 кв.м

Эпилог

Без технологического рывка, сделанного в 40-е годы, и четко сформированного вектора развития вычислительной техники, возможно, сегодня мы бы и не сидели в компьютерах и телефонах, читая статейки на хабре. Как показал опыт разных ученых, порой уникальные и революционные для своего времени образцы вычислительной техники не были востребованы как государством, так и обществом (например, машины серии Z Конрада Цузе). Переход ко второму поколению компьютеров во многом определился сменой вакуумных ламп на транзисторы и изобретением накопителей на ферритовых сердечниках. Но это уже другая история…

Облачные серверы от Маклауд быстрые и надежные. Без древнего железа.

Зарегистрируйтесь по ссылке выше или кликнув на баннер и получите 10% скидку на первый месяц аренды сервера любой конфигурации!

Эволюция ЭВМ.

Много веков назад люди начали использовать счетные инструменты, первоначально для подсчетов применяли пальцы собственных рук. Народы древней Америки придумали узелковой счет, расположение узелков складывалась в особую систему. Также применялись методы оставления насечек и счетные палочки.
Позднее появился первый прибор для счета – абак. Вычисления прибор производил по разрядам. Около 500 года н.э появилась усовершенствованная версия абака – счеты. Они были эффективны при операциях сложения или вычитания, но плохо справлялись с умножением и делением многозначных чисел. В 1614 году Джон Непер опубликовал работу «Описание удивительной таблицы логарифмов», ученый предложил заменить умножения сложением, а деление вычитанием с применением специальных таблиц, однако применение таблиц было неудобно, поэтому Непер изобрел счетные палочки для быстрого умножения и счетную доску, для которой операции выполнялись в системе двоичного счисления.
В 1623 году В. Шиккард реализовал первое в мире вычислительное устройство, составляющими элементами машины были сумматор и умножитель, также она содержала механизм для записи промежуточных итогов. Более сложную систему придумал Блез Паскаль в 1642 году. Основной элемент его суммирующей машины стал счетчик-регистратор, для вычислений использовалась десятичная система счисления. Среди разработок механических вычислительных машин стоит отметить работы Чарльза Бэббиджа. Чтобы автоматизировать вычисления, в 1823 году Бэббидж сконструировал разностную машину, в которой расчеты производились по схеме аппроксимации функции многочленами и вычисления конечных разностей. По сути устройство было шести цифровым калькулятором. Позже по схемам Бэббиджа была создана программируемая аналитическая машина – предшественница современных ЭВМ. Она весила три тонны. Для каждого вычисления приходилось многократно крутить ручку автомата. Двигатель управлялся перфокартами и барабанами, выполняемые программы представляли собой карты операций. Из-за недостатка финансирования действующая версия аналитической машины была создана лишь в 1906 году.

Герман Холлерит вел работу по созданию табулятора, включающего в себя перфоратор для компостирования карточек, счетчик, считывающее устройство и сортировшик карт. Машина Холлерита использовалась для ускорения обработки результатов 11-й переписи населения 1890 года и справилась с задачей в десятки раз быстрее ручной обработки. Данные в устройстве хранились на перфокартах, одинарными отверстиями обозначали цифры, двойными – буквы. Герман Холлерит стал основателем компании Tabulating Machine Company по производству вычислительных машин, с 1915 года переименованную в знаменитую IBM.

в 1944 году была сконструирована Colossus при содействии Алана Тьюринга, работающего в области теории алгоритмов. Он проводил анализ действий человека при выполнении вычислений, что позднее сформировалось как абстрактная вычислительная машина. Colossus включала 2500 электронных ламп, компьютер характеризовался относительно высоким быстродействием, специализировался на расшифровке сообщений во время второй мировой войны .
В 1945 году появился ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer). ENIAC применялся в баллистике для расчётов таблиц стрельбы, но имел способность решать задачи разных областей науки. Вес машины составлял 27 тонн, в схему входило 17468 ламп, если перегорала хотя бы одна, устройство прекращала работу.

Дальнейшую историю вычислительной техники можно поделить на 5 периодов.

Первое поколение ЭВМ приходится на 1945-1954 годы, основой вычислительных машин были шумные и недолговечные электромеханические реле, электронно-вакуумные лампы, потреблялось большое количество электроэнергии. Программирование происходило путем изменения положения тумблеров и переключателей. В этот период формируется представление о типичной ЭВМ с архитектурой Джона фон Неймана, ее важными составляющими стали центральный процессор, оперативное запоминающее устройство и устройство ввода-вывода. Инструкции для ЭВМ писались на машинном коде, подходили только для определенной модели компьютера. Для хранения данных использовались перфокарты и перфоленты. Оперативная память основывалась на использовании ультразвуковых ртутных линий задержки и электронно-лучевых трубок.
В 1951 году при участии Д. Моучли и Дж. Преспера Эккерта был создан коммерческий компьютер УНИАК (универсальный автоматический компьютер). Всего выпустили 46 экземпляров, вес каждого 13 тонн.
Во втором поколении ЭВМ (1955-1964) на смену громоздким лампам пришли транзисторы. Размеры и стоимость ЭВМ уменьшились, появилась возможность подключения к основные устройствам компьютера разнообразных внешних блоков. К середине 1950-х были разработаны машинно-независимые языки, для них создавались компиляторы – трансляторы программы, составленной на языке высокого уровня в инструкцию близкую к машинному коду. Появились такие языки высокого уровня, как Algol, FORTRAN, COBOL, управление работой ЭВМ осуществлялось через язык управления заданиями, предшественник операционных систем , аналог современных bat и cmd файлов. Данные хранилась с помощью магнитных лент, накопителей на магнитных дисках и флоппи-дисках. Основой ОЗУ стали ферритовые сердечники — полупроводники с магнитными свойствами . До 1964 у компьютеров не было мониторов, впервые они появились у модели IBM 2250, такой монитор был размером 12х12 дюймов с разрешением 1024х1024. Повышались требования к надежности работы ЭВМ, поэтому широко стали внедряться коды для обнаружения и исправления ошибок.

В третьем поколение ЭВМ (1965-1970) стали использоваться малые интегральные микросхемы. На крошечной пластине полупроводникового кристалла размещались десятки элементов. В 1965 году был сформулирован закон Мура, согласно которому число транзисторов на кристалле удваивается каждые 2 года. Появилась кэш-память. Архитектура ЭВМ стала открытой, то есть комплектующие детали подходили для разным моделей ЭВМ. Для автоматического корректирования ошибок широко стали использоваться циклические коды и коды Хемминга.

В 1970-1984 годы появились большие интегральные схемы. Стали использоваться полевые CMOS-транзисторов, на одном кристалле размещали до 10000 элементов, пришло четвертое поколение ЭВМ. Был выпущен первый микропроцессор i4004 с более двух тысяч полупроводников на одной подложке и первый персональный компьютер. В 1976 году Стив Джобе и Стефан Возняк на базе интегрального 8-битного контроллера создали персональный игровой компьютер “Apple”. Одна из главных проблем ЭВМ четвертого поколения – теплоотвод для БИС, требуется постоянное охлаждение, иначе интегральная схема сгорит.

Пятое поколение ЭВМ называют микропроцессорным, началось оно в 1990-е годы. Период характеризуется компьютерами с сотнями параллельно работающих процессоров. В 1985 фирмой Intel был выпущен первый 32-разрядный процессор i80386. Новый процессор был совместим со всеми микропроцессорами, выпущенными фирмой ранее.
В настоящее время говорят о 6-ом поколении ЭВМ. Отчет связывают с 2011 годом. Технологии искусственного интеллекта, применение нейронных сетей, работа с большим объемом данных, десятки тысяч работающих параллельно микропроцессоров характеризуют нынешний этап. Главная идея заключается в создании самообучающейся системы.