Лекции по «Информатике» 2 курс (стр. 8 )

В странах Древнего Востока (Китай, Япония, Индокитай) существовали китайские счеты (на рисунке внизу показан музейный экземпляр «Дракон»). На каждой нити или проволоке в этих счетах имелось по пять и по две костяшки. Счет осуществлялся единицами и пятерками.

В России для арифметических вычислений имелся, как известно, свой прибор - это русские счеты, возникшие в 16 веке. Их первоначальный вид сильно отличался от нынешних счет. Они представляли собой два склады­вающихся ящика, внутри которых были натянуты нити или проволоки с передвигающимися костяшками. Эти счеты создавались для потребностей исчисления налогов в тогдашней России. Чтобы сосчитать налоги, нужно было не только складывать, вычитать, умножать и делить, но и производить операции с обыкновенными дробями (1/3, 1/4,1/6 и т. д.). Впоследствии после перехода к арабским цифрам от второго ящика отказались, и счеты приобрели свой теперешний вид. Кое-где счеты можно встретить и сегодня.

Развитие приспособлений для счета шло в ногу с достижениями математики. Вскоре после открытия логарифмов в 1623г. была изобретена логарифмическая линейка, ее автором был английский математик Эдмонд Гантер. Классическая логарифмическая линейка состоит из трех частей: неподвижной и выдвигающейся деревянных линеек и стеклянного визирного окошка. На линейках нанесены логарифмы чисел. Для выполнения операций умножения или деления нужно сложить или вычесть два отрезка на неподвижной и выдвигающейся линейках. Логарифмической линейке суждена была долгая жизнь: от 17 века до нашего времени. Это приспособление, пригодное для сложных инженерных вычислений еще ваши родители могли использовать при расчетах.

Однако ни римский абак, ни русские счеты, ни английская логарифмическая линейка не означают механизации процесса вычислений. В 17 веке выдающимся французским ученым Блезом Паскалем было изобретено принципиально новое счетное устройство - арифметическая машина. В основу работы этой машина Б. Паскаль положил известную до него идею выполнения вычислений с помощью металлических шестеренок. В 1645 г. им была построена первая суммирующая машина, а в 1675 г. Паскалю удается создать настоящую машину выполняющею все четыре арифметические операции.

Почти одновременно с Паскалем в 1670 - 1680 гг. сконструировал счетную машину великий немецкий математик Готфрид Лейбниц.

Счетные машины Паскаля и Лейбница стали прообразом арифмометра. Первый арифмометр для четырех арифметических действий, нашедший практическое применение, удалось построить только через сто лет, в 1790г., немецкому часовому мастеру Гану. Впоследствии устройство арифмометра совершенствовалось многими механиками из Англии, Франции, Италии, России, Швейцарии. Арифмометры применялись для выполнения сложных вычислений при проектировании и строительстве кораблей, мостов, зданий, при проведении финансовых операций. Однако как бы ни были хороши в свое время арифмометры, все они оставались механическими устройствами, и объем вычислений на них определялся во многом работоспособностью оператора, который часами вращал рукоятку этого аппарата. Настоятельным требованием времени была автоматизация вычислений.

В 1833 г. английский ученый Чарлз Бэбидж, занимавшийся составлением таблиц для навигации, разработал проект «аналитической машины». По его замыслу, эта машина должна была быть гигантским арифмометром с программным управлением. В машине Бэбиджа предусмотрены были также арифметическое и запоминающее устройства. Можно сказать, что его машина была прообразом будущих компьютеров. Но в ней использовались далеко не совершенные узлы, например, для запоминания разрядов десятичного числа в ней применялись зубчатые колеса.

Осуществить свой проект Бэбиджу не удалось из-за недостаточного развития техники, и «аналитическая машина» на время была забыта. Лишь спустя 100 лет машина Бэбиджа привлекла внимание инженеров. В конце 30-х годов 20 века немецкий инженер. Конрад Цузе разработал первую двоичную цифровую машину Z1. В ней широко использовались электромеханические реле, то есть механические переключатели, приводимые в действие электрическим током. В 1941 г. К. Цузе создал машину Z3, полностью управляемую с помощью программы.

Фрагмент аналитической машины Ч. Бэбиджа

В 1944 г. американец Говард Айкен на одном из предприятий фирмы IBM построил довольно мощную по тем временам вычислительную машину «Марк-1». В этой машине для представления чисел использовались механические элементы счетные колеса, а для управления применялись электромеханические реле.

Первое поколение ЭВМ

Резкий скачок в развитии вычислительной техники произошел в 40-х годах, после Второй мировой войны, и связан он был с появлением качественно новых электронных устройств. Это были электронно-вакуумные лампы, возможно, вы их видели в старых радиоприемниках. Электрические схемы, построенные на этих лампах, работали значительно быстрее, чем схемы на электромеханических реле. Кроме того, зна­чительно возросло быстродействие вычислительных машин. В результате релейные машины были очень быстро вытеснены более производительными и надежными

Одна из первых ЭВМ электронными вычислительными машинами (ЭВМ). Применение ЭВМ значительно расширило круг решаемых задач.

Стали доступны задачи, которые раньше просто не ставились поскольку на арифмометрах они могли выполняться десятилетиями и веками.

Первая ЭВМ создавалась в 1943 - 46 гг. в США и называлась она ЭНИАК (ENIAC - Electronic Numerical Integrator and  Calculator - электронно-числовой интегратор и вычислитель). Эта  машина содержала около 18 тысяч электронных ламп, множество  электромеханических реле, причем ежемесячно выходило из строя  около 2 тысяч ламп. У машины ЭНИАК, а также у других первых  ЭВМ, был серьезный недостаток - исполняемая программа хранилась не в памяти машины, а набиралась сложным образом с помощью внешних перемычек.

В 1945 г. появилась знаменитая работа математикафон Неймана, в которой он сформулировал общие принципы работы универсальных вычислительных устройств. Эти принципы, названные впоследствии «принципами фон Неймана», послужили созданию классической архитектуры ЭВМ (см. §8 «Архитектура ЭВМ»). В основу построения ЭВМ был положен принцип программного управления с последовательным выполнением команд и принцип хранения в памяти, исполняемой программы. Все последующие ЭВМ создавались с использованием принципов фон Неймана.

ЭВМ постоянно совершенствовались, благодаря чему к середине 50-х годов  быстродействие удалось повысить от нескольких сотен операций в секунду до нескольких десятков тысяч операций в секунду. Однако, несмотря на это, электронная лампа оставалась самым ненадежным элементом ЭВМ. Использование ламп стало тормозить дальнейший прогресс вычислительной техники.

Впоследствии на смену лампам пришли полупроводниковые приборы, тем самым завершился первый этап развития ЭВМ. Вычислительные машины этого этапа принято называть ЭВМ первого поколения. Однако деление различных ЭВМ на поколения может быть только условным, поскольку в одно и то же время выпускались машины разного уровня.

Характерными чертами ЭВМ первого поколения являются применение электронных ламп в цифровых схемах, большие габариты, а также трудоемкий процесс программирования.

Действительно, ЭВМ первого поколения размещались в больших машинных залах, потребляли много электроэнергии и требовали охлаждения с помощью мощных вентиляторов. Программы для этих ЭВМ нужно было составлять в ма­шинных кодах, и этим могли заниматься только специалисты, знающие в деталях устройство ЭВМ.

Второе поколение ЭВМ

Так сложилось, что разработчики ЭВМ никогда не знали покоя, поскольку вынуждены были вслед за прогрессом в электронной технике заменять элементы в вычислительных машинах на более новые и совершенные элементы. Когда в середине 50-х годов на смену электронным лампам пришли полупроводниковые приборы, начался перевод ЭВМ на полупроводники. Полупроводниковые приборы (транзисторы, диоды) были, во-первых, значительно компактнее своих ламповых предшественников. Во-вторых, они обладали значительно большим сроком службы. В-третьих, потребление энергии у ЭВМ на полупроводниках было существенно ниже. С внедрением цифровых элементов на полупроводниковых приборах началось создание ЭВМ второго поколения.

ЭВМ второго поколения отличаются применением полупроводниковых элементов и использованием алгоритмических языков программирования.

Наиболее распространенными машинами второго поколения были «Эллиот» (Англия), «Сименс» (ФРГ), «Стретч» (США). В СССР были разработаны и широ­ко использовались «Раздан-2», серия машин «Минск», «Урал», «Наири», «Мир». Наиболее совершенной машиной этого поколения была БЭСМ-6, созданная коллективом академика . Эта машина выполняла свыше 1 млн. операций в секунду.

Третье поколение ЭВМ

Очередная смена поколений ЭВМ произошла в конце 60-х годов при замене полупроводниковых приборов в устройствах ЭВМ на интегральные схемы.

Интегральная схема, или, другими словами, микросхема - это небольшая пластинка кристалла кремния. На ней размещаются сотни и тысячи элементов: диодов, транзисторов, конденсаторов, резисторов и т. д. В 1968г. был выпущен первый компьютер на интегральных схемах.

Применение интегральных схем позволило увеличить количество электронных элементов в ЭВМ без увеличения реальных размеров. Быстродействие ЭВМ возросло до 10 миллионов операций секунду. Кроме того, очень важно, что составлять программы для ЭВМ стало п силам простым пользователям, а не только специалистам-электронщикам.

Характерными чертами ЭВМ третьего поколения являются применение интегральных схем и возможность использования развитых языков программирования (языков высокого уровня).

В третьем поколении появились крупные серии ЭВМ, различающиеся своей производительностью и назначением. Это семейство больших и средних машин IBM 360/370, разработанных в СШ Союзе и в странах СЭВ были созданы аналогичные серии машин: ЕС ЭВМ (Единая Система ЭВМ, машины большие и средние), СМ ЭВМ (Система Малых ЭВМ) и «Электроника» (система микро-ЭВМ).