Преподаватель который помогает студентам и школьникам в учёбе.

История развития средств вычислительной техники (подробно)

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ

Неотъемлемое стремление человечества улучшить качество собственной жизни, облегчить себе труд привели к развитию самых разных инструментов и приспособлений, в том числе и к появлению современных компьютеров.

Данная работа посвящена основным моментам в истории развития средств вычислительной техники, а также дальнейшим ее перспективам.

Объектом исследования в работе выступают средства вычислительной техники, применяемые человечеством на всем протяжении своей истории. Предметом исследования данной работы являются способы, методы и алгоритмы, различные устройства и машины для проведения вычислительных операций.

Цель работы – проведение всестороннего комплексного анализа истории развития средств вычислительной техники, выявление общих закономерностей, тенденций и принципов ее развития. Для достижения поставленной цели проведена периодизация отрезков исторического развития средств вычислительной техники.

Работа включает в себя на Структурно работы включает в себя 3 главы, посвященных предмету исследования, связанных между собой эпохами развития средств вычислительной техники, после каждый из которых следуют краткие выводы. Тщательный анализ динамики развития средств и способов организации вычислений, устройств и механизмов арифметического счета, алгоритмов функционирования различных устройств и приспособлений позволяют выявить основные направления модернизации таких предметов, их возможности по решению различных прикладных задач. Исторический вклад средств вычислений в развитие человеческой цивилизации трудно оценить, он глобален, так как предоставил возможности по открытию не только новых континентов земного шара, но и шанс человечеству покорять космическое пространство.

ГЛАВА 1. Истории развития средств и способов вычислений с древних времен до конца XIX века

Еще задолго до появления письменности возникло понятие «число», человек учился считать на протяжении столетий, накапливая и передавая и свой многолетний опыт. Со временем, объемы производимых вычислений постепенно возрастали, а их процедура – усложнялась. Все это приводило к изобретению и разработкам различных приспособлений, устройств, соответственно и алгоритмов работы с ними.

Развитие человеческой цивилизации, возникновение права собственности на земельные участки способствовало становлению и развитию различных способов вычисления площадей участков, и, как следствие, возникновению основ геометрии.

Формирование торгово-денежных отношений и развитие торговли также обуславливали все новые задачи – классический учет товаров и денежных сумм уже сопровождались процедурами расчета налоговых нагрузок (например, церковных десятин), анализа процентной нагрузки в случае займа.

1.1. Домеханический период (с древних времен до середины XVII века).

Самым древним инструментом, позволяющим производить примитивные вычисления, который в распоряжение человечества предоставила сама природа, является рука (прил. А, рис. 1). Стоит отметить, что от пальцевого счета сформировалась и повсеместно применяемая в настоящее время десятичная система счисления – как сумма всех пальцев двух рук.

Несомненно, у пальцевого счета имеются и недостатки, самый существенный – неудобство хранения каких-либо результатов даже в течение короткого времени, ввиду применения рук человеком в повседневной жизни. В качестве выхода из сложившегося положения, человек начал применять вместо пальцев рук небольшие камни, кости животных, ракушки и иной природный материал. Уже в средневековье для организации учета и сборов налоговых платежей человечество пользовалось бирками – разделенными на две продольные части дощечки, одна из которых оставалась у крестьянина, другая – у сборщика подати. При складывании бирок производился подсчет и сравнение зарубок на обеих ее частях, тем самым производился учет уплаты налога.

Индийцы, персы, китайцы – применяли для счета веревки или различные ремни с узелками на них. У американских индейцев такие счетные веревки носили название «куиру». Связанные определенным образом между собой различные хлопчатобумажные или шерстяные нитки представляли собой узелковое письмо. Самое массовое распространение узелковое письмо получило в Южной Америке в XV в. н.э. Данный способ записи чисел инки именовался «кипу», в переводе на современный язык – узел. В зависимости от объекта счета (количество воинов или золота) применялись нити разных цветов, счет имел градацию по уровням (нижний – единицы, средний – десятки, верхний – сотни), а различные формы узлов свидетельствовали о записи разных чисел (1 – узел в виде восьмерки, запись чисел от 2 до
9 применялся узел с соответствующим количеством витков).

Очередной виток в развитии примитивных вычислительных приспособлений человечества обусловлен появлением государств Средиземноморья. Формирование и расширение торговых взаимоотношений между ними способствовало созданию нового инструментов, широко известных практически у всех народов (прил. А, рис. 2).

Истинная история происхождения термина «абак» не ясна, большинство современных историков связывают его с греческим словом «пыль». Данный факт обусловлен тем, что изначально на подготовленной деревянной доске в определенном порядке раскладывали различные однородные предметы – семена, орехи, ракушки или камушки, пересчитывали их. Непосредственно перед указанной процедурой, чтобы они не скатывались, доска покрывалась слоем песка или пыли.

Со временем на досках для подсчета начали появляться полосы (колонки), что позволило ускорить процедуры вычислений, при этом количество предметов в колонках соотносилось разрядам чисел
(1 – единицы, 2 – десятки, 3 – сотни и т.д.). Именно так человечество совершило огромный рывок в произведении расчетов, а абак в дальнейшем многие сотни лет по всему миру помогал экономить время в действиях с большими числами, считаясь первым и основным счетным прибором древних народов.

Известно самые различные виды абака, отличающиеся как временем (VI-IV века до н.э., V-VI, X-XI века н.э.) и местом их изобретения (Древний Вавилон, Древняя Греция, Древний Рим и т.д.), так и устройством и принципом функционирования, но уже незначительно (рис. 1.2).

В процессе развития вычислительных операций с использованием абака отдельное внимание стоит уделить работам по модернизации данного приспособления Гербертом Аврилакского (X век н.э.), который реализовал замену камешков нумерованными жетонами, что имело значение для развития математики, а также разработал соответствующие правила вычисления. Таким образом, им были заложены предпосылки к дальнейшему развитию алгоритмизации задач.

В XV-XVI веках особое распространение в Европе получил счет на линиях и счетные таблицы, порой отличающиеся большим разнообразием (горизонтальные и вертикальные линии как основы табличной системы, применение клеток, различных жетонов и т.п.). Однако в Европе счет на линиях постепенно вытеснялся письменными вычислениями на бумаге, в России же «счет костьми» заменялся на русский абак – счеты.

Уже в начале XVIII века счеты уже имели привычный современному человеку вид, за малым исключением – в них осталось лишь одно счетное поле, на спицах которого размещалось либо 10, либо 4 косточки (своеобразная дань «полушке» – денежной единице в 1/4 копейки).

Естественно, после изобретения абака довольно много различных изобретателей во всем мире пытались придумать самые разные приспособления, способные облегчить процесс вычислений. Особое внимание при этом уделялось процедурам умножения и деления чисел, которые с помощью абака гораздо сложнее реализовать.

Шотландскому математику Джону Неперу (1550-1617) удалось изобрести довольно уникальный инструмент, позволяющий сводить операцию умножения к сложению, посредством складывания особым способом изготовленных палочек (прил. Б, рис. 1).

Стоит отметить, что на этот же инструмент позволял извлекать квадратные и кубические корни, умножать и делить большие числа. Кроме того, Непер предложил счетную доску для операций умножения, деления, возведения в квадрат и извлечения корня в двоичной системе счисления.

Второе изобретение великого шотландского математика – логарифмы, которым он в 1614 г. посвятил целый научный труд «Описание удивительной таблицы логарифмов». Непер самый первый в мире понял, что с помощью логарифмов можно выразить любое число, им были открыты и удивительные свойства логарифмов, благодаря которым сложное действие умножения сводилось к простой операции сложения. Разработанные логарифмические таблицы существенно упростили труд математиков, однако операции с ними оставались достаточно трудоемкими и утомительными, что послужило толчком к механизации логарифмических вычислений.

Одной из самых удачной идей в то время была реализована профессором астрономии Грэшемского колледжа Эдмундом Гюнтера, который построил логарифмическую шкалу, применяемую вместе с двумя циркулями-измерителями. Именно Гюнтер впервые в математическом мире ввел обозначение log и тригонометрические термины «косинус» и «котангенс».
В свою очередь, логарифмическая шкала дала развитие к появлению и повсеместному применению логарифмических линеек, в которые своеобразным образом «встраивали» логарифмические таблицы, широко известные еще со времен Непера.

Первые логарифмических линейки появились между 1620-1630 гг благодаря трудам Уильяма Отреда и Ричарда Деламейна, и изначально имели круглые формы, а уже в 1654 г. англичанином Робертом Биссакером была предложена классическая по форме прямоугольная логарифмическая линейка, известная и в наши дни. Неотъемлемый классический элемент современной логарифмической линейки своеобразный «бегунок» был впервые обоснован в трудах Исаака Ньютона, однако появился лишь спустя век, когда Джон Робертсон разработал линейку для навигационных расчетов.

1.2. Механический период (середина XVII века – до конца XIX века).

В средние века потребность в автоматических вычислениях в крайней степени стала актуальной в связи с резко возросшими торговыми операциями, открытием новых континентов, океаническим судоходством и океаническим судоходством. Для облегчения и ускорения различных расчетных операций разрабатывались самые разнообразные вычислительные устройства. Именно в средневековье появляются различные механизмы – первые суммирующие машины и арифмометры.

В течение почти пяти столетий цифровая вычислительная техника сводилась к простейшим устройствам для выполнения арифметических операций над числами. Основой практически всех изобретений служило зубчатое колесо, рассчитанное на фиксацию 10 цифр десятичной системы счисления (прил. Б, рис. 2).

Леонардо да Винчи в своих трудах «Codex Madrid», «Codex Atlanticus» привел описание и изображение 13-разрядного суммирующего устройства, основу которого составляют стержни с крепящимися на зубчатыми колесами, с одной стороны стержня с большим диаметром, с другой – с меньшим. Расположение стержней устройства обеспечивает вхождение в зацепление колес, при этом 10 оборотов колеса приводит к 1 полному обороту следующего и т.д., обеспечивая рекурсию.

Интересный факт, что в 1969 г. фирма IBM по чертежам Леонардо да Винчи построила работоспособную машину в металле и доказала состоятельность идеи великого ученого. Именно Суммирующую машину Леонардо да Винчи можно считать изначальной вехой в истории цифровой вычислительной техники. Она представляла собой первый цифровой сумматор, прообраз (пока что еще механический и очень примитивный) будущего электронного сумматора – важнейшего элемента современных компьютеров.

Еще один вариант суммирующей машины описал уже через сто с лишним лет после смерти Леонардо да Винчи описал в своих письмах к Иоганну Кеплеру немецкий ученый Вильгельм Шиккард (1592–1636), которую он назвал «счетными часами». Данная машина включала в себя три основных части: суммирующее устройство, множительное устройства, механизм для записи промежуточных результатов. Суммирующее устройство было шестиразрядным, в каждом разряде использовались шестерни с
10 зубцами и колесо с 1 зубом (пальцем), обеспечивающее передачу десятка в следующий разряд. В своих письмах в 1624 г. В. Шиккард сообщал
И. Кеплеру, что изготовил два работающих образца своей машины, однако обе они сгорели во время пожара.

Первую машину, способную производить вычисления самостоятельно, изобрел великий французский ученый Блез Паскаль (1623–1662). Свой первый механический вычислитель, который позволял складывать и вычитать числа, Б. Паскаль сконструировал уже в 1642 г. Сам ученый в дальнейшем изготовил более 50 различных моделей данной машины, в которых он экспериментировал и с материалами, и с формой деталей. Основные идеи, которые представил Б. Паскаль в своих изобретениях, заключались в соотношении чисел с углом поворота счетных колес (каждому числу соответствовал свой угол) и автоматическом переносе десятков, а принцип связанных колес стал основой для разработки и проектирования большинство вычислительных устройств в течении еще следующих трех веков.

В 1673 г. немецкий философ, математик, физик Готфрид Вильгейм Лейбниц (1646-1716) создал «ступенчатый вычислитель» – счетную машину, позволяющую складывать, вычитать, умножать, делить, извлекать квадратные корни, путем добавления к зубчатым колесам специального ступенчатого валика, надолго определивший принципы построения счетных машин.

Впервые «серийное производство» арифмометров организовал Карл Ксавье Томас, который в 1818 г. создал производство арифмометров с различными усовершенствованиями ппо 300-400 экземпляров в год.

Попытка применить в счетных машинах колеса с переменным числом зубцов была впервые предпринята еще итальянцем Джованни Пеленом в 1709 г. Однако, только лишь в 1874 г. В. Т. Однер предложил надежную и простую конструкцию такого колеса – «колесо Однера», ставшим основным узлом многих арифмометров – зубчатка с переменным числом зубцов. После эмиграции В. Однера в Швецию в 1917 г. арифмометры его конструкции продолжали выпускать на заводе им. Дзержинского под маркой «Феликс».

Выводы по главе: На протяжении почти полуторатысячи лет человечество упрощало процедуры вычислений всеми имеющимися путями – от простейших и примитивных приспособлений до первых механических устройств для выполнения арифметических операций над числами. Базой практически всех изобретенных в средние века устройств являлось зубчатое колесо, специально рассчитанное на работу в десятичной системе счисления. Такие устройства внесли существенный вклад в подготовку человечества к разработке фундаментальных основ будущих научных дисциплин – информационных технологий и программирования.

Глава 2. Развитие и становление средств вычислительной техники в XIX-XX веках.

2.1. Электромеханический период (конец XIX века до 40-х годов XX века).

Наименее продолжительным периодом в истории вычислительной техники является электромеханический – с 1888 до 1945 г. Трансформация регистрации перемещений в машинных реализациях прошлого периода в регистрацию сигналов значительно уменьшила габариты устройств и позволила повысить их быстродействие. Однако это было бы невозможно без тщательного исследования и проработки еще несколько базисных принципов и понятий – двоичной системы счисления и математической логики Джорджа Буля.

Полноценно идеи Ч. Бэббиджа по формированию структуры и принципов работы полностью автоматизированной счетной машины были реализованы лишь в середине ХХ века. До этого времени основными препятствиями были механический принцип счета и десятичная система счисления. В XIX веке достижения науки в области электроники и схемотехники привели к созданию высокоскоростных счетных элементов, однако, при переходе на электрические схемы появилась существенная проблема – необходимость фиксация 10 близких значений тока или напряжения в цепи. В тот момент это было труднореализуемым из-за отсутствия стабилизации и случайных колебаний значений величин напряжения. Как следствие, сформировался научные подход, в котором наиболее устойчивым элементом, с помощью которого велся счет, являлось двухпозиционное устройство (элемент с двумя рабочими состояниями).

Существенный вклад в становление и развитие аппарата двоичной системы счисления внес Г. Лейбниц. Уже в середине XVII века он утверждал, что на базе двоичной системы счисления можно сформировать универсальный язык для объяснения явлений и процессов, протекающих в окружающем мире.

Чуть более чем через столетие английский математик Джордж Буль (1815-1864) посвятил свои научные труды разработке универсального двоичного языка. В 1847 году Дж. Буль публикует научную статью «Математический анализ логики», а в 1854 г. – «Исследование законов мышления», именно эти две работы в дальнейшем произвели настоящую революцию в области научных знаний той эпохи и преобразили логику в науку. Именно благодаря трудам данного ученого появилась Булева алгебра, представляющая собой систему обозначений и правил, законов, применимых к самым разным объектам. Пользуясь математическим аппаратом Булевой алгебры у исследователей появились возможности закодировать высказывания с помощью символов, впоследствии манипулировать ими, подобно тому, как в математики оперируют с обычными числами. Каждая величина при этом может принимать лишь одно из двух возможных значений – да/нет, ложь/истина (true/false), 1/0.

В булевой алгебре введены лишь 3 основные операции – и, или, не, хотя сама система допускает множество других операций, но уже именно указанных достаточно для выполнения классических базисных математических операций (сложение, вычитание, умножение, деление, сравнение).

Большинство научных деятелей того времени скептически относились к системе Дж. Буля, однако ее возможности в полной мере оценил американский ученый Чарльз Сандерс Пирс в 1867 г., значительно модифицировав и расширив булеву алгебру и применив ее в электрических переключательных схемах. Электрический переключатель он сопоставил с логическим «вентилем» – либо пропускает ток («истина»), либо нет («ложь»), а позже им же была придумана простая электрическая логическая схема, но, к сожалению, так и не была собрана. Двоичный принцип реализовывался с помощью электромагнитного реле – элемента, находящегося в одном из двух возможных состояний, а переход между этими состояниями осуществляется под воздействием внешнего электрического сигнала.

После открытия электромагнитного реле проблема, заключающаяся в записи с его помощью чисел десятичной системы счисления, не была серьезной – в 1658 г. Б. Паскаль доказал, что любое положительное число может быть основанием системы счисления, а Г. Лейбниц в 1703 г. описал арифметические действия в двоичной системе счисления. Первый электромеханический счетно-аналитический комплекс был создан
Германом Холлеритом в США в 1888 г.

Принцип использования перфокарт, заложенный в сформулированных Ч. Бейбиджом идеях по основам аналитических машины был реализован
в статистическом табуляторе (прил. В, рис. .1), построенном Г. Холллеритом для ускорения обработки результатов переписи населения США в 1890 г.

Основными составными частями механизма, собранного Г. Холлеритом, являлись: вычислительный механизм на основе электромеханических реле, перфоратор и сортировальная машина. Для сравнения: над результатами предыдущей переписи 7 лет работали 500 сотрудников статистической службы США. Данные переписи 1890 года были обработаны
43 сотрудниками на 43 табуляторах Холлерита всего лишь за 4 недели.

Г. Холлерит можно считать «отцом-основателем» целого направления вычислительной техники – счетно-перфорационного, именно на базе разработанных им устройств создавались целые машиносчетные станции для механизированной обработки информации, являющихся прообразом современных вычислительных центров. Табулятор фирмы IBM (прил В,
рис. 1), разработанный в 1920-е годы представлял собой сложнейшее устройство, состоящее из более чем 100 тыс. деталей и 5 км проводов.

Таким образом, начиная с двадцатых годов ХХ века, применение счетно-перфорационной техники является доминирующим направлением развития вычислительной техники в мире.

Распространение счетно-аналитической техники обуславливалось преимуществами перфорационных машин перед арифмометрами – большая скорость и меньшая вероятность ошибок при вычислениях. После ввода исходных данных (отверстия в перфокартах), дальнейшая работа реализуется машинами из состава счетно-аналитического комплекса (САК). Конкретный САК может включать различное число устройств, но с обязательным присутствием следующих 4 блоков: входного перфоратора, контрольника, сортировальной машины и табулятора.

Основной машиной САК является табулятор, включающий в себя независимо от своей конструкции механизмы, обеспечивающие: подачу перфокарт, восприятие пробивок и счет пробивок, печать результатов, управление комплексом.

В начальный период развития перфорационной техники она применялась главным образом в статистике. Со временем все более возрастает ее применение для бухгалтерского учета, а еще чуть позже – САК постепенно начинают применять для выполнения расчетов научного и научно-технического характера.

В СССР первое применение САК в интересах обеспечения и сопровождения научно-технических вычислений в области астрономии реализовано к началу 30-х гг., а с 1938 г. табуляторы применяются в математических исследованиях. В то же время в Академии наук СССР ведутся работы по проектированию и запуску самостоятельной машиносчетная станция. В 1950-е гг. создается электромеханический перфоратор П80-2 (рис. 2.2) с автоматической подачей и откладкой карт и с механизмом дублирования, позволяющим делать пробивки с ранее пробитых перфокарт. Последний крупный проект программно-управляемой релейной машины был выполнен в СССР в 1957 г. Машина «РВМ-1» (рис. 1.6) была создана по проекту Н. И. Бессонова, хотя и с запозданием, но по быстродействию могла соперничать с электронными вычислительными машинами – операцию умножения двух чисел с плавающей точкой с 27-разрядной мантиссой и 6-разрядным порядком производилось за 50 мс.

Однако уже с 1936 г. научной общественности были доступны труды знаменитого Клода Шеннона, в которых он компилировал математическую логику с двоичной системой счисления и электрические цепи. К. Шеннон смог увидеть замечательное сходство булевой алгебры и принципов работы электрических схем, сделав и подтвердив в своих работах вывод о возможности выражения логических отношений (определения истинности), а также выполнении сложных вычислений, посредством электрических цепей, построенных по принципам булевой алгебры. Свои идеи относительно связи между двоичными числами, булевой алгеброй и электрическими схемами
К. Шеннон развил в докторской диссертации, опубликованной в 1938 г., ставшей по истине поворотным пунктом в истории развития современной информатики и вычислительной техники.

К. Шеннон предложил метод, позволяющий определять и измерять информацию в математическом смысле, путем сведения ее к выбору между двумя значениями: «да» и «нет», или двоичными разрядами. Он также ввел определение бита – наименьшей единицы информации в двоичном коде, который применяется в современных компьютерах (bit – biпаrу digit «двоичный разряд»).

Особенно пристальное внимания руководства разных стран уделяли развитию вычислительной техники накануне Второй мировой войны, объективно понимая существенные преимущества машинных способов кодирования и декодирования информации.

В конце 30-х гг. XX в. был построен ряд релейных вычислительных систем, способных выполнять сложные научно-технические расчеты в автоматическом режиме и со скоростью, на порядок превышающей скорость работы арифмометров с электроприводом. Одни из самых крупных проектов в 1940-е гг. были выполнены в Германии (Конрад Цузе, 1910-1995) и США (Дж. Стибиц и Г. Эйкен).

К. Цузе многие ученые считают «изобретателем компьютера», благодаря его серьезным и глубоким исследованиям, в процессе которых он сформировал 6 основных принципов построения будущих компьютеров:

1) двоичная система счисления;

2) использование устройств, работающих по принципу «да/нет» (логические 1 и 0);

3) полностью автоматизированный процесс работы вычислителя;

4) программное управление процессом вычислений;

5) поддержка арифметики с плавающей запятой;

6) использование памяти большой емкости.

Именно К. Цузе первым в мире показал, что обработка данных начинается с бита («да/нет»-статус), ввел термин «машинное слово», объединил в вычислителе арифметические и логические операции, отметив, что «элементарная операция компьютера – проверка двух двоичных чисел на равенство». Самое ироничное то, что в своих исследованиях К. Цузе не имел абсолютно никакого представления не только о таких же исследованиях ученых в США и Англии, но даже о механическом вычислителе Ч. Бэббиджа, созданном в XIX веке.

В 1936 г. К. Цузе запатентовал идею механической памяти, также ему принадлежит идея автоматической рисовальной доски (прообраз современных систем автоматизированного проектирования), много трудов он посвятил разработкам автоматических систем управления.

Одним из своих наиболее выдающихся достижений К. Цузе считал создание языка Plankalkul («исчисление планов») в 1945 г. Данный язык не был привязан к архитектуре и наборам команд конкретной вычислительной машины в отличие от первых языков ассемблера.

Американский математик Джордж Стибиц, во время работы в фирме «Bell Telephone Labs» также пришел к выводу о естественном языке булевой логики, служащим основой работы систем электромеханических реле. Одним из первых он разработал электромеханическую схему для реализации операции двоичного сложения – двоичный сумматор (прил. Г, рис. 1), а уже
в 1939 г. вместе с инженером-электриком Сэмюелом Уильямсом, создал вычислительную машину «Bell-1» для оперирования комплексными числами Дж. Стибиц назвал свою машину табулятором комплексных чисел, и в январе 1940 г. ее начали использовать в управлении фирмы.

В 1942 г. была сконструирована машина «Bell-2», автоматически управляемая программой (в «Bell-1» этого реализовано не было), с применением встроенной системы обнаружения ошибок, прекращающей процесс вычислений в случае отказа (несработки) реле.

Любая новая разработка Дж. Стибица являлась очередным шагом к созданию универсальной цифровой вычислительной машины: «Bell-3» - управлялась с помощью записанной на перфоленту программы и содержала устройство умножения, средства автоматического просмотра таблиц, записанных на бумажную перфоленту, запоминающее устройство на 10 слов.

Последней построенной релейной машиной, стала «Bell-5», оперировавшая 7-разрядными десятичными числами, имевшая арифметику с плавающей точкой и многопроцессорную систему.

В 1937 г. математиком Говардом Эйкеным в США была предложена идея создания большой счетной машины, спонсорам данной работы выступил президент компании IBM Т. Уотсон. Проектирование «Mark-1» началось в 1939 г., строило этот компьютер нью-йоркское предприятие IBM.

В качестве переключательных устройств в машине Г. Эйкена использовались электромеханические реле. Программы обработки данных были записаны на перфоленты. В отличие от Дж. Стибица, Г. Эйкен еще не осознал преимуществ двоичной системы счисления, поэтому данные вводились в машину в виде десятичных чисел, закодированных на перфокартах фирмы IBM (прил. Г, рис. 2).

«Mark-1» достигал почти 17 м в длину и более 2,5 м в высоту, содержал около 750 тыс. деталей, из них 3 304 электромеханических реле. Детали были соединены проводами общей протяженностью около 800 км, а общий вес машины достигал 5 т.

Работа над компьютером «Mark-2», представляющим собой многозадачную машину (наличие нескольких шин позволяло одновременно передавать из одной части компьютера в другую несколько чисел) шла с 1945 по 1947 г. в интересах ВМФ США. Также были созданы третий и даже четвертый варианты компьютера «Mark-1», но уже без поддержки фирмы IBM.

Г. Эйкен, вернувшись в университет, первым в мире начал чтение лекций по новому тогда предмету, получившему название Computer Science – наука о компьютерах. Он же первым предложил использовать машины в деловых расчетах и бизнесе.

2.2. Электронный период (с 40-х годов XX века по настоящее время).

В 40-ые года прошлого века существовали объективные предпосылки к возникновению электронной вычислительной техники (табл. 2.1).

Таблица 2.1 – Основы возникновения электронной вычислительной техники.

№ п/п	Наименование	Характеристика
1	Математические	двоичная система счисления (Г.В. Лейбниц)
1	Математические	алгебра логики (Дж. Буль)
2	Алгоритмические	абстрактная машина Тьюринга
3	Технические	развитие электроники (Т. Эдисон, Г. Браун, М. Бонч-Бруевич)
4	Теоретические	компиляция электроники и логики (К. Шеннон)

Появление электронно-вычислительных машин обусловлено возникновением острой необходимости в очень трудоемких и точных расчетах (атомная физика, теория динамик полета и управления летательными аппаратами и т.п.).

Известный американский математик Н. Винер уже в то время сформировал ряд требований к вычислительным машинам:

1) для обеспечения максимального быстродействия – основываться на электронных лампах;

2) применение более экономичной двоичной, а не десятичной системы счисления;

3) способность к самообучению машины для последующей коррекции своих действия.

С переходом на безынерционные электронные элементы в вычислительной технике наступил существенный прогресс. Вычислительные машины, построенные на электронных триггерных схемах, использующих вакуумные триоды, открыли новое направление в вычислительной технике, их стали называть «электронные вычислительные машины» (прил. Д, рис. 1).

Первой попыткой создания ЭВМ была разработка американского профессора Джона Атанасова, который в 1939 г. опубликовал концепцию современной вычислительной машины:

1) применение электричества и последних достижений электроники;

2) работа основывается на двоичной системе счисления;

3) запоминающее устройство – на основе применений конденсаторов;

4) выполнение расчетов с помощью логических, а не математических действий.

В 1939 г. Дж. Атанасов вместе со своим ассистентом Клиффордом
Э. Берри построил и испытал первую вычислительную машину, предназначенную для решения систем линейных уравнений с тридцатью неизвестными.

Огромное влияние на развитие вычислительной техники оказали теоретические разработки А. Тьюринга, который в качестве вспомогательного средства использовал мощное, хотя и существующее лишь в его воображении, вычислительное устройство, в котором он описал основные свойства современного компьютера: контрольный модуль и читающая/пишущая головки (устройства ввода/вывода) ленты, разделенной на клетки.

Алан Тьюринг участвовал в послевоенные годы в создании мощного компьютера – машины с хранимыми в памяти программами, ряд свойств которой он взял от своей гипотетической универсальной машины. Опытный образец компьютера АСЕ (Automatic Соmputing Engine – автоматическое вычислительное устройство) вступил в эксплуатацию в мае 1950 г.

Первая ламповая машина появилась в конце 1943 года в Англии (Colossus) и содержала в себе около 2000 электровакуумных ламп. Сейчас данная ЭВМ восстановлена и хранится в музее местечка Блетчли-Парк, где она была создана.

В вычислительной технике существует своеобразная периодизация развития ЭВМ, согласно соответствующих поколений (табл. 2.2), основанных на единых научных подходах и технических принципах проектирования и построения. Границы поколений во времени размыты, так как в одно и то же время выпускались машины совершенно разного уровня, а даты фиксированы лишь сроками промышленного производства.

Таблица 2.2 – Поколения ЭВМ.

Поколения ЭВМ	В мире	В России
I поколение	1946-1955	1948-1958
II поколение	1955-1964	1959-1967
III поколение	1964-1973	1968-1973
IV поколение	1974 – по настоящее время

Проект первой в мире ЭВМ был предложен в 1942 г. американцами
Дж. Моучли и Дж. Эккертом – «Эниак» (ЕNIАС, Electronic Numerical Integrator and Calculator – электронный цифровой интегратор и калькулятор), подобно «Марку-1» Г. Эйкена, также предназначалась для решения задач баллистики, однако оказался способен решать достаточно широкий спектр математических задач из самых различных прикладных областей (прил. Д, рис. 2). Роль «Эниака» в развитии вычислительной техники определяется прежде всего тем, что это была первая работающая машина, в которой все действия – арифметические и логические операции, запоминание и хранение информации – были реализованы на электронных схемах.

В 1949 году английский исследователь Морис Уилкс при участии
А. Тьюринга завершил работу над созданием машины «Эдсак» (ЕDSAC, Еlectronic Delay Storage Automatic Calculator – электронный автоматический калькулятор с памятью на линиях задержки), которая полностью соответствовала архитектуре Дж. Неймана.

В 1951 г. при оказании консультативной помощи Дж. Неймана были завершены работы по созданию машины «Эдвак» (ЕDVАС, Electronic Discrete Variable Automatic Computer – электронный дискретный переменный компьютер), с оперативной памятью, в которой уже размещались программы.

В этом же 1951 г. Дж. Моучли и Дж. Эккерт также разработали машину «Юнивак» (UNIVAC, Universal Automatic Computer – универсальный автоматический компьютер) с хранимыми в памяти программами. Таких машин уже было выпущено 48 единиц, однако эта модель не является первым коммерческим компьютером – машина «ЛЕО» (LЕО от Lyons' Electronic Office) начала работать за несколько месяцев до того, как появилась «Юнивак».

В СССР в конце 1948 г. начались первые работы по созданию отечественной ЭВМ С. А. Лебедевым – малая электронная счетная машина (МЭСМ). Лебедев также независимо от Дж. Неймана обосновал принципы построения ЭВМ с хранимой в памяти программой, которые впоследствии и реализовал в МЭСМ. Ее не выпускалась серийно, технические характеристики даже для того времени были весьма скромными, тем не менее МЭСМ позволила опробовать ряд конструктивных и технологических принципов, используемых в вычислительной технике и до сих пор.

Наиболее же существенным результатом эксплуатации МЭСМ явилась подготовка первых в стране программистов и решение ряда принципиальных вопросов методики программирования.

У ЭВМ первые поколения выделяются следующие особенности: электронно-вакуумные лампы составляли базу, быстродействие достигало 10–20 тыс. операций в секунду, емкость оперативной памяти – до 2 Кбайт или 2048 машинных слов длиной 48 двоичных знаков, а процесс программирования бы в машинных кодах и крайне трудоемкий.

Важное событие, определившее возможность перехода на новую элементную базу в производстве компьютеров, произошло в 1926 г. Джулиус Эдгар Лилиэнфилд получил патент на «Метод и прибор для управления электрическими токами», в результате которого в 1948 г. сотрудники фирмы «Bell Telephone Laboratories» Дж. Бардин, У. Брайттен и У. Шокли разработали электронный прибор, способный заменить электронную лампу, – первый точечный германиевый транзистор. Его достоинства крайне велики и значимы для всей схемотехники в целом: 1 транзистор заменял 40 электронных ламп, работал с большей скоростью, выделяет крайне мало тепла и почти не потребляет электроэнергии, средний срок службы в тысячи раз превосходит продолжительность работы ламп.

Изменилась и технология соединения элементов, появились первые печатные платы. Такая формальная замена одного типа элементов на другой существенно повлияла на все характеристики ЭВМ: габариты, надежность, производительность, условия эксплуатации, стиль программирования и работы на машине. Изменился технологический процесс изготовления ЭВМ.

В 1959 г. в МГУ завершилась разработка уникальной троичной ЭВМ «Сетунь» (прил. Е, рис. 1), под руководством Н.П. Брусенцова, единственной в своем роде ЭВМ, не имеющей аналогов в истории вычислительной техники. В троичной цифровой вычислительной технике Н.П. Брусенцов применил трехзначные сигналы и трехстабильные элементы памяти (триты), которые могут принимать три значения (-1, 0, +1), и использовал аналог байта – трайт (шестерка тритов).

В 1964 г. начался выпуск ЭВМ семейства «Урал» второго поколения. Разработка этих ЭВМ велась в Пензенском научно-исследовательском институте математических машин (НИИММ), а выпускались они на Пензенском заводе вычислительных электронных машин (ВЭМ).

Примерно в эти же года было организовано производство ЭВМ
«Минск-2», первая универсальная советская ЭВМ второго поколения, предназначенной для решения общих научных и инженерных задач. В 1966 г. была завершена разработка «БЭСМ-6», выпускавшуюся потом 20 лет –
с 1967-го по 1987-й года. Серийный выпуск ЭВМ «Раздан» был начат
в 1958 г. Ереванском научно-исследовательском институте математических машин (ЕрНИИММ).

Если рассматривать зарубежные разработки, несомненно, особое внимание стоит уделить разработкам Массачусетского технологического института, в котором был разработан первый экспериментальный компьютер на транзисторах ТХ-0 (1953-1955 гг). В 1955 г. Bell Laboratories анонсировала первый полностью транзисторный компьютер TRADIC, который содержал 700-800 транзисторов и 10 000 диодов.

В 1958 г. была создана система SAGE (Semi-Automatic Ground Environment), осуществлявшая объединение радарных станций США и Канады в первую крупномасштабную компьютерную сеть. Воздушная система защиты базировалась на компьютере «Whirlwind II» (прил. Е,
рис. 2). В 1959 г. был создан первый мини-компьютер, предназначенный для управления технологическими процессами с обработкой информации о протекающем процессе, подназванием PDP1, разработанный корпорацией «DEC» (Digital Eguipment Corporation). Среди серийных моделей универсальных компьютеров следует отметить компьютеры «Гамма-60» и «Атлас», в которых впервые была применена страничная организация машинной памяти, а высокое номинальное быстродействие компьютера достигалось за счет применения мультипрограммного управления (одновременно могло выполняться до 4 команд), высокочастотных транзисторов, высокой скорости работы арифметического устройства, внутренних и внешних запоминающих устройств.

С 1955 по 1961 г. в США фирмой IBM разрабатывался проект «Stretch», оказавший большое влияние на развитие структуры универсальных компьютеров.

Машинам второго поколения была свойственна программная несовместимость, которая затрудняла организацию крупных информационных систем. Поэтому в середине 60-х г. наметился переход к созданию компьютеров, программно совместимых и построенных на микроэлектронной технологической базе.

Третье поколение ЭВМ обязано своему появлению новой элементной базе – интегральным схемам. Впервые идея создания интегральных схем была выдвинута в 1952 г. в Англии Дж. Даммером, а в 1958 г. Джон Килби впервые создал опытную интегральную схему, и уже в 1962 г. было начато их промышленное производство.

Первый экспериментальный компьютер на интегральных схемах был создан фирмой «Texas Instruments» в 1961 г в интересах ВВС США. Вначале для производства компьютеров использовались схемы малой степени интеграции (МИС). Совершенствование технологии позволило усложнить микросхемы, появились микросхемы средней степени интеграции (СИС). Ко всем достоинствам ЭВМ третьего поколения добавилось еще и то, что их производство оказалось дешевле, чем производство машин второго поколения. Благодаря этому, многие организации смогли приобрести и освоить такие машины, что привело к росту спроса на универсальные ЭВМ, предназначенные для решения самых различных задач.

В 1963 г. фирма американская IBM разработала целое семейство машин – «Система-360» (IBM/360), включающая в себя сразу 6 моделей машин, с разными техническими характеристиками и стоимостью. Огромное влияние IBM в мире вычислительной техники открыло перед «Системой-З60» широкие возможности: ее распространение привело к созданию новой отрасли промышленности – производству полностью совместимых модулей вычислительных комплексов.

Дальнейшим развитием IBM/360 стали системы 370, 390 и System z. Архитектура IBM/360 была настолько удачной, что стала де-факто промышленным стандартом вплоть до сегодняшнего дня. Многие другие фирмы стали выпускать совместимые с IBM/360 вычислительные машины, например, семейство 470 фирмы Amdahl, мейнфреймы Hitachi, UNIVAC 9200/9300/9400 и др.

В СССР IBM/360 была клонирована в серии машин ЕС ЭВМ. Благодаря широкому распространению IBM/360, изобретенные для нее
8-битные символы и 8-битный байт как минимально адресуемая ячейка памяти стали стандартом для всей компьютерной техники. Также IBM/360 была первой 32-разрядной компьютерной системой.

Старшие модели семейства IBM/360 и последовавшее за ними семейство IBM/370 были одними из первых компьютеров с виртуальной памятью (соответственно со страничной и сегмент ной адресацией памяти) и первыми серийными вычислительными машинами, поддерживающими реализацию виртуальных машин. Именно в семействе IBM/360 впервые был использован микрокод для реализации отдельных команд процессора.

Дальнейшее развитие микроэлектроники привело к созданию возможности размещать на одном кристалле тысячи интегральных схем.
В 1971 г. компания Intel выпустила важное для развития вычислительной техники устройство – микропроцессор Intel-4004. На одном кристалле удалось сформировать минимальный по составу аппаратуры процессор, содержащий 2250 транзисторов. Первый универсальный микропроцессор Intel-8080, явившийся стандартом микрокомпьютерной технологии и созданный в 1974 г., содержал уже 4500 элементов и послужил основой для создания первых персональных компьютеров. Именно так произошел переход от третьего к четвертому поколению ЭВМ, которыми человечество активно пользуется и в настоящее время.

В 1979 г. был выпущен универсальный 16-битный микропроцессор Motorolla-68000 с 70 тыс. элементов, а в 1981 г. – первый 32-битный микропроцессор Hewlett Packard с 450 тысячами элементами. Для сравнения: СБИС микропроцессора Pentium IV включает в себя 7,5 млн транзисторов.

Компьютеры по своим характеристикам становятся настолько разнообразными, что их начинают классифицировать по размерам и функциональным возможностям, по назначению, по совместимости и другим различным критериям.

Выводы по главе: Необходимость проведения массовых расчетов (в самых различных сферах и отраслях знаний – экономике, статистике, управлении, планировании и т.п.) и объективные достижения электротехники (электромеханическое реле) привели к созданию электромеханических средств вычисления. Дальнейшие возрастающие потребности человечества во всех научных сферах и успехи в микроэлектронике привели к появлению электронных вычислительных машин, что постепенно привело к закату эры электромеханических средств вычисления, развивавшихся вплоть до середины 50-х гг. прошлого века.

Динамика развития средств вычислений в XX веке показала все величие человеческой мысли и гениальность инженеров. Современные многопроцессорные и многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних устройств, обладающие очень высоким быстродействием (десятки миллионов операций в секунду), огромной емкость оперативной памятью (десятки гигабайт) позволяют решать самые сложные научные расчеты и технические вычисления .

ГЛАВА 3. Перспективные направления развития средств вычислительной техники. Компьютеры будущего.

Прогресс в развитии вычислительной техники с первого по четвертое поколение был связан с развитием элементной базы. Переход к компьютерам пятого поколения предполагает переход к новым технологиям и архитектурам, ориентированным на создание искусственного интеллекта. Определить требования к компьютерам пятого поколения чрезвычайно трудно, потому что они все еще находятся в стадии разработки.

В 1982 г. в Японии был учрежден комитет по разработке компьютеров новых поколений (ICOT), который разработал план создания компьютера пятого поколения. Комитет определил следующие основные требования к компьютерам пятого поколения:

1) создание развитого человеко-машинного интерфейса (распознавание речи, образов);

2) развитие логического программирования для создания баз знаний и систем искусственного интеллекта;

3) создание новых технологий в производстве сверхбольших интегральных схем;

4) создание архитектур компьютеров и вычислительных комплексов с новыми возможностями:

– возможностью взаимодействия с ЭВМ с помощью естественного языка, человеческой речи и графических изображений;

– способностью системы обучаться, производить ассоциативную обработку информации, делать логические суждения, вести «разумную» беседу с человеком в форме вопросов и ответов;

– способностью системы «понимать» содержимое базы данных, которая при этом превращается в базу знаний, и использовать эти знания при решении задач.

Эти возможности ЭВМ пятого поколения (машины баз знаний, универсальные решатели задач и т.д.) должны были быть реализованы аппаратно-программно.

Однако планы создания специализированных «интеллектуальных» компьютеров, а тем более – попытки произвести с их помощью очередную компьютерную революцию пока оказались невыполнимыми.

Идет дальнейшее совершенствование технологии производства микросхем и вычислительной техники, но так ожидаемый переход к принципиально новым технологиям компьютеров пятого поколения не произошел. Однако технология производства микропроцессоров уже приближается к фундаментальным ограничениям. Закон Гордона Мура гласит, что плотность транзисторов в микросхеме удваивается каждые полтора года. Последние двадцать лет этот закон выполнялся, однако, следуя этому закону, к 2025–2030 гг. размеры транзистора должны уменьшиться до четырех-пяти атомов.

Продолжается дальнейшее развитие архитектур компьютеров. Интенсивные разработки ведутся по многим направлениям. Особенностью этих архитектур является то, что все они основаны не на кремниевых технологиях.

К технологиям, способным экспоненциально увеличивать производительность компьютеров, следует отнести:

– создание молекулярных компьютеров;

– создание биокомпьютеров (нейрокомпьютеров);

– разработку квантовых компьютеров;

– разработку оптических компьютеров.

Молекулярные компьютеры – вычислительные системы, использующие вычислительные возможности молекул (преимущественно органических). В молекулярных компьютерах используется идея вычислительных возможностей расположения атомов в пространстве.

ДНК-компьютер – вычислительная система, использующая вычислительные возможности молекул ДНК. Функционирование ДНК-компьютера сходно с функционированием теоретического устройства, известного в информатике как машина Тьюринга, особое место при этом отводится ДНК-процессорам.

Нейрокомпьютеры – это компьютеры, которые состоят из большого числа параллельно работающих простых вычислительных элементов (нейронов). Элементы связаны между собой, образуя нейронную сеть. Они выполняют единообразные вычислительные действия и не требуют внешнего управления. Большое число параллельно работающих вычислительных элементов обеспечивают высокое быстродействие. Архитектура нейрокомпьютеров иная, чем у обычных вычислительных машин. Микросхемы близки по строению нейронным сетям человеческого мозга.

Квантовый компьютер – вычислительное устройство, которое путем выполнения квантовых алгоритмов использует при работе квантово-механические эффекты. Атом – «удобное» хранилище информационных битов: его электроны могут занимать лишь ограниченное число дискретных энергетических уровней. Так, атом высокого энергетического уровня мог бы служить логической единицей, а низкого – логическим нулем. Очевидным недостатком здесь является нестабильность атома, поскольку он легко меняет энергетический уровень в зависимости от внешних условий.

Оптические компьютеры используют в своей работе физические законы и возможности оптики, генерации и детектирования оптических сигналов, а также оптических логических элементов, управляемых светом.

Выводы по главе: Дальнейшая потребность человечества в быстрых и точных вычислениях, позволяющих упростить и украсить жизнь, ставит перед исследователями новые задачи, требующие нетривиального решения. Разработка новых технологий уже связана с отказом от классических подходов, основанных на применении в ядрах процессоров кремния.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Развитие человеческой цивилизации неотъемлемо связано с развитием научных знаний и инструментов труда (техники), которыми пользуются люди. Потребности человечества всегда ставили перед учеными трудные и порой нерешаемые на первый взгляд задачи, однако, накопленный многовековой опыт и знания позволяли находить соответствующие решения.

Особенностью домеханического периода истории вычислительной техники являлось удобство использования подручных средств счета, однако, все время возрастающий объем производимых вычислений требовал проведения модернизации применяемых средств. Существенный вклад математиков средневековья в развития средств счета значительно позволили человечеству упростить ряд проводимых расчетных операций, но и при этом не удовлетворяли все также возрастающим требования вновь открывшихся научных областей знания (астрономия, география).

С научно-технической революцией, открытием электричества и исследованиями в области схемотехники, появлялись новые инструментальные возможности по повторному изобретению машин, способных решать поставленные задачи перед исследователями, но уже совершенно на другом, более качественном уровне – с высоким быстродействием, точностью. Гений человеческого разума позволил реализовать функционал многотонных и ужасно больших вычислительных машин всего на одной печатной плате, помещающейся на ладони, причем все это в течение какого-то столетия – миг в истории, который позволил человечеству свершить громадный научно-технологический прорыв.

К сожалению, в настоящей работе очень трудно подробно рассмотреть крайне широкое разнообразие средств вычислительной техники сквозь призму истории компьютерного мира, но основные вехи этого направления, от первых счетных приспособлений до современных перспективных средств, освещены в полном объеме.

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Иванов А. А. История развития информатики / А. А. Иванов. – М.: Образ, 2000 – 432 с.

2. Савельев Е. К. Информационная эпоха / Е. К. Савельев. – СПб. : Питер, 2003 – 218 с.

3. Петров Ю.П. История и философия науки. Математика, вычислительная техника, информатика / Ю.П. Петров. – СПб. : БХВ-Петербург, 2005 – 309 с.

4. Малиновский Б.Н. История вычислительной техники влицах /
Б. Н. Малиновский. – Киев, 1995 – 164 с.

5. Морозов Ю.М. История и методология вычислительной техники: учеб. пособие / Ю.М. Морозов. – М.: Академия, 2012 – 312 с.

6. Гутер Р.С. От абака до компьютера / Р.С. Гутер – М.: Знание, 1981.

7. Поликарпов В.С. История науки и техники / В.С. Поликарпов. – М.: Феникс, 1999 – 122 с.

8. Таненбаум Э. Архитектура компьютера / Э.Таненбаум. – 5-е изд. – СПб.: Питер, 2007.

9. История информатики в России. / Рос. акад. наук; отв. ред.
А.С. Алексеев. – М.: Наука, 2003 – 210 с.

10. Ланина Э.П. История развития вычислительной техники /
Э.П. Ланина. – Иркутск: ИрГТУ, 2001 – 198 с.

11. Леонтьев В.П. Большая энциклопедия компьютера и Интернета /
В.П. Леонтьев. – М.: ОЛМА Медиа Групп, 2006 – 200 с.

12. Цилькер Б. Организация ЭВМ и систем / Ю.Я. Цилькер, С.А. Орлов. СПб.: Питер, 2007 – 672 с.

13. История отечественной электронной вычислительной техники / сост. С.А. Муравьев. – М.: Столичная энциклопедия, 2014 – 576 с.

14. Казакова И.А. История вычислительной техники: учеб. пособие. Пенза: Изд-во ПГУ, 2011 – 232 с.

15. Гутер Р.С. От абака до компьютера. / Р.С. Гутер, Ю.Л. Полунов. –
2-е изд. – М.: Знание, 1981.

16. Кудрявцев Н.Г. Элементарные основы информатики: учебное пособие / Н.Г. Кудрявцев, Д.В. Кудин, М.Ю. Беликова – Горно-Алтайск: РИО ГАГУ, 2015 – 100 с.

17. Могилев А.В. Информатика: Учеб. пособие для студ. пед. вузв / А.В.Могилев, Н.И. Пак, Е.К. Хеннер; Под ред Е.К. Хеннера. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Изд. центр «Академия», 2004 – 848 с.

18. Информатика. Базовый курс: учебник для вузов / под. ред.
С.В. Симоновича. – СПб. : Питер, 2014. – 564 с.

19. Микушин А.В. Цифровые устройства и микропроцессоры /
А.В. Микушин. – М. : БХВ-Петербург, 2010. – 338 с.

20. Душкин А.В. Информационные технологии и системы : учебник /
А.В. Душкин и др. – Воронеж : Научная книга, 2012. – 568 с.

21. Столлингс В. Структурная организация и архитектура компьютерных систем : пер. с англ. / В. Столлингс. – М. : Вильямс, 2012. – 896 с.

22. Евреинов Э.В. Цифровая и вычислительная техника /
Э.В. Евреинов – М.: Радио и связь, 1991. – 257 с.

23. Нешумова К.А. Электронные вычислительные машины и системы / К.А. Нешумова. – М.: Высшая школа, 1989. – 354 с.

24. Апокин И.А. История вычислительной техники. – М. : Наука ,
1990. – 264 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Средства и приспособления счета