ТЕХНОЛОГИИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ. История развития средств вычислительной техники.

Содержание:

Введение

Ничто не воплощает современную жизнь лучше, чем компьютер. Само слово «компьютер» означает «вычислитель», т.е. устройство для вычислений Хорошо это или плохо, компьютеры проникли в каждый аспект нашего общества. Сегодня компьютеры делают гораздо больше, чем просто вычисляют: сканеры супермаркетов рассчитывают наш счет за продукты, сохраняя при этом инвентарь магазина; компьютеризированные телефонные коммутационные центры воспроизводят трафик на миллионы звонков и обеспечивают беспрепятственную связь; а банкоматы (АТМ) позволяют проводить банковские операции практически из любой точки мира.

Полная история вычислений будет включать в себя множество из различных устройств, таких как древние китайские счеты, жаккардовый ткацкий станок (1805) и аналитическая машина Чарльза Бэббиджа (1834). Мы рассмотрим этапы развития механических, аналоговых и цифровых вычислительных архитектур. В 1960-х годах механические устройства, такие как калькулятор Марчанта, все еще находили широкое применение в науке и технике. На самом деле, уже в конце 1960-х годов, аналоги компьютеров обычно использовались для решения систем конечно-разностных уравнений возникающие при моделировании нефтяных пластов. Эволюция цифровых вычислений часто подразделяется на целые поколения. Каждое поколение характеризуется значительными улучшениями над предыдущим поколением в технологии, используемой для построения компьютеров, внутренняя организация компьютерных систем и языков программирования. Следующая история была организована с использованием этих широко признанных поколения.

Глава 1. Ручной этап вычисления (с древних времен до н.э.)

Вестоницкая кость

Уже в тридцатом тысячелетии до новой эры люди пользовались бирками для счета, это доказывает найденная при раскопках древнего поселения «Дольни Вестоници» на юго-востоке Чехии «вестоницкая кость» с зарубками. Вестоницкая кость представляла собой кость длинной около семнадцати сантиметров с 55 глубокими зарубками. Первые двадцать пять зарубок были размещены группами по пять. За ними шла зарубка двойной длины, символизирующая окончание этого ряда. Далее, с новой зарубки двойной длины начинался новый ряд зарубок.

Узелковое письмо

Так называемое узелковое письмо - Кипу (от слова quipu, означающего на языке кечуа «узел») - мнемоническая и счетная система, которая использовалась еще в до инкских цивилизациях с III тысячелетия до нашей эры. Впрочем, такая ранняя находка единична — следующая датируется уже VII веком нашей эры. Кипу существовали до 1725 года, однако к этому времени искусство их чтения было уже фактически утрачено.

Данная система позволяла осуществлять сбор и хранения информации, относящейся к разного рода учету. В кипу хранилась информация о количестве человек живших в поселения, возраст людей.

Кипу представляет собой несколько нитей — на каждой из нитей находится несколько узелков, с различным плетением. Информационно значимым было количество нитей (их число в некоторых кипу доходило до двух тысяч), их цвета, длина, число узелков на каждой, способ их плетения, а также различные элементы, которые в нити вплетали, — ракушки или части растений.

На данный момент понятно значение только самых простых элементов кипу.

Числовые данные передавались способом вязки узлов. Известно, что численная система была десятичной. При помощи таких «цифр» кодировались отдельные значения.

1.3. Абак

Абак является самым древним из известных вычислительных устройств.

Слово abacus латинское. Оно взято из греческого слова АБАК что означает «плоская поверхность». Предшественники счет - счетные доски - были просто плоскими поверхностями. Чаще всего это были просто доски или столы, на которых можно было перемещать камешки или камни, чтобы показать сложение или вычитание.

Счеты состоят из деревянной рамы, стержней и бус. 

Каждый стержень представляет собой разное значение - единицы, десятки, сотни, тысячи и т.д. Каждый шарик представляет собой число, обычно 1 или 5, и может перемещаться вдоль стержней. Сложение и вычитание могут быть легко выполнены путем перемещения шариков вдоль проводов на счетах.

Самые ранние счетные столы или доски, возможно, были просто линиями, нарисованными на песке. Они превратились в настоящие столы с углублениями в них для перемещения счетчиков.

Поскольку счетные доски часто делались из материалов, которые со временем портились, их было найдено мало. Самая старая найденная счетная доска называется «Табличка Саламиса». Он был найден на острове Саламин, греческом острове, в 1899 году. Вавилоняны его использовали около 300 г. до н.э. Рисунки людей, использующих счетные доски, были найдены в тот же период времени.

Есть свидетельства того, что люди использовали счеты в древнем Риме (753 г. до н.э. - 476 г. до н.э.). Несколько ручных счетов с этого времени были найдены. Они очень маленькие, умещаются на ладони. У них есть прорези с бусинками, которые можно перемещать вперед и назад в прорезях, похожих на счетчики на счетной доске. Поскольку такое небольшое количество их было найдено, они, вероятно, не получили широкого распространения. Тем не менее, они напоминают китайские и японские счеты, предполагая, что использование этих счётов распространилось из Греции и Рима в Китай, а затем в Японию и Россию.

Глава 2. Механический этап вычисления

2.1. Счетная машина Леонардо да Винчи

Историю механического этапа развития вычислительной техники можно начать вести с 1492 года, когда Леонардо да Винчи (1452-1519) разработал чертеж счетной машины и описал его в своих дневниках известных, как двухтомник «Мадридский Кодекс». Продолжительное время эти дневники пролежали в национальной Библиотеке Испании, пока 13-го февраля 1967 года не были найдены американскими исследователями.

Среди чертежей первого тома «Мадридского кодекса», который был полностью посвящен прикладной механике, ученые нашли эскиз 13-разрядного суммирующего устройства с десятизубцовыми кольцами.

Основу счетной машины составляли стержни с двумя зубчатыми колесами, большое - с одной стороны и маленькое - с другой. Судя по эскизу Леонардо да Винчи, эти стержни были расположены так, чтобы маленькое колесо на одном стержне входило в сцепление с большим колесом на соседнем стержне. При такой сборке десять оборотов первого стержня приводили к одному полному обороту второго стержня, а десять оборотов второго - к одному полному обороту третьего стержня и так далее. Вся система состояла из тринадцати стержней и приводилась в движение набором грузов.

2.2. Вычисляющие часы Шиккарда

Вычисляющие часы Шиккарда известны как одно из изобретений в области счетных механизмов. Этот аппарат стал первым механическим калькулятором, который с легкостью мог производить четыре арифметические операции. Устройство было отнесено к часам, так как в его основе лежал схожий принцип работы: на шестеренках и звездочках. Счетные часы стали новым этапом в развитии вычислительных механизмов. Счетная машина Шиккарда выполняла четыре операции с числами с шестью разрядами и представляла собой три отдельных механизма: суммирующий, множительный и механизм для записи чисел.

Суммирующий механизм состоял из двух рядов осей с десятизубчатыми шестеренками, надетыми на них. Верхний ряд содержал шесть осей, на которых находились однозубчатые колесики, диски для набора цифр и барабаны с цифрами в форме цилиндров. В нижнем ряду было всего пять осей, где размещались только десятизубчатые колесики.

Чтобы произвести операцию сложения, нужно было последовательно набрать слагаемые, используя специальные диски, а для процесса вычитания – ввести уменьшаемое и вычитаемое. При сложении и вычитании отличие было в том, что диски для набора делали обороты в разные стороны.

Суммирующий аппарат подходил и для деления: с помощью поочередного вычитания двух составляющих операции деления и записи количества произведенных расчетов можно было получить итоговый результат.

Для умножения в счетном аппарате Шиккарда использовалась решетчатая система, которая уже была базой для палочек Непера.

А третий раздел аппарата предназначался для записи чисел, которые должны были быть не больше шестого разряда. Это можно было сделать с помощью оборотов цилиндров, где следовало установить нужные цифры.

Вычисляющие часы Шиккарда заложили фундамент в развитии счетных механизмов. Практическое применение это устройство нашло в научной деятельности астронома и математика Иоаганна Кеплера. В городе Вайле, на родине ученого, в доме-музее сохранилась копия вычисляющих часов Шиккарда.

2.3. Суммирующая машина Паскаля

Паскаль изобрел и создал первый цифровой калькулятор, чтобы помочь своему отцу вести утомительный налоговый учет. Отец Паскаля был сборщиком налогов в городке Руан.

Устройство называлось калькулятором Паскаля или Паскалином или Арифметикой. В течение следующего десятилетия Паскаль продолжал совершенствовать свою конструкцию и в общей сложности создал пятьдесят машин Паскалина.

Первый Pascaline мог обрабатывать только 5-значные числа, но позже Pascal разработал 6-значные и 8-значные версии Pascaline. У калькулятора были металлические колесные диски, которые с помощью стилуса поворачивались на соответствующие цифры; ответы появились в полях в верхней части калькулятора. Он был рассчитан на полированную медную коробку размером примерно 350 на 125 мм на 75 мм. Это было достаточно компактно, чтобы нести. Сверху был ряд из восьми подвижных циферблатов с цифрами от 0 до 9, которые используются для добавления столбца до восьми цифр. Правый циферблат представлял денье, следующий циферблат представлял су, а остальные были для ливров, в современных франках. Машины могут быть использованы одинаково хорошо для пенсов, шиллингов и фунтов.

Машина может складывать, вычитать, умножать и делить. Умножение и деление было несколько трудно сделать, выполняя умножение и деление путем повторного сложения и вычитания. Фактически, машина действительно могла только добавить, потому что вычитания были выполнены с использованием методов дополнения, в которых число, которое нужно вычесть, сначала преобразуется в его дополнение, которое затем добавляется к первому числу. Эти две операции стали возможными, если бы умножение считалось формой сложения, а деление - формой вычитания. Например, чтобы умножить 1234 на 567, нужно зарегистрировать 1234 семь раз, начиная со шкалы справа. Следующий набор будет использоваться для регистрации 1234 шесть раз. Наконец, следующий набор будет регистрироваться 1234 пять раз. Потяните за ручку, и ответ появится. Достаточно интересно.

У Паскаля были проблемы с дизайном калькулятора, связанные с дизайном французской валюты в то время. В ливре было 20 золей, а в золе 12 денье. Эта система оставалась во Франции до 1799 года, но в Британии система с аналогичными коэффициентами продолжалась до 1971 года. Паскалю пришлось решать гораздо более сложные технические задачи, чтобы работать с этим делением ливры на 240, чем если бы было деление на 100.

Паскаль попытался запустить машину в производство для собственной выгоды. Это не было успешное предприятие, но оно привело к большому количеству единиц, сохранившихся до наших дней. Все они немного отличаются в том, что они имеют разное количество цифр в аккумуляторе или имеют небольшие различия во внутренних механизмах. Ни одна из выживших моделей не функционирует очень хорошо, и сомнительно, чтобы они функционировали идеально даже во времена Паскаля. Механизм, хотя и гениальный, довольно деликатный и склонен давать ошибочные результаты, если с ним не обращаться с особой тщательностью. Некоторые из них, например, будут генерировать дополнительные переносы в определенных точках аккумулятора, если они ударяются или даже слегка стукнутся.

2.4. Счетная машина Лейбница

В 1673 году немецкий математик и философ Готфрид Вильгельм Лейбниц нарисовал свой механизм вычислительной машины. Используя ступенчатый барабан, пошаговый счетчик Лейбница, механизированное умножение, а также сложение путем выполнения повторяющихся сложений. Механизм со ступенчатым барабаном, или колесо Лейбница, был единственным работоспособным решением некоторых проблем вычислительной машины примерно до 1875 года. Технология оставалась в использовании до начала 1970-х годов в ручном калькуляторе Curta. У Лейбница была только деревянная модель и два рабочих образца изготовленного из металла, один из которых был утерян. Его изобретение ступенчатого счетчика было опубликовано в статье 1710 года и других публикациях. Тем не менее, машина стала достаточно известной, чтобы иметь большое влияние.

Лейбниц задумал идею вычислительной машины в начале 1670-х годов с целью усовершенствования калькулятора Блеза Паскаля, Паскалина. Он сосредоточился на расширении механизма Паскаля, чтобы он мог умножать и делить. Первая зарегистрированная информация содержится в письме французского математика Пьера де Каркави (Carcavy) от 20 июня 1671 года, в котором машина Паскаля упоминается как «la machine du temps passé». 1 февраля 1673 года Лейбниц продемонстрировал деревянную модель своего калькулятора в Лондонском королевском обществе, хотя машина еще не могла выполнять умножение и деление автоматически. В письме от 26 марта 1673 года Иоганну Фридриху, где он упомянул презентацию в Лондоне, Лейбниц описал назначение «арифметической машины» как выполнение вычислений «leicht, geschwind, gewiß», то есть легкий, быстрый и надежный. Лейбниц также добавил, что теоретически рассчитанные числа могут быть настолько большими, насколько это необходимо, если размер машины скорректировать. 9 января 1675 года Лейбниц продемонстрировал усовершенствованную версию вычислительной машины в Королевской академии наук в Париже, а 4 октября 1676 года, когда он окончательно уехал из Парижа, взял еще одну улучшенную модель, чтобы показать Ольденбург в Лондоне.

После отъезда Лейбница работа над вычислительной машиной продолжалась под наблюдением его датского друга Фридриха Адольфа Хансена (1652-1711), и Лейбниц продолжал переписываться с Оливье. Лейбницкий архив включает три письма Оливье от 24 марта и 29 июля 1677 года и 15 ноября 1678 года; действительно, Лейбниц, похоже, приложил некоторые усилия, чтобы Оливье позвонил в Ганновер, чтобы продолжить свою работу. Примерно после 1678 года работа над машиной, похоже, прекратилась, пока Лейбниц не начал разрабатывать новый прототип в начале 1690-х годов. В какой-то момент деревянная модель Лейбница и его первая металлическая машина были потеряны. Вторая машина, которая была построена с 1690 по 1720 год, сохранилась в Niedersächsische Landesbibliothek, Ганновер.

2.5. Разностная машина Чарльза Бэббиджа

Разностная машина - это калькулятор. Он создает числовые таблицы, используя математическую технику, известную как метод разности. Сегодня такие таблицы - часто используемые в навигации и астрономии - будут рассчитываться и храниться в электронном виде. Почти полтора столетия назад «Разностная машина» выполняла почти ту же работу, но медленно и механически.

Два шведа, Георг Шойц и его сын Эдвард, построили машину Смитсоновского института в 1853 году. Каждый из его длинных валов содержит диски, и каждый диск имеет колеса с десятью зубцами, которые соответствуют меткам на дисках. Ученый мог бы установить диски с известными цифрами, нечетными или четными, повернуть рукоятку и, считав на каждом валу, найти результат расчета. Эта «машина» может также распечатать свои ответы. Проданный обсерватории в Олбани, штат Нью-Йорк, он был передан Смитсоновскому институту в 1963 году.

Шойцы не интересовались приятным дизайном. Их устройство работало хорошо, поскольку они до практического завершения следовали концепциям одного из самых блестящих умов 19-го века. Изобретатель и философ, Бэббидж создал прототип оригинального двигателя различий еще в 1822 году, затем продолжал добавлять уточнения, даже не доработав его. Он с энтузиазмом одобрил работу своих друзей Георга и Эдварда Шойца. В течение многих лет они дорабатывали свою машину, мысли изобретателя нащупывали механическое устройство, которое выходило бы далеко за рамки расчетов. На самом деле он будет хранить данные, которые он произвел, а затем повторно использовать информацию, чтобы добавить больше. Бэббидж назвал этот процесс «двигателем, питающимся собственным хвостом».

То, что он предвидел, было примитивным компьютером..

Глава 3. Электро-механический этап вычисления

3.1. Механическое вычислительное устройство Z1, Z2, Z3, Z4

Создание первого действительно работающего компьютера (1941) и первого языка программирования высокого уровня (1945) – принадлежит немецкому инженер-строителю Цузе (Konrad Zuse).

Первая разработка появилась в 1938 году с названием Z1. Это был двоичный механический вычислитель с электрическим приводом и ограниченной возможностью программирования при помощи клавиатуры. Результат вычислений в десятичной системе отображался на ламповой панели. Построенный на собственные средства и деньги друзей и смонтированный на столе в гостиной родительского дома, Z1 работал ненадёжно из-за недостаточной точности выполнения составных частей. Впрочем, будучи экспериментальной моделью, ни для каких практических целей он не использовался.

Вторая мировая война сделала невозможным общение Цузе с другими энтузиастами создания вычислительной техники в Великобритании и Соединённых Штатах Америки. В 1939 году Цузе был призван на военную службу, однако сумел убедить армейских начальников в необходимости дать ему возможность продолжить свои разработки. В 1940 году он получил поддержку Исследовательского института аэродинамики, который использовал его работу для создания управляемых ракет. Благодаря ей Цузе построил доработанную версию вычислителя — Z2 на основе телефонных реле. В отличие от Z1, новая машина считывала инструкции перфорированной 35-миллиметровой киноплёнки. Она тоже была демонстрационной моделью и не использовалась для практических целей.

Удовлетворённый функциональностью Z2, в 1941 году Цузе создал уже более совершенную модель — Z3, которую сегодня многие считают первым реально действовавшим программируемым компьютером. Впрочем, программируемость этого двоичного вычислителя, собранного, как и предыдущая модель, на основе телефонных реле, также была ограниченной. Несмотря на то, что порядок вычислений теперь можно было определять заранее, условные переходы и циклы отсутствовали. Тем не менее, Z3 первым среди вычислительных машин Цузе получил практическое применение и использовался для проектирования крыла самолёта.

В Германии Конрад Цузе начал строительство Z4 в 1943 году при финансовой поддержке Министерства авиации. Как и его Z3, Z4 использовал электромеханические реле, отчасти из-за трудностей с приобретением примерно 2000 необходимых вакуумных трубок в военной Германии. Z4 был эвакуирован из Берлина в начале 1945 года, и в конечном итоге он оказался в Хинтерштейне, небольшой деревне в Баварских Альпах, где он оставался до тех пор, пока Цузе не доставил его в Федеральный технический институт в Цюрихе, Швейцария, для ремонта в 1950 году.

Чтобы продолжить разработку аппаратного обеспечения, Цузе сделал ряд достижений в разработке программного обеспечения. Цузе использовал представления чисел с плавающей точкой - значащие цифры, известные как мантисса, хранятся отдельно от указателя на десятичную точку, известную как экспонента, что позволяет обрабатывать очень большой диапазон чисел – это намного опережало время. Кроме того, Цузе разработал богатый набор инструкций, правильно обрабатывал бесконечные значения и включил в себя «no-op», то есть инструкцию, которая ничего не делала. Только значительный опыт программирования может показать необходимость чего-то столь бесполезного. Программа Z4 была перфорирована на использованном фильме и была отделена от механической памяти для данных (другими словами, не было сохраненной программы). Машина была относительно надежной (обычно она работала всю ночь без присмотра), но не имела способности принимать решения. Сложение заняло 0,5-1,25 секунды, умножение 3,5 секунды

3.2. ABC — первое цифровое вычислительное устройство

Компьютер Атасова Берри, позже названный ABC, был построен в Университете штата Айова в 1939-1942 годах профессором физики доктором Джоном Винсентом Атанасоффом и его аспирантом Клиффордом Берри. Атанасов был профессором математики и физики, а 1920-е и 30-е годы были временем активных открытий и новых теорий для научных дисциплин, особенно для физики. Работа доктора философии Атанасова «Диэлектрическая проницаемость гелия» была исследованием теоретической физики, опубликованная в «Физическом обзоре». Том 36 (7) в 1930 году. Работа Атанасова потребовала большого количества математических вычислений, которые он выполнял на калькуляторе Монро, в то время это передовая вычислительная машина, но которой все еще требовало часы и часы вычислений. Позже, будучи профессором в государственном колледже штата Айова, Атанасофф стремился повысить скорость и точность научных расчетов путем разработки электронного цифрового компьютера. Это усилие привело к ABC.

Первоначальная мысль Атанасофа состояла в том, чтобы улучшить существующие вычислительные машины, особенно табулятор IBM. Он и А.Е. Брандт, профессор статистики в государственном колледже штата Айова, внесли изменения в табулятор IBM, чтобы он мог решать проблемы при анализе сложных спектров. Эта работа была опубликована в журнале «Оптическое общество Америки» в 1936 году. В то время работа авторов не была высоко оценена IBM, чьи корпоративные чиновники видели, что их машина использовалась в целях, для которых она не предназначена.

Его следующая попытка заключалась в создании аналогового калькулятора под названием «лаплациометр». Лаплациометр Atanasoff-Hannum-Murphy, небольшая аналоговая капиллярная машина, имела успех с точки зрения точных расчетов; но Atanasoff все еще не был удовлетворен своей надежностью, поскольку его компоненты должны были быть в идеальном рабочем механическом состоянии, чтобы гарантировать точность. Как инженер-электрик, математик и физик, мысли Атанасова обратились к использованию электроники в качестве возможного решения проблем точности и скорости при выполнении научных расчетов. Существующие учебники и исследования оказались бесполезными, и его разочарование усилилось, когда он почувствовал, что все ближе и ближе к главному открытию, но все же почему-то не смог собрать все свои идеи воедино. Зимой 1937 года Атанасов совершил свою печально известную поездку через границу Айовы, к маленькому дому в Иллинойсе, где он остановился, чтобы выпить, и наконец смог расслабиться и позволить идеям течь.

Четыре идеи, которые пришли вместе, были:

Он будет использовать электричество и электронику в качестве носителя для компьютера.

Несмотря на обычай, он использует два числа основания для своего компьютера.

Он будет использовать конденсаторы для памяти и будет использовать регенеративный или «беговой» процесс, чтобы избежать провалов, которые могут быть вызваны утечкой энергии.

Он будет вычислять путем прямого логического действия, а не путем подсчета, как это используется в существующих аналоговых расчетных устройствах.

Следующий год он проводил, планируя свой компьютер, и в марте 1939 года подал в колледж официальное заявление на финансирование ассистента выпускника и материалов. Колледж штата Айова утвердил грант в размере 650 долларов. Атанасов нанял Клиффорда Берри, и они начали создавать прототип первого в мире электронного цифрового компьютера. В декабре 1939 года Атанасов и Берри продемонстрировали эту машину должностным лицам колледжа и получили дополнительное финансирование для создания полномасштабной машины, которая получила название ABC.

К концу весны 1940 года машина уже была готова к завершению, и они представили рукопись, описывающую детали компьютера, для получения патента (который никогда не будет подан в Государственный колледж штата Айова), так и для подачи заявки на дополнительное финансирование для уточнения и совершенствования конструктивных и эксплуатационных особенностей. Поскольку сборка машины продолжалась, Клиффорд Берри написал руководство для ABC. Летом 1941 года Джон Мочли посетил Атанасова в Эймсе, чтобы увидеть азбуку.

Глава 4. Электронный этап вычисления

4.1. I поколение

Первое поколение компьютеров разрабатывалось в период с 1945 по 1956 год. Компьютер ENAIC был предназначен для решения широкого класса численных проблем путем перепрограммирования в 19 - м веке.

В этом поколении в основном использовалась операционная система пакетной обработки. Перфокарты, бумажная лента и магнитная лента использовались в качестве устройства ввода и вывода. Компьютеры этого поколения использовали машинный код в качестве языка программирования. Ранним компьютерам первого поколения давались инструкции, закодированные на машинном языке, то есть код, который обозначает электрические состояния в компьютере как комбинации нулей и единиц. Подготовка программы или инструкций была чрезвычайно утомительной, и ошибки были распространены. Джон Маучли, американский физик, и Дж. Преспер Экерт, американский инженер, изобрели и сделали электронный цифровой компьютер в Школе инженерии Мура в Университете Пенсильвании в Филадельфии.

Хотя ENIAC был разработан и в основном использовался для расчета таблиц артиллерийского обстрела для Лаборатории баллистических исследований армии Соединенных Штатов, его первые программы включали изучение возможности использования термоядерного оружия. Компьютер был основан на некоторых концепциях, разработанных Аланом Тьюрингом. Алан Тьюринг был страстным и известным британским математиком, в основном известным тем, что задумывал современные вычисления, анализируя, что значит, для человека следовать определенному методу или процедуре для выполнения задачи. Для этого он придумал идею «Универсальной машины», которая могла бы декодировать и выполнять любой набор инструкций. Десять лет спустя он превратил эту революционную идею в практический план для электронного компьютера, способного запустить любую программу.

Первые поколения компьютеров обладали характеристиками, которые отличали их от любого другого поколения компьютеров. В первом поколении компьютеров использовались две основные технологии, которые помогали компьютерам функционировать так, как этого хотели изобретатели. Эти компьютеры были большими и очень ненадежными. Они нагреваются и часто отключаются и могут быть использованы только для очень простых вычислений.

4.2. II Поколение

Период второго поколения был 1953-1963 гг. Компьютеры второго поколения заменили вакуумные трубки на транзисторы. Транзистор представляет собой небольшое устройство, используемое для усиления его электрического входа. Транзисторы, используемые во втором поколении компьютеров, были намного лучше, чем вакуумные трубки, используемые для компьютеров первого поколения, поскольку это сильно повлияло на то, что они изменили характеристики второго поколения компьютеров. Например, используемые транзисторы позволили и сделали компьютеры второго поколения меньше, быстрее, дешевле, менее энергозатратными и надежнее, чем их предшественники первого поколения. Несмотря на то, что транзистор все еще генерировал большое количество тепла, которое повредило компьютер, это было значительное улучшение по сравнению с вакуумной трубкой.

В этом поколении магнитные сердечники использовались в качестве первичной памяти, а магнитная лента и магнитные диски - в качестве вторичных запоминающих устройств. Основными особенностями второго поколения являются; использование транзисторов, надежные по сравнению с компьютерами первого поколения, меньшего размера по сравнению с компьютерами первого поколения, выделяют меньше тепла по сравнению с компьютерами первого поколения и т. д. После изобретения транзисторов из лаборатории Беллс в 1947 году эти транзисторы немедленно заменили все вакуумные трубки; развитие уменьшило размер компьютеров второго поколения и увеличило и улучшило эффективность компьютеров.

Компьютер второго поколения отличается от первого поколения главным образом из-за добавления набора регистров индекса и арифметических схем. Эта схема может обрабатывать операции как с плавающей, так и с фиксированной точкой, поскольку они имеют отдельные операции ввода и вывода. Примером второго поколения компьютеров был IBM 7090.

IBM 7090 была самой мощной системой обработки данных в то время. Полностью транзисторная система имеет вычислительные скорости в шесть раз выше, чем у ее предшественника с вакуумными лампами, IBM 709. Хотя IBM 7090 была системой обработки данных общего назначения, разработанной с особым вниманием к потребностям проектирования ракет, реактивных двигателей двигатели, ядерные реакторы и сверхзвуковые самолеты. IBM 7090 содержал более 50 000 транзисторов плюс чрезвычайно быстрое хранилище на магнитных сердечниках. Новая система может одновременно считывать и записывать со скоростью 3 000 000 бит в секунду, когда используются восемь каналов данных. За 2,18 миллионов долей секунды он может найти и подготовить к использованию любые из 32 768 номеров данных или команд (каждая из 10 цифр) в хранилище магнитного сердечника.

Технология, использованная при создании компьютеров второго поколения, принесла много преимуществ и недостатков как для пользователей, так и для компьютерной эры. Например, это сделало компьютеры второго поколения более надежными, меньшими по размерам по сравнению с первым, использовалось меньше энергии, не нагревалось как компьютеры первого поколения, лучшая портативность, лучше и быстрее в работе, скорость, это позволяло вычислить данные в микросекундах, улучшить точность и автоматизацию. Однако недостатки используемой технологии заключались в том, что, хотя она выделяла меньше тепла, она все еще требовала охлаждения, а также постоянного обслуживания.

4.3. III Поколение

Период третьего поколения компьютеров был между 1964-1971 гг.. В этом поколении вместо транзисторов, используемых во втором поколении компьютеров, использовались интегральные схемы, а используемые интегральные схемы были отличительной чертой компьютеров третьего поколения. Интегральная схема представляет собой небольшой чип, который может функционировать как усилитель, микропроцессор или даже больше памяти компьютера. Интегральные схемы (ИС) полностью изменили вычислительную среду в 1960-х годах.

Интегральные схемы были изобретены Джеком Килби. Джек Килби, американский инженер-электрик, принимавший участие в реализации первой интегральной схемы. Дальнейшее развитие технологии, используемой в компьютерах третьего поколения, сделало компьютеры более компактными, надежными и эффективными. Основными особенностями компьютеров третьего поколения было то, что они; использовали интегральные схемы, надежные по сравнению с предыдущими двумя поколениями, меньшие по размеру, генерирующие меньше тепла, более быстрые с точки зрения скорости, меньшего технического обслуживания, все еще дорогостоящие, требующие переменного тока и потребляющие меньше электроэнергии. Примером компьютера третьего поколения была серия IBM-360.

Серия IBM-360 была самым быстрым и мощным компьютером, который когда-либо использовался. Он был специально разработан для высокоскоростной обработки данных для научных приложений, таких как исследование космоса, теоретическая астрономия, субатомная физика и глобальное прогнозирование погоды. По оценкам IBM, каждый день использования модели 360 будет решаться более 1000 задач, включая около 200 миллиардов вычислений.

Интегральные схемы, использованные в компьютерах третьего поколения, имели много преимуществ и недостатков. Например, одним из преимуществ компьютеров третьего поколения было то, что оно было более надежным, что означало, что компьютеры третьего поколения неизменно были хорошими по качеству и производительности. Другим примером преимущества компьютеров третьего поколения было то, что они потребляли меньше энергии и производили меньше тепла по сравнению с компьютерами двух предыдущих поколений. Однако, несмотря на то, что они производили меньше тепла, они все равно требовали кондиционирования воздуха, что было одним из огромных ограничений третьего поколение компьютеров.

Однако, поскольку компьютеры третьего поколения в то время были очень сложной технологией, для производства интегральных микросхем \ требовалась огромная сумма денег, а это означало, что процесс производства и изготовления компьютеров третьего поколения был дорогостоящим.

4.4. IV поколение

Компьютеры четвертого поколения были продолжением компьютеров третьего поколения. В эту эпоху размер и стоимость компьютера резко сократились, тогда как память и скорость компьютеров резко возросли. В компьютерах четвертого поколения была использована технология Very Large-Scale Integration (VLSI), которая представляет собой процесс создания интегральной схемы (ИС) путем объединения тысяч транзисторов в один чип. Например, использование технологии сделало компьютеры четвертого поколения очень компактными и небольшими, отличными по скорости и надежности, увеличило емкость основного хранилища, стало более универсальным, портативным и продавалось по низкой цене, что улучшало популярность компьютеров; из-за особенностей компьютеров четвертого поколения они привели к революции персональных компьютеров (ПК).

Примером четвертого поколения компьютеров был APPLE II. APPLE II был 8-битным домашним компьютером, одним из первых очень успешных серийных микрокомпьютерных продуктов, созданным Стивом Возняком (Стив Джобс руководил разработкой пенопластового корпуса Apple II, а Род Холт разработал импульсный источник питания). Он был представлен Джобсом в 1977 году на Западном побережье компьютерной ярмарки и стал первым потребительским продуктом, проданным Apple Computer.

Компьютер четвертого поколения в основном состоит из пяти независимых блоков: ввода, памяти, арифметики и логики, блока вывода и управления. Устройство принимает цифровую информацию от пользователя через клавиатуру, мышь, микрофон и др.; информация либо сохраняется, либо обрабатывается в зависимости от типа инструкций. Первоначально интегральные схемы содержали всего около десяти-двадцати компонентов. Эта технология получила название маломасштабной интеграции (SSI). Позднее, с развитием технологий для производства микросхем, стало возможным объединить до ста компонентов на одном чипе. Эта технология стала известна как интеграция среднего масштаба (MSI). Затем наступила эра крупномасштабной интеграции (LSI), когда стало возможным интегрировать более 30 000 компонентов в один чип. Усилия еще продолжаются для дальнейшей миниатюризации, и ожидается, что более одного миллиона компонентов будут интегрированы в один чип, известный как очень крупномасштабная интеграция (VLSI).

Компьютер четвертого поколения, который есть у нас сейчас, имеет мозг LSI-чипов. Это технология LSI, которая привела к разработке очень маленьких, но чрезвычайно мощных компьютеров. Это было начало социальной революции. Вскоре появилась компьютерная схема размером с почтовую марку. Компьютеры стали невероятно компактными. Они стали недорогими в производстве, и внезапно стало возможным, что каждый и каждый сможет владеть компьютером.

4.5. V поколение

ЭВМ пятого поколения — это ЭВМ будущего. Программа разработки, так называемого, пятого поколения ЭВМ была принята в Японии в 1982 г.. Предполагалось, что к 1991 г. будут созданы принципиально новые компьютеры, ориентированные на решение задач искусственного интеллекта. С помощью языка Пролог и новшеств в конструкции компьютеров планировалось вплотную подойти к решению одной из основных задач этой ветви компьютерной науки - задачи хранения и обработки знаний. Коротко говоря, для компьютеров пятого поколения не пришлось бы писать программ, а достаточно было бы объяснить на «почти естественном» языке, что от них требуется.

Предполагается, что их элементной базой будут служить не СБИС, а созданные на их базе устройства с элементами искусственного интеллекта. Для увеличения памяти и быстродействия будут использоваться достижения оптоэлектроники и биопроцессоры.

На ЭВМ пятого поколения ставятся совершенно другие задачи, нежели при разработке 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.

К сожалению, японский проект ЭВМ пятого поколения повторил трагическую судьбу ранних исследований в области искусственного интеллекта. Более 50-ти миллиардов йен инвестиций были потрачены впустую, проект прекращен, а разработанные устройства по производительности оказались не выше массовых систем того времени. Однако,2ц проведенные в ходе проекта исследования и накопленный опыт по методам представления знаний и параллельного логического вывода сильно помогли прогрессу в области систем искусственного интеллекта в целом.

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.

Многие успехи, которых достиг искусственный интеллект, используют в промышленности и деловом мире. Экспертные системы и нейронные сети эффективно используются для задач классификации (фильтрация СПАМа, категоризация текста и т.д.). Добросовестно служат человеку генетические алгоритмы (используются, например, для оптимизации портфелей в инвестиционной деятельности), робототехника (промышленность, производство, быт - везде она приложила свою кибернетическую руку), а также многоагентные системы. Не дремлют и другие направления искусственного интеллекта, например распределенное представление знаний и решение задач в интернете: благодаря им в ближайшие несколько лет можно ждать революции в целом ряде областей человеческой деятельности.

Заключение

Цифровые компьютеры в настоящее время доминируют в вычислительном мире во всех областях, начиная от ручного калькулятора до суперкомпьютера, и являются всепроникающими во всем обществе. Научное развитие вычислений ограничены областью цифровых, электронных вычислительных машин. Компьютеры стали символом прогресса. По мере того как человеку понадобится обрабатывать все большее количество информации, будут совершенствоваться и средства ее обработки – компьютеры; будут появляться новые языки программирования. К сожалению, в одной работе невозможно рассмотреть все многообразие и всю сложность мира компьютерной техники. Но краткий экскурс в историю показал развитие вычислительной техники от первых счетных приспособлений до компьютеров, в мире которых живет современное человечество.

Библиография

1. Савельев, Е. К. Информационная эпоха / Е. К. Савельев. – СПб. : Питер, 2003
2. Малиновский, Б. Н. История вычислительной техники в лицах / Б. Н.Малиновский. – Киев, 1995.
3. Петров, Ю. П. История и философия науки. Математика, вычислительная техника, информатика / Ю. П. Петров. – СПб. : БХВ-Петербург, 2005.
4. Иванов, А. А. История развития информатики / А. А. Иванов. – М. : Образ, 2000.
5. Поликарпов, В. С. История науки и техники / В. С. Поликарпов. – М. : Феникс, 1999.
6. Гутер, Р. С. От абака до компьютера / Р. С. Гутер, Ю. Л. Полунов. – М. : Знание, 1981
7. История информатики в России. Ученые и их школы : сб. ст. / Рос. акад. наук ; отв. ред. А. С. Алексеев. – М. : Наука, 2003. – (Информатика: неограниченные возможности и возможные ограничения).
8. Ученые и их школы / сост. В. Н. Захаров, Р. И. Подловченко, Я. И. Фет. – М. : Наука, 2003
9. Чарльз Петцольд: Код: тайный язык информатики / Манн, Иванов и Фербер, 2020 г.
10. URL: https://cs.petrsu.ru/
11. URL: http://all-ht.ru/
12. URL: http://www.nsc.ru
13. URL : https://arzamas.academy/