Вычислительные приспособления и устройства от древности до наших дней

Основными этапами развития вычислительной техники являются: Ручной - до 17 века, Механический - с середины 17 века, Электромеханический - с 90-х годов 19 века, Электронный - с 40 годов 20 века.

Ручной период начался на заре человеческой цивилизации.

В любой деятельности человек всегда придумывал и создавал самые разнообразные средства, приспособления и орудия труда с целью расширения своих возможностей и облегчения труда.

С развитием торговли появилась потребность в счете. Много веков назад для осуществления различных подсчетов человек начал использовать сначала собственные пальцы, затем камешки, палочки, узелки и прочее. Но со временем задачи, стоящие перед ним, усложнялись, и стало необходимым находить способы, изобретать приспособления, которые смогли бы ему помочь в решении данных задач.

Одним из первых устройств (V в. до н. э.), облегчавших вычисления, можно считать специальную доску, названную впоследствии абаком (с греч. "счетная доска"). Вычисления на ней проводились перемещением костей или камешков в углублениях досок из бронзы, камня, слоновой кости и пр. В Греции абак существовал уже в V веке до н. э. Одна бороздка соответствовала единицам, другая - десяткам и т. д. Если в какой-то бороздке при счете набиралось более 10 камешков, их снимали и добавляли один камешек в следующий разряд. Римляне усовершенствовали абак, перейдя от бороздок и камешков к мраморным доскам с выточенными желобками и мраморными шариками. С его помощью можно было совершать простейшие математические операции сложения и вычитания.

Китайская разновидность абака - суаньпань - появилась в VI веке н.э.; Соробан же – это японский абак, происходит от китайского суаньпаня, который был завезен в Японию в XV- XVI веках. XVI в. - Создаются русские счеты с десятичной системой счисления. Они претерпевают с веками значительные изменения, но ими продолжают пользоваться вплоть до 80-х годов 20 века.

В начале XVII века шотландский математик Дж. Непер ввел логарифмы, что оказало революционное влияние на счет. Изобретенная им логарифмическая линейка успешно использовалась еще пятнадцать лет назад, более 360 лет прослужив инженерам. Она, несомненно, является венцом вычислительных инструментов ручного периода автоматизации.

Развитие механики в XVII веке стало предпосылкой создания вычислительных устройств и приборов, использующих механический способ вычислений. Среди механических устройств выделяют суммирующие машины (умеют складывать и вычитать), множительное устройство (умножает и делит), со временем их объединили в одну - арифмометр (умеют выполнять все 4 арифметических действия).

В дневниках гениального итальянца Леонардо да Винчи (1452-1519) уже в наше время был обнаружен ряд рисунков, которые оказались эскизным наброском суммирующей вычислительной машины на зубчатых колесах, способной складывать 13-разрядные десятичные числа. В те далекие от нас годы гениальный ученый был, вероятно, единственным на Земле человеком, который понял необходимость создания устройств для облегчения труда при выполнении вычислений. Однако потребность в этом была настолько малой (точнее, ее не было совсем!), что лишь через сто с лишним лет после смерти Леонардо да Винчи нашелся другой европеец – немецкий ученый Вильгельм Шиккард (1592-1636), не читавший, естественно, дневников великого итальянца, – который предложил свое решение этой задачи. Причиной, побудившей Шиккарда разработать счетную машину для суммирования и умножения шестиразрядных десятичных чисел, было его знакомство с польским астрономом И. Кеплером. Ознакомившись с работой великого астронома, связанной в основном с вычислениями, Шиккард загорелся идеей оказать ему помощь в нелегком труде. В письме на его имя, отправленном в 1623 г., он приводит рисунок машины и рассказывает, как она устроена.

Одним из первых образцов таких механизмов были «считающие часы» немецкого математика Вильгельма Шиккарда. В 1623 году он создал машину, которая стала первым автоматическим калькулятором. Машина Шиккарда умела складывать и вычитать шестизначные числа, оповещая звонком о переполнении. К сожалению, данных о дальнейшей судьбе машины история не сохранила.

Об изобретениях Леонардо да Винчи и Вильгельма Шиккарда стало известно лишь в наше время. Современникам они были неизвестны.

Самой же известной из первых вычислительных машин стала суммирующая машина Блеза Паскаля, который в 1642 г построил модель «Паскалины»- счетной суммирующей машины для восьмизначных чисел. Б.Паскаль начал создавать «Паскалину» в возрасте 19 лет, наблюдая за работой своего отца, который был сборщиком налогов и был вынужден часто выполнять долгие и утомительные расчёты. И его единственной целью было помочь ему в работе.

В 1673 г. немецкий математик Лейбниц создает первый арифмометр, позволяющий выполнять все четыре арифметических операции. "...Моя машина дает возможность совершать умножение и деление над огромными числами мгновенно, притом не прибегая к последовательному сложению и вычитанию", – писал В. Лейбниц одному из своих друзей. О машине Лейбница было известно в большинстве стран Европы.

Принцип вычислений оказался удачным, в последствие модель неоднократно дорабатывалась в разных странах разными учеными.

И с 1881 г. было организованно серийное производства арифмометров, которые использовались для практических вычислений вплоть до шестидесятых годов XX века.

Самой известной моделью серийного производства был арифмометр Феликс, российского производства, получивший в 1900г. на международной выставке в Париже золотую медаль.

Так же к механическому периоду относят теоретические разработки аналитической машин Бэбиджа, которые не были реализованы из-за отсутствия финансирования. Теоретические разработки относятся к 1920-1971 годам. Аналитическая машина должны была стать первой машиной использующей принцип программного управления и предназначавшейся для вычисления любого алгоритма, ввод-вывод планировался с помощью перфокарт, работать она должна была на паровом двигателе. Аналитическая машина состояла из следующих четырех основных частей: блок хранения исходных, промежуточных и результирующих данных (склад - память); блок обработки данных (мельница - арифметическое устройство); блок управления последовательностью вычислений (устройство управления); блок ввода исходных данных и печати результатов (устройства ввода/вывода), что в дальнейшем послужило прообразом структуры всех современных компьютеров. Одновременно с английским ученым работала леди Ада Лавлейс (дочь английского поэта Джорджа Байрона). Она разработала первые программы для машины, заложила многие идеи и ввела ряд понятий и терминов, сохранившихся до настоящего времени. Графиню Лавлейс считают первым программистом, и в ее честь назван язык программирования АДА. Хотя проект не был реализован, он получил широкую известность и высокую оценку ученых. Чарльз Бебидж на целый век обогнал время.

Продолжение следует…

Комплекс устройств, предназначенных для механизации и автоматизации процесса обработки информации (вычислений). По способу представления обрабатываемой информации вычислительные машины делят на машины непрерывного действия - аналоговые вычислительные машины (АВМ) и машины дискретного действия - цифровые вычислительные машины (ЦВМ).

В АВМ информация представлена в виде непрерывно изменяющихся переменных, выраженных физическими величинами (угол поворота вала, сила электрического тока, напряжение и тому подобное). С распространением электронных вычислительных машин (ЭВМ) роль аналоговых машин постепенно уменьшалась (смотри Аналоговая вычислительная машина).

В ЦВМ информация представлена в виде набора дискретных значений (чисел) какой-либо физической величины. Решение задачи в ЦВМ сводится к последовательному выполнению операций над числами, которые представлены совокупностью элементов, каждый из которых может принимать ряд устойчивых состояний, соответствующих определённой цифре числа (число этих состояний определяется системой счисления, которая принята в данной ЦВМ). По применяемой элементной базе ЦВМ делят на домеханические, механические, электромеханические (релейные), электронные.

Домеханические вычислительные машины. Человек с древнейших времён применял пальцевый счёт, счёт с помощью зарубок и различных предметов (камешков, зёрен и др.), узелковый счёт. В середине 1-го тысячелетия до нашей эры появился первый цифровой счётный прибор - абак (Древняя Греция), который (в форме счёта на линиях с помощью жетонов) применялся для арифметических вычислений в Западной Европе до 18 века. Аналоги абака существовали и в других странах: в Китае - суанпань, в Японии - соробан, в России - счёты. В 1617 году появилось описание первого немеханического вычислительного устройства, которое получило название «счётные палочки Непера». Оно состояло из тонких пластин или брусков, на которые особым образом записывалась таблица умножения. Простые манипуляции с брусками позволяли умножать и делить большие числа. Основанные на том же принципе устройства предлагались позднее в России (бруски Иофе, 1881), во Франции (бруски Женая-Люка, 1885) и др.

Механические вычислительные машины. Первые механические ЦВМ, предназначенные для выполнения арифметических операций, изобретены в 17 веке. Их появление в значительной степени явилось следствием общефилософской установки того времени, согласно которой в основе устройства мироздания лежат законы механики. Поэтому механические вычислительные машины должны были показать, что умственная деятельность человека также (хотя бы отчасти) может быть механизирована. Механические вычислительные машины были созданы В. Шиккардом (1623, Германия, не сохранились), Б. Паскалем (1642) и Г. В. Лейбницем (1672). В 18 веке Дж. Полени (1709, Италия), Ф. М. Ган (1774, Германия), Ч. Стенхоуп (1775, Великобритания) и другие реализовали различные проекты вычислительных машин. Однако малая надёжность и высокая стоимость препятствовали их распространению.

В 1821 году в Париже Тома де Кольмар организовал первое мелкосерийное производство арифмометров, конструкция которых продолжала совершенствоваться почти до середины 20 века. К началу 20 века номенклатура выпускаемых вычислительных машин была уже достаточно велика, кроме арифмометров большим спросом пользовались и другие механические вычислительные машины, например простые и дешёвые карманные сумматоры Куммера (Россия, 1846), Ч. Г. Вебба (США, 1868). Подобные устройства выпускались в разных странах вплоть до 1970 года. В 1884 году американская фирма NCR наладила производство кассовых аппаратов, которые надолго стали самым массовым видом вычислительных машин. Все эти машины применялись для решения достаточно простых задач с ограниченным объёмом вычислений.

Другой вид вычислительных машин - специализированные разностные машины, предназначались для табулирования функций, аппроксимированных полиномом n-й степени (где n = 1, 2, 3 ...). Первым проектом такой вычислительной машины была разностная машина Ч. Бэббиджа (1821-33, не закончена). Созданные позднее разностные машины П. и Г. Шейцев (1853, Швеция) и М. Виберга (1863, Швеция) применялись для расчёта математических таблиц и были первыми вычислительными машинами, снабжёнными устройством для печати результатов. Они стали первыми вычислительными машинами, которые выполняли достаточно длинную последовательность арифметических операций автоматически. Известны также разностные машины Дж. Гранта (1876, США) и К. Гамана (1909, Германия).

Идея создания универсальной ЦВМ принадлежит Ч. Бэббиджу. В 1834 году он начал работу над проектом аналитической машины, первой вычислительной машины с программным управлением. Её конструкция, предвосхитившая структуру современных компьютеров, включала арифметическое устройство, устройство для хранения чисел, печатающее устройство. Вычисления должны были производиться специальным устройством в соответствии с программой, записанной на перфокартах. Леди Ада Лавлейс, написавшая несколько программ для аналитической машины, признана первым в мире программистом. Хотя проект Бэббиджа не был реализован, он послужил толчком к разработке других аналитических машин, в том числе механической - П. Ладгейта (1909, Великобритания, не построена) и электро-механической - Л. Торрес-и-Кеведо (Испания, 1914).

Электромеханические вычислительные машины. К концу 19 века сложился достаточно широкий круг задач (экономических, статистических, научно-технических), требующих большого объёма вычислений. В 1889 году Г. Холлерит создал счётно-перфорационные машины (СПМ), первоначально предназначавшиеся для обработки статистической информации. Исходные данные (вручную с помощью перфоратора) переносились на перфокарты. Набор подготовленных перфокарт вводился в табулятор, который в автоматическом режиме считывал данные и выполнял необходимые вычислительные операции. Порядок выполнения операций задавался установкой электрических связей на коммутационной доске. Промежуточные результаты записывались в запоминающие регистры, окончательные результаты печатались или выводились на перфокарты. Счётно-перфорационные машины содержали арифметическое устройство, память (колода перфокарт и регистры для запоминания промежуточных результатов), устройства ввода (с перфокарт) и вывода данных, т. е. включали все элементы архитектуры автоматической ЦВМ. К 1930 году СПМ занимали доминирующее положение в области обработки больших массивов числовых данных, однако выполнение арифметических операций механическим способом ограничивало их производительность. В СПМ, как и в механической вычислительной машине, использовалась десятичная система счисления, исключением было только множительное устройство Т. Фаулера (1844, Великобритания), работавшее в уравновешенной троичной системе.

Первую попытку применить электромагнитное реле для построения ЦВМ предпринял А. Маркванд (США) в 1885 году, разработавший проект релейной логической вычислительной машины (не был реализован). В начале 1930-х годов, когда в системах телефонной связи уже широко применялись электромагнитные реле, было построено несколько специализированных релейных вычислительных машин. Вслед за ними - универсальные релейные вычислительные машины с программным управлением: двоичная машина Z-З К. Цузе (1941), серия релейных машин Дж. Стибица (1940-46, США), десятичная машина Mark I Г. Айкена (1944). Их продолжали строить вплоть до конца 1950-х годов в ФРГ (К. Цузе), СССР (PBM-I Н. И. Бессонова, 1957) и других странах. Однако электромеханические вычислительные машины уже не могли обеспечить требуемую вычислительную мощность, и дальнейшее развитие вычислительных машин определила электронная техника.

Электронные вычислительные машины. Элементной базой ЭВМ первого поколения (1945-55) были вакуумные электронные лампы. До 1930-х годов электронные вакуумные и газонаполненные лампы использовались главным образом в радиотехнике, но в 1931 году английский физик Ч. Винн-Вильямс разработал первые счётчики импульсов (для устройств, регистрирующих заряженные частицы) на тиратронах, открыв тем самым новую область применения электронных ламп. В 1939-42 годах Дж. В. Атанасов и К. Берри (США) построили специализированную цифровую электронную вычислительную машину, работавшую в двоичной системе счисления и предназначенную для решения систем линейных алгебраических уравнений. Специализированная электронная вычислительная машина Colossus для расшифровки секретных немецких радиограмм создана в Великобритании в 1943 году. Первая универсальная ЭВМ ENIAC (1946, США, Дж. У. Мокли, Дж. П. Эккерт) выполняла 300 операций умножения (или 5000 операций сложения) многоразрядных чисел в секунду. Машина имела огромные размеры и весила 30 тонн, потребляемая мощность составляла около 160 кВт, в электронной схеме было задействовано до 18000 электронных ламп 16 основных типов. Большое внимание приходилось уделять системе охлаждения, т.к. лампы выделяли много тепла. Опыт работы над ENIAC позволил Дж. фон Нейману определить общие требования к конфигурации вычислительных машин, а именно: ЭВМ должна состоять из арифметического устройства, устройства управления, устройства ввода-вывода и памяти. Он также сформулировал требования, которым должна удовлетворять универсальная вычислительная машина (так называемые принципы фон Неймана), важнейшими из которых являлись хранение машинной программы в запоминающем устройстве (памяти) и программное управление работой вычислительной машины. Первая ЭВМ с хранимой в памяти программой - EDSAC (Великобритания, 1949, М. Уилкс), в России - МЭСМ (малая электронная счётная машина, 1950, под руководством академика С. А. Лебедева). К первому поколению ЭВМ относят также EDVAC (Мокли и Эккерт, 1952), SEAC (1950), SWAC (1950), Whirlwind (1951), М-2 (И. С. Брук, 1952) и др. Особое место среди них занимает первая и единственная в мире с троичной системой счисления ЭВМ «Сетунь» (Н. П. Брусенцов, 1958). В ЭВМ первого поколения первоначально использовалась память на основе ртутных линий задержки и электронно-лучевых трубок, позднее - память на магнитных сердечниках и накопители на магнитных лентах; процессоры выполняли как вычислительные операции, так и операции ввода-вывода, пересылки данных между запоминающими устройствами и др., что значительно снижало производительность ЭВМ. Программы для них писали на языке низкого уровня, средства автоматизации программирования практически отсутствовали. Эти машины отличались невысокой надёжностью, потребляли большое количество электроэнергии и имели значительные габариты.

В машинах второго поколения (1955-1965) электронные лампы были заменены полупроводниковыми диодами и триодами (транзисторы). Новая технология позволила повысить надёжность и производительность ЭВМ, значительно уменьшить её габариты и энергопотребление. Первая бортовая ЭВМ на полупроводниковой элементной базе (для межконтинентальной баллистической ракеты ATLAS) создана в 1955 году в США. Наряду с памятью на магнитных сердечниках стали использовать накопители на магнитных дисках. В состав ЭВМ были включены процессоры ввода-вывода, позволявшие увеличить производительность за счёт совмещения операций ввода-вывода с вычислениями в центральном процессоре. Появились языки программирования высокого уровня (фортран, алгол-60, кобол, лисп и др.), а также компиляторы с них, что значительно повысило эффективность программирования. Этой же цели служили наборы библиотечных программ. Процессы управления решением задач и распределения ресурсов ЭВМ были возложены на специальные служебные программы, ставшие ядром будущих операционных систем (ОС). Наиболее известными ЭВМ второго поколения стали Stretch (1961), Atlas (Т. Килберн, 1962), Burroughs В-5000 (1963), CDC 6600 (С. Крей, 1964). В СССР серийное производство транзисторных ЭВМ началось в 1961 году (Раздан-2), лучшей отечественной вычислительной машиной этого поколения была БЭСМ-6 (С. А. Лебедев, 1966), в которой нашёл воплощение целый ряд прогрессивных архитектурных решений, во многом предвосхитивших архитектурные особенности машин третьего поколения.

ЭВМ третьего поколения (1965-80) выполнялись на интегральных схемах, содержавших в одном модуле десятки транзисторов, резисторов и диодов, благодаря чему уменьшились габариты, снизилась потребляемая мощность, увеличилась производительность и надёжность вычислительных машин. Впервые стали производиться относительно недорогие мини-ЭВМ (PDP-8, 1965; ряд машин PDP-11, 1970; Vax-11/780, 1978), которые нашли применение, как при решении вычислительных задач, так и в различных системах управления. Самыми известными большими ЭВМ этого поколения стали программно совместимые машины семейства IBM-360 (1964) и IBM-370 (1971) Дж. Амдала. Данная серия оказала большое влияние на дальнейшее развитие ЭВМ общего назначения во всём мире. Их аналогом в России были вычислительные машины серии ЕС ЭВМ (1971, Единая система ЭВМ стран социалистического содружества). Отличительная особенность ЭВМ третьего поколения - наличие развитых ОС, обеспечивающих совместное использование ресурса ЭВМ несколькими пользователями.

Конструктивно-технологической основой четвёртого поколения ЭВМ (около 1980) стали большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС), в которых на одной плате размещались десятки и сотни тысяч, а затем миллионы транзисторов. На рубеже 1970-х годов создан процессор на одном кристалле (чипе). Первый микропроцессор Intel 4004 (1971, США) содержал 2250 элементов. Микропроцессор Intel 8080 (1974), ставший стандартом микрокомпьютерной технологии своего времени, содержал уже 4500 элементов и послужил основой для создания первых персональных компьютеров (ПК). В 1979 году (США) выпускается один из самых мощных и универсальных микропроцессоров - 16-битный микропроцессор Motorola 68 000 с 70 000 элементами. Массовый выпуск ПК полностью изменил всю структуру рынка вычислительных машин и открыл новые горизонты их применения. Наряду с ПК большое распространение получили встроенные и мобильные вычислительные устройства на основе простых микропроцессоров, которые, например, применяются в разнообразных бытовых приборах (телевизоры, фотоаппараты, мобильные телефоны и др.). Тем не менее, создание мощных многопроцессорных вычислительных систем с высокой производительностью остаётся важнейшим направлением развития вычислительных машин, так как сохраняется тенденция к расширению круга задач, требующих высокоскоростной обработки больших объёмов данных.

Предполагается, что переход к вычислительным машинам пятого поколения будет определяться в первую очередь развитием интеллектуального человекомашинного интерфейса (распознавание речи, образов) и логического программирования для создания баз знаний и систем искусственного интеллекта. При этом возможность создания компьютеров, производительность которых на много порядков превышала бы возможности современных вычислительных машин, часто связывается с использованием иных физических принципов их работы (оптические компьютеры, квантовые компьютеры и др.).

История вычислительных машин

Первым устройством, предназначенным для облегчения вычислений, стали счеты. С помощью костяшек счетов можно было совершать операции сложения и вычитания и несложные умножения. Однако счеты совершенно непригодны для операций над нецелыми числами и не могут производить сложных операций. А потребности человечества в вычислениях все увеличивались.

В 1642 г. французский математик Блез Паскаль сконструировал первую механическую счетную машину «Пас-калина», которая могла механически выполнять сложение чисел. В 1673 г. Готфрид Вильгельм Лейбниц сконструировал арифмометр, позволяющий механически выполнять четыре арифметических действия. Начиная с XIX в. арифмометры получили очень широкое применение. На них выполняли даже очень сложные расчеты, например расчеты баллистических таблиц для артиллерийских стрельб. Существовала и специальная профессия - счетчик - человек, работающий с арифмометром, быстро и точно соблюдающий определенную последовательность инструкций (такую последовательность инструкций впоследствии стали называть программой). Но многие расчеты производились очень медленно - даже десятки счетчиков должны были работать по нескольку недель и месяцев. Причина проста: при таких расчетах выбор выполняемых действий и запись результатов производились человеком, а скорость его работы весьма ограничена.

Еще в первой половине XIX в. английский математик Чарльз Бэббидж попытался построить универсальное вычислительное устройство, то есть компьютер. Бэббидж называл его аналитической машиной. Именно Бэббидл: впервые додумался до того, что компьютер должен содержать память и управляться с помощью программы. Бэббидж дател построить свой компьютер как механическое устройство, а программы собирался задавать посредством перфокарт - карт из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий (они в то время уже широко применялись в ткы.ких станках). Однако довести до конца эту работу Бэббидж не смог: она оказалась слишком сложной для техники того иремени.

Первым реализовал идею перфокарт Холлзрит. Он изобрел машину для обработки результатов переписи населения. В своей машине он впервые применил электричество для расчетов.

В 40-х годах XX в. сразу несколько rpyni исследователей повторили попытку Бэббиджа на основе техники XX в. - электромеханических реле. Некоторые из этих исследователей ничего не знали о работах Бэббиджа и перготкрыли его идеи заново. Первым из них был немецкий ивкенер Конрад Цузе, который в 1941 г. построил небольшой бомпьютер на основе нескольких электромеханических реле. Но из-за войны работы Цузе не были опубликованы. А в CEIA в 1943 г. на одном из предприятий фирмы IBM (International Business Machines Corporation) американец Говард Эйкея создал более мощный компьютер под названием «Марк-1». Он уже проводил вычисления в сотни раз быстрее, чем вручную (с помощью арифмометра) и реально использовался для вое яых расчетов. В нем использовалось сочетание электрических с чгналов и механических приводов. «Марк-1» имел размеры 15x2,5 м и содержал 750 000 деталей, он мог перемножить два 23-разрядных числа за 4 с.

Однако электромеханические реле работают весьма медленно и недостаточно надежно. Поэтому начик;ш с 1943 г. в США группа специалистов под руководством Длона Мочли и Преспера Экерта начала конструировать компьютер ENIAC на основе электронных ламп. Созданный ими компьютер работал в тысячу раз быстрее, чем «Марк-1?. Но обнаружилось, что большую часть времени этот компьютер простаивал, вел> для задания метода расчетов (программы) в этом компьютере приходилось в течение нескольких часов или даже нескольких дней подсоединять нужным образом провода. А сам расчет после этого мог занять всего лишь несколько минут или даже секунд.

Чтобы упростить и ускорить процесс задания программ, Мочли и Экерт стали конструировать новый компьютер, который мог бы хранить программу в своей памяти. В 1945 г. к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман, который подготовил доклад об этом компьютере. Доклад был разослан многим ученым и стал широко известен, поскольку в нем фон Нейман ясно и просто сформулировал общие принципы функционирования компьютеров, т. е. универсальных вычислительных устройств. И до сих пор подавляющее большинство компьютеров сделано в соответствии с теми принципами, которые изложил в своем докладе в (945 г. Джон фон Нейман. Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 г. английским исследователем Морисом Уилксом.

Разработка первой электронной серийной машины UNIVAC (Universal Automatic Computer) начат;, примерно в 1947 г. Экертом и Мочли, основавшими в декабре того же года фирму ECKERT-MAUCHLI. Первый образец машины (UNIVAC-1) был построен для бюро переписи США и пущен в эксплуатацию весной 1951 г. Синхронная, последовательного действия вычислительная машина UNIVAC-1 создана на базе ЭВМ ENIAC и EDVAC. Работала она с тактовой частотой 2.25 МГц И содержала около 5000 электронных ламп. Внутреннее запоминающее устройство с емкостью 1000 12-разрядных десятичных чисел было выполнено на 100 ртутных линиях задержки.

Вскоре после ввода в эксплуатацию машины UNIVAC-1 ее разработчики выдвинули идею автоматического программирования. Она сводилась к тому, чтобы машина сама могла подготавливать такую последовательность команд, которая нужна для решения данной задачи.

Сильным сдерживающим фактором в работе конструкторов ЭВМ начала 1950-х годов было отсутствие быстродействующей памяти. По словам одного из пионеров вычислительной техники Д. Эккерта, «архитектура машины определяется памятью». Исследователи сосредоточили свои усилия на запоминающих свойствах ферритовых колец, нанизанных на проволочные матрицы.

В 1951 г. Дж. Форрестер опубликовал статью о применении магнитных сердечников для хранения цифровой информации. В машине «Whirlwind-1 о впервые была применена память на магнитных сердечниках. Она представляла собой 2 куба 32 х 32 х 17 с сердечниками, которые обеспечивали хранение 2048 слов для 16-разрядных двоичных чисел с одним разрядом контроля на четность.

В разработку электронных компьютеров включилась фирма IBM. В 1952 г. она выпустила свой первый промышленный электронный компьютер IBM 701, который представлял собой синхронную ЭВМ параллельного действия, содержащую 4000 электронных ламп и 12 000 германиевых диодов. Усовершенствованный вариант машины IBM 704 отличался высокой скоростью работы, в ней использовались индексные регистры и данные представлялись в форме с плавающей запятой.

После ЭВМ IBM 704 была выпущена машина IBM 709, которая в архитектурном плане приближалась к машинам второго и третьего поколений. В этой машине впервые была применена косвенная адресация и впервые появились каналы ввода-вывода.

В 1956 г. фирмой IBM были разработаны плавающие магнитные головки на воздушной подушке. Изобретение их позволило создать новый тип памяти - дисковые запоминаю-1 щие устройства (ЗУ), значимость которых была в полной мере оценена в последующие десятилетия развития вычислительной техники. Первые ЗУ на дисках появились в машинах IBM 305 и RAMAC. Последняя имела пакет, состоявший из 50 металлических дисков с магнитным покрытием, которые вращались со скоростью 12 000 об./мин. На поверхности диска размещалось 100 дорожек для записи данных, по 10 000 знаков каждая.

Вслед за первым серийным компьютером UNIVAC-1 фирма Remington-Rand в 1952 г. выпустила ЭВМ UNIVAC-1103, которая работала в 50 раз быстрее. Позже в компьютере UNIVAC-1103 впервые были применены программные прерывания.

Сотрудники фирмы Rernington-Rand использовали алгебраическую форму записи алгоритмов под названием «Short Code» (пррвый интерпретатор, созданный R 1949 г. Джоном Мочли). Кроме того, необходимо отметить офицера ВМФ США и руководителя группы программистов, в то время капитана (в дальнейшем единственная в ВМФ женщина-адмирал) Грейс Хоппер, которая разработала первую программу-компилятор. Кстати, термин «компилятор» впервые ввела Г. Хоппер в 1951 г. Эта компилирующая программа производила трансляцию на машинный язык всей программы, записанной в удобной для обработки алгебраической форме. Г. Хоппер принадлежит также авторство термина «баг» в применении к компьютерам. Как-то через открытое окно в лабораторию залетел жук (по-английски - bug), который, сев на контакты, замкнул их, чем вызвал серьезную неисправность в работе машины. Обгоревший жук был подклеен в административный журнал, где фиксировались различные неисправности. Так был задокументирован первый баг в компьютерах.

Фирма IBM сделала первые шаги в области автоматизации программирования, создав в 1953 г. для машины IBM 701 «Систему быстрого кодирования». В СССР А. А. Ляпунов предложил один из первых языков программирования. В 1957 г. группа под руководством Д. Бэкуса завершила работу над ставшим впоследствии популярным первым языком программирования высокого уровня, получившим название ФОРТРАН. Язык, реализованный впервые на ЭВМ IBM 704, способствовал расширению сферы применения компьютеров.

В Великобритании в июле 1951 г. на конференции в Манчестерском университете М. Уилкс представил доклад «Наилучший метод конструирования автоматической машины», который стал пионерской работой по основам микропрограммирования. Предложенный им метод проектирования устройств управления нашел широкое применение.

Свою идею микропрограммирования М. Уилкс реализовал в 1957 г. при создании машины EDSAC-2. М. Уилкс совместно с Д. Уиллером и С. Гиллом в 1951 г. написали первый учебник по программированию «Составление программ для электронных счетных машин».

В 1956 г. фирма Ferranti выпустила ЭВМ «Pegasus», в которой впервые нашла воплощение концепция регистров общего назначения (РОН). С появлением РОН было устранено различие между индексными регистрами и аккумуляторами, и в распоряжении программиста оказался не один, а несколько регистров-аккумуляторов

Состав системного блока ПК

Структура программного обеспечения компьютера

Системы программирования и прикладное ПО

Компьютерные вирусы

Вопросы и упражнения

Историческое развитие вычислительных машин

Одной из важных сторон практической деятельности человека всегда были вычисления. Они могут быть выполнены устно, письменно, в инструментальной форме и прошли долгий путь развития: от счёта на пальцах до современных компьютеров.

Древние приспособления для счёта

Много тысяч лет назад древние люди производили счёт с помощью зарубок на деревянных поверхностях и верёвочных узелков.
Самые ранние упоминания о вычислительных устройствах встречаются в древнегреческих рукописях. Первое вычислительное устройство - древнегреческий абак или «саламинская доска» представлял собой посыпанную морским песком дощечку с камешками. В Древнем Риме абак назывался calculi или abaculi и изготавливался из бронзы, камня, слоновой кости и цветного стекла. Слово calculus означает «галька», «голыш».
Позднее появились счёты. Китайские счеты суан-пан состояли из деревянной рамки, разделённой на верхние и нижние секции.
На Руси с XV века получил распространение "дощаный счет". "Дощаный счет" представлял собой рамку с укрепленными горизонтальными веревочками, на которые были нанизаны просверленные сливовые или вишневые косточки.

Механические вычислительные устройства

Первые, дошедшие до нас чертежи суммирующей машины, принадлежат немецкому учёному Вильгельму Шикарду. Её называли «часы для счёта».
Чуть позже, в 1642 году, Блез Паскаль, ему было в то время 19 лет, предложил конструкцию арифмометра, который умел только складывать и вычитать числа. Поводом для изобретения арифмометра было участие Паскаля в утомительных финансовых расчётах, которые по поручению правительства выполнял его отец.
В арифмометре Паскаля число кодировалось положением колёсика с 10 зубцами. Колёсико единиц было связано с колёсиком десятков, колёсико десятков с колёсиком сотен и т.д. Это устройство обрабатывало шестизначные числа.
Через 52 года немецкий учёный Вильгельм фон Лейбниц продемонстрировал механический умножитель, имитирующий механический школьный алгоритм «умножение в столбик». Эта механическая машина уже могла выполнять и деление. Изготавливалась она из девяти цилиндров с зубчиками.

Счётная машина на паровом двигателе

В 1833 году английский математик Чарльз Бэббидж, декан кафедры математики Кембриджского университета, той кафедры, которую когда-то возглавлял Ньютон, разработал проект вычислительной машины, в основе которого лежал принцип программного управления. Он назвал её «Аналитической машиной». Она должна была приводиться в действие силой пара.
В то время французские учёные применили любопытный метод вычислений, давший неплохие результаты. Большая задача разбивалась на небольшие части, состоящие лишь из простых операций, и поручалась большому количеству людей, ничего не знающих в математике, кроме арифметических операций.
Бэббидж решил для таких операций приспособить машины. В 1822 году он опубликовал статью с описанием машины для вычисления и печати таблиц математических функций и в том же году построил рабочую модель, заслужившую восторженный приём Лондонского Королевского Общества.
Бэббидж получил от правительства небольшую начальную субсидию и начал постройку полноценной рабочей машины. Увы, задача оказалась сложнее, чем ожидалось. В конструкцию машины приходилось вносить исправления и усовершенствования, работа затягивалась. Средств постоянно не хватало, через несколько лет финансирование прекратилось совсем, и работы остановились. Но эти 10 лет не пропали даром. Бэббидж пришёл к удивительной идее совершенно новой универсальной машины - прообразу современных вычислительных машин.
В проекте Бэббиджа были предусмотрены все основные элементы, присущие современным компьютерам:
-склад для хранения чисел (память);
-фабрика для их обработки (арифметическое устройство);
-контора для управления обработкой (процессор).
Это был гениальный проект, но практическая реализация идеи была невозможной, т.к. она опережала технические возможности своего века. Бэббидж умер, успев построить лишь отдельные части универсальной машины. Конструкция машины была работоспособна, но её невозможно было реализовать в полном объёме, пользуясь технологиями того времени.
Дочь поэта Байрона - математик Ада Лавлейс убедила Бэббиджа в необходимости использовать в вычислительных машинах двоичной системы счисления вместо десятичной.

Это интересно!

Перфокарты использовались ранее в ткацких станках в качестве того, чтобы заставить работать станки по программе, заданной расположением отверстий. Определённая карточка соответствовала определённому рисунку на плетении ткани. Первый автоматический ткацкий станок был изобретён в 1804-1808 годах во Франции. Перфокарты произвели переворот не только в ткацком деле, но и в статистике. Случилось это в конце 19 века.
Статистика постоянно сталкивается с проблемами обработки огромного количества информации. Когда сына немецких эмигрантов Германа Холлерита приняли на работу в статистическое управление при министерстве внутренних дел США, он тоже столкнулся с необходимостью ручной обработки гор бумаги - результатов переписи населения США в 1890 году. Холлерит создал машину, которая механически выполняла работу многочисленных клерков. Называлась она «Счётная аналитическая машина». До внедрения этой машины результаты переписи населения обрабатывались в течение восьми лет (вручную)! А с помощью машины Холлерита - меньше трёх лет!
Одна перфокарта использовалась для внесения сведения об одном человеке. Например, отверстие, пробитое в третьей колонке и четвёртой строке, могло означать, что человек состоит в браке. Аналогично и другие отверстия могли означать пол, число членов семьи, образование и т.д. Все эти данные потом просчитывались машиной. Когда карта пропускалась через неё, то прощупывалась системой игл. Если игла проходила через отверстие, то касалась металлической поверхности, находящейся под картой. Этот контакт замыкал электрическую цепь, и к результатам расчетов добавлялась единица.
Развитые Холлеритом технологии хранения информации на перфокартах и изобретённые им электромеханические машины для обработки такой информации продвинули Человечество ещё на один шаг вперёд к компьютерной революции 20 века. Кстати, основанная Холлеритом фирма сегодня носит название IBM и является крупнейшим в мире производителем компьютеров.
Электромеханические вычислительные машины
Начало компьютерной революции дают первые ЭВМ, созданные в 30-е годы независимо друг от друга американским физиком Дж. Атанасовым и немецким инженером К. Цузе. Существует предположение, что чисто хронологическое первенство принадлежит Атанасову. ЭВМ К. Цузе работала уже в конце 30-х годов и продолжала работать до 1953 года. Машина Дж. Атанасова служила для решения физических задач. ЭВМ К. Цузе была создана для шифровки и дешифровки секретных военных сообщений.
Электромеханические машины Атанасова и Цузе можно отнести к машинам «нулевого» поколения. Их главным компонентом было электромеханическое реле. «Нулевой» цикл компьютерной революции был в историческом масштабе чрезвычайно коротким.

Калькулятор

Арифмометр

русские счеты

Какую идею выдвинул в середине 19 века английский математик Чарльз Бэббидж?

Идею создания программно управляемой счетной машины, имеющей арифметическое устройство, устройство управления, а также устройство ввода и печати

Идею создания сотового телефона

Идею создания роботов, управляемых компьютером

В каком году и где была создана первая ЭВМ на основе электронных ламп?

1945 год, США

1944 г, Англия

1946 г, Франция

На какой базе были созданы ЭВМ третьего поколения?

Интегральные схемы

полупроводники

электронные лампы

сверхбольшие интегральные схемы

Как назывался первый персональный компьютер?

Назовите центральное устройство компьютера.

Процессор

Системный блок

Блок питания

Материнская плата

Процессор обрабатывает информацию представленную:

В десятичной системе счисления

На английском языке

На русском языке

На машинном языке (в двоичном коде)

Для ввода числовой и текстовой информации используется

Клавиатура

Сканер используется для…

Для ввода в компьютер изображений и текстовых документов

Для рисования на ней специальной ручкой

Перемещения курсора на экране монитора

Получения голографических изображений

10. Какой тип принтера целесообразно использовать для печати финансовых документов?

Матричный принтер

Струйный принтер

Лазерный принтер

Какой тип принтера целесообразно использовать для печати рефератов?

Матричный принтер

Струйный принтер

Лазерный принтер

Какой тип принтера целесообразно использовать для печати фотографий?

Матричный принтер

Струйный принтер

Лазерный принтер

При несоблюдении санитарно – гигиенических требований компьютера вредное влияние на здоровье человека может оказать…

Монитор на электронно – лучевой трубке

Монитор на жидких кристаллах

Плазменные панели

При выключении компьютера вся информация стирается из…

Оперативной памяти

Жесткого диска

Лазерного диска

В каком устройстве компьютера осуществляется хранение информации?

Внешняя память;

процессор;

Оптические дорожки имеют меньшую толщину и размещены более плотно на …

Цифровом видеодиске (DVD – диске)

Компакт диске (CD – диске)

В устройства ввода входят…

В устройства вывода входят…

Клавиатура, мышь, джойстик, световое перо, сканер, цифровая камера, микрофон

Звуковые колонки, монитор, принтер, наушник

Жесткий диск, процессор, модули памяти, материнская плата, дискета

Программой называется…

Компьютерная программа может управлять работой компьютера, если она находится…

В оперативной памяти

На гибком диске

На жестком диске

На CD – диске

Данные – это…

Последовательность команд, которую выполняет компьютер в процессе обработки данных

Информация, представленная в цифровой форме и обрабатываемая на компьютере

Данные, имеющие имя и хранящиеся в долговременной памяти

Файл – это…

Текст распечатанный на компьютере

Информация, представленная в цифровой форме и обрабатываемая на компьютере

Программа или данные, имеющие имя и хранящиеся в долговременной памяти

При быстром форматировании гибкого диска …

Производится очистка каталога диска

Стираются все данные

Производится дефрагментация диска

Производится проверка поверхности диска

При полном форматировании гибкого диска…

стираются все данные

производится полная проверка диска

производится очистка каталога диска

диск становится системным

В многоуровневой иерархической файловой системе...

Файлы хранятся в системе, представляющей собой систему вложенных папок

Файлы хранятся в системе, которая представляет собой линейную последовательность