Счетные устройства появились, как только человек задумался о количественном учете. С тех пор устройства, помогающие человеку учитывать материальные ценности, различные ресурсы и производить научные и технические расчеты постоянно совершенствуются и развиваются с нарастающей скоростью.

Первые счетные устройства до 18 века

Началась история развития вычислительной техники с обычных счетных палочек, которые и сегодня используются в начальных классах для обучения детей. Затем, еще до нашей эры, появилось первое счетное устройство - абак (счеты): греческий, египетский, римский, а также такие разновидности абака, как китайский суан-пан и японский соробан. Абак разделяли полосы (углубления, использовались струны), счет осуществлялся с помощью размещенных на полосах камней или других подобных предметов - косточек, жетонов, зерен кукурузы.

В начале XVII века шотландский математик Джон Непер, вошедший в историю как создатель таблицы логарифмов, изобрел математический набор - палочки Непера. С помощью этого инструмента извлекали квадратные и кубические корни, а также умножали и делили большие числа.

А уже в 1623 году появилась логарифмическая линейка, использующая таблицы Непера для упрощения вычислений. В этом же году немецким ученым Вильгельмом Шиккардом была спроектирована первая механическая суммирующая машина "Считающие часы" (6-разрядная), которую можно смело назвать первым механическим калькулятором, использующим для вычисления звездочки и шестеренки. Необходимо отметить, что до середины ХХ века это изобретение оставалось неизвестным, и поэтому не оказывало никакого влияния на развитие вычислительной техники.

В 1642 году появилась 8-разрядная суммирующая машина Блеза Паскаля. В ней использовались взаимосвязанные колесики с нанесенными цифрами от 0 до 9. Когда первое колесико производило полный оборот от 0 до 9, начинало вращаться второе колесико. Когда оно достигало цифры 9, вращалось третье и так далее. Машина Паскаля складывала и вычитала, умножала и делила лишь путем многократного сложения и вычитания.

В 1673 году Готфрид Вильгельм фон Лейбниц сконструировал машину «четырех действий», которая выполняла и сложение, и вычитание, и умножение и деление, и извлечение квадратного корня. В отличие от Паскаля Лейбниц использовал в своей машине цилиндры с нанесенными на них цифрами. Специально для нее Лейбниц впервые применил двоичную систему счисления.

Счетные устройства первой половины 19 века

В 1804 году француз Жозеф Мари Жаккар сконструировал ткацкий станок для крупноузорчатых тканей, в котором использовались перфорированные карточки с разным расположением отверстий. Благодаря этим карточкам удавалось создавать разные узоры на плетении ткани. Его идея в дальнейшем использовалась для обработки информации с помощью компьютеров.

В 1820 году француз Шарль Ксавье Тома де Кольмар создал первый коммерческий арифмометр, производивший умножение и деление. А уже в 1823 году английский математик Чарльз Бэббидж приступил к постройке разностной машины, которая должна была производить вычисления с точностью до 20 знаков после запятой. Постройкой машины Бэббидж занимался 10 лет, но так и не закончил. В 1830 году он разработал проект аналитической машины для выполнения научных и технических расчетов. В этом проекте предугаданы все основные устройства ЭВМ и задачи, которые могут решаться с ее помощью. В качестве носителей информации при вводе и выводе Бэббидж предлагал использовать перфокарты. Управление машиной предполагалось программным путем.

Примечательно, что первым программистом считается Ада Лавлейс. Именно она составила первые в мире программы для аналитической машины Бэббиджа, разработала принципы программирования, предусматривающие повторение одной и той же последовательности команд и выполнение команд при определенных условиях. Разработки Ады Лавлейс используются и в современной вычислительной технике.

Счетные устройства второй половины 19 века

В середине XIX века британский математик Джордж Буль ввел новую математическую логику. Логические операторы И, ИЛИ и НЕ осуществляют связи в логическом высказывании, благодаря чему возможность развиваться получили новые высказывания. Эта логика, известная как алгебра Буля, лежит в основе компьютерной обработки информации.

В 1885 году американский изобретатель Уильям Барроуз представил самопишущий арифмометр с клавиатурой для ввода данных и печатным устройством для вывода результатов вычислений.

В 1888 году американский инженер Герман Холлерит сконструировал первую электромеханическую счетную машину - табулятор. В ее состав входили - реле, счетчики и сортировочный ящик. Машина считывала и сортировала статистические записи на перфокартах. Компания Холлерита в дальнейшем образовала костяк широко известной IBM - International Business Machines Corporation.

Начало 20 века – появление первых электромеханических аналогов компьютера

В 1930 году американский ученый Ванневар Буш разработал дифференциальный анализатор - электромеханический аналог компьютера. Машина Буша быстро решала сложные математические задачи и приводилась в действие электричеством. Для хранения информации в ней использовались электронные лампы.

В 1936 году английский математик Алан Тьюринг разработал гипотетический механизм, создавший теоретическую основу для современных компьютеров. «Машина Тьюринга» могла решать различные математические или логические задачи. Она обладала основными свойствами современного компьютера: пошаговым выполнением математических операций, запрограммированных во внутренней памяти.

В 1937 году Джордж Стибиц, создал первое в США электромеханическое устройство, выполняющее операцию двоичного сложения, - двоичный сумматор. Он основывался на логике Буля, поскольку электромеханические реле работали как логические вентили. В дальнейшем двоичный сумматор Стибица станет неотъемлемой частью цифрового компьютера.

В 1938 году сотрудник Массачусетского технологического института Клод Шеннон сформулировал принципы логического устройства компьютера, использующие электрические схемы для решения задач булевой алгебры.

Первый компьютер Z3 – начало компьютерной эры

В 1941 году немецкий инженер Конрад Цузе разработал первый вычислительный автомат с программным управлением. Это первый компьютер - Z3, основанный на электромеханических реле и работавший в двоичной системе счисления. Числа записывались в память и считывались из нее с помощью электрических сигналов, проходивших через реле. Программа кодировалась на перфоленте.

В 1942 году американские физики Джон Атанасов и Клиффорд Берри разработали вычислительное устройство на вакуумных трубках - машина Атанасоффа-Берри, или ABC. Вычисления производились с помощью 300 вакуумных трубок, машина использовала двоичный код и могла осуществлять логические операции. Для ввода и вывода данных применялись перфокарты.

Необходимо отметить, что до 1942 года все вычислительные машины работали на механических или электромеханических элементах - реле. С 1942 года для хранения и обработки информации начали использоваться электронные лампы, увеличившие скорость работы в тысячу раз.

В 1943 году в секретной правительственной лаборатории Великобритании построили первую вычислительную машину, в которой вместо электромеханических реле применялись 2000 электронных вакуумных ламп. ЭВМ предназначалась для расшифровки вражеских посланий, закодированных германской шифровальной машиной «Энигма».

В 1944 года в Гарвардском университете продемонстрировали вычислительную машину «Марк-1», разработанную по заказу ВМС США весом около 35 тонн. В ней использовались электромеханические реле. Машина оперировала десятичными числами, они хранились в закодированном виде на бумажной перфоленте. Машина могла манипулировать числами длиной до 23 разрядов. Для перемножения двух 23-разрядных чисел ей требовалось 4 секунды.

От разработки архитектуры до выпуска первых серийных и коммерческих компьютеров

В 1945 году американский математик Джон фон Нейман опубликовал знаменитый «Предварительный доклад о машине EDVAO». В нем он описал принципы организации ЭВМ и ее логические свойства. Ученый предложил записывать рабочую программу в память машины в закодированном виде. Архитектура компьютера получила название «фон Неймановской архитектуры ЭВМ» и легла в основу будущих моделей компьютеров.

В 1946 году по заказу военного ведомства США была разработана первая универсальная электронная вычислительная машина ENIAC. Ее вес - 30 тонн, она размещалась на 170 м2. ЭВМ насчитывала 18 000 электронных ламп. Машина работала в двоичной системе и производила 5000 операций сложения или 300 операций умножения в секунду. Данные для расчетов вводились с помощью перфокарт. Электронные лампы имели низкую надежность и часто выходили из строя.

В 1947 году американцы Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Брэдфорд Шокли изобрели стабильный переключающий полупроводниковый прибор - транзистор. Он выполнял все те же функции, что и электронные лампы. Но при этом транзисторы занимали существенно меньший объем и потребляли значительно меньше электроэнергии.

В 1949 году в Кембриджском университете была создана первая ЭВМ, в которой хранилась программа - EDS AC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator - электронный калькулятор с памятью на линиях задержки). В 1949 году Джей Форрестер из Массачусетского технологического института, изобрел магнитное запоминающее устройство.

В 1951 году Джон Мокли и Преспер Эккерт разработали вычислительную машину UNIVAC, которая предназначалась для коммерческих расчетов. Это был первый компьютер, выпускавшийся серийно.

В 1959 году были изобретены интегральные микросхемы. На одной кремниевой пластинке разместились сотни и тысячи электронных компонентов. Скорость вычислений увеличилась в десятки раз по сравнению с транзисторными схемами, соответственно, габариты и вес вычислительной техники заметно уменьшились.

В 1965 году компания Digital Equipment выпустила первый коммерческий миникомпьютер PDP-8.

Первую ЭВМ в СССР построил Институт математики АН УССР под руководством академиков С. А. Лебедева и М. А. Лаврентьева в 1950 году. Она называлась МЭСМ - малая электронная счетная машина. Быстродействие составляло 50 операций в секунду; емкость ОЗУ - 31 число и 63 команды, тактовая частота - 5 кГц.

В 1953 году в СССР была запущена БЭСМ, построенная под руководством С. А. Лебедева. Это была самая быстродействующая ЭВМ в Европе. Она выполняла до 10 тысяч операций в секунду. Для ввода информации применялась перфолента, а быстродействующее фотопечатающее устройство осуществляло вывод информации. В это время в Советском Союзе серийно выпускалась большая вычислительная машина «Стрела». Автор проекта - Ю. А. Базилевский. Под руководством члена-корреспондента АН СССР И. С. Брука созданы универсальные машины М-2 и М-3.

В 1954 году начался серийный выпуск универсальной вычислительной машины «Урал-1», позже «Урал-4» разработки Б. И. Рамеева. Все эти ЭВМ применялись в народном хозяйстве.

В 1972 году была разработана ЕС ЭВМ - Единая серия вычислительных машин. Это были стандартизированные комплексы для вычислительных центров. Они имели общую систему команд.

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

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.

В практике повседневной жизни человеку приходится решать различные проблемы или задачи, многие из которых возникают в неизменном виде и достаточно регулярно. Появляется потребность в разработке типовых подходов и правил решения, часто повторяющихся проблем и задач. Набор правил, направленный на решение задачи и состоящий в выполнении некоторых простых, типизированных действий, называется алгоритмом. Однако для успешного решения задачи кроме алгоритма необходим ещё и его исполнитель. Достаточно давно возникла идея поручить выполнение алгоритма, если это возможно, машине. Нам, живущим в ХХI веке, такие машины хорошо известны: всевозможные бытовые устройства (стиральные машины, кухонные комбайны), устройства связи, машины (роботы) промышленного производства, работающие на конвейере и т.п. Однако, исторически первыми появились устройства для выполнения вычислительных алгоритмов, и это случилось достаточно давно.

Одним из первых известных устройств, предназначенных для проведения вычислений, является абак, что означает «счётная доска». Предполагают, что абак впервые появился в Древнем Вавилоне около 3 тыс. до н. э. Первоначально он представлял собой доску, разграфлённую на полосы или со сделанными углублениями. Счётные марки (камешки, косточки) передвигались по линиям или углублениям. В 5 в. до н. э. в Египте вместо линий и углублений стали использовать палочки и проволоку с нанизанными камешками. На этом этапе абак использовался скорее для запоминания промежуточных результатов в цепочке вычислений. Начиная с IV в. до н.э., абак использовался для выполнения арифметических вычислений в древнегреческой и древнеримской цивилизациях. В России аналогом абака явились «русские счёты». Они появились в XVI веке и применяются до настоящего времени.

Следующий этап развития характеризуется созданием вычислительных устройств на механической основе с применением шестерней. Среди разработчиков и создателей таких машин следует отметить Блеза Паскаля, Готфрида Лейбница, Чарльза Бэббиджа. Каждый из них внес в процесс развития вычислительной техники свои оригинальные идеи, которые используются и в современных ЭВМ.

Первую суммирующую 8–ми разрядную машину построил Блез Паскаль (1641-1645). Он наладил производство таких машин. Каждой цифре от 0 до 9 соответствовал угол поворота счётного колеса. Всего было восемь таких колес. Операция умножения заменялась многократным сложением. Вклад Паскаля в развитие вычислительной техники, не утративший своего значения, состоял в том, что он первым догадался заменить операцию вычитания сложением с дополнением вычитаемого. Этот способ выполнения вычитания и сейчас используется в современных процессорах.

Лейбниц (около 1673 г.) создал первый арифмометр, который выполнял все четыре арифметических действия. Он первым предложил выполнять вычисления в двоичной системе счисления (на уровне проекта). Авторство в создании двоичной системы также приписывается Лейбницу. Двоичное представление данных и двоичная арифметика лежат в основе работы современных компьютеров. Арифмометр Лейбница был более «продвинутым» устройством по сравнению с машиной Паскаля. Вклад Лейбница в развитие ВТ высоко оценил Норберт Винер, один из идейных разработчиков первой ЭВМ.

Следующий значительный шаг в деле создания вычислительных машин был сделан Чарльзом Бэббиджем в начале XIX века. Конструктивно машина Бэббиджа аналогична современным ЭВМ. Она содержала следующие элементы:

· «Склад» для хранения чисел (устройство хранения данных в современных ЭВМ).

· «Фабрика» – вычислительное устройство (ВУ), выполняющее операции над числами (в современных ЭВМ ему соответствует процессор).

· Устройство управления (УУ) - также присутствует в современных ЭВМ.

· Устройство ввода-вывода (УВВ) данных – на печать и на перфокарты.

Перфокарта была изобретена Жозефом Жаккардом в 1801 г. и применялась для управления работой ткацкого станка. Позднее Герман Холлерит применил перфокарту для обработки данных по переписи населения в 1890 г. Эти работы привели в дальнейшем к созданию корпорации IBM. Перфокарты использовались в практике программирования для ввода программ и данных в ЭВМ вплоть до 80-х годов XX века.

Полностью реализовать свои идеи по созданию вычислительной машины Бэббиджу не позволил технологический уровень того времени. Передовыми достижением для того времени явились способ ввода алгоритма в машину с помощью перфокарт и сама возможность изменять алгоритм работы машины. Тогда же впервые возникла проблема составления программ и впервые возникла идея создания библиотеки программ для вычислительной машины. Рядом с Бэббиджем появляется ещё один исторически важный персонаж – леди Ада Лавлейс (1815–1852) , дочь Байрона. Она занималась разработкой алгоритмов и программ для машины Бэббиджа и считается первым в мире программистом. Ей приписывают создание алгоритма вычисления чисел Бернулли и изобретение команды для разветвления вычислительного процесса. В 1840 г. Бэббидж ездил по приглашению итальянских математиков в Турин, где читал лекции о своей машине. Был издан конспект этих лекций на французском языке. Позже Ада Лавлейс перевела эти лекции на английский язык, дополнив их комментариями, которые по своему объёму превосходили исходный текст. В комментариях Ада сделала описание машины Бэббиджа и инструкции по программированию к ней. Это были первые в мире программы, поэтому Аду Лавлейс справедливо считают первым программистом. В восьмидесятых годах XX века был разработан язык программирования, который назвали «Ада», в честь Ады Лавлейс.

Следующий этап в истории создания ЭВМ связан с именем Конрада Цузе (1910 - 1995). Он считается создателем первой работающей программируемой ЭВМ и первого языка программирования высокого уровня.

К. Цузе проектировал самолёты в компании Henschel Aircraft. Ему приходилось выполнять огромные объёмы вычислений. Цузе решил автоматизировать процесс вычислений. В 1934 г. Цузе придумал модель автоматического калькулятора, которая состояла из УУ, ВУ, памяти и полностью совпадала с архитектурой современных компьютеров. Он сформулировал шесть принципов работы компьютеров:

1. должна использоваться двоичная система счисления;

2. должны использоваться устройства, работающие по принципу да/нет;

3. должен быть полностью автоматизирован процесс работы ВУ;

4. процесс вычислений должен управляться программно;

5. необходима поддержка арифметики с плавающей запятой, а не только с фиксированной;

6. следует использовать память большой ёмкости.

В период с 1938 по 1944 г. Цузе создал три модели вычислительных машин Z1, Z2, Z3. Модель Z1представляла собой двоичное механическое вычислительное устройство с электрическим приводом и возможностью программирования при помощи клавиатуры. Результат вычислений отображался на ламповой панели. Это была экспериментальная модель. Машина Z2 считывала инструкции с перфорированной 35-миллиметровой киноплёнки. Модель Z3 сегодня многие считают первым, реально действовавшим программируемым компьютером. Порядок вычислений теперь можно было определять заранее, однако условные переходы и циклы отсутствовали. В сентябре 1950 года Цузе сконструировал машину Z4. В то время Z4 был единственным работающим компьютером в Европе и первым компьютером в мире, который был продан. Цузе первым разработал язык программирования, не привязанный к архитектуре ЭВМ (1966 г).

Важнейшей вехой в развитии вычислительной техники явилось создание в Пенсильванском университете первой ЭВМ под руководством Дж. Маучли и Преспера Эккерта. Проект стартовал в 1943 г. при поддержке Лаборатории баллистических исследований для расчётов таблиц стрельбы армии США, а уже в 1946 (1945) была продемонстрирована ЭВМ ENIAC (от Electronic Numerical Integrator and Automatic Calculator). Это был первый широкомасштабный, электронный, цифровой компьютер, способный быть перепрограммированным для решения целого диапазона задач. Его отдельные характеристики: потребляемая мощность - 150 кВт., вычислительная мощность - 300 операций умножения или 5000 операций сложения в секунду, вес - 27 тонн. Вычисления производились в десятичной системе.

Разработка второй ЭВМ началось ещё до окончательного запуска ENIAC. В группу разработчиков был включён Дж. фон Нейман. ЭВМ известна под аббревиатурой EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer). В отличие от ENIAC, это был первый компьютер с хранимой в памяти программой, который работал в двоичной, а не десятичной системе счисления. Приведём основные технические характеристики EDVAC.

Компьютер располагал встроенными операциями сложения, вычитания и умножения, а также программной реализацией деления; объём памяти составлял 5,5 килобайт в современной терминологии. Основные конструктивные компоненты EDVAC:

· устройство чтения/записи с магнитной ленты;

· контролирующее устройство с осциллографом;

· устройство-диспетчер, принимающее инструкции от контролирующего устройства и из памяти и направляющее их в другие устройства;

· вычислительное устройство, выполняющее за раз одну арифметическую операцию над парой чисел и посылающее результат в память;

· таймер;

· три временных регистра, в каждом из которых хранилось одно слово.

Время выполнения операции сложения - 864 микросекунды, умножения - 2900 микросекунд. Компьютер состоял из почти 6000 электровакуумных ламп, и 12000 диодов, и потреблял 56 кВт энергии. Занимаемая площадь - 45,5 м², масса - 7850 кг. Полный состав обслуживающего персонала - 30 человек на каждую 8-часовую смену.

У истоков создания первой ЭВМ стояли многие учёные. В частности, Н. Винер в своей книге «Кибернетика» перечисляет следующие принципы конструирования ЭВМ.

1) Центральные суммирующие и множительные устройства должны быть цифровыми, как в обычном арифмометре, а не основываться на измерении (как в дифференциальном анализаторе Буша).

2) Эти устройства, являющиеся по существу переключателями, должны состоять из электронных ламп, а не из зубчатых передач или электромеханических реле. Это необходимо, чтобы обеспечить достаточное быстродействие.

3) В соответствии с принципами, принятыми для ряда существующих машин Белловских телефонных лабораторий, должна использоваться более экономичная двоичная, а не десятичная система счисления.

4) Последовательность действий должна планироваться самой машиной так, чтобы человек не вмешивался в процесс решения задачи с момента введения исходных данных до снятия окончательных результатов. Все логические операции, необходимые для этого, должна выполнять сама машина.

5) Машина должна содержать устройство для запасания данных. Это устройство должно быстро их записывать, надежно хранить до стирания, быстро считывать, быстро стирать их и немедленно подготавливаться к запасанию нового материала.

Как пишет Н. Винер: «Все эти рекомендации представляют собой идеи, положенные в основу современной сверхбыстрой вычислительной машины. Эти мысли почти носились тогда в воздухе, и я не хочу в данный момент заявлять какие-либо претензии на исключительный приоритет в их формулировке. Все же указанные рекомендации оказались полезными, и я надеюсь, что они имели некоторое влияние на популяризацию этого круга идей среди инженеров».

Другой известный учёный, Дж. фон Нейман, при конструировании ЭВМ EDVAC сформулировал ряд требований, которым должна удовлетворять ЭВМ. С тех пор (1945 г.) эти требования известны как принципы Джона фон Неймана, положенные в основу архитектуры современных ЭВМ.

1. Основные блоки ЭВМ: устройство управления (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ), оперативная память (ОП или ОЗУ), внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), устройство ввода-вывода данных (УВВ).

2. УУ и АЛУ объединяются в единое устройство, называемое процессором.

3. Алгоритм решения задачи (программа) представлен в виде последовательности управляющих слов – команд, которые определяют смысл выполняемой операции. Последовательность (совокупность) команд образует программу.

4. Команда – совокупность сведений, необходимых процессору для выполнения определённого действия. Адресный принцип состоит в том, что в команде указываются не сами числа, над которыми надо выполнить действия, а их адреса в ОП.

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.).