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.

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.