История вычислительной техники до пк. Реферат: История развития вычислительной техники

Поколения:

Ранние приспособления и устройства для счёта

Вычислительная техника является важнейшим компонентом процесса вычислений и обработки данных. Первыми приспособлениями для вычислений были счётные палочки. Развиваясь, эти приспособления становились более сложными, например, такими как финикийские глиняные фигурки, также предназначаемые для наглядного представления количества считаемых предметов. Такими приспособлениями пользовались торговцы и счетоводы того времени. Постепенно из простейших приспособлений для счёта рождались всё более и более сложные устройства: абак (счёты), логарифмическая линейка, механический арифмометр, электронный компьютер. Принцип эквивалентности широко использовался в простейшем счётном устройстве Абак или Счёты. Количество подсчитываемых предметов соответствовало числу передвинутых костяшек этого инструмента. Сравнительно сложным приспособлением для счёта могли быть чётки, применяемые в практике многих религий. Верующий как на счётах отсчитывал на зёрнах чёток число произнесённых молитв, а при "

"Считающие часы» Вильгельма Шикарда

В 1623 году Вильгельм Шикард придумал «Считающие часы» - первый механический калькулятор, умевший выполнять четыре арифметических действия. За этим последовали машины Блеза Паскаля («Паскалина», 1642 г.) и Готфрида Вильгельма Лейбница.

Примерно в 1820 году Charles Xavier Thomas создал первый удачный, серийно выпускаемый механический калькулятор - Арифмометр Томаса, который мог складывать, вычитать, умножать и делить. В основном, он был основан на работе Лейбница. Механические калькуляторы, считающие десятичные числа, использовались до 1970-х. Лейбниц также описал двоичную систему счисления, центральный ингредиент всех современных компьютеров. Однако вплоть до 1940-х, многие последующие разработки (включая машины Чарльза Бэббиджа и даже ЭНИАК 1945 года) были основаны на более сложной в реализации десятичной системе.

Перфокарточная система музыкального автомата

В 1801 году Жозеф Мари Жаккар разработал ткацкий станок, в котором вышиваемый узор определялся перфокартами. Серия карт могла быть заменена, и смена узора не требовала изменений в механике станка. Это было важной вехой в истории программирования. В 1838 году Чарльз Бэббидж перешёл от разработки Разностной машины к проектированию более сложной аналитической машины, принципы программирования которой напрямую восходят к перфокартам Жаккара. В 1890 году Бюро Переписи США использовало перфокарты и механизмы сортировки, разработанные Германом Холлеритом, чтобы обработать поток данных десятилетней переписи, переданный под мандат в соответствии с Конституцией. Компания Холлерита в конечном счёте стала ядром IBM. Эта корпорация развила технологию перфокарт в мощный инструмент для деловой обработки данных и выпустила обширную линию специализированного оборудования для их записи. К 1950 году технология IBM стала вездесущей в промышленности и правительстве. Во многих компьютерных решениях перфокарты использовались до (и после) конца 1970-х.

1835-1900-е: Первые программируемые машины

В 1835 году Чарльз Бэббидж описал свою аналитическую машину. Это был проект компьютера общего назначения, с применением перфокарт в качестве носителя входных данных и программы, а также парового двигателя в качестве источника энергии. Одной из ключевых идей было использование шестерней для выполнения математических функций. По стопам Бэббиджа, хотя и не зная о его более ранних работах, шёл Percy Ludgate, бухгалтер из Дублина [Ирландия]. Он независимо спроектировал программируемый механический компьютер, который он описал в работе, изданной в 1909 году.

1930-е - 1960-е: настольные калькуляторы

Арифмометр «Феликс» - самый распространённый в СССР. Выпускался в 1929-1978 гг

В 1948 году появился Curta - небольшой механический калькулятор, который можно было держать в одной руке. В 1950-х - 1960-х годах на западном рынке появилось несколько марок подобных устройств. Первым полностью электронным настольным калькулятором был британский ANITA Мк. VII, который использовал дисплей на трубках «Nixie» и 177 миниатюрных тиратроновых трубок. В июне 1963 года Friden представил EC-130 с четырьмя функциями. Он был полностью на транзисторах, имел 13-цифровое разрешение на 5-дюймовой электронно-лучевой трубке, и представлялся фирмой на рынке калькуляторов по цене 2200 $. В модель EC 132 были добавлены функция вычисления квадратного корня и обратные функции. В 1965 году Wang Laboratories произвёл LOCI-2, настольный калькулятор на транзисторах с 10 цифрами, который использовал дисплей на трубках «Nixie» и мог вычислять логарифмы.

Появление аналоговых вычислителей в предвоенные годы

Дифференциальный анализатор, Кембридж, 1938 год Перед Второй мировой войной механические и электрические аналоговые компьютеры считались наиболее современными машинами, и многие считали, что это будущее вычислительной техники. Аналоговые компьютеры использовали преимущества того, что математические свойства явлений малого масштаба - положения колёс или электрическое напряжение и ток - подобны математике других физических явлений, например таких как баллистические траектории, инерция, резонанс, перенос энергии, момент инерции и т. п. Они моделировали эти и другие физические явления значениями электрического напряжения и тока.

Первые электромеханические цифровые компьютеры

Z-серия Конрада Цузе В 1936 году, работая в изоляции в нацистской Германии, Конрад Цузе начал работу над своим первым вычислителем серии Z, имеющим память и (пока ограниченную) возможность программирования. Созданная, в основном, на механической основе, но уже на базе двоичной логики, модель Z1, завершённая в 1938 году, так и не заработала достаточно надёжно, из-за недостаточной точности выполнения составных частей. Следующая машина Цузе - Z3, была завершена в 1941 году. Она была построена на телефонных реле и работала вполне удовлетворительно. Тем самым, Z3 стала первым работающим компьютером, управляемым программой. Во многих отношениях Z3 была подобна современным машинам, в ней впервые был представлен ряд новшеств, таких как арифметика с плавающей запятой. Замена сложной в реализации десятичной системы на двоичную, сделала машины Цузе более простыми и, а значит, более надёжными; считается, что это одна из причин того, что Цузе преуспел там, где Бэббидж потерпел неудачу. Программы для Z3 хранились на перфорированной плёнке. Условные переходы отсутствовали, но в 1990-х было теоретически доказано, что Z3 является универсальным компьютером (если игнорировать ограничения на размер физической памяти). В двух патентах 1936 года, Конрад Цузе упоминал, что машинные команды могут храниться в той же памяти что и данные - предугадав тем самым то, что позже стало известно как архитектура фон Неймана и было впервые реализовано только в 1949 году в британском EDSAC.

Британский «Колосс»

Британский Colossus был использован для взлома немецких шифров в ходе Второй мировой войны. «Колосс» стал первым полностью электронным вычислительным устройством. В нём использовалось большое количество электровакуумных ламп, ввод информации выполнялся с перфоленты. «Колосс» можно было настроить на выполнение различных операций булевой логики, но он не являлся тьюринг-полной машиной. Помимо Colossus Mk I, было собрано ещё девять моделей Mk II. Информация о существовании этой машины держалась в секрете до 1970-х гг. Уинстон Черчилль лично подписал приказ о разрушении машины на части, не превышающие размером человеческой руки. Из-за своей секретности, «Колосс» не упомянут во многих трудах по истории компьютеров.

Первое поколение компьютеров с архитектурой фон Неймана

Память на ферритовых сердечниках. Каждый сердечник - один бит. Первой работающей машиной с архитектурой фон Неймана стал манчестерский «Baby» - Small-Scale Experimental Machine (Малая экспериментальная машина), созданный в Манчестерском университете в 1948 году; в 1949 году за ним последовал компьютер Манчестерский Марк I, который уже был полной системой, с трубками Уильямса и магнитным барабаном в качестве памяти, а также с индексными регистрами. Другим претендентом на звание «первый цифровой компьютер с хранимой программой» стал EDSAC, разработанный и сконструированный в Кембриджском университете. Заработавший менее чем через год после «Baby», он уже мог использоваться для решения реальных проблем. На самом деле, EDSAC был создан на основе архитектуры компьютера EDVAC, наследника ENIAC. В отличие от ENIAC, использовавшего параллельную обработку, EDVAC располагал единственным обрабатывающим блоком. Такое решение было проще и надёжнее, поэтому такой вариант становился первым реализованным после каждой очередной волны миниатюризации. Многие считают, что Манчестерский Марк I / EDSAC / EDVAC стали «Евами», от которых ведут свою архитектуру почти все современные компьютеры.

Первый универсальный программируемый компьютер в континентальной Европе был создан командой учёных под руководством Сергея Алексеевича Лебедева из Киевского института электротехники СССР, Украина. ЭВМ МЭСМ (Малая электронная счётная машина) заработала в 1950 году. Она содержала около 6000 электровакуумных ламп и потребляла 15 кВт. Машина могла выполнять около 3000 операций в секунду. Другой машиной того времени была австралийская CSIRAC, которая выполнила свою первую тестовую программу в 1949 году.

В октябре 1947 года директора компании Lyons & Company, британской компании, владеющей сетью магазинов и ресторанов, решили принять активное участие в развитии коммерческой разработке компьютеров. Компьютер LEO I начал работать в 1951 году и впервые в мире стал регулярно использоваться для рутинной офисной работы.

Машина Манчестерского университета стала прототипом для Ferranti Mark I. Первая такая машина была доставлена в университет в феврале 1951 года, и, по крайней мере, девять других были проданы между 1951 и 1957 годами.

В июне 1951 года UNIVAC 1 был установлен в Бюро переписи населения США. Машина была разработана в компании Remington Rand, которая, в конечном итоге, продала 46 таких машин по цене более чем в 1 млн $ за каждую. UNIVAC был первым массово производимым компьютером; все его предшественники изготовлялись в единичном экземпляре. Компьютер состоял из 5200 электровакуумных ламп, и потреблял 125 кВт энергии. Использовались ртутные линии задержки, хранящие 1000 слов памяти, каждое по 11 десятичных цифр плюс знак (72-битные слова). В отличие от машин IBM, оснащаемых устройством ввода с перфокарт, UNIVAC использовал ввод с металлизированной магнитной ленты стиля 1930-х, благодаря чему обеспечивалась совместимость с некоторыми существующими коммерческими системами хранения данных. Другими компьютерами того времени использовался высокоскоростной ввод с перфоленты и ввод/вывод с использованием более современных магнитных лент.

Первой советской серийной ЭВМ стала Стрела, производимая с 1953 на Московском заводе счётно-аналитических машин. «Стрела» относится к классу больших универсальных ЭВМ (Мейнфрейм) с треёхадресной системой команд. ЭВМ имела быстродействие 2000-3000 операций в секунду. В качестве внешней памяти использовались два накопителя на магнитной ленте емкостью 200 000 слов, объём оперативной памяти - 2048 ячеек по 43 разряда. Компьютер состоял из 6200 ламп, 60 000 полупроводниковых диодов и потреблял 150 кВт энергии.

В 1955 году Морис Уилкс изобретает микропрограммирование, принцип, который позднее широко используется в микропроцессорах самых различных компьютеров. Микропрограммирование позволяет определять или расширять базовый набор команд с помощью встроенных программ (которые носят названия микропрограмма или firmware).

В 1956 году IBM впервые продаёт устройство для хранения информации на магнитных дисках - RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control). Оно использует 50 металлических дисков диаметром 24 дюйма, по 100 дорожек с каждой стороны. Устройство хранило до 5 МБ данных и стоило по 10 000 $ за МБ. (В 2006 году, подобные устройства хранения данных - жёсткие диски - стоят около 0,001 $ за Мб.)

1950-е - начало 1960-х: второе поколение

Следующим крупным шагом в истории компьютерной техники, стало изобретение транзистора в 1947 году. Они стали заменой хрупким и энергоёмким лампам. О компьютерах на транзисторах обычно говорят как о «втором поколении», которое доминировало в 1950-х и начале 1960-х. Благодаря транзисторам и печатным платам, было достигнуто значительное уменьшение размеров и объёмов потребляемой энергии, а также повышение надёжности. Например, IBM 1620 на транзисторах, ставшая заменой IBM 650 на лампах, была размером с офисный стол. Однако компьютеры второго поколения по-прежнему были довольно дороги и поэтому использовались только университетами, правительствами, крупными корпорациями.

Компьютеры второго поколения обычно состояли из большого количества печатных плат, каждая из которых содержала от одного до четырёх логических вентилей или триггеров. В частности, IBM Standard Modular System определяла стандарт на такие платы и разъёмы подключения для них. В 1959 году на основе транзисторов IBM выпустила мейнфрейм IBM 7090 и машину среднего класса IBM 1401. Последняя использовала перфокарточный ввод и стала самым популярным компьютером общего назначения того времени: в период 1960-1964 гг. было выпущено более 100 тыс. экземпляров этой машины. В ней использовалась память на 4000 символов (позже увеличенная до 16 000 символов). Многие аспекты этого проекта были основаны на желании заменить перфокарточные машины, которые широко использовались начиная с 1920-х до самого начала 1970-х гг. В 1960 году IBM выпустила транзисторную IBM 1620, изначально только перфоленточную, но вскоре обновлённую до перфокарт. Модель стала популярна в качестве научного компьютера, было выпущено около 2000 экземпляров. В машине использовалась память на магнитных сердечниках объёмом до 60 000 десятичных цифр.

В том же 1960 году DEC выпустила свою первую модель - PDP-1, предназначенную для использования техническим персоналом в лабораториях и для исследований.

В 1961 году Burroughs Corporation выпустила B5000, первый двухпроцессорный компьютер с виртуальной памятью. Другими уникальными особенностями были стековая архитектура, адресация на основе дескрипторов, и отсутствие программирования напрямую на языке ассемблера.

Первыми советскими серийными полупроводниковыми ЭВМ стали «Весна» и «Снег», выпускаемые с 1964 по 1972 год. Пиковая производительность ЭВМ «Снег» составила 300 000 операций в секунду. Машины изготавливались на базе транзисторов с тактовой частотой 5 МГц. Всего было выпущено 39 ЭВМ.

Наилучшей отечественной ЭВМ 2-го поколения считается БЭСМ-6, созданная в 1966. В архитектуре БЭСМ-6 впервые был широко использован принцип совмещения выполнения команд (до 14 одноадресных машинных команд могли находиться на разных стадиях выполнения). Механизмы прерывания, защиты памяти и другие новаторские решения позволили использовать БЭСМ-6 в мультипрограммном режиме и режиме разделения времени. ЭВМ имела 128 Кб оперативной памяти на ферритовых сердечниках и внешнюю памяти на магнитных барабанах и ленте. БЭСМ-6 работала с тактовой частотой 10 МГц и рекордной для того времени производительностью - около 1 миллиона операций в секунду. Всего было выпущено 355 ЭВМ.

1960-е и далее: третье и последующие поколения

Бурный рост использования компьютеров начался с т. н. «3-им поколением» вычислительных машин. Начало этому положило изобретение интегральных схем, которые независимо друг от друга изобрели лауреат Нобелевской премии Джек Килби и Роберт Нойс. Позже это привело к изобретению микропроцессора Тэдом Хоффом (компания Intel). В течение 1960-х наблюдалось определённое перекрытие технологий 2-го и 3-го поколений. В конце 1975 года, в Sperry Univac продолжалось производство машин 2-го поколения, таких как UNIVAC 494.

Появление микропроцессоров привело к разработке микрокомпьютеров - небольших недорогих компьютеров, которыми могли владеть небольшие компании или отдельные люди. Микрокомпьютеры, представители четвёртого поколения, первые из которых появился в 1970-х, стали повсеместным явлением в 1980-х и позже. Стив Возняк, один из основателей Apple Computer, стал известен как разработчик первого массового домашнего компьютера, а позже - первого персонального компьютера. Компьютеры на основе микрокомпьютерной архитектуры, с возможностями, добавленными от их больших собратьев, сейчас доминируют в большинстве сегментов рынка.

1970-1990-четвертое поколение ЭВМ

Обычно считается, что период с 1970 по 1990 гг. принадлежит компьютерам четвертого поколения. Однако есть и другое мнение - многие полагают, что достижения этого периода не настолько велики, чтобы считать его равноправным поколением. Сторонники такой точки зрения называют это десятилетие принадлежащим «третьему с половиной» поколению компьютеров, и только с 1985 г., по их мнению, следует отсчитывать годы жизни собственно четвертого поколения, здравствующего и по сей день.

Так или иначе, очевидно, что начиная с середины 70-х все меньше становится принципиальных новаций в компьютерной науке. Прогресс идет в основном по пути развития того, что уже изобретено и придумано, - прежде всего за счет повышения мощности и миниатюризации элементной базы и самих компьютеров.

И, конечно же, самое главное - что с начала 80-х, благодаря появлению персональных компьютеров, вычислительная техника становится по-настоящему массовой и общедоступной. Складывается парадоксальная ситуация: несмотря на то, что персональные и миникомпьютеры по-прежнему во всех отношениях отстают от больших машин, львиная доля новшеств последнего десятилетия - графический пользовательский интерфейс, новые периферийные устройства, глобальные сети - обязаны своим появлением и развитием именно этой «несерьезной» технике. Большие компьютеры и суперкомпьютеры, конечно же, отнюдь не вымерли и продолжают развиваться. Но теперь они уже не доминируют на компьютерной арене, как было раньше.

Элементная база ЭВМ - большие интегральные схемы (БИС). Машины предназначались для резкого повышения производительности труда в науке, производстве, управлении, здравоохранении, обслуживании и быту. Высокая степень интеграции способствует увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, повышению ее надежности, что ведет к увеличению быстродействия ЭВМ и снижению ее стоимости. Все это оказывает существенное воздействие на логическую структуру (архитектуру) ЭВМ и на ее программное обеспечение. Более тесной становится связь структуры машины и ее программного обеспечения, особенно операционной системы (или монитора)-набора программ, которые организуют непрерывную работу машины без вмешательства человека. К этому поколению можно отнести ЭВМ ЕС: ЕС-1015, -1025, -1035, -1045, -1055, -1065 (“Ряд 2”), -1036, -1046, -1066, СМ-1420, -1600, -1700, все персональные ЭВМ (“Электроника МС 0501”, “Электроника-85”, “Искра-226”, ЕС-1840, -1841, -1842 и др.), а также другие типы и модификации. К ЭВМ четвертого поколения относится также многопроцессорный вычислительный комплекс "Эльбрус". "Эльбрус-1КБ" имел быстродействие до 5,5 млн. операций с плавающей точкой в секунду, а объем оперативной памяти до 64 Мб. У "Эльбрус-2" производительность до 120 млн. операций в секунду, емкость оперативной памяти до 144 Мб или 16 Мслов (слово 72 разряда), максимальная пропускная способность каналов ввода-вывода - 120 Мб/с.

Пример: IBM 370-168

Изготовлена в 1972 г. Эта модель машины была одной из самых распространенных. Емкость ОЗУ - 8.2 Мбайт. Производительность - 7.7 млн. операций в секунду.

1990-…до наших дней-5 поколение ЭВМ

Переход к компьютерам пятого поколения предполагал переход к новым архитектурам, ориентированным на создание искусственного интеллекта.

Считалось, что архитектура компьютеров пятого поколения будет содержать два основных блока. Один из них - собственно компьютер, в котором связь с пользователем осуществляет блок, называемый «интеллектуальным интерфейсом». Задача интерфейса - понять текст, написанный на естественном языке или речь, и изложенное таким образом условие задачи перевести в работающую программу.

Основные требования к компьютерам 5-го поколения: Создание развитого человеко-машинного интерфейса (распознавание речи, образов); Развитие логического программирования для создания баз знаний и систем искусственного интеллекта; Создание новых технологий в производстве вычислительной техники; Создание новых архитектур компьютеров и вычислительных комплексов.

Новые технические возможности вычислительной техники должны были расширить круг решаемых задач и позволить перейти к задачам создания искусственного интеллекта. В качестве одной из необходимых для создания искусственного интеллекта составляющих являются базы знаний (базы данных) по различным направлениям науки и техники. Для создания и использования баз данных требуется высокое быстродействие вычислительной системы и большой объем памяти. Универсальные компьютеры способны производить высокоскоростные вычисления, но не пригодны для выполнения с высокой скоростью операций сравнения и сортировки больших объемов записей, хранящихся обычно на магнитных дисках. Для создания программ, обеспечивающих заполнение, обновление баз данных и работу с ними, были созданы специальные объектно ориентированные и логические языки программирования, обеспечивающие наибольшие возможности по сравнению с обычными процедурными языками. Структура этих языков требует перехода от традиционной фон-неймановской архитектуры компьютера к архитектурам, учитывающим требования задач создания искусственного интеллекта.

Пример: IBM eServer z990

Изготовлен в 2003 г. Физические параметры: вес 2000 кг., потребляемая мощность 21 КВт., площадь 2,5 кв. м., высота 1,94 м., емкость ОЗУ 256 ГБайт, производительность - 9 млрд. инструкций/сек.

История развития вычислительной техники

2. «Время - события - люди»

1. Стадии развития вычислительной техники

Вплоть до XVII в. деятельность общества в целом и каждого человека в отдельности была направлена на овладение веществом, т. е. есть познание свойств вещества и изготовление сначала примитивных, а потом все более сложных орудий труда, вплоть до механизмов и машин, позволяющих изготовлять потребительские ценности.

Затем в процессе становления индустриального общества на первый план вышла проблема овладения энергией - сначала тепловой, затем электрической, наконец, атомной. Овладение энергией позволило освоить массовое производство потребительских ценностей и, как следствие, повысить уровень жизни людей и изменить характер их труда.

В то же время человечеству свойственна потребность выразить и запомнить информацию об окружающем мире - так появились письменность, книгопечатание, живопись, фотография, радио, телевидение. В истории развития цивилизации можно выделить несколько информационных революций - преобразование общественных отношений из-за кардинальных изменений в сфере обработки информации, информационных технологий. Следствием подобных преобразований являлось приобретение человеческим обществом нового качества.

В конце XX в. человечество вступило в новую стадию развития - стадию построения информационного общества. Информация стала важнейшим фактором экономического роста, а уровень развития информационной деятельности и степень вовлеченности и влияния ее на глобальную информационную инфраструктуру превратились в важнейшее условие конкурентоспособности страны в мировой экономике. Понимание неизбежности прихода этого общества наступило значительно раньше. Австралийский экономист К. Кларк еще в 40-е годы говорил о приближении эпохи общества информации и услуг, общества новых технологических и экономических возможностей. Американский экономист Ф. Махлуп выдвинул предположение о наступлении информационной экономики и превращении информации в важнейший товар в конце 50-х гг. В конце 60-х гг. Д. Белл констатировал превращение индустриального общества в информационное. Что касается стран, ранее входивших в СССР, то процессы информатизации в них развивались замедленными темпами.

Информатика меняет всю систему общественного производства и взаимодействия культур. С наступлением информационного общества начинается новый этап не только научно-технической, но социальной революции. Меняется вся система информационных коммуникаций. Разрушение старых информационных связей между отраслями экономики, направлениями научной деятельности, регионами, странами усилило экономический кризис конца века в странах, которые уделяли развитию информатизации недостаточное внимание. Важнейшая задача общества - восстановить каналы коммуникации в новых экономических и технологических условиях для обеспечения четкого взаимодействия всех направлений экономического, научного и социального развития как отдельных стран, так и в глобальном масштабе.

Компьютеры в современном обществе взяли на себя значительную часть работ, связанных с информацией. По историческим меркам компьютерные технологии обработки информации еще очень молоды и находятся в самом начале своего развития. Компьютерные технологии сегодня преобразуют или вытесняют старые технологии обработки информации.

2. «Время - события - люди»

Рассмотрим историю развития вычислительных средств и методов «в лицах» и объектах (табл.1).

Таблица 1. Основные события в истории развития вычислительных методов, приборов, автоматов и машин

3. Классы вычислительных машин

Сферам применения и методам использования (а также размерам и вычислительной мощности).

Физическое представление обрабатываемой информации

Здесь выделяют аналоговые (непрерывного действия); цифровые (дискретного действия); гибридные (на отдельных этапах обработки используются различные способы физического представления данных).

АВМ - аналоговые вычислительные машины, или вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, т. е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаше всего электрического напряжения):

ЦВМ - цифровые вычислительные машины, или вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, цифровой форме. В силу универсальности цифровой формы представления информации ЭВМ является более универсальным средством обработки данных.

ГВМ - гибридные вычислительные машины, или вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме. Они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

Поколения ЭВМ

Идея делить машины на поколения вызвана к жизни тем, что за время короткой истории своего развития компьютерная техника проделала большую эволюцию как в смысле элементной базы (лампы, транзисторы, микросхемы и др.), так и в смысле изменения ее структуры, появления новых возможностей, расширения областей применения и характера использования (табл. 2.).

Таблица 2

Этапы развития компьютерных информационных технологий

К первому поколению обычно относят машины, созданные на рубеже 50-х гг. и базирующиеся на электронных лампах. Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами, которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства. Лампы потребляли значительное количество электроэнергии и выделяли много тепла (рис. 1.).

Набор команд был ограничен, схемы арифметико-логического устройства и устройства управления достаточно просты, программное обеспечение практически отсутствовало. Показатели объема оперативной памяти и быстродействия были низкими. Для ввода-вывода использовались перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства. Быстродействие порядка 10-20 тыс. операций в секунду.

Программы для этих машин писались на языке конкретной машины. Математик, составивший программу, садился за пульт управления машины, вводил и отлаживал программы и производил по ним счет. Процесс отладки был весьма длительным по времени.

Несмотря на ограниченность возможностей эти машины позволили выполнить сложнейшие расчеты, необходимые для прогнозирования погоды, решения задач атомной энергетики и др.

Опыт использования машин первого поколения показал, что существует огромный разрыв между временем, затрачиваемым на разработку программ, и временем счета. Эти проблемы начали преодолевать путем интенсивной разработки средств автоматизации программирования, создания систем обслуживающих программ, упрощающих работу на машине и увеличивающих эффективность ее использования. Это, в свою очередь, потребовало значительных изменений в структуре компьютеров, направленных на то, чтобы приблизить ее к требованиям, возникшим из опыта эксплуатации компьютеров.

В октябре 1945 года в США был создан первый компьютер ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Calculator - электронный числовой интегратор и вычислитель).

Отечественные машины первого поколения: МЭСМ (малая электронная счетная машина), БЭСМ, Стрела, Урал, М-20.

Второе поколение компьютерной техники - машины, сконструированные в 1955-65 гг. Характеризуются использованием в них как электронных ламп, так и дискретных транзисторных логических элементов (рис. 2). Их оперативная память была построена на магнитных сердечниках. В это время стал расширяться диапазон применяемого оборудования ввода-вывода, появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами (НМЛ), магнитные барабаны (НМБ) и первые магнитные диски (табл. 2.).

Эти машины характеризуются быстродействием до сотен тысяч операций в секунду, емкостью памяти - до нескольких десятков тысяч слов.

Появляются языки высокого уровня, средства которых допускают описание всей необходимой последовательности вычислительных действий в наглядном, легко воспринимаемом виде.

Программа, написанная на алгоритмическом языке, непонятна компьютеру, воспринимающему только язык своих собственных команд. Поэтому специальные программы, которые называются трансляторами, переводят программу с языка высокого уровня на машинный язык.

Появился широкий набор библиотечных программ для решения разнообразных задач, а также мониторные системы, управляющие режимом трансляции и исполнения программ, из которых в дальнейшем выросли современные операционные системы.

Операционная система - важнейшая часть программного обеспечения компьютера, предназначенная для автоматизации планирования и организации процесса обработки программ, ввода-вы вода и управления данными, распределения ресурсов, подготовки и отладки программ, других вспомогательных операций обслуживания.

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

Наивысшим достижением отечественной вычислительной техники созданной коллективом С.А. Лебедева явилась разработка в 1966 году полупроводниковой ЭВМ БЭСМ-6 с производительностью 1 млн. операций в секунду.

Машины третьего поколения - это семейства машин с единой архитектурой, т. е. программно совместимых. В качестве элементной базы в них используются интегральные схемы, которые также называются микросхемами.

Машины третьего поколения появились в 60-е гг. Поскольку процесс создания компьютерной техники шел непрерывно, и в нем участвовало множество людей из разных стран, имеющих дело с решением различных проблем, трудно и бесполезно пытаться установить, когда «поколение» начиналось и заканчивалось. Возможно, наиболее важным критерием различия машин второго и третьего поколений является критерий, основанный на понятии архитектуры.

Машины третьего поколения имеют развитые операционные системы. Они обладают возможностями мультипрограммирования, т. е. параллельного выполнения нескольких программ. Многие задачи управления памятью, устройствами и ресурсами стала брать на себя операционная система или же непосредственно сама машина.

Примеры машин третьего поколения - семейства IBM-360, IBM-370, PDP-11, VAX, EC ЭВМ (Единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ) и др.

Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Емкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов.

Четвертое поколение - это основной контингент современной компьютерной техники, разработанной после 70-х гг.

Наиболее важный в концептуальном отношении критерий, по которому эти компьютеры можно отделить от машин третьего поколения, состоит в том, что машины четвертого поколения проектировались в расчете на эффективное использование современных высокоуровневых языков и упрощение процесса программирования для конечного пользователя.

В аппаратурном отношении для них характерно широкое использование интегральных схем в качестве элементной базы, а также наличие быстродействующих запоминающих устройств с произвольной выборкой емкостью в десятки мегабайт (рис. 3, б).

С точки зрения структуры машины этого поколения представляют собой многопроцессорные и многомашинные комплексы, использующие общую память и общее поле внешних устройств. Быстродействие составляет до нескольких десятков миллионов операций в секунду, емкость оперативной памяти порядка 1-512 Мбайт.

Для них характерны:

Применение персональных компьютеров (ПК);

Телекоммуникационная обработка данных;

Компьютерные сети;

Широкое применение систем управления базами данных;

Элементы интеллектуального поведения систем обработки данных и устройств.

К ЭВМ четвертого поколения относятся ПЭВМ “Электроника МС 0511” комплекта учебной вычислительной техники КУВТ УКНЦ, а также современные IBM - совместимые компьютеры, на которых мы работаем.

В соответствии с элементной базой и уровнем развития программных средств выделяют четыре реальных поколения ЭВМ, краткая характеристика которых приведена в таблице 3.

Таблица 3

Поколения ЭВМ

Таблица 4

Основные характеристики отечественных ЭВМ второго поколения

В компьютерах пятого поколения предположительно должен произойти качественный переход от обработки данных к обработке знаний.

Архитектура компьютеров пятого поколения будет содержать два основных блока. Один из них - это традиционный компьютер, однако лишенный связи с пользователем. Эту связь осуществляет интеллектуальный интерфейс. Будет также решаться проблема децентрализации вычислений с помощью компьютерных сетей.

Кратко основную концепцию ЭВМ пятого поколения можно сформулировать следующим образом:

1. Компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных инструкций программы.

2. Компьютеры с многими сотнями параллельно работающих процессоров, позволяющих строить системы обработки данных и знаний, эффективные сетевые компьютерные системы.

До XVII в. деятельность общества в целом и каждого человека в отдельности была направлена на овладение веществом, т. е. есть познание свойств вещества и изготовление сначала примитивных, а потом все более сложных орудий труда, вплоть до механизмов и машин, позволяющих изготовлять потребительские ценности.

Затем в процессе становления индустриального общества на первый план вышла проблема овладения энергией - сначала тепловой, затем электрической, наконец, атомной.

В конце XX в. человечество вступило в новую стадию развития - стадию построения информационного общества.

В конце 60-х гг. Д. Белл констатировал превращение индустриального общества в информационное.

Важнейшая задача общества - восстановить каналы коммуникации в новых экономических и технологических условиях для обеспечения четкого взаимодействия всех направлений экономического, научного и социального развития как отдельных стран, так и в глобальном масштабе.

Современный компьютер - это универсальное, многофункциональное, электронное автоматическое устройство для работы с информацией.

В 1642 г., когда Паскалю было 19 лет, была изготовлена первая действующая модель суммирующей машины.

В 1673 г. Лейбниц изобрёл механическое устройство для расчетов (механического калькулятора).

1804 г. инженер Жозеф-Мари Жаккар построил полностью автоматизированный станок (станок Жаккара), способный воспроизводить сложнейшие узоры. Работа станка программировалась с помощью колоды перфокарт, каждая из которых управляла одним ходом челнока.

В 1822 г. Ч. Беббиджем была построена разностная машина (пробная модель), способная рассчитывать и печатать большие математические таблицы. В последующем он пришел к идее создания более мощной - аналитической машины. Она не просто должна была решать математические задачи определенного типа, а выполнять разнообразные вычислительные операции в соответствии с инструкциями, задаваемыми оператором.

Графиня Огаста Ада Лавлейс совместно с Ч. Бэббиджем работала над созданием программ для его счетных машин. Ее работы в этой области были опубликованы в 1843 г.

Дж. Буль по праву считается отцом математической логики. Его именем назван раздел математической логики - булева алгебра. Дж. Буль изобрел своеобразную алгебру - систему обозначений и правил, применяемую к всевозможным объектам, от чисел и букв до предложений (1854 г).

Модели арифмометров, первая из которых была сконструирована не позднее 1876 г. Арифмометр Чебышева для того времени был одной из самых оригинальных вычислительных машин. В своих конструкциях Чебышев предложил принцип непрерывной передачи десятков и автоматический переход каретки с разряда на разряд при умножении.

Алексей Николаевич Крылов 1904 г. предложил конструкцию машины для интегрирования обыкновенных дифференциальных уравнений. В 1912 г. такая машина была построена.

И другие.

Электронная вычислительная машина (ЭВМ), компьютер - комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

ЭВМ можно классифицировать по ряду признаков, в частности:

Физическому представлению обрабатываемой информации;

Поколениям (этапам создания и элементной базе).

Его стали называть арифметико-логическим. Оно стало основным устройством современных компьютеров. Таким образом, два гения XVII века, установили первые вехи в истории развития цифровой вычислительной техники. Заслуги В. Лейбница, однако, не ограничиваются созданием "арифметического прибора". Начиная со студенческих лет и до конца жизни он занимался исследованием свойств двоичной системы...

...) и современной технологией, уровнем развития которой во многом определяется прогресс в производстве средств вычислительной техники. Электронно-вычислительные машины у нас в стране принято делить на поколения. Для компьютерной техники характерна прежде всего быстрота смены поколений - за ее короткую историю развития уже успели смениться четыре поколения и сейчас мы работаем на компьютерах пятого...

История развития средств инструментального счета позволяет лучше понять действие современных вычислительных машин. Как говорил Лейбниц: "Кто хочет ограничиться настоящим без знания прошлого, тот никогда не поймет настоящего." Поэтому изучение истории развития ВТ является важной составной частью информатики.

Люди с древних времен использовали для счета различные приспособления. Первым таким "приспособлением" были собственные пальцы. Полное описание пальцевого счета составил в средневековой Европе ирландский монах Беда Достопочтенный (7 век н.э.). Различные приемы пальцевого счета использовались до 18 века.

В качестве средств инструментального счета использовались веревки с узелками.

Наиболее широкое распространение в древности получил абак, сведения о котором известны с V в до н.э. Числа в нем представлялись камешками, раскладываемые по столбцам. В древнем Риме камешки обозначались словом Calculus, отсюда произошли слова, обозначающие счет (английское calculate – считать).

Счеты, широко использовавшиеся на Руси, по принципу действия похожи на абак.

Необходимость использования различных устройств для счета объяснялись тем, что письменный счет был затруднен. Во-первых, это было связанно со сложной системой записи чисел, во-вторых, писать умели немногие, в-третьих, средства для записи (пергамент) были очень дороги. С распространением арабских цифр и изобретением бумаги (12-13 век) стал широко развиваться письменный счет, и абак стал не нужен.

Первым устройством, механизирующий счет в привычном для нас понимании, стала счетная машинка, построенная в 1642 году французским ученым Блезом Паскалем. Она содержала набор вертикально расположенных колес с нанесенными на них цифрами 0-9. Если такое колесо совершало полный оборот, оно сцеплялось с соседним колесом и проворачивало его одно деление, обеспечивая перенос из одного разряда в другой. Такая машина могла складывать и вычитать числа и использовалась в конторе отца Паскаля для подсчета сумм собираемых налогов.

Различные проекты и даже действующие образы механических счетных машин создавались и до машины Паскаля, но именно машина Паскаля получила широкую известность. Паскаль взял патент на свою машину, продал несколько десятков образцов; его машиной интересовались вельможи и даже короли; например, одна из машин была подарена шведской королеве Христине.

В 1673г. немецкий философ и математик Готфрид Лейбниц создал механическое счетное устройство, которое не только складывало и вычитало, но и умножало и делило. Эта машина стала основой массовых счетных приборов - арифмометров. Выпуск механических счетных машин был налажен в США в 1887, в России в 1894. Но эти машины были ручными, то есть требовали постоянного участия человека. Они не автоматизировали, а лишь механизировала счет.

Большое значение в истории вычислительной техники занимают попытки "заставить" технические устройства выполнять какие-либо действия без участия человека, автоматически.

Большое развитие такие механические автоматы, построенные на основе часовых механизмов, получили в 17-18 веках. Особенно были известны автоматы французского механизма Жака де Вокансона, среди которых была игрушка-флейтист, внешне выглядевшая как обычный человек. Но это были всего лишь игрушки.

Внедрение автоматизации в промышленное производство связывается с именем французского инженера Жаккара, который изобрел устройство управления ткацким станком на основе перфокарт – картонок с отверстиями. По-разному пробивая отверстия на перфокартах, можно было получать на станках ткани с разным переплетением нитей.

Отцом вычислительной техники считается английский ученый 19 века Чарльз Бэббидж, который впервые предпринял попытку построить счетную машину, работающую по программе. Машина предназначалась для помощи Британском морскому ведомству в составлении мореходных таблиц. Бэббидж считал, что машина должна иметь устройство, где будут храниться числа, предназначенные для вычислений ("память"). Одновременно там же должны находиться команды о том, что с этими числами делать ("принцип хранимой программы"). Для выполнения операций над числами в машине должно быть специальное устройство, которое Беббидж назвал "мельницей", а в современных компьютерах ему соответствует АЛУ. Вводиться в машину числа должны были вручную, а выводиться на печатающее устройство ("устройства ввода/вывода"). И наконец, должно было быть устройство, управляющее работой всей машины ("УУ"). Машина Бэббиджа была механической и работала с числами, представленными в десятичной системе.

Научные идеи Беббиджа увлекли дочь знаменитого английского поэта Джорджа Байрона – леди Аду Лавлейс. Она составила программы, по которым машина могла бы производить сложные математические расчеты. Многими понятиями, введенными Адой Лавлейс в описании тех первых в мире программ, в частности, понятием "цикл", широко пользуются современные программисты.

Следующий важный шаг на пути автоматизации вычислений сделал примерно через 20 лет после смерти Беббиджа американец Герман Холлерит, который изобрел электромеханическую машину для вычислений с помощью перфокарт. Машина использовалась для обработки данных переписи населения. На перфокартах вручную пробивались отверстия в зависимости от ответов на вопросы переписи; сортировальная машина позволяла распределять карты на группы в зависимости от места пробитых отверстий, а табулятор подсчитывал число карт в каждой группе. Благодаря этой машине обработку результатов переписи населения Соединенных Штатов Америки 1890г удалось провести втрое быстрее предыдущей.

В 1944 году в США под руководством Говарда Айкина была построена электромеханическая вычислительная машинка, известная как "Марк–1 ", а затем и "Марк–2 ". Эта машина была основана на реле. Поскольку реле имеют два устойчивых состояния, а идея отказаться от десятичной системы еще не приходила в голову конструкторам, то числа представлялись в двоично-десятичной системе: каждая десятичная цифра представлялась четырьмя двоичными и хранилась в группе их четырех реле. Скорость работы составляла около 4х операций в секунду. Тогда же было создано еще несколько релейных машин, в том числе советская релейная вычислительная машина РВМ–1, сконструированная в 1956г Бессоновым и успешно работавшая до 1966г.

За точку отсчета эры ЭВМ обычно принимают 15 февраля 1946г, когда ученые Пенсильванского университета ввели в строй первый в мире компьютер на электронных лампах – ЭНИАК. Первым применением ЭНИАК было решение задач для сверхсекретного проекта атомной бомбы, да и затем он использовался в основном в военных целях. В ЭНИАК не существовало программы, хранимой в памяти; "программирование" осуществлялось с помощью установки проводов-перемычек между отдельными элементами.

С 1944 года в работе над созданием ЭВМ принимал участие Джон фон Нейман. В 1946 году была опубликована его статья, в которой были сформулировали два важнейших принципа, лежащие в основы всех современных ЭВМ: использование двоичной системы счисления и принцип хранимой программы.

Появились ЭВМ и в СССР. В 1952 г под руководством академика Лебедева была создана самая быстродействующая ЭВМ в Европе – БЭСМ, в 1953г начат выпуск серийной ЭВМ "Стрела". Серийные советские машины были на уровне лучших мировых образцов.

Началось бурное развитие ВТ.

Первая вычислительная машина на электронных лампах (ЭНИАК) насчитывала около 20 тыс. электронных ламп, размещалась в огромном зале, потребляла десятки кВт электроэнергии и была очень ненадежна в работе – фактически работала только небольшие промежутки времени между ремонтами.

С тех пор развитие ВТ прошло огромный путь. Выделяют несколько поколений ЭВМ. Под поколением понимается определенный этап развития аппаратуры, характеризующийся ее параметрами, технологией изготовления составных частей и т.д.

1 поколение – начало 50х годов (БЭСМ, Стрела, Урал). Основаны на электронных лампах. Большая потребляемая мощность, малая надежность, низкое быстродействие (2000 оп/с), малый объем памяти (несколько килобайт); отсутствовали средства организации вычислительных процессов, оператор работал непосредственно за пультом.

2 поколение – конец 50х годов (Минск – 2, Раздан, Наири). Полупроводниковые элементы, печатный монтаж, быстродействие (50-60 тыс. оп/с); появление внешних магнитных запоминающих устройств, появились примитивные операционные системы и трансляторы с алгоритмических языков.

3 поколение – середина 60х годов. Построены на основы интегральных микросхем, использовались стандартные электронные блоки; быстродействие до 1,5 млн. оп/с; появились развитые программные средства.

4 поколение – построены на основе микропроцессоров. Компьютеры специализируются, появляются их различные типы: супер ЭВМ – для решения очень сложных вычислительных задач; мэйнфреймы – для решения экономических и расчетных задач в рамках предприятия, ПК – для индивидуальной работы пользования. Сейчас ПК занимают преобладающую часть рынка компьютеров, а их возможности в миллионы раз превосходят возможности первых ЭВМ.

Первый ПК Altair 8800 появился в 1975г в фирме MITS, однако возможности его были весьма ограничены, и коренного перелома в использовании компьютеров не произошло. Революция в индустрии ПК была совершена двумя другими фирмами – IBM и Apple Computer, соперничество которых способствовало бурному развитию высоких технологий, улучшению технических и пользовательских качеств ПК. В результате этого состязания компьютер превратился в неотъемлемую часть повседневной жизни.

История фирмы Apple начался в 1976г, когда в гараже города Лос–Альмос штата Калифорния Стивен Джобс и Стивен Возняк (обоим было чуть за 20) собрали свой первый ПК. Однако настоящий успех пришел к фирме благодаря выпуску компьютера Apple–II, который был создан на основе микропроцессора фирмы Motorolla, внешним видом напоминал обычный бытовой прибор, а по цене был доступен рядовому американцу.

Фирма IBM родилась в 1914 году и специализировалась на выпуске канцелярских товаров пишущих машинок. В пятидесятые годы основатель фирмы Томас Уотсон переориентировал ее на выпуск больших ЭВМ. В области ПК фирма вначале заняла выжидательную позицию. Бешенный успех Apple насторожил гиганта, и в кратчайшие сроки был создан первый IBM PC, представленный в 1981г. Используя свои огромные ресурсы, корпорация буквально наводнила рынок своими ПК, ориентируясь на самую емкую сферу их применения – деловой мир. IBM PC был основан на новейшем микропроцессоре фирмами Intel, позволившими значительно расширить возможности нового компьютера.

Чтобы завоевать рынок, IBM впервые использовала принцип "открытой архитектуры". IBM PC не изготавливался как единое целое, а собирался из отдельных модулей. Любая фирма могла разработать устройство, совместимое с IBM PC. Это принесло IBM огромный коммерческий успех. Но в то же время на рынке стало появляться множество компьютеров – точных копий IBM PC – так называемых клонов. На появление "двойников" фирма ответила резким снижением цен и появлении новых моделей.

В ответ на это фирма Apple создала Apple Macintosh, снабженный мышкой и имеющий высококачественный графический дисплей, а также впервые оснащенный микрофоном и генератором звука. А главное – имелось удобное и легкое в освещении ПО. Мас поступил в продажу и имел определенный успех, но вернуть лидерство на рынке ПК фирме Apple не удалось.

Стремясь приблизиться по удобству использования к компьютерам Apple, фирма IBM стимулировала разработку современного ПО. Огромную роль здесь сыграло создание фирмой Microsoft OC Windows"95.

С тех пор программное обеспечение становиться все более удобным и понятием. ПК оснащаются новыми устройствами и из прибора для профессиональной деятельности становятся "центрами цифровых развлечений", объединяя в себе функции различных бытовых приборов.

Во все времена, начиная с древности, людям необходимо было считать. Сначала для счета использовали пальцы собственных рук или камешки. Однако даже простые арифметические операции с большими числами трудны для мозга человека. Поэтому уже в древности был придуман простейший инструмент для счета – абак, изобретенный более 15 веков назад в странах Средиземноморья. Этот прообраз современных счетов представлял собой набор костяшек, нанизанных на стержни, и использовался купцами.

Стержни абака в арифметическом смысле представляют собой десятичные разряды. Каждая костяшка на первом стержне имеет достоинство 1, на втором стержне – 10, на третьем стержне – 100 и т.д. До XVII века счеты оставались практически единственным счетным инструментом.

В России так называемые русские счеты появились в XVI веке. Они основаны на десятичной системе счисления и позволяют быстро выполнять арифметические действия (рис. 6)

Рис. 6. Счеты

В 1614 году математик Джон Непер изобрел логарифмы.

Логарифм – это показатель степени, в которую нужно возвести число (основание логарифма), чтобы получить другое заданное число. Открытие Непера состояло в том, что таким способом можно выразить любое число, и что сумма логарифмов двух любых чисел равна логарифму произведения этих чисел. Это дало возможность свести действие умножения к более простому действию сложения. Непер создал таблицы логарифмов. Для того, чтобы перемножить два числа, нужно посмотреть в этой таблице их логарифмы, сложить их и отыскать число, соответствующее этой сумме, в обратной таблице – антилогарифмов. На основе этих таблиц в 1654 году Р. Биссакар и в 1657 году независимо от него С. Партридж разработали прямоугольную логарифмическую линейку: основной счетный прибор инженера до середины XX века (рис. 7).

Рис. 7. Логарифмическая линейка

В 1642 году Блэз Паскаль изобрел механическую суммирующую машину, использующую десятичную систему счисления. Каждый десятичный разряд представляло колесико с десятью зубцами, обозначавшими цифры от 0 до 9. Всего колесиков было 8, то есть машина Паскаля была 8-разрядной.

Однако победила в цифровой вычислительной технике не десятичная, а двоичная система счисления. Главная причина этого в том, что в природе встречается множество явлений с двумя устойчивыми состояниями, например, «включено/выключено», «есть напряжение / нет напряжения», «ложное высказывание / истинное высказывание», а явления с десятью устойчивыми состояниями – отсутствуют. Почему же десятичная система так широко распространена? Да просто потому, что у человека на двух руках – десять пальцев, и их удобно использовать для простого устного счета. Но в электронной вычислительной технике гораздо проще применять двоичную систему счисления всего с двумя устойчивыми состояниями элементов и простейшими таблицами сложения и умножения. В современных цифровых вычислительных машинах – компьютерах – двоичная система используется не только для записи чисел, над которыми нужно производить вычислительные операции, но и для записи самих команд этих вычислений и даже целых программ операций. При этом все вычисления и операции сводятся в компьютере к простейшим арифметическим действиям над двоичными числами.

Одним из первых проявил интерес к двоичной системе великий немецкий математик Готфрид Лейбниц. В 1666 году в двадцатилетнем возрасте, в работе «Об искусстве комбинаторики» он разработал общий метод, позволяющий свести любую мысль к точным формальным высказываниям. Это открыло возможность перевести логику (Лейбниц называл ее законами мышления) из царства слов в царство математики, где отношения между объектами и высказываниями определяются точно и определенно. Таким образом, Лейбниц явился основателем формальной логики. Он занимался исследованием двоичной системы счисления. При этом Лейбниц наделял ее неким мистическим смыслом: цифру 1 он ассоциировал с Богом, а 0 – с пустотой. От этих двух цифр, по его мнению, произошло все. И с помощью этих двух цифр можно выразить любое математическое понятие. Лейбниц первым высказал мысль, что двоичная система может стать универсальным логическим языком.

Лейбниц мечтал о построении «универсальной науки». Он хотел выделить простейшие понятия, с помощью которых по определенным правилам можно сформулировать понятия любой сложности. Мечтал о создании универсального языка, на котором можно было бы записывать любые мысли в виде математических формул. Думал о машине, которая могла бы выводить теоремы из аксиом, о превращении логических утверждений в арифметические. В 1673 году создал новый тип арифмометра – механический калькулятор, который не только складывает и вычитает числа, но и умножает, делит, возводит в степень, извлекает квадратные и кубические корни. В нем использовалась двоичная система счисления.

Универсальный логический язык создал в 1847 году английский математик Джордж Буль. Он разработал исчисление высказываний, впоследствии названное в его честь булевой алгеброй. Она представляет собой формальную логику, переведенную на строгий язык математики. Формулы булевой алгебры внешне похожи на формулы той алгебры, что знакома нам со школьной скамьи. Однако это сходство не только внешнее, но и внутреннее. Булева алгебра – это вполне равноправная алгебра, подчиняющаяся своду принятых при ее создании законов и правил. Она является системой обозначений, применимой к любым объектам – числам, буквам и предложениям. Пользуясь этой системой, можно закодировать любые утверждения, истинность или ложность которых нужно доказать, а затем манипулировать ими подобно обычным числам в математике.

Буль Джордж (1815–1864) – английский математик и логик, один из основоположников математической логики. Разработал алгебру логики (в трудах «Математический анализ логики» (1847) и «Исследование законов мышления» (1854)).

Огромную роль в распространении булевой алгебры и ее развитии сыграл американский математик Чарльз Пирс.

Пирс Чарльз (1839–1914) – американский философ, логик, математик и естествоиспытатель, известен своими работами по математической логике.

Предмет рассмотрения в алгебре логики – так называемые высказывания, т.е. любые утверждения, о которых можно сказать, что они либо истинны, либо ложны: «Омск – город в России», «15 – четное число». Первое высказывание истинно, второе – ложно.

Сложные высказывания, получаемые из простых с помощью союзов И, ИЛИ, ЕСЛИ...ТО, отрицания НЕ, также могут быть истинными или ложными. Их истинность зависит только от истинности или ложности образующих их простых высказываний, например: «Если на улице нет дождя, то можно пойти гулять». Основная задача булевой алгебры состоит в изучении этой зависимости. Рассматриваются логические операции, позволяющие строить сложные высказывания из простых: отрицание (НЕ), конъюнкция (И), дизъюнкция (ИЛИ) и другие.

В 1804 году Ж. Жаккар изобрел ткацкую машину для выработки тканей с крупным узором. Этот узор программировался с помощью целой колоды перфокарт – прямоугольных карточек из картона. На них информация об узоре записывалась пробивкой отверстий (перфораций), расположенных в определенном порядке. При работе машины эти перфокарты ощупывались с помощью специальных штырей. Именно таким механическим способом с них считывалась информация для плетения запрограммированного узора ткани. Машина Жаккара явилась прообразом машин с программным управлением, созданных в ХХ веке.

В 1820 году Тома де Кольмар разработал первый коммерческий арифмометр, способный умножать и делить. Начиная с XIX века, арифмометры получили широкое распространение при выполнении сложных расчетов.

В 1830 году Чарльз Бэббидж попытался создать универсальную аналитическую машину, которая должна была выполнять вычисления без участия человека. Для этого в нее вводились программы, которые были заранее записаны на перфокартах из плотной бумаги с помощью отверстий, сделанных на них в определенном порядке (слово «перфорация» означает «пробивка отверстий в бумаге или картоне»). Принципы программирования для аналитической машины Бэббиджа разработала в 1843 году Ада Лавлейс – дочь поэта Байрона.

Рис. 8. Чарльз Бэббидж

Рис. 9. Ада Лавлейс

Аналитическая машина должна уметь запоминать данные и промежуточные результаты вычислений, то есть иметь память. Эта машина должна была содержать три основных части: устройство для хранения чисел, набиравшихся с помощью зубчатых колес (память), устройство для операций над числами (арифметическое устройство) и устройство для операций над числами с помощью перфокарт (устройство программного управления). Работа по созданию аналитической машины не была завершена, но заложенные в ней идеи помогли построить в XX веке первые компьютеры (в переводе с английского это слово означает «вычислитель»).

В 1880 году В.Т. Однер в России создал механический арифмометр с зубчатыми колесами, и в 1890 году наладил его массовый выпуск. В дальнейшем под названием «Феликс» он выпускался до 50-х годов XX века (рис. 11).

Рис. 10. В.Т. Однер

Рис. 11. Механический арифмометр «Феликс»

В 1888 году Герман Холлерит (рис. 12) создал первую электромеханическую счетную машину – табулятор, в котором нанесенная на перфокарты (рис. 13) информация расшифровывалась электрическим током. Эта машина позволила в несколько раз сократить время подсчетов при переписи населения в США. В 1890 г. изобретение Холлерита было впервые использовано в 11-й американской переписи населения. Работа, которую 500 сотрудников раньше выполняли целых 7 лет, Холлерит с 43 помощниками на 43 табуляторах закончили за один месяц.

В 1896 году Холлерит основал фирму под названием Tabulating Machine Co. В 1911 году эта компания была объединена с двумя другими фирмами, специализировавшимися на автоматизации обработки статистических данных, а свое современное название IBM (International Business Machines) получила в 1924 г. Она стала электронной корпорацией, одним из крупнейших мировых производителей всех видов компьютеров и программного обеспечения, провайдером глобальных информационных сетей. Основателем IBM стал Томас Уотсон Старший, возглавивший компанию в 1914 году, фактически создавший корпорацию IBM и руководивший ею более 40 лет. С середины 1950-х годов Ай-Би-Эм заняла ведущее положение на мировом компьютерном рынке. В 1981 году компания создала свой первый персональный компьютер, который стал стандартом в своей отрасли. К середине 1980-х годов IBM контролировала около 60% мирового производства электронно-вычислительных машин.

Рис. 12. Томас Уотсон старший

Рис. 13. Герман Холлерит

В конце XIX века была изобретена перфолента – бумажная или целлулоидная пленка, на которую информация наносилась перфоратором в виде совокупности отверстий.

Широкая бумажная перфолента была применена в монотипе – наборной машине, изобретенной Т. Ланстоном в 1892 году. Монотип состоял из двух самостоятельных аппаратов: клавиатуры и отливного аппарата. Клавиатура служила для составления программы набора на перфоленте, а отливной аппарат изготавливал набор в соответствии с ранее составленной на клавиатуре программой из специального типографского сплава – гарта.

Рис. 14. Перфокарта

Рис. 15. Перфоленты

Наборщик садился за клавиатурный аппарат, смотрел в стоящий перед ним на пюпитре текст и нажимал на соответствующие клавиши. При ударе по одной из буквенных клавиш иглы перфорирующего механизма с помощью сжатого воздуха пробивали в бумажной ленте кодовую комбинацию из отверстий. Эта комбинация соответствовала данной букве, знаку или пробелу между ними. После каждого удара по клавише бумажная лента передвигалась на один шаг – 3 мм. Каждый горизонтальный ряд отверстий на перфоленте соответствует одной букве, знаку или пробелу между ними. Готовую (пробитую) катушку перфоленты переносили в отливной аппарат, в котором также с помощью сжатого воздуха с перфоленты считывалась закодированная на ней информация и автоматически изготавливался набор из литер. Таким образом, монотип является одной из первых в истории техники машин с программным управлением. Он относился к машинам горячего набора и со временем уступил свое место сначала фотонабору, а затем электронному набору.

Несколько ранее монотипа, в 1881 году, была изобретена пианола (или фонола) – инструмент для автоматической игры на фортепиано. Действовала она также с помощью сжатого воздуха. В пианоле каждой клавише обыкновенного пианино или рояля соответствует молоточек, ударяющий но ней. Все молоточки вместе составляют контрклавиатуру, приставляемую к клавиатуре пианино. В пианолу вставляется широкая бумажная перфолента, намотанная на валик. Отверстия на перфоленте проделаны заранее во время игры пианиста – это своеобразные «ноты». При работе пианолы перфолента перематывается с одного валика на другой. Считывание записанной на ней информации производится с помощью пневматического механизма. Он приводит в действие молоточки, соответствующие отверстиям на перфоленте, заставляет их ударять по клавишам и воспроизводить игру пианиста. Таким образом, пианола также являлась машиной с программным управлением. Благодаря сохранившимся перфолентам пианол удалось восстановить и заново записать современными методами игру таких замечательных пианистов прошлого, как композитор А.Н. Скрябин. Пианолой пользовались известные композиторы и пианисты Рубинштейн, Падеревский, Бузони.

Позднее было применено считывание информации с перфоленты и перфокарт с помощью электрических контактов – металлических щеточек, которые при попадании на отверстие замыкали электрическую цепь. Затем щеточки заменили на фотоэлементы, и считывание информации стало оптическим, бесконтактным. Так записывалась и считывалась информация в первых цифровых вычислительных машинах.

Логические операции тесно связаны с повседневной жизнью.

С помощью одного элемента ИЛИ на два входа, двух элементов И на два входа и одного элемента НЕ можно построить логическую схему двоичного полусумматора, способного осуществлять операцию двоичного сложения двух одноразрядных двоичных чисел (т.е. выполнять правила двоичной арифметики):

0 +0 =0; 0+1=1; 1+0=1; 1+1=0. При этом он выделяет бит переноса.

Однако такая схема не содержит третьего входа, на который можно подавать сигнал переноса от предыдущего разряда суммы двоичных чисел. Поэтому полусумматор используется только в младшем разряде логической схемы суммирования многоразрядных двоичных чисел, где не может быть сигнала переноса от предыдущего двоичного разряда. Полный двоичный сумматор складывает два многоразрядных двоичных числа с учетом сигналов переноса от сложения в предыдущих двоичных разрядах.

Соединяя двоичные сумматоры в каскад, можно получить логическую схему сумматора для двоичных чисел с любым числом разрядов.

С некоторыми изменениями эти логические схемы применяются и для вычитания, умножения и деления двоичных чисел. С их помощью построены арифметические устройства современных компьютеров.

В 1937 году Джордж Стибиц (рис.16) создал из обыкновенных электромеханических реле двоичный сумматор – устройство, способное выполнять операцию сложения чисел в двоичном коде. И сегодня двоичный сумматор по–прежнему является одним из основных компонентов любого компьютера, основой его арифметического устройства.

Рис. 16. Джордж Стибиц

В 1937–1942 гг. Джон Атанасофф (рис. 17) создал модель первой вычислительной машины, работавшей на вакуумных электронных лампах. В ней использовалась двоичная система счисления. Для ввода данных и вывода результатов вычислений использовались перфокарты. Работа над этой машиной в 1942 году была практически завершена, но из-за войны дальнейшее финансирование было прекращено.

Рис. 17. Джон Атанасофф

В 1937 году Конрад Цузе (рис.12) создал свою первую вычислительную машину Z1 на основе электромеханических реле. Исходные данные вводились в нее с помощью клавиатуры, а результат вычислений высвечивался на панели с множеством электрических лампочек. В 1938 году К. Цузе создал усовершенствованную модель Z2. Программы в нее вводились с помощью перфоленты. Ее изготавливали, пробивая отверстия в использованной 35-миллиметровой фотопленке. В 1941 году К. Цузе построил действующий компьютер Z3, а позднее и Z4, основанные на двоичной системе счисления. Они использовались для расчетов при создании самолетов и ракет. В 1942 году Конрад Цузе и Хельмут Шрайер задумали перевести Z3 с электромеханических реле на вакуумные электронные лампы. Такая машина должна была работать в 1000 раз быстрее, но создать ее не удалось – помешала война.

Рис. 18. Конрад Цузе

В 1943–1944 годах на одном из предприятий Ай-Би-Эм (IBM) в сотрудничестве с учеными Гарвардского университета во главе с Говардом Эйкеном была создана вычислительная машина «Марк-1». Весила она около 35 тонн. «Марк-1» был основан на применении электромеханических реле и оперировал числами, закодированными на перфоленте.

При ее создании использовались идеи, заложенные Ч. Бэббиджем в его аналитической машине. В отличие от Стибица и Цузе, Эйкен не осознал преимуществ двоичной системы счисления и в своей машине использовал десятичную систему. Машина могла манипулировать числами длиной до 23 разрядов. Для перемножения двух таких чисел ей было необходимо затратить 4 секунды. В 1947 году была создана машина «Марк-2», в которой уже использовалась двоичная система счисления. В этой машине операции сложения и вычитания занимали в среднем 0,125 секунды, а умножение – 0,25 секунды.

Абстрактная наука алгебра логики близка к практической жизни. Она позволяет решать самые разные задачи управления.

Входные и выходные сигналы электромагнитных реле, подобно высказываниям в булевой алгебре, также принимают только два значения. Когда обмотка обесточена, входной сигнал равен 0, а если по обмотке протекает ток, входной сигнал равен 1. Когда контакт реле разомкнут, выходной сигнал равен 0, а если контакт замкнут – равен 1.

Именно это сходство между высказываниями в булевой алгебре и поведением электромагнитных реле заметил известный физик Пауль Эренфест. Еще в 1910 году он предложил использовать булеву алгебру для описания работы релейных схем в телефонных системах. По другой версии, идея использования булевой алгебры для описания электрических переключательных схем принадлежит Пирсу. В 1936 году основатель современной теории информации Клод Шеннон в своей докторской диссертации объединил двоичную систему счисления, математическую логику и электрические цепи.

Связи между электромагнитными реле в схемах удобно обозначать с помощью логических операций НЕ, И, ИЛИ, ПОВТОРЕНИЕ (ДА) и т.д. Например, последовательное соединение контактов реле реализует операцию И, а параллельное соединение этих контактов – логическую операцию ИЛИ. Аналогично выполняются операции И, ИЛИ, НЕ в электронных схемах, где роль реле, замыкающих и размыкающих электрические цепи, выполняют бесконтактные полупроводниковые элементы – транзисторы, созданные в 1947–1948 годах американскими учеными Д. Бардиным, У. Браттейном и У. Шокли.

Электромеханические реле работали слишком медленно. Поэтому уже в 1943 году американцы начали разработку вычислительной машины на основе электронных ламп. В 1946 году Преспер Эккерт и Джон Мочли (рис. 13) построили первую электронную цифровую вычислительную машину ENIAC. Ее вес составлял 30 тонн, она занимала 170 кв. м площади. Вместо тысяч электромеханических реле ENIAC содержал 18000 электронных ламп. Считала машина в двоичной системе и производила 5000 операций сложения или 300 операций умножения в секунду. На электронных лампах в этой машине было построено не только арифметическое, но и запоминающее устройство. Ввод числовых данных осуществлялся с помощью перфокарт, программы же вводились в эту машину с помощью штекеров и наборных полей, то есть приходилось соединять для каждой новой программы тысячи контактов. Поэтому для подготовки к решению новой задачи требовалось до нескольких дней, хотя сама задача решалась за несколько минут. Это было одним из основных недостатков такой машины.

Рис. 19. Преспер Эккерт и Джон Мочли

Работы трех выдающихся ученых – Клода Шеннона, Алана Тьюринга и Джона фон Неймана – стали основой для создания структуры современных компьютеров.

Шеннон Клод (1916 г.р.) – американский инженер и математик, основоположник математической теории информации.

В 1948 году опубликовал работу «Математическая теория связи», со свой теорией передачи и обработки информации, которая включала все виды сообщений, в том числе передаваемых по нервным волокнам в живых организмах. Шеннон ввел понятие количества информации как меры неопределенности состояния системы, снимаемой при получении информации. Он назвал эту меру неопределенности энтропией по аналогии с подобным понятием в статистической механике. При получении наблюдателем информации энтропия, то есть степень его неосведомленности о состоянии системы, уменьшается.

Тьюринг Алан (1912–1954) – английский математик. Основные труды – по математической логике и вычислительной математике. В 1936–1937 гг. написал основополагающую работу «О вычислимых числах», в которой ввел понятие абстрактного устройства, названного впоследствии «машиной Тьюринга». В этом устройстве он предвосхитил основные свойства современного компьютера. Тьюринг назвал свое устройство «универсальной машиной», так как она должна была решать любую допустимую (теоретически разрешимую) математическую или логическую задачу. Данные в нее нужно вводить с бумажной ленты, поделенной на ячейки – клетки. В каждой такой клетке должен был либо содержаться символ, либо нет. Машина Тьюринга могла обрабатывать вводимые с ленты символы и изменять их, то есть стирать их и записывать новые по инструкциям, хранимым в ее внутренней памяти.

Нейман Джон фон (1903–1957) – американский математик и физик, участник работ по созданию атомного и водородного оружия. Родился в Будапеште, с 1930 года проживал в США. В своем докладе, опубликованном в 1945 году и ставшем первой работой по цифровым электронным компьютерам, выделил и описал «архитектуру» современного компьютера.

В следующей машине – EDVAC – ее более вместительная внутренняя память способна была хранить не только исходные данные, но и программу вычислений. Эту идею – хранить в памяти машины программы – наряду с Мочли и Эккертом выдвинул математик Джон фон Нейман. Он впервые описал структуру универсального компьютера (так называемую «архитектуру фон Неймана» современного компьютера). Для универсальности и эффективной работы, по мнению фон Неймана, компьютер должен содержать центральное арифметико-логическое устройство, центральное устройство управления всеми операциями, запоминающее устройство (память) и устройство ввода/вывода информации, а программы следует хранить в памяти компьютера.

Фон Нейман считал, что компьютер должен работать на основе двоичной системы счисления, быть электронным и выполнять все операции последовательно, одну за другой. Эти принципы заложены в основу всех современных компьютеров.

Машина на электронных лампах работала значительно быстрее, чем на электромеханических реле, но сами электронные лампы были ненадежны. Они часто выходили из строя. Для их замены в 1947 году Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли предложили использовать изобретенные ими переключающие полупроводниковые элементы – транзисторы.

Бардин Джон (1908–1991) – американский физик. Один из создателей первого транзистора (Нобелевская премия 1956 г. по физике совместно с У. Браттейном и У. Шокли за открытие транзисторного эффекта). Один из авторов микроскопической теории сверхпроводимости (вторая Нобелевская премия 1957 г. совместно с Л. Купером и Д. Шриффеном).

Браттейн Уолтер (1902–1987) – американский физик, один из создателей первого транзистора, лауреат Нобелевской премии по физике 1956 года.

Шокли Уильям (1910–1989) – американский физик, один из создателей первого транзистора, лауреат Нобелевской премии по физике 1956 года.

В современных компьютерах микроскопические транзисторы в кристалле интегральной схемы сгруппированы в системы «вентилей», выполняющих логические операции над двоичными числами. Так, например, с их помощью построены описанные выше двоичные сумматоры, позволяющие складывать многоразрядные двоичные числа, производить вычитание, умножение, деление и сравнение чисел между собой. Логические «вентили», действуя по определенным правилам, управляют движением данных и выполнением инструкций в компьютере.

Совершенствование первых образцов вычислительных машин привело в 1951 году к созданию компьютера UNIVAC, предназначенного для коммерческого использования. Он стал первым серийно выпускаемым компьютером.

Серийный ламповый компьютер IBM 701, появившийся в 1952 году, выполнял до 2200 операций умножения в секунду.

Компьютер IBM 701

Инициатива создания этой системы принадлежала Томасу Уотсону–младшему. В 1937 году он начал работать в компании в качестве коммивояжера. Он прерывал свою работу в IBM лишь во время войны, когда был летчиком военно-воздушных сил Соединенных Штатов. Вернувшись на работу в компанию в 1946–м, он стал ее вице-президентом и возглавлял компанию IBM с 1956 до 1971 года. Оставаясь членом совета директоров IBM, Томас Уотсон с 1979 по 1981 год являлся послом Соединенных Штатов в СССР.

Томас Уотсон (младший)

В 1964 году фирма IBM объявила о создании шести моделей семейства IBM 360 (System 360), ставших первыми компьютерами третьего поколения. Модели имели единую систему команд и отличались друг от друга объемом оперативной памяти и производительностью. При создании моделей семейства использовался ряд новых принципов, что делало машины универсальными и позволяло с одинаковой эффективностью применять их как для решения задач в различных областях науки и техники, так и для обработки данных в сфере управления и бизнеса. IBM System/360 (S/360) – это семейство универсальных компьютеров класса мейнфреймов. Дальнейшим развитием IBM/360 стали системы 370, 390, z9 и zSeries. В СССР IBM/360 была клонирована под названием ЕС ЭВМ. Они были программно совместимы со своими американскими прообразами. Это давало возможность использовать западное программное обеспечение в условиях неразвитости отечественной «индустрии программирования».

Компьютер IBM/360

Т. Уотсон (младший) и В. Лерсон у компьютера IBM/360

Первая в СССР Малая Электронная Счетная машина (МЭСМ) на электронных лампах была построена в 1949–1951 гг. под руководством академика С.А. Лебедева. Независимо от зарубежных учёных С.А. Лебедев разработал принципы построения ЭВМ с хранимой в памяти программой. МЭСМ была первой такой машиной. А в 1952–1954 гг. под его руководством была разработана Быстродействующая Электронная Счетная машина (БЭСМ), выполнявшая 8000 операций в секунду.

Лебедев Сергей Алексеевич

Созданием электронных вычислительных машин руководили крупнейшие советские ученые и инженеры И.С. Брук, В.М. Глушков, Ю.А. Базилевский, Б.И. Рамеев, Л.И. Гутенмахер, Н.П. Брусенцов.

К первому поколению советских компьютеров относятся ламповые ЭВМ – «БЭСМ-2», «Стрела», «М-2», «М-3», «Минск», «Урал-1», «Урал-2», «М-20».

Ко второму поколению советских компьютеров относятся полупроводниковые малые ЭВМ «Наири» и «Мир», средние ЭВМ для научных расчетов и обработки информации со скоростью 5–30 тысяч операций в секунду «Минск-2», «Минск-22», «Минск-32», «Урал-14», «Раздан-2», «Раздан-3», «БЭСМ-4», «М-220» и управляющие ЭВМ «Днепр», «ВНИИЭМ-3», а также сверхбыстродействующая БЭСМ-6 с производительностью 1 млн. операций в секунду.

Родоначальниками советской микроэлектроники были ученые, эмигрировавшие из США в СССР: Ф.Г. Старос (Альфред Сарант) и И.В. Берг (Джоэл Барр). Они стали инициаторами, организаторами и руководителями центра микроэлектроники в Зеленограде под Москвой.

Ф.Г. Старос

Компьютеры третьего поколения на интегральных микросхемах появились в СССР во второй половине 1960–х годов. Были разработаны Единая Система ЭВМ (ЕС ЭВМ) и Система Малых ЭВМ (СМ ЭВМ) и организовано их серийное производство. Как уже указывалось выше, эта система представляла собой клон американской системы IBM/360.

Евгений Алексеевич Лебедев был ярым противником начавшегося в 1970-е годы копирования американской системы IBM/360, которая в советском варианте носила название ЕС ЭВМ. Роль ЕС ЭВМ в развитии отечественных компьютеров неоднозначна.

На начальном этапе появление ЕС ЭВМ привело к унификации компьютерных систем, позволило установить начальные стандарты программирования и организовывать широкомасштабные проекты, связанные с внедрением программ.

Ценой этого было повсеместное свёртывание собственных оригинальных разработок и попадание в полную зависимость от идей и концепций фирмы IBM, далеко не самых лучших по тому времени. Резкий переход от простых в эксплуатации советских машин к намного более сложным аппаратным и программным средствам IBM/360 привёл к тому, что многие программисты должны были преодолевать трудности, связанные с недоделками и ошибками IBM-ских разработчиков. Начальные модели ЕС ЭВМ по эксплуатационным характеристикам нередко уступали отечественным компьютерам того времени.

На позднем этапе, особенно в 80-е, повсеместное внедрение ЕС ЭВМ превратилось в серьёзный тормоз для развития программного обеспечения, баз данных, диалоговых систем. После дорогостоящих и заранее спланированных закупок предприятия были вынуждены эксплуатировать морально устаревшие компьютерные системы. Параллельно развивались системы на малых машинах и на персональных компьютерах, которые становились всё более и более популярны.

На позднейшем этапе, с началом перестройки, с 1988–89 годов, нашу страну наводнили зарубежные персональные компьютеры. Никакие меры уже не могли остановить кризис серии ЕС ЭВМ. Отечественная промышленность не смогла создать аналогов или заменителей ЕС ЭВМ на новой элементной базе. Экономика СССР не позволила к тому времени затратить гигантские финансовые средства для создания микроэлектронной техники. В итоге произошёл полный переход на импортные компьютеры. Были окончательно свёрнуты программы по разработке отечественных компьютеров. Возникли проблемы переноса технологий на современные компьютеры, модернизации технологий, трудоустройства и переквалификации сотен тысяч специалистов.

Прогноз С.А. Лебедева оправдался. И в США, и во всем мире в дальнейшем пошли по пути, который он предлагал: с одной стороны, создаются суперкомпьютеры, а с другой – целый ряд менее мощных, ориентированных на различные применения компьютеров – персональных, специализированных и др.

Четвертое поколение советских компьютеров реализовано на основе больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных микросхем.

Примером крупных вычислительных систем четвертого поколения стал многопроцессорный комплекс «Эльбрус-2» с быстродействием до 100 млн. операций в секунду.

В 1950-х годах было создано второе поколение компьютеров, выполненных на транзисторах. В результате быстродействие машин возросло в 10 раз, а размеры и вес значительно уменьшились. Стали применять запоминающие устройства на магнитных ферритовых сердечниках, способные хранить информацию неограниченное время даже при отключении компьютеров. Их разработал Джой Форрестер в 1951–1953 годах. Большие объемы информации хранились на внешнем носителе, например на магнитной ленте или на магнитном барабане.

Первый в истории вычислительной техники накопитель на жестких магнитных дисках (винчестер – winchester) разработала в 1956 году группа инженеров IBM под руководством Рейнольда Б. Джонсона. Устройство носило название 305 RAMAC – контрольно-считывающее устройство по методу случайного доступа (Random Access Method of Accounting and Control). Накопитель состоял из 50 алюминиевых дисков диаметром 24 дюйма (около 60 см) при толщине 2,5 см каждый. На поверхность алюминиевой пластины наносился магнитный слой, на который и осуществлялась запись. Вся эта конструкция из дисков на общей оси в рабочем режиме вращалась с постоянной скоростью 1200 об/мин, а сам накопитель занимал площадку размерами 3х3,5 м. Суммарная емкость его составляла 5 Мb. Одним из важнейших принципов, использованных в конструкции RAMAC 305, явилось то, что головки не прикасались к поверхности дисков, а зависали на малом фиксированном расстоянии. Для этого использовались специальные воздушные сопла, которые направляли поток к диску через маленькие отверстия в держателях головок и тем самым создавали зазор между головкой и поверхностью вращающейся пластины.

Винчестер (жесткий диск) обеспечил компьютерных пользователей возможностью хранить очень большие объемы информации и при этом быстро извлекать нужные данные. После создания винчестера в 1958 году от носителей на магнитных лентах отказались.

В 1959 году Д. Килби, Д. Херни, К. Леховец и Р. Нойс (рис. 14) изобрели интегральные микросхемы (чипы), в которых все электронные компоненты вместе с проводниками помещались внутри кремниевой пластинки. Применение чипов в компьютерах позволило сократить пути прохождения тока при переключениях. Скорость вычислений при этом увеличилась в десятки раз. Существенно уменьшились и габариты машин. Появление чипа позволило создать третье поколение компьютеров. И в 1964 году фирма IBM начинает выпуск компьютеров IBM-360 на интегральных микросхемах.

Рис. 14. Д. Килби, Д. Херни, К. Леховец и Р. Нойс

В 1965 году Дуглас Энгелбарт (рис.15) создал первую «мышь» – компьютерный ручной манипулятор. Впервые она была применена в персональном компьютере Apple фирмы Macintosh, выпущенном позднее, в 1976 году.

Рис. 19. Дуглас Энгелбарт

В 1971 году компания IBM начала производить дискету для компьютера, изобретенную Йосиро Накамацу – съемный гибкий магнитный диск («флоппи–диск») для постоянного хранения информации. Первоначально дискета была гибкой, имела диаметр 8 дюймов и емкость 80 Кбайт, затем – 5 дюймов. Современная дискета емкостью 1,44 Мбайта, впервые выпущенная фирмой Sony в 1982 году, заключена в жесткий пластмассовый корпус и имеет диаметр 3,5 дюйма.

В 1969 году в США началось создание оборонной компьютерной сети – прародителя современной всемирной сети Internet.

В 1970-е годы были разработаны матричные принтеры, предназначенные для распечатки информации на выходе из компьютеров.

В 1971 году сотрудник компании Intel Эдвард Хофф (рис. 20) создал первый микропроцессор 4004, разместив несколько интегральных микросхем на одном кремниевом кристалле. Хотя первоначально он предназначался для использования в калькуляторах, по существу он представлял собой законченный микрокомпьютер. Это революционное изобретение кардинально перевернуло представление о компьютерах как о громоздких, тяжеловесных монстрах. Микропроцессор дал возможность создать компьютеры четвертого поколения, которые помещались на письменном столе пользователя.

Рис. 20. Эдвард Хофф

В середине 1970-х годов начинают предприниматься попытки создания персонального компьютера (ПК) – вычислительной машины, предназначенной для частного пользователя.

В 1974 году Эдвард Робертс (рис. 21) создал первый персональный компьютер «Altair» на основе микропроцессора 8080 фирмы «Intel» (рис.22). Но без программного обеспечения он был неработоспособен: ведь дома у частного пользователя нет «под рукой» своего программиста.

Рис. 21. Эдвард Робертс

Рис. 22. Первый персональный компьютер Altair

В 1975 году о создании ПК Altair узнали два студента Гарвардского университета Билл Гейтс и Пол Аллен (рис. 23). Они первыми поняли насущную необходимость написания программного обеспечения для персональных компьютеров и в течение месяца создали его для ПК «Altair» на основе языка Бейсик. В том же году они основали компанию Microsoft, быстро завоевавшую лидерство в создании программного обеспечения для персональных компьютеров и ставшую богатейшей компанией во всем мире.

Рис. 23. Билл Гейтс и Пол Аллен

Рис. 24. Билл Гейтс

В 1973 году фирмой IBM был разработан жесткий магнитный диск (винчестер) для компьютера. Это изобретение дало возможность создать долговременную память большого объема, которая сохраняется при выключении компьютера.

Первые микрокомпьютеры Altair-8800 представляли собой только набор деталей, которые нужно было еще собирать. Кроме того, пользоваться ими было крайне неудобно: они не имели ни монитора, ни клавиатуры, ни мыши. Ввод информации в них осуществлялся с помощью переключателей на передней панели, а результаты отображались с помощью светодиодных индикаторов. Позднее стали выводить результаты с помощью телетайпа – телеграфного аппарата с клавиатурой.

В 1976 году 26-летний инженер Стив Возняк из компании Hewlett-Packard создал принципиально новый микрокомпьютер. Он впервые применил для ввода данных клавиатуру, подобную клавиатуре пишущей машинки, а для отображения информации – обыкновенный телевизор. Символы выводились на его экран в 24 строки по 40 символов в каждой. Компьютер имел 8 Кбайт памяти, половину из которых занимал встроенный язык Бейсик, а половину пользователь мог использовать для введения своих программ. Этот компьютер значительно превосходил Altair-8800, имевший всего 256 байтов памяти. С. Возняк предусмотрел для своего нового компьютера разъем (так называемый «слот») для подсоединения дополнительных устройств. Первым понял и оценил перспективы этого компьютера приятель Стива Возняка – Стив Джобс (рис. 25). Он предложил организовать фирму для его серийного изготовления. 1 апреля 1976 года они основали компанию Apple, и в январе 1977 года официально зарегистрировали ее. Новый компьютер они назвали Apple-I (рис. 26). В течение 10 месяцев им удалось собрать и продать около 200 экземпляров Apple-I.

Рис. 25. Стив Возняк и Стив Джобс

Рис. 26. Персональный компьютер Apple-I

В это время Возняк уже работал над его усовершенствованием. Новая версия получила название Apple-II (рис. 23). Компьютер был выполнен в пластмассовом корпусе, получил графический режим, звук, цвет, расширенную память, 8 разъемов расширения (слотов) вместо одного. Для сохранения программ в нем использовался кассетный магнитофон. Основу первой модели Apple II составлял, как и в Apple I, микропроцессор 6502 фирмы MOS Technology с тактовой частотой 1 мегагерц. В постоянной памяти был записан Бейсик. Объем оперативной памяти в 4 Кбайта был расширен до 48 Кбайт. Информация выводилась на цветной или черно-белый телевизор, работающий в стандартной для США системе NTSC. В текстовом режиме отображались 24 строки, по 40 символов в каждой, а в графическом разрешение составляло 280 на 192 точки (шесть цветов). Основное достоинство Apple II заключалось в возможности расширения его оперативной памяти до 48 Кбайт и использования 8 разъемов для подключения дополнительных устройств. Благодаря использованию цветной графики его можно было использовать для самых различных игр (рис. 27).

Рис. 27. Персональный компьютер Apple II

Благодаря своим возможностям Apple II завоевал популярность среди людей самых различных профессий. От его пользователей не требовалось знания электроники и языков программирования.

Apple II стал первым по-настоящиму персональным компьютером для ученых, инженеров, юристов, бизнесменов, домохозяек и школьников.

В июле 1978 года Apple II был дополнен дисководом Disk II, значительно расширившим его возможности. Для него была создана дисковая операционная система Apple-DOS. А в конце 1978 года компьютер снова усовершенствовали и выпустили под именем Apple II Plus. Теперь его можно было использовать в деловой сфере для хранения информации, ведения дел, помощи в принятии решений. Началось создание таких прикладных программ, как текстовые редакторы, органайзеры, электронные таблицы.

В 1979 году Дэн Бриклин и Боб Фрэнкстон создали программу VisiCalc – первую в мире электронную таблицу. Этот инструмент лучше всего подходил для бухгалтерских расчетов. Первая его версия была написана для Apple II, который зачастую покупали только для того, чтобы работать с VisiCalc.

Таким образом, за несколько лет микрокомпьютер, во многом благодаря фирме Apple и ее основателям Стивену Джобсу и Стиву Возняку, превратился в персональный компьютер для людей самых различных профессий.

В 1981 году появился персональный компьютер IBM PC, который вскоре стал стандартом компьютерной индустрии и вытеснил с рынка почти все конкурирующие модели персональных компьютеров. Исключение составил только Apple. В 1984 году был создан Apple Macintosh – первый компьютер с графическим интерфейсом, управляемый мышью. Благодаря его преимуществам фирме Apple удалось удержаться на рынке персональных компьютеров. Она завоевала рынок в области образования и издательского дела, где выдающиеся графические возможности «Макинтошей» используются для верстки и обработки изображений.

Сегодня фирма Apple контролирует 8–10% мирового рынка персональных компьютеров, а остальные 90% – IBM-совместимые персональные компьютеры. Большая часть компьютеров Macintosh находится у пользователей в США.

В 1979 году появился оптический компакт-диск (CD), разработанный фирмы Philips и предназначенный только для прослушивания музыкальных записей.

В 1979 году фирма Intel разработала микропроцессор 8088 для персональных компьютеров.

Широкое распространение получили персональные компьютеры модели IBM PC, созданные в 1981 году группой инженеров фирмы IBM под руководством Уильяма Лоуи (William C. Lowe). Компьютер IBM PC имел процессор Intel 8088 с тактовой частотой 4.77 МHz, 16 Kb памяти с возможностью расширения до 256 Kb, операционную систему DOS 1.0. (рис. 24). Операционная система DOS 1.0 была создана компанией Microsoft. В течение всего одного месяца компания IBM сумела продать 241 683 компьютера IBM PC. По договоренности с руководителями Microsoft компания IBM отчисляла создателям программы определенную сумму за каждую копию операционной системы, устанавливавшуюся на IBM PC. Благодаря популярности персонального компьютера IBM PC руководители Microsoft Билл Гейтс и Пол Аллен вскоре стали миллиардерами, а Microsoft заняла лидирующее положение на рынке программных продуктов.

Рис. 28. Персональный компьютер модели IBM PC

В IBM PC был применен принцип открытой архитектуры, позволивший вносить усовершенствования и дополнения в существующие конструкции ПК. Этот принцип означает применение в конструкции при сборке компьютера готовых блоков и устройств, а также стандартизацию способов соединения компьютерных устройств.

Принцип открытой архитектуры способствовал широкому распространению IBM PC-совместимых микрокомпьютеров-клонов. Их сборкой из готовых блоков и устройств занялось большое число фирм во всем мире. Пользователи, в свою очередь, получили возможность самостоятельно модернизировать свои микрокомпьютеры и оснащать их дополнительными устройствами сотен производителей.

В конце 1990-х годов IBM PC-совместимые компьютеры составили 90% рынка персональных компьютеров.

Персональный компьютер IBM PC вскоре стал стандартом компьютерной индустрии и вытеснил с рынка почти все конкурирующие модели персональных компьютеров. Исключение составил только Apple. В 1984 году был создан Apple Macintosh – первый компьютер с графическим интерфейсом, управляемый мышью. Благодаря его преимуществам фирме Apple удалось удержаться на рынке персональных компьютеров. Она завоевала рынок в области образования, издательского дела, где используются их выдающиеся графические возможности для верстки и обработки изображений.

Сегодня фирма Apple контролирует 8–10% мирового рынка персональных компьютеров, а остальные 90% – IBM-совместимые персональные компьютеры. Большая часть компьютеров Macintosh находится у пользователей США.

За последние десятилетия XX века компьютеры многократно увеличили свое быстродействие и объемы перерабатываемой и запоминаемой информации.

В 1965 году Гордон Мур, один из основателей корпорации Intel, лидирующей в области компьютерных интегральных схем – «чипов», высказал предположение, что число транзисторов в них будет ежегодно удваиваться. В течение последующих 10 лет это предсказание сбылось, и тогда он предположил, что теперь это число будет удваиваться каждые 2 года. И, действительно, число транзисторов в микропроцессорах удваивается за каждые 18 месяцев. Теперь специалисты по компьютерной технике называют эту тенденцию законом Мура.

Рис. 29. Гордон Мур

Похожая закономерность наблюдается и в области разработки и производства устройств оперативной памяти и накопителей информации. Кстати, я не сомневаюсь, что к тому моменту, когда эта книга увидит свет, многие цифровые данные по их емкости и быстродействию успеют устареть.

Не отставало и развитие программного обеспечения, без которого вообще невозможно пользование персональным компьютером, и прежде всего операционных систем, обеспечивающих взаимодействие между пользователем и ПК.

В 1981 году фирма Microsoft разработала операционную cистему MS-DOS для своих персональных компьютеров.

В 1983 году был создан усовершенствованный персональный компьютер IBM PC/XT фирмы IBM.

В 1980-х годах были созданы черно-белые и цветные струйные и лазерные принтеры для распечатки информации на выходе из компьютеров. Они значительно превосходят матричные принтеры по качеству и скорости печати.

В 1983–1993 годах происходило создание глобальной компьютерной сети Internet и электронной почты E–mail, которыми смогли воспользоваться миллионы пользователей во всем мире.

В 1992 году фирма Microsoft выпустила операционную систему Windows-3.1 для IBM PC-совместимых компьютеров. Слово «Windows» в переводе с английского означает «окна». «Оконная» операционная система позволяет работать сразу с несколькими документами. Она представляет собой так называемый «графический интерфейс». Это – система взаимодействия с ПК, при которой пользователь имеет дело с так называемыми «иконками»: картинками, которыми он может управлять с помощью компьютерной мыши. Такой графический интерфейс и система окон был впервые создан в исследовательском центре фирмы Xerox в 1975 году и применен для ПК Apple.

В 1995 году фирма Microsoft выпустила операционную систему Windows-95 для IBM PC-совместимых компьютеров, более совершенную по сравнению с Windows-3.1, в 1998 году – ее модификацию Windows-98, а в 2000 году – Windows-2000, а в 2006 году – Windows ХР. Для них разработан целый ряд прикладных программ: текстовый редактор Word, электронные таблицы Excel, программа для пользования системой Internet и электронной почтой E-mail – Internet Explorer, графический редактор Paint, стандартные прикладные программы (калькулятор, часы, номеронабиратель), дневник Microsoft Schedule, универсальный проигрыватель, фонограф и лазерный проигрыватель.

За последние годы стало возможным объединить на персональном компьютере текст и графику со звуком и движущимися изображениями. Такая технология получила название «мультимедиа». В качестве носителей информации в таких мультимедийных компьютерах используются оптические компакт-диски CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory – т.е. память на компакт-диске «только для чтения»). Внешне они не отличаются от звуковых компакт-дисков, используемых в проигрывателях и музыкальных центрах.

Емкость одного CD-ROM достигает 650 Мбайт, по емкости он занимает промежуточное положение между дискетами и винчестером. Для чтения компакт-дисков используется CD-дисковод. Информация на компакт-диск записывается только один раз в промышленных условиях, а на ПК ее можно только читать. На CD-ROM издаются самые различные игры, энциклопедии, художественные альбомы, карты, атласы, словари и справочники. Все они снабжаются удобными поисковыми системами, позволяющими быстро найти нужный материал. Объема памяти двух компакт-дисков CD-ROM хватает для размещения энциклопедии, превышающей по объему Большую Советскую энциклопедию.

В конце 1990-х годов были созданы однократно записываемые CD-R и многократно перезаписываемые CD-RW оптические компакт-диски и дисководы для них, позволяющие пользователю делать любые записи звука и изображения по своему вкусу.

В 1990–2000 годах, в дополнение к настольным персональным компьютерам, были выпущены ПК «ноутбук» в виде портативного чемоданчика и еще более миниатюрные карманные «палмтоп» (наладонники) – как следует из их названия, помещающиеся в кармане и на ладони. Ноутбуки снабжены жидкокристаллическим экраном-дисплеем, размещенным в откидной крышке, а у палмтопов – на передней панели корпуса.

В 1998–2000 годах была создана миниатюрная твердотельная «флэш-память» (без подвижных деталей). Так, память Memory Stick имеет размеры и вес пластинки «жвачки», а память SD фирмы Panasonic – почтовой марки. Между тем объем их памяти, которая может храниться сколь угодно долго, составляет 64–128 Мбайт и даже 2–8 и более Гбайт.

Кроме портативных персональных компьютеров, создаются суперкомпьютеры для решения сложных задач в науке и технике – прогнозов погоды и землетрясений, расчетов ракет и самолетов, ядерных реакций, расшифровки генетического кода человека. В них используются от нескольких до нескольких десятков микропроцессоров, осуществляющих параллельные вычисления. Первый суперкомпьютер разработал Сеймур Крей в 1976 году.

В 2002 году в Японии был построен суперкомпьютер NEC Earth Simulator, выполняющий 35,6 триллионов операций в секунду. На сегодня это самый быстродействующий в мире суперкомпьютер.

Рис. 30. Сеймур Крей

Рис. 31. Суперкомпьютер Cray-1

Рис. 32. Суперкомпьютер Cray-2

В 2005 году компания IBM разработала суперкомпьютер Blue Gene производительностью свыше 30 триллионов операций в секунду. Он содержит 12000 процессоров и обладает в тысячу раз большей мощностью, чем знаменитый Deep Blue, с которым в 1997 году играл в шахматы чемпион мира Гарри Каспаров. Компания IBM и исследователи из Швейцарского политехнического института в Лозанне впервые предприняли попытку моделирования человеческого мозга.

В 2006 году персональным компьютерам исполнилось 25 лет. Посмотрим, как они изменились за эти годы. Первые из них, оборудованные микропроцессором Intel, работали с тактовой частотой всего 4,77 МГц и имели оперативную память 16 Кбайт. Современные ПК, оборудованные микропроцессором Pentium 4, созданном в 2001 году, имеют тактовую частоту 3–4 ГГц, оперативную память 512 Мбайт – 1Гбайт и долговременную память (винчестер) объемом десятки и сотни Гбайт и даже 1 Терабайт. Такого гигантского прогресса не наблюдается ни в одной отрасли техники, кроме цифровой вычислительной. Если бы такой же прогресс был в увеличении скорости самолетов, то они давно бы уже летали со скоростью света.

Миллионы компьютеров используются практически во всех отраслях экономики, промышленности, науки, техники, педагогики, медицины.

Основные причины такого прогресса – в необычайно высоких темпах микроминиатюризации устройств цифровой электроники и успехах программирования, сделавших «общение» рядовых пользователей с персональными компьютерами простым и удобным.

Как только человек открыл для себя понятие "количество", он сразу же принялся подбирать инструменты, оптимизирующие и облегчающие счёт. Сегодня сверхмощные компьютеры, основываясь на принципах математических вычислений, обрабатывают, хранят и передают информацию - важнейший ресурс и двигатель прогресса человечества. Нетрудно составить представление о том, как происходило развитие вычислительной техники, кратко рассмотрев основные этапы этого процесса.

Основные этапы развития вычислительной техники

Самая популярная классификация предлагает выделить основные этапы развития вычислительной техники по хронологическому принципу:

• Ручной этап. Он начался на заре человеческой эпохи и продолжался до середины XVII столетия. В этот период возникли основы счёта. Позднее, с формированием позиционных систем счисления, появились приспособления (счёты, абак, позднее - логарифмическая линейка), делающие возможными вычисления по разрядам.
• Механический этап. Начался в середине XVII и длился почти до конца XIX столетия. Уровень развития науки в этот период сделал возможным создание механических устройств, выполняющих основные арифметические действия и автоматически запоминающих старшие разряды.
• Электромеханический этап - самый короткий из всех, какие объединяет история развития вычислительной техники. Он длился всего около 60 лет. Это промежуток между изобретением в 1887 году первого табулятора до 1946 года, когда возникла самая первая ЭВМ (ENIAC). Новые машины, действие которых основывалось на электроприводе и электрическом реле, позволяли производить вычисления со значительно большей скоростью и точностью, однако процессом счёта по-прежнему должен был управлять человек.
• Электронный этап начался во второй половине прошлого столетия и продолжается в наши дни. Это история шести поколений электронно-вычислительных машин - от самых первых гигантских агрегатов, в основе которых лежали электронные лампы, и до сверхмощных современных суперкомпьютеров с огромным числом параллельно работающих процессоров, способных одновременно выполнить множество команд.

Этапы развития вычислительной техники разделены по хронологическому принципу достаточно условно. В то время, когда использовались одни типы ЭВМ, активно создавались предпосылки для появления следующих.

Самые первые приспособления для счёта

Наиболее ранний инструмент для счёта, который знает история развития вычислительной техники, - десять пальцев на руках человека. Результаты счёта первоначально фиксировались при помощи пальцев, зарубок на дереве и камне, специальных палочек, узелков.

С возникновением письменности появлялись и развивались различные способы записи чисел, были изобретены позиционные системы счисления (десятичная - в Индии, шестидесятиричная - в Вавилоне).

Примерно с IV века до нашей эры древние греки стали вести счёт при помощи абака. Первоначально это была глиняная плоская дощечка с нанесёнными на неё острым предметом полосками. Счёт осуществлялся путём размещения на этих полосах в определённом порядке мелких камней или других небольших предметов.

В Китае в IV столетии нашей эры появились семикосточковые счёты - суанпан (суаньпань). На прямоугольную деревянную раму натягивались проволочки или верёвки - от девяти и более. Ещё одна проволочка (верёвка), натянутая перпендикулярно остальным, разделяла суанпан на две неравные части. В большем отделении, именуемом "землёй", на проволочки было нанизано по пять косточек, в меньшем - "небе" - их было по две. Каждая из проволочек соответствовала десятичному разряду.

Традиционные счёты соробан стали популярными в Японии с XVI века, попав туда из Китая. В это же время счёты появились и в России.

В XVII столетии на основании логарифмов, открытых шотландским математиком Джоном Непером, англичанин Эдмонд Гантер изобрёл логарифмическую линейку. Это устройство постоянно совершенствовалось и дожило до наших дней. Оно позволяет умножать и делить числа, возводить в степень, определять логарифмы и тригонометрические функции.

Логарифмическая линейка стала прибором, завершающим развитие средств вычислительной техники на ручном (домеханическом) этапе.

Первые механические счётные устройства

В 1623 году немецким учёным Вильгельмом Шиккардом был создан первый механический "калькулятор", который он назвал считающими часами. Механизм этого прибора напоминал обычный часовой, состоящий из шестерёнок и звёздочек. Однако известно об этом изобретении стало только в середине прошлого столетия.

Качественным скачком в области технологии вычислительной техники стало изобретение суммирующей машины "Паскалины" в 1642 году. Её создатель, французский математик Блез Паскаль, начал работу над этим устройством, когда ему не было и 20 лет. "Паскалина" представляла собой механический прибор в виде ящичка с большим количеством взаимосвязанных шестерёнок. Числа, которые требовалось сложить, вводились в машину поворотами специальных колёсиков.

В 1673 году саксонский математик и философ Готфрид фон Лейбниц изобрёл машину, выполнявшую четыре основных математических действия и умевшую извлекать квадратный корень. Принцип её работы был основан на двоичной системе счисления, специально придуманной учёным.

В 1818 году француз Шарль (Карл) Ксавье Тома де Кольмар, взяв за основу идеи Лейбница, изобрёл арифмометр, умеющий умножать и делить. А ещё спустя два года англичанин Чарльз Бэббидж приступил к конструированию машины, которая способна была бы производить вычисления с точностью до 20 знаков после запятой. Этот проект так и остался неоконченным, однако в 1830 году его автор разработал другой - аналитическую машину для выполнения точных научных и технических расчётов. Управлять машиной предполагалось программным путём, а для ввода и вывода информации должны были использоваться перфорированные карты с разным расположением отверстий. Проект Бэббиджа предугадал развитие электронно-вычислительной техники и задачи, которые смогут быть решены с её помощью.

Примечательно, что слава первого в мире программиста принадлежит женщине - леди Аде Лавлейс (в девичестве Байрон). Именно она создала первые программы для вычислительной машины Бэббиджа. Её именем впоследствии был назван один из компьютерных языков.

Разработка первых аналогов компьютера

В 1887 году история развития вычислительной техники вышла на новый этап. Американскому инженеру Герману Голлериту (Холлериту) удалось сконструировать первую электромеханическую вычислительную машину - табулятор. В её механизме имелось реле, а также счётчики и особый сортировочный ящик. Прибор считывал и сортировал статистические записи, сделанные на перфокартах. В дальнейшем компания, основанная Голлеритом, стала костяком всемирно известного компьютерного гиганта IBM.

В 1930 году американец Ванновар Буш создал дифференциальный анализатор. В действие его приводило электричество, а для хранения данных использовались электронные лампы. Эта машина способна была быстро находить решения сложных математических задач.

Ещё через шесть лет английским учёным Аланом Тьюрингом была разработана концепция машины, ставшая теоретической основой для нынешних компьютеров. Она обладала всеми главными свойствами современного средства вычислительной техники: могла пошагово выполнять операции, которые были запрограммированы во внутренней памяти.

Спустя год после этого Джордж Стибиц, учёный из США, изобрёл первое в стране электромеханическое устройство, способное выполнять двоичное сложение. Его действия основывались на булевой алгебре - математической логике, созданной в середине XIX века Джорджем Булем: использовании логических операторов И, ИЛИ и НЕ. Позднее двоичный сумматор станет неотъемлемой частью цифровой ЭВМ.

В 1938 году сотрудник университета в Массачусетсе Клод Шеннон изложил принципы логического устройства вычислительной машины, применяющей электрические схемы для решения задач булевой алгебры.

Начало компьютерной эры

Правительства стран, участвующих во Второй мировой войне, осознавали стратегическую роль вычислительных машин в ведении военных действий. Это послужило толчком к разработкам и параллельному возникновению в этих странах первого поколения компьютеров.

Пионером в области компьютеростроения стал Конрад Цузе - немецкий инженер. В 1941 году им был создан первый вычислительный автомат, управляемый при помощи программы. Машина, названная Z3, была построена на телефонных реле, программы для неё кодировались на перфорированной ленте. Этот аппарат умел работать в двоичной системе, а также оперировать числами с плавающей запятой.

Первым действительно работающим программируемым компьютером официально признана следующая модель машины Цузе - Z4. Он также вошёл в историю как создатель первого высокоуровневого языка программирования, получившего название "Планкалкюль".

В 1942 году американские исследователи Джон Атанасов (Атанасофф) и Клиффорд Берри создали вычислительное устройство, работавшее на вакуумных трубках. Машина также использовла двоичный код, могла выполнять ряд логических операций.

В 1943 году в английской правительственной лаборатории, в обстановке секретности, была построена первая ЭВМ, получившая название "Колосс". В ней вместо электромеханических реле использовалось 2 тыс. электронных ламп для хранения и обработки информации. Она предназначалась для взлома и расшифровки кода секретных сообщений, передаваемых немецкой шифровальной машиной "Энигма", которая широко применялась вермахтом. Существование этого аппарата ещё долгое время держалось в строжайшей тайне. После окончания войны приказ о его уничтожении был подписан лично Уинстоном Черчиллем.

Разработка архитектуры

В 1945 году американским математиком венгерско-немецкого происхождения Джоном (Яношем Лайошем) фон Нейманом был создан прообраз архитектуры современных компьютеров. Он предложил записывать программу в виде кода непосредственно в память машины, подразумевая совместное хранение в памяти компьютера программ и данных.

Архитектура фон Неймана легла в основу создаваемого в то время в Соединённых Штатах первого универсального электронного компьютера - ENIAC. Этот гигант весил около 30 тонн и располагался на 170 квадратных метрах площади. В работе машины были задействованы 18 тыс. ламп. Этот компьютер мог произвести 300 операций умножения или 5 тыс. сложения за одну секунду.

Первая в Европе универсальная программируемая ЭВМ была создана в 1950 году в Советском Союзе (Украина). Группа киевских учёных, возглавляемая Сергеем Алексеевичем Лебедевым, сконструировала малую электронную счётную машину (МЭСМ). Её быстродействие составляло 50 операций в секунду, она содержала около 6 тыс. электровакуумных ламп.

В 1952 году отечественная вычислительная техника пополнилась БЭСМ - большой электронной счётной машиной, также разработанной под руководством Лебедева. Эта ЭВМ, выполнявшая в секунду до 10 тыс. операций, была на тот момент самой быстродействующей в Европе. Ввод информации в память машины происходил при помощи перфоленты, выводились данные посредством фотопечати.

В этот же период в СССР выпускалась серия больших ЭВМ под общим названием "Стрела" (автор разработки - Юрий Яковлевич Базилевский). С 1954 года в Пензе началось серийное производство универсальной ЭВМ "Урал" под руководством Башира Рамеева. Последние модели были аппаратно и программно совместимы друг с другом, имелся широкий выбор периферических устройств, позволяющий собирать машины различной комплектации.

Транзисторы. Выпуск первых серийных компьютеров

Однако лампы очень быстро выходили из строя, весьма затрудняя работу с машиной. Транзистор, изобретённый в 1947 году, сумел решить эту проблему. Используя электрические свойства полупроводников, он выполнял те же задачи, что и электронные лампы, однако занимал значительно меньший объём и расходовал не так много энергии. Наряду с появлением ферритовых сердечников для организации памяти компьютеров, использование транзисторов дало возможность заметно уменьшить размеры машин, сделать их ещё надёжнее и быстрее.

В 1954 году американская фирма "Техас Инструментс" начала серийно производить транзисторы, а два года спустя в Массачусетсе появился первый построенный на транзисторах компьютер второго поколения - ТХ-О.

В середине прошлого столетия значительная часть государственных организаций и крупных компаний использовала компьютеры для научных, финансовых, инженерных расчётов, работы с большими массивами данных. Постепенно ЭВМ приобретали знакомые нам сегодня черты. В этот период появились графопостроители, принтеры, носители информации на магнитных дисках и ленте.

Активное использование вычислительной техники привело к расширению областей её применения и потребовало создания новых программных технологий. Появились языки программирования высокого уровня, позволяющие переносить программы с одной машины на другую и упрощающие процесс написания кода ("Фортран", "Кобол" и другие). Появились особые программы-трансляторы, преобразовывающие код с этих языков в команды, прямо воспринимаемые машиной.

Появление интегральных микросхем

В 1958-1960 годах, благодаря инженерам из Соединённых Штатов Роберту Нойсу и Джеку Килби, мир узнал о существовании интегральных микросхем. На основе из кремниевого или германиевого кристалла монтировались миниатюрные транзисторы и другие компоненты, порой до сотни и тысячи. Микросхемы размером чуть более сантиметра работали гораздо быстрее, чем транзисторы, и потребляли намного меньше энергии. С их появлением история развития вычислительной техники связывает возникновение третьего поколения ЭВМ.

В 1964 году фирмой IBM был выпущен первый компьютер семейства SYSTEM 360, в основу которого легли интегральные микросхемы. С этого времени можно вести отсчёт массового выпуска ЭВМ. Всего было произведено более 20 тыс. экземпляров данного компьютера.

В 1972 году в СССР была разработана ЕС (единая серия) ЭВМ. Это были стандартизированные комплексы для работы вычислительных центров, имевшие общую систему команд. За основу была взята американская система IBM 360.

В следующем году компания DEC выпустила мини-компьютер PDP-8, ставший первым коммерческим проектом в этой области. Относительно низкая стоимость мини-компьютеров дала возможность использовать их и небольшим организациям.

В этот же период постоянно совершенствовалось программное обеспечение. Разрабатывались операционные системы, ориентированные на то, чтобы поддерживать максимальное количество внешних устройств, появлялись новые программы. В 1964 году разработали Бейсик - язык, предназначенный специально для подготовки начинающих программистов. Через пять лет после этого возник Паскаль, оказавшийся очень удобным для решения множества прикладных задач.

Персональные компьютеры

После 1970 года начался выпуск четвёртого поколения ЭВМ. Развитие вычислительной техники в это время характеризуется внедрением в производство компьютеров больших интегральных схем. Такие машины теперь могли совершать за одну секунду тысячи миллионов вычислительных операций, а ёмкость их ОЗУ увеличилась до 500 миллионов двоичных разрядов. Существенное снижение себестоимости микрокомпьютеров привело к тому, что возможность их купить постепенно появилась у обычного человека.

Одним из первых производителей персональных компьютеров стала компания Apple. Создавшие её Стив Джобс и Стив Возняк сконструировали первую модель ПК в 1976 году, дав ей название Apple I. Стоимость его составила всего 500 долларов. Через год была представлена следующая модель этой компании - Apple II.

Компьютер этого времени впервые стал похожим на бытовой прибор: помимо компактного размера, он имел изящный дизайн и интерфейс, удобный для пользователя. Распространение персональных компьютеров в конце 1970 годов привело к тому, что спрос на большие ЭВМ заметно упал. Этот факт всерьёз обеспокоил их производителя - компанию IBM, и в 1979 году она выпустила на рынок свой первый ПК.

Два года спустя появился первый микрокомпьютер этой фирмы с открытой архитектурой, основанный на 16-разрядном микропроцессоре 8088, производимом компанией "Интел". Компьютер комплектовался монохромным дисплеем, двумя дисководами для пятидюймовых дискет, оперативной памятью объемом 64 килобайта. По поручению компании-создателя фирма "Майкрософт" специально разработала операционную систему для этой машины. На рынке появились многочисленные клоны IBM PC, что подтолкнуло рост промышленного производства персональных ЭВМ.

В 1984 году компанией Apple был разработан и выпущен новый компьютер - Macintosh. Его операционная система была исключительно удобной для пользователя: представляла команды в виде графических изображений и позволяла вводить их с помощью манипулятора - мыши. Это сделало компьютер ещё более доступным, поскольку теперь от пользователя не требовалось никаких специальных навыков.

ЭВМ пятого поколения вычислительной техники некоторые источники датируют 1992-2013 годами. Вкратце их основная концепция формулируется так: это компьютеры, созданные на основе сверхсложных микропроцессоров, имеющие параллельно-векторную структуру, которая делает возможным одновременное выполнение десятков последовательных команд, заложенных в программу. Машины с несколькими сотнями процессоров, работающих параллельно, позволяют ещё более точно и быстро обрабатывать данные, а также создавать эффективно работающие сети.

Развитие современной вычислительной техники уже позволяет говорить и о компьютерах шестого поколения. Это электронные и оптоэлектронные ЭВМ, работающие на десятках тысяч микропроцессоров, характеризующиеся массовым параллелизмом и моделирующие архитектуру нейронных биологических систем, что позволяет им успешно распознавать сложные образы.

Последовательно рассмотрев все этапы развития вычислительной техники, следует отметить интересный факт: изобретения, хорошо зарекомендовавшие себя на каждом из них, сохранились до наших дней и с успехом продолжают использоваться.

Классы вычислительной техники

Существуют различные варианты классификации ЭВМ.

Так, по назначению компьютеры делятся:

• на универсальные - те, которые способны решать самые различные математические, экономические, инженерно-технические, научные и другие задачи;
• проблемно-ориентированные - решающие задачи более узкого направления, связанные, как правило, с управлением определёнными процессами (регистрация данных, накопление и обработка небольших объёмов информации, выполнение расчётов в соответствии с несложными алгоритмами). Они обладают более ограниченными программными и аппаратными ресурсами, чем первая группа компьютеров;
• специализированные компьютеры решают, как правило, строго определённые задачи. Они имеют узкоспециализированную структуру и при относительно низкой сложности устройства и управления достаточно надёжны и производительны в своей сфере. Это, к примеру, контроллеры или адаптеры, управляющие рядом устройств, а также программируемые микропроцессоры.

По размерам и производительной мощности современная электронно-вычислительная техника делится:

• на сверхбольшие (суперкомпьютеры);
• большие компьютеры;
• малые компьютеры;
• сверхмалые (микрокомпьютеры).

Таким образом, мы увидели, что устройства, сначала изобретённые человеком для учёта ресурсов и ценностей, а затем - быстрого и точного проведения сложных расчётов и вычислительных операций, постоянно развивались и совершенствовались.