История развития вычислительной техники, поколения ЭВМ

Размещено на http://www.allbest.ru/

История развития вычислительной техники, поколения ЭВМ

Новокузнецк 2014

1. История развития вычислительной техники

1.1 Первые вычислительные приспособления

Первым инструментом для счета были руки. Все арифметические операции выполнялись при помощи десяти пальцев рук. В Западной Европе существовала целая система позволяющая представлять на пальцах числа до 9999.

Счет на пальцах, конечно, удобен, только с ним достаточно тяжело хранить информацию.

Рисунок 1

С возникновением у древних людей способности счета появилась необходимость в использовании приспособлений, которые смогли бы облегчить эту работу. Одно из таких орудий труда наших предков было обнаружено при раскопках поселения Дольни Вестоници на юго-востоке Чехии в Моравии. Обыкновенная кость с зарубками, получившая название “вестоницкая кость”, использовалась ими для ведения счета предположительно за 30 тыс. лет до н. э.

Примерно к VIII веку до н. э. древними индейскими цивилизациями был придуман другой способ для записи чисел. Для этих целей они использовали узелковое письмо, в котором знаками служили камни и разноцветные ракушки, сплетенные вместе веревками.

вычислительный механический аналитический электронный

Развитие государств Европы и Азии, а также усиление торговых отношений между ними привело к созданию совершенно нового инструмента, известного практически у всех народов. Впервые его начали применять в Вавилоне, а вскоре новое изобретение попало в Грецию, где получило свое дальнейшее развитие. Это приспособление представляло собой деревянную дощечку, посыпанную морским песком, на котором наносились бороздки. Размещенные в этих бороздках камешки обозначали цифры. При этом количество камешков в первой бороздке соответствовало единицам, во второй -- десяткам, в третьей -- сотням и т. д. Если в одной из бороздок набиралось десять камешков, то их снимали и добавляли один камешек в следующую бороздку.

Ученые назвали этот способ записи чисел единичной ("палочной") системой счисления. В ней для записи чисел применялся только один вид знаков - "палочка". В наше время счётные палочки используются для обучения первоклассников.

Немного позже вместо деревянных дощечек стали использовать каменные плиты с выточенными в них желобками. Одна из таких плит была обнаружена на острове Саламин в Эгейском море в 1899 году. “Саламинская доска”, длинной полтора метра и шириной чуть боле семидесяти сантиметров, была изготовлена примерно за 300 лет до н. э. На этой мраморной плите в левой ее части было нанесено одиннадцать вертикальных линий, разделенных горизонтальной чертой, таким образом, что они образовывали десять столбцов. В правой части также было прорезано пять вертикальных линий, которые, в свою очередь, образовывали четыре столбца. По периметру плиты были также высечены буквы греческого алфавита.

В Древнем Риме “Саламинская доска” появилась, вероятно, в V-VI в. н. э. и называлась она calculi или abakuli. Для изготовления римского абака, помимо каменных плит, стали использовать бронзу, слоновую кость и даже цветное стекло. В вертикальных желобках, разделенных на два поля, также помещались камешки или мраморные шарики, при этом желобки нижнего поля служили для счета от единицы до пяти. Если в этом желобке набиралось пять шариков, то в верхнее отделение добавлялся один шарик, а из нижнего поля все шарики снимали.

Суан-пан -- китайская разновидность абака -- появилась в VI веке н. э. В XII-XIII столетиях он приобрел свою классическую форму, дошедшую до наших дней. Суан-пан представляет собой прямоугольную раму с натянутыми параллельно друг другу девятью или более нитями. Также как и римский абак, суан-пан разделен на два поля, имеющих свои названия. Большее поле называется “Земля”, а меньшее -- “Небо”. В большем поле на каждой веревке нанизано по пять шариков, а в меньшем всего по два. При подсчете шарики уже не снимаются с поля, они лишь передвигаются в сторону соседнего поля. Каждый шарик большего поля соответствует единице, а каждый шарик меньшего поля -- пяти.

Распространяясь в европейских странах, римский абак постепенно видоизменялся. В XV столетии в Англии появилась новая его форма, называемая “линейчатой доской” (line-board).

Рисунок 2

Примерно в это же время на Руси получил распространение так называемый “дощатый счет”, завезенный, видимо, купцами из Европы. Он представлял собой рамку с укрепленными горизонтальными веревками, на которые были нанизаны просверленные сливовые или вишневые косточки. Эта рамка разбивалась сначала на четыре, а затем на два счетных поля. В 1658 году в “Переписной книге деловой казны Патриарха Никона” вместо “дощатый счет” употребляется слово “счеты”. А в начале XVIII века счеты приняли свой привычный вид, который в дальнейшем не претерпевал существенных изменений. В них осталось лишь одно счетное поле, на спицах которого размещалось по десять косточек.

1.2 Первые механические устройства для вычислений

Машина Блеза Паскаля

Рисунок 3

1642 год, французский физик Блез Паскаль создал первую механическую счетную машину. Она представляла собой шкатулку, на крышке которой, как на часах, были расположены циферблаты. На них устанавливали числа. Для цифр разных разрядов были отведены различные зубчатые колеса. Каждое предыдущее колесо соединялось с последующим с помощью одного зубца. Этот зубец вступал в сцепление с очередным колесом только после того, как были пройдены все девять цифр данного разряда.

Машина Готфрида Лейбница

Рисунок 4

1677 год, немецкий математик и философ Готфрид Вильгельм Лейбниц сконструировал свою счетную машину, позволяющую не только складывать и вычитать но также умножать многозначные числа. Вместо колец использовались цилиндры, на которые были нанесены цифры. Каждый цилиндр имел девять рядов выступов: один выступ на первом ряду, два на втором и так далее. Эти цилиндры были подвижны и устанавливались в определенном положении. Хоть машина Лейбница и была похожа на “Паскалину”, она имела движущуюся часть и ручку, с помощью которой можно было крутить специальное колесо или цилиндры, расположенные внутри аппарата. Такой механизм позволил ускорить повторяющиеся операции сложения, необходимые для умножения. Само повторение тоже осуществлялось автоматически.

Арифмометр Феликс

Рисунок 5

«Феликс» -- самый распространённый в СССР арифмометр. Выпускался с 1929 по 1978 г. на заводах счётных машин в Курске, в Пензе и в Москве.

Эта счётная машина относится к рычажным арифмометрам Однера. Она позволяет работать с операндами длиной до 9 знаков и получать ответ длиной до 13 знаков (до 8 для частного от деления).

Устройство машины оптимизировано для минимальной цены, в результате арифмометр стоил порядка 13 рублей (1970-е), но качество изготовления оставляло желать лучшего. С другой стороны, в арифмометре использован очень простой и в то же время надёжный транспортный механизм каретки, отличавший его от всех западных аналогов.

Машина Германа Холлерита

Рисунок 6

Вооруженные карандашом и бумагой или в лучшем случае суммирующей машиной американские статистики прошлого века испытывали острую необходимость в автоматизации длительной, утомительной и однообразной работы по обработке “Эвереста данных” - переписи в США проводятся каждые 10 лет. Именно здесь применил свои незаурядные способности изобретателя сын четы немецких эмигрантов Герман Холлерит.

Неизвестно, был ли знаком Холлерит с идеям Жаккара и Бэббиджа, но то, что он предложил, было, по существу, повторением пройденного. Однако на “носителе информации” сходство кончалось. Основная идея Холлерита состояла в том, чтобы представить подлежащие обработке данные отверстиями в фиксированных местах перфокарты и затем либо подсчитать отверстия на всех перфокартах, либо рассортировать перфокарты по тому же принципу.

Сортировальная машина представляла собой несколько ящиков с крышками. Карты продвигались вручную между набором подпружиненных штырей и резервуарами, наполненными ртутью. Когда штырь попадал в отверстие, он касался ртути и замыкал электрическую цепь. При этом поднималась крышка определенного ящика, и оператор опускал туда карту.

Система Холлерита была опробована в 1887 году при составлении статистики смертности в Балтиморе. Затем в 1896 году перфокартные машины были использованы во время очередной переписи населения, сократив время обработки почти в 4 раза.

В 1896 году Холлерит организует компанию табуляров, которая начинает серийный выпуск машин. Они проникают в Австрию, Норвегию, Швейцарию, Англию; Постепенно расширяется сфера их применения: сельскохозяйственная перепись, железнодорожная статистика, начисление заработной платы и учет материалов на крупных предприятиях и т.д.

В 1910 - 1920 годах появляется ряд других компаний по производству счетно-аналитических машин: в США - “Компания счетных машин Пауэрса”; во Франции - “Компания машин Бюлля”, основанная норвежским инженером Фредериком Бюллем, который завещал свои многочисленные патенты норвежскому институту раковых исследований. Наличие конкурентов вынудило Холлерита в 1911 году продать свою компанию, которая, слившись с другими, образовала впоследствии международную корпорацию по производству вычислительных машин IBM.

1.3 Прообраз первого компьютера - аналитическая машина Чарльза Беббиджа

В 1834 году Чарльз Бэббидж описал свою аналитическую машину (Analytical Engine). Это был проект компьютера общего назначения с применением перфокарт, а также парового двигателя в качестве источника энергии.

Перфокарта Перфокарты представляли из себя куски перфорированного картона. Впервые они были применены в 1804 г. французом Жаккаром для механического ткацкого станка, управляемого последовательностями перфокарт. В соответствии с положениями отверстий на карте челнок совершал определенные движения, придавая ткани соответствующую структуру.

Кстати, в начале 80-х свои первые программы я, как и все остальные пользователи того времени, набивала именно на перфокарты.

Чарльз Бэббидж Чарльз Бэббидж Перфокарты были необходимы для автоматизации работы аналитической машины, которая достигается за счет работы по заранее составленной человеком программе. Именно Чарльз Бэббидж является родоначальником идеи механической машины с программным управлением. Действительно, без автоматического программного управления вычислительным процессом каждую последующую операцию машине должен «подсказывать» человек, нажимая на соответствующие кнопки. А осмысленно человек в самом лучшем случае может делать это 1-2 раза в секунду из-за инерционности своей нервной системы. Следовательно, сколь бы быстро не работали блоки машины, она, выполняя каждую операцию по указанию человека, будет работать медленно - в темпе работы своего хозяина. И только заранее введя в машину программу решения задачи, «научив» ее решать самостоятельно ту или иную задачу, можно добиться, чтобы она считала «без оглядки на человека», со свойственной ей, машине, скоростью.

По проекту 1834 г., разработанному Бэббиджем на бумаге, аналитическая машина включала 4 блока:

1. регистры памяти (по терминологии Бэббиджа store -- хранилище, склад) - это аналог современного запоминающегося устройства (ЗУ) для хранения исходных данных и результатов;

2. арифметический блок (по терминологии Бэббиджа mill -- мельница) - это аналог современного устройства для вычислений;

3. барабан, управляющий операциями машины (control barrel) -- прообраз современного устройства управления (УУ);

4. перфокарты - прототип ввода/вывода информации.

Такая схема Вам ничего не напоминает? Ведь это уже практически архитектура электронно-вычислительных машин (ЭВМ). Остается лишь придумать схему совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Это было сделано 100 лет спустя коллективом ученых во главе с американским математиком Джоном фон Нейманом. Вернемся в 1834 год. Еще не изобретены фотография и электричество, нет телефона и радио. По морям плавают исключительно парусные судна, а на суше лошадь - друг человека. И вдруг - аналитическая машина, то есть, механическое устройство с идеями автоматического программного управления! Человечество смогло это реализовать спустя более 100 лет благодаря появлению электроники. К 1834 г. арифмометр уже был изобретен. Аналитическая машина отличалась от него наличием регистров, что позволяло ей работать по программе, предварительно составленной человеком. В регистрах сохранялся промежуточный результат вычисления, и с их же помощью выполнялись действия, предписанные «программой». Изобретение регистров предоставляло такие вычислительные возможности, которые поразили Бэббиджа по сравнению с его первой разностной машиной: «Шесть месяцев я составлял проект машины, более совершенной, чем первая.

Я сам поражен той вычислительной мощностью, которой она будет обладать; еще год назад я не смог бы в это поверить». Как уже отмечалось, в единую логическую схему Бэббидж увязал арифметическое устройство («мельница»), регистры памяти, объединенные в единое целое («склад»), и третье устройство, которому автор не дал названия. Оно было реализовано с помощью перфокарт трёх типов: операционные карты (англ. operation card) служили для переключения машины между режимами сложения, вычитания, деления и умножения; карты переменных (англ. variable card) управляли передачей информации со «склада» на «мельницу» и обратно; числовые перфокарты могли быть использованы для ввода данных в машину, а также для сохранения промежуточных результатов вычислений, если место на «складе» было ограничено. Кроме того, из операционных карт можно было составить библиотеку функций. По замыслу автора аналитическая машина должна была содержать устройство печати и устройство вывода результатов на перфокарты для последующего использования. Таким образом, именно Бэббидж стал автором идеи ввода-вывода. Аналитическая машина не была построена.

Изобретатель писал в 1851 г.: «Все разработки, связанные с Analytical Engine, выполнены за мой счет. Я провел целый ряд экспериментов и дошел до черты, за которой моих возможностей не хватает. В связи с этим я вынужден отказаться от дальнейшей работы». Бэббидж сделал более 200 чертежей ее различных узлов и около 30 вариантов общей компоновки машины. Очевидно, что изобретатель намного опередил свое время. Не случайно в конце жизни он скажет: «Я готов отдать последние годы своей жизни за то, чтобы прожить три дня через 150 лет, и чтобы мне подробно объяснили принцип работы будущих машин».

2. Поколения ЭВМ

Компьютерная грамотность предполагает наличие представления о пяти поколениях ЭВМ, которое Вы получите после ознакомления с данной статьей. Когда говорят о поколениях, то в первую очередь говорят об историческом портрете электронно-вычислительных машин (ЭВМ). Фотографии в фотоальбоме по истечении определенного срока показывают, как изменился во времени один и тот же человек. Точно так же поколения ЭВМ представляют серию портретов вычислительной техники на разных этапах ее развития. Всю историю развития электронно-вычислительной техники принято делить на поколения. Смены поколений чаще всего были связаны со сменой элементной базы ЭВМ, с прогрессом электронной техники. Это всегда приводило к росту быстродействия и увеличению объема памяти. Кроме этого, как правило, происходили изменения в архитектуре ЭВМ, расширялся круг задач, решаемых на ЭВМ, менялся способ взаимодействия между пользователем и компьютером.

2.1 ЭВМ первого поколения

ЭВМ первого поколения были ламповыми машинами 50-х годов. Их элементной базой были электровакуумные лампы. Эти ЭВМ были весьма громоздкими сооружениями, содержавшими в себе тысячи ламп, занимавшими иногда сотни квадратных метров территории, потреблявшими электроэнергию в сотни киловатт. Например, одна из первых ЭВМ - ENIAC представляла собой огромный по объему агрегат длиной более 30 метров, содержала 18 тысяч электровакуумных ламп и потребляла около 150 киловатт электроэнергии. Для ввода программ и данных применялись перфоленты и перфокарты. Не было монитора, клавиатуры и мышки. Использовались эти машины, главным образом, для инженерных и научных расчетов, не связанных с переработкой больших объемов данных. В 1949 году в США был создан первый полупроводниковый прибор, заменяющий электронную лампу. Он получил название транзистор.

2.2 ЭВМ второго поколения

В 60-х годах транзисторы стали элементной базой для ЭВМ второго поколения. Машины стали компактнее, надежнее, менее энергоемкими. Возросло быстродействие и объем внутренней памяти. Большое развитие получили устройства внешней (магнитной) памяти: магнитные барабаны, накопители на магнитных лентах. В этот период стали развиваться языки программирования высокого уровня: ФОРТРАН, АЛГОЛ, КОБОЛ. Составление программы перестало зависеть от конкретной модели машины, сделалось проще, понятнее, доступнее. В 1959 г. был изобретен метод, позволивший создавать на одной пластине и транзисторы, и все необходимые соединения между ними. Полученные таким образом схемы стали называться интегральными схемами или чипами. Изобретение интегральных схем послужило основой для дальнейшей миниатюризации компьютеров. В дальнейшем количество транзисторов, которое удавалось разместить на единицу площади интегральной схемы, увеличивалось приблизительно вдвое каждый год.

2.3 ЭВМ третьего поколения

Третье поколение ЭВМ создавалось на новой элементной базе - интегральных схемах (ИС). Микросхемы ЭВМ третьего поколения начали производиться во второй половине 60-х годов, когда американская фирма IBM приступила к выпуску системы машин IBM-360. Немного позднее появились машины серии IBM-370. В Советском Союзе в 70-х годах начался выпуск машин серии ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ) по образцу IBM 360/370. Скорость работы наиболее мощных моделей ЭВМ достигла уже нескольких миллионов операций в секунду. На машинах третьего поколения появился новый тип внешних запоминающих устройств - магнитные диски. Успехи в развитии электроники привели к созданию больших интегральных схем (БИС), где в одном кристалле размещалось несколько десятков тысяч электрических элементов.

2.4 ЭВМ четвертого поколения

В 1971 году американская фирма Intel объявила о создании микропроцессора. Это событие стало революционным в электронике. Микропроцессор - это миниатюрный мозг, работающий по программе, заложенной в его память. Соединив микропроцессор с устройствами ввода-вывода и внешней памяти, получили новый тип компьютера: микро-ЭВМ. Микро-ЭВМ относится к машинам четвертого поколения.

Наибольшее распространение получили персональные компьютеры (ПК). Их появление связано с именами двух американских специалистов:

Стива Джобса и Стива Возняка. В 1976 году на свет появился их первый серийный ПК Apple-1, а в 1977 году - Apple-2. Однако с 1980 года «законодателем мод» на рынке ПК становится американская фирма IBM. Ее архитектура стала фактически международным стандартом на профессиональные ПК. Машины этой серии получили название IBM PC (Personal Computer). Появление и распространение ПК по своему значению для общественного развития сопоставимо с появлением книгопечатания. С развитием этого типа машин появилось понятие «информационные технологии», без которых невозможно обойтись в большинстве областей деятельности человека. Появилась новая дисциплина - информатика.

2.5 Сравнение ЭВМ разных поколений

3. Будущее в развитии компьютеров

В идеале, в мире, где тяжелую работу выполняют роботы, человек мог бы посвятить себя искусству и науке. Но это лишь в идеале. Уже сегодня, понятно, что совершенно непонятно, чем займутся люди, когда в результате классовой борьбы с роботами, рынок труда сократиться вдвое, а то и втрое. Это проблема стоит не только перед всем миром, но перед отдельно взятым государством, и перед любым молодым человеком. Многие профессии, которым сегодня обучают в вузах, вскоре могут просто исчезнуть.

На сегодняшний день, в мире установилась некоторая иерархия, которую одни пытаются изменить, а другие сохранить. Суть в следующем, мир делится на дикие, развивающиеся и передовые цивилизации. В этой градации переплетены политическое устройство, экономика и уровень технологического развития. Самое интересное, что с самого начала компьютерной революции не предпринимается никаких гуманных попыток, как-то сгладить эту разницу. В итоге, мир продолжает развиваться в направлении жесткой градации, где отдельно взятые страны занимают уготованные им ниши. Интересно, что даже внутри «развитых» стран население начинает делиться на богатых и умных инженеров, «компьютерщиков», и на необразованное население занимающиеся примитивной деятельностью, ремеслами и обслуживающих добычу ресурсов расположенных на их территории.

Складывается впечатление, что плохо образованное население необходимо лишь немного развлекать с помощью тех же самых технологий и роботов, чтоб они не задумывались об «ненужном».

Список источников

1. КГПИ. История развития вычислительной техники.

2. Машина Блеза Паскаля.

3. Машина Лейбница.

4. http://wiki.kgpi.ru/mediawiki/index.php/

5. Википедия. Свободная энциклопедия. Арифметр Феликса.

6. http://ru.wikipedia.org/wiki/

7. Машина Германа Холлерита.

8. http://diemon.narod.ru/hollerit.html

9. Компьютерная грамотность с Надеждой Заполняем пробелы -- изучаем компьютерную грамотность!

10. Аналитическая машина Бэббиджа как прообраз первого компьютера. Автор: Надежда Широбокова.

11. http://www.compgramotnost.ru/istoria-computera/analiticheskaya-mashina-bebbidzha-kak-proobraz-pervogo-kompyutera

12. Пять поколений ЭВМ.

13. http://www.compgramotnost.ru/istoria-computera/pyat-pokolenij-evm

Размещено на Allbest.ru