Прошло не так много времени с момента появления первых электронных вычислительных машин (ЭВМ) - компьютеров. За это время сфера их применения охватила практически все области человеческой деятельности. Сегодня невозможно представить себе эффективную организацию работы без применения компьютеров в таких областях, как планирование и управление производством, проектирование и разработка сложных технических устройств, издательская деятельность, образование - словом, во всех областях, где возникает необходимость в обработке больших объемов информации. Кроме того сейчас почти у каждого человека дома есть компьютер, в кармане - смартфон, в машине - бортовой компьютер и иная вычислительная техника, позволяющая производить множество сложных операций и вычислений.

Наиболее важным по-прежнему остается использование ЭВМ в том направлении, для которого они, собственно, и создавались - для решения больших задач, требующих выполнения громадных объемов вычислений. Такие задачи возникли в середине прошлого века в связи с развитием атомной энергетики, авиастроения, ракетно-космических технологий и ряда других областей науки и техники.

Исходя из всего выше сказанного, становится понятно, что электронно-вычислительные средства (ЭВС) очень плотно вошли в нашу жизнь. И практически любая работа невозможна без использования ЭВС. Но прежде чем они достигли таких поразительных возможностей, они долгое время развивались.

Понятие ЭВМ

Электронно-вычислительная машина - комплекс технических средств, где основные функциональные элементы (логические, запоминающие, индикационные и др.) выполненных на электронных элементах, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

Компьютер (англ. Computer, - "вычислитель") - устройство или система, способное выполнять заданную чётко определённую изменяемую последовательность операций. Это чаще всего операции численных расчётов и манипулирования данными, однако сюда относятся и операции ввода-вывода. Описание последовательности операций называется программой. [1]

Основные принципы функционирования ЭВМ

Исторически компьютер появился как машина для вычислений и назывался электронной вычислительной машиной. Общие принципы работы универсальных вычислительных устройств были сформулированы известным американским математиком Джоном фон Нейманом в 1946 году:

1. Любая ЭВМ для выполнения своих функций должна иметь минимальный набор функциональных блоков:

АЛУ - арифметическое логическое устройство. Преобразует информацию, выполняя сложение, вычитание и основные логические операции "И", "ИЛИ", "НЕ".

УУ - устройство управления. Организует процесс выполнения программ.

ОЗУ - оперативное запоминающее устройство (память), состоящее из перенумерованных ячеек. Хранит данные, адреса и команды, обладает высокой скоростью записи и чтения чисел.

УВВ - устройство ввода-вывода. Получают информацию извне, выводят её получателю.

В современных компьютерах объединены АЛУ и УУ в одной сверхбольшой интегральной схеме (микропроцессор). Уменьшение габаритов ОЗУ позволило разместить микропроцессор и ОЗУ на одной электронной плате (материнская). Все связи между отдельными устройствами объединены в пучок параллельных проводов (системная шина).

2. Информация кодируется в двоичной форме.

3. Алгоритм представляется в форме последовательности команд, совокупность которых называется программой.

4. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. [2]

Классификация ЭВМ

Существует достаточно много систем классификации ЭВМ по различным признакам.

1. Классификация по назначению:

- Супер ЭВМ предназначены для решения крупномасштабных вычислительных задач, для обслуживания крупнейших информационных банков данных. Это очень мощные компьютеры с производительностью свыше 100 мегафлопов (1 мегафлоп - миллион операций с плавающей точкой в секунду). Они называются сверхбыстродействующими. Эти машины представляют собой многопроцессорные и (или) многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних устройств. Различают суперкомпьютеры среднего класса, класса выше среднего и переднего края (high end).

- Большие ЭВМ - для комплектования ведомственных, территориальных и региональных вычислительных центров. Они предназначены для решения широкого класса научно-технических задач и являются сложными и дорогими машинами. Их целесообразно применять в больших системах при наличии не менее 200 - 300 рабочих мест.

- Средние ЭВМ - широкого назначения для управления сложными технологическими производственными процессами. ЭВМ этого типа могут использоваться и для управления распределенной обработкой информации в качестве сетевых серверов.

- Персональные и профессиональные ЭВМ, позволяющие удовлетворять индивидуальные потребности пользователей. На базе этого класса ЭВМ строятся автоматизированные рабочие места (АРМ) для специалистов различного уровня.

- Встраиваемые микропроцессоры, осуществляющие автоматизацию управления отдельными устройствами и механизмами.

2. Классификация ПК по типоразмерам:

- Настольные (desktop) - используются для оборудования рабочих мест, отличаются простотой изменения конфигурации. Наиболее распространены.

- Портативные - удобны для транспортировки, можно работать при отсутствии рабочего места.

Основные разновидности портативных компьютеров:

- Laptop (наколенник, от lap - колено и top - поверх). По размерам близок к обычному портфелю. По основным характеристикам (быстродействие, память) примерно соответствует настольным ПК. Сейчас компьютеры этого типа уступают место ещё меньшим.

- Notebook (блокнот, записная книжка). По размерам он ближе к книге крупного формата. Имеет вес около 3 кг. Является переносным персональным компьютером. Он имеет компактные габариты и встроенные аккумуляторы, позволяющие работать без сетевого напряжения.

- Palmtop (наладонник) - это самый маленький ПК. Он не имеет внешней памяти на магнитных дисках, она заменена на энергозависимую электронную память. Эта память может перезаписываться при помощи линии связи с настольным компьютером. Карманный персональный компьютер (КПК) можно использовать как словарь-переводчик или записную книжку. Сейчас на смену КПК пришли смартфоны.

3. Классификация по условиям эксплуатации:

По условиям эксплуатации компьютеры делятся на два типа:

- офисные (универсальные) - на их основе можно собирать вычислительные системы произвольного состава;

- специализированные - предназначены для решения конкретного круга задач (например, бортовые компьютеры автомобилей, самолетов). [3]

История развития ЭВМ

Развитие науки и техники позволило в 1940-х годах построить первые вычислительные машины. вычислительный электронный микропроцессор

Первые ЭВМ

- 1944г. Марк 1. Американский инженер Говард Эйкен при поддержке фирмы Ай-Би-Эм (IBM) сконструировал компьютер для выполнения баллистических расчетов. Этот компьютер, названный "Марк 1", по площади занимал примерно половину футбольного поля и включал более 800 километров проводов, около 750 тыс.деталей, 3304 реле. "Марк-1" был основан на использовании электромеханических реле и оперировал десятичными числами, закодированными на перфоленте. Машина могла манипулировать числами длиной до 23 разрядов. Для перемножения двух 23-разрядных чисел ей было необходимо 4 секунды.

-1946 г. ENIAC. Но электромеханические реле работали недостаточно быстро. В 1946 г. По заказу Армии США был создан первый широкомасштабный электронный цифровой компьютер ЭНИАК (ENIAC - электронный числовой интегратор и вычислитель), который можно было перепрограммировать для решения полного диапазона задач. Разработали его американские ученые Джон Уильям Мокли и Джон Преспер Экерт. В ЭНИАКе в качестве основы компонентной базы электромеханические реле были заменены вакуумными лампами. Всего комплекс включал 17468 ламп, 7200 кремниевых диодов, 1500 реле, 70000 резисторов и 10000 конденсаторов. Потребляемая мощность - 150 кВт по тем временам было достаточно для освещения большого города. Вычислительная мощность - 300 операций умножения или 5000 операций сложения в секунду. Вес - 27 тонн, более 30 метров, объём - 85 м 3. Вычисления проводились в десятичной системе. ЭНИАК использовался для расчета баллистических таблиц, предсказания погоды, расчетов в области атомной энергетики, аэродинамики, изучения космоса.

- 1949г. ЭДСАК. Первая машина с хранимой программой - "Эдсак" - была создана в Кембриджском университете (Англия) в 1949 г. Она имела запоминающее устройство на 512 ртутных линиях задержки. Время выполнения сложения было 0,07 мс, умножения - 8,5 мс.

- 1951г. МЭСМ. В 1948г. году академик Сергей Алексеевич Лебедев предложил проект первой на континенте Европы ЭВМ - Малой электронной счетно-решающей машины (МЭМС). В 1951г. МЭСМ официально вводится в эксплуатацию, на ней регулярно решаются вычислительные задачи. Машина оперировала с 20разрядными двоичными кодами с быстродействием 50 операций в секунду, имела оперативную память в 100 ячеек на электронных лампах.

- 1951г. UNIVAC-1. (Англия) В 1951 г. была создана машина "Юнивак" (UNIVAC) - первый серийный компьютер с хранимой программой. В этой машине впервые была использована магнитная лента для записи и хранения информации.

- 1952-1953г. БЭСМ-2 (Рис.3) Вводится в эксплуатацию БЭСМ-2 (большая электронная счетная машина) с быстродействием около 10 тыс. операций в секунду над 39-разрядными двоичными числами. Оперативная память на электронно-акустических линиях задержки - 1024 слова, затем на электронно-лучевых трубках и позже на ферритовых сердечниках. ВЗУ состояло из двух магнитных барабанов и магнитной ленты емкостью свыше 100 тыс. слов. [3]

В 1971 году фирмой Intel (США) был создан первый микропроцессор - программируемое логическое устройство, изготовленное по технологии СБИС (сверхбольших интегральных схем).

В 1964г. сотрудник Стэнфордского исследовательского центра Дуглас Энгельбарт продемонстрировал работу первой мыши-манипулятора, но только четыре года спустя мышка была показана на компьютерной конференции в Сан-Франциско. Первый персональный компьютер (ПК) в 1976г. выпустила фирма Apple; в СССР ПК появились в 1985г. [2]

Поколения ЭВМ

ЭВМ принято делить на поколения. Для компьютерной техники характерна прежде всего быстрота смены поколений - за её короткую историю развития уже успели смениться четыре поколения и сейчас мы работаем на компьютерах пятого поколения. Определяющими признаками при отнесении ЭВМ к тому или иному поколению являются их элементная база (из каких в основном элементов они построены), быстродействие, емкость памяти, способы управления и переработки информации.

I поколение (1950-1960-е годы)

Все ЭВМ I-го поколения функционировали на основе электронных вакуумных лампах (диодах и триодах) ламп, что делало их ненадежными - лампы приходилось часто менять, а в качестве оперативных запоминающих устройств использовались электронно-лучевые трубки, в качестве внешних запоминающих устройств применялись накопители на магнитных лентах, перфокартах, перфолентах и штекерные коммутаторы. Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами, которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства. Лампы потребляли огромное количество электроэнергии и выделяли много тепла. Программирование работы ЭВМ этого поколения выполнялось в двоичной системе счисления на машинном языке, то есть программы были жестко ориентированы на конкретную модель машины. Набор команд был небольшой, схема арифметико-логического устройства и устройства управления достаточно проста, программное обеспечение практически отсутствовало. Показатели объема оперативной памяти и быстродействия были низкими. Для ввода-вывода использовались перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства, оперативные запоминающие устройства были реализованы на основе ртутных линий задержки электроннолучевых трубок. Машины предназначались для решения сравнительно несложных научно-технических задач. Они были значительных размеров, потребляли большую мощность, имели невысокую надежность работы. Быстродействие их не превышало 2-3 тысяч операций в секунду, емкость оперативной памяти - 2048 машинных слов длиной 48 двоичных знаков. Использовались в основном для научных расчетов.

Эти неудобства начали преодолевать путем интенсивной разработки средств автоматизации программирования, создания систем обслуживающих программ, упрощающих работу на машине и увеличивающих эффективность её использования. Это, в свою очередь, потребовало значительных изменений в структуре компьютеров, направленных на то, чтобы приблизить её к требованиям, возникшим из опыта эксплуатации компьютеров. В конце этого периода стали выпускаться устройства памяти на магнитных сердечниках.

II поколение ЭВМ (1960-1970-е годы)

В 1958 г. в ЭВМ были применены полупроводниковые транзисторы, изобретённые в 1948 г. Уильямом Шокли, они были более надёжны, долговечны, малы, могли выполнить значительно более сложные вычисления, обладали большой оперативной памятью. 1 транзистор способен был заменить ~ 40 электронных ламп и работал с большей скоростью.

Во II-ом поколении компьютеров дискретные транзисторные логические элементы вытеснили электронные лампы. Создаются долговременные носители информации - магнитные ленты ("БЭСМ-6", "Минск-2","Урал-14") и магнитные сердечники, появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, магнитные барабаны и первые магнитные диски. Машины предназначались для решения различных трудоемких научно-технических задач, а также для управления технологическими процессами в производстве.

Появление полупроводниковых элементов в электронных схемах существенно увеличило емкость оперативной памяти, надежность и быстродействие ЭВМ. Уменьшились размеры, масса и потребляемая мощность.

Скорость ЭВМ возросла до сотен тысяч операций в секунду, а память - до десятков тысяч машинных слов.

В 1964 году появился первый монитор для компьютеров - IBM 2250. Это был монохромный дисплей с экраном 12 Ч 12 дюймов и разрешением 1024 Ч 1024 пикселей. Он имел частоту кадровой развертки 40 Гц.

В качестве программного обеспечения стали использовать языки программирования высокого уровня, такие как Фортран., были написаны специальные трансляторы с этих языков на язык машинных команд. Для ускорения вычислений в этих машинах было реализовано некоторое перекрытие команд: последующая команда начинала выполняться до окончания предыдущей.

Появился широкий набор библиотечных программ для решения разнообразных математических задач. Появились мониторные системы, управляющие режимом трансляции и исполнения программ. Из мониторных систем в дальнейшем выросли современные операционные системы.

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

III поколение ЭВМ (1970-1980-е годы)

В 1960 г. появились первые интегральные системы (ИС), которые получили широкое распространение в связи с малыми размерами, но громадными возможностями. ИС - это кремниевый кристалл, площадь которого примерно 10 мм 2. 1 ИС способна заменить десятки тысяч транзисторов. 1 кристалл выполняет такую же работу, как и 30-ти тонный "Эниак". А компьютер с использованием ИС достигает производительности в 10 млн. операций в секунду и памяти до сотен тысяч слов. Машины предназначались для широкого использования в различных областях науки и техники.

В 1964 году, фирма IBM объявила о создании шести моделей семейства IBM 360 (System 360), ставших первыми компьютерами третьего поколения.

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.

ЭВМ третьего поколения также характеризуется крупнейшими сдвигами в архитектуре ЭВМ, их программном обеспечении, организации взаимодействия человека с машиной. Это, прежде всего наличие развитой конфигурации внешних устройств (алфавитно-цифровые терминалы, графопостроители, магнитные диски (30 см в диаметре) и т.п.), Машины третьего поколения имеют развитые операционные системы. Они обладают возможностями мультипрограммирования, т.е. одновременного 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, ЕС 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. Ёмкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов.

В период машин третьего поколения произошел крупный сдвиг в области применения ЭВМ. Если раньше ЭВМ использовались в основном для научно-технических расчетов, то в 60-70-е годы первое место стала занимать обработка символьной информации, в основном экономической.

IV поколение (1980-1990-е годы)

Переход к машинам четвертого поколения - ЭВМ на больших интегральных схемах (БИС), которые по мощности примерно соответствовали 1000 ИС - происходил во второй половине 70-х годов и завершился приблизительно к 1980 г. Теперь на одном кристалле размером 1 см 2 стали размещаться сотни тысяч электронных элементов, что привело к снижению стоимости производства компьютеров. Скорость и объем памяти возросли в десятки тысяч раз по сравнению с машинами первого поколения и составили примерно 109 операций в секунду и 107 слов соответственно.

Наиболее крупным достижением, связанным с применением БИС, стало создание микропроцессоров. В 1980 г. центральный процессор небольшой ЭВМ оказалось возможным разместить на кристалле площадью 1/4 дюйма (0,635 см 2.). БИСы применялись уже в таких компьютерах, как "Иллиак", "Эльбрус", "Макинтош ". Быстродействие таких машин составляет тысячи миллионов операций в секунду. Емкость ОЗУ возросла до 500 млн. двоичных разрядов. В таких машинах одновременно выполняются несколько команд над несколькими наборами операндов. Благодаря созданию микропроцессоров удалось сконструировать микро-ЭВМ.

Если прежние поколения ЭВМ требовали для своего расположения специальных помещений, системы вентиляции, специального оборудования для электропитания, то требования, предъявляемые к эксплуатации микро-ЭВМ, ничем не отличаются от условий эксплуатации бытовых приборов. При этом они имеют достаточно высокую производительность, экономичны в эксплуатации и дешевы.

Микро-ЭВМ используются в измерительных комплексах, системах числового программного управления, в управляющих системах различного назначения.

C точки зрения структуры машины этого поколения представляют собой многопроцессорные и многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних устройств. Ёмкость оперативной памяти порядка 1 - 64 Мбайт.

Распространение персональных компьютеров к концу 70-х годов привело к некоторому снижению спроса на большие ЭВМ и мини-ЭВМ. Это стало предметом серьезного беспокойства фирмы IBM (International Business Machines Corporation) - ведущей компании по производству больших ЭВМ, и в 1979 г. фирма IBM решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров, создав первые персональные компьютеры- IBM PC.

Персональный Компьютер (ПК) - компьютер, специально созданный для работы в однопользовательском режиме. Появление персонального компьютера прямо связано с рождением микрокомпьютера. Очень часто термины "персональный компьютер" и "микрокомпьютер" используются как синонимы.

ПК - настольный или портативный компьютер, который использует микропроцессор в качестве единственного центрального процессора, выполняющего все логические и арифметические операции. Эти компьютеры относят к вычислительным машинам четвертого и пятого поколения. Помимо ноутбуков, к переносным микрокомпьютерам относят и карманные компьютеры - палмтопы. Основными признаками ПК являются шинная организация системы, высокая стандартизация аппаратных и программных средств, ориентация на широкий круг потребителей.

В период машин четвертого поколения стали также серийно производиться супер-ЭВМ. В нескольких серийных моделях была достигнута производительность свыше 1 млрд. операций в секунду.

К числу наиболее значительных разработок четвертого поколения относится ЭВМ "Крей-3".

Примером отечественной суперЭВМ является многопроцессорный вычислительный комплекс "Эльбрус".

V поколение (1990-настоящее время)

ЭВМ пятого поколения - это ЭВМ будущего. Программа разработки, так называемого, пятого поколения ЭВМ была принята в Японии в 1982 г. Предполагалось, что к 1991 г. будут созданы принципиально новые компьютеры, ориентированные на решение задач искусственного интеллекта. С помощью языка Пролог и новшеств в конструкции компьютеров планировалось вплотную подойти к решению одной из основных задач этой ветви компьютерной науки - задачи хранения и обработки знаний. Коротко говоря, для компьютеров пятого поколения не пришлось бы писать программ, а достаточно было бы объяснить на "естественном" языке, что от них требуется.

Предполагается, что их элементной базой будут служить не СБИС, а созданные на их базе устройства с элементами искусственного интеллекта. Для увеличения памяти и быстродействия будут использоваться достижения оптоэлектроники и биопроцессоры.

На ЭВМ пятого поколения ставятся совершенно другие задачи, нежели при разработке всех прежних ЭВМ. Если перед разработчиками ЭВМ с I по IV поколений стояли такие задачи, как увеличение производительности в области числовых расчётов, достижение большой ёмкости памяти, то основной задачей разработчиков ЭВМ V поколения является создание искусственного интеллекта машины (возможность делать логические выводы из представленных фактов), развитие "интеллектуализации" компьютеров - устранения барьера между человеком и компьютером.

К сожалению, японский проект ЭВМ пятого поколения повторил трагическую судьбу ранних исследований в области искусственного интеллекта. Более 50-ти миллиардов йен инвестиций были потрачены впустую, проект прекращен, а разработанные устройства по производительности оказались не выше массовых систем того времени. Однако, проведенные в ходе проекта исследования и накопленный опыт по методам представления знаний и параллельного логического вывода сильно помогли прогрессу в области систем искусственного интеллекта в целом.

Уже сейчас компьютеры способны воспринимать информацию с рукописного или печатного текста, с бланков, с человеческого голоса, узнавать пользователя по голосу, осуществлять перевод с одного языка на другой. Это позволяет общаться с компьютерами всем пользователям, даже тем, кто не имеет специальных знаний в этой области.

Многие успехи, которых достиг искусственный интеллект, используют в промышленности и деловом мире. Экспертные системы и нейронные сети эффективно используются для задач классификации (фильтрация СПАМа, категоризация текста и т.д.). Добросовестно служат человеку генетические алгоритмы (используются, например, для оптимизации портфелей в инвестиционной деятельности), робототехника (промышленность, производство, быт - везде она приложила свою кибернетическую руку), а также многоагентные системы. Не дремлют и другие направления искусственного интеллекта, например распределенное представление знаний и решение задач в интернете: благодаря им в ближайшие несколько лет можно ждать революции в целом ряде областей человеческой деятельности.

Заключение