История вычислительной техники

Механический этап развития вычислительной техники

Первые устройства для счёта

В настоящее времявычислительная техника уже настолько вошла в нашу повседневную жизнь, что уже трудно поверить, что человек как- то обходился без неё. А ведь обходился. Хотя попатки хоть как-то автоматизировать вычисления предпринимались с незапамятных времен.

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.

Развитие механики в 17 в. стало предпосылкой создания вычислительных устройств и приборов, использующих механический принцип вычислений. Такие устройства строились на механических элементах и обеспечивали автоматический перенос старшего разряда.

Первая механическая машина была описана в 1623 г. В. Шиккардом, реализована в единственном экземпляре и предназначалась для выполнения четырех арифметических операций над 6-разрядными числами.

Машина Шиккарда состояла из трех независимых устройств: суммирующего, множительного и записи чисел.

 Сложение производилось последовательным вводом слагаемых посредством наборных дисков, а вычитание - последовательным вводом уменьшаемого и вычитаемого.

Вводимые числа и результат сложения/вычитания отображались в окошках считывания. Для выполнения операции умножения использовалась идея умножения решеткой. Третья часть машины использовалась для записи числа длиною не более 6 разрядов. Использованная принципиальная схема машины Шиккарда явилась классической - она (или ее модификации) использовалась в большинстве последующих механических счетных машин вплоть до замены механических деталей электромагнитными. Однако, из-за недостаточной известности машина Шиккарда и принципы ее работы не оказали существенного влияния на дальнейшее развитие ВТ, но она по праву открывает эру механической вычислительной техники.

Паскалина Блеза Паскаля

Паскалина

За этим в 1642 году последовала машина французского математика Блеза Паскаля (Blaise Pascal, 19.06.1623—19.08.1662 гг.) – «Паскалина», созданная для помощи отцу, занимавшемуся сбором налогов. Этот пятиразрядный механизм (впоследствии ученый создал и восьмиразрядный вариант) использовал методику вычисления “компьютера” Шикарда, но в отличие от него не мог производить операцию вычитания и был менее надежен.

Паскалю пришлось столкнуться с большими техническими проблемами (деление на 240) из-за сложностей трехступенчатой французской денежной системы: 12 дене = 1 су; 20 су = 1 ливр (во Франции её отменили в 1799 г., но в Англии подобная система существовала до 1971 г.).

В машине Б. Паскаля использовалась более сложная схема переноса старших разрядов, в дальнейшем редко используемая; но построенная в 1642 г. первая действующая модель машины, а затем серия из 50 машин способствовали достаточно широкой известности изобретения и формированию общественного мнения о возможности авто-матизации умственного труда. До нашего времени дошло только 8 машин Паскаля, из которых одна является 10-разрядной. Именно машина Паскаля положила начало механического этапа развития ВТ.

Первый арифмометр, позволяющий производить все четыре арифметических операции, был создан Г. Лейбницем в результате многолетнего труда.

В 1674 году немецкий ученый Лейбниц изобрел счетную машину-арифмометр. Она выполняла 4 арифметических действия:сложение, умножение, деление, извлечение квадратного корня. По сравнению с машиной Паскаля было создано принципиально новое вычислительное устройство,существенно ускоряющее выполнение операций умножения и деления.

Полученная в результате напряженного поиска 8-разрядная модель могла складывать, вычитать, умножать, делить, возводить в степень. Результат умножения и деления имел 16 знаков. Лейбниц применил в своем арифмометре такие конструктивные элементы, которые использовались при проектировании новых моделей вплоть до ХХ века. В XVII-XVIII вв. сколько-нибудь значительной практической потребности в механизации вычислительных работ не существовало. Интерес к механизации вычислений был вызван, в частности, общефилософскими и общенаучными установками того времени, когда законы и принципы механики рассматривались как общие законы бытия. В XIX в. в связи с развитием промышленной революции, возникает потребность в механизации конторских работ.

Однако арифмометр Лейбница не получил распространения по двум основным причинам: отсутствие на него устойчивого спроса и конструкционной неточности, сказывающейся при перемножении предельных для него чисел.

В 17-18 в.в. был предложен целый ряд вычислительных инструментов по образцу Паскаля и Лейбница. Пионером серийного изготовления счетных машин стал эльзасец Шарль-Ксавье Тома де Кольмар (Charles-Xavier Thomas de Colmar, 1785–1870). Введя в модель Лейбница ряд эксплуатационных усовершенствований, он в 1821 году начинает выпускать в своей парижской мастерской 16-разрядные арифмометры, которые получают известность как «томас-машины». На первых порах они стоили недешево — 400 франков. И выпускались в не столь уж и больших количествах — до 100 экземпляров в год.

Арифмометр Томаса

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. Принципиальное конструктивное отличие арифмометра К. Томаса от машины Лейбница заключалось в том, что счетный механизм стал располагаться на подвижной каретке, а установочный – на неподвижной части. Наряду со многими достоинствами выделялись недостатки: отсутствие механизма, регулирующего передвижение каретки, неудобное устройство переключения арифметических действий, горизонтальное расположение рабочей панели.

 1821 г. – рождается счетное машиностроение: в собственных мастерских в Париже Томас начинает производство арифмометров. В первый год было изготовлено 15 машин, а затем ежегодно выпускалось до 100 экземпляров.

Термин “арифмометр“, предложенный Томасом, прочно утвердился в счетной технике: все машины, выполняющие четыре действия, было принято называть арифмометрами.

Машина Морленда

Машина Морленда

Заметный вклад в развитие вычислительной техники внес англичанин сэр Самуэль Морленд (Sir Samuel Morland, 1625-1695), представивший в 1666 году суммирующее и множительное устройство Морлэнда. Вводить данные предлагалось не с клавиатуры, а с некоего подобия наборных дисков.

Прибор ориентирован на денежные подсчеты: шесть счетчиков предназначены для подсчета единиц, десятков сотен и т. д. фунтов стерлингов, а три счетчика – для подсчета шиллингов, пенсов и фартингов. В каждом разряде подсчеты ведутся независимо, а результаты (по данным счетчиков оборотов) потом переносятся в старший разряд.

История вычислительной техники

Электронный этап

(со второй половины 40-х годов ХХ в.)

Электронный этап (создание ЭВМ) начинается с созданием в 1945г. в США электронной вычислительной машины ENIAK. В истории развития ЭВМ 5 поколений, которые отличаются в элементарной базе, логической архитектуре и программном обеспечении, различаются по быстродействию, оперативной памяти, способам ввода и вывода информации.

Электронный этап можно разделить на Поколения ЭВМ:

I поколение ЭВМ (1950-1960)

Машины строились на электровакуумных лампах. Электронные лампы устанавливались на специальные шасси, и общее количество таких ламп составляло около 20000. ЭВМ была сконструирована в виде громадных шкафов, которые занимали огромный зал и потребляли большое количество электроэнергии. Обслуживание ЭВМ требовало от персонала высокого профессионализма.

Электронная база: электровакуумные лампы, резисторы, конденсаторы, реле. Быстродействие – в пределах 5-30 тыс. арифметических оп/с. Носителями информации были перфокарты и перфоленты.

ЭВМ отличались невысокой надежностью, требовали систем охлаждения и имели значительные габариты. Процесс программирования требовал значительного искусства, хорошего знания архитектуры ЭВМ и ее программных возможностей. На первых порах данного этапа использовалось программирование в кодах ЭВМ (машинный код), затем появились автокоды и ассемблеры. Как правило, ЭВМ первого поколения использовались для научно-технических расчетов, а сам процесс программирования больше напоминал искусство, которым занимался весьма узкий круг математиков, инженеров-электриков и физиков.

ЭВМ EDSAC, 1949 г.

В 1948 г. академик Сергей Алексеевич Лебедев предложил проект первой на континенте Европы ЭВМ – Малой электронной счетно-решающей машины (МЭСМ). В   1951 г. МЭСМ официально вводится в эксплуатацию, на ней регулярно решаются вычислительные задачи. Машина оперировала с 2 разрядными двоичными кодами с быстродействием 50 операций в секунду, имела оперативную память 100 ячеек на электронных лампах. Она имеет около 6000 электровакуумных ламп (около 3500 триодов и 2500 диодов), занимает площадь 60 м², потребляет мощность около 25 кВт.

Сергей Алексеевич Лебедев – основоположник компьютерной техники в СССР. Под его руководством были созданы 15 типов ЭВМ, начиная с ламповых, заканчивая современными суперкомпьютерами на интегральных схемах.

II поколение ЭВМ (1960-1970)

Следующим крупным шагом в истории компьютерной техники стало изобретение транзисторов в 1947 г. Они стали заменой хрупким и энергоемким лампам. О компьютерах на транзисторах обычно говорят как о «втором поколении». Благодаря транзисторам и печатным платам, было достигнуто значительное уменьшение размеров и объемов потребляемой энергии, а также повышение надежности. Быстродействие от сотен тысяч до миллионов операций в секунду.

Сама ЭВМ представляла собой от 8 до 10 однотипных стоек выше человеческого роста. Размещались также в машинном зале. Появляются вычислительные центры, где происходила централизованная обработка данных. Элементная база: полупроводниковые элементы, печатные платы, навесной монтаж. Носителями информации были магнитные ленты.

В СССР в 1967 г. вступила в строй наиболее мощная в Европе ЭВМ второго поколения БЭСМ-6 (Большая Электронная Счетная Машина), которая могла выполнять        1 миллион операций в секунду. В БЭСМ-6 использовалось 260 тыс. транзисторов, устройства внешней памяти на магнитных лентах для хранения программ и данных, а также алфавитно-цифровые печатающие устройства для вывода результатов вычислений.

Работа программистов значительно упростилась, так как стала проводиться с использованием языков программирования высокого уровня (Алгол, Бейсик и др.). 

III поколение ЭВМ (1970-1980)

Начало III поколению вычислительных машин положило изобретение в 1960 г. 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 интегральной схеме (маленькой полупроводниковой пластине) могут быть плотно упакованы тысячи транзисторов, каждый из которых имеет размеры, сравнимые с толщиной человеческого волоса. Интегральные схемы (ИС) вставляются в специальные гнезда на печатной плате. ИС – это кремниевый кристалл, площадь которог примерно 10 мм². Миникомпьютеры на интегральных схемах отличаются большей надежностью и малыми размерами. Быстродействие от сотен тысяч до миллиона оп/с. Носитель информации – гибкий диск.

В вычислительных машинах третьего поколения появилось эффективное видеотерминальное устройство общения оператора с машиной – видеомонитор, или дисплей. В 1969 г. зародилась первая глобальная компьютерная сеть – зародыш того, что мы сейчас называем Интернетом.

IV поколение ЭВМ (1970-1980)

Характеризуется всевозможными изменениями в структуре ПК. Создаются большие интегральные схемы (БИС), появляется микропроцессор. В то же время появляется термин – компьютер, который полностью вытеснил термин ЭВМ. Вычислительные системы на больших интегральных системах (БИС) имеют большой объем памяти, позволяют подключать большое количество устройств ввода и вывода информации. Для ввода данных и команд используется клавиатура. Микропроцессор, разработанный в 1971 г., позволил создать центральный процессор на одном чипе. Быстродействие таких машин составляет тысячи миллионов операций в секунду. Носитель информации – лазерный диск.

История создания первого IBM PC, положившего начало семейству наиболее распространенных современных компьютеров, началась в июле 1980 г. и была завершена 12 августа 1981 г. представлением модели IBM 5150. Очень большую роль в развитии компьютеров сыграли две ныне гигантские фирмы Microsoft и Intel.