История технологий и поколений ЭВМ

История технологий и поколений  ЭВМ 

Механические  предпосылки 

Начало развития технологий принято считать с  Блеза Паскаля, который в 1642г. изобрел  устройство, механически выполняющее  сложение чисел. Его машина предназначалась  для работы с 6-8 разрядными числами и могла только складывать и вычитать, а также имела лучший, чем все до этого, способ фиксации результата. Машина Паскаля имела размеры 36х13х8 сантиметров, этот небольшой латунный ящичек было удобно носить с собой. Инженерные идеи Паскаля оказали огромное влияние на многие другие изобретения в области вычислительной техники. 

Следующего этапного результата добился выдающийся немецкий математик и философ Готфрид  Вильгельм Лейбниц, высказавший  в 1672 году идею механического умножения  без последовательного сложения. Уже через год он представил машину, которая позволяла механически выполнять четыре арифметических действия, в Парижскую академию. Машина Лейбница требовала для установки специального стола, так как имела внушительные размеры: 100х30х20 сантиметров. 

В 1812 году английский математик Чарльз Бэббидж начал  работать над так называемой разностной машиной, которая должна была вычислять  любые функции, в том числе  и тригонометрические, а также  составлять таблицы. Свою первую разностную машину Бэббидж построил в 1822 году и рассчитывал на ней таблицу квадратов, таблицу значений функции y=x2+x+41 и ряд других таблиц. Однако из-за нехватки средств эта машина не была закончена, и сдана в музей Королевского колледжа в Лондоне, где хранится и по сей день. Однако эта неудача не остановила Бэббиджа, и в 1834 году он приступил к новому проекту – созданию Аналитической машины, которая должна была выполнять вычисления без участия человека. С 1842 по 1848 год Бэббидж упорно работал, расходуя собственные средства. К сожалению, он не смог довести до конца работу по созданию Аналитической машины – она оказалась слишком сложной для техники того времени. Но заслуга Бэббиджа в том, что он впервые предложил и частично реализовал, идею программно-управляемых вычислений. Именно Аналитическая машина по своей сути явилась прототипом современного компьютера. Эта идея и ее инженерная детализация опередили время на 100 лет! 

Уроженец Эльзаса  Карл Томас, основатель и директор двух парижских страховых обществ  в 1818 году сконструировал счетную машину, уделив основное внимание технологичности механизма, и назвал ее арифмометром. Уже через три года в мастерских Томаса было изготовлено 16 арифмометров, а затем и еще больше. Таким образом, Томас положил начало счетному машиностроению. Его арифмометры выпускали в течение ста лет, постоянно совершенствуя и меняя время от времени названия. 

Начиная с XIX века, арифмометры получили очень широкое  применение. На них выполнялись даже очень сложные расчеты, например, расчеты баллистических таблиц для артиллерийских стрельб. Существовала даже особая профессия – счетчик – человек, работающий с арифмометром, быстро и точно соблюдающий определенную последовательность инструкций (такую последовательность действий впоследствии стали называть программой). Но многие расчеты производились очень медленно, т.к. при таких расчетах выбор выполняемых действий и запись результатов производились человеком, а скорость его работы весьма ограничена. Первые арифмометры были дороги, ненадежны, сложны в ремонте и громоздки. Поэтому в России стали приспосабливать к более сложным вычислениям счеты. Например, в 1828 году генерал-майор Ф.М.Свободской выставил на обозрение оригинальный прибор, состоящий из множества счетов, соединенных в общей раме. Основным условием, позволявшим быстро вычислять, было строгое соблюдение небольшого числа единообразных правил. Все операции сводились к действиям сложения и вычитания. Таким образом, прибор воплощал в себе идею алгоритмичности. 

Пожалуй, одно из последних принципиальных изобретений  в механической счетной технике было сделано жителем Петербурга Вильгодтом Однером. Построенный Однером в 1890 году арифмометр фактически ничем не отличается от современных подобных ему машин. Почти сразу Однер с компаньоном наладил и выпуск своих арифмометров - по 500 штук в год. К 1914 году в одной только России насчитывалось более 22 тысяч арифмометров Однера. В первой четверти XX века эти арифмометры были единственными математическими машинами, широко применявшимися в различных областях деятельности человека. В России эти громко лязгающие во время работы машинки получили прозвище «Железный Феликс». Ими были оснащены практически все конторы. 

Электромеханические вычислительные машины 

В первые десятилетия XX века конструкторы обратили внимание на возможность применения в счетных устройствах новых элементов – электромагнитных реле. В 1941 году немецкий инженер Конрад Цузе, построил вычислительное устройство, работающее на таких реле. 

Почти одновременно, в 1943 году, американец Говард Эйкен  с помощью работ Бэббиджа на основе техники XX века – электромеханических реле – смог построить на одном из предприятий фирмы IBM легендарный гарвардский «Марк-1» (а позднее еще и «Марк-2»). «Марк-1» имел в длину 15 метров и в высоту 2,5 метра, содержал 800 тысяч деталей, располагал 60 регистрами для констант, 72 запоминающими регистрами для сложения, центральным блоком умножения и деления, мог вычислять элементарные трансцендентные функции. Машина работала с 23-значными десятичными числами и выполняла операции сложения за 0,3 секунды, а умножения – за 3 секунды. Однако Эйкен сделал две ошибки: первая состояла в том, что обе эти машины были скорее электромеханическими, чем электронными; вторая – то, что Эйкен не придерживался той концепции, что программы должны храниться в памяти компьютера как и полученные данные. 

Примерно в  то же время в Англии начала работать первая вычислительная машина на реле, которая использовалась для расшифровки  сообщений, передававшихся немецким кодированным передатчиком. К середине XX века потребность в автоматизации вычислений (в том числе для военных нужд – баллистики, криптографии и т.д.) стала настолько велика, что над созданием машин, подобных "Марк-1" и "Марк-2" работало несколько групп исследователей в разных странах. 

Работа по созданию первой электронно вычислительной машины была начата, по-видимому, в 1937 году в США профессором Джоном Атанасовым, болгарином по происхождению. Эта машина была специализированной и предназначалась для решения задач математической физики. В ходе разработок Атанасов создал и запатентовал первые электронные устройства, которые впоследствии применялись довольно широко в первых компьютерах. Полностью проект Атанасова не был завершен, однако через три десятка лет в результате судебного разбирательства профессора признали родоначальником электронной вычислительной техники. 

Электронные лампы 

В 1883 году Томас  Эдисон, пытаясь продлить срок службы лампы с угольной нитью, ввел в  ее вакуумный баллон платиновый электрод и пропустил через него положительное  напряжение. Заметив, что в вакууме между электродом и нитью протекает ток он не смог найти никакого объяснения столь необычному явлению. Эдисон ограничился тем, что подробно описал его, на всякий случай взял патент и отправил лампу на Филадельфийскую выставку. Американский изобретатель не распознал открытия исключительной важности – термоэлектронная эмиссия. Он не понял, что его лампа накаливания с платиновым электродом по существу была первой в мире электронной лампой. 

Первым, кому пришла в голову мысль о практическом использовании «эффекта Эдисона» был английский физик Дж.А. Флеминг (1849 – 1945). Работая с 1882 года консультантом эдисоновской компании в Лондоне, он узнал о «явлении» от самого Эдисона. Свой диод – двухэлектродную лампу Флейминг создал в 1904 году. 

В октябре 1906 года американский инженер Ли де Форест изобрёл электронную лампу – усилитель, или аудион, как он её тогда назвал, имевший третий электрод – сетку. Им был введён принцип, на основе которого строились все дальнейшие электронные лампы, – управление током, протекающим между анодом и катодом, с помощью других вспомогательных элементов. 

В 1910 году немецкий инженеры Либен, Рейнс и Штраус сконструировали  триод, сетка в котором выполнялась  в форме перфорированного листа  алюминия и помещалась в центре баллона, а чтобы увеличить эмиссионный ток, они предложили покрыть нить накала слоем окиси бария или кальция. 

В 1911 году американский физик Ч. Д. Кулидж предложил применить  в качестве покрытия вольфрамовой нити накала окись тория – оксидный катод – и получил вольфрамовую проволоку, которая произвела переворот в ламповой промышленности.  

В 1915 году американский физик Ирвинг Ленгмюр сконструировал двухэлектронную лампу – кенотрон, применяемую в качестве выпрямительной лампы в источниках питания. В 1916 году ламповая промышленность стала выпускать особый тип конструкции ламп – генераторные лампы с водяным охлаждением. 

Идея лампы  с двумя сетками – тетрода  была высказана в 1919 году немецким физиком  Вальтером Шоттки и независимо от него в 1923 году – американцем Э. У. Халлом, а реализована эта идея англичанином Х. Дж. Раундом во второй половине 20-х годов. 

В 1929 году голландские  учёные Г. Хольст и Б. Теллеген создали  электронную лампу с 3-мя сетками  – пентод. В 1932 году был создан гептод, в 1933 – гексод и пентагрид, в 1935 году появились лампы в металлических корпусах. Дальнейшее развитие электронных ламп, улучшение их характеристик и функциональных возможностей привело к созданию на их основе совершенно новых электронных приборов. 

ЭВМ 1-ого поколения. Эниак (ENIAC) 

Начиная с 1943 года группа специалистов под руководством Говарда Эйкена, Дж. Моучли и П. Эккерта  в США начала конструировать вычислительную машину на основе электронных ламп, а не на электромагнитных реле. Эта  машина была названа ENIAC (Electronic Numeral Integrator And Computer) и работала она в тысячу раз быстрее, чем «Марк-1». ENIAC содержал 18 тысяч вакуумных ламп, занимал площадь 9´15 метров, весил 30 тонн и потреблял мощность 150 киловатт. ENIAC имел и существенный недостаток – управление им осуществлялось с помощью коммутационной панели, у него отсутствовала память, и для того чтобы задать программу приходилось в течение нескольких часов или даже дней подсоединять нужным образом провода. Худшим из всех недостатков была ужасающая ненадежность компьютера, так как за день работы успевало выйти из строя около десятка вакуумных ламп. 

Чтобы упростить  процесс задания программ, Моучли и Эккерт стали конструировать новую  машину, которая могла бы хранить  программу в своей памяти. В 1945 году к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман, который подготовил доклад об этой машине. В этом докладе фон Нейман ясно и просто сформулировал общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств, т.е. компьютеров. Это первая действующая машина, построенная на вакуумных лампах, официально была введена в эксплуатацию 15 февраля 1946 года. Эту машину пытались использовать для решения некоторых задач, подготовленных фон Нейманом и связанных с проектом атомной бомбы. Затем она была перевезена на Абердинский полигон, где работала до 1955 года. 

ENIAC стал первым  представителем 1-го поколения компьютеров.  Любая классификация условна,  но большинство специалистов  согласилось с тем, что различать  поколения следует исходя из  той элементной базы, на основе которой строятся машины. Таким образом, первое поколение представляется ламповыми машинами. 

Устройство и  работа компьютера по «принципу фон  Неймана» 

Необходимо отметить огромную роль американского математика фон Неймана в становлении  техники первого поколения. Нужно было осмыслить сильные и слабые стороны ENIAC и дать рекомендации для последующих разработок. В отчете фон Неймана и его коллег Г. Голдстайна и А.Беркса (июнь 1946 года) были четко сформулированы требования к структуре компьютеров. Отметим важнейшие из них: 

машины на электронных  элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления; 

программа, как  и исходные данные, должна размещаться  в памяти машины; 

программа, как  и числа, должна записываться в двоичном коде; 

трудности физической реализации запоминающего устройства, быстродействие которого соответствует  скорости работы логических схем, требуют  иерархической организации памяти (то есть выделения оперативной, промежуточной  и долговременной памяти); 

арифметическое устройство (процессор) конструируется на основе схем, выполняющих операцию сложения; создание специальных устройств для выполнения других арифметических и иных операций нецелесообразно; 

в машине используется параллельный принцип организации  вычислительного процесса (операции над числами производятся одновременно по всем разрядам). 

Практически все  рекомендации фон Неймана впоследствии использовались в машинах первых трех поколений, их совокупность получила название «архитектура фон Неймана». Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 году английским исследователем Морисом Уилксом. С той поры компьютеры стали гораздо более мощными, но подавляющее большинство из них сделано в соответствии с теми принципами, которые изложил в своем докладе в 1945 года Джон фон Нейман. 

Новые машины первого  поколения сменяли друг друга  довольно быстро. В 1951 году заработала первая советская электронная вычислительная машина МЭСМ, площадью около 50 квадратных метров. МЭСМ имела 2 вида памяти: оперативное запоминающее устройство, в виде 4 панелей высотой в 3 метра и шириной 1 метр; и долговременная память в виде магнитного барабана объемом 5000 чисел. Всего в МЭСМ было 6000 электронных ламп, а работать с ними можно было только после 1,5-2 часов после включения машины. Ввод данных осуществлялся с помощью магнитной ленты, а вывод – цифропечатающим устройством сопряженным с памятью. МЭСМ могла выполнять 50 математических операций в секунду, запоминать в оперативной памяти 31 число и 63 команды (всего было 12 различных команд), и потребляла мощность равную 25 киловаттам.