Счетно-решающие устройства до появления ЭВМ

Счетно-решающие устройства до появления ЭВМ

 

История вычислений уходит глубокими  корнями в даль веков так же, как и развитие человечества. Накопление запасов, дележ добычи, обмен –  все подобные действия связаны со счетом. Для подсчетов люди использовали собственные пальцы, камешки, палочки, узелки и пр.

 

Потребность в поиске решений  все более и более сложных  задач и, как следствие, все более  сложных и длительных вычислений, поставила человека перед необходимостью находить способы, изобретать приспособления, которые смогли бы ему в этом помочь. Исторически сложилось так, что  в разных странах возникли собственные  денежные единицы, меры веса, длины, объемов, расстояния и т.п. Для перехода из одной системы измерений в  другую требовались вычисления, которые  чаще всего могли производить  лишь специально обученные люди, постигшие  логику математических действий. Их нередко  приглашали даже из других стран. И  совершенно естественно возникла потребность  в изобретении устройств, помогающих счету. Так постепенно стали появляться механические помощники. До наших дней дошли свидетельства о многих таких изобретениях,  навсегда вошедших в историю техники.

 

Одним из первых устройств (V-IV в. до н.э.), облегчавших вычисления, можно считать специальную доску, названную впоследствии «абак». Вычисления на ней производились перемещением костей или камушков в углублениях  досок из бронзы, камня, слоновой кости  и пр. Со временем эти доски стали  расчерчиваться на несколько полос  и колонок. В Греции абак существовал  уже в V веке до н.э., у японцев он назывался «серобян», у китайцев – «суан-пан».

 

В Древней Руси при счете  применялось устройство, похожее  на абак. Называлось оно «русский щот». В XVII веке этот прибор уже обрел вид  обычных русских счет, которые  можно кое-где встретить и сейчас.

 

В начале XVII столетия, когда  математика стала играть ключевую роль в науке, все острее ощущалась  необходимость в изобретении  счетной машины. В 1642 году 19-летний французский  математик Блез Паскаль сконструировал первую в мире механическую счетную  машину, известную как суммирующая  машина Паскаля (Паскалина). Эта машина считается первой вычислительной машиной. Машина Паскаля могла только складывать и вычитать.

 

В 1670 году немецкий математик  Готфрид Лейбниц дал первое описание своего арифметического инструмента  – первой счетной машины, которая  механически производила все  четыре арифметических действия. Окончательный  вариант завершен в 1710 году.

 

В течение следующих двухсот  лет было изобретено еще несколько  подобных устройств, которые из-за своих  недостатков, в том числе медлительности в работе, не получили широкого применения.

 

Следующий важный этап развития вычислительной техники приходится на 19 век. Это был век выдающихся изобретений. Одним из видных ученых того времени был англичанин Чарльз Бэббидж. Многие именно его считают  отцом современного компьютера. Ему  принадлежит изобретение первой программируемой вычислительной машины (1833-1871). Своё изобретение Бэббидж  назвал "Аналитической машиной". Эта машина предполагала в своём  устройстве три основные части:

 

·        "склад" для хранения чисел;

 

·        "фабрику" ("мельницу") для осуществления  операций над числами;

 

·        устройство управления операциями с помощью  перфокарт.

 

К сожалению, он так и не довел до конца создание работающей модели.

 

В это же время дочь Джорджа  Гордона Байрона леди Ада Лавлейс  разрабатывает первые программы  для машины Беббиджа, заложив многие идеи и введя ряд понятий и  терминов, сохранившихся до настоящего времени.

 

Русский математик и механик, автор многих работ по теории механизмов Пафнутий Львович Чебышев в 1878 году создает суммирующий аппарат, а  в 1881 году – приставку к нему для  умножения и деления (арифмометр).

 

Необходимость автоматизировать вычисления при переписи населения  в США подтолкнула Генриха  Холлерита к созданию в 1888 году табулятора, где информация, нанесенная на перфокарты, расшифровывалась электрическим током. Это устройство позволило обрабатывать данные переписи населения всего  за три года, вместо затрачиваемых  ранее восьми лет.  В 1924 году Холлерит основал фирму IBM для серийного  выпуска табуляторов.

 

Электронно-вычислительные устройства

 

Первые ЭВМ появились  в первой половине 20 века. Первая счетная  машина, которая появилась на пути создания электронных машин, была разработана  американским ученым Вагеневером Бушем  в 1930 году. (По этой причине некоторые  считают, что Буш является отцом  современного компьютера). Машина Буша была названа дифференциальным анализатором. Это была первая в мире ЭВМ. Машина Буша оказалась способной быстро решать сложные математические задачи. Она приводилась в действие электричеством, а для хранения информации в ней  использовались электронные лампы. Однако анализатор Буша фактически занимал  целую комнату.

 

В 1931 году французский инженер  Р.-Л. В. Валтат выдвигает идею использования  двоичной системы счисления при  создании вычислительных устройств.

 

В 1943 году под руководством Бистчли создаётся первый электронный  компьютер "Colossus-1".

 

Одной из следующих машин  стал автоматический последовательно  управляемый калькулятор, известный  под названием Марк 1. Он был изготовлен в 1944 году профессором Гарвардского Университета Айкеном. Она имела  громадные размеры: более 15 м в  длину и около 2,5 м в высоту и состояла более чем из 750 тысяч  деталей. Машина Марк 1 могла перемножать  два 23-разрядных числа за 4 секунды  и за один день выполняла расчеты, которые вручную могли быть выполнены  только за 6 месяцев.

 

В 1946 году группой инженеров  под руководством Джона Моучли и  Дж. Преспера Эккерта по заказу военного ведомства США был создан ЭНИАК. Он производил 5000 операций сложения или 300 операций умножения в секунду. Ёмкость памяти этой машины около 20 десятизначных чисел. По габаритам  ЭНИАК был еще более громадным, чем Марк 1: более 30 м в длину  и 85 м3  по занимаемому объему. Его  вес 30 т.

 

В 1948 году американский математик  Норберт Винер выпустил в свет книгу "Кибернетика или Управление и связь у животных", что  положило начало развитию теории автоматов  и становлению кибернетики –  науки об управлении и передаче информации.

 

Существенный вклад в  создание ЭВМ внес американский математик  Джон фон Нейман. Он предложил идею хранения программы в памяти машины. Первая ЭВМ с хранимой программой получила название EDSAC. Она была создана  в Кембриджском Университете в 1949 году.

 

После завершения работ над  ЭНИАКом Дж. Моучли и Дж. Преспер  Эккерт основали собственную компанию. В 1951 году сконструировали машину ЮНИВАК.

 

Развитие ЭВМ в России тесно связано с именем академика  С.А.Лебедева, под руководством которого были созданы первые ЭВМ: в 1951 году в  Киеве – МЭСМ и в 1952 году в Москве – БЭСМ.

 

Гигантские компьютеры 40-50-х  годов составили первое поколение  машин.

 

Под поколением ЭВМ понимают все типы и модели электронно-вычислительных машин, разработанные различными конструкторскими коллективами, но построенные на одних  и тех же научных и технических  принципах. Каждое следующее поколение  отличалось новыми электронными элементами, технология изготовления которых была принципиально другой. Приведем краткую  характеристику каждого поколения.

 

Краткая характеристика поколений  ЭВМ

 

Первое поколение (1946- середина 50-х годов)

 

Элементная база: электронно-вакуумные  лампы, резисторы, конденсаторы. Соединение элементов – навесной монтаж проводами.

 

Габариты: ЭВМ выполнена  в виде громоздких шкафов и занимает специальный машинный зал. Быстродействие: 10-20 тыс. операций в секунду.

 

Эксплуатация слишком  сложна из-за частого выхода из строя. Существует опасность перегрева  ЭВМ

 

Программирование: трудоемкий процесс в машинных кодах. При  этом необходимо знать все команды  машины, их двоичное представление, а  также различные структуры ЭВМ. Этим в основном были заняты математики-программисты, которые непосредственно и работали у пульта управления. Общение с  ЭВМ требовало от специалистов высокого профессионализма.

 

Второе поколение пришлось на период от конца 50-х до конца 60-х  годов. Характерные черты ЭВМ  второго поколения:

 

Элементная база: полупроводниковые  элементы (транзисторы, диоды), а также  резисторы и конденсаторы более  совершенной конструкции. Соединение элементов – печатные платы и  навесной монтаж.

 

Габариты: ЭВМ выполнены  в виде однотипных стоек чуть выше человеческого роста. Для их размещения требуется специально оборудованный  машинный зал, в котором под полом  прокладываются кабели, соединяющие  между собой многочисленные автономные устройства.

 

Производительность: до 1 млн. оп/с.

 

Эксплуатация: упростилась. Появились вычислительные центры с  большим штатом обслуживающего персонала, где устанавливались обычно несколько  таких ЭВМ.

 

Программирование: существенно  изменилось, т.к. велось преимущественно  на алгоритмических языках.

 

Третье поколение ЭВМ  (60-е – 70-е года).

 

Элементная база: интегральные схемы, которые вставляются в  специальные гнезда на печатной плате. Такие схемы могут содержать  десятки, сотни и даже тысячи транзисторов и других элементов.

 

Габариты: большие ЭВМ  внешне схожи с ЭВМ второго  поколения, малые ЭВМ – это  в основном две стойки приблизительно в полтора человеческих роста, дисплей.

 

Производительность: сотни  тысяч – миллионы операций  в  секунду.

 

Произошли изменения в  структуре ЭВМ. Наряду с микропрограммным способом управления, используются принципы модульности и магистральности. Принцип модульности проявляется  в построении компьютера на основе набора модулей – конструктивно  и функционально законченных  электронных блоков в стандартном  исполнении. Под магистральностью понимается способ связи между модулями компьютера, т.е. все входные и выходные устройства подсоединены одними и теми же проводами (шинами).

 

Увеличился объем памяти. Магнитный барабан  постепенно вытесняется  магнитными дисками. Появились дисплеи, графопостроители.

 

Новые технологии создания интегральных схем позволили разработать в  конце 70-х – начале 80-х годов  ЭВМ четвертого поколения на больших  интегральных схемах (БИС). Наиболее крупным  сдвигом в электронно-вычислительной технике,  связанным с применением  БИС, стало создание микропроцессоров. Первый микропроцессор был создан фирмой Intel в 1971 году. На одном кристалле  удалось сформировать минимальный  по составу аппаратуры процессор, содержащий 2250 транзисторов.

 

С появлением  микропроцессора  связано одно из важнейших событий  в истории вычислительной техники  – создание и применение персональных ЭВМ, что даже повлияло на терминологию. Постепенно столь прочно укоренившееся  название ЭВМ сейчас заменилось на всем привычное слово – компьютер, а соответствующая техника, прежде называемая вычислительной, стала именоваться  компьютерной.

 

Компьютеры стали развиваться  в двух направлениях. Первое – создание многопроцессорных вычислительных  систем. Второе – создание дешевых  персональных компьютеров, как настольных, так и переносных, а на их основе – компьютерных сетей.