Краткая история вычислительной техники

Начальный этап развития ЭВМ

Все началось с идеи научить машину считать или хотя бы складывать многоразрядные целые числа. Еще около 1500г. великий деятель эпохи просвещения Леонардо да Винчи разработал эскиз 13-разрядного суммирующего устройства – до нас дошедшая первая попытка решить данную задачу.

Первую действующую 8-разрядную суммирующую машину построил в 1642г. Блез Паскаль – знаменитый французский физик, математик, инженер.

Спустя 250 лет было создано устройство, нашедшее широкое применение на практике - арифмометр. Еще в 70-х годах нашего века на полках магазинов стояли механические арифмометры и их «ближайшие родственники», снабженные электрическим приводом – электромеханические клавишные вычислительные машины. Они довольно долго соседствовали с техникой совершенно иного уровня – автоматическими цифровыми вычислительными машинами (АЦВМ). История АЦВМ связана с именем замечательного английского математика и инженера Чарльза Бэббиджа. Им в 1822г. была сконструирована и почти 30 лет строилась и совершенствовалась «аналитическая» машина. В нее были заложены принципы, ставшие фундаментальными для ВТ:

а ) автоматическое выполнение операций – для выполнения расчетов большого объема существенно не только то, как быстро выполняется отдельная арифметическая операция, но и то, чтобы между операциями не было «зазоров», требующих непосредственного человеческого вмешательства. Например, большинство современных калькуляторов не удовлетворяют этому условию, хотя каждое доступное им действие выполняется быстро.

б) работа по вводимой «на ходу» программе – для автоматического выполнения операций программа должна вводиться в исполнительное устройство со скоростью, соизмеримой со скоростью выполнения операций. Бэббидж предложил использовать для предварительной записи программ и ввода их в машину перфокарты, которые к тому времени применялись для управления ткацкими станками.

в) необходимость специального устройства – памяти – для хранения данных (Ч.Бэббидж назвал его «складом»).

Эти революционные идеи натолкнулись на невозможность их реализации на основе механической техники, ведь до появления первого электромотора оставалось почти полвека, а первой электронной радиолампы – почти век! Они настолько опередили свое время, что были в значительной мере забыты и переоткрыты в следующем столетии.

Впервые автоматические действующие вычислительные устройства появились в середине 20 века. Это стало возможным благодаря использованию наряду с механическими конструкциями электромеханических реле. Работы над релейными машинами начались в 30-годы и продолжались до 1944г., когда под руководством американского математика и физика - на фирме IBM (International Business Machines) была запущена машина «Марк1», впервые реализовавшая идеи Бэббиджа (хотя разработчики, по-видимому, не были с ними знакомы). Для представления чисел в ней были использованы механические элементы (счетные колеса), для управления – электромеханические. Одна из самых мощных релейных машин РВМ-1 была построена в начале 50-х годов в СССР под руководством Н.И.Бессонова, она выполняла до 20 умножений в секунду с достаточно длинными двоичными числами.

Однако появление релейных машин безнадежно запоздало и они были очень быстро вытеснены электронными, гораздо более производительными и надежными.

Начало современной истории ЭВМ

Подлинная революция в вычислительной технике (ВТ) произошла в связи с применением электронных устройств. Работа над ними началась в конце 30-х годов одновременно в США, Германии, Великобритании и СССР.

Первой действующей ЭВМ стала ENIAC (США, 1945−1946гг.) Ее название по первым буквам соответствующих английских слов означает «электронно-числовой интегратор и вычислитель». Машина содержала порядка 18 тысяч электронных ламп, множество электромеханических элементов. Ее энергопотребление равнялось 150 кВт, что вполне достаточно для обеспечения небольшого завода.

Практически одновременно велись работы над созданием ЭВМ в Великобритании. С ними связано, прежде всего, имя Алана Тьюринга – математика, внесшего также большой вклад в теорию алгоритмов и теорию кодирования. В 1944г. в Великобритании была запущена машина «Колосс». Эти и ряд других первых ЭВМ не имели, важнейшего с точки зрения, конструкторов последующих компьютеров, качества – программа не хранилась в памяти машины, а набиралась достаточно сложным образом с помощью внешних коммутирующих устройств.

Огромный вклад в теорию и практику создания электронно-вычислительной техники на начальном этапе ее развития внес один из крупнейших американских математиков Джон фон Нейман. В историю науки навсегда вошли «принципы фон Неймана». Совокупность этих принципов породила классическую (фон-неймановскую) архитектуру ЭВМ. Один из важнейших принципов - принцип хранимой программы требует, чтобы программа закладывалась в память машины так же, как в нее закладывается исходная информация. Первая ЭВМ с хранимой программой (EDSAC) была построена в Великобритании в 1949г.

В нашей стране вплоть до 70-годов создание ЭВМ велось почти полностью самостоятельно и независимо от внешнего мира. Первая отечественная ЭВМ – МЭСМ (малая электронно-счетная машина) была создана в 1951г. под руководством С.А.Лебедева, крупнейшего советского конструктора вычислительной техники. Одной из лучших в мире для своего времени была БЭСМ - большая электронно-счетная машина, на основе которой велись космические и научно-технические исследования. Кроме машин серии БЭСМ выпускались ЭВМ и других серий: «Минск», «Урал», «Мир» и др.

С началом серийного выпуска ЭВМ начали условно делить по поколениям. В истории вычислительной техники существует своеобразная периодизация ЭВМ по поколениям. В ее основу первоначально был положен физико-технологический принцип: машину относят к тому или иному поколению в зависимости от используемых в ней физических элементов или технологии их изготовления. В настоящее время это принцип не является единственным при определении принадлежности той или иной машины к поколению. Необходимо учитывать и уровень программного обеспечения, и быстродействие, и другие факторы, основные из которых приведены в табл.1.

Поколения электронно-вычислительных машин

Таблица 1

Показатель	Поколения ЭВМ
Первое 1951-1954	Второе 1958-1960	Третье 1965-1966	Четвертое А (1976-1979) Б (1985-?)	Пятое
Элементная база процессора	Электрон-ные лампы	Транзисторы	Интегральные схемы (ИС)	Большие ИС (БИС)	Сверхбольшие ИС (СБИС)	Оптоэлектро-ника Криоэлектро-ника
Элементная база ОЗУ	Электронно-лучевые трубки	Ферритовые сердечники	Ферритовые сердечники	БИС	СБИС	СБИС
Максимальная емкость ОЗУ, байт	102	103	104	105	107	108(?)
Максимальное быстродей-ствие процессора	104	106	107	108	109 + многопро- цессорность	1012 + многопро- цессорность
Языки программи-рования	Машинный код	Ассемблер	Процедурные языки высокого уровня	Новые процедур-ные ЯВУ	Непроцедурные ЯВУ	Новые непроцедур-ные ЯВУ
Средства связи пользовате-ля с ЭВМ	Пульт управления и перфокарты	Перфокарты и перфоленты	Алфавитно-цифровой терминал	Монохром-ный гра-фический дисплей, клавиатура	Цветной графический дисплей, клавиатура, «мышь» и др.	Устройства голосовой связи с ЭВМ

Начиная со второго поколения, машины стали делиться на большие, средние и малые по признакам размеров, стоимости, вычислительных возможностей.

В начале 70-х годов с появлением интегральных технологий в электронике, были созданы микроэлектронные устройства - интегральные схемы, содержащие несколько десятков транзисторов и резисторов на одной небольшой (площадью порядка 1см²) кремниевой подложке. При продвижении от первого к третьему поколению радикально изменились возможности программирования. Появление процедурных языков высокого уровня и трансляторов стало первым шагом на пути радикального расширения круга программистов. Научные работники и инженеры сами стали писать программы для решения своих задач. Подлинную революцию в вычислительной технике произвело создание микропроцессора. В 1971г. компанией Intel (США) было создано устройство, реализующее на одной крошечной микросхеме функции процессора – центрального узла ЭВМ. Последствия этого оказались огромны не только для вычислительной техники, но и для научно-технического прогресса в целом. В области ЭВМ первым таким последствием оказалось создание персонального компьютера (ПК) – небольших и относительно недорогих ЭВМ.

 

Эволюция вычислительных систем

Первые компьютеры 50-х годов – большие, громоздкие и дорогие – предназначались для очень небольшого числа пользователей. Часто они занимали целые здания. Такие компьютеры не были предназначены для интерактивной работы пользователя, а использовались в режиме пакетной обработки.

Системы пакетной обработки, как правило, строились на базе мэйнфрейма – мощного и надежного компьютера универсального назначения. Пользователи подготавливали перфокарты, содержащие данные и команды программ и передавали их в вычислительный центр (ВЦ). Операторы вводили эти карты в компьютер, а распечатанные результаты пользователи получали обычно только на следующий день. Таким образом, одна неправильно набитая карта означала как минимум суточную задержку.

 

 

Для пользователя интерактивный режим работы, при котором можно с терминала оперативно руководить процессом обработки своих данных был бы гораздо удобнее. Но интересами пользователя на первых этапах развития ВТ пренебрегли в значительной степени, т.к. пакетный режим – это самый эффективный режим использования вычислительной мощности, он позволяет выполнять в единицу времени больше пользовательских задач, чем любые другие режимы. Во главу угла ставилась эффективность работы самого дорогого устройства вычислительной машины – процессора в ущерб эффективности работы использующих его специалистов.

 

Многотерминальные системы – прообраз сети.

По мере удешевления процессоров в начале 60-х годов появились новые способы организации вычислительного процесса, которые позволили учесть интересы пользователей. Начали развиваться интерактивные многотерминальные системы разделения времени. В таких системах компьютер отдавался в распоряжение сразу нескольким пользователям. Каждый пользователь получал в свое распоряжение терминал, с помощью которого он мог вести разговор с компьютером. Причем время реакции вычислительной системы было достаточно мало для того, чтобы пользователю было не слишком заметна параллельная работа с компьютером и других пользователей.

 

 

 

Терминалы, выйдя за пределы ВЦ, рассредоточивались по всему предприятию. И хотя вычислительная мощность оставалась полностью централизованной, некоторые функции – такие как ввод и вывод данных – стали распределенными. Многотерминальные централизованные системы внешне уже были очень похожи на локальные вычислительные сети. Работа за терминалом мэйнфрейма напоминает работу за подключенным к сети персональном компьютере (ПК). Пользователь мог получить доступ к общим файлам и периферийным устройствам, при этом у него поддерживалась полная иллюзия единоличного владения компьютером, т.к. он мог запустить нужную ему программу в любой момент времени и почти сразу получить результат. Таким образом, многотерминальные системы, работающие в режиме разделения времени, стали первым шагом на пути создания локальных вычислительных сетей.