Развитие инструментальных средств обработки информации

Без преувеличения можно сказать, что период между последней третью XIX и концом ХХ веков был "колыбелью" многих больших и малых революций (рис. 2.6). Промышленная революция конца ХIХ - начала ХХ века и Первая мировая война породили волну социальных революций, которые если не перевернули, то основательно потрясли мировые устои.

Вторая мировая война и послевоенное развитие экономики, исследования в ядерной и микромолекулярной физике, электронике твердого тела и пограничных явлений, создание первых промышленных вычислительных устройств дали толчок индустриальной революции, которая за четверть века подготовила почву для бурного всплеска развития информационных технологий.

Рис. 2.6. Последовательность революций ХХ века

Качественные изменения, затронувшие последнюю часть прошлого столетия, имели под собой солидную многовековую историю. Вычислительная техника не сразу достигла современного уровня. В ее развитии отмечают предысторию и четыре поколения ЭВМ. Ниже приведены самые показательные факты предыстории.

Предыстория ЭВМ

Древнейшим счетным инструментом, который сама природа предоставила в распоряжение человека, была его собственная рука. Понятие числа и фигуры взято не откуда-то, а из действительного мира. "Десять пальцев, на которых люди учились считать (производить первую арифметическую операцию), представляют собой все что угодно, только не продукт свободного творческого разума" [http://www.junior.ru/wwwexam/history/frame.htm].

Имена числительные во многих языках указывают, что у первобытного человека орудием счета были преимущественно пальцы. Неслучайно в древнерусской нумерации единицы называются "перстами", десятки - "составами", а все остальные числа - "сочинениями". Кисть же руки у многих народов называлась "пять". Например, малайское "лима" означает одновременно и "рука", и "пять".

От пальцевого счета берет начало пятеричная система счисления (одна рука), десятеричная (две руки), двадцатеричная (пальцы рук и ног). У многих народов пальцы рук остаются инструментом счета и на более высоких ступенях развития.

Хорошо был известен пальцевый счет в Риме. По свидетельству древнеримского историка Плиния-старшего, на главной римской площади Форуме была воздвигнута гигантская фигура двуликого бога Януса. Пальцами правой руки он изображал число 300, пальцами левой - 55. Вместе это составляло число дней в году в римском календаре.

 

В средневековой Европе полное описание пальцевого счета составил ирландец Беда Достопочтенный. Пальцевый счет сохранился кое-где и поныне. Историк и математик Л. Карпинский в книге "История арифметики" сообщает, что на крупнейшей мировой хлебной бирже в Чикаго предложения и запросы, как и цены, объявлялись маклерами на пальцах без единого слова.

Издревле употребляется еще один вид инструментального счета - с помощью деревянных палочек с зарубками (бирок). В средние века бирками пользовались для учета и сбора налогов. Бирка разрезалась на две продольные части, одна оставалась у крестьянина, другая - у сборщика налогов. По зарубкам на обеих частях и велся счет уплаты налога, который проверяли складыванием частей бирки. В Англии, например, этот способ записи налогов существовал до конца XVII столетия. Другие народы - китайцы, персы, индийцы, перуанцы - использовали для представления чисел и счета ремни или веревки с узелками.

 

Бирки и веревки с узелками не могли удовлетворить возраставшие в связи с развитием торговли потребности в средствах вычисления. Развитию же письменного счета препятствовали два обстоятельства. Во-первых, не было подходящего материала для выполнения вычислений - глиняные и восковые таблички для этого не годились. Во-вторых, в тогдашних системах счисления письменно выполнить все необходимые операции было сложно. Этими обстоятельствами можно объяснить появление специального счетного прибора, известного в древности под именем абак.

 

Около 500 года нашей эры: изобретение абака.

Римский абак. Абаком называлась дощечка, покрытая слоем воска, на которой острой палочкой проводились линии и какие-нибудь фигуры, размещавшиеся в полученных колонках по позиционному принципу.

В Древнем Риме абак появился, вероятно, в V- VI вв н. э. и назывался calculi или abakuli. Изготовлялся он из бронзы, камня, слоновой кости и цветного стекла. До нашего времени дошел бронзовый римский абак, на котором камешки передвигались в вертикально прорезанных желобках. Внизу помещались камешки для счета до пяти, а в верхней части имелось отделение для камешка, соответствующего пятерке.

 

Суаньпань. Китайская разновидность абака (суаньпань) - появилась в VI веке н. э.; современный тип этого счетного прибора был создан позднее, по-видимому в XII столетии. Суаньпань представляет собой прямоугольную раму, в которой параллельно друг другу протянуты проволоки или веревки числом от девяти и более; перпендикулярно этому направлению суаньпань перегорожен на две неравные части. В большом отделении ("земля") на каждой проволоке нанизано по пять шариков, в меньшем ("небо") - по два. Проволоки соответствуют десятичным разрядам. Из рисунка видно, что суаньпань является практически точным аналогом инструмента "конторские счеты".

Соробан - японский абак, происходит от китайского суаньпаня, который был завезен в Японию в XV-XVI веках. Соробан проще своего предшественника, у него на "небе" на один шарик меньше, чем у суаньпаня.

Дощаный счет. Десятичный строй - довольно веское основание для того, чтобы признать временем возникновения этого прибора XVI век, когда десятичный принцип счисления был впервые применен в денежном деле в России. В это время какому-то наблюдательному человеку пришла в голову мысль заменить горизонтальные линии счета горизонтально натянутыми веревками, навесив на них, по существу, все те же "косточки-шарики".

Впрочем, в XVI веке термина "счеты" еще не существовало, и прибор именовался "дощаным счетом". Один из ранних образцов такого "счета" представлял собой два соединенных ящика, одинаково разделенных по высоте перегородками. В каждом ящике - два счетных поля с натянутыми веревками или проволочками. На верхних 10 веревках по 9 косточек (четок), на 11-й их - четыре, на остальных веревках - по одной.

Рассмотренные выше устройства (приборы) были предназначены для удобства использования и реализовывали в первую очередь наглядность счета. Расширился диапазон чисел, с которыми можно было производить простые арифметические действия. Однако механические вычислительные устройства и математические методы, предназначенные для ускорения процесса счета и его частичной автоматизации, появились лишь в XVII веке.

Вычислительные устройства

1614-й. Изобретение логарифмов шотландцем Джоном Непером. Вначале были составлены таблицы логарифмов, а затем, после смерти Непера, была изобретена логарифмическая линейка.

1642-й. Француз Блэз Паскаль изобрел и построил суммирующую машину - прототип арифмометра. В этой машине каждому десятичному разряду соответствовало колесико с нанесенными на него делениями от 0 до 9. Соседние колесики были механически связаны так, что избыток над 9 колесико передавало следующему, поворачивая его на 1. Этот прибор, практически без изменений, просуществовал и был в использовании более трех столетий!

1814-й. Англичанин Чарльз Бэббидж изобрел разностную машину, предназначенную для расчета и печати больших математических таблиц. В 1822 году он же сконструировал аналитическую машину, производящую вычисления по набору инструкций, записанных на перфокартах.

1890-й. Американец Герман Холлерит построил статистический табулятор с целью ускорить обработку результатов переписи населения. Машина Холлерита имела большой успех, на ее основе было создано преуспевающее предприятие, которое в 1924 году превратилась в фирму IBM - крупнейшего производителя современной вычислительной техники.

1936-й. Англичанин Алан Тьюринг опубликовал основополагающую работу "О вычислимых числах", заложив теоретические основы теории алгоритмов.

Поколения ЭВМ 1943-й. Под руководством американца Говарда Айкена по заказу и при поддержке фирмы IBM создан Mark-1 - первый программно-управляемый компьютер. Он был построен на электромеханических реле, а программа обработки данных вводилась с перфоленты. 1945-й. Американец Джон фон Нейман в отчете "Предварительный доклад о машине Эниак" сформулировал принципы работы и компоненты современного программно-управляемого компьютера. Он определил четыре основные компоненты: Арифметико-Логическое Устройство (АЛУ); устройство управления; память; устройство ввода/вывода информации. С тех пор архитектура подобных компьютеров (а подавляющее большинство современных компьютеров построено в соответствие с ней) называется фон-неймановской. 1946-й. Американцы Джон Преспер Экерт и Джон Уильям Мочли создали первый мощный электронно-цифровой компьютер "Эниак" (ENIAC - Electronic Numerical Integrator and Calculator), в 1000 раз более быстродействующий, чем Mark -1. 1956-й. FORTRAN - первый реализованный язык программирования высокого уровня. Создан в период с 1954 по 1957 годы группой программистов под руководством Джона Бэкуса (John Backus) в корпорации IBM (язык Планкалкюль, претендующий на пальму первенства, был изобретен еще в 1945 году, но не был реализован вплоть до 2000 года). Название FORTRAN является аббревиатурой от FORmula TRANslator, то есть переводчик формул. Язык Фортран широко используется до сих пор - в первую очередь для научных и инженерных вычислений. 1958-й. Американец Джек Килби сконструировал первую интегральную схему. 1960-й. Разработан алгоритмический язык АЛГОЛ-60. 1963-й. Профессоры Дартмутского колледжа Томас Курт (Thomas E. Kurtz) и Джон Кемени (John G. Kemeny) разработали алгоритмический язык Бейсик (BASIC - Beginner's All-purpose Symbolic Instruction Code - универсальный код символических инструкций для начинающих; Basic - основной, базовый) - семейство высокоуровневых языков программирования. Язык предназначался для обучения программированию и получил широкое распространение в виде различных диалектов, прежде всего как язык для домашних микрокомпьютеров. 1964-й. 7 апреля фирма IBM объявила о создании семейства компьютеров System-360. Это был важнейший шаг к унификации, совместимости и стандартизации компьютеров. В этом же году в серии статей о науке и технике будущего в английском журнале "New Scientist" впервые появилось словосочетание "персональный компьютер" (Personal Computer - PC). 1970-й. Швейцарец Никлаус Вирт разработал язык программирования Паскаль, получивший впоследствии широкое распространение в обучении и программировании. 1971-й. Под руководством инженера фирмы Intel Теда Хоффа создан первый микропроцессор - 4-разрядный 4004 или, как его назвали, "компьютер в одном кристалле". Он состоял из 2250 транзисторов и выполнял все функции центрального процессора универсального компьютера. 1974-й. На компьютерном рынке появился микрокомпьютер Altair на базе Intel 8080. Мирная жизнь рынка, где царили IBM и DEC, была нарушена маленькой компанией MITS из Альбукерке, предложившей машину для каждого. Хотя Altair с большой натяжкой можно было назвать компьютером: MITS предлагала изделие типа "сделай сам" - комплект, из которого терпеливый пользователь с помощью паяльника, в конце концов, мог получить довольно сложное в эксплуатации устройство. Однако, не в последнюю очередь благодаря широкой рекламе, желающих заполучить собственный компьютер за вполне доступную (400 долл.) цену оказалось предостаточно. 1975-й. Студенты Пол Аллен и Билл Гейтс реализовали интерпретатор языка Бейсик для персонального компьютера Altair. Они же основали компанию Microsoft, являющуюся сегодня крупнейшим производителем программного обеспечения персональных компьютеров. Создан микропроцессор MOP-technology 6502, он состоял из 4300 транзисторов и широко использовался в персональных компьютерах того времени. Фирма IBM представила на рынок один из первых лазерных принтеров IBM 3800. 1977-й. В этом году в массовое производство были запущены три персональных компьютера: Apple-2 (Apple Computer) на базе процессора 6502, PET (Commodore) на базе процессора 8088, TRS-80 (Tendy Corporation) на базе процессора Z80. 1983-й. Фирма Apple Computer построила персональный компьютер Apple Lisa - первый компьютер, управляемый манипулятором "мышь". В этом же году началось массовое использование гибких дисков (дискет) как стандартных носителей информации. 1985-й. Первая попытка Microsoft реализовать многозадачную операционную среду для персонального компьютера на основе графического интерфейса Windows 1.01. 1988-й. Основатель фирмы Apple Стив Джобс со своей новой фирмой Next Computer создали компьютер Next и операционную систему Next Step. Фирмой Philips разработан стандарт записи компакт-дисков CD-I (CD- Interactive). 1989-й. Тим Бернерс-Ли (Tim Berners-Lee, Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire - CERN, Женева) предложил концепцию распределенной информационной системы с целью "объединения знаний человечества", которую он назвал "Всемирной паутиной" (World Wide Web - WWW). Для ее создания он объединил две существующие технологии - технологию IP-протоколов для передачи данных и технологию гипертекста (Hypertext Technology). 1991-й. Создан первый браузер (Browser) - компьютерная программа просмотра гипертекста - работавший в режиме командной строки. Его применение позволило уже в 1992 году успешно реализовать предложенный проект, который был направлен в конечном итоге на создание "бесшовного информационного пространства" (Seamless Informational Area), охватывающего всю планету. 1993-й. Фирма Intel представила микропроцессор Pentium. Фирма Siemens представила свой нейрокомпьютер "Synapse1", мощность которого эквивалентна 8000 рабочих станций. Компьютер параллельно обрабатывает информацию от сети искусственных нейронов - идеальное устройство для решения задач по распознаванию изображений и речи. 1995-й. Главным событием в мире программного обеспечения персональных компьютеров стало создание универсальной многозадачной операционной системы Windows 95. Выпущенная в сентябре 1995 года система Windows 95 стала первой графической операционной системой для компьютеров IBM PC. Впоследствии эта операционная система получила свое развитие в Windows 98. Производители аппаратно-программного обеспечения изготавливают узлы и устройства так, чтобы они были совместимы с Windows 95 (98). Теперь можно приобретать новые устройства и устанавливать их в компьютер, рассчитывая на то, что все прочие устройства и программы будут работать нормально. Фирма Microsoft в системе Windows 95 ввела новый стандарт самоустанавливающихся устройств (Plug & Play). 1996-й. С каждым новым поколением ЭВМ увеличивались быстродействие и надежность их работы при уменьшении стоимости и размеров, совершенствовались устройства ввода/вывода информации. В соответствии с трактовкой компьютера - как технической модели информационной функции человека - устройства ввода приближаются к естественному для человека восприятию информации (зрительному, звуковому, тактильному), и, следовательно, операция по ее вводу в компьютер становится все более удобной для человека. В последней четверти ХХ века промышленные ЭВМ, а затем персональные компьютеры стали аппаратно-вычислительной основой создания многофункциональных управляющих и информационных систем. В таблице 2.4 приведены параметры электронно-вычислительных устройств разных поколений. Таблица 2.4. Поколение Элементная база Быстродействие Программное обеспечение Применение Примеры 1-е (1946-1959) Электронные лампы 10-20 тыс. операций/сек Машинные языки Расчетные задачи ЭНИАК (США), МЭСМ (СССР), УРАЛ (СССР) 2-е (1960-1969) Полупроводники 100-500 тыс. операций/сек Алгоритмические языки, диспетчерские системы, пакетный режим Инженерные, научные, экономические задачи IВМ 701 (США), БЭСМ-6, БЭСМ-4 (СССР), Минск-22 (СССР) 3-е (1970-1979) Интегральные микросхемы Порядка 1 млн операций/сек Операционные системы, режим разделения времени АСУ, САПР, научно-технические задачи IBM 360 (США), ЕС 1030, 1060 (СССР) 4-е (1980 - наст. время) СБИС, микропроцессоры Десятки и сотни млн. операций/сек Базы и банки данных Управление, коммуникации, АРМ, обработка текстов, графика ПЭВМ, серверы Современный компьютер принято разделять на аппаратную часть ("железо" - Hardware) и программное обеспечение (ПО - Software). На рис. 2.7 показана упрощенная схема системной ("материнской") платы персонального компьютера. В физическом исполнении на плате имеются соответствующие разъемы (слоты) для размещения процессора, модулей оперативной памяти, подключения устройств ввода/вывода. Рис. 2.7. Интерфейс между процессором, внутренними и внешними устройствами осуществляется с помощью шин и совокупности устанавливаемых на плате специальных микросхем (Chipset). На плате размещается также специализированный блок (Basic Input/Output System -- BIOS), который предназначен для хранения параметров конфигурации персонального компьютера, аппаратных драйверов и программы POST, проверяющей при включении компьютера работоспособность его различных устройств. Научно-технический прогресс в первую очередь влияет на развитие аппаратной части: уменьшаются геометрические размеры транзисторов, увеличивается быстродействие, растет скорость передачи данных и т. п.; но новые аппаратные возможности дают импульс созданию новых программ. Покупатель компьютера в основном платит за стоимость аппаратуры, которую, один раз купив, нельзя бесплатно много раз обновлять. "Мягкость" составной части программного обеспечения, разработанного на базе принципа "открытых систем", обеспечивается возможностью "загрузки" разных программ на одну и ту же аппаратную платформу. Это позволяет многократно увеличить скорость обновления функциональных возможностей компьютеров (скорость предоставления новых сервисов для пользователей). Программное обеспечение обычно разделяют на системное и прикладное. Операционная система (ОС) - базовый комплекс компьютерных программ, обеспечивающий управление аппаратными средствами компьютера, работу с файлами, ввод и вывод данных, а также выполнение прикладных программ и утилит. При включении компьютера операционная система загружается в память раньше остальных программ и затем служит платформой и средой для их работы. Помимо вышеуказанных функций ОС может осуществлять и другие, например предоставление пользовательского интерфейса, сетевое взаимодействие и т. п. Выбор того или иного системного программного обеспечения достаточно сильно зависит от аппаратной части компьютера. В настоящее время широко используются Microsoft Windows, Mac OS и системы класса UNIX. Назначение и функции прикладного ПО настолько разнообразны, что даже простое перечисление заняло бы слишком много места - этому разделу знаний посвящена достаточно обширная литература.