Счетно-решающие средства 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 счётом. Для подсчётов люди использовали собственные пальцы, камешки, палочки, узелки и пр.

С развитием мира и появлением денежных единиц возникла потребность в изобретении устройств, помогающих счёту.

Одним из первых устройств (V-IV века до н. э.), облегчающих вычисления, можно считать специальную доску, названную в последствии абаком.. Вычисления на ней производились перемещением костей или камешков 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 ещё в V веке до н. э., у японцев этот прибор назывался «серобян», у китайцев - «суан-пан».

В Древней Руси использовали похожие изобретения и называли их «русский щот». Ближе к XVII веку прибор приобрёл привычный вид русский счётов.

К началу XVII столетия относится создание молодым французским математиком и физиком Блезом Паскалем первой счётной машины, названной Паскалиной, которая выполняла сложение и вычитание.

В 1670-1680 годах немецкий математик Готфрид Лейбниц сконструировал счётную машину, которая выполняла все 4 арифметических действия.

В 1878 году русский учёный П. Чебышев сконструировал счётную машину, выполнявшую сложение и вычитание многозначных чисел. Также широкое распространение получил арифмометр петербургского инженера Однера в 1874 году. Эта конструкция могла довольно быстро выполнять все 4 действия.

В 30-е годы XX столетия в России был разработан более совершенный арифмометр – «Феликс». Эти счётные устройства применялись несколько десятилетий и были основным техническим средством, облегчающим труд людей, связанных с обработкой больших объёмов числовой информации.

Важным событием XIX века было изобретение английского математика Чарлза Беббиджа, который вошёл в историю как изобретатель первой вычислительной машины – прообраза современных компьютеров. В 1812г. Он начал работать над так называемой «разностной» машиной. В качестве основного элемента разностной машины Беббидж использовал зубчатое колесо для запоминания одного разряда десятичного числа. В результате он смог оперировать 18-разрядными числами. К 1822 году он построил небольшую действующую модель и рассчитал на ней таблицу квадратов.

В 1833г. Беббидж решил усовершенствовать свою машину и приступил к разработке аналитической машины. Она должна была отличаться большей скоростью и более простой конструкцией. Согласно проекту, новую машину предполагалось приводить в действие силой пара.

Аналитическая машина была задумана как чисто механический аппарат с тремя основными блоками. Первый блок – устройство для хранения чисел на регистрах из зубчатых колёс и система, которая передает эти числа от одного узла к другому (в современной терминологии - это память). Второй блок – устройство, позволяющее выполнять арифметические операции. Беббидж назвал её «мельницей». Третий блок предназначался для управления последовательностью действий машины. В конструкцию аналитической машины входило также устройство для ввода исходный данных и печати полученных результатов.

Предполагалось, что машина будет действовать по программе, которая задавала бы последовательность выполнения операций и передачи чисел из памяти в мельницу и обратно. Программы, в свою очередь, должны были кодироваться и переноситься на перфокарты. В то время подобные карты уже использовались для автоматического управления ткацкими станками. Тогда же математик леди Ада Лавлейс – дочь английского поэта лорда Байрона – разрабатывает первые программы для машины Беббиджа. Она заложила многие идеи и ввела ряд понятий и терминов, которые используются и по сей день.

К сожалению, из-за недостаточного развития технологии проект Беббиджа не был реализован. Тем не менее его работы имели важное значение; многие последующие изобретатели воспользовались идеями, заложенными в основу придуманных им устройств.

Необходимость автоматизировать вычисления при переписи населения в США подтолкнула Генриха Холлерита к созданию в 1888г. устройства, названного табулятором, в котором информация, нанесенная на перфокарты, расшифровывалась с помощью электрического тока. Это устройство позволило обработать данные переписи населения всего за 3 года вместо затрачиваемых ранее 8 лет. В 1924г. Холлерит основал фирму IBM для серийного выпуска табуляторов.

Огромное влияние на развитие вычислительной техники оказали теоретические работы математиков: англичанина А. Тьюринга и работавшего независимо от него американца Э. Поста. «Машина Тьюринга (Поста)» - прообраз программируемого компьютера. Эти учёные показали принципиальную возможность решения автоматами любой проблемы при условии, что её можно представить в виде алгоритма, ориентированного на выполняемые машиной операции.

 

Первое поколение ЭВМ.

Появление электронно-вакуумной лампы позволило учёным претворить в жизнь идею создания вычислительной машины. Она появилась в 1946г. в США и получила название ЭНИАК (ENIAK – Electronic Numerical Integrator and Calculator, «электронный численный интегратор и калькулятор»). Это событие ознаменовало начало пути, по которому пошло развитие электронно-вычислительных машин (ЭВМ).

Дальнейшее совершенствование ЭВМ определялось развитием электроники, появлением новых элементов и принципов действий, т. е. улучшением и расширением элементной базы. Смена поколений обуславливалась появлением новых элементов, изготовленных с применением принципиально иных технологий.

Первое поколение (1946 – середина 50-х гг.). Элементной базой служили электронно-вакуумные лампы,устанавливаемые на специальные шасси, а также резисторы и конденсаторы. Элементы соединяли проводами навесным монтажом. В ЭВМ ЭНИАК было 20 тыс. электронных ламп, из которых ежемесячно заменялось 2000. За одну секунду машина выполняла 300 операций умножения или же 5000 сложений многоразрядных чисел.

Выдающийся математик Джон фон Нейман и его коллеги изложили в своё м отчёте основные принципы логической структуры ЭВМ нового типа, которые позже были реализованы в проекте ЭДВАК. В отчёте утверждалось, что ЭВМ должна создаваться на электронной основе и работать в двоичной системе счисления. В её состав должны входить следующие устройства: арифметическое, Центральное управляющее, запоминающее, для ввода данных и вывода результатов. Учёные также сформулировали два принципа работы: принцип программного управления с последовательным выполнением команд и принцип хранимой программы. Конструкция большинства ЭВМ последующих поколений, где были реализованы эти принципы, получила название «фон-неймановской архитектуры».

Первая отечественная ЭВМ была создана в 1951г. под руководством академика С. А. Лебедева, и называлась она МЭСМ (малая электронная счётная машина). Затем в эксплуатацию ввели БЭСМ-2 (большую электронную счётную машину). Самой мощной ЭВМ 50-х годов в Европе была советская электронно-вычислительная машина М-20 с быстродействием 20тыс. оп/с и объёмом памяти 4000 машинных слов.

С этого времени начался бурный расцвет отечественной вычислительной техники, и к концу 60-х годов в нашей стране успешно функционировала лучшая по производительности (1млн. оп/с.) ЭВМ того времени - БЭСМ-6, в которой были реализованы многие принципы работы последующих поколений компьютеров.

С появлением новых моделей ЭВМ произошли изменения и в названии этой сферы деятельности. Раннее любую технику, используемую для вычислений, обобщенно называли «счётно-решающими приборами и устройствами». Теперь же всё, что имеет к ЭВМ отношение, именуют вычислительной техникой.

Перечислим характерные черты ЭВМ первого поколения:

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

- Габариты: ЭВМ выполнена в виде громадных шкафов и занимает специальный машинный зал.

- Быстродействие: 10-20 тыс. оп/с.

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

- Программирование: трудоёмкий процесс в машинных кодах. При этом необходимо знать все команды машины, их двоичное представление, архитектуру ЭВМ. Этим в основном были заняты математики-программисты, которые непосредственно и работали за её пультом управления. Обслуживание ЭВМ требовало от персонала высокого профессионализма.

 

 

Второе поколение ЭВМ.

Второе поколение приходится на период от конца 50-х до конца 60-х годов.

К этому времени был изобретен транзистор, Который пришёл на смену электронным лампам, Это позволило заменить электронную базу ЭВМ на полупроводниковые элементы (транзисторы, диоды), А также резисторы и конденсаторы более совершенной конструкции. Один транзистор заменял 40 электронных ламп, работал с большой скоростью, был дешевле и надежнее. Средний срок его службы в 1000 раз превосходил продолжительность работы электронных ламп.

Изменилась и технология соединения элементов. Появились первые печатные платы – пластины, из изоляционного материала, например гетинакса, на которые по специальной технологи фотомонтажа наносился токопроводящий материал. Для крепления элементной базы на печатной плате имелись специальные гнёзда.

Такая формальная замена одного типа элементов на другой существенно повлияла на все характеристики ЭВМ: габариты, надежность, производительность, условия эксплуатации, стиль программирования и работы на машине. Изменился технологический процесс изготовления ЭВМ.

Перечислим характерные черты ЭВМ второго поколения:

- Элементная база: полупроводниковые элементы. Соединение элементов: печатные платы и навесной монтаж.

- Габариты: ЭВМ выполнена 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: от сотен тысяч до 1 млн. оп/с.

- Эксплуатация: упростилась. Появились вычислительные центры с большим штабом обслуживающего персонала, где устанавливалось обычно несколько ЭВМ. Так возникло понятие централизованной обработки информации на компьютерах. При выходе из строя нескольких элементов производилась замена целиком всей платы, а не каждого элемента в отдельности, как в ЭВМ предыдущего поколения.

- Программирование: Существенно изменилось, так как стало выполняться преимущественно на алгоритмических языках. Программисты уже не работали в зале, а отдавали свои программы на перфокарты или магнитных лентах специально обученным операторам. Решение задач производилось в пакетном (мультипрограммном) режиме, то есть все программы водились в ЭВМ подряд друг за другом, их обработка велась по мере освобождения соответствующих устройств. Результаты решения распечатывались на специальной перфорированной по краям бумаге.

- Произошли изменения как в структуре ЭВМ, так и в принципе её организации. Жёсткий принцип управления заменился микропрограммным. Для реализации принципа программируемости необходимо наличие к компьютере постоянной памяти, в ячейках которой всегда присутствуют коды, соответствующие различным комбинациям управляющих сигналов. Каждая такая комбинация позволяет выполнить элементарную операцию, то есть подключить определенные электрические схемы.

- Введён принцип разделения времени, которые обеспечил совмещение во времени работы разных устройств, например одновременно с процессором работает устройство ввода-вывода с магнитной ленты.

 

Третье поколение ЭВМ.

Этот период продолжается с конца 60-х до конца 70-х годов. Подобно тому, как изобретение транзисторов привело к созданию компьютеров второго поколения, появление интегральных схем ознаменовало новый этап в развитии вычислительной техники – рождение машин третьего поколения.

В 1958 году Джон Килби впервые создал опытную интегральную схему. Такие схемы могут содержать десятки, сотни и даже тысячи транзисторов и других элементов, которые физически неразделимы. Интегральная схема выполняет те же функции, что и аналогичная ей схема на элементной базе ЭВМ второго поколения, но при этом она имеет существенно меньшие размеры и более высокую степень надёжности.

Первой ЭВМ, выполненной на интегральных схемах, была IBM-360 фирмы IBM. Она положила начало большой серии моделей, название которых начинается с IBM, а далее следовал номер, который увеличивался по мере совершенствования моделей этой серии. То есть чем больше был номер, тем большие возможности предоставлялись пользователю.

Аналогичные ЭВМ стали выпускать и в странах СЭВ (Совета экономической взаимопомощи): СССР, Болгарии, Венгрии, Чехословакии, ГДР, Польше. Это были совместные разработки, причём каждая страна специализировалась на определенных устройствах. Выпускались два семейства ЭВМ:

o большие – ЕС ЭВМ (единая система), например ЕС-1022, ЕС-1035, ЕС-1065;

o малые – СМ ЭВМ (система малых), например СМ-2, СМ-3, СМ-4.

В то время любой вычислительный центр оснащался одной-двумя моделям ЕС ЭВМ. Представителей семейства СМ ЭВМ, составляющих класс мини-ЭВМ, можно было довольно часто встретить лабораториях, на производстве, на технологических линиях, на испытательных стендах. Особенность этого класса ЭВМ состояла в том, что все они могли работать в реальном масштабе времени, то есть, ориентируясь на конкретную задачу.

Перечислим характерные черты ЭВМ третьего поколения:

- Элементная база: интегральные схемы, которые вставляются в специальные гнёзда на печатной плате.

- Габариты: внешнее оформление ЕС ЭВМ схоже с ЭВМ второго поколения. Для их размещения также требуется машинный зал. А малые ЭВМ – это в основном две стойки приблизительно в полтора человеческих роста и дисплеё. Они не нуждались, как ЕС ЭВМ, в специально оборудованном помещении.

- Производительность: от сотен тысяч до миллионов операций в секунду.

- Эксплуатация: несколько изменилась. Более оперативно производится ремонт обычных неисправностей, но из-за большой сложности системной организации требуется штат высококвалифицированных специалистов. Большую роль играет системный программист.

- Технология программирования и решения задач: такая же, как на предыдущем этапе, хотя несколько изменился характер взаимодействия с ЭВМ. Во многих вычислительных центрах появились дисплейные залы, где каждый программист в определенное время мог подсоединиться к ЭВМ в режиме разделения времени. Как и прежде, основным оставался режим пакетной обработки задач.

- 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, то есть все входные и выходные устройства соединены одними и теми же проводами (шинами). Это прообраз современной системы.

- Увеличились объёмы памяти. Магнитный барабан постепенно вытесняется магнитными дисками, выполненными в виде автономных пакетов. Появились дисплеи, графопостроители.

 

 

Четвёртое поколение ЭВМ.

Этот период оказался самым длительным – от конца 70-х годов по настоящее время. Он характеризуется всевозможными новациями, приводящими к существенным изменениям. Однако кардинальных, революционных перемен, позволяющих говорить о смене этого поколения ЭВМ, пока не произошло. Хотя, если сравнивать ЭВМ, например, начала 80-х годов и сегодняшние, то очевидно существенное различие.

Следует особо отметить одну из самых значительных идей, воплощенных в компьютере на данном этапе: использование для вычислений одновременно нескольких процессоров (мультипроцессорная обработка). Также претерпела изменения и структура компьютера.

Новые технологии создания интегральных схем позволили в конце 70-х – начале 80-х годов ЭВМ четвертого поколения на больших интегральных схемах (БИС), степень интеграции которых составляет десятки и сотни тысяч элементов на одном кристалле. Наиболее крупным сдвигом в электронно-вычислительной технике, связанным с применением БИС, стало создание микропроцессоров. Сейчас этот период расценивается как революция в электронной промышленности. Первый микропроцессор был создан фирмой Intel в 1971 году. На одном кристалле удавалось 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 прочно укоренившийся термин «ЭВМ» был вытеснен ставшим уже привычным словом «компьютер», а вычислительная техника стала называться компьютерной.

Начало широкой продажи персональных ЭВМ связано с именем С. Джобса и В. Возняка, основателем фирмы «Эппл компьютер» (Apple Computer), которая с 1977 года наладила выпуск персональных «Apple». В компьютерах этого типа за основу был взят принцип создания «дружественной» обстановки работы человека на ЭВМ, когда при создании программного обеспечения одним из основных требований стало обеспечение удобной работы пользователя. ЭВМ повернулось лицом к человеку.

Дальнейшее её совершенствование шло с учётом удобства работы пользователя. Если раньше при эксплуатации ЭВМ был реализован принцип централизованной обработки информации, когда пользователи концентрировались возле одной ЭВМ, то с появление персональных компьютеров произошло обратное движение – децентрализация, когда один пользователь может работать с несколькими компьютерами.

С 1982 года фирма IBM приступила к выпуску модели персонального компьютера, ставшего эталоном на долгие времена. IBM выпустила документацию по аппаратуре и программные спецификации, что позволило другим фирмам разрабатывать как аппаратное, так и программное обеспечение. Таким образом, появились семейства(клоны) «двойников» персональных компьютеров IBM.

С 1984 года фирмой IBM был разработан персональный компьютер на базе микропроцессора 80286 фирмы Intel с шиной архитектуры промышленного стандарта – ISA (Industry Standart Architecture). С этого времени началась жесткая конкуренция между несколькими корпорациями, производящими персональные компьютеры. Один тип процессора сменял другой, что зачастую требовало дополнительной существенной модернизации, а подчас и полной замены компьютеров. Гонка в поиске всё более и более совершенных технических характеристик всех устройств компьютера продолжается и по сей день. Каждый год требуется проводить коренную модернизацию существующего компьютера.

Общее свойство семейства IMB PC – совместимость программного обеспечения снизу вверх и принцип открытой архитектуры, предусматривающий возможность дополнения имеющихся аппаратных средств без изъятия старых или их модификацию без замены всего компьютера.

Современные ЭВМ превосходят компьютеры предыдущих поколений компактностью, огромными возможностями и доступностью для разных категорий пользователей.

Компьютер четвертого поколения развивается в двух направлениях: 1-создание многопроцессорных вычислительных систем; 2-изготовление дешёвых персональных компьютеров как в настольном, так и в переносном исполнении, а на их основе – компьютерных сетей.

 

 

Пятое поколение ЭВМ.

Пятое поколение ЭВМ это правительственная программа в Японии по развитию вычислительной техники и искусственного интеллекта. Пятое поколение компьютеров это название «плана действий» по развитию IT-индустрии. И не смотря на то, что пятое поколение базируется на микропроцессорах, как и четвертое, тем не менее, сегодняшние компьютеры относят к пятому поколению.

Япония начала свою широкомасштабную программу в начале 80-х. Их цель не изменять элементную базу компьютеров. А изменить и усовершенствовать, технические подходы, методы программирования и развивать научное направление в области искусственного интеллекта. Японский центр по развитию и обработки информации поставил перед собой цели. Главной из них это развитие технологий по логической обработке знаний, одно из ведущих направлений искусственного интеллекта. Создание рабочих станций с высокой производительностью и распределенными функциями. Создание суперкомпьютеров пятого поколения для научных вычислений, которые будут оперировать огромными базами данных и базами знаний. Японский центр по развитию и обработки информации поставил перед собой цели. Главной из них это развитие технологий по логической обработке знаний, одно из ведущих направлений искусственного интеллекта. Создание рабочих станций с высокой производительностью и распределенными функциями. Создание суперкомпьютеров пятого поколения для научных вычислений которые будут оперировать огромными базами данных и базами знаний. Данный проект Япония планировала завершить за 10 лет. И к началу 90-х выйти на новый уровень технического развития. На тот момент Япония прочно завоевала рынок бытовой электроники и автомобильной промышленности, что очень сильно беспокоило США. В ответ американца начали развивать собственные программы в области параллельных вычислений. Наиболее крупными проектами занималась американская корпорация по Микроэлектроники и Компьютерной Технологии (MCC). Европа уверенна в будущем параллельных вычислений. Начинает планы в этой отрасли Британская компания Alvey. В советском союзе предприняли попытку не отстать от западных коллег. Было желание создать свой прототип ЭВМ пятого поколения. Для будущего мультипроцессорного компьютера, придумали яркое название «МАРС». Но уже тогда отставание от японцев, в области микроэлектроники, было на 10-15 лет. Весь проект базировался на старых инженерно-технических решениях. И морально устаревших языках программирования типа Модула-2. Удалось создать многопроцессорный компьютер «МАРС». Это было его единственное отличие от остальных ЭВМ. И данная машина не соответствовала определению: «компьютер пятого поколения».

В качестве базового языка для ЭВМ пятого поколения, был выбран функциональный язык программирования «Пролог». Но он не поддерживал параллельные вычисления. Его работа в мультипроцессорной среде оказалась не эффективна. Не смотря на все попытки модернизировать его. Было принято решение по созданию новых типов языков программирования. Данная задача оказалась весьма сложной. Корпорациями, занимающимися разработкой программного обеспечения были предложены новые языки. Но каждый из них обладал существенными недостатками. Что не позволяло в полной степени использовать параллельные вычисления.

Возникли и аппаратные трудности для создания ЭВМ пятого поколения. Техническое развитие быстро преодолело те трудности, которые перед началом проекта считались не выполнимыми. Параллельная работа нескольких процессоров, не давала той высокой производительности, на которую изначально рассчитывали. Разработанные в лаборатории машины быстро устаревали. Появлялись коммерческие компьютеры, которые по скорости уже превосходили их. Проект под названием «ЭВМ пятого поколения» оказался не удачным. Т. к. развитие информационных технологий пошло по другому пути. Появился графический интерфейс пользователя. Который изначально не был предусмотрен в компьютерах пятого поколения. Появился Интернет, который изменил представления о структуре хранения и обработки информации. Развивались поисковые машины, которые использовали новые методы обработки данных.

Планы замены программных средств их аппаратными аналогами, был неудачен. Такое виденье у инженеров было в предыдущем поколении компьютеров. Но на сегодняшний день. Ситуация изменилась в корне. Процесс развития информационных технологий пошел по обратному пути. Аппаратное обеспечение упрощалось. Предоставляя универсальность. А все задачи перекладывались на программное обеспечение.

Идеи Японских ученых были не удачными. Изначально был не верно выбран вектор развития компьютеров. Перспектива развития аппаратных средств была недооценена. Возможности в развитии искусственного интеллекта были переоценены. Даная область оказалась сложнее, чем рассчитывали. Многие теоретические разработки в данной области так и не нашли своего практического применения. Искусственный интеллект так и не вышел за рамки академических задач. Многие методы так и остались забавой ученых.