У древнего человека был свой счетный инструмент - десять пальцев на руках. Загибал человек пальцы - складывал, разгибал - вычитал. И человек догадался: для счета можно использовать все, что попадется под руку, - камешки, палочки, косточки. Потом стали завязывать узелки на веревке, делать зарубки на палках и дощечках (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Узелки (а) и зарубки на дощечках (б)

Период абака. Абаком (гр. abax - доска) называлась дощечка, покрытая слоем пыли, на которой острой палочкой проводились линии и в полученных колонках размещались какие-нибудь предметы по позиционному принципу. В V-IV вв. до н. э. были созданы древнейшие из известных счетов - «саламинская доска» (по названию острова Саламин в Эгейском море), которая у греков и в Западной Европе называлась «абак». В Древнем Риме абак появился в V-VI вв. н. э. и назывался calculi или abakuli. Изготавливался абак из бронзы, камня, слоновой кости и цветного стекла. До нашего времени сохранился бронзовый римский абак, на котором камешки передвигались в вертикально прорезанных желобках (рис. 1.2).

Рис. 1.2.

В XV-XVI вв. в Европе был распространен счет на линиях или счетных таблицах с укладываемыми на них жетонами.

В XVI в. появились русские счеты с десятичной системой счисления. В 1828 г. генерал-майор Ф. М. Свободской выставил на обозрение оригинальный прибор, состоящий из множества счетов, соединенных в общей раме (рис. 1.3). Все операции сводились к действиям сложения и вычитания.

Рис. 1.3.

Период механических устройств. Этот период продолжался от начала XVII до конца XIX в.

В 1623 г. Вильгельм Шиккард описал устройство счетной машины, в которой были механизированы операции сложения и вычитания. В 1642 г. французский механик Блез Паскаль сконструировал первую механическую счетную машину - «Паскалину» (рис. 1.4).

В 1673 г. немецким ученым Гофтридом Лейбницем была создана первая механическая вычислительная машина, выполняв-

Рис. 1.4.

шая четыре арифметических действия (сложение, вычитание, умножение и деление). В 1770 г. в Литве Е. Якобсон создал суммирующую машину, определяющую частное и способную работать с пятизначными числами.

В 1801 - 1804 гг. французский изобретатель Ж. М. Жаккар впервые использовал перфокарты для управления автоматическим ткацким станком.

В 1823 г. английский ученый Чарлз Бэббидж разрабатывает проект «Разностной машины», предвосхитившей современную программно-управляемую автоматическую машину (рис. 1.5).

В 1890 г. житель Петербурга Вильгодт Однер изобрел арифмометр и наладил их выпуск. К 1914 г. в одной только России насчитывалось более 22 тыс. арифмометров Однера. В первой четверти XX в. эти арифмометры были единственными математическими машинами, широко применявшимися в различных областях человеческой деятельности (рис. 1.6).

Рис. 1.5. Машина Бэббиджа Рис. 1.6. Арифмометр

Период ЭВМ. Этот период начался в 1946 г. и продолжается в настоящее время. Он характеризуется соединением достижений в области электроники с новыми принципами построения вычислительных машин.

В 1946 г. под руководством Дж. Моучли и Дж. Эккерта в США была создана первая ЭВМ - «ЭНИАК» (ENIAC) (рис. 1.7). Она имела следующие характеристики: длина 30 м, высота 6 м, вес 35 т, 18 тыс. вакуумных ламп, 1500 реле, 100 тыс. сопротивлений и конденсаторов, 3500 оп/с. Тогда же эти ученые начали работу над новой машиной - «ЭДВАК» (EDVAC - Electronic

Рис. 1.7.

Discret Variable Automatic Computer - электронный автоматический вычислитель с дискретными переменными), программа которой должна была храниться в памяти компьютера. В качестве внутренней памяти предполагалось использовать ртутные трубки, применявшиеся в радиолокации.

В 1949 г. в Великобритании была построена ЭВМ «EDSAC» с хранимой в памяти программой.

Появление первых ЭВМ до сих пор вызывает споры. Так, немцы считают первой ЭВМ машину для артиллерийских расчетов, созданную Конрадом Цузе в 1941 г., хотя она работала на электрических реле и была, таким образом, не электронной, а электромеханической. Для американцев - это «ЭНИАК» (1946 г., Дж. Моучли и Дж. Эккерт). Болгары считают изобретателем ЭВМ Джона (Ивана) Атанасова, сконструировавшего в 1941 г. в США машину для решения систем алгебраических уравнений.

Англичане, порывшись в секретных архивах, заявили, что первый электронный компьютер был создан в 1943 г. в Англии и предназначался для расшифровки переговоров немецкого высшего командования. Это оборудование считалось настолько секретным, что после войны оно было уничтожено по приказу Черчилля, а чертежи сожжены, чтобы секрет не попал в чужие руки.

Секретную повседневную переписку немцы вели с помощью шифровальных машинок «Энигма» (лат. enigma - загадка). К началу Второй мировой войны англичане уже знали, как работает «Энигма», и искали способы расшифровки ее посланий, но у немцев появилась еще одна шифровальная система, предназначенная только для самых важных сообщений. Это была изготовленная фирмой «Лоренц» в небольшом количестве экземпляров машина «Шлюссельцузатц-40» (название переводится как «шифровальная приставка»). Внешне она представляла собой гибрид обычного телетайпа и механического кассового аппарата. Текст, набиравшийся на клавиатуре, телетайп переводил в последовательность электрических импульсов и пауз между ними (каждой букве соответствует набор из пяти импульсов и «пустых мест»). В «кассовом аппарате» вращались два комплекта по пять зубчатых колесиков, которые случайным образом добавляли к каждой букве еще два набора по пять импульсов и пропусков. Колесики имели разное количество зубцов, и это количество можно было менять: зубцы были сделаны подвижными, их можно было сдвигать в сторону либо выдвигать на место. Имелось еще два «моторных» колесика, каждое из которых вращало свой комплект зубчаток.

В начале передачи зашифрованного послания радист сообщал адресату исходное положение колесиков и число зубцов на каждом из них. Эти установочные данные менялись перед каждой передачей. Выставив такие же наборы колесиков в таком же положении на своей машине, принимавший радист добивался того, что лишние буквы автоматически вычитались из текста, и телетайп печатал исходное сообщение.

В 1943 г. математиком Максом Ньюменом в Англии была разработана электронная машина «Колоссус». Колесики машины моделировались 12 группами электронных ламп - тиратронов. Автоматически перебирая разные варианты состояний каждого тиратрона и их сочетаний (тиратрон может находиться в двух состояниях - пропускать или не пропускать электрический ток, т. е. давать импульс или паузу), «Колоссус» разгадывал начальную установку шестеренок немецкой машины. Первый вариант «Колоссуса» имел 1500 тиратронов, а второй, заработавший в июне 1944 г., - 2500. За час машина «проглатывала» 48 км перфоленты, на которую операторы набивали ряды единиц и нулей из немецких посланий, в секунду обрабатывалось 5000 букв. Эта ЭВМ имела память, основанную на заряжавшихся и разряжавшихся конденсаторах. Она позволила читать сверхсекретную переписку Гитлера, Кессельринга, Роммеля и т. д.

Примечание. Современный компьютер разгадывает начальное положение колесиков «Шлюссельцузатц-40» вдвое медленнее, чем это делал «Колоссус», так, задача, которая в 1943 г. решалась за 15 мин, занимает у ПЭВМ «Репйит» 18 ч! Дело в том, что современные компьютеры задуманы как универсальные, предназначенные для выполнения самых разных задач, и не всегда могут состязаться со старинными ЭВМ, умевшими делать только одно действие, зато очень быстро.

Первая отечественная электронная вычислительная машина МЭСМ была разработана в 1950 г. Она содержала более 6000 электронных ламп. К этому поколению ЭВМ можно отнести: «БЭСМ-1», «М-1», «М-2», «М-3», «Стрела», «Минск-1», «Урал-1», «Урал-2», «Урал-3», «М-20», «Сетунь», «БЭСМ-2», «Раздан» (табл. 1.1). Быстродействие их не превышало 2-3 тыс. оп/с, емкость оперативной памяти - 2 К или 2048 машинных слов (1 К = 1024) длиной 48 двоичных знаков.

Таблица 1.1. Характеристики отечественных ЭВМ

Характери	Первое поколение				Второе поколение
Адресность
Длина ма-
шинного ело-
ва (двоичные разряды)
Быстродейст-
				Ферритовый сердечник

Около половины всего объема данных в информационных системах мира хранится на больших ЭВМ. Для этих целей фирма 1ВМ еще в 1960-х гг. начала выпускать вычислительные машины 1ВМ/360, 1ВМ/370 (рис. 1.8), которые получили широкое распространение в мире.

С появлением первых вычислительных машин в 1950 г. возникла идея использования вычислительной техники для целей управления технологическими процессами. Управление на базе ЭВМ позволяет поддерживать параметры процесса в режиме, близком к оптимальному. В результате сокращается расход материалов, энергии, повышается производительность и качество, обеспечивается быстрая перестройка оборудования на выпуск продукции другого вида.

Рис. 1.8.

Пионером промышленного использования управляющих ЭВМ за рубежом явилась фирма Digital Equipment Corp. (DEC), которая выпустила в 1963 г. для управления ядерными реакторами специализированную ЭВМ «PDP-5». Исходными данными служили измерения, получаемые в результате аналого-цифрового преобразования, точность которых составляла 10-11 двоичных разрядов. В 1965 г. фирма DEC выпускает первую миниатюрную ЭВМ «PDP-8» размером с холодильник и стоимостью 20 тыс. долл., в качестве элементной базы которой были использованы интегральные схемы.

До появления интегральных схем транзисторы изготовлялись по отдельности, и при сборке схем их приходилось соединять и паять вручную. В 1958 г. американский ученый Джек Килби придумал, как на одной пластине полупроводника получить несколько транзисторов. В 1959 г. Роберт Нойс (будущий основатель фирмы Intel) изобрел более совершенный метод, позволивший создавать на одной пластине и транзисторы, и все необходимые соединения между ними. Полученные электронные схемы стали называться интегральными схемами, или чипами. В дальнейшем количество транзисторов, которое удавалось разместить на единицу площади интегральной схемы, увеличивалось каждый год приблизительно вдвое. В 1968 г. фирма Burroughs выпустила первый компьютер на интегральных схемах, а в 1970 г. фирма Intel начала продавать интегральные схемы памяти.

В 1970 г. был сделан еще один шаг на пути к персональному компьютеру - Маршиан Эдвард Хофф из фирмы Intel сконструировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большой ЭВМ. Так появился первый микропроцессор Intel-4004, который поступил в продажу в конце 1970 г. Конечно, возможности Intel-4004 были куда скромнее, чем у центрального процессора большой ЭВМ, - он работал гораздо медленнее и мог обрабатывать одновременно только 4 бита информации (процессоры больших ЭВМ обрабатывали 16 или 32 бита одновременно). В 1973 г. фирма Intel выпустила 8-битовый микропроцессор Intel-8008, а в 1974 г. - его усовершенствованную версию Intel-8080, которая до конца 1970-х гг. была стандартом для микрокомпьютерной индустрии (табл. 1.2).

Таблица 1.2. Поколения ЭВМ и их основные характеристики

Поколение				Четвертое (с 1975 г.)
Элементная база ЭВМ	Электронные лампы, реле	Транзисторы, параметроны		Сверхбольшие ИС (СБИС)
Производительность центрального процессора	До 3 10 5 оп/с	До 3 10 6 оп/с	До 3 10 7 оп/с	3 10 7 оп/с
Тип оперативной памяти (ОП)	Триггеры, ферритовые сердечники	Миниатюрные ферритовые сердечники	Полупроводниковая на	Полупроводниковая на
				Более 16 Мб
Характерные типы ЭВМ поколения		Малые, средние, большие, специальные	мини- и мик-роЭВМ	СуперЭВМ, ПК, специальные, общие, сети ЭВМ
Типичные модели поколения		IBM 7090, БЭСМ-6		БХ-2, 1ВМ РС/ХТ/АТ, РБ/2, Сгау, сети
Характерное программное обеспечение	Коды, автокоды, ассемблеры	Языки программирования, диспетчеры, АСУ, АСУТП	ППП, СУБД, САПРы, ЯВУ, операционные	БД, ЭС, системы параллельного программирования

Поколения ЭВМ определяются элементной базой (лампы, полупроводники, микросхемы различной степени интеграции (рис. 1.9)), архитектурой и вычислительными возможностями (табл. 1.3).

Таблица 1.3. Особенности поколений ЭВМ

Поколение	Особенности
I поколение (1946-1954)	Применение вакуумно-ламповой технологии, использование систем памяти на ртутных линиях задержки, магнитных барабанах, электронно-лучевых трубках. Для ввода-вывода данных применялись перфоленты и перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства
II поколение (1955-1964)	Использование транзисторов. Компьютеры стали более надежными, быстродействие их повысилось. С появлением памяти на магнитных сердечниках цикл ее работы уменьшился до десятков микросекунд. Главный принцип структуры - централизация. Появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, устройства памяти на магнитных дисках
III поколение (1965-1974)	Компьютеры проектировались на основе интегральных схем малой степени интеграции (МИС от 10 до 100 компонентов на кристалл) и средней степени интеграции (СИС от 10 до 1000 компонентов на кристалл). В конце 1960-х гг. появились мини-компьютеры. В 1971 г. появился первый микропроцессор
IV поколение (с 1975 г.)	Использование при создании компьютеров больших интегральных схем (БИС от 1000 до 100 тыс. компонентов на кристалл) и сверхбольших интегральных схем (СБИС от 100 тыс. до 10 млн компонентов на кристалл). Главный акцент при создании компьютеров сделан на их «интеллектуальности», а также на архитектуре, ориентированной на обработку знаний

а б в

Рис. 1.9. Элементная база ЭВМ: а - электронная лампа; б - транзистор;

в - интегральная микросхема

Первым микрокомпьютером был «Altair-8800», созданный в 1975 г. небольшой компанией в Альбукерке (штат Нью-Мексико) на основе микропроцессора Intel-8080. В конце 1975 г. Пол Аллен и Билл Гейтс (будущие основатели фирмы Microsoft) создали для компьютера «Altair» интерпретатор языка Basic, что позволило пользователям достаточно просто писать программы.

Впоследствии появились компьютеры «TRS-80 РС», «РЕТ РС» и «Apple» (рис. 1.10).

Рис. 1.10.

Отечественная промышленность выпускала DEC-совмести-мые (диалоговые вычислительные комплексы ДВК-1, ..., ДВК-4 на основе ЭВМ «Электроника МС-101», «Электроника 85», «Электроника 32») и IBM PC-совместимые (ЕС 1840 - ЕС 1842, ЕС 1845, ЕС 1849, ЕС 1861, Искра 4861), существенно уступавшие по своим характеристикам вышеназванным.

В последнее время широко известны персональные компьютеры, выпускаемые фирмами США: Compaq Computer, Apple (Macintosh), Hewlett Packard, Dell, DEC; фирмами Великобритании: Spectrum, Amstard; фирмой Франции Micra; фирмой Италии Olivetty; фирмами Японии: Toshiba, Panasonic, Partner.

Наибольшей популярностью в настоящее время пользуются персональные компьютеры фирмы IBM (International Business Machines Corporation).

В 1983 г. появился компьютер IBM PC XT со встроенным жестким диском, а в 1985 г. компьютер IBM PC АТ на основе 16-разрядного процессора Intel 80286 (рис. 1.11).

В 1989 г. разработан процессор Intel 80486 с модификациями 486SX, 486DX, 486DX2 и 486DX4. Тактовые частоты процессоров 486DX в зависимости от модели равны 33, 66 и 100 МГц.

Новое семейство моделей ПК IBM получило название PS/2 (Personal System 2). Первые модели семейства PS/2 использовали процессор Intel 80286 и фактически копировали ПК АТ, но на базе иной архитектуры.

В 1993 г. появились процессоры Pentium с тактовой частотой 60 и 66 МГц.

В 1994 г. фирма Intel стала производить процессоры Pentium с тактовой частотой 75, 90 и 100 МГц. В 1996 г. тактовая частота процессоров Pentium выросла до 150, 166 и 200 МГц (рис. 1.12).

Системный

Манипулятор типа «мышь»

Рис. 1.12. Конфигурация мультимедийного компьютера

В 1997 г. фирма Intel выпустила новый процессор Pentium MMX с тактовыми частотами 166 и 200 МГц. Аббревиатура ММХ означала, что данный процессор оптимизирован для работы с графической и видеоинформацией. В 1998 г. фирма Intel объявила о выпуске процессора Celeron с тактовой частотой 266 МГц.

С 1998 года фирма Intel анонсировала версию процессора Pentium® II Хеоп™ с тактовой частотой 450 МГц (табл. 1.4).

Таблица 1.4. Компьютеры фирмы IBM

компьютера	Процессор	Тактовая частота, МГц	оперативной

Долгое время производители процессоров - прежде всего Intel и AMD для повышения производительности процессоров повышали их тактовую частоту. Однако при тактовой частоте более 3,8 ГГц чипы перегреваются и о выгоде можно забыть. Потребовались новые идеи и технологии, одной из которых и стала идея создания многоядерных чипов. В таком чипе параллельно работают два процессора и более, которые при меньшей тактовой частоте обеспечивают большую производительность. Исполняемая в данный момент программа делит задачи по обработке данных на оба ядра. Это дает максимальный эффект, когда и операционная система, и прикладные программы рассчитаны на параллельную работу, как, например, для обработки графики.

Многоядерная архитектура - это вариант архитектуры процессоров, предполагающий размещение двух или более «исполняющих», или вычислительных, ядер Pentium® в одном процессоре. Многоядерный процессор вставляется в процессорный разъем, но операционная система воспринимает каждое из его исполняющих ядер как отдельный логический процессор, обладающий всеми соответствующими исполняющими ресурсами (рис. 1.13).

В основе такой реализации внутренней архитектуры процессора лежит стратегия «разделяй и властвуй». Иначе говоря, разде-

Рис. 1.13.

ляя вычислительную работу, выполняемую в традиционных микропроцессорах одним ядром Pentium, между несколькими исполнительными ядрами Pentium, многоядерный процессор может выполнять больше работы за конкретный интервал времени. Для этого программное обеспечение (ПО) должно поддерживать распределение нагрузки между несколькими исполнительными ядрами. Эта функциональность называется параллелизмом на уровне потоков, или организацией поточной обработки, а поддерживающие ее приложения и операционные системы (такие, как Microsoft Windows ХР) называются многопоточными.

Многоядерность влияет и на одновременную работу стандартных приложений. Например, одно ядро процессора может отвечать за программу, работающую в фоновом режиме, в то время как антивирусная программа занимает ресурсы второго ядра. На практике двухъядерные процессоры не производят вычисления в два раза быстрее одноядерных: хотя прирост быстродействия и оказывается значительным, но при этом он зависит от типа приложения.

Первые двухъядерные процессоры появились на рынке в 2005 г. Со временем у них появлялось все больше преемников. Поэтому «старые» двухъядерные процессоры сегодня серьезно подешевели. Их можно найти в компьютерах ценой от 600 долл, и ноутбуках ценой от 900 долл. Компьютеры с современными двухъядерными чипами стоят примерно на 100 долл, дороже, чем модели, оснащенные «старыми» чипами. Один из главных разработчиков многоядерных процессоров - корпорация Intel.

Перед появлением двухъядерных чипов изготовители предлагали одноядерные процессоры с возможностью параллельного выполнения нескольких программ. Некоторые процессоры серии Pentium 4 имели функцию Hyper-Threading, возвращающую значение в байтах и содержащую логический и физический идентификаторы текущего процесса. Ее можно рассматривать как предшественницу архитектуры Dual-Core, состоящей из двух оптимизированных мобильных исполнительных ядер. Dual-Core означает, что в то время, пока одно ядро занято запуском приложения, или, например, проверкой на вирусную активность, другое ядро будет доступно для выполнения иных задач, например, пользователь сможет путешествовать по Интернету или работать с таблицей. Хотя у процессора было одно физическое ядро, чип был сконструирован так, что мог исполнять две программы одновременно (рис. 1.14).

Панель управления

ОСРВ QNX Neutrino (одна копия)

Интерфейс командной строки (ядра 0 и 1)

Маршрутизация (ядра 0 и 1)

Управление, администрирование и техническое обслуживание (ядра 0 и 1)

Аппаратное обеспечение информационной панели

Мониторинг информационной панели (ядра 0 и 1)

Рис. 1.14. Схема использования многопроцессорной обработки

в панели управления

Операционная система распознает такой чип как два отдельных процессора. Обычные процессоры обрабатывают 32 бита за один такт. Новейшие чипы успевают обработать за один такт вдвое больше данных, т. е. 64 бита. Это преимущество особенно заметно при обработке больших объемов данных (например, при обработке фотографий). Но для того чтобы им воспользоваться, операционная система и приложения должны поддерживать именно 64-битный режим обработки.

Под специально разработанными 64-битными версиями Windows ХР и Windows Vista в зависимости от необходимости запускаются 32- и 64-битные программы.

Стремительное развитие цифровой вычислительной техники (ВТ) и становление науки о принципах ее построения и проектирования началось в 40-х годах XX века, когда технической базой ВТ стала электроника и микроэлектроника, а основой для развития архитектуры компьютеров (называемых ранее ЭВМ) – достижения в области искусственного интеллекта.

До этого времени в течение почти 500 лет ВТ сводилась к простейшим устройствам для выполнения арифметических операций над числами. Основой практически всех изобретенных за 5 столетий устройств было зубчатое колесо, рассчитанное на фиксацию 10 цифр десятичной системы счисления. Первый в мире эскизный рисунок тринадцатиразрядного десятичного суммирующего устройства на основе таких колес принадлежит Леонардо да Винчи.

Первым реально осуществленным механическим цифровым вычислительным устройством стала "Паскалина" великого французского ученого Блеза Паскаля, которая представляла собой 6-ти (или 8-ми) разрядное устройство, на зубчатых колесах, рассчитанное на суммирование и вычитание десятичных чисел (1642 г.).

Через 30 лет после "Паскалины" в 1673 г. появился "арифметический прибор" Готфрида Вильгельма Лейбница - двенадцатиразрядное десятичное устройство для выполнения арифметических операций, включая умножение и деление.

В конце XVIII века во Франции произошли два события, имеющие принципиальное значение для дальнейшего развития цифровой вычислительной техники. К таким событиям относятся:

 изобретение Жозефом Жакардом программного управления ткацким станком с помощью перфокарт;

 разработка Гаспаром де Прони, технологии вычислений, разделившей численные вычисления на три этапа: разработка численного метода, составление программы последовательности арифметических действий, проведение собственно вычислений путем арифметических операций над числами в соответствии с составленной программой.

Указанные новшества позже были использованы англичанином Чарльзом Беббиджем, осуществившим, качественно новый шаг в развитии средств ВТ – переход от ручного к автоматическому выполнению вычислений по составленной программе . Им был разработан проект Аналитической машины - механической универсальной цифровой вычислительной машины с программным управлением (1830-1846 гг.). Машина состояла из пяти устройств: арифметическое (АУ); запоминающее (ЗУ); управления (УУ); ввода (УВВ); вывода (УВ).

Именно из таких устройств и состояли первые ЭВМ, появившиеся спустя 100 лет. АУ строилось на основе зубчатых колес, на них же предлагалось реализовать ЗУ (на тысячи 50-разрядных чисел). Для ввода данных и программы использовались перфокарты. Предполагаемая скорость вычислений - сложение и вычитание за 1 сек, умножение и деление - за 1 мин. Помимо арифметических операций имелась команда условного перехода.

Следует отметить, что хотя и были созданы отдельные узлы машины, всю машину из-за ее громоздкости создать не удалось. Только зубчатых колес для нее понадобилось бы более 50 000. Изобретатель намечал использовать паровую машину для приведения в действие своей аналитической машины.

В 1870 г. (за год до смерти Беббиджа) английский математик Джевонс сконструировал первую в мире "логическую машину", позволяющую механизировать простейшие логические выводы.

Создателями логических машин в дореволюционной России стали Павел Дмитриевич Хрущев (1849-1909) и Александр Николаевич Щукарев (1884-1936), работавшие в учебных заведениях Украины.

Гениальную идею Беббиджа осуществил американский ученый Говард Ай­кен, создавший в 1944 г. первый в США релейно-механический компьютер. Ее основные блоки – арифметики и памяти – были исполнены на зубчатых колесах. Если Беббидж намного опередил свое время, то Айкен, использовав все те же зубчатые колеса, в техническом плане при реализации идеи Беббиджа использовал устаревшие решения.

Следует отметить, что десятью годами ранее, в 1934 г. немецкий студент Конрад Цузе, работавший над дипломным проектом, решил сделать цифровую вычислительную машину с программным управлением. В этой машине впервые в мире была использована двоичная система исчисления. В 1937 г. машина Z1 произвела первые вычисления. Она была двоичной 22-х разрядной с плавающей запятой с памятью на 64 числа, и работала на чисто механической (рычажной) основе.

В том же 1937 г., когда заработала первая в мире механическая двоичная машина Z1, Джон Атанасов (болгарин по происхождению, живший в США) начал разработку специализированного компьютера, впервые в мире применив электронные лампы (300 ламп).

В 1942-43 годах в Англии была создана (с участием Алана Тьюринга) вычислительная машина "Колоссус". Эта машина, состоящая из 2000 электронных ламп, предназначалась для расшифровки радиограмм германского вермахта. Поскольку работы Цузе и Тьюринга были секретными, о них в то время знали немногие и они не вызвали какого-либо резонанса в мире.

Только в 1946 г. появилась информация об ЭВМ "ЭНИАК" (электронный цифровой интегратор и компьютер), созданной в США Д. Мочли и П. Эккертом, с применением электронной техники. В машине использовалось 18 тысяч электронных ламп, и она выполняла около 3-х тыс. операций в сек. Однако, машина оставалась десятичной, а ее память составляла лишь 20 слов. Программы хранились вне оперативной памяти.

Почти одновременно, в 1949-52 гг. ученые Англии, Советского Союза и США (Морис Уилкс, ЭВМ "ЭДСАК", 1949 г.; Сергей Лебедев, ЭВМ "МЭСМ", 1951 г.; Исаак Брук, ЭВМ "М1", 1952 г.; Джон Мочли и Преспер Эккерт, Джон фон Нейман ЭВМ "ЭДВАК", 1952 г.), создали ЭВМ с хранимой в памяти программой.

В общем случае выделяют пять поколений ЭВМ.

Первое поколение (1945-1954 ) характеризуется появлением техники на электронных лампах. Это эпоха становления вычислительной техники. Большинство машин первого поколения были экспериментальными устройствами и строились с целью проверки тех или иных теоретических положений. Вес и размеры этих компьютеров были такими, что они нередко требовали для себя отдельных зданий.

Основоположниками компьютерной науки по праву считаются Клод Шеннон – создатель теории информации, Алан Тьюринг – математик, разработавший теорию программ и алгоритмов, и Джон фон Нейман - автор конструкции вычислительных устройств, которая до сих пор лежит в основе большинства компьютеров. В те же годы возникла еще одна новая наука, связанная с информатикой, – кибернетика – наука об управлении как одном из основных информационных процессов. Основателем кибернетики является американский математик Норберт Винер.

Во втором поколении (1955-1964) вместо электронных ламп использовались транзисторы, а в качестве устройств памяти стали применяться магнитные сердечники и магнитные барабаны - далекие предки современных жестких дисков. Все это позволило резко уменьшить габариты и стоимость компьютеров, которые тогда впервые стали строиться на продажу.

Но главные достижения этой эпохи принадлежат к области программ. Во втором поколении впервые появилось то, что сегодня называется операционной системой. Тогда же были разработаны первые языки высокого уровня - Фортран, Алгол, Кобол. Эти два важных усовершенствования позволили значительно упростить и ускорить написание программ для компьютеров.

При этом расширялась сфера применения компьютеров. Теперь уже не только ученые могли рассчитывать на доступ к вычислительной технике, поскольку компьютеры нашли применение в планировании и управлении, а некоторые крупные фирмы даже начали компьютеризовать свою бухгалтерию, предвосхищая этот процесс на двадцать лет.

В третьем поколении (1965-1974) впервые стали использоваться интегральные схемы - целые устройства и узлы из десятков и сотен транзисторов, выполненные на одном кристалле полупроводника (микросхемы). В это же время появляется полупроводниковая память, которая и по сей день используется в персональных компьютерах в качестве оперативной.

В эти годы производство компьютеров приобретает промышленный размах. Фирма IBM первой реализовала серию полностью совместимых друг с другом компьютеров от самых маленьких, размером с небольшой шкаф (меньше тогда еще не делали), до самых мощных и дорогих моделей. Наиболее распространенным в те годы было семейство System/360 фирмы IBM, на основе которого в СССР была разработана серия ЕС ЭВМ. Еще в начале 60-х появляются первые миникомпьютеры - небольшие маломощные компьютеры, доступные по цене небольшим фирмам или лабораториям. Миникомпьютеры представляли собой первый шаг на пути к персональным компьютерам, пробные образцы которых были выпущены только в середине 70-х годов.

Между тем количество элементов и соединений между ними, умещающихся в одной микросхеме, постоянно росло, и в 70-е годы интегральные схемы содержали уже тысячи транзисторов.

В 1971 г. фирма Intel, выпустив первый микропроцессор, который предназначался для только-только появившихся настольных калькуляторов. Этому изобретению суждено было произвести в следующем десятилетии настоящую революцию. Микропроцессор является главной составляющей частью современного персонального компьютера.

На рубеже 60-х и 70-х годов двадцатого столетия (1969 г) зародилась первая глобальная компьютерная сеть ARPA, прототип современного Интернета. В том же 1969 г. одновременно появились операционная система Unix и язык программирования С ("Си"), оказавшие огромное влияние на программный мир и до сих пор сохраняющие свое передовое положение.

Четвертое поколение (1975 – 1985) характеризуется все меньшим количеством принципиальных новаций в компьютерной науке. Прогресс идет в основном по пути развития того, что уже изобретено и придумано, прежде всего за счет повышения мощности и миниатюризации элементной базы и самих компьютеров.

Самая главная новация четвертого поколения – это появление в начале 80-х годов персональных компьютеров. Благодаря персональным компьютерам вычислительная техника становится по-настоящему массовой и общедоступной. Несмотря на то, что персональные и миникомпьютеры по-прежнему в вычислительных мощностях отстают от больших машин, львиная доля новшеств, таких как графический пользовательский интерфейс, новые периферийные устройства, глобальные сети, связана появлением и развитием именно этой техники.

Большие компьютеры и суперкомпьютеры, конечно же, продолжают развиваться. Но теперь они уже не доминируют на компьютерной арене, как было раньше.

Некоторые характеристики вычислительной техники четырех поколений приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Поколения вычислительной техники

Поколение
Основной элемент	Эл. лампа	Транзистор	Интегральная схема	Большая интегральная схема (микропроцессор)
Количество ЭВМ в мире (шт.)			Десятки тысяч	Миллионы
Размеры ЭВМ		Значительно меньше		микроЭВМ
Быстродействие (условное)операций/ сек	Несколько единиц	Несколько десятков	Несколько тысяч	Несколько десятков тысяч
Носитель информации	Перфокарта, Перфолента	Магнитная

Пятое поколение (1986 до настоящего времени) в значительной мере определяется результатами работы японского Комитета научных исследований в области ЭВМ, опубликованными в 1981г. Согласно этому проекту ЭВМ и вычислительные системы пятого поколения кроме высокой производительности и надежности при более низкой стоимости с помощью новейших технологий, должны удовлетворять следующим качественно новым функциональным требованиям:

 обеспечить простоту применения ЭВМ путем реализации систем ввода/вывода информации голосом, а также диалоговой обработки информации с использованием естественных языков;

 обеспечить возможность обучаемости, ассоциативных построений и логических выводов;

 упростить процесс создания программных средств путем автоматизации синтеза программ по спецификациям исходных требований на естественных языках;

 улучшить основные характеристики и эксплуатационные качества вычислительной техники для удовлетворения различных социальных задач, улучшить соотношения затрат и результатов, быстродействия, легкости, компактности ЭВМ;

 обеспечить разнообразие вычислительной техники, высокую адаптируемость к приложениям и надежность в эксплуатации.

В настоящее время ведутся интенсивные работы по созданию оптоэлектронных ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой, представляющих собой распределенную сеть большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем

Созданный ими компьютер работал в тысячу раз быстрее, чем «Марк-1». Но обнаружилось, что большую часть времени этот компьютер простаивал, ведь для задания метода расчётов (программы) в этом компьютере приходилось в течение нескольких часов или даже нескольких дней подсоединять нужным образом провода. А сам расчет после этого мог занять всего лишь несколько минут или даже секунд.

Чтобы упростить и ускорить процесс задания программ, Мокли и Эккерт стали конструировать новый компьютер, который мог бы хранить программу в своей памяти. В 1945 г. к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман , который подготовил доклад об этом компьютере. Доклад был разослан многим ученым и стал широко известен, поскольку в нем фон Нейман ясно и просто сформулировал общие принципы функционирования компьютеров, т. е. универсальных вычислительных устройств. И до сих пор подавляющее большинство компьютеров сделано в соответствии с теми принципами, которые изложил в своем докладе в 1945 г. Джон фон Нейман. Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 г. английским исследователем Морисом Уилксом .

Разработка первой электронной серийной машины UNIVAC (Universal Automatic Computer) начата примерно в 1947 г. Эккертом и Мокли, основавшими в декабре того же года фирму ECKERT-MAUCHLI. Первый образец машины (UNIVAC-1) был построен для бюро переписи США и пущен в эксплуатацию весной 1951 г. Синхронная, последовательного действия вычислительная машина UNIVAC-1 создана на базе ЭВМ ENIAC и EDVAC . Работала она с тактовой частотой 2.25 МГц и содержала около 5000 электронных ламп. Внутреннее запоминающее устройство с ёмкостью 1000 12-разрядных десятичных чисел было выполнено на 100 ртутных линиях задержки.

Вскоре после ввода в эксплуатацию машины UNIVAC-1 ее разработчики выдвинули идею автоматического программирования. Она сводилась к тому, чтобы машина сама могла подготавливать такую последовательность команд, которая нужна для решения данной задачи.

Сильным сдерживающим фактором в работе конструкторов ЭВМ начала 1950-х годов было отсутствие быстродействующей памяти. По словам одного из пионеров вычислительной техники Д. Эккерта, «архитектура машины определяется памятью». Исследователи сосредоточили свои усилия на запоминающих свойствах ферритовых колец, нанизанных на проволочные матрицы.

В 1951 г. Дж. Форрестер опубликовал статью о применении магнитных сердечников для хранения цифровой информации. В машине «Whirlwind-1» впервые была применена память на магнитных сердечниках. Она представляла собой 2 куба 32 х 32 х 17 с сердечниками, которые обеспечивали хранение 2048 слов для 16-разрядных двоичных чисел с одним разрядом контроля на четность.

Вскоре в разработку электронных компьютеров включается фирма IBM . В 1952 г. она выпустила свой первый промышленный электронный компьютер IBM 701, который представлял собой синхронную ЭВМ параллельного действия, содержащую 4000 электронных ламп и 12 000 германиевых диодов. Усовершенствованный вариант машины IBM 704 отличался высокой скоростью работы, в ней использовались индексные регистры и данные представлялись в форме с плавающей запятой.

IBM 704
После ЭВМ IBM 704 была выпущена машина IBM 709, которая, в архитектурном плане, приближалась к машинам второго и третьего поколений. В этой машине впервые была применена косвенная адресация и впервые появились каналы ввода-вывода.

В 1956 г. фирмой IBM были разработаны плавающие магнитные головки на воздушной подушке. Изобретение их позволило создать новый тип памяти - дисковые запоминающие устройства (ЗУ), значимость которых была в полной мере оценена в последующие десятилетия развития вычислительной техники. Первые ЗУ на дисках появились в машинах IBM 305 и RAMAC. Последняя имела пакет, состоявший из 50 металлических дисков с магнитным покрытием, которые вращались со скоростью 12 000 об./мин. На поверхности диска размещалось 100 дорожек для записи данных, по 10 000 знаков каждая.

Вслед за первым серийным компьютером UNIVAC-1 фирма Remington-Rand в 1952 г. выпустила ЭВМ UNIVAC-1103, которая работала в 50 раз быстрее. Позже в компьютере UNIVAC-1103 впервые были применены программные прерывания.

Сотрудники фирмы Rernington-Rand использовали алгебраическую форму записи алгоритмов под названием «Short Code» (пррвый интерпретатор, созданный в 1949 г. Джоном Мокли). Кроме того, необходимо отметить офицера ВМФ США и руководителя группы программистов, в то время капитана (в дальнейшем единственная в ВМФ женщина-адмирал) Грейс Хоппер , которая разработала первую программу-компилятор. Кстати, термин «компилятор» впервые ввела Г. Хоппер в 1951 г. Эта компилирующая программа производила трансляцию на машинный язык всей программы, записанной в удобной для обработки алгебраической форме. Г. Хоппер принадлежит также авторство термина «баг» в применении к компьютерам. Как-то через открытое окно в лабораторию залетел жук (по-английски - bug), который, сев на контакты, замкнул их, чем вызвал серьезную неисправность в работе машины. Обгоревший жук был подклеен в административный журнал, где фиксировались различные неисправности. Так был задокументирован первый баг в компьютерах.

Фирма IBM сделала первые шаги в области автоматизации программирования, создав в 1953 г. для машины IBM 701 «Систему быстрого кодирования». В СССР А. А. Ляпунов предложил один из первых языков программирования. В 1957 г. группа под руководством Д. Бэкуса завершила работу над ставшим впоследствии популярным первым языком программирования высокого уровня, получившим название ФОРТРАН . Язык, реализованный впервые на ЭВМ IBM 704, способствовал расширению сферы применения компьютеров.

Алексей Андреевич Ляпунов
В Великобритании в июле 1951 г. на конференции в Манчестерском университете М. Уилкс представил доклад «Наилучший метод конструирования автоматической машины», который стал пионерской работой по основам микропрограммирования. Предложенный им метод проектирования устройств управления нашел широкое применение.

Свою идею микропрограммирования М. Уилкс реализовал в 1957 г. при создании машины EDSAC-2. М. Уилкс совместно с Д. Уиллером и С. Гиллом в 1951 г. написали первый учебник по программированию «Составление программ для электронных счетных машин».

В 1956 г. фирма Ferranti выпустила ЭВМ «Pegasus», в которой впервые нашла воплощение концепция регистров общего назначения (РОН). С появлением РОН было устранено различие между индексными регистрами и аккумуляторами, и в распоряжении программиста оказался не один, а несколько регистров-аккумуляторов.

Появление персональных компьютеров

Вначале микропроцессоры использовались в различных специализированных устройствах, например в калькуляторах . Но в 1974 г. несколько фирм объявили о создании на основе микропроцессора Intel-8008 персонального компьютера, т. е. устройства, выполняющего те же функции, что и большой компьютер, но рассчитанного на одного пользователя. Вначале 1975 г. появился первый коммерчески распространяемый персональный компьютер «Альтаир-8800 » на основе микропроцессора Intel-8080 . Этот компьютер продавался по цене около 500 долл. И хотя возможности его были весьма ограничены (оперативная память составляла всего 256 байт, клавиатура и экран отсутствовали), его появление было встречено с большим энтузиазмом: в первые же месяцы было продано несколько тысяч комплектов машины. Покупатели снабжали этот компьютер дополнительными устройствами: монитором для вывода информации, клавиатурой, блоками расширения памяти и т. д. Вскоре эти устройства стали выпускаться другими фирмами. В конце 1975 г. Пол Аллен и Билл Гейтс (будущие основатели фирмы Microsoft) создали для компьютера «Альтаир» интерпретатор языка Basic , что позволило пользователям достаточно просто общаться с компьютером и легко писать для него программы. Это также способствовало росту популярности персональных компьютеров.

Успех «Альтаир-8800» заставил многие фирмы также заняться производством персональных компьютеров. Персональные компьютеры стали продаваться уже в полной комплектации, с клавиатурой и монитором, спрос на них составил десятки, а затем и сотни тысяч штук в год. Появилось несколько журналов, посвященных персональным компьютерам. Росту объема продаж весьма способствовали многочисленные полезные программы практического значения. Появились и коммерчески распространяемые программы, например программа для редактирования текстов WordStar и табличный процессор VisiCalc (1978 г. и 1979 г. соответственно). Эти и многие другие программы сделали покупку персональных компьютеров весьма выгодной для бизнеса: с их помощью стало возможно выполнять бухгалтерские расчеты, составлять документы и т. д. Использование же больших компьютеров для этих целей было слишком дорого.

В конце 1970-х годов распространение персональных компьютеров даже привело к некоторому снижению спроса на большие компьютеры и мини-компьютеры (мини-ЭВМ). Это стало предметом серьезного беспокойства фирмы IBM - ведущей компании по производству больших компьютеров, и в 1979 г. фирма IBM решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров. Однако руководство фирмы недооценило будущую важность этого рынка и рассматривало создание персонального компьютера всего лишь как мелкий эксперимент - что-то вроде одной из десятков проводившихся в фирме работ по созданию нового оборудования. Чтобы не тратить на этот эксперимент слишком много денег, руководство фирмы предоставило подразделению, ответственному за данный проект, невиданную в фирме свободу. В частности, ему было разрешено не конструировать персональный компьютер «с нуля», а использовать блоки, изготовленные другими фирмами. И это подразделение сполна использовало предоставленный шанс.

В качестве основного микропроцессора компьютера был выбран новейший тогда 16-разрядный микропроцессор Intel-8088 . Его использование позволило значительно увеличить потенциальные возможности компьютера, так как новый микропроцессор позволял работать с 1 мегабайтом памяти, а все имевшиеся тогда компьютеры были ограничены 64 килобайтами.

В августе 1981 г. новый компьютер под названием IBM PC был официально представлен публике, и вскоре после этого он приобрел большую популярность у пользователей. Через пару лет компьютер IBM PC занял ведущее место на рынке, вытеснив модели 8-битовых компьютеров.

IBM PC
Секрет популярности IBM PC в том, что фирма IBM не сделала свой компьютер единым неразъёмным устройством и не стала защищать его конструкцию патентами. Наоборот, она собрала компьютер из независимо изготовленных частей и не стала держать спецификации этих частей и способы их соединения в секрете. Напротив, принципы конструкции IBM PC были доступны всем желающим. Этот подход, называемый принципом открытой архитектуры, обеспечил потрясающий успех компьютеру IBM PC, хотя и лишил фирму IBM возможности единолично пользоваться плодами этого успеха. Вот как открытость архитектуры IBM PC повлияла на развитие персональных компьютеров.

Перспективность и популярность IBM PC сделала весьма привлекательным производство различных комплектующих и дополнительных устройств для IBM PC. Конкуренция между производителями привела к удешевлению комплектующих и устройств. Очень скоро многие фирмы перестали довольствоваться ролью производителей комплектующих для IBM PC и начали сами собирать компьютеры, совместимые с IBM PC. Поскольку этим фирмам не требовалось нести огромные издержки фирмы IBM на исследования и поддержание структуры громадной фирмы, они смогли продавать свои компьютеры значительно дешевле (иногда в 2-3 раза) аналогичных компьютеров фирмы IBM.

Совместимые с IBM PC компьютеры вначале презрительно называли «клонами», но эта кличка не прижилась, так как многие фирмы-производители IBM PC-совместимых компьютеров стали реализовывать технические достижения быстрее, чем сама IBM. Пользователи получили возможность самостоятельно модернизировать свои компьютеры и оснащать их дополнительными устройствами сотен различных производителей.

Персональные компьютеры будущего

Основой компьютеров будущего станут не кремниевые транзисторы , где передача информации осуществляется электронами, а оптические системы. Носителем информации станут фотоны, так как они легче и быстрее электронов. В результате компьютер станет более дешевым и более компактным. Но самое главное, что оптоэлектронное вычисление гораздо быстрее, чем то, что применяется сегодня, поэтому компьютер будет намного производительнее.

ПК будет мал по размерам и иметь мощь современных суперкомпьютеров . ПК станет хранилищем информации, охватывающей все аспекты нашей повседневной жизни, он не будет привязан к электрическим сетям. Этот ПК будет защищен от воров благодаря биометрическому сканеру , который будет узнавать своего владельца по отпечатку пальца.

Основным способом общения с компьютером будет голосовой. Настольный компьютер превратится в «моноблок», вернее, в гигантский компьютерный экран - интерактивный фотонный дисплей. Клавиатура не понадобится, так как все действия можно будет совершать прикосновением пальца. Но для тех, кто предпочитает клавиатуру, в любой момент на экране может быть создана виртуальная клавиатура и удалена тогда, когда в ней не будет нужды.

Компьютер станет операционной системой дома, и дом начнет реагировать на потребности хозяина, будет знать его предпочтения (приготовить кофе в 7 часов, запустить любимую музыку, записать нужную телепередачу, отрегулировать температуру и влажность и т. д.)

Размер экрана не будет играть никакой роли в компьютерах будущего. Он может быль большим, как ваш рабочий стол, или маленьким. Большие варианты компьютерных экранов будут основаны на жидких кристаллах, возбуждаемых фотонным способом, которые будут иметь гораздо более низкое энергопотребление, чем сегодняшние LCD-мониторы. Цвета будут яркими, а изображения - точными (возможны плазменные дисплеи). Фактически сегодняшняя концепция «разрешающей способности» будет в значительно степени атрофирована.

Историю развития вычислительной техники условно делят на 5 поколений.

1-е поколение (1945-1954 гг.) - время становления машин с фон-неймановской архитектурой (Джон фон Нейман), основанной на записывании программы и ее данных в память вычислительной машины. В этот период формируется типовой набор структурных элементов, входящих в состав ЭВМ. Типичная ЭВМ должна состоять из следующих узлов: центральный процессор (ЦП), оперативная память (или оперативное запоминающее устройство - ОЗУ) и устройства ввода-вывода (УВВ). ЦП, в свою очередь, должен состоять из арифметико-логического устройства (АЛУ) и управляющего устройства (УУ). Машины этого поколения работали на ламповой элементной базе, из-за чего поглощали огромное количество энергии и были очень ненадежны. С их помощью, в основном, решались научные задачи. Программы для этих машин уже можно было составлять не на машинном языке, а на языке ассемблера.

2-е поколение (1955-1964 гг.). Смену поколений определило появление новой элементной базы: вместо громоздкой лампы в ЭВМ стали применяться миниатюрные транзисторы, линии задержки как элементы оперативной памяти сменила память на магнитных сердечниках. Это в конечном итоге привело к уменьшению габаритов, повышению надежности и производительности ЭВМ. В архитектуре ЭВМ появились индексные регистры и аппаратные средства для выполнения операций с плавающей точкой. Были разработаны команды для вызова подпрограмм. Появились языки высокого уровня - Algol, FORTRAN, COBOL, - создавшие предпосылки для появления переносимого программного обеспечения, не зависящего от типа ЭВМ. С появлением языков высокого уровня возникли компиляторы для них; библиотеки стандартных подпрограмм и другие хорошо знакомые нам сейчас вещи: Важное новшество - это появление процессоров ввода-вывода. Эти специализированные процессоры позволили освободить ЦП от управления вводом-выводом и осуществлять ввод-вывод с помощью специализированного устройства одновременно с процессом вычислений. Для эффективного управления ресурсами машины стали использоваться операционные системы (ОС).

3-е поколение (1965-1970 гг.). Смена поколений вновь была обусловлена обновлением элементной базы: вместо транзисторов в различных узлах ЭВМ стали использоваться интегральные микросхемы различной степени интеграции. Микросхемы позволили разместить десятки элементов на пластине размером в несколько сантимметров. Это, в свою очередь, не только повысило производительность ЭВМ, но и снизило их габариты и стоимость. Увеличение мощности ЭВМ сделало возможным одновременное выполнение нескольких программ на одной ЭВМ. Для этого нужно было научиться координировать между собой одновременно выполняемые действия, для чего были расширены функции операционной системы. Одновременно с активными разработками в области аппаратных и архитектурных решений растет удельный вес разработок в области технологий программирования. В это время активно разрабатываются теоретические основы методов программирования, компиляции, баз данных, операционных систем и т. д. Создаются пакеты прикладных программ для самых различных областей жизнедеятельности человека. Наблюдается тенденция к созданию семейств ЭВМ, то есть машины становятся совместимы снизу вверх на программно-аппаратном уровне. Примерами таких семейств была серия IBM System 360 и наш отечественный аналог — ЕС ЭВМ.

4-е поколение (1970-1984 гг.). Очередная смена элементной базы привела к смене поколений. В 70-е годы активно ведутся работы по созданию больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС), которые позволили разместить на одном кристалле десятки тысяч элементов. Это повлекло дальнейшее существенное снижение размеров и стоимости ЭВМ. В начале 70-х годов фирмой Intel был выпущен микропроцессор (МП) i4004. И если до этого в мире вычислительной техники были только три направления (суперЭВМ, большие Э.ВМ (мэйнфреймы) и мини-ЭВМ), то теперь к ним прибавилось еще одно - микропроцессорное.

Процессором называется функциональный блок ЭВМ, предназначенный для логической и арифметической обработки информации на основе принципа микропрограммного управления. По аппаратной реализации процессоры можно разделить на микропроцессоры (полностью интегрирующие все функции процессора) и процессоры с малой и средней интеграцией. Конструктивно это выражается в том, что микропроцессоры реализуют все функции процессора на одном кристалле, а процессоры других типов реализуют их путем соединения большого количества микросхем.

5-е поколение можно назвать микропроцессорным. В 1976 году фирма Intel закончила разработку 16-разрядного микропроцессора i8086. Он имел достаточно большую разрядность регистров (16 бит) и системной шины адреса (20 бит), за счет чего мог адресовать до 1 Мбайт оперативной памяти. В 1982 году был создан i80286. Этот микропроцессор представлял собой улучшенный вариант i8086. Он поддерживал уже несколько режимов работы: реальный, когда формирование адреса производилось по правилам i8086, и защищенный, который аппаратно реализовывал многозадачность и управление виртуальной памятью, i80286 имел также большую разрядность шины адреса - 24 разряда против, 20 у i8086, и поэтому он мог адресовать до 16 Мбайт оперативной памяти. Первые компьютеры на базе этого микропроцессора появились в 1984 году. В 1985 году фирма Intel представила первый 32-разрядный микропроцессор i80386, аппаратно совместимый снизу вверх со всеми предыдущими микропроцессорами этой фирмы. Он был гораздо мощнее своих предшественников, имел 32-разрядную архитектуру и мог прямо адресовать до 4 Гбайт оперативной памяти. Микропроцессор i386 стал поддерживать новый режим работы - режим виртуального i8086, который обеспечил не только большую эффективность работу программ, разработанных для i8086, но и позволил осуществлять параллельную работу нескольких таких программ.

Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Цель урока:

1. познакомить с историей развития вычислительной техники, с устройствами, являющимися предшественниками компьютеров и их изобретателями
2. дать представление о связи развития ЭВМ с развитием человеческого общества,
3. познакомить с основными особенностями ЭВМ разных поколений.
4. Развитие познавательного интереса, умение использовать дополнительную литературу

Тип урока: изучение нового материала

Вид: урок-лекция

Программно-дидактическое обеспечение: ПК, слайды презентации с изображением основных устройств, портретов изобретателей и ученых.

План урока:

1. Организационный момент
2. Актуализация новых знаний
3. Предыстория компьютеров
4. Поколения ЭВМ (компьютеров)
5. Будущее компьютеров
6. Закрепление новых знаний
7. Подведение итогов урока
8. Домашнее задание

1. Организационный момент

Задача этапа : Подготовить учащихся к работе на уроке. (Проверить готовность класса к уроку, наличие школьных необходимых принадлежностей, посещаемость)

2. Актуализация новых знаний

Задача этапа : Подготовка учащихся к активному усвоению новых знаний, обеспечить мотивацию и принятие учащимися цели учебно – познавательной деятельности. Постановка целей урока.

Здравствуйте! Как вы думаете, какие технические изобретения особенно изменили способы труда человека?

(Ученики высказывают свои мнения по данному вопросу, по необходимости учитель их корректирует)

- Вы правы, действительно, основным техническим устройством, повлиявшим на труд человека, является изобретение компьютеров - электронно – вычислительных машин. Сегодня на уроке, мы с вами узнаем, какие вычислительные устройства предшествовали появлению компьютеров, как изменялись сами компьютеры, последовательность становления компьютера, когда машина предназначенная просто для счёта стала сложным техническим устройством. Тема нашего урока: «История вычислительной техники. Поколения компьютеров». Цель нашего урока: познакомиться с историей развития вычислительной техники, с устройствами, являющимися предшественниками компьютеров и их изобретателями познакомиться с основными особенностями ЭВМ разных поколений.

На уроке мы будем работать с помощью мультимедийной презентации, состоящей из 4-х разделов «Предыстория компьютеров», «Поколения компьютеров», «Галерея учёных», «Компьютерный словарь». В каждом разделе есть подраздел «Проверь себя» - это тест, в котором вы сразу узнаете результат.

3. Предыстория компьютеров

Обратить внимание учеников, что ЭВМ – это электронно-вычислительная машина, другое название «компьютер» или «computer» произошло от английского глагола «compute» – вычислять, поэтому слово «компьютер» можно перевести как «вычислитель». То есть и в слове ЭВМ и в слове компьютер главный смысл это вычисления. Хотя мы с вами хорошо знаем, что современные ЭВМ позволяют не только вычислять, но и создавать и обрабатывать тексты, рисунки, видео, звук. Заглянем в историю…

(параллельно оформляем в тетради таблицу «Предыстория компьютеров»)

«Предыстория компьютеров»

Древний человек счетом овладел раньше, чем письменностью. В качестве первого помощника в счете человек избрал свои пальцы. Именно наличие десяти пальцев легло в основу десятичной системы счисления. В разных странах говорят и пишут на разных языках, а считают одинаково. В 5-ом веке до н.э. греки и египтяне использовали для счета – АБАК – устройство, похожее на русские счеты.

Абак – греческое слово и переводится как счетная доска. Идея его устройства заключается в наличии специального вычислительного поля, где по определенным правилам перемещают счетные элементы. Действительно первоначально абак представлял собой доску, покрытую пылью или песком. На ней можно было чертить линии и перекладывать камешки. В Древней Греции абак служил преимущественно для выполнения денежных расчетов. В левой части подсчитывались крупные денежные единицы, а в правой – мелочь. Счет велся в двоично-пятеричной системе счислении. На такой доске было легко складывать и вычитать, добавляя или убирая камешки и перенося их из разряда в разряд.

Придя в Древний Рим абак, изменился внешне. Римляне стали изготавливать его из бронзы, слоновой кости или цветного стекла. На доске присутствовали два ряда прорезей, по которым можно было передвигать косточки. Абак превратился в настоящий счетный прибор, позволяющий представлять даже дроби, и был значительно удобнее греческого. Римляне называли это устройство calculare – «камешки». Отсюда произошел латинский глагол calculare – «вычислять», а от него – русское слово «калькулятор».

После падения Римской империи произошел упадок науки и культуры и абак был закрыт на некоторое время. Возродился он и распространился по Европе только в X веке. Абаком пользовались купцы, менялы, ремесленники. Даже спустя шесть столетий абак оставался важнейшим инструментом для выполнения вычислений.

Естественно, что в течение такого большого промежутка времени абак менял свой внешний вид и в XLL-XLLLвв.он приобрел форму так называемого счета на линиях, так и между ними. Такая форма счета в некоторых европейских странах сохранялась до конца XVLLLв. и лишь затем окончательно уступила место вычислениям на бумаге.

В Китае абак был известен с LV века до нашей эры. На специальной доске выкладывались счетные палочки. Постепенно их сменили разноцветные фишки, а в V веке появились китайские счеты – суан-пан. Они представляли собой раму с двумя рядами нанизанных на прутики косточек. На каждом прутике их было по семь. Из Китая суан-пан пришел в Японию. Произошло это в XVL веке и устройство получило название «соробан».

В Росси счеты появились в то же время, что и в Японии. Но русские счеты были изобретены самостоятельно, что доказывают следующие факторы. Во-первых, русские счеты очень сильно отличаются от китайских. Во-вторых, это изобретение имеет свою историю.

В России был распространен «счет костьми». Он был близок европейскому счету на линиях, но писцы использовали вместо жетонов плодовые косточки. В XVL возник дощаной счет, первый вариант русских счетов. Такие счеты хранятся сейчас в Историческом музе в Москве.

Счеты в России использовались почти 300 лет и сменили их только дешевые карманные калькуляторы.

Первое в мире автоматическое устройство, которое могло выполнять сложение, было создано на базе механических часов, и разработал его в 1623 году Вильгельм Шикард, профессор кафедры восточных языков в одном из университетов Германии. Но неоценимый вклад в развитие устройств помогающих выполнять вычисления, безусловно внесли Блез Паскаль, Годфрид Лейбниц и Чарльз Беббидж.

В 1642 году один из крупнейших ученых в истории человечества – французский математик, физик, философ и богослов Блез Паскаль изобрел и изготовил механическое устройство для складывания и вычитания чисел – АРИФМОМЕТР. ? Как вы думаете, из какого материала был сделан первый в истории арифмометр? (дерево).

Главная идея конструкции будущей машины была сформирована – автоматический перенос разряда. «Каждое колесо… некоторого разряда, совершая движение на десять арифметических цифр, заставляет двигаться следующее только на одну цифру» - эта формула изобретения утверждала приоритет Блеза Паскаля в изобретении и закрепила за ним право производить и продавать машины.

Машина Паскаля осуществляла сложение чисел на специальных дисках - колесиках. Десятичные цифры пятизначного числа задавались поворотами дисков, на которые были нанесены цифровые деления. Результат читался в окошечках. Диски имели один удлиненный зуб, чтобы можно было учесть перенос в следующий разряд.

Исходные числа задавались поворотами наборных колес, вращение ручки приводило в движение различные шестерни и валики, в итоге специальные колеса с цифрами показывали результат выполнения сложения или вычитания.

Паскаль был одним из величайших гениев человечества. Он был математиком, физиком, механиком, изобретателем, писателем. Его имя носят теоремы математики и законы физики. В физике есть единица измерения давления Паскаль. В информатике его имя носит один из самых популярных языков программирования.

В 1673 году немецкий математик и философ Готфрид Вильгельм Лейбниц изобрел и изготовил арифмометр, который мог не только складывать и вычитать числа, но и умножать и делить. Скудость, примитивность первых вычислительных аппаратов не помешала Паскалю и Лейбницу высказать ряд интересных идей о роли вычислительной техники в будущем. Лейбниц писал о машинах, которые будут работать не только с числами, но и сос словами, понятиями, формулами, могли выполнять логические операции. Эта идея большинству современников Лейбница казалась абсурдом. В 18 веке взгляды Лейбница были осмеяны великим английским сатириком Дж.Свифтом, автором известного романа «Путешествия Гулливера».

Лишь в 20-ом веке стала понятна значительность идей Паскаля и Лейбница.

Наряду с устройствами для вычислений развивались и механизмы для АВТОМАТИЧЕСКОЙ РАБОТЫ ПО ЗАДАННОЙ ПРОГРАММЕ (музыкальные автоматы, часы с боем, ткацкие станки Жаккарда).

В начале 19-го века английский математик Чарльз Беббидж, занимавшийся составлением таблиц для навигации, разработал ПРОЕКТ вычислительной «аналитической» машины, в основе которого лежал ПРИНЦИП ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ (ППУ). Новаторская мысль Беббиджа была подхвачена и развита его ученицей Адой Лавлейс, дочерью поэта Джорджа Байрона – которая стала первой программисткой в мире. Однако практическая реализация проекта Беббиджа была невозможной из-за недостаточного развития промышленности и техники.

Основные элементы машины Беббиджа, присущие современному компьютеру:

1. Склад – устройство, где хранятся исходные числа и промежуточные результаты. В современно компьютере это память.
2. Фабрика – арифметическое устройство, в котором осуществляются операции над числами, взятые из Склада. В современном компьютере это Процессор.
3. Блоки ввода исходных данных – устройство ввода.
4. Печать результатов – устройство вывода.

Архитектура машины практически соответствует архитектуре современных ЭВМ, а команды, которые выполняла аналитическая машина, в основном включают все команды процессора.

Интересным историческим фактом является то, что первую программу для аналитической машины написал Ада Августа Лавлейс – дочь великого английского поэта Джорджа Байрона. Именно Беббидж заразил ее идеей создания вычислительной машины.

Идея программирования механических устройств с помощь перфокарты впервые была реализована в 1804 году в ткацком станке. Впервые применили их конструкторы ткацких станков. Преуспел в этом дел лондонский ткач Жозеф Мари Жаккард. В 1801 году он создал автоматический ткацкий станок, управляемый перфокартами.

Нить поднималась или опускалась при каждом ходе челнока в зависимости от того, есть отверстие или нет. Поперечная нить могла обходить каждую продольную той Ии иной стороны в зависимости от программы на перфокарте, создавая тем самым затейливый узор из переплетенных нитей. Такое плетение получило название «жаккард» и считается одним из самых сложных и запутанных плетений. Такой ткацкий станок, работающий по программе, был первым массовым промышленным устройством и считается одним из самых совершенных машин, когда-либо созданных человеком.

Идея записи программы на перфокарте пришла в голову и первой программистке Аде Августе Лавлейс. Именно она предложила использовать перфорированные карты в аналитической машине Беббиджа. В частности, в одном из писем она писала: «Аналитическая машина точно так же плетет алгебраические узоры, как ткацкий станок воспроизводит цвета и листья».

Герман Холлерит также использовал в своей машине перфокарты для записи и обработки информации. Перфокарты использовались и в компьютерах первого поколения.

До 40-х годов двадцатого века вычислительная техника представлялась арифмометрами, которые из механических стали электрическими, где электромагнитные реле затрачивали на умножение чисел несколько секунд, которые работали точно по тем же принципам, как и арифмометры Паскаля и Лейбница. Кроме того, они были очень ненадежны, часто ломались. Интересно, что однажды причиной поломки электрического арифмометра оказался мотылек, застрявший в реле, по-английски «мотылек, жук» – bug, отсюда появилось понятие «жучок» как неполадка в ЭВМ.

Герман Холлерит родился 29 февраля 1860 года в американском городе Буффало в семье немецких эмигрантов. Герману легко давались математика и естественные науки, и в 15 лет он поступил в Горную школу при Колумбийском университете. На способного юношу обратил внимание профессор того же университета и пригласил его после окончания школы в возглавляемое им национальное бюро по переписи населения. Перепись населения производилась каждые десять лет. Население постоянно росло, и ее численность в США к тому времени составляло около 50 миллионов человек. Заполнить на каждого человека карточку вручную, а затем подсчитать и обработать результаты, было практически невозможно. Этот процесс затянулся на несколько лет, почти до следующей переписи. Необходимо было найти выход из этой ситуации. Герману Холлериту идею механизировать этот процесс подсказал доктор Джон Биллингс, возглавлявший департамент сводных данных. Он предложил использовать для записи информации перфокарты. Свою машину Холлерит назвал табулятором и в 1887 году он был опробован в Балтиморе. Результаты оказались положительными, и эксперимент повторили в Сент-Луисе. Выигрыш во времени был почти десятикратным. Правительство США сразу же заключило с Холлеритом контракт на поставку табуляторов, и уже в 1890 году перепись населения прошла с использованием машин. Обработка результатов заняла менее двух лет и сэкономила 5 миллионов долларов. Система Холлерита не только обеспечивала высокую скорость, но и позволяла сравнить статистические данные по самым разным параметрам. Холлерит разработал удобный клавишный перфоратор, позволяющий пробивать около 100 отверстий в минуту одновременно на нескольких картах, автоматизировал процедур подачи и сортировки перфокарт. Сортировку осуществляло устройство в виде набора ящиков с крышками. Перфокарты продвигались по своеобразному конвейеру. С одной стороны карты находились считывающие штыри на пружинках, с другой – резервуар с ртутью. Когда штырь попадал в отверстие на перфокарте, то благодаря ртути, находящейся на другой стороне, замыкал электрическую цепь. Крышка соответствующего ящика открывалась и туда попадала перфокарта. Табулятор использовали для переписи населении в нескольких странах.

В 1896 году герма Холлерит сновал компанию Tabulating Machine Company (TMC) и его машины применялись повсюду – и на крупных промышленных предприятиях и в обычных фирмах. И в 1900 году табулятор использовался для переписи населения. переименовывает фирму в IBM (International Business Machines).

4. Поколения ЭВМ (компьютеров)

(параллельно оформляем записи в тетради и таблицу «Поколения ЭВМ (компьютеров)»)

ПОКОЛЕНИЯ ЭВМ
№	период	Элементная база	Быстро-действие (оп/сек.)	Носители информации	программы	применение	Примеры ЭВМ
I
II
III
IV
V

I поколение ЭВМ: В 30-х годах 20-го века в развитии физики произошел прорыв, коренной переворот. В вычислительных машинах стали использоваться уже не колеса, валики и реле, а вакуумные электронные лампы. Переход от электромеханических элементов к электронным сразу увеличил быстродействие машин в сотни раз. Первая действующая ЭВМ была построена в США в 1945 году, в университете штата Пенсильвания учеными Эккертом и Моучли и называлась ЭНИАК. Эта машина была построена по заказу министерства обороны США для средств ПВО, для автоматизации управления. Чтобы правильно рассчитать траекторию и скорость движения снаряда для поражения воздушной цели, надо было решить систему из 6-ти дифференциальных уравнений. Эту задачу и должна была решать первая ЭВМ. Первая ЭВМ занимала два этажа одного здания, весила 30 тонн и состояла из десятков тысяч электронных ламп, которые соединялись проводами, общая протяженность которых составляла 10 тысяч км. Когда ЭВМ ЭНИАК работала, электричество в городке отключалась, так много электричества потреблялось этой машиной, электронные лампы быстро перегревались и выходили из строя. Целая группа студентов занималась только тем, что непрерывно искала и заменяла перегоревшие лампы.

В СССР основоположником вычислительной техники стал Сергей Алексеевич Лебедев, создавший МЭСМ (малая счетная машина) 1951 год (Киев) и БЭСМ (быстродействующая ЭСМ) – 1952 г., Москва.

II поколение: В 1948 году американским ученым Уолтером Брайттеном был изобретен ТРАНЗИСТОР, полупроводниковый прибор, который заменил радиолампы. Транзистор был намного меньше радиолампы, был более надежным и потреблял намного меньше электричества, он один заменял 40 электронных ламп! Вычислительные машины стали меньше в размерах и значительно дешевле, их быстродействие достигло нескольких сот операций в секунду. Теперь ЭВМ были размером с холодильник, их могли приобрести и использовать научные и технические институты. В то время СССР шел в ногу со временем и выпускал ЭВМ мирового уровня БЭСМ-6.

III поколение: Вторая половина 20-го века характеризуется бурным развитием науки и техники, особенно физики полупроводников и с 1964 года транзисторы стали размещать на микросхемах, выполненных на поверхностях кристаллов. Это позволило преодолеть миллионный барьер в быстродействии.

IV поколение: Начиная с 1980 года ученые научились на одном кристалле размещать несколько интегральных микросхем, развитие микроэлектроники привело к созданию микропроцессоров. Кристалл ИС меньше и тоньше контактной линзы. Быстродействие современных ЭВМ исчисляется сотнями миллионов операций в секунду.

В 1977 году появился первый ПК (персональный компьютер) фирмы Apple Macintosh. С 1981 года лидером в производстве ПК стала фирма IBM (International Business Machine), эта фирма работала на рынке США еще с 19-го века и выпускала различные устройства для офисов – счеты, арифмометры ручки и т.д. и зарекомендовала себя как надежная фирма, которой доверяло большинство деловых людей в США. Но не только поэтому ПК IBM были намного популярнее, чем ПК Apple Macintosh. ПК Apple Macintosh представляли собой “черный ящик” для пользователя – он не разобрать модернизировать ПК, присоединять к ПК новые устройства, а ПК IBM были открыты для пользователя и тем самым позволяли собирать ПК как детский конструктор, поэтому большинство пользователей выбрали ПК IBM. Хотя мы с вами при слове ЭВМ представляем именно ПК, но существуют задачи, которые даже современные ПК решить не могут, с которыми могут справиться только суперЭВМ, быстродействие которых исчисляется миллиардами операций в секунду.

Научная школа Лебедева по своим результатам успешно соперничала с ведущей фирмой США IBM . Среди ученых мира, современников Лебедева, нет человека, который подобно ему обладал бы столь мощным творческим потенциалом, чтобы охватить своей научной деятельностью период от создания первых ламповых ЭВМ до сверхбыстродействующей суперЭВМ. Когда американский ученый Норберт Винер, которого называют «первый киберпророк», в 1960 году приезжал в СССР, он отметил « Они совсем немного отстают от нас в аппаратуре, зато далеко впереди нас в ТЕОРИИ автоматизации». К сожалению, в 60-х годах наука кибернетика подвергалась гонениям, как «буржуазная лженаука», ученых-кибернетиков сажали в тюрьмы, из-за чего советская электроника стала заметно отставать от зарубежной. Хотя создавать новые ЭВМ становилось невозможным, запретить мыслить ученым никто не мог. Поэтому до сих пор наши российские ученые опережают мировую научную мысль в области теории автоматизации.

Для разработки программ для ЭВМ создавались различные языки программирования (алгоритмические языки). Фортран FORTRAN – FORmula TRANslated – первый язык, создан в 1956 году Дж. Бэкусом. В 1961 году появился Бейсик BASIC (Beginners All-purpose Simbolic Instartion Code –многоцелевой язык символических инструкций для начинающих) Т.Куртц, дж. Кемени.В 1971 году профессор Цюрихского университета Николас Вирт создал язык Паскаль Pascal, который назвал в честь ученого Блеза Паскаля. Создавались и другие языки: Ада, Алгол, Кобол, Си, Пролог, Фред, Лого, Лисп и др. Но до сих пор самым популярным языком программирования является Паскаль, многие более поздние языки взяли из Паскаля основные команды и принципы построения программы, например язык Си, Си+ и система программирования Delphi, даже Бейсик, изменившись позаимствовал из Паскаля его структурированность и универсальность. Мы с вами в 11-ом классе будем изучать язык Паскаль и научимся создавать программы для решения задач с формулами, для обработки текста, научимся рисовать и создавать движущиеся рисунки.

Суперкомпьютеры

5. Будущее компьютеров

• Преимущества искусственного интеллекта (ИИ):
• Молекулярные компьютеры
• Биокомпьютеры
• Оптические компьютеры
• Квантовые компьютеры

6. Закрепление новых знаний

Закрепление нового материала возможно с помощью теста в мультимедийной презентации к уроку: раздел «Проверь себя» в каждой части презентации: «Предыстория компьютеров», «Поколения ЭВМ», «Галерея учёных».

Проверка знаний по данной теме возможно с помощью тестов «История вычислительной техники» (Приложение 1 ) в 4-х вариантах и тест об учёных «Информатика в лицах» (Приложение 2 )

7. Подведение итогов урока

Проверка заполненных таблиц (Приложение 3 )

8. Домашнее задание

• лекция в тетради по презентации, таблицы «Предыстория компьютеров», «Поколения ЭВМ»
• подготовить сообщение про 5-ое поколение ЭВМ (будущее компьютеров)