История развития электронно-вычислительных машин

Введение

В развитии науки и техники время от времени имеют место события и факты, которые меняют их продвижение. Такими решающими событиями являются фундаментальные научные идеи, теории, открытия, изобретения, вызывающие научные и научно-технические революции, давая начало новым этапам научно-технологического развития.
Стремительное развитие общества в послевоенные годы поставило перед учеными советского времени задачу создания новых машин - управляемых устройств, способных выполнять сложные задачи для повышения эффективности развития народного хозяйства. Именно в это время появляется новая наука - кибернетика, становление которой обусловлено развитием технических средств обработки информации.
Устройства электронно - вычислительной техники позволили человечеству войти в информационную эру. Развитие ЭВМ повлияло абсолютно на все отрасли деятельности человека.


1 Эволюция развития электронно-вычислительных машин

В эволюции развития электронно-вычислительных машин можно выделить следующие основные ключевые события:
1. В 1941 г. К. Цузе (Германия) создал вычислительную машину «Z-3». Эта машина была последовательной цифровой вычислительной машиной с двоичным представлением информации и аппаратурной системой вычисления кодов 10 - 2 (ввод и вывод - десятичные числа с плавающей запятой), которая выполняла 8 команд.
2. В 1957 г. было закончено начатая по инициативе С. А. Лебедева работа над специализированной электронной счетной машиной «СЭСМ», которая предназначалась для решения систем линейных алгебраических уравнений высших порядков. Впоследствии, в 1959 г. была введена в эксплуатацию универсальная электронная вычислительная машина «Киев» (первая в СССР большая асинхронная ЭЦВМ с полностью автоматизированным оборудованием), которая была построена под руководством В. М. Глушкова и Л. Н. Дашевского.
3. В 1964 гг. в США был начат серийный выпуск известной модели ЭВМ IBM Series / 360 (или кратко IBM / 360), а уже к 1970 году серия включала 11 моделей.
4. В 1974 г. Е. Робертсом на основе процессора Intel-8080 был создан первый персональный компьютер (ПК) Altair-8800. Для Altair-8800 П. Аллен и Б. Гейтс создали транслятор с программной речью Basic, существенно увеличив интеллектуальность первого ПК.
5. В начале 90-х годов появляются первые ЭВМ, характеризующиеся с переходом на микропроцессорные схемы. С точки зрения структурного построения для таких ЭВМ характерна максимальная децентрализация управления, с точки зрения программного и математического обеспечения - переход на работу в программных средах и оболочках.
Эти ключевые события определили основные этапы развития ЭВМ в мировом контексте:
ЭТАП 1 (1941-1956). Первое поколение ЭВМ.
ЭТАП 2 (1957-1963). ЦВМ (центральные вычислительные машины). Второе поколение ЭВМ.
ЭТАП 3 (1964-1973). Третье поколение ЭВМ.
ЭТАП 4 (1974-1990). Четвертое поколение ЭВМ.
ЭТАП 5 (с 1991). Пятое поколение ЭВМ.


2 Характеристика этапов развития ЭВМ

В 1936 г. появились труды английского математика и логика А. Тьюринга и американского ученого Э. Поста, в которых изучался процесс преобразования информации. Ученые независимо друг от друга пришли к выводу о возможности универсального преобразователя информации и дали теоретическое описание преобразователя, похожего на современную ЭВМ.
Первые попытки создать ЭВМ с использованием электронных схем принадлежат Г. Шрееру (Германия, 1938 г.), который разработал 100-ламповое арифметическое устройство для десятиразрядных двоичных чисел.
ЭТАП 1 (1941-1956 гг.). Первые ЭВМ. Ключевая роль в разработке электрорелейных компьютеров для научно-технических расчетов принадлежит К. Цузе (Германия) и Г. Эйкену, Дж. Стибицу (США). Первыми разработками таких ЭВМ, является комплексный вычислитель Дж. Стибица «БЕЛЛ» (1940 г.) с ручным вводом команд, интерполятор «БЕЛЛ-2» (1942 г.) со схемой выявления ошибок и универсальные центральные вычислительные машины (ЦВМ) «Z-3» (1941 г.) и «МАРК-I» (февраль 1944 г.), которые имели полностью автоматическое управление с последовательностью операций от внешних устройств считывания программ. «Z-3» является последовательной ЦВМ с двоичным представлением информации и аппаратурной системой вычисления кодов 10 - 2 (Ввод и вывод - десятичные числа с плавающей запятой), которая выполняла 8 команд. Кроме 4 арифметических действий они включали еще операцию выноса из-под квадратного корня. Операции выполнялись с плавающей запятой. Время, которое отводилось на добавление, составляло 0,3 с, на умножение - 4 с, объем памяти (в релейных схемах) составлял 64 числа разрядности, 22 двоичных знаков, из которых 7 разрядов отводились для порядка и один разряд - для знака числа. Эту машину, которая имела все свойства современного компьютера, использовали для проверки расчетов, а составленные программы - для определения собственных значений сложных матриц при решении задач аэродинамики.
По сравнению с Г. Шреером более результативными стали труды А. Тьюринга, который создал ЭВМ «Колоссус» на 2 тыс. ламп (Великобритания, 1943 г.), и работы Дж. Мокли, Дж. Эккерта (США, 1942-1946 гг.). по созданию десятичной ЭВМ «Эниак», которая насчитывала более 18 тыс. ламп. Отметим, что ЭВМ «Эниак» была предназначена для решения систем пяти дифференциальных уравнений в частных производных, однако ее использование в качестве универсальной машины ограничивалось малым объемом памяти.
Следует отметить, что «Эниак» работала с помощью перфокарт. В 1948 г. был введен дешифратор команд, что позволило впервые хранить программу в памяти постоянного типа в виде последовательности из ста пар десятичных разрядов и облегчило процедуру перехода от одной задачи к другой. К сожалению, память постоянного типа позволяла считывать программы, однако была неприменимой к оперативной записи произвольных необходимых программ. Это означало, что «Эниак» не имела свойства универсальных преобразований информации и несмотря на модернизацию оставалась специализированной ЭВМ.
Со временем в истории создания ЭВМ начала появляться классификация поколений ЭВМ, которая и существует по сей день.
Особенность ЭВМ первого поколения заключается в том, что логические схемы для них создавались на дискретных радиодеталях и электронных вакуумных лампах с нитью накала

. В оперативных запоминающих устройствах использовались магнитные барабаны, акустические ультразвуковые ртутные и электромагнитные линии задержки, электронно-лучевые трубки. В качестве внешних запоминающих устройств применялись накопители на магнитных лентах, перфокартах, перфолентах и ​​штекерные коммутаторы.
Программирование работы ЭВМ этого поколения выполнялось в двоичной системе счисления на машинном языке, то есть программы были жестко ориентированы на конкретную модель машины и «умирали» вместе с ней.
В середине 1950-х гг. ХХ в. появились машинно-ориентированные языки типа языков символического кодирования (ЯСК), которые позволяли вместо двоичной записи команд и адресов использовать их сокращенную словесную (буквенную) запись и десятичные числа.
В 1956 г. был создан первый язык программирования высокого уровня для математических задач - язык Фортран, а в 1958 г. - универсальный язык программирования Алгол.
К ЭВМ первого поколения принадлежала ЭВМ «Стрела», разработанная в 1953 г. под руководством Ю. Я. Базилевского. Эта ЭВМ имела 8000 электронных ламп и около 2 тыс. полупроводниковых диодов, потребляемую мощность около 150 кВт, ее быстродействие доходило до 2 тыс. операций в секунду. Она могла выполнять 15 арифметических и логических операций. Ее оперативное устройство, созданное на электронно-лучевых трубках (43 трубки), имело емкость 2048 цифр по 43 пожизненных разрядов каждое.
Внешняя память ЭВМ «Стрела» была реализована на магнитных лентах. «Стрела» имела дополнительное постоянное запоминающее устройство высокого быстродействия, которое было способно хранить 512 команд и чисел, что позволяло постоянно хранить в машине 16 стандартных наиболее востребованных программ и 256 основных констант.
Что же касается устройств вывода информации, то кроме обычных для того времени устройств выдачи на перфокарты и магнитную ленту ЭВМ «Стрела» имела также широкоформатное печатающее устройство, что позволяет получать результаты расчета в виде документа на широкой бумажной ленте привычного канцелярского формата.
Результаты на ней выглядели привычно, к тому же легко читались. ЭВМ «Стрела» занимала до 200 кв. м площади; с учетом внешних устройств, принудительного кондиционирования воздуха и электропитания - более 400 кв. м.
ЭВМ «Стрела» имела также совершенную и достаточно гибкую систему программирования, наиболее полную библиотеку стандартных программ, что способствовало большему использованию ее вычислительных и логических возможностей.
ЭТАП 2 (1957-1963 гг.). ЦВМ (центральные вычислительные машины). Второе поколение ЭВМ. В середине 50-х гг. ХХ в. уровень разработок в области полупроводниковой техники достиг широкого развития, что привело к проектированию серийных транзисторных универсальных центральных вычислительных машин (ЦВМ) и перехода на рубеже 60-х гг. ХХ в. к выпуску таких ЦВМ.
Так, в 1955 г. фирма «Америкен Бош Арма» (США) выпустила первый экземпляр бортовой ЦВМ для установки на межконтинентальной баллистической ракете «Атлас». Следует отметить, что первые серийные универсальные не транзисторные ЭВМ невоенного назначения были введены в эксплуатацию в 1958 г. одновременно в нескольких странах (США, Япония и ФРГ). В ноябре 1958 г. в США были введены в эксплуатацию первые экземпляры серийных моделей универсальных ЦВМ высокого класса «Филком-2000 - 210» (корпорация «Филком») и малой ЦВМ «Рекомп-2» (отделение «Аутонетикс» компании «Норт Американ Авиэйшн»).
В октябре 1958 г. в Японии введены в эксплуатацию две малые серийные транзисторные ЦВМ Н-1 (компания «Хокушин Электрик Уоркс») и Неак-2201 («Нипон Электрик»).
В процессе разработки первых ЭВМ стало понятно, что они должны включать такие элементы: запоминающее устройство (ЗУ), предназначенное для хранения информации (программы), исходных данных, промежуточных и конечных результатов задач; арифметическое (или арифметико-логическое) устройство (АЛУ), предназначенное для выполнения арифметических и логических операций; устройство управления (УУ), предназначенное для координации работы устройств; устройства ввода-вывода, обеспечивающих ввод в ЭВМ входной информации и вывода из ЭВМ результатов ее переработки; пульт управления (ПУ), который осуществляет запуск и остановку ЭВМ, контроль вычислений, управление режимом работы ЭВМ.
Таким образом, второе поколение ЭВМ характеризуется логическими схемами, которые строились на дискретных полупроводниковых и магнитных элементах (диоды, биполярные транзисторы). В качестве конструктивно-технологической основы использовались схемы с печатным монтажом (платы из фольгированного гетинакса). Стал широко использоваться блочный принцип конструирования ЭВМ, который позволяет подключать к основным устройствам большое количество разнообразных внешних устройств, что обеспечивает большую гибкость использования ЭВМ. Тактовые частоты работы электронных схем повысились до сотен кГц.
Стали применяться внешние накопители информации на жестких магнитных дисках и на флоппи-дисках - промежуточный уровень памяти между накопителями на магнитных лентах и ​​оперативной памятью.
Созданные на основе компьютеров системы управления требовали от ЭВМ более высокой производительности, а главное - надежности.
В компьютерах стали широко использоваться коды с обнаружением и исправлением ошибок, встроенные схемы контроля.
Отметим, что в ЭВМ второго поколения впервые было реализовано режимы пакетной обработки и телеобработки информации.
Особого внимания заслуживает быстродействующая советская ЭВМ второго поколения «БЭСМ-6». Ее скорость достигает 1 млн. операций в секунду. Ее оперативное запоминающее устройство составило 32000 цифр, внешняя память - 16 магнитных барабанов по 32 тыс. каждый.
Ввод данных осуществлялся со скоростью 700 перфокарт в минуту: быстродействующее печатающее устройство давало 400 строк по 128 знаков в минуту.
ЭВМ «БЭСМ-6» составляла до 60 тыс