Часть 1. Аппаратное и программное обеспечение вычислительных машин.

1. История развития вычислительных машин.

Развитие вычислительных машин можно разделить на следующие этапы:

1. механический – абак, счеты, логарифмическая линейка, арифмометры, механические вычислительные машины;

2. электромеханический – создание электромагнитного реле и на его основе табуляторов;

3. электронный этап – создание диодов (1904г, Джон Флеминг), триодов (1906г., Ли де Форест), реле, триггеров, транзисторов и появление ламповых и транзисторных ЭВМ;

4. микроэлектронный этап – создание интегральной микросхемы (1958г.) и персональных ЭВМ (1971г. микропроцессор Intel 4004).

1 – механический этап.

Абак – доска, посыпанная тонким слоем песка, не ней можно писать буквы и цифры. Впоследствии на доске появились углубления, по которым перемещали кости и камешки.

Одним из первых вычислительных механизмов были счеты. Их история уходит корнями в античную Грецию и Рим.

Первые машины создавались как вычислительные приспособления. В число их изобретателей входят француз Блез Паскаль (1623-1662), немец Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646-1716) и англичанин Чарльз Бэббидж (1792-1871). В этих машинах данные были представлены различными положениями регистров, причем ввод данных осуществлялся механическим установлением регистров в нужное положение. Выходные данные на машинах Паскаля и Лейбница можно было получить, наблюдая за конечным положением регистров, так же как мы читаем числа на счетчике пройденных километров автомобиля. В отличие от них Бэббидж работал над машиной (названной им Аналитической, 1833г.), которая бы распечатывала полученные значения на бумаге, так чтобы была исключена возможность ошибки при расшифровке результата. Получилось устройство с тремя основными блоками: 1 – для хранения чисел на регистрах и зубчатых колесах и передачи чисел от одного узла к другому (память); 2 – блок, выполняющий арифметические операции; 3 – блок управления последовательностью команд. Машина приводилась в действие силой пара, программы вводились с помощью перфорированных карт.

2 – электромеханический этап

Исследователем, использовавшим идею Жаккарда (ткацкий станок), был Герман Холлерит (1860-1929), который применил способ кодирования информации в виде отверстий на бумажных картах для ускорения процесса составления таблиц во время переписи населения в Америке в 1890 году.

В 1925 году В.Буш создает первую вычислительную машину на электрических реле. Это был первый шаг в технологии, но не в автоматизации. Управление счетом все еще возлагалось на человека.

Примером прогресса в электронике являются электромеханическая машина Джорджа Стибица, построенная в 1940 году компанией Bell Laboratories, и машина Маrk, собранная Говардом Эйкеном и группой инженеров IВМ в 1944 году в Гарвардском университете.

3 – электронный этап

По-видимому, первой электронной машиной была машина Атанасова-Берри, построенная в период с 1937 по 1941 год в колледже штата Айова Джоном Атанасовым и его ассистентом Клиффордом Бери. Скоро последовали другие, более гибкие машины, такие как ENIAC (электронно-цифровой интегратор и вычислитель), разработанная Джоном Моучли и Проспером Эккертом в Электротехнической школе Мура университета штата Пенсильвания. Она имела в своем составе 18тыс. электронных ламп, потребляла более 100кВт электроэнергии, весила 30т и занимала комнату длиной 30м. Сложение и вычитание производились за 200мкс (в 1000 раз быстрее, чем у Mark), умножение – за 2300мкс. ENIAC предназначалась для решения дифференциальных уравнений в задачах расчета траекторий, т.е. была специализированной. На этих машинах не было программного обеспечения. Чтобы ввести в них программу, надо было несколько дней подсоединять к ней нужным образом провода. Моучли и Эккерт стали конструировать машину, которая могла бы хранить в своей памяти программу. В 1945 году к этой работе был подключен знаменитый математик Джон фон Нейман, который сформулировал общие принципы функционирования вычислительных устройств, т.е. компьютеров.

Согласно этим принципам компьютер должен иметь:

1. арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции.

2. устройство управления, которое организует процесс выполнения программ.

3. запоминающее устройство или память для хранения программ и данных.

4. внешние устройства для ввода информации.

Первый компьютер, в котором были воплощены принципы Джона фон Неймана, был построен в 1949 году английским исследователем Морисом Уилксом (на транзисторах).

Первая отечественная ЭВМ – МЭСМ (малая электронная машина) была разработана в 1950 году под руководством академика С.А. Лебедева. Она могла обрабатывать 50 операций в секунду и хранить в оперативной памяти 31 число и 63 команды. В СССР в 50-х годах создаются ЭВМ Раздан, Наири, Мир, в которых используются транзисторы.

4 – микроэлектронный этап

Первый шаг к уменьшению размеров ЭВМ стал возможен с изобретением в 1948 году транзисторов. До появления интегральных схем транзисторы изготовлялись по отдельности и в процессе сборки схем соединялись проводами вручную.

В 1958 Джек Колби придумал, как на одной пластине полупроводника получить несколько транзисторов.

В 1959 году Роберт Нойс (будущий основатель фирмы INTEL) изобрел метод, позволяющий создавать на одной пластине и транзисторы, и все необходимые соединения между ними. Полученные электронные схемы стали называть интегральными или чипами.

В 1968 году был выпущен первый компьютер на интегральных схемах.

В 1970 году фирма INTEL сконструировала интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большой ЭВМ.

В 1975 году появился первый компьютер, построенный на основе микропроцессора INTEL (Altair-8800).

Стив Джобс и Стефан Возняк создали в 1976 году коммерчески жизнеспособный домашний компьютер и основали компанию Аррlе Computer для их производства и продажи.

В августе 1981 года фирмой IBM был представлен настольный компьютер (названный персональным) под названием IBM PC. В нем использовался 16-разрядный микропроцессор INTEL-8088, 1 Мбайт памяти, ОС - DOS. Программное обеспечение для этого компьютера было разработано молодой развивающейся компанией Microsoft.[1]

В СССР в 1967 году была создана БЭСМ-6 с быстродействием 1млн. операций в сек, емкость оперативной памяти – 32 тыс. слов. В 70-х годах выпускаются ЭВМ серии ЕС ЭВМ.

Рассмотренные вычислительные машины относятся к цифровым. В цифровых вычислительных машинах используется дискретное представление математических величин в виде совокупности цифр (0 и 1). Результаты могут быть представлены в виде таблиц, графиков, гистограмм и т.д., для чего должна быть составлена специальная программа обработки цифр.

В аналоговых вычислительных машинах все переменные решаемой задачи представляются в виде электрических напряжений на блоках машины. Блоки разного устройства и назначения (сумматоры, интеграторы, блоки нелинейных функций и т.д.) соединяются между собой в соответствии с математическим описанием исследуемого процесса (система уравнений). В процессе решения задачи все величины меняются одновременно и непрерывно. Решение может быть зафиксировано измерением и регистрацией с помощью, например, осциллографа на выходе блока, где эта величина формируется. В результате можно получить осциллограмму, показывающую изменение искомой величины во времени, причем время может быть действительным или масштабируемым.