4. История развития вычислительной техники. Поколения эвм.

История развития ЭВМ насчитывает чуть более 60 лет. Разумеется, предыстория компьютеров гораздо древнее, если вести речь о таких средствах ВТ как механические устройства, арифмометры и различные перфорационные устройства, которые появились, конечно, значительно раньше. Хотя без них, возможно, и нельзя было приблизиться к современной ЭВМ.

Первое вычислительное устройство изобретения Б. Паскаля выполняло «сложение» и «вычитание».

«Компьютер... XVII века»

Более полутора миллионов франков заплатил муниципалитет французского города Клермон-Ферран за «компьютер», изобретенный... в XVII веке. Речь идет о знаменитой счетной машине, созданной уроженцем этого города, великим физиком и математиком Блезом Паскалем.

И сейчас, спустя более трехсот лет после ее изобретения, машина выглядит весьма современно. В отличие от своих потомков — неуклюжих арифмометров начала XX века, прибор, изготовленный в 1642 году, внешне представляет собой элегантный и компактный плоский ящичек размером 25Х15Х9см. Принцип этой счетной машины настолько тщательно продуман, что до последнего времени он применялся во всех арифмометрах и калькуляторах, кроме, разумеется, электронных.

Прибор был создан для облегчения работы отца изобретателя, который, проводя реформу налоговой системы Нормандии, вынужден был, вооружившись пером и стопкой бумаг, вести изнурительные, многочасовые подсчеты. На табло машины — всего пять барабанов с цифрами. Внутреннее устройство довольно сложное. Оно позволяет, во-первых, производить элементарные арифметические операции на трех барабанах. Во-вторых, на двух других барабанах можно быстро проводить денежные подсчеты. Такое разделение связано со сложней валютной системой Франции начала XVII века, когда в стране 12 денье равнялись одному су, 20 су равнялись франку и лишь франки подсчитывались по десятичной системе.

Всего, по мнению историков, было создано более пятидесяти моделей. Одна из них находится в настоящее время в музее крупнейшей' американской электронной корпорации ИБМ, другая — в музее города Дрездена (ГДР). Пять машин принадлежат частным коллекционерам.

(«Смена», 1986, 16.02)

<20>

Лейбниц (в 1673-74гг.) сконструировал ВУ на принципе ступенчатого валика, который используется в современных машинах электромеханического типа (выполняет основные арифметические действия и ).

В 1874 году механик Монетного двора в Петербурге Однер изобрел арифмометр, прототип современных арифмометров. Ему была присвоена золотая медаль на выставке в Париже в 1900г.

<21>

Первые идеи, которые легли в основу создания современных ЭВМ, были высказаны англичанином Чарльзом Бэббиджем в 1822-33 гг. Идеи создания ВМ были высказаны им еще студентом в 1812 г.

Его первая действующая модель ВМ (1822г.) позволяла вычислять полиномы 2-ой степени с точностью до 8 знаков. Эту машину он назвал «разностной», исходя из принципа вычисления полиномов путем последовательного суммирования разностей различных порядков функций. Построена она была на зубчатых колесах (96 штук).

В отличие от счетных устройств Паскаля и Лейбница, в разностной машине не требовалось вмешательство человека при переходе к расчету следующего значения функции. В этом был шаг вперед. Бэббиджем была задумана машина для вычисления полиномов 7-й степени с точностью до 20 значащих цифр с печатью результатов на бумаге.

Но эту работу он не закончил, так как увлекся идеей создания «Аналитической машины» или, говоря современным языком, универсальной ВМ, способной выполнять вычисления автоматически по алгоритмам любой сложности.

По своей структуре машина Бэббиджа была механическим прообразом современных ЭЦВМ. Она должна была состоять из двух основных частей – «завода» (арифметическое устройство) и «склада» (памяти) для хранения чисел. Память машины была механической: 1000 колонок по 50 цифровых колес. Положение колес соответствовало изображению цифры в десятичной позиционной системе счисления (ПСС). Таким образом, емкость составляла 1000 пятиразрядных десятичных чисел.

Управление работой ВМ предполагалось осуществлять при помощи перфокарт. Щупы, проходившие в отверстия в картах, приводили в движение цифровые колеса. Каждое колесо по команде, выдаваемой с перфокарт, могло соединяться с «заводом», выполнявшим арифметические действия. Результат этих действий ВМ отправляла обратно на «склад», а по окончании вычислений печатала на бумаге.

Бэббидж рассчитывал, что его ВМ может выполнять до 60 сложений 5-значных десятичных чисел в минуту.

Он надеялся, что ее можно будет использовать для составления и выверки некоторых математических и морских таблиц, таблиц логарифмов, для проверки данных астрономических наблюдений и других сложных и громоздких математических задач.

Однако постройка машины затянулась на многие десятилетия. После смерти ученого в 1871г. работу продолжил его сын, но ВМ так и не удалось закончить. Механические детали и узлы ВМ были неточными и ненадежными, действовали медленно и оказались непригодными для осуществления гениальной идеи ученого, на столетие опередившего свою эпоху.

Бэббидж по праву считается основоположником программного управления и запоминаемой программы…

Для заданных порядка действий по передаче чисел и записи самих исходных данных впервые предлагалось использовать перфокарты и полоски бумаги, наподобие карт Жоккара из ткацкого производства. Карты эти могли двигаться взад и вперед в зависимости от знака результата вычислений. Это уже этап автоматизации вычислительного процесса.

Этот принцип изменения программы вычислений в зависимости от результатов является гениальным открытием Бэббиджа и является тем главным, что отличает универсальную ВМ от иных ВУ. Именно это позволяет использовать ВМ как инструмент аналитического исследования.

Скорость выполнения операций:

• сложение до 1 сек.

• умножение, деление до 1 мин.

Бэббиджу принадлежит идея сквозного переноса при сложении.

Структурные решения ВМ Бэббиджа, доведенной до инженерного проекта, и сейчас представляют интерес по организации вычислительного процесса: параллелизм, разделение инструкций по командам, возможность считывания информации без разрушения и с очисткой регистров и др.

Труды Бэббиджа были опубликованы в 1888г. Проектом аналитической машины (АМ) в 1840-е годы заинтересовалась Ада Лавлейс, леди Байрон. Она создала первые программы для АМ, доказала ее универсальность. Это дает возможность считать ее первым программистом.

<22>

После этого был перерыв, связанный с отсутствием технической базы; велись работы, связанные только с совершенствованием механических счетных устройств.

Говоря об этапах развития теории ВТ, нельзя не сказать о работах Дж. Буля в области математической логики, которая является основой ВТ. В 1854г. появляется его работа «Законы мышления», в которой представлены все основные идеи алгебры высказываний – булевой алгебры. Это послужило основой развития релейных схем в начале XX века, их технического развития и совершенствования. Релейно-контактные схемы стали основой создания сложных дискретных автоматов и, далее, основой для реализации идей Бэббиджа

.

Этапом развития современных средств ВТ необходимо считать и счетно-перфорационную технику. «Отец» этой техники – Холлериз (80-е годы XIX века). Им созданы прообразы современных табуляторов и счетно-перфорационных устройств. В 1896г. была создана фирма пол выпуску перфокарт и счетно-перфорационных машин – впоследствии IBM.

Теоретическая база современных ЭВМ создавалась в трудах Тьюринга, Поста, Маркова. Теория алгоритмов, созданная ими, является фундаментом ВТ и ее программного обеспечения.

<23>

Первые работы по созданию электронных ВМ были начаты в США профессором Дж. Атанасовым в 1936 году. Им были запатентованы первые электроламповые схемы для построения устройств ЭВМ. Был сделан и образец, но окончанию работы помешала Вторая мировая война.

Почти одновременно велись работы профессором Айткеном (Гарвардский Университет). По его проекту в 1944 году была создана первая автоматическая релейная электрическая ВМ, в которой были реализованы идеи Бэббиджа и Тьюринга. Машина «Марк-1» содержала 72 сумматора, 60 тумблерных регистров для набора констант и др. Программа набиралась на коммутационных досках и на переключателях (есть сходство с аналоговыми ВМ). Основные элементы – реле (13000 штук). Машина с внешним программным управлением.

Характеристики: слово 23 разряда; сложение – за 0,3 сек; вычитание – 6 сек; деление – 11сек.

В 1947 г. была создана машина «Марк-2» улучшенной конструкции (более надежные реле).

Одновременно с Айткеном вел работы по созданию ВМ на реле в 1942г. Цюзе в Германии.

<24>

Первой электронной ВМ принято считать машину ENIAC (Электронный числовой интегратор и вычислитель), сконструированную в электротехнической школе Мура при Пенсильванском университете (США) Дж. Эккертом и Дж. Моугли в 1942г. Вступила в строй в 1946. По тем временам отличалась высоким быстродействием: программа набиралась на коммутационном поле, т.к. перфолента не поспевала. Здесь сохранен принцип программного управления извне.

Характеристики: суммирование – 200 мксек; умножение – 2,8 мсек; деление – 6 мсек. 18000 ламп. Эффективная производительность - 400-500 оп/сек.

Решающей гениальной идеей в ВТ являлось управление ВМ с помощью программы, хранимой в памяти машины. Вторая (столь же гениальная) – использование двоичной ПСС. И то, и другое предложил Дж. фон-Нейман в 1945г.

<25>

Идеи фон Неймана позволили сформулировать основные принципы построения универсальных ЭЦВМ:

1. Принцип программного управления, как основа построения автоматически действующих ЭВМ.

2. Принцип хранимой программы (наравне с числами). Это позволяет производить над ней действия, как над числами; обеспечивается высокая скорость управления вычислительным процессом; удобно и просто менять программы (более гибки и универсальны).

3. Использование многоуровневой (иерархической) памяти.

4. Использование двоичной системы счисления для представления информации и программ. Это же позволяет применить аппарат булевой алгебры и свести все логические и арифметические операции к простейшим операциям.

5. Принцип условного перехода. Переход обеспечивает независимость программ от исходных данных, т.е. делает программы более гибкими и универсальными.

Все эти идеи легли в основу машин EDVAC, которая вошла в строй в 1949 году. Она положила начало I поколению. Характерна рациональность: всего 3500 ламп. ЗУ на лампах.

Иногда в литературе первой действующей ВМ, в которой нашли отражения все перечисленные требования, называется EDSAC – 1949г. Кембридж (Англия), М. Уилкс.

<26>

Сейчас принято выделять 4 - 5 первых поколений. В основу выделения поколений положены не только принципы применявшейся элементной базы и конструктивно-технологические решения, но и логическая организация, архитектура.

Таблица 3.

Предыстория Реализован только принцип программного управления извне	1944г	Марк-1 (IBM) на реле с программным управлением от перфолент. Айкен
	1947г	Марк-2. То же
	1946г	ENIAC (Пенсильванский университет, школа Мура) – 1-ая электрическая ЭВМ (на лампах). Эккерт, Моугли.
I поколение	1949 (по 1952)	EDVAC– 3500 ламп – первая ЭВМ с хранимой программой управления в памати Реализованы идеи фон-Неймана. первая «работающая» ЭВМ.
	1949-51	EDSAC – Кембриджский Университет, Уилкс
	1951	(работы начались в 1948) МЭСМ под руководством С.А. Лебедева (в АНУССР, Киев)
	1953	БЭСМ (также Лебедев, но в ИТМ и ВТАНУССР) 8000 оп/сек., большой вклад М.В. Келдыша.
	1953-1958	серийные машины БЭСМ-2, Стрела (самая первая серийная; разработана под руководством Букляевского), М-3, Минск-1, 12, 14. Урал 1, 2, 4, М-20 и др.
Характерен жестко последовательный режим обработки команд, Только зарождаются (ЭВМ М-20) индексная арифметика и локальное совмещение. Программирование на языке машинных команд. Режим «открытого пользования» (программист-математик сам находится за пультом ЭВМ) – зависимость производительности от оператора, находящегося за пультом. Зарождение стандартных программ (и библиотек!), систем ввода-вывода, языков высокого уровня.
II поколение	1960	IBM-7070(c 58г.), Атлас (Англия 61-62гг.), Стретп (США), Минск2, Раз?2,3, М-220, БЭСМ-4 5-30 тыс оп/с. Управляющие машины «Днепр», ВНИИЭП-3, Малые машины «Капри», «Мир»
	1968	БЭСМ-6 (С.А. Лебедев, В.А. Мельников) – 1 млн оп/с. – сверхбыстродействующая ЭВМ Минск-22, 32, Урал-14 Реализация идеи многопрограммного управления. Трансляция с алгоритмических языков.
Основное – поиск структурных решений, обеспечивающих максимальную загрузку всех устройств ЭВМ, а главное – процессора. Отсюда стремление обеспечить повышение производительности за счет совмещения выполнения команд (программ), а также за счет наиболее эффективного общения между человеком и машиной: трансляторы с алгоритмических языков, широкий набор библиотек программ. Второе направление – дифференциация по применению. «Закрытый» режим работы для математика-программиста (ввод через оператора), но для эффективности такого режима работы необходимо иметь эффективные средства отладки. Конец этого поколения характеризовался развитым математическим обеспечением: трансляторы с синхронным семантическим и синтаксическим контролем, административные программы из подпрограмм, мониторные системы, распределение памяти, подпрограммы контроля.
III поколение	1967	IBM-360 Стремление к повышению надежности, быстродействия, снижения стоимости. Пути: унификация, программная совместимость, микропроцессорное управление. Элементарная база – ИС. ЕС ЭВМ, СМ ЭВМ, АСВТ Развитие систем прерывания. Развитие ОС.
Главная идея – унификация, построение по модульному принципу. С точки зрения математика и разработчика ПО: I поколение – программы писали на внутреннем, либо простейшем ? языке машины; II поколение – появление трансляторов я алгоритмических языков, широкий набор библиотеки программ; III поколение – семейства программно совместимых машин с развитой системой прерывания и операционными системами; базы данных; IV поколение – коммунальное использование вычислительных мощностей, языки параллельных вычислительных процессов в вычислительных сетях; развитие средств работы в PMB. И второе особо важное в этом III поколении – использование и развитие микропрограммного управления <27>
IV поколение	Начало 70-х годов. Элементарная база – БИС. «Размытое» поколение. С одной стороны (главное) – развитие, совершенствование организации – многопроцессорные машины. Организация режимов разделения времени, соединение машин в сети, системы. Большое внимание уделяется совершенствованию организации управления обработкой потока задач в многопроцессорной структуре. Управление взаимодействием процессоров (распределение ресурсов). Эффективное быстродействие – до десятков млн оп/с. ИЛЛИАК IV, STAR 100, «Эльбрус-2» (100 млн оп/с), ПС2000 – до 64 процессоров (суммарное быстродействие 200 млн оп/с), ПС 3000. С другой стороны – микро-ЭВМ Появление СБИС микропроцессоры. Персональные компьютеры (развитие контакта человека с ЭВМ). Аппаратурная реализация функций ОС. 1 млн оп/с.
Четвертое поколение – поколение коммунального использования вычислительных мощностей, сетей ЭВМ и микро-ЭВМ. Для машин III и IV поколений характерны большие возможности, предоставляемые пользователям, многие функции теперь возложены вновь на аппаратуру. Дальнейшее развитие систем управления, прямого доступа, защиты и динамического распределения памяти.
V поколение	«Японский вызов» (захват в 90-х годах мирового лидерства в области ВТ). Высокая производительность, низкая стоимость. Новые качественные свойства: общение при помощи естественного языка, развитая графика; обучаемость; ассоциативный поиск информации (понимание «базы данных» «база знаний») Производительность: 2 млн оп/с – персональные компьютеры, 1–100 млрд оп/с – сверхпроизводительные ЭВМ. Емкость ОЗУ: 0,5–5 Мбайт и 8-160 Мбайт соответственно.

<28>

Структура современной ЭВМ большой мощности (основное использование – системы обработки данных):

Рис. 0.6

МПД – мультиплексор передачи данных (подготовка информации, принятой по линии связи (ЛС) для ввода в ОЗУ и обратная операция). В мощных машинах вместо МПД используются специальные машины ППД (программно управляемые МПД).

<29>