Історія розвідку обчислювальної техніки.
Перші обчислювальні машини
Неможливо точно відповісти на питання, хто саме винайшов комп'ютер. Річ у тому, що комп'ютер не є винаходом однієї людини. Комп'ютер увібрав у собі ідеї та технічні рішення багатьох вчених та інженерів. Розвиток обчислювальної техніки стимулювався потребою у швидких та точних обчислюваннях і тривав сотні років. У процесі розвитку обчислювальна техніка ставала дедалі більш досконалою. Цей процес триває і в наш час.
Леонардо да Вінчі
Вважається, що перший у світі ескізний малюнок тринадцяти розрядного десятинного сумуючого пристрою на базі коліщаток з десятьма зубцями був виконаний Леонардо да Вінчі в одному з його щоденників (вчений почав вести цей щоденник ще до відкриття Америки 1492 р.).( Додаток 1)
Вільгельм Шиккард
1623 року (більш ніж через 100 років після смерті Леонардо да Вінчі) німецький вчений Вільгельм Шиккард запропонував свою модель шести розрядного десятинного обчислювача, який мав складатися також із зубчатих коліщаток та міг би виконувати додавання, віднімання, а також множення та ділення. Винаходи да Вінчі та Шиккарда були знайдені лише в наш час і залишилися тільки на папері.(Додаток 2)
Блез Паскаль
1642 року 19-річний французький математик Блез Паскаль сконструював першу в світі працюючу механічну обчислювальну машину, відому як підсумовуюча машина Паскаля («Паскаліна»). Ця машина являла собою комбінацію взаємопов'язаних коліщаток та приводів. На коліщатках були зображені цифри від 0 до 9. Якщо перше коліщатко робить повний оберт від 0 до 9, автоматично починає рухатись друге коліщатко. Якщо і друге коліщатко доходить до цифри 9, починає обертатися третє і так далі. Машина Паскаля могла лише додавати та віднімати.( Додаток 3)
Готфрід Вільгельм фон Лейбніц
1673 року німецький математик Готфрід Вільгельм фон Лейбніц сконструював свою обчислювальну машину. На відміну від Паскаля, Лейбніц використав у своїй машині циліндри, а не коліщатка та приводи. На циліндри було нанесено цифри. Кожен циліндр мав дев'ять рядків виступів та зубців. При цьому перший ряд мав один виступ, другий ряд — два виступи і так до дев'ятого ряду, який мав відповідно дев'ять виступів. Циліндри з виступами були пересувними, оператор надавав їм певного положення.(Додаток 4). Машина Лейбніца, на відміну від підсумовуючої машини Паскаля, була значно складнішою за конструкцією. Вона була здатна виконувати не тільки додавання та віднімання, але й множення, ділення та обчислювання квадратного кореня.
Обчислювальні машини XIX сторіччя
Чарльз Бебідж
Винахід першої програмованої обчислювальної машини належить видатному англійському математику Чарлзу Бебіджу (1830 р.). Він присвятив майже все своє життя цій праці, але так і не створив діючу модель. Бебідж назвав свій винахід «Аналітична машина». За планом машина мала діяти завдяки: силі пару. При цьому вона була б здатна сприймати команди, виконувати обчислення та видавати необхідні результати у надрукованому вигляді. Програми в свою чергу мали кодуватися та переноситись на перфокарти. Ідея використання перфокарт була запозичена Бебіджем у французького винахідника Жозефа Жаккара (кінець XVIII ст.). Для контролю ткацьких операцій Жаккар використовував отвори, пробиті в картках. Картки з різним розташуванням отворів давали різні візерунки на плетінні тканини. По суті, Бебідж був першим, хто використав перфокарти стосовно обчислювальних машин.
Гаспар де Проні
У своїй машині Бебідж використав також технологію обчислень, запропоновану наприкінці XVIII сторіччя французьким вченим Гаспаром де Проні. Він розділив обчислення на три етапи: розробка чисельного методу, створення програми послідовності арифметичних дій, проведення обчислень шляхом арифметичних операцій над числами згідно зі створеною програмою.
Августа Лавлейс
Серед учених, які зробили значний внесок у розвиток обчислювальної техніки, була математик леді Августа Лавлейс — дочка видатного англійського поета лорда Байрона. Саме вона переконала Бебіджа у необхідності використання у його винаході двійкової системи обчислення замість десяткової. Вона також розробила принципи програмування, що передбачали повторення послідовності команд та виконання цих команд за певних умов. Ці принципи використовуються і в сучасній обчислювальній техніці.
Герман Холеріт
Чарлз Бебідж вперше висловив ідею використання перфокарт в обчислювальній техніці, але реалізовано цю ідею було тільки 1887 року Германом Холерітом. Його машина була призначена для обробки результатів перепису населення США. Також Холеріт уперше застосував для організації процесу обчислення електричну силу. Картки використовувались для кодування даних перепису, при цьому на кожну людину була заведена окрема картка. Кодування велося за допомогою певного розташування отворів, що пробивалися в картці по рядках та колонках. Наприклад, отвір, що був пробитий в третій колонці та четвертому рядку, міг означати, що людина одружена. Коли картка, що мала розмір банкноти в один долар, пропускалася крізь машину, вона прощупувалась системою голок. Якщо навпроти голки з'являвся отвір, то голка проходила крізь нього і доторкалася до металевої поверхні, що була розташована під карткою. Контакт, який відбувався при цьому, замикав електричний ланцюг, завдяки чому до результату обчислення додавалася одиниця.
Покоління комп'ютерів
Перше покоління комп'ютерів
Такі комп'ютери, як ЕНІАК, ЕДСАК, ШЕОМ та ЮНІВАК, являли собою. лише перші моделі ЕОМ. Упродовж десятиріччя після створення ЮНІВАКа було виготовлено та введено в експлуатацію в США близько 5000 комп'ютерів. Гігантські машини на електронних лампах 50-х років склали перше покоління комп'ютерів.
Друге покоління комп'ютерів
Друге покоління комп'ютерів з'явилося на початку 60-х років, коли на зміну електронним лампам прийшли транзистори. Винайдені 1948 р. транзистори, як виявилось, були спроможні виконувати всі ті функції, які до цього часу виконували електронні лампи. Але при цьому вони були значно менші за розмірами та споживали набагато менше електроенергії. До того ж транзистори дешевші, випромінюють менше тепла та більш надійні, ніж електронні лампи. І все ж таки найдивовижнішою властивістю транзистора є те, що він один здатен виконувати функції 40 електронних ламп та ще й з більшою швидкістю, ніж вони. В результаті швидкодія машин другого покоління виросла приблизно в 10 разів порівняно з машинами першого покоління, обсяг їх пам'яті також збільшився. Водночас із процесом заміни електронних ламп транзисторами вдосконалювалися методи зберігання інформації. Магнітну стрічку, що вперше було використано в ЕОМ ЮНІВАК, почали використовувати як для введення, так і для виведення інформації. А в середині 60-х років набуло поширення зберігання інформації на дисках.
Третє покоління комп'ютерів
Поява інтегрованих схем започаткувала новий етап розвитку обчислювальної техніки — народження машин третього покоління. Інтегрована схема, яку також називають кристалом, являє собою мініатюрну електронну схему, витравлену на поверхні кремнієвого кристала площею приблизно 10 мм2. Перші інтегровані схеми (ІС) з'явилися 1964 року.
Поява інтегрованих схем означала справжню революцію в обчислювальній техніці. Одна така схема здатна замінити тисячі транзисторів, кожний 3 яких у свою чергу уже замінив 40 електронних ламп. Інакше кажучи, один крихітний, але складний кристал має такі ж самі обчислювальні можливості, як і 30-тонний ЕНІАК! Швидкодія ЕОМ третього покоління збільшилася приблизно в 100 разів порівняно з машинами другого покоління, а розміри набагато зменшилися.
Четверте покоління комп'ютерів
Четверте покоління — ЕОМ на великих інтегрованих схемах.
Розвиток мікроелектроніки дав змогу розміщати на одному кристалі тисячі інтегрованих схем. Так, 1980 р. центральний процесор невеликої ЕОМ вдалося розташувати на кристалі площею 1,6 см2. Почалася епоха мікрокомп'ютерів. Швидкодія сучасної ЕОМ в десятки разів перевищує швидкодію ЕОМ третього покоління на інтегральних схемах, в 100 разів — швидкодію ЕОМ другого покоління на транзисторах та в 10 000 разів швидкодію ЕОМ першого покоління на електронних лампах.
Розглядаючи історію суспільного розвитку марксисти стверджують, що “історія є не що інше, як послідовна зміна окремих поколінь ”.
Очевидно, це справедливо і для історії комп'ютерів. Ось деякі визначення терміну “покоління комп’ютерів”, узяті з 2-х джерел. Покоління обчислювальних машин - це склалося в останній час розбиття обчислювальних машин на класи визначувані елементною базою.
Покоління комп'ютерів - нестрога класифікація обчислювальних систем по ступеню розвитку апаратних і останнім часом - програмних засобів.
Затвердження поняття приналежності комп'ютерів до того або іншого покоління і поява самого терміну “покоління “ відноситься до 1964 р., коли фірма IBM випустила серію комп'ютерів IBM / 360 на гібридних мікросхемах (монолітні інтегральні схеми у той час ще не випускалися в достатній кількості) назвавши цю серію комп'ютерами третього покоління.
Відповідно попередні комп'ютери - на транзисторах і електронних лампах - комп'ютерами другого і третього поколінь. Надалі ця класифікація, що увійшла у вжиток, була розширена і з'явилися комп'ютери четвертого і п'ятого поколінь. Для розуміння історії комп'ютерної техніки введена класифікація мала, принаймні, два аспекти: перший - вся діяльність, пов'язана з комп'ютерами, до створення комп'ютерів ENIAC розглядалася як передісторія; другий - розвиток комп'ютерної техніки визначалося безпосередньо в термінах технології апаратури і схем.
Другий аспект підтверджує і головний конструктор фірми DEC і один з винахідників міні-комп'ютерів Р. Белл, кажучи, що “історія комп'ютерної індустрії майже завжди рахувалася технологією’’.
Переходячи до оцінки і розгляду різних поколінь, необхідно перш за все помітити, що оскільки процес створення комп'ютерів відбувався і відбувається безперервно (в ньому бере участь багато хто розробники з багатьох країн, мають справу з рішенням різних проблем), скрутно, а в деяких випадках і марно, намагається точно встановити, коли то або інше покоління починалося або закінчувалося.
В 1883 р. Томас Альва Едісон, намагаючись продовжити термін служби лампи з вугільною ниткою ввів в її вакуумний балон платиновий електрод і позитивну напругу, то у вакуумі між електродом і ниткою протікав струм. Не знайшовши ніякого пояснення такому незвичайному явищу, Едісон обмежується тим, що детально описав його, про всяк випадок узяв патент і відправив лампу на Філадельфійську виставку. Про неї в грудні 1884 р. в журналі “Инженеринг’’ була замітка “Явище в лампочці Едісона’’.
Американський винахідник не розпізнав відкриття виняткової важливості (по суті це було його єдине фундаментальне відкриття -термоелектронна емісія) . Він не зрозумів, що його лампа розжарювання з платиновим електродом по суті була першою в світі електронної лампою.
Першим, кому прийшла в голову думка по практичному використовуванні “ефекту Едісона” був англійський фізик Дж. А. Флеминг (1849 - 1945) .
Працюючи з 1882 р. консультантом эдисоновскої компанії в Лондоні він дізнався про “ явище “ з перших вуст - від самого Едісона. Свій діод - двохелектродну лампу Флеймінг створив в 1904 р.
В жовтні 1906 р. американський інженер де Форест винайшов електронну лампу - підсилювач, або аудіон, як він її тоді назвав, третій електрод, що мав, - сітку. Ним був введений принцип, на основі якого будувалися всі подальші електронні лампи, - управління струмом, що протікає між анодом і катодом за допомогою інших допоміжних елементів.
В 1915 р. американський фізик Ірвінг Ленгмюр сконструював двох електронну лампу - кенотрон вживану як випрямна лампа в джерелах живлення. В 1916 р. лампова промисловість стала випускати особливий тип конструкції ламп - генераторні лампи з водяним охолоджуванням.
Ідея лампи з двома шотками - тетрода була виказана в 1919 р. німецьким фізиком Вальтером Шоттки і незалежно від нього в 1923 р. - американцем Е. У. Халлом, а реалізована ця ідея англійцем Х.Дж. Раундом в другій половині 20-х р. р.
В 1929 р. голландські вчені Г. Хольст і б. Теллеген створили електронну лампу з 3-ма сітками - пентод. В 1932 р. був створений гептод, в 1933 - гексод і пентагрид, в 1935 з'явилися лампи в металевих корпусах.. Подальший розвиток електронних ламп йшов по шляху поліпшення їх функціональних характеристик, по дорозі багатофункціонального використовування.
Проекти і реалізація машин “Марк – 1”, EDSAC і EDVAC в Англії і США, МЕСМ в СРСР заклали основу для розгортання робіт із створення ЕОМ вакуумнолампової технології - серійних ЕОМ першого покоління. Розробка першої електронної серійної машини UNIVAC (Universal Automatic Computer) почата приблизно в 1947 р. Еккертом і Маучлі, що заснували в грудні того ж роки фірму ЕСKERT-MAUCHLI. Перший зразок машини (UNIVAC-1) був побудований для бюро перепису США і пущений в експлуатацію весною 1951 р. Синхронність послідовної дії обчислювальна машина UNIVAC-1 створена на базі ЕОМ ENIAC і EDVAC. Працювала вона з частотою 2,25 Мгц і містила близько 5000 електронних ламп. Незабаром після введення в експлуатацію машини UNVIAC - 1 її розробники висунули ідею автоматичного програмування. Вона зводилася до того щоб машина сама могла готувати таку послідовність команд, яка потрібна для вирішення даної задачі.
П'ятдесяті роки - роки розквіту комп'ютерної техніки, роки значних досягнень і нововведень як в архітектурному, так і в науково - технічному відношенні. Відмітні особливості в архітектурі сучасної ЕОМ в порівнянні з нейманівською архітектурою вперше з'явилися в ЕОМ першого покоління.
Сильним стримуючим чинником в роботі конструкторів ЕОМ початку 50 - х р. р. була відсутність швидкодійної пам'яті. За словами одного з піонерів обчислювальної техніки - Д. Еккерта, архітектура машини визначається пам'яттю. Дослідники зосередили свої зусилля на властивостях феритових кілець, нанизаних, що запам'ятовують на дротяні матриці.
В 1951 р. в 22 - м томі “Journal Applid Phisics “Дж. Форрестер опублікував статтю про застосування магнітних сердечників для зберігання цифрової інформації. В машині “Whirlwind – 1” вперше була застосована пам'ять на магніт. Вона була 2 куба з 323217 сердечниками, які забезпечували зберігання 2048 слів для 16 - розрядних двійкових чисел з одним розрядом контролю на парність. В розробку електронних комп'ютерів включилася фірма IBM. В 1952 р. вона випустила свій перший промисловий електронний комп'ютер IBM 701, який був синхронною ЕОМ паралельної дії, що містить 4000 електронних ламп і 12000 германієвих діодів. Вдосконалений варіант машини IBM 704 відрізнялася високою швидкістю роботи, в ній використовувалися індексні регістри і дані представлялися у формі з плаваючою комою. Після ЕОМ IBM 704 була випущена машина IBM 709, яка в архітектурному плані наближалася до машин другого і третього поколінь. В цій машині вперше була застосована непряма адресація і вперше з'явилися канали введення - висновку.
В 1956 р. фірмою IBM були розроблені плаваючі магнітні головки на повітряній подушці. Винахід їм дозволив створити новий тип пам'яті - дискові ЗУ значущість яких була повною мірою оцінена в подальші десятиріччя розвитку обчислювальної техніки. Перші ЗУ на дисках з'явилися в машинах IBM 305 і RAMAC. Остання мала пакет, що складався з 50 металевих дисків з магнітним покриттям, які оберталися із швидкістю 12000 про / мін. НА поверхні диска розміщувалося 100 доріжок для запису даних, по 10000 знаків кожна.
Вслід за першим серійним комп'ютером UNIVAC - 1 фірма Remington - Rand в 1952 р. випустила ЕОМ UNIVAC - 1103, яка працювала в 50 разів швидше. Пізніше в комп'ютері UNIVAC - 1103 вперше були застосовані програмні переривання. . 0 Z \ \x02C6 \x0160 u th \x017E ¤ Ці, термін " компілятор " вперше ввела Г. Хоппер в 1951 р.) . Ця компілююча програма проводила трансляцію на машинну мову всієї програми записаної в зручній для обробки алгебри формі.
Фірма IBM також зробила перші кроки в області автоматизації програмування, створивши в 1953 р. для машини IBM 701 " Систему швидкого кодування ". В нашій країні А. А. Ляпунов запропонував один з перших мов програмування. В 1957 р. група під керівництвом Д. Бэкуса завершила роботу над тим, що стало в результаті популярною першою мовою програмування високого рівня, що отримав назву ФОРТРАН. Мова, реалізована вперше на ЕОМ IBM 704, сприяв розширенню сфери застосування комп'ютерів.
У Великобританії в липні 1951 р. на конференції в Манчестерському університеті М. Уилкс представив доклад “Якнайкращий метод конструювання автоматичної машини", який став піонерською роботою по основах мікропрограмування. Запропонований їм метод проектування пристроїв управління знайшов широке застосування. Свою ідею мікропрограмування М. Уилкс реалізував в 1957 р. при створенні машини EDSAC-2. М. Уїлкс спільно з Д. Уиллером і С. Гиллом в 1951 р. написали перший підручник по програмуванню " Складання програм для електронних обчислюваних машин " . В 1951 р. фірмою Ferranti початий серійний випуск машини " Марк-1". А через 5 років фірма Ferranti випустила ЕОМ “Pegasus”, в якій вперше найшла втілення концепція регістрів загального призначення (Рон) . З появою Рон усунено відмінність між індексними регістрами і акумуляторами, і в розпорядженні програміста виявився не один, а декілька регістрів - акумуляторів. В нашій країні в 1948 р. проблеми розвитку обчислювальної техніки стають загальнодержавною задачею. Почалися роботи по створенню серійних ЕОМ першого покоління.
В 1950 р. в Інституті точної механіки і обчислювальної техніки (ІТМ і ВТ) організований відділ цифрових ЕОМ для розробки і створення великої ЕОМ. В 1951 р. тут була спроектована машина БЕСМ (Велика Електронна Рахункова Машина), а в 1952 р. почалася її досвідчена експлуатація. В проекті спочатку передбачалося застосувати пам'ять на трубках Вільямса, але до 1955 р. в якості елементів пам'яті в ній використовувалися ртутні лінії затримки. На ті часи БЕСМ була вельми продуктивною машиною - 800 оп / з.
Вона мала три адресну систему команд, а для спрощення програмування широко застосовувався метод стандартних програм, який надалі поклав початок модульному програмуванню, пакетам прикладних програм.
Серійна машина стала випускатися в 1956 р. під назвою БЕСМ - 2. В цей же період в КБ, керованому М. А. Лесечко почалося проектування іншої ЕОМ, що отримала назва ” Стріла”. Освоювати серійне виробництво цієї машини було доручене московському заводу САМ. Головним конструктором став Ю. А. Базільовській, а одним з його помічників - Рамєєв, надали конструктор серії “Урал ”. Проблеми серійного виробництва зумовили деякі особливості “Стріли “: невисоке в порівнянні з БЕСМ швидкодія, просторий монтаж і т.д. В машині в якості зовнішньої пам'яті застосовувалися 45 – магнітних стрічки, а оперативна пам'ять - на трубках Вільямса. “Стріла” мала велику розрядність і зручну систему команд. Перша ЕОМ “Стріла” була встановлена в відділенні прикладної математики Математичного інституту (МІАН), а в кінці 1953 р. почалося серійне її виробництво.
В лабораторії електросхем енергетичного інституту під керівництвом І. С. Брука в 1951 р. побудували макет невеликої ЕОМ першого покоління під назвою М-1. Наступного року тут була створена обчислювальна машина М - 2, яка поклала початок створенню економічних машин середнього класу. Одним з ведучих розробників даної машини був М. А. Карцев великий внесок, що вніс згодом, в розвиток вітчизняної обчислювальної техніки. В машині М - 2 використовувалися 1879 ламп. Середня продуктивність складала 2000 оп / з. Були задіяні 3 типи пам'яті: електростатична на 34 трубках Вільямса, на магнітному барабані і на магнітній стрічці з використанням звичайного для того часу магнітофона МАГ - 8. В 1955 - 1956 р. р. колектив лабораторії випустив малу ЕОМ М - 3 з швидкодією 30 оп / з і оперативною пам'яттю на магнітному барабані. Особливість М - 3 полягала в тому, що для центрального пристрою управління був використаний асинхронний принцип роботи. Необхідно відзначити, що в 1956 р. колектив І. С. Брука виділився з складу енергетичного інституту і утворив Лабораторію управляючих машин і систем, що стала згодом Інститутом електронних управляючих машин (ІНЕУМ).
Ще одна розробка малої обчислювальної машини під назвою “Урал” була закінчена в 1954 р. колективом співробітників під керівництвом Рамєєва. Ця машина стала родоначальником цілого сімейства “Уралів”, остання серія яких, була випущена в 1967 р. Простота машини, вдала конструкція, невисока вартість, зумовили її широке застосування.
В 1955 р. був створений Обчислювальний центр Академії наук, призначений для ведення наукової роботи в області машинної математики і для надання відкритого обчислювального обслуговування іншим організаціям Академії. В другій половині 50 - х р. р. в нашій країні було випущено ще 8 типів машин - лампової технології. З них найвдалішою була ЕОМ М - 20 створена під керівництвом З. А. Лебедева, який в 1954 р. очолив ІТМ і ВТ.
Машина відрізнялася високою продуктивністю (20 тис. оп / з), що було досягнуте використовуванням досконалої елементної бази і відповідної функціонально - структурної організації. Серійний випуск ЕОМ М - 20 був початий в 1959 р.. В 1958 р. під керівництвом В. М. Глушкова (1923 - 1982) в Інституті кібернетики України була створена обчислювальна машина “ Київ ” , що мала продуктивність 6 - 10 тис. оп / з. ЕОМ ” Київ “ вперше в нашій країні використовувалася для дистанційного керування технологічними процесами. В той же час в Мінську під керівництвом Р. П. Лопато і В. В. Пржиялковского почалися роботи по створенню першої машини відомого надалі сімейства “ Мінськ – 1”. Вона випускалася мінським заводом обчислювальних машин в різних модифікаціях. Машина широко використовувалася в обчислювальних центрах нашої країни. Середня продуктивність машини складала 2 - 3 тис. оп / з.
При розгляді техніки комп'ютерів першого покоління, необхідно особливо зупинитися на одному з пристроїв введення - висновку. З початку появи перших комп'ютерів виявилася суперечність між високою швидкодією центральних пристроїв і низькою швидкістю роботи зовнішніх пристроїв. Крім того виявилася недосконалість і незручність цих пристроїв. Першим носієм даних в комп'ютерах, як відомо, була перфокарта. Потім з'явилися перфораційні паперові стрічки або просто перфострічки. Вони прийшли з телеграфної техніки після того, як в початку XIX в. батько і син з Чікаго Чарлз і Говард Крами винайшли телетайп. Перфострічки сталі замінювати перфокарти в табуляторах, а потім в перших комп'ютерах - в релейних машинах Д. Штибитца і Р. Айкена , в англійських машинах ” Колос “ з Блетчи - Парка і ін. Перші нововведення в системах введення - висновку були відзначені в машині “ Whirlwind - 1“.
(Додаток 4-10), крім 6.