Этапы развития информатики и ВТ

В 1897 г. Холлерит организовал  фирму, которая в дальнейшем стала  называться IBM.

Значение работ Г. Холлерита  для развития вычислительной техники  определяется двумя основными факторами. Во-первых, он стал основоположником нового направления в вычислительной техники - счетно-перфорационного (счетно-аналитического), состоящего в применении табуляторов  и сопутствующего им оборудования для  выполнения широкого круга экономических  и научно-технических расчетов. На основе данной вычислительной техники  создаются машинно-счетные станции  для механизированной обработки  информации, послужившие прообразом современных вычислительных центров. В 20-30-е годы 20 века применение счетно-перфорационной техники становится ведущим фактором развития вычислительной техники; только появление ЭВМ ограничило ее применение.

Во-вторых, даже после прекращения  использования табуляторов основным носителем информации (ввод/вывод) для  ЭВМ остается перфокарта, а в качестве периферийных используются перфокарточные устройства, предложенные Холлеритом. Даже в наше время используются устройства ввода/вывода информации на перфокарточной технологии.

Развивая работы Г. Холлерита, в ряде стран разрабатывается  и производится ряд моделей счетно-аналитических  комплексов, из которых наиболее популярными  и массовыми были комплексы фирмы IBM, фирмы Ремингтон и фирмы  Бюль.

Используемая на первых порах  для статистической обработки, перфорационная техника в последующем начинает широко использоваться для механизации  бухучета и экономических задач, а также в ряде случаев и  для расчетов научно-технического характера; в первую очередь для астрономических  расчетов. В СССР первое применение перфорационной техники для астрономических  расчетов относится к началу 30-х  годов, а с 1938 - для математических исследований в академии наук СССР создается самостоятельная машиносчетная  станция.

 

Заключительный период (40-е  годы 20 века) электромеханического этапа  развития вычислительной техники характеризуется  созданием целого ряда сложных релейных и релейно-механических систем с  программным управлением, характеризующихся  алгоритмической универсальностью и способных выполнять сложные  научно-технические вычисления в  автоматическом режиме со скоростями, на порядок превышающими скорость работы арифмометров с электроприводом. Наиболее крупные проекты данного периода  были выполнены в Германии (К. Цузе) и США (Д. Атанасов, Г. Айкен и Д. Стиблиц). Данные проекты можно рассматривать  в качестве прямых предшественников универсальных ЭВМ.

Конрад Цузе явился пионером создания универсальной вычислительной машины с программным управлением  и хранением информации в запоминающем устройстве. Однако его первая модель Z-1 (положившая начало серии Z-машин) идейно уступала конструкции Бэбиджа - в  ней не предусматривалась условная передача управления.

Следующая модель Z-2 не была завершена из-за призыва Цузе в  армию, из которой он был демобилизован  в связи с заинтересованностью  его работами военного ведомства  Германии. При финансовой поддержке  военного ведомства Цузе в 1939-1941 г.г. создает модель Z-3, явившуюся первой программно-управляемой универсальной  вычислительной машиной.

После завершения в 1941 г. машины Z-3 К. Цузе до конца войны интенсивно занимался вопросами вычислительной техники.

После войны направление  работ К. Цузе было в основном связано  с теоретическими исследованиями по вопросам программирования и архитектуры  вычислительной техники. Здесь им был  высказан целый ряд весьма прогрессивных  для своего времени идей, включая  клеточные вычислительные структуры, структуру команд ЭВМ, параллельное программирование и др.

В 1937 г. в США Дж. Атанасов начал работы по созданию ЭВМ, предназначенной  для решения ряда задач математической физики. Им были созданы и запатентованы  первые электронные схемы узлов  ЭВМ, а совместно с К. Берри  к 1942 г. была построена электронная  машина ABC, которая оказала влияние  на Д. Моучли из Муровской технической  школы и ряд его идей существенно  ускорил создание первой ЭВМ ENIAC в 1945г.

В отличие от машины Z-3, судьба была намного более благосклонной  к автоматической управляемой вычислительной машине Г. Айкена MARK-1, созданной в  США в 1944 г. И до знакомства с работами Цузе научная общественность считала  ее первой электромеханической машиной  для решения сложных математических задач.

Последним крупным проектом релейной вычислительной техники следует  считать построенную в 1957 г. в  СССР релейную вычислительную машину РВМ-1 и эксплуатировавшуюся до конца 1964 г. в основном для решения экономических  задач.

Электронный этап развития вычислительной техники. В силу физико-технической  природы релейная вычислительная техника  не позволяла существенно повысить скорость вычислений; для этого потребовался переход на электронные безинерционные элементы высокого быстродействия.

К началу 40-х годов 20 века электроника уже располагала  необходимым набором таких элементов. С изобретением М. Бонч-Бруевичем  в 1913 г. триггера (электронное реле - двухламповый симметричный усилитель  с положительной обратной связью в качестве базовой компоненты использует электронную вакуумную лампу  триод, изобретенную в 1906 г.) появилась  реальная возможность создания быстродействующей  электронной вычислительной техники.

Электронные вычислительные машины (ЭВМ) ознаменовали собой новое  направление в вычислительной технике, интенсивно развиваемое и в настоящее  время в различных направлениях.

Первой ЭВМ (правда, специализированной, предназначенной для дешифровки) можно считать английскую машину Colossus, созданную в 1943 г. при участии  А. Тьюринга. Машина содержала около 2000 электронных ламп и обладала достаточно высоким быстродействием, однако, была узкоспециализированной.

Первой ЭВМ принято  считать машину ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer), созданную в США в конце 1945 г. Первоначально предназначенная  для решения задач баллистики, машина оказалась универсальной, т.е. способной решать различные задачи. Главным консультантом проекта  являлся Д. Моучли, а главным конструктором - Д. Эккерт. Позднее их авторство  электронной технологии для проектирования ЭВМ было оспорено - в 1973 г. федеральный  Суд США постановил, что Моучли и Эккерт не создали ЭВМ, а заимствовали ее идею у Дж. Атанасова, хотя последний  и не построил действующей модели своего компьютера.

Проект создания ENIAC, начатый  в апреле 1943 г., был полностью завершен в декабре 1945 г. В качестве официальной  апробации ЭВМ была выбрана задача оценки принципиальной возможности создания водородной бомбы. Машина успешно выдержала испытания, обработав около 1 млн. перфокарт фирмы IBM с исходными данными.

Еще до начала эксплуатации ENIAC Моучли и Эккерт по заказу военного ведомства США приступили к проекту  над новым компьютером EDVAC (Electronic Discrete Automatic Variable Computer), который был  совершеннее первого. В этой машине была предусмотрена большая память (на 1024 44-битных слов; к моменту завершения была добавлена вспомогательная  память на 4000 слов для данных), предназначенная  как для данных, так и для  программы. Такой подход (хранимые в  памяти программы) устранял основной недостаток ENIAC - необходимость перекоммутации многих узлов машины, что при сложных  программах требовало до двух дней. Данное обстоятельство не позволяло  считать ENIAC полностью автоматической ЭВМ.

В EDVAC программа электронным  методом записывалась в специальную  память на ртутных трубках (линиях задержки), а вычисления производились уже  в двоичной системе счисления, что  позволило существенно уменьшить  количество ламп и других элементов  электронных цепей машины.

Полностью завершенная в 1952 г., ЭВМ содержала более 3500 ламп 19-ти различных типов и около 27000 других электронных элементов.

В конце 1944 г. к проекту  в качестве научного консультанта был  подключен 41-летний Джон фон Нейман, к тому времени уже имевший  большой авторитет в научном  мире как математик, внесший значительный вклад в квантовую механику и  создавший математическую теорию игр. Интерес фон Неймана к компьютерам  частично связан с его непосредственным участием в Манхэттенском проекте  по созданию атомной бомбы, где он математически обосновал осуществимость взрывного способа детонации  атомного заряда критической массы, а также работами по созданию водородной бомбы, требующими весьма сложных расчетов. Творчески переработав и обобщив  материалы по разработке проекта, фон  Нейман в июне 1945 г. готовит итоговый 101-страничный научный отчет, который  содержал превосходное описание, как  самой машины, так и ее логических возможностей. Более того, фон Нейман в докладе на основе анализа проектных  решений, а также идей А. Тьюринга по формальному универсальному вычислителю (впоследствии названному машиной Тьюринга) впервые представил логическую организацию  компьютера безотносительно от его  элементной базы, что позволило заложить основы проектирования ЭВМ.

В докладе выделено и детально описано пять базовых компонент  универсального компьютера и принцип  его функционирования архитектура  фон Неймана:

центральное арифметико-логическое устройство (АЛУ);

центральное устройство управления (УУ), ответственное за функционирование всех основных компонент компьютера;

запоминающее устройство (ЗУ);

система ввода и вывода информации.

Была обоснована необходимость  использования двоичной системы  счисления, электронной технологии и последовательного порядка  выполнения операций.

Принципы организации  ЭВМ, предложенные фон Нейманом, стали  общепринятыми.

Находясь в творческой командировке в группе разработчиков EDVAC и ознакомившись с идеями Дж. фон Неймана, М. Уилкс, вернувшись в  Кэмбриджский университет (Англия), смог на два года раньше (в мае 1949 г.) завершить  разработку первой в мире ЭВМ с  хранимыми в памяти программами. Его компьютер EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator) работал в двоичной системе  счисления, выполнял одноадресные команды  в количестве 18 и оперировал как  с короткими (17 бит), так и с  длинными (35 бит) словами.

Компьютер EDSAC положил начало новому этапу развития вычислительной техники - первому поколению универсальных  ЭВМ.

Поколения ЭВМ

Начиная с 1950 года, каждые 7-10 лет кардинально обновлялись  конструктивно-технологические и  программно-алгоритмические принципы построения и использования ЭВМ. В связи с этим правомерно говорить о поколениях вычислительных машин. Условно каждому поколению можно  отвести 10 лет. Первое поколение ЭВМ 1950-60-е годы.

Логические схемы 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 этими моделями.

В середине 1950-х годов появились  машинно-ориентированные языки типа языков символического кодирования, позволявшие  вместо двоичной записи команд и адресов  использовать их сокращенную словесную (буквенную) запись и десятичные числа. В 1956 году был создан первый язык программирования высокого уровня для математических задач - язык Фортран, а в 1958 году - универсальный  язык программирования Алгол.

ЭВМ, начиная от UNIVAC и заканчивая БЭСМ-2 и первыми моделями ЭВМ "Минск" и "Урал", относятся к первому  поколению вычислительных машин.

Второе поколение ЭВМ: 1960-1970-е годы.

Логические схемы строились  на дискретных полупроводниковых и  магнитных элементах (диоды, биполярные транзисторы, тороидальные ферритовые микротрансформаторы). В качестве конструктивно-технологической  основы использовались схемы с печатным монтажом (платы из фольгированного  гетинакса). Широко стал использоваться блочный принцип конструирования  машин, который позволяет подключать к основным устройствам большое  число разнообразных внешних  устройств, что обеспечивает большую  гибкость использования компьютеров. Тактовые частоты работы электронных  схем повысились до сотен килогерц.

Стали применяться внешние  накопители на жестких магнитных  дисках и на флоппи-дисках - промежуточный  уровень памяти между накопителями на магнитных лентах и оперативной  памятью.

В 1964 году появился первый монитор  для компьютеров - IBM 2250. Это был  монохромный дисплей с экраном 12 х 12 дюймов и разрешением 1024*1024 пикселов. Он имел частоту кадровой развертки 40 Гц.

Создаваемые на базе компьютеров  системы управления потребовали  от ЭВМ более высокой производительности, а главное - надежности. В компьютерах  стали широко использоваться коды с  обнаружением и исправлением ошибок, встроенные схемы контроля.

В машинах второго поколения  были впервые реализованы режимы пакетной обработки и телеобработки  информации.

Первой ЭВМ, в которой  частично использовались полупроводниковые  приборы вместо электронных ламп, была машина SEAC (Standarts Eastern Automatic Computer), созданная  в 1951 году.

В начале 60-х годов полупроводниковые  машины стали производиться и  в СССР.

Третье поколение ЭВМ: 1970-1980-е годы

В 1958 году Роберт Нойс изобрел  малую кремниевую интегральную схему, в которой на небольшой площади  можно было размещать десятки  транзисторов. Эти схемы позже  стали называться схемами с малой  степенью интеграции (Small Scale Integrated circuits - SSI). А уже в конце 60-х годов  интегральные схемы стали применяться  в компьютерах.

Логические схемы ЭВМ 3-го поколения уже полностью строились  на малых интегральных схемах. Тактовые частоты работы электронных схем повысились до единиц мегагерц. Снизились  напряжения питания (единицы вольт) и потребляемая машиной мощность. Существенно повысились надежность и быстродействие ЭВМ.

В оперативных запоминающих устройствах использовались миниатюрнее  ферритовые сердечники, ферритовые пластины и магнитные пленки с прямоугольной  петлей гистерезиса. В качестве внешних  запоминающих устройств широко стали  использоваться дисковые накопители.