Лекція №6. Комп'ютер як сучасний технічний засіб обробки інформації

На різних етапах розвитку техніки і технології були прийняті наступні назви для комп'ютерів: арифметично-логічний пристрій (АЛП), програмований електронно-обчислювальний пристрій (ПЕВМ або ЕОМ), комп'ютер.

Створення електронно-обчислювальних машин (ЕОМ) у середині XX в. можна віднести до числа найвидатніших досягнень в історії людства. ЕОМ в значній мірі розширили інтелектуальні можливості людини і за порівняно короткий термін (небагато чим більше 50 років) перетворилися на один з визначальних чинників науково-технічного прогресу. Багато крупних науково-технічних проектів нашого часу, як, наприклад, атомна енергетика, космічні дослідження, глобальні екологічні проблеми, не могли б успішно розвиватися без застосування ЕОМ. Широке застосування комп'ютерів сприяє появі нових методів пізнання законів природи, їх використанню в практичній діяльності і, отже, перетворенню науки в продуктивну силу суспільства. Впродовж трьох останніх десятиліть обчислювальна техніка все стрімкіше і ширше охоплює різні сфери людської діяльності. Існує багато причин такого бурхливого розвитку обчислювальної техніки. Воно стимулюється розробкою програмного забезпечення, яке вимагає створення більш довершеної апаратури, що в свою чергу служить передумовою для виникнення високопродуктивних програм. Істотне зниження вартості устаткування, обумовлене не тільки технічним прогресом, але і масовим характером виробництва, з'явилося передумовою для широкого впровадження обчислювальної техніки у всі сфери людської діяльності.

Історія використання механічних і напівавтоматичних засобів для арифметичних операцій налічує не одне тисячоліття. Час виникнення рахівниць втрачається в глибині століть, а деякі види обчислювальних пристроїв були створені, мабуть, в Стародавній Греції. У 1642г. французький математик Блез Паскаль (1623-1662) сконструював арифмометр, що дозволив механічно виконувати чотири арифметичні дії. Згодом він використовувався для виконання досить складних розрахунків (наприклад, розрахунки балістичних таблиць для артилерійської стрілянини).

Німецький філософ і математик Готфрід Вільгельм фон Лейбніц (1646- 1716) описав у загальних рисах те, що тепер називається програмою автоматизації мислення. У 1692 р. він винайшов механічну рахункову машину, що уміє не тільки складати, але і умножати. Англієць Чарльз Беббідж(1792-1871) вперше ясно уявив собі універсальну обчислювальну машину з гнучкою схемою програмування і пристроєм, що запам'ятовує. У 1833 р. він дав опис пристрою, названого ним аналітичною машиною. Така машина повинна була уміти виконувати програми: точну послідовність певних інструкцій, записаних у порядку виконання на мові, зрозумілій машині. Програми вводилися за допомогою перфокарт - карт з щільного матеріалу, на яких інформація представлена у вигляді комбінації отворів і повинні були мати склад (пам'ять в сучасній машині) для запам'ятовування даних і проміжних результатів. Проте ця машина виявилася дуже складною для техніки того часу.

Перша половина XX в. ознаменувалася послідовним розвитком і впровадженням багатьох обчислювальних пристроїв. Значний внесок в цю область вніс англійського математика Алан Матісон Тьюрінг (1912-1954). Машина Тюрінга була лише теоретичною побудовою і ніколи серйозно не розглядалася як економічно прийнятна машина (яка працювала б неприпустимо поволі), але вона привернула увагу дослідників до питання про можливість створення універсальної обчислювальної машини.

У 1943 р. американець Говард Ейкен за допомогою робіт Беббіджа на основі вже створених до цього часу електромеханічних реле зміг побудувати на одному з підприємств фірми IBM таку машину, названу Марк-1. Ще раніше ідеї Беббіджа були переоткрити німецьким інженером Конрадом Цузе, який побудував обчислювальну машину в 1941 р.

Істотний прогрес в створенні перших обчислювальних машин (ЕОМ) в XX в. був досягнутий за рахунок застосування електронних ламп. Починаючи з 1943 р. група фахівців під керівництвом Джона Мочлі і Преспера Екерта в США почала конструювати машину на основі електронних ламп, яка була побудована для балістичних розрахунків в 1946 р. і названа ЕНІАК (ENIAC - Electronic Numerical Integrator and Computer, тобто електронний числовий інтегратор і обчислювач). Схема роботи цієї машини була розрахована на виконання конкретної послідовності обчислень. Для іншої послідовності схему потрібно було практично вмонтовувати наново, що вимагало багато часу.

Один з видатних математиків нашого сторіччя Джон фон Нейман (1903-1957) розробив принципи побудови логічної схеми обчислювальної машини, здатної використовувати гнучку програму, що запам'ятовується, яку можна було б змінювати, не перебудувавши всієї схеми машини. Запропоновані їм принципи лягли в основу побудови універсальних по своєму застосуванню електронних машин. Перший комп'ютер, в якому були втілені принципи фон Неймана, був побудований в 1949 р. англійським дослідником Морісом Уїлксом.

Комп'ютери 40-х і 50-х років були дуже великими - величезні зали були заставлені шафами з електронним устаткуванням. Все це коштувало дуже дорого, тому комп'ютери були доступні тільки крупним компаніям і установам. Перший крок до зменшення розмірів комп'ютерів став можливий з винаходом в 1948 р. транзисторів - мініатюрних електронних приладів, які змогли замінити в комп'ютерах електронні лампи. У середині 50-х років були знайдені дуже дешеві способи виробництва транзисторів, і в другій половині 50-х років з'явилися комп'ютери, засновані на транзисторах. Вони були в сотні раз менше лампових такій же продуктивності. Єдина частина комп'ютера, де транзистори не змогли замінити електронні лампи, - це блоки пам'яті, але там замість ламп стали використовувати винайдені на той час схеми пам'яті на магнітних сердечниках.

До середини 60-х років з'явилися і значно компактніші зовнішні пристрої для комп'ютерів, що дозволило фірмі Digital Equipment випустити в 1965 р. перший міні-комп'ютер PDP-8 розміром з холодильник. Але на той час був підготовлений ще один крок до мініатюризації комп'ютерів - були винайдені інтегральні схеми.

До появи інтегральних схем транзистори виготовлялися окремо, і при збірці схем їх доводилося сполучати і спаювати уручну. У 1958 р. Джек Килбі придумав, як на одній пластині напівпровідника одержати декілька транзисторів. У 1959г. Роберт Нойс (майбутній засновник фірми Intel) винайшов досконаліший метод, що дозволив створювати на одній пластині і транзистори, і всі необхідні з'єднання між ними. Одержані електронні схеми стали називатися інтегральними схемами, або чіпами. Надалі кількість транзисторів, яку вдавалося розмістити на одиницю площі інтегральної схеми, збільшувалося приблизно удвічі щороку. У 1968 р. фірма Burroughs випустила перший комп'ютер на інтегральних схемах, а в 1970 р. фірма Intel почала продавати інтегральні схеми пам'яті.

У тому ж році був зроблений ще один важливий крок на шляху до персонального комп'ютера - Маршиан Едвард Хофф з тієї ж фірми Intel сконструював інтегральну схему, аналогічну по своїм функціям центральному процесору великої ЕОМ. Так з'явився перший мікропроцесор. Можливості Intel-400 були куди скромніше, ніж у центрального процесора великої ЕОМ: він працював набагато повільніше і міг обробляти одночасно тільки 4 біта інформації (процесори великих ЕОМ обробляли 16 або 32 біта одночасно). Але в 1973 р. фірма Intel випустила 8-бітовий мікропроцесор Intel-8008, а в 1974г. - його вдосконалену версію Intel-8080, яка до кінця 70-х років стала стандартом для мікрокомп'ютерної індустрії.

Спочатку ці мікропроцесори використовувалися тільки електронщиками-любителями і в різних спеціалізованих пристроях. Але в 1974 р. декілька фірм оголосили про створення на основі мікропроцесора Intel-8008 комп'ютера - пристрою, що виконує ті ж функції, що і велика ЕОМ. На початку 1975 р. з'явився перший комерційно поширюваний комп'ютер Альтаїр-8800, побудований на основі мікропроцесора Intel-8080. Хоча можливості його були вельми обмеженими (оперативна пам'ять складала всього 256 байт, клавіатура і екран відсутня), його поява була зустрінута з великим ентузіазмом. Покупці цього комп'ютера забезпечували його додатковими пристроями: монітором для виведення інформації, клавіатурою, блоками розширення пам'яті і т.д. Незабаром ці пристрої стали випускатися іншими фірмами. В кінці 1975 р. Пол Аллен і Біл Гейтс (майбутні засновники фірми Microsoft) створили для комп'ютера Альтаїр інтерпретатор мови Basic, що дозволило користувачам достатньо просто спілкуватися з комп'ютером і легко писати для нього програми. Це також сприяло популярності персональних комп'ютерів.

Успіх фірми Intel примусив багато фірм також зайнятися виробництвом персональних комп'ютерів. З'явилося і декілька журналів, присвячених персональним комп'ютерам. Комп'ютери стали продаватися вже в повній комплектації, з клавіатурою і монітором, попит на них склав десятки, а потім і сотні тисяч штук в рік. Зростанню об'єму продажу вельми сприяли численні корисні програми, розроблені для ділових застосувань. З'явилися і комерційно поширювані програми, наприклад програма для редагування текстів WordStar і табличний процесор VisiCalc (відповідно 1978 і 1979 рр.). Ці і багато інші програми зробили для ділового світу покупку комп'ютерів вельми вигідним вкладенням грошей: з їх допомогою стало можливо значно ефективніше виконувати бухгалтерські розрахунки, складати документи і т.д. В результаті виявилося, що для багатьох організацій необхідні їм розрахунки можна було виконувати не на великих ЕОМ або МІНІ-ЕОМ, а на персональних комп'ютерах, що значно дешевше.

Розповсюдження персональних комп'ютерів до кінця 70-х років привело до деякого зниження попиту на великі ЕОМ і МІНІ-ЕОМ. Це стало предметом серйозного занепокоєння фірми IBM (International Business Machines Corporation) - провідної компанії по виробництву великих ЕОМ, і в 1979 р. вона вирішила спробувати свої сили на ринку персональних комп'ютерів. Проте керівництво фірми недооцінило майбутню важливість цього ринку і розглядало створення комп'ютера всього лише як дрібний експеримент. Розробникам було дозволено не конструювати персональний комп'ютер з нуля, а використовувати блоки, виготовлені іншими фірмами.

Як основний мікропроцесор комп'ютера був вибраний новітній тоді 16-розрядний мікропроцесор Intel-8088. Його використання допомогло значно збільшити потенційні можливості комп'ютера, оскільки новий мікропроцесор дозволяв працювати 1 Мб пам'яті, а що всі були тоді комп'ютери були обмежені 64 Кб. У комп'ютері були використані і що інші комплектують різних фірм, а його програмне забезпечення було доручене розробити невеликій фірмі Microsoft.

У серпні 1981 р. новий комп'ютер під назвою IBM PC (читається - Ай-Бі-Ем Пі-Сі) був офіційно представлений, і незабаром після цього він придбав велику популярність у користувачів. Через один-два роки комп'ютер IBM PC зайняв провідне місце на ринку, витіснивши моделі 8-бітових комп'ютерів. Фактично IBM PC став стандартом персонального комп'ютера. Зараз такі комп'ютери (сумісні з IBM PC) складають більше 90 % всіх вироблюваних в світі персональних комп'ютерів.

Якби IBM PC був зроблений так само, як інші комп'ютери, що існували під час його появи, він би застарів через два-три роки. Але в IBM PC була закладена можливість удосконалення його окремих частин і використання нових пристроїв. Фірма IBM зробила комп'ютер не єдиним нероз'ємним пристроєм, а забезпечила можливість його збірки з незалежно виготовлених частин аналогічно дитячому конструктору, причому методи сполучення пристроїв з комп'ютером IBM PC не тільки не трималися у секреті, але і були доступні всім охочим. Цей принцип, званий принципом відкритої архітектури, разом з іншими достоїнствами забезпечив небувалий успіх комп'ютеру IBM PC.

На основній електронній платні комп'ютера IBM PC (системної, або материнської, платні) розміщені тільки ті блоки, які здійснюють обробку інформації (обчислення). Схеми, що управляють всіма іншими пристроями комп'ютера - монітором, дисками, принтером і т. д. реалізовані на окремій платі (контролерах), яка вставляється в стандартні роз'єми на системній платі - слоти. До цих електронних схем підводиться електроживлення з єдиного блоку живлення, а для зручності і надійності все це полягає в загальний металевий або пластмасовий корпус - системний блок.

Універсальність полягає у тому, що для IBM PC-сумісних комп'ютерів всі специфікації взаємодії зовнішніх пристроїв з контролерами, контролерів з системною платнею (точніше, шиною) і т.д. доступні всім охочим. Це положення зберігається до цього дня, хоча з тієї пори в конструкцію IBM PC-сумісних комп'ютерів було внесено багато нововведень.

У 1983 р. був випущений комп'ютер IBM PC XT, вбудований жорсткий диск, що має, в 1985 р. - комп'ютер IBM PC AT на основі нового мікропроцесора Intel-80286, що працює в 3-4 рази швидше IBM PC XT.