История вычислительной техники. Этапы развития ЭВМ

В истории вычислительной техники можно выделить следующие этапы: домеханический, механический, электромеханический, электронный. Счетное устройство древних арабов – абак – относится к домеханическому этапу. В XVII веке французский ученый Блез Паскаль создал первую суммирующую машину, ознаменовав начало механического этапа в истории вычислительной техники. Эта машина была воспринята современниками как курьез. Первое широко востребованное механическое вычислительное устройство – арифмометр – было создано немецким математиком Лейбницем в середине XIX века. Прародителем автоматических цифровых вычислительных машин стала аналитическая машина Чарльза Бэббиджа, которым была высказана мысль о предварительной записи порядка действий машины для последующей автоматической реализации их в программе. Бэббидж предложил использовать для записи и ввода программ в машину перфокарты, которые в то время применялись для управления ткацкими станками. Помощником Бэббиджа стала дочь английского поэта Байрона Ада Лавлейс, которую можно считать исторически первым программистом. Она теоретически разработала некоторые приемы управления последовательностью вычислений, использующиеся в программировании по сей день, и описала важнейшую конструкцию любого современного языка программирования - цикл. В аналитическую машину были заложены принципы, впоследствии ставшие фундаментальными для вычислительной техники: 1) автоматическое выполнение операций, 2) работа по вводимой «на ходу» программе (программа должна вводиться в исполнительное устройство со скоростью, соизмеримой со скоростью выполнения операций), 3) необходимость специального устройства - памяти - для хранения данных (Бэббидж назвал его «складом»). Бэббидж спроектировал свое детище в 1822 году. В течение 30 последующих лет конструируя и совершенствуя свою машину, он натолкнулся на невозможность её реализации на базе механической техники. Вместе с тем до появления первого электромотора оставалось почти полвека, а первой электронной радиолампы - почти век. Революционные идеи Бэббиджа настолько опередили свое время, что были в значительной мере забыты и переоткрыты в следующем столетии.

Электромеханический этап развития вычислительной техники стартовал в 30-е годы XX века с началом работ по созданию релейных машин, в которых наряду с механическими конструкциями стали применяться электромеханические реле. Это позволило реализовать автоматически действующие вычислительные устройства. В 1944 году под руководством Говарда Айкена - американского математика и физика - на фирме IBM (International Business Machines) была запущена машина «Марк‑ 1», впервые реализовавшая идеи Бэббиджа (хотя разработчики, по-видимому, не были с ними знакомы). Для представления чисел в ней были использованы механические элементы (счетные колеса), для управления - электромеханические. Одна из самых мощных релейных машин РВМ-1 была построена в СССР в начале 50-х годов под руководством Н.И.Бессонова; она выполняла до 20 умножений в секунду с достаточно длинными двоичными числами. Однако век релейных машин оказался недолог, очень скоро они были вытеснены электронными машинами, гораздо более производительными и надежными.

Подлинная революция в вычислительной технике произошла в связи с изобретением электронных устройств. Электронный этап её развития отсчитывается с конца 30-х годов XX века, когда одновременно в США, Германии, Великобритании и СССР начались работы по созданию автоматических вычислительных машин, техническую основу которых составляли бы электронные лампы. К этому времени электронные лампы уже широко применялись в радиотехнических и радиопередающих устройствах.

Первой действующей электронной вычислительной машиной (ЭВМ) стала ENIAC (США, 1945 – 1946 годы). Руководили ее созданием Джон Моучли и Преспер Эккерт, продолжившие работу своего предшественника Джорджа Атанасова. Машина содержала порядка 18 тысяч электронных ламп, множество электромеханических элементов. Ее энергопотребление составляло 150 кВт.

Работы над созданием ЭВМ в Великобритании связаны прежде всего с именем Алана Тьюринга - математика, внесшего также большой вклад в теорию алгоритмов и теорию кодирования.

Первая отечественная ЭВМ - МЭСМ («малая электронно-счетная машина») - была создана в 1951 году под руководством Сергея Александровича Лебедева, крупнейшего советского конструктора вычислительной техники, впоследствии академика, лауреата государственных премий, руководившего созданием многих отечественных ЭВМ. Рекордной среди них и одной из лучших в мире для своего времени была БЭСМ-6 («большая электронно-счетная машина, 6-я модель»), созданная в середине 60-х годов и долгое время бывшая базовой машиной в обороне, космических и научно-технических исследованиях в СССР. Кроме машин серии БЭСМ выпускались ЭВМ других серий - «Минск», «Урал», М‑ 20, «Мир» и другие, созданные под руководством И.С.Брука и М.А.Карцева, Б.И.Рамеева, В.М.Глушкова, Ю.А.Базилевского и других отечественных конструкторов и теоретиков информатики.

Огромный вклад в теорию и практику создания электронной вычислительной техники на начальном этапе ее развития внес один из крупнейших американских математиков Джон фон Нейман. Им были сформулированы шесть принципов функционирования вычислительной системы. Совокупность этих принципов породила классическую архитектуру ЭВМ, которая носит название архитектуры фон Неймана.

Принципы фон Неймана:

1) принцип использования двоичной системы счисления для представления команд и данных,

2) принцип программного управления,

3) принцип однородности памяти,

4) принцип адресности памяти,

5) принцип последовательного программного управления,

6) принцип условного перехода.

Архитектура фон Неймана

В истории вычислительной техники существует своеобразная периодизация ЭВМ по поколениям. Первоначально в ее основу был положен физико-технологический принцип: машину относят к тому или иному поколению в зависимости от используемых в ней физических элементов или технологии их изготовления. Границы поколений размыты, так как в действительности в одно и то же время выпускались машины разных уровней. Когда приводят даты, относящиеся к поколениям, то обычно имеют в виду период промышленного производства.

Вместе с тем физико-технологический принцип не является единственным при определении принадлежности той или иной ЭВМ к поколению. Следует считаться и с уровнем программного обеспечения, и с быстродействием, и с прочими факторами.

Персональные компьютеры относятся к ЭВМ четвертого поколения. Создание персонального компьютера неразрывно связано с изобретением в 1970 году Эдвардом Хоффом микропроцессора Intel 4004. Эта интегральная микросхема по своим функциям была аналогична блоку центрального процессора большой ЭВМ. Микропроцессор Intel 4004 интегрировал 2250 транзисторов, был производительнее первой ЭВМ ENIAC и в десятки тысяч раз дешевле современных ему больших ЭВМ. Недостатком микропроцессора Intel 4004 являлась его низкая разрядность – всего 4 бита. Первый восьмиразрядный микропроцессор Intel 8008 (3500 транзисторов, тактовая частота 500 кГц) был выпущен в 1973 году. Его усовершенствованная версия Intel 8080 стала основой первого коммерческого компьютера Altair, сконструированного в 1974-1975 годах Эдвардом Робертсом из компании MITS. В 1975 году для этого компьютера Полом Алленом и Биллом Гейтсом был создан интерпретатор языка Basic.

Началом эры массового распространения компьютеров стал 1976 год, когда появился компьютер Apple, разработанный американскими инженерами Стивом Возняком и Стивом Джобсом. За несколько лет было продано 2 миллиона экземпляров Apple, то есть впервые в мировой практике компьютер стал устройством массового производства.

Вскоре лидерство в этой области захватила фирма IBM. В 1981 году группой специалистов во главе с Джоном Эстриджем и главным конструктором Льюисом Эггебрехтом был создан получивший впоследствии широкую известность персональный компьютер IBM PC. Он базировался на микропроцессоре Intel 8088 с тактовой частотой 4, 77 МГц. В 1983 году появилась следующая модель – IBM PC XT (eXTended), а в 1984 году – IBM PC AT (Advanced Technologies). Компьютер IBM PC AT использовал микропроцессор Intel 80286 с тактовой частотой 6-8 МГц. Он содержал также математический сопроцессор Intel 80287 и чипсет – набор системной логики на интегральных микросхемах сверхвысокой степени интеграции. Первый представитель другой ветви персональных компьютеров – Apple Macintosh – был представлен в том же 1984 году.

В последующие годы персональные компьютеры семейства IBM PC создавались на базе 32-разрядных (в настоящее время – 64-разрядных) процессоров и соответствующих чипсетов.

Большой популярности и повсеместному распространению персональных компьютеров способствовал принцип открытой архитектуры. Он подразумевает возможность расширения базовых функций компьютера путем интеграции с ним дополнительных устройств. Для этого требуется, чтобы архитектура компьютера была модульной и сведения о ней были доступны производителям оборудования. С появлением PC AT компания IBM сделала достоянием гласности принципы построения нового компьютера и тем самым стимулировала сторонних разработчиков к его совершенствованию.

Принцип открытой архитектуры обеспечил персональному компьютеру семейства IBM PC следующие преимущества:

1) открытые стандарты расширения возможностей компьютера,

2) возможность разработки плат расширения сторонними производителями,

3) простота подключения новых устройств,

4) возможность наращивания функций компьютера в соответствии с потребностями пользователя,

5) возможность варьирования конфигурации компьютера в соответствии с решаемыми задачами.

Несмотря на большую популярность, персональные компьютеры не являются единственными современными представителями ЭВМ. Для решения сложных вычислительных задач требуются гораздо более мощные системы. Вот схема классификации компьютеров, учитывающая их производительность, размеры и функциональное назначение: