Від механічних калькуляторів до електронних машин

Історія виникнення ЕОМ

Історія та розвиток комп'ютерної техніки та обчислювальних машин

Лекція №1

L#1

Неокласичний синтез

Представники: Джон Хікс, Франко Модільяні, П. Самуельсон.

Людина завжди прагне прогресу: взяла в руки палку, винайшла колесо, більшість механізмів і інструментів. Вони розширили її фізичні здібності і збільшили свободу в просторі і часі. А тепер, коли ми навчилися збільшувати силу руху, швидкість ніг, гостроту зору, тонкість слуху, нам стало чогось не вистачати.

Комп’ютери пройшли довгу дорогу розвитку. Сьогодні в деяких книжках можна найти спогади про те, що прапрадідусям комп’ютерам був абак. Це не зовсім так, оскільки всі відомі рахівниці, і абак – скоріше інструмент для запам’ятовування чисел, як для вичислення. Ніяких навіть механічних операцій на абак, ні рахівниця проводити не можуть. З таким успіхом можна загинати пальці або малювати палички на аркуші паперу. Справжнім предком комп’ютера біли всім відомі механічні годинники. Це дійсно інструмент, який може рахувати без участі людини. Правда, годинник відраховує не числа, а час, але з точки зору механіки ніякої різниці не має. Уже всередині ХХ ст. були годинники, здатні не тільки рахувати хвилини і години, а й володіючи можливістю програмування, щоб у потрібну хвилину розбудити господаря мелодійним передзвоном дзвінків. Перші ЕОМ з’явилися після ІІ світової війни, і вони були такі далекі від сучасних комп’ютерів, як абак від механічного годинника. В ті роки ніхто не думав про те, що колись зможе допомогти людині в інтелектуальній діяльності. Його назначення тільки утилітарним – розрахунок артилерійських таблиць. Параметри знаряддя, властивості заряду і маса заряду, умови роботи, висота над рівнем моря, відстань до цілі і кут до підвищення ствола – все це впливає на точність попадання. Для кожного типу снаряд і снарядів необхідні були великі обчислення. Перші ЕОМ дозволили спростити працю тисячі обчислювачів роками без перевтомлювань.

Найдавніші комп’ютери:

а) механічні рахівниці.

Найпершу механічну рахівницю, яка мала практичне застосування (вона складалася з набору ричажків і коліщат), винайшов у 1642 р. французький математик Блез Паскаль. Щоб скористуватися таким приладом потрібно було набрати два числа на лицевій панелі, повернути ручку і тоді машина проводила об числення введених у неї чисел, але множити або ділити вона ще не могла.

У 1832 р. англійський математик і винахідник Чарльз Бебідж сконструював першу програмну рахувальну машину, яку він назвав аналогічною машиною. Особливість цієї машини полягала в тому, що для виконання операцій їй була потрібна не людина а набір інструкцій. Такі інструкції представляли собою визначений візерунок дірочок на карточках-перфокартах. Вони стали прикладом перших обчислювальних програм. Нажаль цю аналітичну машину не вдалося довести до робочого стану.

б) Перші комп’ютери, які працювали на електриці.

Ідею Бебіджа після створення програмуючої обчислювальної машини вчені скористалися в 30-40-х рр. ХХ ст. Але замість великої кількості механічних деталей, які потрібно було машині Бебіджа, вчені змусили працювати в обчислювальних машинах електрику (перша програмуюча машина у 1805 р. була створена інженером Жозефом-Марі Жаккаром, ткацький станок, який міг створювати на тканині різноманітні візерунки із шовкових ниток різного кольору. Саме прекрасне у винохідці було те, що станок створював візерунки на тканині по інструкції, яка представляла собою карточку з дірочками, розміщеними у ви значеному порядку. Ці карточки-інструкції і були першими порограмами. Для кожного малюнка своя перфокарта).

Електро-обчислювальні машини (ЕОМ) мали запам’ятовувати цифри та іншу інформацію і зберігати її у своїй пам’яті. Для цієї цілі використовувалися переключателі, які називались “реле”. Їх контакти закривались або розкривались при проходженні по них електричного струму. У кінці 30-х рр. в американському Гарварді був створений “Марк – 1” – це комп’ютер з великою кількістю реле, здібний складати, вичитати, множити і ділити дуже великі числа для виконання кожної обчислювальної операції. Йому потрібно було близько 4 секунд.

в) Комп’ютери у час вдосконалення.

1. Напівпровідниковий транзистор.

У перших ЕОМ основними робочими елементами були електричні лампи, або вакуумні електричні трубки. На зовнішній вигляд вони були схожі на електричні лампи. Вони включалися і виключалися під дією електричних сигналів, але при роботі сильно перегрівались і часто виходили з ладу. Наступним кроком уперед в обчислювальній техніці стало створення у 1948 р. напівпровідникових транзисторів. Вони виконували такі ж функції, що і електронні лампи, але вони значно менші по розміру (трохи більші за горошину), надійніші в експлуатації і більш стійкі. До того ж вони використовували набагато менше електроенергії і були дешевші у виробництві.

Таким чином стало можливим створення ЕОМ. Менших розмірів і з більшими швидкодіями. В 60-ті рр. їх вже використовували в приватних компаніях і державних установах. З’явилися ЕОМ різних типів, деякі з них розмірами як кімната. Дістали назву “Велике ЕОМ”, інші ті, що менші і могли поміститися на столі і дістали назву міні-ЕОМ.

2. Кремнієва мікросхема.

Поява інтегральних схем, або кремнієвих чіпів, в 70-ті рр. ХХ ст. означало ще один великий етап в розвитку ОТ. ЕОМ стали ще більш компактними і дешевими. Оскільки інтегральна схема здатна замінити тисячі інтегральних транзисторів і зменшується вона на поверхність кремнієвого стану площею близько 10 кв. мм.

ЕОМ до того часу стали на стільки невеликими і дешевими, що більшість людей стали думати чи не купити б їм настільки корисну машину. Оскільки основні інтегральні схеми для ЕОМ за свій мініатюрний розмір дістали назву мікропроцесори, і номер покоління ОМ дістали приставку “мікро”, а по українському стали найчастіше називати просто комп’ютерами. Однією із перших вдалих розробок, придатних для рішення щоденних задач у домашніх умовах, стали “Епл” (“Apple”), з’явившись на ринку у 1977 р.

3. НВІС (технологія).

У 80-ті рр. електронники розробили технологію НВІС (технологія створення над великих інтегральних схем). Одна така інтегральна схема включає в себе десятки тисяч транзисторів і всі вони розміщуються на кристалі кремнію, меншого за людський ніготь. Так був створений домашній комп’ютер. Іншим словом ПК (персональний комп’ютер) скорочене позначення цього терміна по англійському – РС. Під час створення більшості сучасних комп’ютерів використовувалася технологія НВІС у порівнянні з першими ЕОМ. Сьогоднішні машини видаються чудом техніки. І прогрес у даній області все прискорюється. Тому витягуючи із коробки тільки що куплений комп’ютер, можете думати, що він уже майже застарілий.

Німецький інженер Конрад Цузе був першим, хто успішно здійснив ідею створення обчислювальної машини на основі двійкової системи числення. У 1936 році він початків конструювати обчислювальний апарат, що працює в двійковій системі числення, що згодом був названий Zuse ((Z1.. Громіздкі статистичні обчислення для здійснення складних інженерних розрахунків повинні були стати автоматизованими, що було дотепер неможливо. Машина Цузе стала першим вичислювальним автоматом із програмним керуванням і вважається першим комп'ютером.

1941 р. - Комп'ютер першого покоління "на реле"

Цузе одним із перших у 1941 році зумів побудувати діючу модель Zuse 3 на базі Z1, що перебувала з 600 реле рахункового пристрою і 2000 реле пристрою пам'яті. Числа можна було „записати" у пам'ять і "зчитати" відтіля за допомогою електричних сигналів, що проходили через реле. Реле або пропускали сигнал, або не пропускали. Керуюча програма була закодована за допомогою перфорованої стрічки, виготовленої з бракованої кіноплівки, що було актуально при дефіциті папери в роки війни. Машина зчитувала програму механічно крок за кроком (лінійно), тому робити розгалужені обчислення було поки неможливо. Zuse 3 проводила від 15 до 20 обчислювальних операцій у секунду.

1942 р. - Електронна лампа. Перша електронно-обчислювальна машина До 1942 року всі обчислювальні машини працювали на механічних або електромеханічних елементах (реле), і тільки з цього року почали частіше застосовуватися електронні лампи як для збереження, так і для обробки даних. Це дозволило збільшити швидкість роботи машин у тисячу разів.

Перша електронно-обчислювальна машина була розроблена Джоном Алтансоффом і Клиффордом Берри, і на її базі в 1946 році під керівництвом Дж. Преспера Эккерта і Джона Маушли був побудований ENIAC (Electronic Numeral Integrator and Calculator) за замовленням військового відомства США.

Вага машини складала 30 тонн, вона вимагала для розміщення 170 квадратних метрів площі. ENIAC містив 18 000 електронних ламп замість тисяч механічних деталей. Рахувала машина в двійковій системі і робила 5000 операцій додавання або 300 операцій множення в секунду. Уведення даних здійснювалося через перфоровані карти. На жаль, машина працювала лише половину передбаченого часу, тому що нерідко 67 електронних ламп виходили з ладу протягом однієї години, і весь процес рахунку зупинявся.

1943 р. - Пристрій із частковим програмним керуванням У Гарвардському університеті професор Говард Айкен у 1943 році з групою інженерів IBM завершив роботу над пристроєм із частковим програмним керуванням. Цей пристрій одержав назву Mark 1 і став першим у світі цифровим комп'ютером, здатним сприймати вхідні дані, закодовані за допомогою перфокарт або перфолент. У ньому використовувалися електронні сигнали в комбінації з механічними приводами і реле. Ця машина, що програмується, перебувала з 700 000 елементів і рахувала за допомогою 72 пристроїв, що підсумовують, у 23 десяткових розрядах.

Mark 1 перебував більш ніж із 750 тисяч деталей і мав довжину понад 15 метрів, висоту біля 2,5 метри, на 3 мільйони з'єднань пішло 80 кілометрів проводу. Програма для керування машиною була кодована в двійковій системі. На одне підсумовування Mark 1 затрачав 0,3 секунди, а для перемножування двох 23-розрядних чисел йому було необхідно 4 секунди.

1948 р. – Транзистор Для заміни часто вихідних із ладу електронних ламп у 1948 році американці Джон Бардін, Уолтер Браттейн і Вуликам Брэдфорд Шокли винайшли стабільні елементи, що переключають, названими транзисторами. Транзистори виявилися здатними виконувати всі ті функції, що до цього виконували електронні лампи. Але при цьому вони займали істотно менший обиєм і споживали значно менше електроенергії.

1949 р, — Функціональний принцип комп'ютера. У 1949 році американський математик Джон тло Нейман, що приймав участь у створенні ENIAC, зробив відкриття, що поклало початок сучасній обробці даних. Він запропонував ідею інтегрування робочої програми в пам'ять машини в закодованому виді. Нейман дав наступний опис функціонального принципу комп'ютера: В ньому є процесор, що прямо зв'язаний із пам'яттю, де дані і (або) програма знаходяться напоготові для обробки. І вони обробляються в процесорі друг за другом". Перша ЕОМ із збереженою програмою одержала назву EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator — електронний калькулятор із пам'яттю на лініях затримки). Вона була створена в Кембріджському університеті (Англія) у 1949 році. З тих пір усі ЕОМ є комп'ютерами зі збереженою програмою.

1950 р. - Перша радянська ЕОМ. У Радянському Союзі перша ЕОМ була створена в 1950 році в Інституті математики АН УРСР під керівництвом академіків С.А. Лебедєва і М.А. Лаврентьєва. Перше радянське електронно-обчислювальний пристрій, якому було призначено народитися у Феофании (під Києвом), одержали назву МЭСМ — мала електронна рахункова машина. Основні параметри машини такі: швидкодія — 50 операцій у секунду; ємність оперативного ЗУ — 31 число і 63 команди; представлення чисел — 16 двійкових розрядів із фіксованої перед старшим розрядом коми; команди трьохадресні; робоча частота — 5 кгц; була передбачена також можливість підключення додаткового ЗУ на магнітному барабані, ємністю в 5000 слів. ОЗУ було побудовано на триггерных регистрах, АУ — рівнобіжної дії, чим, в основному, і пояснювалися порівняно великі апаратурні витрати (тільки в ОЗУ було використано 2500 тріодів і 1500 діодів). ОЗУ було побудовано на таких же тригерах, як і пристрій керування й арифметичний пристрій, і могло безпосередньо зв'язуватися з повільно діючим ЗУ на магнітному барабані.

1951 р. - Перша масова модель комп'ютера. Джон Маушли і Дж. Преспер Эккерт заснували компанію, що приступила до розробки комп'ютерів із збереженою програмою. У 1951 році вони створили машину UNIVAC (Universal Automatic Computer — універсальна автоматична обчислювальна машина). Перший екземпляр був переданий у Бюро перепису населення США. Потім було створено багато різних моделей UNIVAC, що знайшли застосування в різних сферах діяльності. Таким чином, UNIVAC став першим серійним комп'ютером. Крім того, це був перший комп'ютер, у якому замість перфолент і карт використовувалася магнітна стрічка, і він вільно обробляв як цифрову, так і символьну інформацію.

1953 р. - Створення БЭСМ. У 1953 році в будуй вступила БЭСМ — велика електронна рахункова машина, побудована під керівництвом С.А. Лебедєва для Академії наук і визнана тоді самої швидкодіючої з європейських пристроїв подібного типу (середня швидкість рахунку - до 10 тис. операцій у секунду). У цій трьохадресній машині рівнобіжної дії на електронних лампах (4000 ламп) була використана двійкова система числення з плаваючої коми. У якості пристроїв уведення використовувалася перфолента, для висновку — магнітна стрічка з наступним друкуванням на спеціально розробленому швидкодіючому пристрої, що фотодрукує. Цікавими особливостями структури машини було введення місцевого керування операціями, що виходять за часом за рамки стандартного циклуа а також автономне керування при переході на підпрограми. Машина містила довгострокове пристрій, що запам'ятовує, для підпрограм, частина з який була змінної.

За 1959-1966 роки було створено 4 моделі цієї родини: БЭСМ-2, БЭСМ-3, БЭСМ-ЗМ і БЭСМ-4. Удосконалювання йшло по шляху збільшення і модернізації зовнішніх пристроїв, переходу на напівпровідникову элементну базу, збільшення ємності ОЗУ на магнітних сердечниках, а також ємності зовнішніх ЗУ. У 1967 році була створена сама потужна обчислювальна машина даної родини — БЭСМ-6 (швидкодія складала біля 1 млн. операцій у секунду). Характерними чортами внутрішньої організації центральної частини машини були: високий ступінь локального паралелізму, наявність буферного пристрою, що запам'ятовує, що має велику швидкодію, розширена система операцій, можливість організації магазинної пам'яті і розбивка оперативної пам'яті на незалежні блоки. Структура машини була розрахована на застосування її в режимі поділи часу і мультипрограмування.

1954 р. - Серійний випуск електронно-обчислювальних машин у СРСР. Після появи БЭСМ був заснований серійний випуск великої машини "стріла,, розробленої по проекті Ю.А. Базилевского. Машина згодом зіграла чималу роль у вирішенні ряду науково-технічних завдань. У ній здійснювалося рівнобіжне представлення десяткових чисел із плаваючої коми (діапазон від 10 у -19 ступеня до 10 у +19). "Стріла" мала 43 двійкових розряди і трьохадресну систему команд. Введення в машину здійснювався з перфокарт і з магнітної стрічки. Висновок -на магнітну стрічку, перфоратор карт і широкоформатний друкувальний пристрій. Ця машина, побудована на 6000 електронних ламп, за секунду могла виконати до 2 тис. трьохадресних операцій із плаваючої коми. Корисний машинний час - до 18 годин у добу. У колективі, яким керував член-кореспондент АН СРСР И.С. Брук, були побудовані універсальні машини М-2 і М-3. З 1954 року початий також серійний випуск універсальної машини "Урал-1", а потім і "Урал-4" конструкції Б.И. Рамеева. Машини всіх цих типів швидко знайшли застосування в різних галузях народного господарства.

1955 р. - Друге покоління комп'ютерів. З 1955 року транзистори активно впроваджуються при виробництві комп'ютерів, із цього часу вважається, що з'явилося друге покоління комп'ютерів. Нові електронні елементи були менші і стабільніші. Вони споживали менше току, і виробництво їх було дешевше. Один транзистор був здатний замінити 40 електронних ламп і при цьому працювати з більшою швидкістю, чим вони. У результаті швидкодія машин другого покоління зросло в 10 разів. Цей прогрес позначився на пристрої пам'яті. Центральний пристрій, що запам'ятовує, став перебувати з магнітних сердечників, так що вони могли зберігати більше даних і швидше їх зчитувати. Починають розроблятися обчислювальні програми з програмною мовою. Магнітну стрічку почали використовувати як для введення, так і для виводу інформації. У 1964-1971 роках у СРСР був створений ряд програмно й апаратно-сумісних моделей на напівпровідникових елементах: "урал-11,, -урал"14" і 1урал". б".

1959 р. - Чіп. Третє покоління комп'ютерів. Фірми Fairchild і Texas Instruments незалежно друг від друга представили в 1959 році інтегральні схеми (чіпи), що базувалися на кремнієвій технології, що переважає і сьогодні. З появою чіпа і почалося третє покоління комп'ютерів. Всі електронні компоненти (транзистори, опори і конденсатори) разом із сполучними провідниками містилися усередину кремнієвої пластинки - чіпа. Такі чіпи монтувалися на тонких платах і з'єднувалися між собою друкованими провідниками. У такий спосіб скорочувалися шляху проходження току при переключеннях, тим самим швидкість обчислень підвищувалася в десятки разів. Крім того, значно зменшилися габарити машин. Так, якщо в 1950 році в машині об'ємом 1 куб. фут (0,028 куб. м) вміщувались 1000 електричних ланцюгів, у 1960 році - 100 тис., то в 1970 році 10 млн.

1970 р. - Четверте покоління комп'ютерів. Зі зменшенням елементів комунікації в 1970-і роки з'явилося четверте покоління комп'ютерів. Перехід зробив чіп 4004 виробництва Intel — мікропроцесор, що виконував 60 тис. інструкцій у секунду. Цей 8-розрядний мікропроцесор був виконаний по п-канальній Моп-технології. Він був розрахований на виконання тільки арифметичних дій і тому в основному був застосований у технічних розрахунках. Поряд із Intel подібні чіпи запропонували Motorola і Zilog. До машин четвертого покоління відносять американські В-7700, "иллиак-IV,, радянську ЕОМ "эльбрус", ПС 2000.

1972 р. - Поява ЄС ЕОМ. У 1972 році країни соціалістичної співдружності приступили до розробки.третього покоління. Єдина система обчислювальних машин (ЄС ЕОМ) — це комплекс стаціонарних типових машин колективного користування із широким діапазоном продуктивності, що мають загальну структурну базу і загальну систему команд (сумісність програмування, загальну номенклатуру зовнішніх пристроїв і однакового логічного зв'язку між пристроями. Ядро Єдиної системи складали 7 процесорів, що охоплюють діапазон швидкостей обчислень від декількох тисяч до 2 млн. операцій у секунду. У процесорі були реалізовані операції з фіксованою і плаваючими комами й операції над десятковими числами. У ЄС ЕОМ використовувався паралельно-послідовний принцип виконання операцій, наприклад, однобайтна обробка даних при двохбайтової вибірці її з ОЗУ в машині ЄС-1020.

Кінець 1970-х рр. - П'яте покоління комп'ютерів. У 1970-і роки були створені так називані мінікомп,ютери, такі як PDP-11 фірми Digital Equipment Corporation, із відносно невеликими габаритами і менше потужні, чим великі комп'ютери. Зростала потреба в малих недорогих ЕОМ, що підтримують одне робоче місце— - персональних комп'ютерах (PC). До кінця 1970-х років мікронізація чіпів привела до того, що повна обчислювальна машина могла розміститися на звичайному письмовому столі. Маленькі комп'ютери мали доступну ціну, що привело до росту зацікавленості з боку підприємств, шкіл і університетів. Упровадження PC можна вважати початком виробництва комп'ютерів 5-го покоління. На початку 1975 року з'явився перший що комерційно поширюється комп'ютер -альтаир"8800", що був побудований фірмою MITS на основі мікропроцесора Intel 8080. Він мав 256 байт оперативної пам'яті й управлявся за допомогою спеціальної панелі перемикачів. Для введення і виводу даних використовувався дисковод 8-дюймових гнучких дисків, що купувався окремо. Наприкінці 1975 року Пол Аллен і Білл Гейтс (майбутні засновники фірми Microsoft) створили для комп'ютера "альтаир" інтерпретатор мови Basic, що дозволило користувачам досить просто спілкуватися з комп'ютером і легко писати для нього програми.

1981 р. - Поява IBM PC і PC DOS. У серпні 1981 року поряд із Apple, Commodore і Atari на ринку з'явилися перші переносні бізнеси-комп'ютери фірми Osborne. Але отут виник ще один конкурент — IBM. У 1981 році фірма IBM випустила свій перший мікрокомп"ютер IBM PC (IBM Personal Computer) із відкритою архітектурою, заснований на 16-розрядному мікропроцесорі 8088 фірми Intel. Цей комп'ютер був обладнаний монохромним текстовим дисплеєм, двома дисководами для 5-дюймових дискет на 160 Кбайт, оперативною пам'яттю 64 Кбайта. IBM PC був орієнтований на ринок комп'ютерів для бізнесу. IBM вирішив використовувати власну операційну систему і доручив фірмі програмного забезпечення Microsoft її розробити. Вона стала продаватися разом із IBM PC як PC DOS. Білл Гейтс, власник компанії Microsoft, заснував свою першу фірму вже в 14 років, у 19 років перервав навчання в університеті, щоб стати бізнесменом, і через 5 років мав світову монополію на операційну систему MS DOS.

Березень 1993 р. – Pentium. У березні 1993 року фірма Intel оголосила про початок промислових постачань 66- і 60-Мгц версій процесора Pentium. Системи, побудовані на базі Pentium, цілком сумісні з персональними комп'ютерами, що використовують мікропроцесори і8088, і80286, і80386, і486. Нова мікросхема містила біля 3,1 мільйони транзисторів і мала 32-розрядну адресну і 64-розрядну зовнішню шину даних.

Pentium із тактовою частотою 66 Мгц має продуктивність біля 112 MIPS (мільйонів інструкцій у секунду). Архітектура Pentium містить два арифметико-логічних пристрої, завдяки чому дві команди можуть бути виконані за один такт синхронізації. Крім того, Pentium має два роздільних 8-кбайтних кешу: один для команд і один для даних. Одним із найбільш цікавих нововведень, використовуваних у Pentium, є невелика кеш-пам'ять, називана Branch Target Buffer, BTB (буфер міток переходів), що дозволяє динамічно пророкувати переходи в програмах, що виконуються. В даний час мікросхеми Pentium-60/66 зняті з виробництва, а випускаються версії процесорів другого покоління Pentium із внутрішнім множенням частоти в 1,5 і 2 рази на 75/50, 90/60, 100/66, 120/60, 133/66, 150/60 і 166/66 Мгц. Презентація перших моделей цих процесорів відбулася в березні 1994 року.

Дата добавления: 2014-01-11