Первое поколение компьютеров

Год

Claude Elwood Shannon

Клод Эльвуд Шеннон

(30.04.1916 - 24.02.2001)

Шеннон, имея два диплома бакалавра - по электротехнике и по математике, выполнял обязанности оператора на неуклюжем механическом вычислительном устройстве под названием "дифференциальный анализатор", который построил в 1930 году научный руководитель Шеннона профессор Вэннивер Буш. В качестве темы диссертации Буш предложил Шеннону изучить логическую организацию своей машины. Постепенно у Шеннона стали вырисовываться контуры устройства компьютера.

В годы войны он занимался разработкой криптографических систем, и позже это помогло ему открыть методы кодирования с коррекцией ошибок. Кстати, в те же сороковые годы Шеннон, например, занимался конструированием летающего диска на ракетном двигателе.

Одновременно Клод Элвуд Шеннон начал развивать идеи, которые впоследствии легли в основу прославившей его теории информации. Целью Шеннона была оптимизация передачи информации по телефонным и телеграфным линиям. И для того, чтобы решить эту проблему, ему пришлось сформулировать, что такое информация и чем определяется ее количество. В своих работах 1948-49 годов он определил количество информации через энтропию - величину, известную в термодинамике и статистической физике как мера разупорядоченности системы, а за единицу информации принял то, что впоследствии было названо "битом", то есть выбор одного из двух равновероятных вариантов.

В своих работах Клод Шеннон определил количество информации через энтропию - величину, известную в термодинамике и статистической физике как мера разупорядоченности системы, а за единицу информации принял то, что впоследствии окрестили "битом", то есть выбор одного из двух равновероятных вариантов. На прочном фундаменте своего определения количества информации Клод Шеннон доказал удивительную теорему о пропускной способности зашумленных каналов связи. Во всей полноте эта теорема была опубликована в его работах 1957-1961 годов и теперь носит его имя.

В чем суть теоремы Шеннона? Всякий зашумленный канал связи характеризуется своей предельной скоростью передачи информации, называемой пределом Шеннона. При скоростях передачи выше этого предела неизбежны ошибки в передаваемой информации. Зато снизу к этому пределу можно подойти сколь угодно близко, обеспечивая соответствующим кодированием информации сколь угодно малую вероятность ошибки при любой зашумленности канала.

Норберт Винер (1894-1964) вводит в обращение термин "кибернетика"

В своих воспоминаниях Винер писал, что летом 1946 года он был приглашен во Францию в город Нанси на математическую конференцию. По пути в Нанси он останавливается в Лондоне и знакомится с исследованиями своих коллег. В голове его уже давно зрела мысль написать книгу и рассказать в ней об общности законов, действующих в области автоматического регулирования, организации производства и в нервной системе человека. Он сумел даже уговорить парижского издателя Феймана издать эту будущую книгу. Тот долго сомневался, но решил рискнуть.

Книга «Кибернетика» вышла в 1948 году в нью-йоркском издательстве «Джон Уили энд Санз» и парижском «Херманн эт Ци»

С выходом в свет «Кибернетики» Норберт Винер, как говорят, «проснулся знаменитым». «Появление книги, — писал он, — в мгновение ока превратило меня из ученого-труженика, пользующегося определенным авторитетом в своей специальной области, в нечто вроде фигуры общественного значения. Это было приятно, но имело и свои отрицательные стороны».

Кибернетика сразу же приобрела шумную популярность. Она стала модой. Даже некоторые художники, чтобы не отстать от жизни, организовали нечто вроде «кибернетического» направления в искусстве. Особенно много постарались писатели-фантасты. Каких только апокалиптических ужасов они не рисовали!

Основоположником современной теории управления сам Винер считал английского физика, создателя классической электродинамики Джеймса Клерка Максвелла, и это совершенно справедливо. Теория автоматического регулирования была в основном сформулирована Дж. Максвеллом, Иваном Алексеевичем Вышнеградским, математиком Алексеем Андреевичем Ляпуновым и теплотехником Аурелием Стодолой. В чем же заслуга Н. Винера? Может быть, его книга просто представляет собой компиляцию известных сведений, собирает воедино известный, но разрозненный материал?

Заслуга Норберта Винера в том, что он впервые понял принципиальное значение информации в процессах управления. Говоря об управлении и связи в живых организмах и машинах, он видел главное не просто в словах «управление» и «связь», а в их сочетании, точно так же, как в теории относительности важен не сам факт конечности скорости взаимодействия, а сочетание этого факта с понятием одновременности событий, протекающих в различных точках пространства.

Кибернетика — наука об информационном управлении, и Винера с полным правом можно считать творцом этой науки.

Универсальный электронно-цифровой компьютер ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) был создан в 1945 году. Разработка его велась во время войны и требования диктовали чисто военные проблемы, проект финансировался министерством обороны США. Разрабатывали проект Джон В. Моучли и Дж. Преспер Эккерт в Баллистической исследовательской лаборатории армии США.

Источником вдохновения для Мочли послужило устройство, созданное профессором федерального колледжа Айовы Джоном Ф. Антанасовым для решения больших систем линейных уравнений.

На основе предоставленного Атанасовым полного описания АВС Джон Моучли и Дж. Проспер Эккерт - построили в 1946 году (в этом году проект был рассекречен) машину, которую принято считать первым в мире универсальным компьютером. То, что ABC является первым в мире универсальным компьютером Атанасову удалось доказать.

ENIAC стал первым полнофункциональным компьютером. В 1946 году состоялась публичная демонстрация работы компьютера. Компьютер был десятизначным, включал 12 десятизначных сумматоров с регистрами для хранения результатов. Для ускорения выполнения арифметических операций у ENIAC имелись умножитель, делитель, извлекатель корня.

Компьютер содержал 17468 электронных ламп, 7200 кристаллических диодов, 4100 магнитных элементов. Потребляемая мощность составляла 174 кВт. Занимаемое пространство составляло около 300 кв.м. Время сложения составляло 200 мкс., умножения - 2800 мкс. и деления - 24000 мкс.

С появлением компьютера ENIAC скорость выполнения операций значительно возросла, но программа вводилась путем установки переключателей и коммутации разъемов. Такой способ ввода программы требовал разработки сложных схем управления для арифметических устройств.

Программа задается при помощи перемычек, соединяющих блоки компьютера в определенном порядке.

Различные блоки соединялись проводами в определенной последовательности, это и задавало последовательность вычислений. При программировании возникало много ошибок и ввод программы требовал значительных затрат времени. Для решения каждой новой задачи требовалась новая схема соединений. В зависимости от сложности задачи этот процесс занимал от 30 минут до 8 часов.

Этот компьютер проработал до 1955 года (подвергаясь периодической модернизации) и выполнял баллистические расчеты, использовался в метеорологических исследованиях. На ENIAC были сделаны предварительные расчеты для первой термоядерной бомбы «Майк», испытанной американцами 1 ноября 1952 г. в Тихом океане. Расчеты по этому устройству вообще не могли быть проведены без компьютера — настолько громоздки они были.

· 60-минутную баллистическую траекторию:

квалифицированный инженер с помощью электромеханического арифмометра за 20 часов;

дифференциальный анализатор Буша справлялся с этим за 15 минут,

ENIAC— за 30 секунд.

Роль ENIAC в развитии вычислительной техники определяется прежде всего тем, что это была первая действующая машина, в которой для выполнения арифметических и логических операций, а так же для запоминания информации использовались электронные схемы.

Несмотря на недостатки в конструкции машины, применение электронных ламп позволило достичь скоростей, о которых нельзя было и мечтать при использовании электромеханических и механических элементов.

Консультантом проекта ENIAC был известный математик Джон фон Нейман.

В 1946 году Нейман на основе критического анализа конструкции ENIAC предложил ряд новых идей организации ЭВМ.

В отчете "Предварительное обсуждение логического конструирования электронного вычислительного устройства" Дж. фон Нейман опубликовал основные принципы, которые заключались в следующем:

· Компьютеры на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления.

· Компьютер управляется программой, составленной из отдельных шагов - команд. Программа должна размещаться в одном из блоков компьютера- в запоминающем устройстве, обладающем достаточной емкостью и скоростью выборки команд.

· Команды, так же как и числа, с которыми оперирует компьютер, записываются в двоичном коде. Это обстоятельство приводит к следующим важным последствиям:

а) промежуточные результаты вычислений, константы и другие числа могут размещаться в том же запоминающем устройстве, что и программа;

б) числовая форма записи программы позволяет производить операции над величинами, которыми закодированны команды программы;

в) появляется возможность перехода в процессе вычислений на тот или иной участок программы в зависимости от результатов вычислений, условных переходов.

· Трудности физической реализации запоминающего устройства, быстродействие которого соответствует скорости работы логических схем требует иерархической организации памяти.

· Арифметическое устройство конструируется на основе схем, выполняющих операцию сложения - создание специальных устройств для выполнения других операций нецелесообразно.

· Необходимо использовать параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над словами производятся одновременно во всех разрядах слова)

Компьютер, на основе “принципа хранимой памяти” работает следующим образом. Программы и данные вводятся в ЗУ из устройства ввода через АЛУ и размещаются в последовательных ячейках ЗУ. Каждая ячейка имеет свой порядковый номер, называемый адресом ячейки. В ячейке запоминается одно слово (команда или данное). Команды располагаются в последовательных ячейках.

Последовательность команд образует программу. Каждая команда кодируется числовым кодом. Код команды состоит из двух частей — кода операции (КО) и кода одного или нескольких адресов.
В ЗУ могут оперативно запоминаться промежуточные и окончательные результаты вычислений (обработки данных).

Принцип реализации условных переходов позволяет осуществлять программы с циклическими вычислениями с автоматическим выходом из цикла. Благодаря принципу условного перехода сокращается число команд, в программе, так как не требуется повторять одинаковые участки программы.

Принцип иерархической организации памяти был сформулирован в связи с тем, что с самого первого компьютера с сохраняемой программой существовало несоответствие между быстродействием арифметического устройства и оперативной памяти. Противоречия бы не существовало, если выполнить память на тех же элементах, что и арифметическое устройство, но такая память получалась слишком дорогой, кроме того, непомерно увеличивалось количество радиоламп, что заметно снижало надежность компьютера.

Иерархическое построение оперативного запоминающего устройства позволяет иметь быстродействующую память небольшого объема только для данных и команд, подготовленных к выполнению. Все остальное хранится в запоминающем устройстве более низкого уровня, для этого стали использоваться появившиеся вскоре магнитные носители информации.

Параллельный принцип организации вычислений позволяет значительно увеличить скорость вычислений, хотя это и приводит к более значительным затратам оборудования.

В 1949 году на первом электронно-цифровом компьютере с сохраняемой программой EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Computer) была успешно выполнена первая программа. В компьютере EDSAC для согласования работы отдельных блоков использовалась синхронизация. В компьютере EDSAC была впервые применена память на ультразвуковых ртутных линиях задержки.

Запоминающее устройство состояло из 32 ртутных трубок, по 576 двоичных разрядов в каждой трубке. Частота син- хроимпульсов составляла 526 кГц. Среднее время выборки одного слова равнялось 550 мкс.

Машины такого класса не могли выполнять больше 1-2 тысяч операций в секунду. Все операции в машине выполнялись в двоичной системе счисления. Числа записывались в формате с плавающей точкой. Система команд включала 19 операций. Команды имели одноадресную структуру.

В процессе эксплуатации компьютера EDSAC был освоен метод использования библиотечных подпрограмм, разработанный М.Уилксом, Д.Уиллером и С.Гиллом.

Опыт использования программного обеспечения в компьютере EDSAC был описан М.Уилксом, Д.Уиллером, С.Гиллом в книге "Составление программ для электронных счетных машин". Кроме того, в этом компьютере впервые стала применяться программа-транслятор (assembler), что позволяло перейти от программирования в машинных кодах к программированию на специальных языках программирования.

В это время группа Фредди Вильямса приступала к проектированию более мощных компьютеров Манчестер Mark1 и Ferranti Маrk1 (1948-51годы) на электронных запоминающих устройствах и с хранимой в памяти программой. Все предшествующие разработки проводились для создания наиболее совершенного проекта компьютера Ferranti.

Проект Манчестер Mark1, возглавляемый Томом Килбурном, был закончен к ноябрю 1948, и машина была полностью введена в эксплуатацию в октябре 1949 года, тем временем детальный проект был уже передан для сборки фирме Ferranti.

В начале 1951 года опытный образец Манчестер Маrk 1 был заменен компьютером Ferranti Mark1, предназначенным для нужд университета и внешних пользователей.

Мощность Ferranti Mark1 превышала потребности не только отдела, но даже университета и поэтому выделялось время для решения задач правительственным учреждениям, другим университетам, ассоциации научных исследований, индустриальным фирмам. В среднем компьютер работал 100 часов в неделю.

Первые компьютеры использовались для расчетов в ядерной физике, для проектирования и запуска ракет, поэтому сведения о новых разработках были закрыты и разработка вычислительных машин в нашей стране проводилась самостоятельно, с незначительным влиянием Запада до начала 60-х годов, когда компьютеры стали массовой продукцией, рекламируемой фирмами производителями.

В 1950 году в Советском Союзе была создана первая отечественная электронная цифровая машина МЭСМ (Малая Электронная Счетная машина), разработанная институтом электротехники АН УССР под руководством академика С.А.Лебедева.

Конструкторская документацияи папки с материалами о первой отечественной ЭВМ, многие из которых составлены С.А.Лебедевым:

Малая электронная счетная машина - была первой отечественной универсальной ламповой ЭВМ в СССР (название "компьютер" не было принято в те времена). Начало разработки - 1948 г, 1950г. - официальный ввод в эксплуатацию. В 1952-1953 гг. МЭСМ была самой быстродействующей и практически единственной регулярно эксплуатируемой ЭВМ в Европе.

С.А.Лебедев внес основополагающий вклад в становление и развитие вычислительных наук в бывшем СССР. Им разработаны главные принципы построения и структура универсальных электронных цифровых вычислительных машин, организована работа коллективов разработчиков высокопроизводительных ЭВМ, промышленное производство этих ЭВМ и их внедрение, подготовка кадров.С.А.Лебедева называют "отцом вычислительной техники" в СССР.

Его имя и значимость его научной, организаторской, педагогической и общественной деятельности сопоставима с именами и значимостью деятельности академиков И.В.Курчатова, C.П.Королева, М.В.Келдыша в области атомной энергии и освоения космического пространства. Успехи в этих важнейших областях научно-технического прогресса непосредственно связаны с использованием высокопроизводительных вычислительных машин и систем, разработанных под руководством С.А.Лебедева.

С.А.Лебедев в течение 20-ти лет возглавлял в Москве Институт точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ) Академии наук СССР, в котором им был создан деятельный коллектив и научная школа по разработке самых быстродействующих машин, требующей решения новых сложных проблем. С.А.Лебедев считал, что такие разработки являются главной движущей силой в развитии вычислительной техники.

Принципы построения МЭСМ были разработаны С.А. Лебедевым независимо от аналогичных работ на Западе. Работа по созданию машины носила научно-исследовательский характер и имела целью экспериментальную проверку общих принципов построения универсальных ЦВМ (цифровых вычислительных машин).

Быстродействие ЭВМ составляло 50 операций в 1 секунду; емкость оперативного ЗУ - 31 число и 63 команды; представление чисел - 16 двоичных разрядов с фиксированной перед старшим разрядом запятой; команды трехадресные, длиной 20 двоичных разрядов (из них 4 разряда - код операции); рабочая частота - 5 килогерц; машина имела также постоянное (штеккерное) запоминающее устройство на 31 число и 63 команды; была предусмотрена также возможность подключения дополнительного запоминающего устройства на магнитном барабане, емкостью в 5000 слов.

Оперативное запоминающее устройство было построено на триггерных регистрах. Арифметическое устройство параллельного действия, чем в основном, и объясняются сравнительно большие аппаратурные затраты (только в ОЗУ было использовано 2500 триодов и 1500 диодов). Потребляемая мощность составляла 15 кВт, машина размещалась на площади 60 кв.м.

История развития компьютеров напоминает развитие живых организмов: от простого к сложному и вновь к простому на новом витке развития.

Первые электронные компьютеры выполняли операции над машинными словами последовательно разряд за разрядом, что было связано с устройством памяти на ртутных линиях задержки. Создание запоминающих устройств на электронно-лучевых трубках привело к созданию арифметических устройств параллельного действия, в которых операция осуществляется одновременно над всеми разрядами слова.

Первое поколение компьютеров создавалось на электронных лампах в период с 1944 по 1954 гг. Это время становления архитектуры компьютеров фон-Неймановского типа, разработки и совершенствования структуры компьютеров, совершенствования программного обеспечения, развития методов и языков программирования.

Трехэлектродная лампа (триод) была изобретена в 1906г. Ли де Фостером.

В 1918 году русским ученым М.А. Бонч-Бруевичем был изобретен триггер, электронное устройство, имеющее два состояния и переключающееся из одного состояния в другое под действием электрических сигналов. Это позволило заменить механические реле электронными.

Создать электронный компьютер, в принципе, можно было уже в 1919 году, но понадобились годы развития ламповой электроники, развития схемотехники, прежде чем ламповые электронные схемы были применены в компьютерах.

Первые электронные счетчики были созданы в тридцатые годы 20-го столетия для счета заряженных частиц в экспериментах по ядерной физике. Механические счетчики не справлялись с этой работой из-за низкой скорости счета. Выполнены были первые электронные счетчики на газораз-рядных лампах.

В 1930 году в Англии Вилли Вильямс разработал электронные счетчики на тиратронах (газоразрядных трехэлектродных лампах).

К началу сороковых годов получили широкое развитие радиотехника, телевидение и радиолокация, электронная контрольно-измерительная техника. Был накоплен опыт в проектировании электронных схем и появилась возможность применения электронных приборов в вычислительных устройствах.

В 1950 году Алан М.Тьюринг, один из основоположников компьютерной технологии, задался вопросом, сможет ли когда-нибудь машина мыслить.

Он предложил рассмотреть обычную цифровую вычислительную машину и поставил вопрос так: можно ли, увеличив объем ее памяти и быстродействие, а также снабдив ее нужной программой, добиться того, чтобы она могла выступать в роли человека? Вот его ответ:"Я полагаю, что вопрос "Могут ли машины мыслить?" лишен смысла и поэтому не заслуживает обсуждения.

Тем не менее я уверен, что к концу нынешнего столетия и в значениях тех слов, которыми мы пользуемся, и в мировоззрении образованного человека произойдут такие перемены, что можно будет говорить о думающих машинах, не встречая возражений" (Алан Тьюринг,1950).

Дата добавления: 2014-01-07