Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Хронология появления и развития вычислительной техники за рубежом

2. Поколения ЭВМ

3. Перспективы развития вычислительной техники

Заключение

Список используемой литературы

Введение

вычислительный техника компьютер

Необходимость быстрого и точного проведения трудоемких и математических расчетов при составлении математических таблиц для астрономии и морской навигации, по-видимому, в значительной степени стимулировали в ХIX веке разработку цифровых счетных машин. Первые попытки создать калькулятор были предприняты деловыми людьми, которые вынуждены были складывать и вычитать длинные колонки цифр и практически не занимались нелинейными функциями. И хотя работы над аналоговыми машинами для расчета математических функций начались во второй половине XIX века, заметного прогресса в аналоговых машинах не наблюдалось до середины XX века.

Современные вычислительные машины представляют одно из самых значительных достижений человеческой мысли, влияние, которого на развитие научно-технического прогресса трудно переоценить. Области применения ЭВМ непрерывно расширяются, чему в значительной степени способствует распространение персональных компьютеров, и особенно микро-ПК.

Последние десятилетия характерны возрастанием интереса к истории развития информатики, в первую очередь к истории появления первых вычислительных машин и их создателям. В большинстве развитых стран созданы музеи, сохраняющие образцы первых машин, проводятся конференции и симпозиумы, выпускаются книги о приоритетных достижениях в этой области. Этим и обоснована актуальность темы данной курсовой работы.

Целью данной работы является рассмотрение истории развития вычислительной техники за рубежом.

Курсовая работа состоит из трех частей.

В информационно-теоретической части описана хронология развития вычислительной техники за рубежом, выявлены причины возникновения необходимости в вычислительной технике, представлены основные используемые в курсовой работе термины.

Проблемно-аналитическая часть представлена обзором поколений ЭВМ, типом основных используемых в них элементов, технологий их изготовления, проблем, связанных и ними, и их решениями.

В проектно-практической части приведены конкретные модели перспектив развития вычислительной техники.

Для написания курсовой работы была использована методическая, научная, учебная и официальная литература.

Метод исследования - сравнительный анализ научно-педагогической литературы по проблеме развития вычислительной техники за рубежом.

1. Хронология появления и развития вычислительной техники за рубежом

История создания средств цифровой вычислительной техники уходит в глубь веков. Она увлекательна и поучительна, с нею связаны имена выдающихся ученых мира.

В дневниках гениального итальянца Леонардо да Винчи (1452-1519) уже в наше время был обнаружен ряд рисунков, которые оказались эскизным наброском суммирующей вычислительной машины на зубчатых колесах, способной складывать 13-разрядные десятичные числа. Специалисты известной американской фирмы IBM воспроизвели машину в металле и убедились в полной состоятельности идеи ученого. Его суммирующую машину можно считать изначальной вехой в истории цифровой вычислительной техники. Это был первый цифровой сумматор, своеобразный зародыш будущего электронного сумматора - важнейшего элемента современных ЭВМ, пока еще механический, очень примитивный (с ручным управлением) [4, с. 57]. В те далекие от годы гениальный ученый был, вероятно, единственным на Земле человеком, который понял необходимость создания устройств для облегчения труда при выполнении вычислений.

Однако потребность в этом была настолько малой, что лишь через сто с лишним лет после смерти Леонардо да Винчи нашелся другой европеец - немецкий ученый Вильгельм Шиккард (1592-1636), не читавший дневников великого итальянца, - который предложил свое решение этой задачи. Причиной, побудившей Шиккарда разработать счетную машину для суммирования и умножения шестиразрядных десятичных чисел, было его знакомство с польским астрономом И. Кеплером. Ознакомившись с работой великого астронома, связанной в основном с вычислениями, Шиккард загорелся идеей оказать ему помощь в нелегком труде. В письме на его имя, отправленном в 1623 г., он приводит рисунок машины и рассказывает, как она устроена. К сожалению, данных о дальнейшей судьбе машины история не сохранила. По-видимому, ранняя смерть от чумы, охватившей Европу, помешала ученому выполнить его замысел.

Об изобретениях Леонардо да Винчи и Вильгельма Шиккарда стало известно лишь в наше время. Современникам они были неизвестны.

Самый первый механический компьютер был всего лишь суммирующей машиной, которая могла складывать и вычитать, но не умела умножать и делить. Построенная Блезом Паскалем в 1642 г, эта машина использовалась для сложения колонок цифр в конторе его отца. Калькулятор имел числовые колеса, установленные на параллельных горизонтальных осях. Положение этих колес могли быть определены, а их суммы считывались через окна в кожухах. Числа вводились при помощи горизонтальных наборных колес, которые были связаны с числовыми колесами посредством штифтов. Большинство числовых колес работали в десятичной системе, каждое колесо было связано с колесом более высокого разряда при помощи храпового механизма переноса. Было создано примерно 50 образцов машин, Б. Паскаль получил королевскую привилегию на их производство, но практического применения «паскалины» не получили, хотя о них много говорилось и писалось, в основном, во Франции [9, с. 10].

В 1673 г. другой великий европеец, немецкий ученый Вильгельм Готфрид Лейбниц (1646-1716), создает счетную машину для сложения и умножения двенадцатиразрядных десятичных чисел. К зубчатым колесам он добавил ступенчатый валик, позволяющий осуществлять умножение и деление. «...Моя машина дает возможность совершать умножение и деление над огромными числами мгновенно, притом не прибегая к последовательному сложению и вычитанию», - писал В. Лейбниц одному из своих друзей [4, с. 60]. О машине Лейбница было известно в большинстве стран Европы. Счетные машины с видоизмененными колесами Лейбница использовались вплоть до второй мировой войны.

В ЭВМ, появившихся более двух веков спустя, устройство, выполняющее арифметические операции получило название арифметического. Позднее, по мере добавления ряда логических действий, его стали называть арифметико-логическим (АЛУ) [2, с. 59]. Оно стало основным устройством современных компьютеров.

Таким образом, два гения XVII века установили первые вехи в истории развития цифровой вычислительной техники. Заслуги В. Лейбница, однако, не ограничиваются созданием «арифметического прибора». Начиная со студенческих лет и до конца жизни он занимался исследованием свойств двоичной системы счисления, ставшей в дальнейшем основной при создании компьютеров. Он придавал ей некий мистический смысл и считал, что на ее базе можно создать универсальный язык для объяснения явлений мира и использования во всех науках, в том числе в философии.

Однако лишь в 1820 г, когда Чарльз Томас продемонстрировал свой арифмометр, началось промышленное производство калькуляторов, выполняющих четыре арифметические функции, причем вплоть по конца XIX века они выпускались малыми сериями. Термин «арифмометр», предложенный К. Томасом, прочно утвердился в счетной технике: все машины, выполняющие четыре действия, было принято называть арифмометрами [1, с. 18].

В 1795 г. во Франции математик Гаспар Прони (1755-1839), которому французское правительство поручило выполнение работ, связанных с переходом на метрическую систему мер, впервые в мире разработал технологическую схему вычислений, предполагающую разделение труда математиков на три составляющие. Первая группа из нескольких высококвалифицированных математиков определяла (или разрабатывала) методы численных вычислений, необходимые для решения задачи, позволяющие свести вычисления к арифметическим операциям - сложить, вычесть, умножить, разделить. Задание последовательности арифметических действий и определение исходных данных, необходимых при их выполнении («программирование»), осуществляла вторая, несколько более расширенная по составу, группа математиков. Для выполнения составленной «программы», состоящей из последовательности арифметических действий, не было необходимости привлекать специалистов высокой квалификации. Эта, наиболее трудоемкая, часть работы поручалась третьей и самой многочисленной группе вычислителей. Такое разделение труда позволило существенно ускорить получение результатов и повысить их надежность. Но главное состояло в том, что этим был дан импульс дальнейшему процессу автоматизации самой трудоемкой, но и самой простой, третьей части вычислений - переходу к созданию цифровых вычислительных устройств с программным управлением последовательностью арифметических операций.

Этот завершающий шаг в эволюции цифровых вычислительных устройств (механического типа) сделал английский ученый Чарльз Беббидж (1791-1871). Блестящий математик, великолепно владеющий численными методами вычислений, уже имеющий опыт в создании технических средств для облегчения вычислительного процесса (разностная машина Беббиджа для табулирования полиномов, 1812-1822 гг.), он сразу увидел в технологии вычислений, предложенной Г. Прони, возможность дальнейшего развития своих работ. Аналитическая машина, проект которой он разработал в 1836-1848 годах, явилась механическим прототипом появившихся спустя столетие ЭВМ. В ней предполагалось иметь те же, что и в ЭВМ, пять основных устройств: арифметическое, памяти, управления, ввода, вывода. Для арифметического устройства Ч. Беббидж использовал зубчатые колеса, подобные тем, что использовались ранее. На них же Ч. Беббидж намеревался построить устройство памяти из 1000 50-разрядных регистров (по 50 колес в каждом). Программа выполнения вычислений записывалась на перфокартах (пробивками), на них же записывались исходные данные и результаты вычислений. В число операций, помимо четырех арифметических, была включена операция условного перехода и операции с кодами команд. Автоматическое выполнение программы вычислений обеспечивалось устройством управления. Время сложения двух 50-разрядных десятичных чисел составляло, по расчетам ученого, 1 с., умножения - 1 мин.

Механический принцип построения устройств и использование десятичной системы счисления, затрудняющей создание простой элементной базы, не позволили Ч. Беббиджу полностью реализовать свой далеко идущий замысел, пришлось ограничиться скромными макетами. Иначе по размерам машина сравнялась бы с локомотивом, и чтобы привести в движение ее устройства, понадобился бы паровой двигатель.

Программы вычислений на машине Беббиджа, составленные дочерью Байрона Адой Августой Лавлейс (1815-1852), поразительно схожи с программами, составленными впоследствии для первых ЭВМ. Не случайно замечательную женщину назвали первым программистом мира.

Еще более изумляют ее высказывания по поводу возможностей машины: «...Нет конца демаркационной линии, ограничивающей возможности аналитической машины. Фактически аналитическую машину можно рассматривать как материальное и механическое выражение анализа» [4, с. 96].

Несмотря на все старания Ч. Беббиджа и А. Лавлейс, машину построить не удалось. Современники, не видя конкретного результата, разочаровались в работе ученого. Он опередил свое время и сам понимал это.

После смерти Ч. Беббиджа Комитет Британской научной ассоциации, куда входили крупные ученые, рассмотрел вопрос, что делать с неоконченной аналитической машиной и для чего она может быть рекомендована. К чести Комитета было сказано: «...Возможности аналитической машины простираются так далеко, что их можно сравнить только с пределами человеческих возможностей... Успешная реализация машины может означать эпоху в истории вычислений, равную введению логарифмов» [4, с. 97].

До Джорджа Буля математические методы не позволяли удовлетворительно объяснить формальную логику, столь необходимую для работы вычислительных машин. Этот английский логик опубликовал труды «Математический анализ логики» в 1848 г и «Исследование законов мышления» в 1854 г, которые легли в основу современной символической логики. Изложенная в этих трудах теория позволила выразить логические правила в виде простых алгебраических уравнений.

Уравнение Х = Х для любой Х системы является основным в булевой алгебре и в числовых значениях имеет только два решения: 0 и 1. Разработанная алгебра логики (алгебра Буля) нашла применение лишь в следующем веке, когда понадобился математический аппарат для проектирования схем ЭВМ, использующих двоичную систему счисления. «Соединил» математическую логику с двоичной системой счисления и электрическими цепями американский ученый Клод Шеннон в своей знаменитой диссертации (1936 г.).

1890 г. ознаменовался зарождением двух компьютерных фирм: Burrougths и IBM [9, с. 11]. В этом году Уильям Барроуз изобрел «суммирующую листинговую машину» - весьма популярный в то время конторский калькулятор, а Герман Холлерит оказал большую помощь в обработке информации переписи населения США 1890 г. своим ранее созданным процессором.

В 1896 г. Холлерит организовал фирму Tabulating Machine, которая выпускала как вычислительную технику (прообраз компьютера - сортировальное устройство и счетчик Холлерита), так и используемые в них карты. В 1911 г. эта фирма слилась с компанией, производившей весы и промышленные часы, в результате чего образовалась фирма Computer-Tabulating-Recording. В 1924 г под руководством Томаса Уотсона эта фирма была переименована в известное всему миру название - IBM.

Машина Холерита состояла из трех частей: табулятора с напоминающими часы механизмами, который получал сигнал от считывающих щеток, сортирующего устройства с 24 бункерами, электрически связанными со счетчиками табулятора, и вставляемых вручную перфокарт. Каждая перфокарта размерами 168х83 мм имела 288 позиций для пробивки отверстий. В нормальном состоянии все крышки бункеров были закрыты, а при «чтении» отверстия электрическая схема замыкалась, освобождала защелку и крышка поднималась. Затем карта опускалась в бункер вручную. И лишь несколько лет спустя Холлерит сумел автоматизировать эту часть процесса.

В 1907 г. американцу Джеймсу Пауэрсу, инженеру бюро переписи, было поручено сконструировать автоматический карточный перфоратор, а в 1911 г. он создал фирму Powers Tabulating-Recording, которая в течение нескольких лет конкурировала с фирмой Computer-Tabulating-Recording. В 1927 г. фирма Пауэрса была поглощена компанией Remington Rand, объединившейся в 1955 г. с фирмой Sperry Gyroscope.

В 1929 г. фирма IBM насчитывала 4400 сотрудников и специализировалась на производстве самописцев, табуляторов и весов. Имея техническую базу в виде разработанного Германом Холлеритом электромеханического табулятора с вводом исходных данных с перфокарт IBM изготовила для Колумбийского университета машину для статистической обработки данных. Это цифровой вычислитель или, как его называли в то время, дифференциальный табулятор, в котором для поиска и запоминания информации использовались регистры, позволил реализовать многие из идей, высказанных приблизительно сто лет назад до этого Бэбиджем.

В отличие от цифровых компьютеров аналоговые вычислительные машины начали серьезно разрабатываться только в 1930 г. в Массачусетском технологическом институте под руководством Ванневара Буша. До этого работы над аналоговыми машинами проводились в Англии в конце XIX века братьями Джеймсом и Уильямом Томсонами. Джеймс Томсон разрабатывал планиметр, в котором использовался интегратор с шаром и диском. Уильям Томсон (лорд Кельвин) применил этот интегратор в анализаторе гармоник и предсказателе морских приливов. Позже он выдвинул идею дифференциального анализа, однако практическая реализация его оказалась неосуществимой в связи с техническими трудностями.

В 1931 г. дифференциальный табулятор Бэбиджа был положен фирмой IBM в основу умножающих машин серии 600 - предшественников компьютера «МАРК-1», разработчиком которого во второй половине 30-х годов был Говард Айкен [9, с. 11].

Через 63 года после смерти Ч. Беббиджа нашелся «некто», взявший на себя задачу создать машину, подобную по принципу действия той, которой отдал жизнь Ч. Беббидж. Им оказался немецкий студент Конрад Цузе (1910-1985). Работу по созданию машины он начал в 1934 г., за год до получения инженерного диплома. Конрад ничего не знал ни о машине Беббиджа, ни о работах Лейбница, ни о алгебре Буля, которая словно создана для того, чтобы проектировать схемы с использованием элементов, имеющих лишь два устойчивых состояния.

Тем не менее, он оказался достойным наследником В. Лейбница и Дж. Буля, поскольку вернул к жизни уже забытую двоичную систему исчисления, а при расчете схем использовал нечто подобное булевой алгебре. В 1937 г. машина Z1, что означало «Цузе 1», была готова и заработала.

Она была, подобно машине Беббиджа, чисто механической. Использование двоичной системы сотворило чудо - машина занимала всего два квадратных метра на столе в квартире изобретателя. Длина слов составляла 22 двоичных разряда. Выполнение операций производилось с использованием плавающей запятой. Для мантиссы и ее знака отводилось 15 разрядов, для порядка - 7. Память тоже на механических элементах содержала 64 слова против 1000 у Беббиджа, что тоже уменьшило размеры машины. Числа и программа вводилась вручную. Еще через год в машине появилось устройство ввода данных и программы, использовавшее киноленту, на которую перфорировалась информация, а механическое арифметическое устройство заменило АУ последовательного действия на телефонных реле. В этом К. Цузе помог австрийский инженер Гельмут Шрайер, специалист в области электроники. Усовершенствованная машина получила название Z2. В 1941 г. Цузе с участием Г. Шрайера создает релейную вычислительную машину с программным управлением (Z3), содержащую 2000 реле и повторяющую основные характеристики Z1 и Z2. Она стала первой в мире полностью релейной цифровой вычислительной машиной с программным управлением и успешно эксплуатировалась. Ее размеры лишь немного превышали размеры Z1 и Z2.

Еще в 1938 г. Г. Шрайер предложил использовать для построения Z2 электронные лампы вместо телефонных реле. Но в годы Второй мировой войны К. Цузе сам пришел к выводу о возможности лампового варианта машины. Друзья выступили с этим сообщением в кругу ученых мужей и подверглись насмешкам и осуждению. Названная ими цифра - 2000 электронных ламп, необходимых для построения машины - могла остудить самые горячие головы. Лишь один из слушателей поддержал их замысел. Они не остановились на этом и представили свои соображения в военное ведомство, указав, что новая машина могла бы использоваться для расшифровки радиограмм союзников. Им отказали. Так, возможно, был упущен шанс создать в Германии не только первую релейную, но и первую в мире электронную вычислительную машину.

К этому времени К. Цузе организовал небольшую фирму, и ее усилиями были созданы две специализированные релейные машины S1 и S2. Первая - для расчета крыльев «летающих торпед» - самолетов-снарядов, которыми обстреливался Лондон, вторая - для управления ими. Она оказалась первой в мире управляющей вычислительной машиной.

К концу войны К. Цузе создает еще одну релейную вычислительную машину - Z4. Она окажется единственной сохранившейся из всех машин, разработанных им. Остальные будут уничтожены при бомбежке Берлина и заводов, где они выпускались.

Итак, К. Цузе установил несколько вех в истории развития компьютеров: первым в мире использовал при построении вычислительной машины двоичную систему исчисления (1937 г.), создал первую в мире релейную вычислительную машину с программным управлением (1941 г.) и цифровую специализированную управляющую вычислительную машину (1943 г.).

Эти воистину блестящие достижения, однако, существенного влияния на развитие вычислительной техники в мире за исключением Германии не оказали. Дело в том, что публикаций о них и какой-либо рекламы из-за секретности работ не было, и поэтому о них стало известно лишь спустя несколько лет после завершения Второй мировой войны.

По-другому развивались события в США. В 1944 г. ученый Гарвардского университета Говард Айкен (1900-1973) создает первую в США (тогда считалось первую в мире) релейно-механическую цифровую вычислительную машину МАРК-1. По своим характеристикам (производительность, объем памяти) она была близка к Z3, но существенно отличалась размерами: длина 17 м, высота 2,5 м, вес 5 тонн, 500 тысяч механических деталей.

В машине использовалась десятичная система счисления. Как и в машине Беббиджа, в счетчиках и регистрах памяти использовались зубчатые колеса. Управление и связь между ними осуществлялась с помощью реле, число которых превышало 3000. Г. Айкен не скрывал, что многое в конструкции машины он заимствовал у Ч. Беббиджа. «Если бы был жив Беббидж, мне нечего было бы делать», - говорил он [4, с. 98]. Замечательным качеством машины была ее надежность. Установленная в Гарвардском университете, она проработала там 16 лет.

Вслед за МАРК-1 ученый создает еще три машины МАРК-2, МАРК-3 и МАРК-4 - тоже с использованием реле, а не электронных ламп, объясняя это ненадежностью последних.

В отличие от работ Цузе, которые велись с соблюдением секретности, разработка МАРК-1 проводилась открыто, и о создании необычной по тем временам машины быстро узнали во многих странах. За день машина выполняла вычисления, на которые ранее тратилось полгода. Дочь К. Цузе, работавшая в военной разведке и находившаяся в то время в Норвергии, прислала отцу вырезку из газеты, сообщающую о грандиозном достижении американского ученого.

К. Цузе мог торжествовать. Он во многом опередил появившегося соперника. Позднее он направит ему письмо и скажет об этом. А правительство Германии в 1980 г. выделит ему 800 тыс. марок для воссоздания Z1, что он и осуществил вместе с помогавшими ему студентами. Своего «воскресшего» первенца К. Цузе передал на вечное хранение в музей вычислительной техники в Падеборне.

Работы по созданию МАРК-1 выполнялись на производственных помещениях фирмы IBM. Ее руководитель в то время Том Уотсон, любивший порядок во всем, настоял, чтобы огромная машина была «одета» в стекло и сталь, что делало ее очень респектабельной. Когда машину перевезли в университет и представили публике, то имя Т. Уотсона в числе создателей машины не было упомянуто, что страшно разозлило руководителя IBM, вложившего в создание машины полмиллиона долларов. Он решил «утереть нос» Г. Айкену. В результате появился релейно-электронный монстр, в огромных шкафах которого размещались 23 тыс. реле и 13 тыс. электронных ламп. Машина оказалась неработоспособной. В конце-концов она была выставлена в Нью-Йорке для показа неискушенной публике. На этом гиганте завершился период электромеханических цифровых вычислительных машин.

Что касается Г. Айкена, то, вернувшись в университет, он первым в мире начал чтение лекций по новому тогда предмету, получившему сейчас название Computer Science - наука о компьютерах; он же одним из первых предложил использовать машины в деловых расчетах и бизнесе. Побудительным мотивом для создания МАРК-1 было стремление Г. Айкена помочь себе в многочисленных расчетах, которые ему приходилось делать при подготовке диссертационной работы посвященной изучению свойств электронных ламп).

К тому времени объем расчетных работ в развитых странах стал нарастать, в первую очередь в области военной техники, чему способствовала Вторая мировая война.

В 1941 г. сотрудники лаборатории баллистических исследований Абердинского артиллерийского полигона в США обратились в расположенную неподалеку техническую школу при Пенсильванском университете за помощью в составлении таблиц стрельбы для артиллерийских орудий, уповая на имевшийся в школе дифференциальный анализатор Буша - громоздкое механическое аналоговое вычислительное устройство. Однако сотрудник школы физик Джон Мочли (1907-1986), увлекавшийся метеорологией и смастеривший для решения задач в этой области несколько простейших цифровых устройств на электронных лампах, предложил нечто иное. Им было составлено (в августе 1942 г.) и отправлено в военное ведомство США предложение о создании мощного компьютера (по тем временам) на электронных лампах. Эти, воистину исторические пять страничек были положены военными чиновниками под сукно, и предложение Мочли, вероятно, осталось бы без последствий, если бы им не заинтересовались сотрудники полигона. Они добились финансирования проекта, и в апреле 1943 г. был заключен контракт между полигоном и Пенсильванским университетом на создание вычислительной машины, названной электронным цифровым интегратором и компьютером (ЭНИАК). На это отпускалось 400 тыс. долларов. К работе было привлечено около 200 человек, в том числе несколько десятков математиков и инженеров. Руководителями работы стали Дж. Мочли и талантливый инженер-электронщик Преспер Эккерт (1919-1995). Именно он предложил использовать для машины забракованные военными представителями электронные лампы (их можно было получить бесплатно). Учитывая, что требуемое количество ламп приближалось к 20 тысячам, а средства, выделенные на создание машины весьма ограничены, - это было мудрым решением. Он же предложил снизить напряжение накала ламп, что существенно увеличило надежность их работы. Напряженная работа завершилась в конце 1945 года. ЭНИАК был предъявлен на испытания и успешно их выдержал. В начале 1946 г. машина начала считать реальные задачи. По размерам она была более впечатляющей, чем МАРК-1: 26 м в длину, 6 м в высоту, вес 35 тонн. Но поражали не размеры, а производительность - она в 1000 раз превышала производительность МАРК_1. Таков был результат использования электронных ламп.

В остальном ЭНИАК мало чем отличался от МАРК-1. В нем использовалась десятичная система исчисления. Разрядность слов - 10 десятичных разрядов. Емкость электронной памяти - 20 слов. Ввод программ - с коммутационного поля, что вызывало массу неудобств: смена программы занимала многие часы и даже дни.

В 1945 г., когда завершались работы по созданию ЭНИАК, и его создатели уже разрабатывали новый электронный цифровой компьютер ЭДВАК в котором намеривались размещать программы в оперативной памяти, чтобы устранить основной недостаток ЭНИАКа - сложность ввода программ вычислений, к ним в качестве консультанта был направлен выдающийся математик, участник Матхеттенского проекта по созданию атомной бомбы Джон фон Нейман (1903-1957). Следует сказать, что разработчики машины, судя по всему, не просили этой помощи. Дж. Нейман, вероятно, сам проявил инициативу, услышав от своего приятеля Г. Голдстайна, математика, работавшего в военном ведомстве, об ЭНИАКе. Он сразу оценил перспективы развития новой техники и принял самое активное участие в завершении работ по созданию ЭДВАКа. Написанная им часть отчета по машине содержала общее описание ЭДВАКа и основные принципы построения машины (1945 г.).

Она была размножена Г. Голдстайном (без согласования с Дж. Мочли и П. Эккертом) и разослана в ряд организаций. В 1946 г. Нейманом, Голдстайном и Берксом был составлен еще один отчет «Предварительное обсуждение логического конструирования устройства», который содержал развернутое и детальное описание принципов построения цифровых электронных вычислительных машин. В том же году отчет был распространен на летней сессии Пенсильванского университета.

Изложенные в отчете принципы сводились к следующему [4, с. 99].

1. Машины на электронных элементах должны работать не в десятичной, а двоичной системе исчисления.

2. Программа должна размещаться в одном из блоков машины - в запоминающем устройстве, обладающем достаточной емкостью и соответствующими скоростями выборки и записи команд программы.

3. Программа, так же как и числа, с которыми оперирует машина, записывается в двоичном коде. Таким образом, по форме представления команды и числа однотипны. Это обстоятельство приводит к следующим важным последствиям:

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

- числовая форма записи программы позволяет машине производить операции над величинами, которыми закодированы команды программы.

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

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

6. В машине используется параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над словами производятся одновременно по всем разрядам).

Характеристика связей между устройствами компьютера согласно принципам фон Неймана представлена в приложении 1.

Нельзя сказать, что перечисленные принципы построения ЭВМ были впервые высказаны Дж. Нейманом и остальными авторами. Их заслуга в том, что они, обобщив накопленный опыт построения цифровых вычислительных машин, сумели перейти от схемных (технических) описаний машин к их обобщенной логически ясной структуре, сделали важный шаг от теоретически важных основ (машина Тьюринга) к практике построения реальных ЭВМ. Имя Дж. Неймана привлекло внимание к отчетам, а высказанные в них принципы и структура ЭВМ получили название неймановских.

Под руководством Дж. Неймана в Принстонском институте перспективных исследований в 1952 г. была создана еще одна машина на электронных лампах МАНИАК для расчетов по созданию водородной бомбы, а в 1954 г. еще одна, уже без участия Дж. Неймана. Последняя была названа в честь ученого «Джониак». К сожалению, всего три года спустя Дж. Нейман тяжело заболел и умер.

Дж. Мочли и П. Эккерт, обиженные тем, что в отчёте Принстонского университета они не фигурировали и выстраданное ими решение располагать программы в оперативной памяти и не только это стали приписывать Дж. Нейману, а, с другой стороны, увидев, что многие, возникшие как грибы после дождя, фирмы стремятся захватить рынок ЭВМ, решили взять патенты на ЭНИАК.

Однако в этом им было отказано. Соперники разыскали информацию о том, что еще в 1938-1941 годах работавший в сельскохозяйственном училище штата Айова профессор математики Джон Атанасов (1903-1996), болгарин по происхождению, вместе со своим помощником Клиффордом Бери разработал макет специализированной цифровой вычислительной машины с использованием двоичной системы исчисления для решения систем алгебраических уравнений. Макет содержал 300 электронных ламп, имел память на конденсаторах. Таким образом, пионером ламповой техники в области компьютеров оказался Атанасов.

К тому же Дж. Мочли, как выяснил суд, разбиравший почти 20 лет дело по выдаче патента, оказывается, был знаком с работами Атанасова не понаслышке, а провел пять дней в его лаборатории в дни создания макета.

Что касается хранения программ в оперативной памяти и теоретического обоснования основных свойств современных компьютеров, то и здесь Дж. Мочли и П. Эккерт не были первыми. Еще в 1936 г. об этом сказал Алан Тьюринг (1912-1953) - гениальный, математик, опубликовавший тогда свою замечательную работу «О вычислимых числах».

Полагая, что наиболее важная черта алгоритма - это возможность механического характера его выполнения, А. Тьюринг предложил для исследования алгоритмов абстрактную машину, получившую название «машина Тьюринга» [2, с. 63]. В ней он предвосхитил основные свойства современного компьютера. Данные должны были вводиться в машину с бумажной ленты, поделенной на клетки-ячейки. Каждая из них содержала символ или была пустой. Машина могла не только обрабатывать записанные на ленте символы, но и изменять их, стирая старые и записывая новые в соответствии с инструкциями, хранимыми в ее внутренней памяти. Для этого она дополнялась логическим блоком, содержащим функциональную таблицу, определяющую последовательность действий машины. Иначе говоря, А. Тьюринг предусмотрел наличие некоторого запоминающего устройства для хранения программы действий машины. Но не только этим определяются его выдающиеся заслуги.

В 1942-1943 годах, в разгар Второй мировой войны в Англии в обстановке строжайшей секретности была построена и успешно эксплуатировалась первая в мире специализированная цифровая вычислительная машина «Колоссус» на электронных лампах (2000 ламп). В Блечли-Парке А. Тьюринг создал совместно с Г. Уэлчманом и инженером Г. Кином дешифровочную машину «Бомба» для расшифровки секретных радиограмм немецких радиостанций. Она успешно справилась с поставленной задачей. Один из участников создания машины так оценил заслуги А. Тьюринга: «Я не хочу сказать, что мы выиграли войну благодаря Тьюрингу, но беру на себя смелость сказать, что без него мы могли ее и проиграть». После войны ученый принял участие в создании универсальной ламповой ЭВМ. Внезапная смерть на 41-м году жизни помешала реализовать в полной мере его выдающийся творческий потенциал. В память об А. Тьюринге установлена премия его имени за выдающиеся работы в области математики и информатики. ЭВМ «Колоссус» восстановлена и хранится в музее местечка Блечли-Парк, где она была создана.

Однако в практическом плане Дж. Мочли и П. Эккерт действительно оказались первыми, кто, поняв целесообразность хранения программы в оперативной памяти машины (независимо от А. Тьюринга), заложили это в реальную машину - свою вторую машину ЭДВАК. К сожалению, ее разработка задержалась, и она была введена в эксплуатацию только в 1951 г. В это время в Англии уже два года работала ЭВМ с хранимой в оперативной памяти программой. Дело в том, что в 1946 г. в разгар работ по ЭДВАК Дж. Мочли прочитал курс лекций по принципам построения ЭВМ в Пенсильванском университете. Среди слушателей оказался молодой ученый Морис Уилкс из Кембриджского университета, того самого, где сто лет назад Ч. Беббидж предложил проект цифровой машины с программным управлением. Вернувшись в Англию, талантливый молодой ученый сумел за очень короткий срок создать ЭВМ ЭДСАК (электронный компьютер на линиях задержки) последовательного действия с памятью на ртутных трубках с использованием двоичной системы исчисления и хранимой в оперативной памяти программой. В 1949 г. машина заработала. Так М. Уилкс оказался первым в мире, кто сумел создать ЭВМ с хранимой в оперативной памяти программой. В 1951 г. он же предложил микропрограммное управление операциями. ЭДСАК стал прототипом первой в мире серийной коммерческой ЭВМ ЛЕО (1953 г.). Сегодня М. Уилкс - единственный из оставшихся в живых компьютерных пионеров мира старшего поколения, тех, кто создавал первые ЭВМ. Дж. Мочли и П. Эккерт пытались организовать собственную компанию, но ее пришлось продать из-за возникших финансовых затруднений. Их новая разработка - машина УНИВАК, предназначенная для коммерческих расчетов, перешла в собственность фирмы Ремингтон Рэнд и во многом способствовала ее успешной деятельности.

Хотя Дж. Мочли и П. Эккерт не получили патента на ЭНИАК, его создание стало, безусловно, золотой вехой в развитии цифровой вычислительной техники, отмечающей переход от механических и электромеханических к электронным цифровым вычислительным машинам.

В 1996 г. по инициативе Пенсильванского университета многие страны мира отметили 50-летие информатики, связав это событие с 50-летием создания ЭНИАК. Для этого имелись многие основания - до ЭНИАКа и после ни одна ЭВМ не вызвала такого резонанса в мире и не имела такого влияния на развитие цифровой вычислительной техники, как замечательное детище Дж. Мочли и П. Эккерта.

Во второй половине ХХ века развитие технических средств пошло значительно быстрее. Еще стремительней развивалась сфера программного обеспечения, новых методов численных вычислений, теория искусственного интеллекта.

2. Поколения ЭВМ

В вычислительной технике существует своеобразная периодизация развития электронных вычислительных машин. ЭВМ относят к тому или иному поколению в зависимости от типа основных используемых в ней элементов или от технологии их изготовления и проблем, связанных и ними, и их решениями. Учитывая все выше сказанное, рассмотрим основные поколения ЭВМ.

Компьютеры на основе электронных ламп появились в 40-х годах XX века. Первая электронная лампа - вакуумный диод - была построена Флемингом лишь в 1904 году, хотя эффект прохождения электрического тока через вакуум был открыт Эдисоном в 1883 году. Вскоре Ли де Форрест изобретает вакуумный триод - лампу с тремя электродами, затем появляется газонаполненная электронная лампа - тиратрон, пятиэлектродная лампа - пентод и т.д. До 30-х годов электронные вакуумные и газонаполненные лампы использовались главным образом в радиотехнике. Но в 1931 году англичанин Винни-Вильямс построил (для нужд экспериментальной физики) тиратронный счетчик электрических импульсов, открыв тем самым новую область применения электронных ламп. Электронный счетчик состоит из ряда триггеров. Триггер, изобретенный М.А. Бонч-Бруевичем (1918) и независимо американцами У. Икклзом и Ф. Джорданом (1919), содержит 2 лампы и в каждый момент может находиться в одном из двух устойчивых состояний; он представляет собой электронное реле. Подобно электромеханическому, оно может быть использовано для хранения одной двоичной цифры.

Использование электронной лампы в качестве основного элемента ЭВМ создавало множество проблем. Из-за того, что высота стеклянной лампы - 7 см, машины были огромных размеров. Каждые 7-8 мин. одна из ламп выходила из строя, а так как в компьютере их было 15 - 20 тысяч, то для поиска и замены поврежденной лампы требовалось очень много времени. Кроме того, они выделяли огромное количество тепла, и для эксплуатации «современного» компьютера того времени требовались специальные системы охлаждения.

Чтобы разобраться в запутанных схемах огромного компьютера, нужны были целые бригады инженеров. Устройств ввода в этих компьютерах не было, поэтому данные заносились в память при помощи соединения нужного штеккера с нужным гнездом.

Примерами машин I-го поколения могут служить MARK-1, ENIAC, EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator) - первая машина с хранимой программой, UNIVAC (Universal Automatic Computer) [8, с. 136]. Первый экземпляр Юнивака был передан в Бюро переписи населения США. Позднее было создано много разных моделей Юнивака, которые нашли применение в различных сферах деятельности. Таким образом, Юнивак стал первым серийным компьютером. Кроме того, это был первый компьютер, где вместо перфокарт использовалась магнитная лента.

1 июля 1948 года на одной из страниц «Нью-Йорк Таймс», посвященной радио и телевидению, было помещено скромное сообщение о том, что фирма «Белл телефон лабораториз» разработала электронный прибор, способный заменить электронную лампу. Физик-теоретик Джон Бардин ведущий экспериментатор фирмы Уолтер Брайттен создали первый действующий транзистор. Это был точечно-контактный прибор, в котором три металлических «усика» контактировали с бруском из поликристаллического германия.

Первые компьютеры на основе транзисторов появились в конце 50-х годов, а к середине 60-х годов были созданы более компактные внешние устройства, что позволило фирме Digital Equipment выпустить в 1965 г. первый мини-компьютер PDP-8 размером с холодильник и стоимостью 20 тыс. долларов.

Созданию транзистора предшествовала упорная, почти 10-летняя работа, которую еще в 1938 году начал физик теоретик Уильям Шокли. Применение транзисторов в качестве основного элемента в ЭВМ привело к уменьшению размеров компьютеров в сотни раз и к повышению их надежности.

И все-таки самой удивительной способностью транзистора является то, что он один способен трудиться за 40 электронных ламп и при этом работать с большей скоростью, выделять очень мало тепла и почти не потреблять электроэнергию. Одновременно с процессом замены электронных ламп транзисторами совершенствовались методы хранения информации.

Увеличился объем памяти, а магнитную ленту, впервые примененную в ЭВМ Юнивак, начали использовать как для ввода, так и для вывода информации.

А в середине 60-х годов получило распространение хранение информации на дисках. Большие достижения в архитектуре компьютеров позволило достичь быстродействия в миллион операций в секунду. Примерами транзисторных компьютеров могут послужить «Стретч» (Англия), «Атлас» (США). Начали применять языки программирования высокого уровня, такие как Фортран, АЛГОЛ. КОБОЛ [8, с. 139].

Подобно тому, как появление транзисторов привело к созданию второго поколения компьютеров, появление интегральных схем ознаменовало собой новый этап в развитии вычислительной техники - рождение машин третьего поколения. Интегральная схема, которую также называют кристаллом, представляет собой миниатюрную электронную схему, вытравленную на поверхности кремниевого кристалла площадью около 10 мм².

Первые интегральные схемы (ИС) появились в 1964 году. Появление ИС означало подлинную революцию в вычислительной технике. Ведь она одна способна заменить тысячи транзисторов, каждый из которых в свою очередь уже заменил 40 электронных ламп. Другими словами, один крошечный кристалл обладает такими же вычислительными возможностями, как и 30-тонный Юнивак. Быстродействие ЭВМ третьего поколения возросло в 100 раз, а габариты значительно уменьшились.

Типичными представителями машин, относящихся к третьему поколению компьютеров, стали ИЛЛИАК-4 (США), со скоростью 200 миллионов операций в секунду. Широко стали использоваться новые типы устройств ввода-вывода: графопостроители и дисплеи.

В 70-е годы линия малых (мини) ЭВМ получила широкое развитие. Своеобразным эталоном здесь стали машины американской фирмы DEC серии PDP-11.

Ко всем достоинствам ЭВМ третьего поколения добавилось еще и то, что их производство оказалось дешевле, чем производство машин второго поколения. Благодаря этому, многие организации смогли приобрести и освоить такие машины. А это, в свою очередь, привело к росту спроса на универсальные ЭВМ, предназначенные для решения самых различных задач. Большинство созданных до этого ЭВМ являлись специализированными машинами, на которых можно было решать задачи какого-то одного типа.

Дальнейшее развитие микроэлектроники привело к созданию СБИС - сверхбольших интегральных схем. Это и знаменует создание компьютеров четвёртого поколения. Техника 4-го поколения породила новый вид ЭВМ- микропроцессор (фирма INTEL, США, 1971 г.). Чётко выделились две концепции развития ЭВМ: первая - суперкомпьютеры, вторая - персональные ЭВМ.

Из больших компьютеров на СБИС особенно выделяются американские машины «КРЕЙ». Эти многопроцессорные ЭВМ, в связи с их громадным быстродействием, используются для решения уникальных задач из области аэродинамики, гидродинамики, долгосрочного прогноза погоды и др.

В начале 1975 года появился первый персональный компьютер Альтаир-8800 на базе микропроцессора INTEL-8080, а к концу этого же года Пол Ален и Билл Гейтс создали компьютерный язык Basic, что позволило легко писать программы для ПК.

Появление феномена персональных компьютеров связано также с именами американцев Стива Джобса и Стива Возняка (позднее основавших фирму Apple Macintosh). В 1976 году появился созданный ими первый серийный персональный компьютер Apple-1. В аппаратном комплекте ПК используется цветной графический дисплей, манипуляторы типа «мышь», «джойстик», удобная клавиатура, компактные диски.

С 1980 года «законодателем мод» на рынке ПК становится IBM. Её конструкторы создали такую архитектуру, которая стала международным стандартом на профессиональные ПК. Фирма IBM не сделала свой компьютер единым неразъёмным устройством и не стала защищать его конструкцию патентами. Этот подход, называемый «принципом свободной архитектуры», обеспечил потрясающий успех компьютеру IBM PC, но лишил фирму единоличного права на разработку персональных компьютеров. Скоро очень многие фирмы начали сами собирать компьютеры, совместимые с IBM PC. С развитием этого типа вычислительных машин появилось понятие «информационные технологии», без которых уже становится невозможно обойтись во многих областях человеческой деятельности.

Очень большую роль в развитии компьютеров сыграли две ныне гигантские фирмы: Microsoft и Intel. Первая из них очень сильно повлияла на развитие программного обеспечения для компьютеров, вторая же стала известна благодаря выпускаемым ей лучшим микропроцессорам.

Во время развития компьютеров четко обозначилась тенденция к уменьшению размеров и увеличению производительности. Чем более совершенствовалась элементная база компьютеров, тем меньше и быстрее они становились.

Особого упоминания заслуживает так называемое пятое поколение, программа разработки которого была принята в Японии в 1982 г. Предполагалось, что к 1991 г. будут созданы принципиально новые компьютеры, ориентированные на решение задач искусственного интеллекта. С помощью языка Пролог и новшеств в конструкции компьютеров планировалось вплотную подойти к решению одной из основных задач этой ветви компьютерной науки - задачи хранения и обработки знаний.

Пятое поколение ЭВМ - это машины недалёкого будущего. Это мультимедийные компьютеры на базе процессора Pentium (или подобного ему), способные обеспечить создание виртуальной реальности. Фактически - это реализованный искусственный интеллект. В них возможен ввод с голоса, голосовое общение, машинное «зрение» и машинное «осязание». Многое в этом направление уже сделано и реализуется.

3. Перспективы развития вычислительной техники

Развитие вычислительной техники представляет собой постоянно сменяющие друг друга физические способы реализации логических алгоритмов - от механических устройств (вычислительная машина Бэббиджа) к ламповым (компьютеры 40-50-х годов Марк-1 и Марк-2), затем к транзисторным и, наконец, к интегральным схемам. И уже на рубеже XXI века шли разговоры о скором достижении пределов применения полупроводниковых технологий и появлении вычислительных устройств, работающих на совершенно ином принципе. Все это свидетельствует о том, что прогресс не стоит на месте, и с течением времени ученые открывают новые возможности создания вычислительных систем, принципиально отличающихся от широко применяемых компьютеров.

Создание качественно новых вычислительных систем с более высокой производительностью и некоторыми характеристиками искусственного интеллекта, например с возможностью самообучения, - очень актуальная тема. Последние десять лет такие разработки ведутся во многих направлениях - наиболее успешными и быстро развивающимися из них являются квантовые компьютеры, нейрокомпьютеры и оптические компьютеры, поскольку современная элементная и технологическая база имеет все необходимое для их создания.

Первое, что приходит на ум любому человеку при оценке перспектив развития вычислительной техники - это обязательное уменьшение размеров компьютеров, неуклонное увеличение их быстродействия и объема памяти. Легко прогнозировать, что число выпускаемых ЭВМ будет увеличиваться, а сферы их использования - расширяться. Даже непосвященному человеку сейчас понятно, что будущее вычислительной техники тесно связано с глобальными сетями.

Многие люди могут вспомнить, что в настоящее время ведется разработка ЭВМ пятого поколения, основными особенностями которых будут речевой ввод и вывод информации, а также способность машин к самообучению (интеллектуальность).

Часть людей предскажет, что в будущем широкое распространение получит виртуальная реальность. Такое представление навевается современными художественными фильмами и книгами.

Однако, намного четче, полнее и многограннее видят будущее профессионалы, постоянно занимающиеся разработкой вычислительной техники и новых информационных технологий. Так, разработана технология, позволяющая серийно производить чипы памяти на нанотрубках до 10 Гб данных [9, с. 11]. Память нового поколения, использующая массив фуллереновых трубок на поверхности чипа кремния будет хранить данные даже после отключения питания устройства. Это наводит на мысли, как резко может измениться структура компьютера. Ведь по сути, это качественный скачок в производстве компьютеров. Загрузка компьютеров, оснащенных такой памятью, при включении будет происходить мгновенно. Да и быстродействие компьютеров значительно возрастет, так как не будет обращения к винчестеру. Винчестеры как таковые будут не нужны. Можно будет отказаться от системного блока.

Компьютер недалекого будущего состоит из следующих частей. Жидкокристаллический дисплей 19 дюймов на котором сзади располагается системная плата с процессором и памятью. Сейчас Intel выпустила наборы системной логики 865 и 875, с двухканальным контроллером памяти. Наверное, будет 4-х и 8-ми канальная организация памяти. Емкость памяти компьютера 100-200 Гб. От южного моста можно оставить 6 канальный звук. От CD и DVD приводов можно будет отказаться так, как данные удобней будет переносить на компактной флэш-памяти.

Кроме того, в будущем глобальные сети превратятся в универсальный рынок и центральный универмаг всего мира. Именно там будут торговать, торговаться, вкладывать деньги, подбирать новых сотрудников, спорить, знакомиться.

На этом рынке будут представлены все виды человеческой деятельности - от миллиардных сделок до флирта. Покупки станут оплачивать деньгами в цифровой форме, а не наличными.

Будущую единую глобальную сеть можно назвать информационной магистралью. Под этим термином он подразумевает нечто напоминающее современную глобальную сеть Internet, но со значительно более высокой скоростью передачи информации (полосой пропускания). При этом почти каждый дом (квартира) будет подключен к информационной магистрали. С помощью магистрали люди будут просматривать множество телевизионных программ, делать заказы художественных фильмов, получать новости, выполнять покупки и т.п.

Заключение

В данной курсовой работе прослежена история и выявлены основные направления развития вычислительной техники. В рамках данной работы большое внимание было уделено развитию компьютерной техники, хотя понятие вычислительной техники значительно шире. Просто на примере компьютеров легче всего было проследить развитие новых технологий, которые затем внедрялись и в разработку другой вычислительной техники.

Как видно из вышеизложенного материала вычислительная техника, начав свое развитие с механических устройств, впоследствии прошла свою короткую электромеханическую стадию в 30-х годах и стала электронной в 40-х.