История развития вычислительной техники

8

Размещено на http://www.allbest.ru

Реферат

по дисциплине «Информационные технологии»

на тему: «История развития вычислительной техники»

Еще во времена древнейших культур люди вынуждены были решать многочисленные задачи экономического характера - подсчет урожая, учет торговых операций, исчисление времени, определение земельных наделов и т.д. Как только человек освоил понятие «количество», ему понадобились и устройства, облегчающие счет. Таким образом, история вычислительной техники тесно связана с попытками человека упростить большие объемы вычислений. Мозг человека с трудом обрабатывает простейшие арифметические операции с большими числами. С развитием и усложнением, прежде всего, экономических отношений в обществе, появилась потребность в автоматизации математических операций с большими числами.

Развитие вычислительных механизмов шло параллельно с развитием математики. Первые их изобретатели были, как правило, также выдающимися учеными. вычислительный автоматизация компьютер эвм

Сегодня компьютеры используются во всех сферах человеческой деятельности. Без их использования немыслим привычный нам образ жизни. Некоторые антропологи и философы называют компьютер «современным каменным топором», подчеркивая важную роль вычислительной техники в развитии науки и технологий.

Первой известной нам попыткой упрощения вычислений было появление устройства под названием абак. Абак (греч. бвбо, abбkion, лат. abacus ? доска) ? это счётная доска, простейшее счётное устройство, применявшееся для арифметических вычислений приблизительно с IV века до н.э. в Древней Греции, Древнем Риме. В Европе абак применялся до XVIII века. В Китае популярны были семикосточковые счеты - суанпан (суаньпан). Не осталась в стороне и Россия, где на основе абака было разработано другое приспособление - русские счёты.

Механические приспособления

В XVII веке на основе технологий изготовления часов (передовых для того времени), были созданы различные вариации механических приспособлений для вычислений.

Первые попытки связаны с именем Джона Непера, который опубликовал «Описание удивительных таблиц логарифмов». Он заметил, что сумма логарифма чисел а и b равна логарифму произведения этих чисел. Поэтому действие умножения сводилось к простой операции сложения. Также им разработан инструмент перемножения чисел -- «костяшки Непера». Он состоял из набора сегментированных стерженьков, которые можно было располагать таким образом, что, складывая числа в прилегающих друг к другу по горизонтали сегментах, получали результат их умножения. «Костяшки Непера» вскоре были вытеснены другими вычислительными устройствами (в основном механического типа). Впоследствии на основе работ Непера была создана логарифмическая линейка.

Немецкий ученый Вильгельм Шиккард разработал первое в мире механическое устройство, названное им «суммирующие часы», предназначенное для выполнения операций сложения и вычитания шестиразрядных десятичных чисел. Машина состояла из трех частей - суммирующее устройство; множительное устройство; механизм для промежуточных результатов. Случилось это событие в 1623 году. Не осталось никаких свидетельств того, что изобретение было реализовано при жизни создателя. Скорее сего, оно так и осталось интересным изобретательским казусом. Однако в 1960 году «суммирующие часы» были воссозданы по чертежам и подтвердили свою работоспособность.

В 1642 году знаменитый французский механик Блез Паскаль создал первое в мире механическое цифровое вычислительное устройство («Паскалин»). Основой его являлись зубчатые колеса, с помощью которых значения чисел вводились в устройство. Оно могло суммировать и вычитать пятиразрядные десятичные числа. Паскаль усовершенствовал в течении жизни свое изобретение, и последние модели оперировали числами с восемью десятичными разрядами.

В 1673 г. немецкий философ и математик Готфрид Вильгельм Лейбниц создал механический калькулятор, который выполнял умножение, деление, сложение и вычитание. Специально для своего изобретения математик придумал двоичную систему исчисления. Новшеством были операции умножения и деления, хоть и выполняемые громоздким методом многократного повторения операций сложения и вычитания, а также извлечение квадратного корня.

Настоящая революция в вычислительной технике случилась в 1820 году, когда француз Чарльз Кольмар, основываясь на идеях Лейбница, изобрёл машину, которая могла производить четыре основных арифметических действия. Машину Кольмара назвали арифмометр. Благодаря своему удобству и универсальности арифмометры широко использовались довольно долгое время, вплоть до 70-х годов ХХ века. Эта небольшая машинка оказалась настолько удобной, что впоследствии появились даже электрофицированные модификации (электромеханические клавишные вычислительные машины).

Автоматизация вычислений

Идея автоматизации вычислительных операций пришла также из часовой промышленности. Старинные монастырские башенные часы были построены так, чтобы в заданное время включать механизм, связанный с системой колоколов.

История автоматизации вычислений начинается с 1833 года, когда английский ученый, профессор Кембриджского университета Чарльз Бэббидж разработал проект аналитической машины, имеющей некоторые черты современного компьютера. Эта машина была способна воспроизводить вычисления до 20 знака после запятой. Она представляла собой гигантский арифмометр с программным управлением, арифметическим и запоминающим устройствами. Оно имело устройство для ввода информации, блок управления, запоминающее устройство и устройство вывода результатов, и было предназначено для выполнения точных научных и технических расчетов.

Аналитическая машина Бэббиджа использовало принципы, ставшие фундаментальными для вычислительной техники:

- Автоматизация выполнения операций.

Имело значение не только время выполнения вычислений (быстродействие), но и то, что операции следовали одна за другой, без остановки. Использование этого принципа стало большим прорывом в развитии вычислительных машин

- Работа по программе в режиме реального времени.

Для предварительной записи программ Бэббидж использовал перфокарты, применявшиеся в ткацких станках. Программа должна была вводиться в устройство, примерно равным скорости выполнения алгоритмов.

- Появление специального устройства для хранения информации (памяти вычислительной машины).

Не менее знаменитой стала ближайшая помощницей Ч. Беббиджа во многих его научных изысканиях - леди Ада Лавлейс (урожденная Байрон).

Значение ее работ трудно переоценить. Адой Лавлейс были написаны первые программы для аналитического устройства Бэббиджа. Она предвосхитила основы современного программирования для цифровых вычислительных машин с программным управлением, заложила многие идеи и ввела ряд понятий и терминов, сохранившихся до настоящего времени.

Также она предсказала появление современных компьютеров как многофункциональных машин не только для вычислений, но и для работы с графикой и звуком. Не случайно День программиста отмечается в день рождения Ады Лавлейс 10 декабря.

В работе аналитической машины впервые был реализован принцип разделения информации на команды и данные. Важным новшеством стало использование перфокарты - листы из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий. Перфокарты использовались для ввода данных вплоть до второй половины XX века.

В 1888 году история развития вычислительной техники вышла на новый этап. Американский инженер Герман Холлерит сконструировал первую электромеханическую счётную машину. Эта машина, названная табулятором, могла считывать и сортировать статистические записи, закодированные на перфокартах. Для работы этой машины использовалось электричество. Устройство состояло из реле, а также счётчиков и специального сортировочного ящика. В 1890 изобретение Холлерита было использовано в 11-ой американской переписи населения. Работа, которую 500 сотрудников выполняли в течение семи лет, Холлерит с 43 помощниками на 43 табуляторах выполнил за один месяц. Впоследствии он основал компанию, сегодня известную как IBM.

В 1936 году была разработана концепция устройства, ставшая теоретической основой современных компьютеров. Автором ее стал американец Алан Тюьринг. Эта машина обладала всеми основными свойствами нынешних компьютеров - могла выполнять задания пошагово, запрограммированные в ее внутренней памяти.

Джоржд Стибиц, ученый из США, в 1937 году изобрел вычислительное устройство, умеющее выполнять двоичное сложение. Принцип его работы основывался на булевой алгебре - математической логике, созданной в середине XIX века Джорджем Булем. В ней использовался принцип логических операторов И, ИЛИ и НЕ. Такой двоичный сумматор стал неотъемлемой частью цифровых ЭВМ.

Начало компьютерной эры

С начало Второй мировой войны актуальным стало использование вычислительных машин для ведения боевых действий. Начались работы по созданию первого поколения компьютеров.

В 1941 году немецкий инженер Конрад Цузе создал вычислительный автомат, построенный на телефонных реле. Он управлялся программным кодом и мог оперировать числами с плавающей запятой.

Последняя разработка Цузе - Z4 - была признана первым программируемым компьютером. Для нее создатель разработал первый высокоуровневый язык программирования («Планкалкюль»).

Американские инженеры Клиффорд Берри и Джон Атанасов использовали для создания вычислительных машин вакуумные трубки. Технология оказалась очень удобной (на то время), и использовалась в разработках других исследователей.

Спецслужбы оценили потенциал использования вычислительных машин. В английской лаборатории была построена первая ЭВМ, названная «Колосс», предназначенная для взлома и расшифровки закодированных немецких сообщений, передаваемых немецкой шифровальной машиной «Энигма». Электромеханические реле в ней заменили на 2 тыс. электронных ламп для хранения и обработки информации. Работа велась в обстановке строжайшей секретности, а после окончания войны приказ об уничтожении «Колосса» был подписан Уинстоном Черчиллем.

Разработка архитектуры

В 1945 американский математик венгерско-немецкого происхождения Джон (Янош) фон Нейман разработал прообраз архитектуры современных компьютеров. Он записывал программу в виде кода непосредственно в память вычислительной машины, осуществляя совместное хранение программ и данных в памяти компьютера.

Одним из флагманов развития компьютерных технологий стала американская фирма Ай-Би-Эм (IBM). По ее заказу в 1944 г. американский инженер Говард Эйкен сконструировал компьютер для выполнения баллистических расчетов. Этот компьютер, названный «Марк 1», по площади занимал примерно половину футбольного поля и включал более 800 километров проводов, около 750 тыс. деталей, 3304 электромеханических реле. «Марк-1» оперировал десятичными числами, закодированными на перфоленте. Машина могла манипулировать числами длиной до 23 разрядов. Для выполнения операции по перемножению двух 23-разрядных чисел ей было необходимо 4 секунды.

Но электромеханические реле работали недостаточно быстро. В 1946 г. по заказу Армии США был создан первый широкомасштабный электронный цифровой компьютер ЭНИАК (ENIAC - электронный числовой интегратор и вычислитель), который можно было перепрограммировать для решения полного диапазона задач. Его разработчиками были американские ученые Джон Уильям Мокли и Джон Преспер Экерт. Основой компонентной базы в нем стали вакуумные лампы, заменившие электромеханические реле. Всего комплекс включал 17468 ламп, 7200 кремниевых диодов, 1500 реле, 70000 резисторов и 10000 конденсаторов. Потребляемая мощность - 150 кВт по тем временам было достаточно для освещения большого города. Вычислительная мощность - 300 операций умножения или 5000 операций сложения в секунду. Вес - 27 тонн, более 30 метров. Вычисления проводились в десятичной системе. ЭНИАК использовался для расчета баллистических таблиц, предсказания погоды, расчетов в области атомной энергетики, аэродинамики, изучения космоса.

На европейском континенте первая вычислительная машина МЭСМ (малая электронная счётная машина) была создана в 1951 году группой ученых под руководством академика Сергея Алексеевича Лебедева. Ее быстродействие составляло 50 операций в секунду. Машина вычисляла факториалы натуральных чисел и решала уравнения параболы. В ней использовалось 6 тыс. электровакуумных ламп. Одновременно Лебедев работал над созданием БЭСМ - быстродействующей электронной счётной машины, разработка которой была завершена в 1953 году. Она выполняла 10 тыс. операций в секунду и считалась самой быстродействующей в то время. Ввод информации осуществлялся через перфоленту, а выводились данные посредством фотопечати.

Использование ЭВМ становилось все популярнее в различных сферах человеческой деятельности, возникла необходимость в серийном производстве вычислительных машин.

В СССР в серию выпустили большие ЭВМ под общим названием "Стрела" (автор разработки - Юрий Яковлевич Базилевский). С 1954 года в Пензе началось серийное производство универсальной ЭВМ "Урал" под руководством Башира Рамеева. Последние модели этих серий были аппаратно и программно совместимы друг с другом. Для различных задач возможно было создание машин разной комплектации, для чего был разработан широкий выбор периферических устройств.

Транзисторы и появление интегральных микросхем

Лампы довольно быстро выходили из строя, затрудняя работу с машиной. Эту проблему решил транзистор, изобретенный в 1947 году. Транзистор использовал свойства полупроводников. Он решал те же задачи, что и лампы, но занимал намного меньше места и использовал меньше энергии. ЭВМ становились компактнее. Также использование ферритовых сердечников для организации памяти компьютеров, делало вычислительные машины еще быстрее и надежнее.

В 1956 году в Массачусетсе был создан первый компьютер, построенный на транзисторах, названных ТХ -О. Этому предшествовал запуск серийного производства транзисторов американской компанией «Техас инструментс».

Активное использование вычислительной техники приводило с расширению ее функций, и потребовало созданий новых программных технологий. В это время появиляются высокоуровневые языки программирования, позволяющие переносить код с одного устройства на другое, а также специальные программы, упрощающие написание кода ( «Фортран», «Кобол», и другие).

Создание интегральные микросхем перевернуло представления об ЭВМ. Мир узнал о них благодаря работам американцев Роберта Нойса и Джека Килби. Их использование позволило создавать ЭВМ третьего поколения. Миниатюрные транзисторы и другие компоненты монтировались на основе из германиевого или кремниевого сплава, их количество насчитывало до сотен и тысяч.

Интегральные микросхемы легли в основу первого компьютера семейства SYSTEM 360 (1964), и с этого момента можно вести отсчет массового выпуска ЭВМ. Серия SYSTEM 360 состояла из 20 тыс. экземпляров.

В 1972 году в СССР была создана уникальная ЕС (единая серия) ЭВМ. Принципом создания системы были унификация и стандартизация комплексов для работы вычислительных центров. Они имели общую систему команд.

На базе технологии СБИС (сверхбольших интегральных схем) был создан первый микропроцессор - программируемое логическое устройство. Этот проект реализовала фирма Intel (США).

Первым коммерческим проектом в области компьютеризации стал выпуск серии мини компьютеров PDP-8В (1973). Небольшие организации получили возможность использовать ЭВМ, ранее доступные только правительству и большим компаниям, благодаря относительно низкой стоимости мини-компьютеров.

В этот же период постоянно совершенствовалось ПО. Разрабатывались операционные системы, ориентированные на то, чтобы поддерживать максимальное количество внешних устройств (графопостроители, принтеры, носители информации на дисках и магнитных лентах), появлялись новые программы. Появился Бейсик (1964) - программный язык, предназначенный для подготовки начинающих программистов. Через пять лет после этого возник Паскаль, оказавшийся очень удобным для решения множества прикладных задач.

Персональные компьютеры

После 1970 развитие вычислительной техники характеризуется внедрением в производство компьютеров больших интегральных схем (ЭВМ четвертого поколения). Такие машины могли совершать за одну секунду тысячи миллионов вычислительных операций, а ёмкость их ОЗУ увеличилась до 500 миллионов двоичных разрядов. Стоимость ЭВМ существенно снизилась, и у обычных людей появилась возможность купить компьютер для личного пользования.

Компания Apple довольно быстро зарекомендовала как один из первых производителей персональных компьютеров. Создавшие её Стив Джобс и Стив Возняк сконструировали первую модель ПК в 1976 году, дав ей название Apple I. Себестоимость его была уникально низкой для того времени - 500 долларов. Через год была представлена следующая модель - Apple II.

Компьютеры стали походить на бытовые приборы. Они имели не только компактный размер, но и изящный дизайн и удобный для пользователя интерфейс. Для использования ЭВМ уже не нужно было иметь специальных знаний.

В конце 1970-х годов спрос на большие ЭВМ заметно упал, вследствие распространения компактных мини-компьютеров. Компания IBM - производитель больших компьютеров - вынуждена была запустить в серию свой первый ПК (1979) для удержания позиций на динамичном новом рынке.

Два года спустя IBM достигла значительных успехов и создала свой первый микрокомпьютер с открытой архитектурой, основанный на 16-разрядном микропроцессоре 8088 (производимом компанией Intel). Компьютер комплектовался монохромным дисплеем, двумя дисководами для пятидюймовых дискет, оперативной памятью объемом 64 килобайта. Для этой машщины потребовалась специальная операционная система. Осуществить задачу поручили компании «Microsoft». На рынке появились многочисленные клоны IBM PC, что подтолкнуло рост промышленного производства персональных ЭВМ.

Apple . конкурировавшая с IBM, выпустила рынок новый компьютер - Macintosh (1984) . Его операционная система, названная Windows, оказалась очень удобной для пользователей. Она представляла команды в виде графических изображений и позволяла вводить их с помощью манипулятора - мыши.

В настоящее время используются ЭВМ пятого поколения. Это компьютеры, созданные на основе сверхсложных микропроцессоров, имеющие параллельно-векторную структуру, которая делает возможным одновременное выполнение десятков последовательных команд, заложенных в программу. Машины с несколькими сотнями процессоров, работающих параллельно, позволяют ещё более точно и быстро обрабатывать данные, а также создавать эффективно работающие компьютерные сети.

С 2013 года уже можно говорить о компьютерах шестого поколения. Это электронные и оптоэлектронные ЭВМ, работающие на десятках тысяч микропроцессоров. Они характеризуются массовым параллелизмом и моделируют архитектуру нейронных биологических систем, что позволяет им успешно распознавать сложные образы.

Таблица 1. Поколения ЭВМ

Классификация ЭВМ

На данный момент существуют различные варианты классификации ЭВМ. К основным классам вычислительных машин относятся устройства, различаемые по: размерам и производительности, по типоразмерам, по назначению.

Классификация по размерам и производительной мощности:

- СуперЭВМ созданы для решения крупномасштабных вычислительных задач, для обслуживания крупнейших информационных банков данных. Производительность таких компьютеров свыше 100 мегафлопов (1 мегафлоп -- миллион операций с плавающей точкой в секунду). Это сверхбыстродействующие компьютеры. Такие машины представляют собой многопроцессорные и (или) многомашинные комплексы, работающие на общей памяти и общее поле внешних устройств. Различают суперкомпьютеры среднего класса, класса выше среднего и передовые (high end). Самый мощный суперкомпьютер на июнь 2016 года - это модель Sunway TaihuLight (Китай), производительность работы которой достигает около 93 Петафлопс.

- Большие ЭВМ - для комплектования разнообразных вычислительных центров. Их применяют в больших комплексах при наличии не менее 200 -- 300 рабочих мест.

- Средние ЭВМ - предназначены для управления сложными технологическими и производственными процессами. ЭВМ этого типа могут использоваться и в качестве сетевых серверов.

- Персональные и профессиональные ЭВМ, ориентированные на удовлетворение индивидуальных потребностей пользователей.

- Встраиваемые микропроцессоры - компьютерные микросхемы, используемые в устройствах, не являющихся персональными компьютерами. Они реализуют дополнительные функции (часто это управление и мониторинг).

По типоразмерам вычислительная техника различается:

1) Настольные (desktop) - используются для автоматизации рабочего места, и отличаются простотой изменения конфигурации.

2) Портативные - удобны для транспортировки, их можно использовать при отсутствии рабочего места (laptop, notebook, palmtop).

По назначению компьютеры можно разделить на:

- универсальные - способные решать самые разнообразные задачи (технические, математические, инженерные, научные, и т.д.)

- проблемно - ориентированные - решают специфические задачи, связанные обычно с управлением процессами, регистрацией данных, обработкой небольших объемов информации, выполнением несложных алгоритмов. У них более ограниченные программные и аппаратные ресурсы, чем у компьютеров универсального направления.

- специализированные компьютеры предназначены для решения строго определенных задач. Они должны иметь высокую надежность, узкоспециализированную структуру и относительно низкую структуру при высокой производительности. Это контроллеры и адаптеры, а также специализированные микропроцессоры.

Заключение

Информация - важнейший ресурс и двигатель прогресса человечества. Вычислительные устройства появились первоначально для учета ресурсов и ценностей, а затем - для быстрого и точного проведения сложных расчетов и вычислительных операций. Развитие вычислительных механизмов, а позднее - сложных систем - тесно переплеталось с развитием человеческого общества. Первоначально люди использовали простейшие подручные средства - собственные пальцы, небольшие камни, палочки разных размеров, веревочные узелки, зарубки на дереве. Усложнение взаимодействий внутри общества находило свое отражение и в развитии приспособлений для вычислений. Развитие математики и усложнение вычислительных систем зачастую происходило параллельно, оказывая взаимное влияние друг на друга. Вычислительные устройства постоянно совершенствовались, и даже появление шестого поколения вычислительной техники - явно еще не предел.

Однако нужно учитывать, что микроэлектроника дошла практически до предела своих физических возможностей. Дальнейшее развитие возможно с использованием принципиально новых технологических решений. Прежде всего это оптоэлектронные микроустройства, а также криогенная электроника (использующая свойства сверхпроводников при очень низких температурах). Следует помнить, что интеллектуальные способности машин не всегда определяются физическими принципами их конструкций. Хорошую перспективу имеют разработки принципиально новых подходов к программированию.

Литература:

1. Алтухов Е.В., Рыбалко Л.А., Савченко В.С. Основы информатики и вычислительной техники, М., «Высшая школа», 1992.

2. Бордовский Г.А., Исаев Ю.В., Морозов В.В. Информатика в понятиях и терминах, М., 1991.

3. Электронная энциклопедия Кирилла и Мефодия

4. http://www.computerra.ru/

Размещено на Allbest.ru