Глиняные фигурки, также предназначаемые для наглядного представления количества считаемых предметов, однако для удобства помещаемые при этом в специальные контейнеры. Такими приспособлениями, похоже, пользовались торговцы и счетоводы того времени.
Постепенно из простейших приспособлений для счёта рождались всё более и более сложные устройства: абак (счёты), логарифмическая линейка , механический арифмометр, электронный компьютер . Несмотря на простоту ранних вычислительных устройств, опытный счетовод может получить результат при помощи простых счёт даже быстрее, чем нерасторопный владелец современного калькулятора. Естественно, сама по себе, производительность и скорость счёта современных вычислительных устройств давно уже превосходят возможности самого выдающегося расчётчика-человека.
Ранние приспособления и устройства для счёта
Человечество научилось пользоваться простейшими счётными приспособлениями тысячи лет назад. Наиболее востребованной оказалась необходимость определять количество предметов, используемых в меновой торговле. Одним из самых простых решений было использование весового эквивалента меняемого предмета, что не требовало точного пересчёта количества его составляющих. Для этих целей использовались простейшие балансирные весы , которые стали, таким образом, одним из первых устройств для количественного определения массы .
Принцип эквивалентности широко использовался и в другом, знакомом для многих, простейшем счётном устройств Абак или Счёты. Количество подсчитываемых предметов соответствовало числу передвинутых костяшек этого инструмента.
Сравнительно сложным приспособлением для счёта могли быть чётки, применяемые в практике многих религий. Верующий как на счётах отсчитывал на зёрнах чёток число произнесённых молитв, а при проходе полного круга чёток передвигал на отдельном хвостике особые зёрна-счётчики, означающие число отсчитанных кругов.
С изобретением зубчатых колёс появились и гораздо более сложные устройства выполнения расчётов. Антикитерский механизм , обнаруженный в начале XX века, который был найден на месте крушения античного судна, затонувшего примерно в 65 году до н. э. (по другим источникам в или даже 87 году до н. э.), даже умел моделировать движение планет. Предположительно его использовали для календарных вычислений в религиозных целях, предсказания солнечных и лунных затмений, определения времени посева и сбора урожая и т. п. Вычисления выполнялись за счёт соединения более 30 бронзовых колёс и нескольких циферблатов; для вычисления лунных фаз использовалась дифференциальная передача, изобретение которой исследователи долгое время относили не ранее чем к XVI веку. Впрочем, с уходом античности навыки создания таких устройств были позабыты; потребовалось около полутора тысяч лет, чтобы люди вновь научились создавать похожие по сложности механизмы.
«Считающие часы» Вильгельма Шиккарда
За этим последовали машины Блеза Паскаля («Паскалина », 1642 г.) и Готфрида Вильгельма Лейбница .
ANITA Mark VIII, 1961 год
В Советском Союзе в то время самым известным и распространённым калькулятором был механический арифмометр «Феликс» , выпускавшийся с 1929 по 1978 год на заводах в Курске (завод «Счетмаш»), Пензе и Москве .
Появление аналоговых вычислителей в предвоенные годы
Основная статья: История аналоговых вычислительных машин
Дифференциальный анализатор, Кембридж, 1938 год
Первые электромеханические цифровые компьютеры
Z-серия Конрада Цузе
Репродукция компьютера Zuse Z1 в Музее техники, Берлин
Цузе и его компанией были построены и другие компьютеры, название каждого из которых начиналось с заглавной буквы Z. Наиболее известны машины Z11, продававшийся предприятиям оптической промышленности и университетам, и Z22 - первый компьютер с памятью на магнитных носителях.
Британский Colossus
В октябре 1947 года директора компании Lyons & Company, британской компании, владеющей сетью магазинов и ресторанов, решили принять активное участие в развитии коммерческой разработки компьютеров. Компьютер LEO I начал работать в 1951 году и впервые в мире стал регулярно использоваться для рутинной офисной работы.
Машина Манчестерского университета стала прототипом для Ferranti Mark I. Первая такая машина была доставлена в университет в феврале 1951 года, и, по крайней мере, девять других были проданы между 1951 и 1957 годами.
Компьютер второго поколения IBM 1401, выпускавшийся в начале 1960-х, занял около трети мирового рынка компьютеров, было продано более 10 000 таких машин.
Применение полупроводников позволило улучшить не только центральный процессор , но и периферийные устройства. Второе поколения устройств хранения данных позволяло сохранять уже десятки миллионов символов и цифр. Появилось разделение на жёстко закреплённые (fixed ) устройства хранения, связанные с процессором высокоскоростным каналом передачи данных, и сменные (removable ) устройства. Замена кассеты дисков в сменном устройстве требовала лишь несколько секунд. Хотя ёмкость сменных носителей была обычно ниже, но их заменяемость давала возможность сохранения практически неограниченного объёма данных. Магнитная лента обычно применялось для архивирования данных, поскольку предоставляла больший объём при меньшей стоимости.
Во многих машинах второго поколения функции общения с периферийными устройствами делегировались специализированным сопроцессорам . Например, в то время как периферийный процессор выполняет чтение или пробивку перфокарт, основной процессор выполняет вычисления или ветвления по программе. Одна шина данных переносит данные между памятью и процессором в ходе цикла выборки и исполнения инструкций, и обычно другие шины данных обслуживают периферийные устройства. На PDP-1 цикл обращения к памяти занимал 5 микросекунд; большинство инструкций требовали 10 микросекунд: 5 на выборку инструкции и ещё 5 на выборку операнда.
История развития вычислительной техники
Развитие вычислительной техники можно разбить на следующие периоды:
Ø Ручной (VI век до н.э. - XVII век н.э.)
Ø Механический (XVII век - середина XX века)
Ø Электронный (середина XX века - настоящее время)
Хотя Прометей в трагедии Эсхила утверждает: «Подумайте, что смертным сделал я: число им изобрел и буквы научил соединять», понятие числа возникло задолго до появления письменности. Люди учились считать в течение многих веков, передавая и обогащая из поколения в поколение свой опыт.
Счет, или шире - вычисления, может быть осуществлен в различных формах: существует устный, письменный и инструментальный счет . Средства инструментального счета в разные времена имели различные возможности и назывались по-разному.
Ручной этап (VI век до н.э. - XVII век н.э.)
Возникновение счета в древности - «Это было началом начал...»
Предположительный возраст последней генерации человечества - 3-4 миллиона лет. Именно столько лет назад человек встал на ноги и взял в руки изготовленный им самим инструмент. Однако, способность считать (то есть способность разбивать понятия «больше» и «меньше» на конкретное количество единиц) сформировалась у человека значительно позднее, а именно 40-50 тысяч лет назад (поздний палеолит). Этот этап соответствует появлению современного человека (кроманьонца). Таким образом, одной из основных (если не главной) характеристикой, отличающей кроманьонца от более древней ступени человека, является наличие у него счётных способностей.
Нетрудно догадаться, что первым счетным устройством человека были его пальцы.
|
Пальцы оказались прекрасной вычислительной машиной. С их помощью можно было считать до 5, а если взять две руки, то и до 10. А в странах, где люди ходили босиком, по пальцам легко было считать до 20. Тогда этого практически хватало для большинства потребностей людей. Пальцы оказались настолько тесно связанными со счетом, что на древнегреческом языке понятие "считать" выражалось словом "упятерить". Да и в русском языке слово "пять" напоминает "пясть" - часть кисти руки (слово "пясть" сейчас упоминают редко, но производное от него - "запястье" - часто используют и сейчас). Кисть руки, пясть, - синоним и фактически основа числительного «ПЯТЬ» у многих народов. Например, малайское «ЛИМА» означает одновременно и « рука» и «пять». Однако известны народы, у которых единицами счёта были не пальцы, а их суставы. |
Научившись считать по пальцам до десяти, люди сделали следующий шаг вперед и стали считать десятками. И если одни папуасские племена умели считать лишь до шести, то другие доходили в счете до нескольких десятков. Только для этого приходилось приглашать сразу много счетчиков.
Во многих языках слова "два" и "десять" созвучны. Может быть, это объясняется тем, что когда-то слово "десять" означало "две руки". И сейчас есть племена, которые говорят "две руки" вместо "десять" и "руки и ноги" вместо "двадцать". А в Англии первые десять чисел называют общим именем - "пальцы". Значит, и англичане когда-то считали по пальцам.
Пальцевой счет сохранился кое-где и поныне, например, историк математики Л.Карпинский в книге «История арифметики» сообщает, что на крупнейшей мировой хлебной бирже в Чикаго предложения и запросы, как и цены объявляются маклерами на пальцах без единого слова.
Затем появился счет с перекладыванием камней, счет с помощью чёток… Это был существенный прорыв в счетных способностях человека - начало абстрагирования цифры.
Лекция № 10. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
1.1. НАЧАЛЬНЫЙ ЭТАП РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Потребность в автоматизации обработки данных, в том числе вычислений, возникла очень давно. Считается, что исторически первым и, соответственно, простейшим счетным устройством был абак, который относится к ручным приспособлениям для счета.
| Доска разделялась на бороздки. Одна бороздка соответствовала единицам, другая – десяткам и т.д. Если в какой-то бороздке при счете набиралось более 10 камешков, их снимали и добавляли один камешек в следующем разряде. В странах Дальнего Востока был распространён китайский аналог абака – суан-пан (в основе счета лежала не десятка, а пятерка), в России – счёты . | Абак | ||
| Суан-пан. Положено 1930 | Счеты. Положено 401,28 |
||
Первой дошедшей до нас попыткой решить задачу по созданию машины умеющей складывать многоразрядные целые числа был эскиз 13-разрядного суммирующего устройства разработанный Леонардо да Винчи около 1500 г.
В 1642 году Блез Паскаль изобрел устройство, механически выполняющее сложение чисел. Ознакомившись с трудами Паскаля и изучив его арифметическую машину, Готфрид Вильгельм Лейбниц внес в нее значительные усовершенствования, и в 1673 году сконструировал арифмометр, позволяющий механически выполнять четыре арифметических операции. Начиная с 19 века, арифмометры получили очень широкое распространение и применение. На них выполняли даже очень сложные расчеты, например, расчеты баллистических таблиц для артиллерийских стрельб. Существовала специальная профессия- счетчик.
Несмотря на явный прогресс по сравнению с абаком и подобными ему приспособлениями для ручного счета, данные механические вычислительные устройства требовали постоянного участия человека в процессе вычислений. Человек, производя вычисления на таком устройстве, сам управляет его работой, определяет последовательность выполняемых операций.
Мечтой изобретателей вычислительной техники было создание считающего автомата, который бы без вмешательства человека производил расчеты по заранее составленной программе.
В первой половине 19 века английский математик Чарльз Бэббидж попытался создать универсальное вычислительное устройство – Аналитическую машину , которая должна была выполнять арифметические операции без участия человека. В Аналитическую машину были заложены принципы, ставшие фундаментальными для вычислительной техники, и были предусмотрены все основные компоненты, имеющиеся в современном компьютере. Аналитическая машина Бэббиджа должна была состоять из следующих частей:
1. «Фабрика» – устройство, в котором производиться все операции по обработке всех видов данных (АЛУ).
2. «Контора» – устройство, обеспечивающие организацию выполнения программы обработки данных и согласованную работу всех узлов машины в ходе этого процесса (УУ).
3. «Склад» – устройство, предназначенное для хранения исходных данных, промежуточных величин и результатов обработки данных (ЗУ, или просто память).
4. Устройства, способные преобразовывать данные в форму, доступную компьютеру (кодирование). Устройства ввода.
5. Устройства, способные преобразовывать результаты обработки данных в форму, понятную человеку. Устройства вывода.
В окончательном варианте машины у нее было три устройства ввода с перфокарт, с которых считывались программа и данные, подлежащие обработке.
Бэббидж не смог довести работу до конца - это оказалось слишком сложно на основе механической техники того времени. Однако он разработал основные идеи, и в 1943 году американец Говард Эйкен на основе уже техники 20 века – электромеханических реле – смог построить на одном из предприятий фирмы IBM такую машину под названием «Марк-1». Для представления чисел в ней были использованы механические элементы (счетные колеса), для управления – электромеханические.
1.2. НАЧАЛО СОВРЕМЕННОЙ ИСТОРИИ ЭЛЕКТРОННОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Подлинная революция в вычислительной технике произошла в связи с применением электронных устройств. Работа над ними началась в конце 30-х годов одновременно в США, Германии, Великобритании и СССР. К этому времени электронные лампы, ставшие технической основой устройств обработки и хранения цифровой информации, уже широчайшим образом применялись в радиотехнических устройствах.
Огромный вклад в теорию и практику создания электронной вычислительной техники на начальном этапе ее развития внес один из крупнейших американских математиков Джон фон Нейман. В историю науки навсегда вошли «принципы фон Неймана». Совокупность этих принципов породила классическую (фон-неймановскую) архитектуру ЭВМ. Один из важнейших принципов - принцип хранимой программы - требует, чтобы программа закладывалась в память машины так же, как в нее закладывается исходная информация. Первая ЭВМ с хранимой программой (EDSAC ) была построена в Великобритании в 1949 г.
В нашей стране вплоть до 70-х годов создание ЭВМ велось почти полностью самостоятельно и независимо от внешнего мира (да и сам этот «мир» был почти полностью зависим от США). Дело в том, что электронная вычислительная техника с самого момента своего первоначального создания рассматривалась как сверхсекретный стратегический продукт, и СССР приходилось разрабатывать и производить ее самостоятельно. Постепенно режим секретности смягчался, но и в конце 80-х годов наша страна могла покупать за рубежом лишь устаревшие модели ЭВМ (а самые современные и мощные компьютеры ведущие производители - США и Япония - и сегодня разрабатывают и производят в режиме секретности).
Первая отечественная ЭВМ - МЭСМ («малая электронно-счетная машина») -была создана в 1951 г. под руководством Сергея Александровича Лебедева, крупнейшего советского конструктора вычислительной техники. Рекордной среди них и одной из лучших в мире для своею времени была БЭСМ-6 («большая электронно-счетная машина, 6-я модель»), созданная в середине 60-х годов и долгое время бывшая базовой машиной в обороне, космических исследованиях, научно-технических исследованиях в СССР. Кроме машин серии БЭСМ выпускались и ЭВМ других серий - «Минск», «Урал», М-20, «Мир» и другие.
С началом серийного выпуска ЭВМ начали условно делить по поколениям; соответствующая классификация изложена ниже.
1.3. ПОКОЛЕНИЯ ЭВМ
В истории вычислительной техники существует своеобразная периодизация ЭВМ по поколениям. В ее основу первоначально был положен физико-технологический принцип: машину относят к тому или иному поколению в зависимости от используемых в ней физических элементов или технологии их изготовления. Границы поколений во времени размыты, так как в одно и то же время выпускались машины совершенно разного уровня. Когда приводят даты, относящиеся к поколениям, то скорее всего имеют в виду период промышленного производства; проектирование велось существенно раньше, а встретить в эксплуатации весьма экзотические устройства можно и сегодня.
В настоящее время физико-технологический принцип не является единственным при определении принадлежности той или иной ЭВМ к поколению. Следует считаться и с уровнем программного обеспечения, с быстродействием, другими факторами, основные из которых сведены в прилагаемую табл. 4.1.
Следует понимать, что разделение ЭВМ по поколениям весьма относительно. Первые ЭВМ, выпускавшиеся до начала 50-х годов, были «штучными» изделиями, на которых отрабатывались основные принципы; нет особых оснований относить их к какому-либо поколению. Нет единодушия и при определении признаков пятого поколения. В середине 80-х годов считалось, что основной признак этого (будущего) поколения - полновесная реализация принципов искусственного интеллекта . Эта задача оказалась значительно сложнее, чем виделось в то время, и ряд специалистов снижают планку требований к этому этапу (и даже утверждают, что он уже состоялся). В истории науки есть аналоги этого явления: так, после успешного запуска первых атомных электростанций в середине 50-х годов ученые объявили, что запуск многократно более мощных, дающих дешевую энергию, экологически безопасных термоядерных станций, вот-вот произойдет; однако, они недооценили гигантские трудности на этом пути,так как термоядерных электростанций нет и по сей день.
В то же время среди машин четвертого поколения разница чрезвычайно велика, и поэтому в табл. 4.1 соответствующая колонка разделена на на две: А и Б. Указанные в верхней строчке даты соответствуют первым годам выпуска ЭВМ. Многие понятия, отраженные в таблице, будут обсуждаться в последующих разделах учебника; здесь ограничимся кратким комментарием.
Чем младше поколение, тем отчетливее классификационные признаки. ЭВМ первого, второго и третьего поколений сегодня - в лучшем случае музейные экспонаты.
Какие компьютеры относятся в первому поколению?
К первому поколению обычно относят машины, созданные на рубеже 50-х годов. В их схемах использовались электронные лампы . Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами , которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства. Лампы потребляли огромное количество электроэнергии и выделяли много тепла.
Набор команд был небольшой, схема арифметико-логического устройства и устройства управления достаточно проста, программное обеспечение практически отсутствовало. Показатели объема оперативной памяти и быстродействия были низкими. Для ввода-вывода использовались перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства.
Быстродействие порядка 10-20 тысяч операций в секунду.
Но это только техническая сторона. Очень важна и другая - способы использования компьютеров, стиль программирования, особенности математического обеспечения.
Программы для этих машин писались на языке конкретной машины . Математик, составивший программу, садился за пульт управления машины, вводил и отлаживал программы и производил по ним счет. Процесс отладки был наиболее длительным по времени.
Несмотря на ограниченность возможностей, эти машины позволили выполнить сложнейшие расчёты, необходимые для прогнозирования погоды, решения задач атомной энергетики и др.
Опыт использования машин первого поколения показал, что существует огромный разрыв между временем, затрачиваемым на разработку программ, и временем счета.
Отечественные машины первого поколения: МЭСМ (малая электронная счётная машина), БЭСМ, Стрела, Урал, М-20.
Какие компьютеры относятся ко второму поколению?
Второе поколение компьютерной техники - машины, сконструированные примерно в 1955-65 гг. Характеризуются использованием в них как электронных ламп , так и дискретных транзисторных логических элементов . Их оперативная память была построена на магнитных сердечниках. В это время стал расширяться диапазон применяемого оборудования ввода-вывода, появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, магнитные барабаны и первые магнитные диски .
Быстродействие - до сотен тысяч операций в секунду, ёмкость памяти - до нескольких десятков тысяч слов.
Появились так называемые языки высокого уровня , средства которых допускают описание всей необходимой последовательности вычислительных действий в наглядном, легко воспринимаемом виде .
Программа, написанная на алгоритмическом языке, непонятна компьютеру, воспринимающему только язык своих собственных команд. Поэтому специальные программы, которые называются трансляторами , переводят программу с языка высокого уровня на машинный язык.
Появился широкий набор библиотечных программ для решения разнообразных математических задач. Появились мониторные системы , управляющие режимом трансляции и исполнения программ. Из мониторных систем в дальнейшем выросли современные операционные системы.
Таким образом, операционная система является программным расширением устройства управления компьютера .
Для некоторых машин второго поколения уже были созданы операционные системы с ограниченными возможностями.
Машинам второго поколения была свойственна программная несовместимость , которая затрудняла организацию крупных информационных систем. Поэтому в середине 60-х годов наметился переход к созданию компьютеров, программно совместимых и построенных на микроэлектронной технологической базе.
В чем особенности компьютеров третьего поколения?
Машины третьего поколения созданы примерно после 60-x годов. Поскольку процесс создания компьютерной техники шел непрерывно, и в нём участвовало множество людей из разных стран, имеющих дело с решением различных проблем, трудно и бесполезно пытаться установить, когда "поколение" начиналось и заканчивалось. Возможно, наиболее важным критерием различия машин второго и третьего поколений является критерий, основанный на понятии архитектуры.
Машины третьего поколения - это семейства машин с единой архитектурой, т.е. программно совместимых. В качестве элементной базы в них используются интегральные схемы, которые также называются микросхемами.
Машины третьего поколения имеют развитые операционные системы. Они обладают возможностями мультипрограммирования, т.е. одновременного выполнения нескольких программ. Многие задачи управления памятью, устройствами и ресурсами стала брать на себя операционная система или же непосредственно сама машина.
Примеры машин третьего поколения - семейства IBM-360, IBM-370, ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ) и др.
Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Ёмкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов.
Что характерно для машин четвёртого поколения?
Четвёртое поколение - это теперешнее поколение компьютерной техники, разработанное после 1970 года.
Наиболее важный в концептуальном отношении критерий, по которому эти компьютеры можно отделить от машин третьего поколения, состоит в том, что машины четвёртого поколения проектировались в расчете на эффективное использование современных высокоуровневых языков и упрощение процесса программирования для конечного пользователя.
В аппаратурном отношении для них характерно широкое использование интегральных схем в качестве элементной базы, а также наличие быстродействующих запоминающих устройств с произвольной выборкой ёмкостью в десятки мегабайт.
C точки зрения структуры машины этого поколения представляют собой многопроцессорные и многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних устройств. Быстродействие составляет до нескольких десятков миллионов операций в секунду, ёмкость оперативной памяти порядка 1 - 64 Мбайт.
Для них характерны:
- применение персональных компьютеров;
- телекоммуникационная обработка данных;
- компьютерные сети;
- широкое применение систем управления базами данных;
- элементы интеллектуального поведения систем обработки данных и устройств.
Какими должны быть компьютеры пятого поколения?
Разработка последующих поколений компьютеров производится на основе больших интегральных схем повышенной степени интеграции , использования оптоэлектронных принципов (лазеры , голография ).
Развитие идет также по пути "интеллектуализации" компьютеров, устранения барьера между человеком и компьютером. Компьютеры будут способны воспринимать информацию с рукописного или печатного текста, с бланков, с человеческого голоса, узнавать пользователя по голосу, осуществлять перевод с одного языка на другой.
В компьютерах пятого поколения произойдёт качественный переход от обработки данных к обработке знаний .
Архитектура компьютеров будущего поколения будет содержать два основных блока. Один из них - это традиционный компьютер. Но теперь он лишён связи с пользователем. Эту связь осуществляет блок, называемый термином "интеллектуальный интерфейс" . Его задача - понять текст, написанный на естественном языке и содержащий условие задачи, и перевести его в работающую программу для компьютера.
Будет также решаться проблема децентрализации вычислений с помощью компьютерных сетей, как больших, находящихся на значительном расстоянии друг от друга, так и миниатюрных компьютеров, размещённых на одном кристалле полупроводника.
Поколения ЭВМ
| Показатель | Поколения ЭВМ |
|||||
| Первое 1951-1954 | Второе 1958-I960 | Третье 1965-1966 | Четвертое | Пятое |
||
| 1976-1979 | 1985-? |
|||||
| Элементная база процессора | Электронные лампы | Транзисторы | Интграль-ные схемы (ИС) | Большие ИС (БИС) | СвербольшиеИС (СБИС) | Оптоэлек-троника Криоэлек-троника |
| Элементная база ОЗУ | Электронно-лучевые трубки | Феррито-вые сердечники | Ферритовые сердечники | БИС | СБИС | СБИС |
| Максмальная емкость ОЗУ, байт | 10 2 | 10 1 | 10 4 | 10 5 | 10 7 | 10 8 (?) |
| Максимальное быстродействие процессора (оп/с) | 10 4 | 10 6 | 10 7 | 10 8 | 10 9 Многопро-цессорность | 10 12 , Многопро-цессорность |
| Языки программирования | Машинный код | Ассемблер | Процедурные языки высокого уровня (ЯВУ) | Новые процедурные ЯВУ | Непроце-дурные ЯВУ | Новые непрцедур-ные ЯВУ |
| Средства связи пользователя с ЭВМ | Пульт управления и перфокарты | Перфокарты и перфоленты | Алфавитно- цифровой терминал | Монохром- ный графиче- ский дисплей, клавиатура | Цветной + графический дисплей, клавиатура, «мышь» и др. | |
ОСНОВЫ ПК
Люди всегда испытывали потребность в счете. Для этого они использовали пальцы рук, камешки, которые складывали в кучки или располагали в ряд. Число предметов фиксировалось с помощью черточек, которые проводились по земле, с помощью зарубок на палках и узелков, которые завязывались на веревке.
С увеличением количества подлежащих подсчету предметов, развитием наук и ремесел появилась необходимость в проведении простейших вычислений. Самым древним инструментом, известным в различных странах, являются счеты (в Древнем Риме они назывались calculi). Они позволяют производить простейшие вычисления над большими числами. Счеты оказались настолько удачным инструментом, что дожили с древних времен почти до наших дней.
Никто не может назвать точное время и место появления счетов. Историки сходятся во мнении, что их возраст составляет несколько тысяч лет, а их родиной могут быть и Древний Китай, и Древний Египет, и Древняя Греция.
1.1. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ
РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
С развитием точных наук появилась настоятельная необходимость в проведении большого количества точных вычислений. В 1642 г. французский математик Блез Паскаль сконструировал первую механическую счетную машину, известную как суммирующая машина Паскаля (рис. 1.1). Эта машина представляла собой комбинацию взаимосвязанных колесиков и приводов. На колесиках были нанесены цифры от 0 до 9. Когда первое колесико (единицы) делало полный оборот, в действие автоматически приводилось второе колесико (десятки); когда и оно достигало цифры 9, начинало вращаться третье колесико и т.д. Машина Паскаля могла только складывать и вычитать.
В 1694 г. немецкий математик Готфрид Вильгельм фон Лейбниц сконструировал более совершенную счетную машину (рис. 1.2). Он был убежден, что его изобретение найдет широкое применение не только в науке, но и в быту. В отличие от машины Паскаля Лейбниц использовал цилиндры, а не колесики и приводы. На цилиндры были нанесены цифры. Каждый цилиндр имел девять рядов выступов или зубцов. При этом первый ряд содержал 1 выступ, второй - 2 и так вплоть до девятого ряда, который содержал 9 выступов. Цилиндры были подвижными и приводились в определенное положение оператором. Конструкция машины Лейбница была более совершенной: она была способна выполнять не только сложение и вычитание, но и умножение, деление и даже извлечение квадратного корня.
Интересно, что потомки этой конструкции дожили до 70-х годов XX в. в форме механических калькуляторов (арифмометр типа «Феликс») и широко использовались для различных расчетов (рис. 1.3). Однако уже в конце XIX в. с изобретением электромагнитного реле появились первые электромеханические счетные устройства. В 1887 г. Герман Голлерит (США) изобрел электромеханический табулятор с вводом чисел с помощью перфокарт. На идею использовать перфокарты его натолкнула пробивка компостером проездных билетов на железнодорожном транспорте. Разработанная им 80-колонная перфокарта не претерпела существенных изменений и в качестве носителя информации использовалась в первых трех поколениях компьютеров. Табуляторы Голлерита использовались во время 1-й переписи населения в России в 1897 г. Сам изобретатель тогда специально приезжал в Санкт-Петербург. С этого времени электромеханические табуляторы и другие подобные им устройства стали широко применяться в бухгалтерском учете.
В начале XIX в. Чарльз Бэббидж сформулировал основные положения, которые должны лежать в основе конструкции вычислительной машины принципиально нового типа.
В такой машине, по его мнению, должны быть «склад» для хранения цифровой информации, специальное устройство, осуществляющее операции над числами, взятыми со «склада». Бэббидж называл такое устройство «мельницей». Другое устройство служит для управления последовательностью выполнения операций, передачей чисел со «склада» на «мельницу» и обратно, наконец, в машине должно быть устройство для ввода исходных данных и вывода результатов вычислений. Эта машина так никогда и не была построена - существовали лишь ее модели (рис. 1.4), но принципы, положенные в ее основу, были позже реализованы в цифровых ЭВМ.
Научные идеи Бэббиджа увлекли дочь известного английского поэта лорда Байрона - графиню Аду Августу Лавлейс. Она заложила первые фундаментальные идеи о взаимодействии различных блоков вычислительной машины и последовательности решения на ней задач. Поэтому Аду Лавлейс по праву считают первым в мире программистом. Многими понятиями, введенными Адой Лавлейс в описания первых в мире программ, широко пользуются современные программисты.
Рис. 1.1. Суммирующая машина Паскаля
Рис. 1.2. Счетная машина Лейбница
Рис. 1.3. Арифмометр «Феликс»
Рис. 1.4. Машина Бэббиджа
Началом новой эры развития вычислительной техники на базе электромеханических реле стал 1934 г. Американская фирма IBM (International Buisness Machins) начала выпуск алфавитно-цифровых табуляторов, способных выполнять операции умножения. В середине 30-х годов XX в. на основе табуляторов создается прообраз первой локальной вычислительной сети. В Питсбурге (США) в универмаге была установлена система, состоящая из 250 терминалов, соединенных телефонными линиями с 20 табуляторами и 15 пишущими машинками для расчетов с покупателями. В 1934 - 1936 гг. немецкий инженер Конрад Цузе пришел к идее создания универсальной вычислительной машины с программным управлением и хранением информации в запоминающем устройстве. Он сконструировал машину «Z-3» - это была первая программно-управляемая вычислительная машина – прообраз современных ЭВМ (рис. 1.5).
Рис. 1.5. Вычислительная машина Цузе
Это была релейная машина, использующая двоичную систему счисления, имеющая память на 64 числа с плавающей запятой. В арифметическом блоке пользовалась параллельная арифметика. Команда включала операционную и адресную части. Ввод данных осуществлялся с помощью десятичной клавиатуры, был предусмотрен цифровой вывод, а также автоматическое преобразование десятичных чисел в двоичные и обратно. Скорость выполнения операции сложения - три операции в секунду.
В начале 40-х годов XX в. в лабораториях IBM совместно с учеными Гарвардского университета была начата разработка одной из самых мощных электромеханических вычислительных машин. Она получила название MARK-1, содержала 760 тыс. компонентов и весила 5 т (рис. 1.6).
Рис. 1.6. Вычислительная машина MARK -1
Последним наиболее крупным проектом в сфере релейной вычислительной техники (ВТ) следует считать построенную в 1957 г. в СССР РВМ-1, которая по целому ряду задач была вполне конкурентоспособна тогдашним ЭВМ. Тем не менее с появлением электронной лампы дни электромеханических устройств оставались сочтены. Электронные компоненты обладали большим превосходством в быстродействии и надежности, что и определило дальнейшую судьбу электромеханических вычислительных машин. Наступила эра электронных вычислительных машин.
Переход к следующему этапу развития средств вычислительной техники и технологии программирования был бы невозможен без основополагающих научных исследований в области передачи и обработки информации. Развитие теории информации связано прежде всего с именем Клода Шеннона. Отцом кибернетики по праву считается Норберт Винер, а создателем теории автоматов является Генрих фон Нейман.
Концепция кибернетики родилась из синтеза многих научных направлений: во-первых, как общий подход к описанию и анализу действий живых организмов и вычислительных машин или иных автоматов; во-вторых, из аналогий между поведением сообществ живых организмов и человеческого общества и возможностью их описания с помощью общей теории управления; и, наконец, из синтеза теории передачи информации и статистической физики, который привел к важнейшему открытию, связывающему количество информации и отрицательную энтропию в системе. Сам термин «кибернетика» происходит от греческого слова, означающего «кормчий», он впервые был применен Н.Винером в современном смысле в 1947 г. Книга Н.Винера, в которой он сформулировал основные принципы кибернетики, называется «Кибернетика или управление и связь в животном и машине».
Клод Шеннон - американский инженер и математик, человек, которого называют отцом современной теорий информации. Он доказал, что работу переключателей и реле в электрических схемах можно представить посредством алгебры, изобретенной в середине XIX в. английским математиком Джорджем Булем. С тех пор булева алгебра стала основой для анализа логической структуры систем любого уровня сложности.
Шеннон доказал, что всякий зашумленный канал связи характеризуется предельной скоростью передачи информации, называемой пределом Шеннона. При скоростях передачи выше этого предела неизбежны ошибки в передаваемой информации. Однако с помощью соответствующих методов кодирования информации можно получить сколь угодно малую вероятность ошибки при любой зашумленности канала. Его исследования явились фундаментом для разработки систем передачи информации по линиям связи.
В 1946 г. блестящий американский математик венгерского происхождения Генрих фон Нейман сформулировал основную концепцию хранения команд компьютера в его собственной внутренней памяти, что послужило огромным толчком к развитию электронно-вычислительной техники.
Во время Второй мировой войны он служил консультантом в атомном центре в Лос-Аламосе, где занимался расчетами взрывной детонации ядерной бомбы и участвовал в разработке водородной бомбы.
Нейману принадлежат работы, связанные с логической организацией компьютеров, проблемами функционирования машинной памяти, самовоспроизводящихся систем и др. Он принимал участие в создании первой электронной вычислительной машины ENIAC, предложенная им архитектура компьютера была положена в основу всех последующих моделей и до сих пор так и называется - «фон-неймановской».
I поколение компьютеров . В 1946 г. в США были закончены работы по созданию ENIAC - первой вычислительной машины на электронных компонентах (рис. 1.7).
Рис. 1.7. Первая ЭВМ ENIAC
Новая машина имела впечатляющие параметры: в ней использовалось 18 тыс. электронных ламп, она занимала помещение площадью 300 м 2 , имела массу 30 т, энергопотребление - 150 кВт. Машина работала с тактовой частотой 100 кГц и выполняла операцию сложения за 0,2 мс, а умножения - за 2,8 мс, что было на три порядка быстрее, чем это могли делать релейные машины. Быстро обнаружились и недостатки новой машины. По своей структуре ЭВМ ENIAC напоминала механические вычислительные машины: использовалась десятичная система; программа набиралась вручную на 40 наборных полях; на перенастройку коммутационных полей уходили недели. При пробной эксплуатации выяснилось, что надежность этой машины очень низка: поиск неисправностей занимал до нескольких суток. Для ввода и вывода данных использовались перфоленты и перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства. В компьютерах I поколения была реализована концепция хранимой программы. Компьютеры I поколения использовались для прогнозирования погоды, решения энергетических задач, задач военного характера и в других важных областях.
II поколение компьютеров. Одним из самых важных достижений, которые привели к революции в конструировании ЭВМ и в конечном счете к созданию персональных компьютеров, было изобретение транзистора в 1948 г. Транзистор, который является твердотельным электронным переключательным элементом (вентилем), занимает гораздо меньше места и потребляет значительно меньше энергии, выполняя ту же работу, что и лампа. Вычислительные системы, построенные на транзисторах, были намного компактнее, экономичнее и гораздо эффективней ламповых. Переход на транзисторы положил начало миниатюризации, которая сделала возможным появление современных персональных ЭВМ (как, впрочем, и других радиотехнических устройств - радиоприемников, магнитофонов, телевизоров и т.д.). Для машин II поколения встала задача автоматизации программирования, поскольку увеличивался разрыв между временем на разработку программ и непосредственно временем счета. Второй этап развития вычислительной техники конца 50-х - начала 60-х годов XX в. характеризуется созданием развитых языков программирования (алгол, фортран, кобол) и освоением процесса автоматизации управления потоком задач с помощью самой ЭВМ, т.е. разработкой операционных систем.
В 1959 г. IBM выпустила коммерческую машину на транзисторах IBM 1401. Она была поставлена более чем в 10 тыс. экземплярах. В том же году IBM создала свой первый большой компьютер (мэйнфрейм) модели IBM 7090, полностью выполненный на базе транзисторов, с быстродействием 229 тыс. операций в секунду, а в 1961 г. разработала модель IBM 7030 для ядерной лаборатории США в Лос-Аламосе.
Ярким представителем отечественных ЭВМ II поколения стала большая электронная суммирующая машина БЭСМ-6, разработанная С.А. Лебедевым и его коллегами (рис. 1.8). Для компьютеров этого поколения характерно использование языков программирования высокого уровня, которые получили свое развитие в компьютерах следующего поколения. Транзисторные машины II поколения заняли всего лишь пять лет в биографии ЭВМ.
Рис. 1.8. БЭСМ-6
III поколение компьютеров . В 1959 г. инженеры фирмы Texas Instruments разработали способ размещения нескольких транзисторов и других элементов на одной основе (или подложке) и соединения этих транзисторов без использования проводников. Так родилась интегральная схема (ИС, или чип). Первая интегральная схема содержала всего шесть транзисторов. Теперь компьютеры проектировались на основе интегральных схем малой степени интеграции. Появились операционные системы, которые стали брать на себя задачи управления памятью, устройствами ввода-вывода и другими ресурсами.
В апреле 1964 г. IBM анонсировала System 360 - первое семейство универсальных программно-совместимых компьютеров и периферийного оборудования. Элементной базой семейства System 360 были выбраны гибридные микросхемы, благодаря чему новые модели стали считать машинами III поколения (рис. 1.9).
Рис. 1.9. ЭВМ III поколения IBM
При создании семейства System 360 IBM в последний раз позволила себе роскошь выпускать компьютеры, несовместимые с предыдущими. Экономичность, универсальность и небольшие габариты компьютеров этого поколения быстро расширила сферу их применения - управление, передача данных, автоматизация научных экспериментов и т. д. В рамках этого поколения в 1971 г. был разработан первый микропроцессор как неожиданный результат работы фирмы Intel над созданием микрокалькуляторов. (Заметим, кстати, что микрокалькуляторы и в наше время прекрасно уживаются со своими «братьями по крови» - персональными компьютерами.)
IV поколение компьютеров . Этот этап в развитии вычислительной техники связан с разработкой больших и сверхбольших интегральных микросхем. В компьютерах IV поколения стали использоваться быстродействующие системы памяти на интегральных схемах емкостью несколько мегабайт.
Четырехразрядный микропроцессор Intel 8004 был разработан в 1971 г. В следующем году был выпущен восьмиразрядный процессор, а в 1973 г. фирма Intel выпустила процессор 8080, который был в 10 раз быстрее, чем 8008, и мог адресовать 64 Кбайт памяти. Это был один из самых серьезных шагов по пути к созданию современных персональных компьютеров. Фирма IBM выпустила свой первый персональный компьютер в 1975 г. Модель 5100 имела 16 Кбайт памяти, встроенный интерпретатор языка BASIC и встроенный кассетный лентопротяжный механизм, который использовался в качестве запоминающего устройства. Дебют IBM PC состоялся в 1981 г. В этот день новый стандарт занял свое место в компьютерной индустрии. Для этого семейства было написано большое количество различных программ. Новая модификация получила название «расширенного» (IBM PC-XT) (рис. 1.10).
Рис. 1.10. Персональная ЭВМ
IBM
PC
-
XT
Производители отказались от использования магнитофона в качестве накопителя информации, добавили второй привод для гибких дисков, а в качестве основного устройства для сохранения данных и программ использовался жесткий диск емкостью 20 МБ. Модель базировалась на использовании микропроцессора - Intel 8088. Вследствие естественного прогресса в области разработки и производства микропроцессорной техники фирма Intel - постоянный партнер IBM - освоила выпуск новой серии процессоров - Intel 80286. Соответственно, появилась и новая модель IBM РС. Она получила название IBM PC-AT. Следующий этап - разработка микропроцессоров Intel 80386 и Intel 80486, которые еще можно встретить и в наши дни. Затем были разработаны процессоры Pentium, которые и являются самыми популярными процессорами на сегодняшний день.
V поколение компьютеров. В 90-х годах XX в. огромное внимание стало уделяться не столько повышению технических характеристик компьютеров, сколько их «интеллектуальности», открытой архитектуре и возможностям объединения в сети. Внимание акцентируется на разработке баз знаний, дружественного интерфейса с пользователем, графических средств представления информации и разработке средств макропрограммирования. Четких определений этого этапа развития средств ВТ нет, поскольку элементная база, на которой основывается данная классификация, осталась прежней - ясно, что все компьютеры, выпускаемые в настоящее время, можно отнести к V поколению.
1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПЬЮТЕРОВ
Компьютеры могут быть классифицированы по ряду признаков, в частности по принципу действия, назначению, способам организации вычислительного процесса, размерам и вычислительной мощности, функциональным возможностям и др.
По принципу действия компьютеры можно разделить на две большие категории: аналоговые и цифровые.
Аналоговые компьютеры (аналоговые вычислительные машины - АВМ) - вычислительные машины непрерывного действия (рис. 1.11).
Рис. 1.11. Аналоговая вычислительная машина
Они работают с информацией, представленной в аналоговой форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины. Существуют устройства, в которых вычислительные операции выполняются с помощью гидравлических и пневматических элементов. Однако наибольшее распространение получили электронные АВМ, в которых машинными переменными служат электрические напряжения и токи.
Работа АВМ основана на общности законов, описывающих процессы различной природы. Например, колебания маятника подчиняются тем же законам, что и изменения напряженности электрического поля в колебательном контуре. И вместо того чтобы изучать реальный маятник, можно изучать его поведение на модели, реализованной на аналоговой вычислительной машине. Мало того, на этой модели можно изучать и некоторые биологические и химические процессы, подчиняющиеся тем же законам.
Основными элементами таких машин являются усилители, резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности, между которыми могут устанавливаться соединения, отражающие условия той или иной задачи. Программирование задач осуществляется путем набора элементов на наборном поле. На АВМ наиболее эффективно решаются математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не требующие сложной логики. Результаты решения выводятся в виде зависимостей электрических напряжений в функции времени на экран осциллографа или фиксируются измерительными приборами.
В 40 - 50-х годах XX в. электронные аналоговые вычислительные машины создавали серьезную конкуренцию только что появившимся компьютерам. Основными их достоинствами являлись высокое быстродействие (соизмеримое со скоростью прохождения электрического сигнала по цепи), наглядность представления результатов моделирования.
Среди недостатков можно отметить невысокую точность вычислений, ограниченность круга решаемых задач, ручную установку параметров задачи. В настоящее время АВМ используются лишь в очень ограниченных областях - для учебных и демонстрационных целей, научных исследований. В практике повседневной жизни они не используются.
Цифровые компьютеры (электронные вычислительные машины - ЭВМ) основаны на дискретной логике «да-нет», «ноль-единица». Все операции производятся компьютером в соответствии с заранее составленной программой. Скорость вычислений определяется тактовой частотой системы.
По этапам создания и элементной базе цифровые компьютеры условно подразделяются на пять поколений:
I поколение (1950-е гг.) - ЭВМ на электронных вакуумных
лампах;
II поколение (1960-е гг.) - ЭВМ на полупроводниковых элементах (транзисторах);
III поколение (1970-е гг.) - ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенями интеграции (десятки и сотни транзисторов в одном корпусе);
VI поколение (1980-е гг.) - ЭВМ на больших и сверхбольших
интегральных схемах - микропроцессорах (миллионы транзисторов в одном кристалле);
V поколение (1990-е гг. - по настоящее время) - суперкомпьютеры с тысячами параллельно работающих микропроцессоров,
позволяющих строить эффективные системы обработки огромных
массивов информации; персональные ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах и дружественных интерфейсах с пользователем, что
определяет их внедрение практически во все сферы деятельности
человека. Сетевые технологии позволяют объединить пользователей ЭВМ в единое информационное общество.
По вычислительной мощности в 70 - 80-х годах XX в. сложилась следующая систематика ЭВМ.
Суперкомпьютеры - это ЭВМ, обладающие максимальными возможностями в плане быстродействия и объема вычислений. Используются для решения задач национального и общечеловеческого масштабов - национальная безопасность, исследования в области биологии и медицины, моделирование поведения больших систем, прогноз погоды и т.д. (рис. 1.12).
Рис. 1.12. Суперкомпьютер
CRAY
2
Большие ЭВМ (мэйнфреймы) - компьютеры, которые используются в крупных научных центрах и университетах для проведения исследований, в корпоративных системах - банках, страховых, торговых учреждениях, на транспорте, в информационных агентствах и издательствах. Мэйнфреймы объединяются в крупные вычислительные сети и обслуживают сотни и тысячи терминалов - машин, на которых непосредственно работают пользователи и клиенты.
Мини-компьютеры - это специализированные ЭВМ, которые используются для выполнения определенного вида работ, требующих относительно больших вычислительных мощностей: графика, инженерные расчеты, работа с видео, верстка полиграфических изданий и т.п.
Микрокомпьютеры - это самый многочисленный и многоликий класс ЭВМ, основу которого составляют персональные компьютеры, в настоящее время использующиеся практически во всех отраслях человеческой деятельности. Миллионы людей используют их в своей профессиональной деятельности для взаимодействия через Интернет, развлечения и отдыха.
В последние годы сложилась систематика, отражающая разнообразие и особенности большого класса компьютеров, на которых работают непосредственные пользователи. Эти компьютеры различаются вычислительной мощностью, системным и прикладным программным обеспечением, набором периферийных устройств, интерфейсом с пользователем и, как следствие, размерами и ценой. Однако все они построены на общих принципах и единой элементной базе, обладают высокой степенью совместимости, общими интерфейсами и протоколами обмена данными между собой и сетями. Основу этого класса машин составляют персональные компьютеры, которые в приведенной выше систематике соответствуют классу микроЭВМ.
Такая систематика, как и любая другая, достаточно условна; поскольку четкой границы между различными классами компьютеров провести невозможно, появляются модели, которые трудно отнести к определенному классу. И тем не менее она в общих чертах отражает существующее в настоящее время разнообразие вычислительных устройств.
Серверы (от англ. serve - «обслуживать», «управлять») - многопользовательские мощные ЭВМ, обеспечивающие функционирование вычислительных сетей (рис. 1.13).
Рис. 1.13. Сервер
S
390
Они служат для обработки запросов от всех рабочих станций, подключенных к сети. Сервер предоставляет доступ к общим сетевым ресурсам - вычислительным мощностям, базам данных, библиотекам программ, принтерам, факсам - и распределяет эти ресурсы между пользователями. В любом учреждении персональные компьютеры объединяются в локальную сеть - это позволяет обеспечить обмен данными между компьютерами конечных пользователей и рационально использовать системные и аппаратные ресурсы.
Дело в том, что подготовка документа на компьютере (будь то счет на товар или научный отчет) занимает значительно больше времени, чем его печать. Гораздо выгоднее иметь один мощный сетевой принтер на несколько компьютеров, а распределением очереди на печать будет заниматься сервер. Если компьютеры объединены в локальную сеть, удобно иметь на сервере единую базу данных - прайс-лист всех товаров магазина, план работы научного учреждения и т.д. Кроме того, сервер обеспечивает общий выход в Интернет для всех рабочих станций, разграничивает доступ к информации различных категорий пользователей, устанавливает приоритеты доступа к общим сетевым ресурсам, ведет статистику пользования Интернетом, контроль за работой конечных пользователей и т.д.
Персональный компьютер (PC - Personal computer) - это наиболее распространенный класс компьютеров, способных решать задачи различного уровня - от составления бухгалтерской отчетности до инженерных расчетов. Он рассчитан в основном на индивидуальное использование (отсюда название класса, к которому он относится). Персональный компьютер (ПК) имеет специальные средства, позволяющие включать его в состав локальных и глобальных сетей. Основное содержание этой книги будет посвящено описанию аппаратных и программных средств именно этого класса компьютеров.
Ноутбук (от англ. notebook - «записная книжка») - этот устоявшийся термин совершенно неправильно отражает особенности этого класса персональных компьютеров (рис. 1.14).
Рис. 1.14. Ноутбук
Его размеры и масса больше соответствуют формату большой книги, а функциональные возможности и технические характеристики полностью соответствуют обычному настольному (desktoр) ПК. Другое дело, что эти устройства более компактные, легкие и, самое главное, потребляют значительно меньше электроэнергии, что позволяет работать от аккумуляторов. Программное обеспечение этого класса ПК, начиная от операционной системы и заканчивая прикладными программами, абсолютно ничем не отличается от настольных компьютеров. В недавнем прошлом этот класс ПК определялся как Laptop - «наколенник». Это название значительно более точно отражало их особенности, но оно почему-то так и не прижилось.
Итак, основная особенность персональных компьютеров класса ноутбуков - мобильность. Небольшие габаритные размеры и масса, моноблочное исполнение позволяют легко размещать его в любом месте рабочего пространства, переносить с одного места на другое в специальном чехле или чемоданчике типа «дипломат», а питание от аккумуляторов - позволяет использовать даже в дороге (машине или самолете).
Все модели ноутбуков можно условно подразделить на три класса: универсальные, для бизнеса и компактные (субноутбуки). Универсальные ноутбуки являются полноценной заменой настольного ПК, поэтому они имеют относительно большие размеры и массу, но вместе с тем отличаются большим размером экрана и удобной клавиатурой, аналогичной настольному ПК. Имеют обычные встроенные накопители: CD-ROM (R, RW, DVD), винчестер и флоппи-дисковод. Такая конструкция практически исключает возможность использовать его как «дорожный» ПК. Заряда аккумуляторов хватает только на 2-3 ч работы.
Ноутбуки бизнес-класса предназначены для использования в офисе, дома, в дороге. Они имеют существенно меньшие габаритные размеры и массу, минимальный состав встроенных устройств, но расширенные средства для подключения дополнительных устройств. ПК этого класса служат скорее дополнением для офисного или домашнего десктопа, а не их заменой.
Компактные ноутбуки (субноутбуки) являются воплощением самых передовых достижений компьютерной технологии. Они имеют самую высокую степень интеграции различных устройств (в материнскую плату встроены такие компоненты, как поддержка звука, видео, локальной сети). Ноутбуки этого класса обычно снабжаются беспроводными интерфейсами устройств ввода (дополнительная клавиатура, мышь), имеют встроенный радиомодем для связи с Интернетом, в качестве накопителей информации используются компактные смарт-карты и т.д. При этом масса таких устройств не превышает 1 кг, а толщина - около 1 дюйма (2,4 см). Заряда аккумуляторов хватает на несколько часов работы, однако и стоят такие компьютеры в два-три раза дороже обычных ПК.
Карманный персональный компьютер (КПК) (РС - Росket) - состоит из тех же частей, что и настольный компьютер: процессора, памяти, звуковой и видеосистемы, экрана, слотов расширения, с помощью которых можно увеличить память или добавить другие устройства. Батарейное питание обеспечивает работу в течение двух месяцев. Все эти составляющие очень компактны и тесно интегрированы, благодаря чему аппарат весит 100...200 г и помещаются на ладони, в нагрудном кармане рубашки или дамской сумочке (рис. 1.15).
Рис. 1.15. Карманный персональный компьютер
Недаром эти устройства называют еще «наладонниками» (Palmtop).
Однако функциональные возможности КПК сильно отличаются от настольного компьютера или ноутбука. Прежде всего, у него относительно небольшой экран, как правило, нет клавиатуры и мыши, поэтому взаимодействие с пользователем организовано иначе: для этого используется экран КПК - он чувствителен к нажатию, для чего пользуются специальной палочкой, которая называется «стилус». Для набора текста на КПК применяется так называемая виртуальная клавиатура - ее клавиши отображаются прямо на экране, а текст набирается стилусом. Другое важное отличие - отсутствие винчестера, поэтому объемы хранимой информации относительно невелики. Основным хранилищем программ и данных является встроенная память объемом до 64 Мбайт, а роль дисков выполняют карточки флэш-памяти. На этих карточках хранятся программы и данные, которые не обязательно размещать в памяти быстрого доступа (фотоальбомы, музыка в формате МРЗ, электронные книги и др.). Из-за этих особенностей КПК часто используют в паре с настольным ПК, для чего существуют специальные интерфейсные кабели.
Ноутбук и КПК предназначены для совершенно разных задач, построены на разным принципах и лишь дополняют друг друга, но никак не заменяют.
С ноутбуком работают точно также как и настольным компьютером, а КПК включают и выключают по несколько раз на дню. Загрузка программ и выключение происходит практически мгновенно.
По техническим характеристикам современные КПК вполне сравнимы с настольными компьютерами, которые выпускались всего несколько лет назад. Этого вполне достаточно для качественного воспроизведения текстовой информации, например при работе с электронной почтой или текстовым редактором. Современные КПК снабжаются также встроенным микрофоном, динамиками и гнездами для подключения наушников. Связь с настольным ПК и другими периферийными устройствами осуществляется через порт USB, инфракрасный порт (IгDA) или Вluetooth (современный беспроводной интерфейс).
Кроме специальной операционной системы КПК обычно снабжаются встроенными приложениями, в состав которых входит текстовый редактор, табличный редактор, планировщик, браузер для работы в Интернете, набор диагностических программ и т.д. В последнее время компьютеры класса Pocket РС стали снабжаться встроенными средствами связи с Интернетом (в качестве внешнего модема может использоваться и обычный сотовый телефон).
Благодаря своим возможностям карманные персональные компьютеры можно рассматривать не просто как упрощенный ПК с урезанными возможностями, а как совершенно равноправный член компьютерного сообщества, имеющий свои неоспоримые преимущества даже по сравнению с самыми продвинутыми моделями настольных компьютеров.
Электронные секретари (PDA - Personal Digital Assistant) - имеют формат карманного компьютера (массой не более 0,5 кг), но используются для других целей (рис. 1.16).
Рис. 1.16. Электронный секретарь
Они ориентированы на использование электронных справочников, хранящих имена, адреса и номера телефонов, информацию о распорядке дня и встречах, списки текущих дел, записи расходов и т.п. Электронный секретарь может иметь встроенный текстовый и графические редакторы, электронные таблицы и другие офисные приложения.
Большинство PDA имеют модемы и могут обмениваться информацией с другими ПК, а при подключении к вычислительной сети могут получать и отправлять электронную почту и факсы. Некоторые PDA для дистанционного беспроводного обмена информацией с другими компьютерами оборудованы радиомодемами и инфракрасными портами. Электронные секретари имеют небольшой жидкокристаллический дисплей, обычно размещенный в откидной крышке компьютера. Ручной ввод информации возможен с миниатюрной клавиатуры или с использованием се сорного экрана, как у КПК. Компьютером PDA можно назвать лишь с большими оговорками: иногда эти устройства относят к категории сверхпортативных компьютеров, иногда к категории «интеллектуальных» калькуляторов, другие считают, что это, скорее, органайзер с расширенными возможностями.
Электронные записные книжки (от англ. organizer - «организатор») - относятся к «легчайшей категории» портативных компьютеров (масса их не превышает 200 г). Органайзеры имеют вместительную память, в которую можно записать необходимую информацию и отредактировать ее с помощью встроенного текстового редактора; в памяти можно хранить деловые письма, тексы соглашений, контрактов, распорядок дня и деловых встреч. В органайзер встроен внутренний таймер, который напоминает о важных событиях. Доступ к информации может быть защищен паролем. Органайзеры часто оснащают встроенным переводчиком, имеющим несколько словарей.
Вывод информации осуществляется на небольшой монохромный жидкокристаллический дисплей. Благодаря низкому потреблению мощности питание от аккумулятора обеспечивает без подзарядки хранение информации до пяти лет.
Смартфон (англ. smartphone) - компактное устройство, сочетающее в себе функции сотового телефона, электронной записной книжки и цифровой фотокинокамеры с мобильным доступом в Интернет (рис. 1.17).
Рис. 1.17. Смартфон
Смартфон имеет микропроцессор, оперативную память, постоянное запоминающее устройство; выход в Интернет осуществляется по каналам сотовой связи. Качество фотоснимков невысокое, но достаточное для использования в Интернете и пересылки по электронной почте. Время видеозаписи - порядка 15 с. Имеет встроенный накопитель для смарт-карт. Заряда батарей хватает для 100 ч работы. Масса 150 г. Очень удобное и полезное устройство, однако его стоимость соизмерима с ценой хорошего настольного компьютера.
Как только человек открыл для себя понятие "количество", он сразу же принялся подбирать инструменты, оптимизирующие и облегчающие счёт. Сегодня сверхмощные компьютеры, основываясь на принципах математических вычислений, обрабатывают, хранят и передают информацию - важнейший ресурс и двигатель прогресса человечества. Нетрудно составить представление о том, как происходило развитие вычислительной техники, кратко рассмотрев основные этапы этого процесса.
Основные этапы развития вычислительной техники
Самая популярная классификация предлагает выделить основные этапы развития вычислительной техники по хронологическому принципу:
- Ручной этап. Он начался на заре человеческой эпохи и продолжался до середины XVII столетия. В этот период возникли основы счёта. Позднее, с формированием позиционных систем счисления, появились приспособления (счёты, абак, позднее - логарифмическая линейка), делающие возможными вычисления по разрядам.
- Механический этап. Начался в середине XVII и длился почти до конца XIX столетия. Уровень развития науки в этот период сделал возможным создание механических устройств, выполняющих основные арифметические действия и автоматически запоминающих старшие разряды.
- Электромеханический этап - самый короткий из всех, какие объединяет история развития вычислительной техники. Он длился всего около 60 лет. Это промежуток между изобретением в 1887 году первого табулятора до 1946 года, когда возникла самая первая ЭВМ (ENIAC). Новые машины, действие которых основывалось на электроприводе и электрическом реле, позволяли производить вычисления со значительно большей скоростью и точностью, однако процессом счёта по-прежнему должен был управлять человек.
- Электронный этап начался во второй половине прошлого столетия и продолжается в наши дни. Это история шести поколений электронно-вычислительных машин - от самых первых гигантских агрегатов, в основе которых лежали электронные лампы, и до сверхмощных современных суперкомпьютеров с огромным числом параллельно работающих процессоров, способных одновременно выполнить множество команд.
Этапы развития вычислительной техники разделены по хронологическому принципу достаточно условно. В то время, когда использовались одни типы ЭВМ, активно создавались предпосылки для появления следующих.
Самые первые приспособления для счёта
Наиболее ранний инструмент для счёта, который знает история развития вычислительной техники, - десять пальцев на руках человека. Результаты счёта первоначально фиксировались при помощи пальцев, зарубок на дереве и камне, специальных палочек, узелков.
С возникновением письменности появлялись и развивались различные способы записи чисел, были изобретены позиционные системы счисления (десятичная - в Индии, шестидесятиричная - в Вавилоне).
Примерно с IV века до нашей эры древние греки стали вести счёт при помощи абака. Первоначально это была глиняная плоская дощечка с нанесёнными на неё острым предметом полосками. Счёт осуществлялся путём размещения на этих полосах в определённом порядке мелких камней или других небольших предметов.
В Китае в IV столетии нашей эры появились семикосточковые счёты - суанпан (суаньпань). На прямоугольную деревянную раму натягивались проволочки или верёвки - от девяти и более. Ещё одна проволочка (верёвка), натянутая перпендикулярно остальным, разделяла суанпан на две неравные части. В большем отделении, именуемом "землёй", на проволочки было нанизано по пять косточек, в меньшем - "небе" - их было по две. Каждая из проволочек соответствовала десятичному разряду.
Традиционные счёты соробан стали популярными в Японии с XVI века, попав туда из Китая. В это же время счёты появились и в России.
В XVII столетии на основании логарифмов, открытых шотландским математиком Джоном Непером, англичанин Эдмонд Гантер изобрёл логарифмическую линейку. Это устройство постоянно совершенствовалось и дожило до наших дней. Оно позволяет умножать и делить числа, возводить в степень, определять логарифмы и тригонометрические функции.
Логарифмическая линейка стала прибором, завершающим развитие средств вычислительной техники на ручном (домеханическом) этапе.
Первые механические счётные устройства
В 1623 году немецким учёным Вильгельмом Шиккардом был создан первый механический "калькулятор", который он назвал считающими часами. Механизм этого прибора напоминал обычный часовой, состоящий из шестерёнок и звёздочек. Однако известно об этом изобретении стало только в середине прошлого столетия.
Качественным скачком в области технологии вычислительной техники стало изобретение суммирующей машины "Паскалины" в 1642 году. Её создатель, французский математик Блез Паскаль, начал работу над этим устройством, когда ему не было и 20 лет. "Паскалина" представляла собой механический прибор в виде ящичка с большим количеством взаимосвязанных шестерёнок. Числа, которые требовалось сложить, вводились в машину поворотами специальных колёсиков.
В 1673 году саксонский математик и философ Готфрид фон Лейбниц изобрёл машину, выполнявшую четыре основных математических действия и умевшую извлекать квадратный корень. Принцип её работы был основан на двоичной системе счисления, специально придуманной учёным.
В 1818 году француз Шарль (Карл) Ксавье Тома де Кольмар, взяв за основу идеи Лейбница, изобрёл арифмометр, умеющий умножать и делить. А ещё спустя два года англичанин Чарльз Бэббидж приступил к конструированию машины, которая способна была бы производить вычисления с точностью до 20 знаков после запятой. Этот проект так и остался неоконченным, однако в 1830 году его автор разработал другой - аналитическую машину для выполнения точных научных и технических расчётов. Управлять машиной предполагалось программным путём, а для ввода и вывода информации должны были использоваться перфорированные карты с разным расположением отверстий. Проект Бэббиджа предугадал развитие электронно-вычислительной техники и задачи, которые смогут быть решены с её помощью.
Примечательно, что слава первого в мире программиста принадлежит женщине - леди Аде Лавлейс (в девичестве Байрон). Именно она создала первые программы для вычислительной машины Бэббиджа. Её именем впоследствии был назван один из компьютерных языков.
Разработка первых аналогов компьютера
В 1887 году история развития вычислительной техники вышла на новый этап. Американскому инженеру Герману Голлериту (Холлериту) удалось сконструировать первую электромеханическую вычислительную машину - табулятор. В её механизме имелось реле, а также счётчики и особый сортировочный ящик. Прибор считывал и сортировал статистические записи, сделанные на перфокартах. В дальнейшем компания, основанная Голлеритом, стала костяком всемирно известного компьютерного гиганта IBM.
В 1930 году американец Ванновар Буш создал дифференциальный анализатор. В действие его приводило электричество, а для хранения данных использовались электронные лампы. Эта машина способна была быстро находить решения сложных математических задач.
Ещё через шесть лет английским учёным Аланом Тьюрингом была разработана концепция машины, ставшая теоретической основой для нынешних компьютеров. Она обладала всеми главными свойствами современного средства вычислительной техники: могла пошагово выполнять операции, которые были запрограммированы во внутренней памяти.
Спустя год после этого Джордж Стибиц, учёный из США, изобрёл первое в стране электромеханическое устройство, способное выполнять двоичное сложение. Его действия основывались на булевой алгебре - математической логике, созданной в середине XIX века Джорджем Булем: использовании логических операторов И, ИЛИ и НЕ. Позднее двоичный сумматор станет неотъемлемой частью цифровой ЭВМ.
В 1938 году сотрудник университета в Массачусетсе Клод Шеннон изложил принципы логического устройства вычислительной машины, применяющей электрические схемы для решения задач булевой алгебры.
Начало компьютерной эры
Правительства стран, участвующих во Второй мировой войне, осознавали стратегическую роль вычислительных машин в ведении военных действий. Это послужило толчком к разработкам и параллельному возникновению в этих странах первого поколения компьютеров.
Пионером в области компьютеростроения стал Конрад Цузе - немецкий инженер. В 1941 году им был создан первый вычислительный автомат, управляемый при помощи программы. Машина, названная Z3, была построена на телефонных реле, программы для неё кодировались на перфорированной ленте. Этот аппарат умел работать в двоичной системе, а также оперировать числами с плавающей запятой.
Первым действительно работающим программируемым компьютером официально признана следующая модель машины Цузе - Z4. Он также вошёл в историю как создатель первого высокоуровневого языка программирования, получившего название "Планкалкюль".
В 1942 году американские исследователи Джон Атанасов (Атанасофф) и Клиффорд Берри создали вычислительное устройство, работавшее на вакуумных трубках. Машина также использовла двоичный код, могла выполнять ряд логических операций.
В 1943 году в английской правительственной лаборатории, в обстановке секретности, была построена первая ЭВМ, получившая название "Колосс". В ней вместо электромеханических реле использовалось 2 тыс. электронных ламп для хранения и обработки информации. Она предназначалась для взлома и расшифровки кода секретных сообщений, передаваемых немецкой шифровальной машиной "Энигма", которая широко применялась вермахтом. Существование этого аппарата ещё долгое время держалось в строжайшей тайне. После окончания войны приказ о его уничтожении был подписан лично Уинстоном Черчиллем.
Разработка архитектуры
В 1945 году американским математиком венгерско-немецкого происхождения Джоном (Яношем Лайошем) фон Нейманом был создан прообраз архитектуры современных компьютеров. Он предложил записывать программу в виде кода непосредственно в память машины, подразумевая совместное хранение в памяти компьютера программ и данных.
Архитектура фон Неймана легла в основу создаваемого в то время в Соединённых Штатах первого универсального электронного компьютера - ENIAC. Этот гигант весил около 30 тонн и располагался на 170 квадратных метрах площади. В работе машины были задействованы 18 тыс. ламп. Этот компьютер мог произвести 300 операций умножения или 5 тыс. сложения за одну секунду.
Первая в Европе универсальная программируемая ЭВМ была создана в 1950 году в Советском Союзе (Украина). Группа киевских учёных, возглавляемая Сергеем Алексеевичем Лебедевым, сконструировала малую электронную счётную машину (МЭСМ). Её быстродействие составляло 50 операций в секунду, она содержала около 6 тыс. электровакуумных ламп.
В 1952 году отечественная вычислительная техника пополнилась БЭСМ - большой электронной счётной машиной, также разработанной под руководством Лебедева. Эта ЭВМ, выполнявшая в секунду до 10 тыс. операций, была на тот момент самой быстродействующей в Европе. Ввод информации в память машины происходил при помощи перфоленты, выводились данные посредством фотопечати.
В этот же период в СССР выпускалась серия больших 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 были аппаратно и программно совместимы друг с другом, имелся широкий выбор периферических устройств, позволяющий собирать машины различной комплектации.
Транзисторы. Выпуск первых серийных компьютеров
Однако лампы очень быстро выходили из строя, весьма затрудняя работу с машиной. Транзистор, изобретённый в 1947 году, сумел решить эту проблему. Используя электрические свойства полупроводников, он выполнял те же задачи, что и электронные лампы, однако занимал значительно меньший объём и расходовал не так много энергии. Наряду с появлением ферритовых сердечников для организации памяти компьютеров, использование транзисторов дало возможность заметно уменьшить размеры машин, сделать их ещё надёжнее и быстрее.
В 1954 году американская фирма "Техас Инструментс" начала серийно производить транзисторы, а два года спустя в Массачусетсе появился первый построенный на транзисторах компьютер второго поколения - ТХ-О.
В середине прошлого столетия значительная часть государственных организаций и крупных компаний использовала компьютеры для научных, финансовых, инженерных расчётов, работы с большими массивами данных. Постепенно ЭВМ приобретали знакомые нам сегодня черты. В этот период появились графопостроители, принтеры, носители информации на магнитных дисках и ленте.
Активное использование вычислительной техники привело к расширению областей её применения и потребовало создания новых программных технологий. Появились языки программирования высокого уровня, позволяющие переносить программы с одной машины на другую и упрощающие процесс написания кода ("Фортран", "Кобол" и другие). Появились особые программы-трансляторы, преобразовывающие код с этих языков в команды, прямо воспринимаемые машиной.
Появление интегральных микросхем
В 1958-1960 годах, благодаря инженерам из Соединённых Штатов Роберту Нойсу и Джеку Килби, мир узнал о существовании интегральных микросхем. На основе из кремниевого или германиевого кристалла монтировались миниатюрные транзисторы и другие компоненты, порой до сотни и тысячи. Микросхемы размером чуть более сантиметра работали гораздо быстрее, чем транзисторы, и потребляли намного меньше энергии. С их появлением история развития вычислительной техники связывает возникновение третьего поколения ЭВМ.
В 1964 году фирмой IBM был выпущен первый компьютер семейства SYSTEM 360, в основу которого легли интегральные микросхемы. С этого времени можно вести отсчёт массового выпуска ЭВМ. Всего было произведено более 20 тыс. экземпляров данного компьютера.
В 1972 году в СССР была разработана ЕС (единая серия) ЭВМ. Это были стандартизированные комплексы для работы вычислительных центров, имевшие общую систему команд. За основу была взята американская система IBM 360.
В следующем году компания DEC выпустила мини-компьютер PDP-8, ставший первым коммерческим проектом в этой области. Относительно низкая стоимость мини-компьютеров дала возможность использовать их и небольшим организациям.
В этот же период постоянно совершенствовалось программное обеспечение. Разрабатывались операционные системы, ориентированные на то, чтобы поддерживать максимальное количество внешних устройств, появлялись новые программы. В 1964 году разработали Бейсик - язык, предназначенный специально для подготовки начинающих программистов. Через пять лет после этого возник Паскаль, оказавшийся очень удобным для решения множества прикладных задач.
Персональные компьютеры
После 1970 года начался выпуск четвёртого поколения ЭВМ. Развитие вычислительной техники в это время характеризуется внедрением в производство компьютеров больших интегральных схем. Такие машины теперь могли совершать за одну секунду тысячи миллионов вычислительных операций, а ёмкость их ОЗУ увеличилась до 500 миллионов двоичных разрядов. Существенное снижение себестоимости микрокомпьютеров привело к тому, что возможность их купить постепенно появилась у обычного человека.
Одним из первых производителей персональных компьютеров стала компания Apple. Создавшие её Стив Джобс и Стив Возняк сконструировали первую модель ПК в 1976 году, дав ей название Apple I. Стоимость его составила всего 500 долларов. Через год была представлена следующая модель этой компании - Apple II.
Компьютер этого времени впервые стал похожим на бытовой прибор: помимо компактного размера, он имел изящный дизайн и интерфейс, удобный для пользователя. Распространение персональных компьютеров в конце 1970 годов привело к тому, что спрос на большие ЭВМ заметно упал. Этот факт всерьёз обеспокоил их производителя - компанию IBM, и в 1979 году она выпустила на рынок свой первый ПК.
Два года спустя появился первый микрокомпьютер этой фирмы с открытой архитектурой, основанный на 16-разрядном микропроцессоре 8088, производимом компанией "Интел". Компьютер комплектовался монохромным дисплеем, двумя дисководами для пятидюймовых дискет, оперативной памятью объемом 64 килобайта. По поручению компании-создателя фирма "Майкрософт" специально разработала операционную систему для этой машины. На рынке появились многочисленные клоны IBM PC, что подтолкнуло рост промышленного производства персональных ЭВМ.
В 1984 году компанией Apple был разработан и выпущен новый компьютер - Macintosh. Его операционная система была исключительно удобной для пользователя: представляла команды в виде графических изображений и позволяла вводить их с помощью манипулятора - мыши. Это сделало компьютер ещё более доступным, поскольку теперь от пользователя не требовалось никаких специальных навыков.
ЭВМ пятого поколения вычислительной техники некоторые источники датируют 1992-2013 годами. Вкратце их основная концепция формулируется так: 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 сети.
Развитие современной вычислительной техники уже позволяет говорить и о компьютерах шестого поколения. Это электронные и оптоэлектронные ЭВМ, работающие на десятках тысяч микропроцессоров, характеризующиеся массовым параллелизмом и моделирующие архитектуру нейронных биологических систем, что позволяет им успешно распознавать сложные образы.
Последовательно рассмотрев все этапы развития вычислительной техники, следует отметить интересный факт: изобретения, хорошо зарекомендовавшие себя на каждом из них, сохранились до наших дней и с успехом продолжают использоваться.
Классы вычислительной техники
Существуют различные варианты классификации ЭВМ.
Так, по назначению компьютеры делятся:
- на универсальные - те, которые способны решать самые различные математические, экономические, инженерно-технические, научные и другие задачи;
- проблемно-ориентированные - решающие задачи более узкого направления, связанные, как правило, с управлением определёнными процессами (регистрация данных, накопление и обработка небольших объёмов информации, выполнение расчётов в соответствии с несложными алгоритмами). Они обладают более ограниченными программными и аппаратными ресурсами, чем первая группа компьютеров;
- специализированные компьютеры решают, как правило, строго определённые задачи. Они имеют узкоспециализированную структуру и при относительно низкой сложности устройства и управления достаточно надёжны и производительны в своей сфере. Это, к примеру, контроллеры или адаптеры, управляющие рядом устройств, а также программируемые микропроцессоры.
По размерам и производительной мощности современная электронно-вычислительная техника делится:
- на сверхбольшие (суперкомпьютеры);
- большие компьютеры;
- малые компьютеры;
- сверхмалые (микрокомпьютеры).
Таким образом, мы увидели, что устройства, сначала изобретённые человеком для учёта ресурсов и ценностей, а затем - быстрого и точного проведения сложных расчётов и вычислительных операций, постоянно развивались и совершенствовались.
