Потребность в автоматизации вычислений возникла очень давно. Многие тысячи лет назад для счёта использовались счётные палочки, камешки и т.д.

История создания вычислительной техники.

В пятом веке нашей эры, а может быть и раньше, появились счёты (абак).

В1642г. Блез Паскаль изобрёл устройство, механически выполняющее сложение чисел.

В 1673г. Готфрид Вильгельм Лейбниц сконструировал арифмометр, позволяющий механически выполнять четыре арифметических действия.

Начиная с XIX века, арифмометры получили очень широкое применение. На них выполнялись даже очень сложные расчёты, например расчёты баллистических таблиц для артиллерийских стрельб. Появилась специальная профессия – счётчик – человек, работающий с арифмометром, быстро и точно соблюдающий определённую последовательность инструкций. Такую последовательность инструкций впоследствии стали называть программой. Но многие расчёты производились не достаточно быстро. Причина в том, что при расчётах выбор выполняемых действий и запись результатов производились человеком, а скорость его работы ограничена.

В первой половине XIX в. английский математик Чарльз Бэббидж попытался построить универсальное вычислительное устройство – Аналитическую машину, которая должна была выполнять вычисления без участия человека. Для этого она должна была: 1) уметь исполнять программы, вводимые с помощью перфокарт (карт из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий, они в то время уже широко применялись в ткацких станках); 2) иметь²склад² для хранения данных и промежуточных результатов (в современной терминологии – память). Бэббидж не смог довести до конца работу по созданию Аналитической машины – она оказалась слишком сложной для техники того времени. Однако он разработал все основные идеи.

Спустя почти сто лет эти идеи были ²переоткрыты² немецким инженером Конрадом Цузе, который в 1941г. построил аналитическую машину на основе техники ХХв. – электромеханических реле. Одновременно работы над подобными машинами велись и в других странах. В 1943г. в Великобритании создана вычислительная машина Colossus, предназначенная для раскрытия военных шифров, а в 1944г. американец Говард Эйкен построил на одном из предприятий фирмы IBM машину под названием ²Марк-1². ²Марк-1² стал первым программно-управляемым компьютером, доступным широкой, в первую очередь научной, общественности.

К этому времени потребность в автоматизации вычислений (в том числе для военных нужд – баллистики, криптографии и т.д.) стала столь велика, что над созданием машин типа построенных Эйкеном и Цузе только в США работали уже несколько групп исследователей. В 1946-ом году, группа специалистов под руководством Джона Мочли и Преспера Экерта представила электронно-цифровую вычислительную машину «ЭНИАК» (Electronic Numerical Integrator and Calculator), выполненную на электронных лампах. По сути дела это была первая электронная вычислительная машина. ЭНИАК работала в тысячу раз быстрее МАРК-1, содержала 18.000 электронных ламп, размещённых в шкафах общим объёмом около 100 м³ .

Все эти машины имели крупный недостаток: для задания программы вычислений приходилось в течение многих часов или даже дней нужным образом соединять проводниками различные блоки и узлы между собой. Чтобы упростить процесс задания программ, Мочли и Экерт стали конструировать новую машину, которая могла бы хранить программу в своей памяти. К работе был привлечён знаменитый математик Джон фон Нейман, который сформулировал общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств, т.е. компьютеров, и опубликовал их в своём докладе об этой машине.

Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949г. англичанином Моррисом Уилксом. С тех пор практически все компьютеры строятся в соответствии с принципами фон Неймана.

Первая отечественная электронная счётная машина, действующая практически на тех же принципах, МЭСМ (малая электронная счётная машина) была создана в 1951г. под руководством академика С.А. Лебедева.

После успешного решения «идеологических» проблем вычислительная техника стала развиваться стремительными темпами.

В настоящее время трудно представить себе такую сферу деятельности человека, где бы ни использовались электронно-вычислительные средства. Их спектр очень широк – от сверхминиатюрных микропроцессоров, встраиваемых в сотовые телефоны и различную бытовую технику (телевизоры, музыкальные центры, СВЧ-печи и т.д.) до сверхмощных суперЭВМ, занимающих целые здания площадью в два футбольных поля. Наиболее распространёнными средствами вычислительной техники на настоящем этапе можно назвать микрокалькуляторы и IBM-совместимые персональные компьютеры.

Первый микропроцессор, позволивший создать малогабаритный компьютер, появился в ноябре 1971г. Это был Intel 4004. Микропроцессор содержал 2300 транзисторов, расположенных на площади размером с ноготь, и выполнял 60 тыс. операций в секунду – ничтожно мало, по современным меркам, но его вычислительная мощность равнялась мощности ЭНИАК. Эти микропроцессоры использовались только электронщиками-любителями и в различных специализированных устройствах

Появление микропроцессора Intel 8080 в 1975 году позволило небольшой американской фирме MITS создать первый коммерчески распространяемый персональный компьютер - Altair-8800, получивший огромную популярность. Успех фирмы MITS заставил многие фирмы также заняться производством персональных компьютеров.

Наиболее приспособленным для нужд индивидуальных пользователей и небольших фирм оказался IBM Personal Computer (IBM PC), выпущенный концерном IBM в августе 1981 года. Он был выполнен на базе процессора Intel 8086 и его модификации 8088, имевших уже 29000 транзисторов и тактовую частоту 4.77 МГц. Архитектура IBM PC предусматривала возможность усовершенствования его отдельных частей и использования новых устройств. Компьютер был сделан не единым неразъёмным устройством, как другие, а собирался из независимо изготовленных частей аналогично детскому конструктору (открытая архитектура). Вскоре IBM PC занял ведущее место на рынке компьютеров. Фактически он стал стандартом персонального компьютера. Сейчас такие компьютеры («совместимые с IBM PC») составляют около 90% всех производимых в мире персональных компьютеров.

С тех пор микроэлектроника шагнула далеко вперёд. Нынешний процессор Intel Pentium 4 с тактовой частотой 4 ГГц превосходит Intel 4004 по количеству транзисторов почти в 50 тыс. раз (в некоторых моделях Р4 более 100 млн. транзисторов), по тактовой частоте в 85 тыс. раз, а минимальный размер элементов процессоров уменьшился в 77раз (с 10 мкм до 0,09 мкм).

Недавно специалисты Intel разработали транзисторы, размеры которых составляют всего 20 нм. Это позволит к 2007г. создать процессоры с миллиардом транзисторов, работающие на частоте 20 ГГц при напряжении питания около 1В. Объявлено, что созданы предпосылки для создания чипов с тактовой частотой 30 ГГц.

Ни одна современная настольная ЭВМ, какой бы мощной она ни была, не может справиться с вычислениями, необходимыми, например, при моделировании климатических процессов в масштабах всей планеты для предсказания погоды, включая тайфуны и цунами, или моделировании сейсмических явлений и предсказании землетрясений. Для подобных задач строятся суперЭВМ.

До недавних пор самым мощным и самым быстрым считался суперкомпьютер, названный «Симулятор Земли». Он вступил в строй в мае 2002г., принадлежит Йокогамскому институту наук о Земле и располагается неподалёку от Токио. Строительство велось по заказу японского правительства фирмой NEC в течение пяти лет и обошлось казне 400 млн. долларов. Суперкомпьютер занимает двухэтажное здание ангарного типа размером 65 на 50 метров и высотой 17 метров. Машина состоит из 5120 микропроцессоров, смонтированных в 320 больших шкафах – в каждом шкафу по 16 процессоров, работающих параллельно. Ещё в 150 шкафах расположены дисковые накопители памяти, и 65 шкафов заполнены соединительными узлами. Почти весь первый этаж занят системой кондиционирования, создающей в ангаре постоянную прохладу. Там же расположены блоки питания. Японский гигант обладает производительностью свыше 40 терафлоп, т.е. выполняет свыше 40 триллионов (40*10¹² ) операций в секунду (1 терафлоп - 1 триллион операций в секунду).

Ещё недавно Россия занимала третье место в мире после Японии и США в области разработки и производства суперкомпьютеров производительностью более 1 терафлоп, однако, сейчас она уступила это место Индии. Всего таких компьютеров в мире несколько десятков.

Можно ли сейчас сказать, какими будут компьютеры в будущем? В общем, да.

Суперкомпьютеры и персональные компьютеры строятся на микропроцессорах. Поэтому возможности ЭВМ определяются в основном характеристиками микропроцессоров. Дальнейшее развитие микропроцессоров можно спрогнозировать, опираясь на закон, выведенный Гордоном Муром, одним из основателей компании Intel в 1965 году. Закон гласит: «Мощность микропроцессора удваивается каждые полтора года при сохранении его стоимости». Суть закона заключается в том, что новые модели микропроцессоров появляются каждые полтора-два года, а плотность размещения на них транзисторов и быстродействие, при этом возрастают примерно вдвое. В соответствии с законом Мура, в 2020 г. компьютеры достигнут производительности 20 квадрильонов, т.е. 2*10¹⁶, операций в секунду и сравняются с мощностью человеческого мозга, а к 2060 г., как считают некоторые футурологи, компьютер сравняется по силе интеллекта со всем человечеством.

Отличительной особенностью ЭВМ от других электронных устройств является то, что даже исправная машина не может работать без соответствующих программ. Поэтому развитие ЭВМ сопровождалось и стремительным развитием программного обеспечения машин.

Электронная вычислительная машина — комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователей.

Поколения ЭВМ.(Обобщение)

После успешного решения «идеологических» проблем вычислительная техника стала развиваться стремительными темпами. Технико-эксплуатационные показатели ЭВМ в первую очередь определяются элементной базой. Сейчас, спустя более полувека, можно говорить о четырёх поколениях ЭВМ.

Первое поколение.Пятидесятые годы. ЭВМ выполнены на электронных лампах. Программы составлялись на машинных кодах (языках низкого уровня). Разные модели ЭВМ имели разные языки, поэтому одну и ту же программу нельзя было посчитать на разных машинах.

Второе поколение. Шестидесятые годы. ЭВМ выполнялись на транзисторах. Программы составлялись на универсальных языках высокого уровня, а затем уже самой ЭВМ трансформировались в машинные коды, которые по-прежнему для разных машин были разными.

Третье поколение. Семидесятые годы. ЭВМ стали выполняться на интегральных микросхемах. Появились интегральные микропроцессоры. Основными средствами общения человека с ЭВМ стали монитор и клавиатура. Созданы операционные системы, общие для разных ЭВМ. Одни и те же прикладные программы стало возможным считать на разных типах машин.

Четвёртое поколение. 1980-1990 годы. Применяются большие интегральные микросхемы – БИСы, а в настоящее время - сверхбольшие – СБИСы. ЭВМ строятся по, так называемой, открытой архитектуре, при которой возможно произвольное изменение конфигурации машины по желанию пользователя. Созданы различные программные интерфейсы, облегчающие общение человека с ЭВМ.

(О возможных перспективах развития ЭВМ см. Приложение_1 файл «Будущее ЭВМ»)

1.2. Понятие алгоритма. Принцип программного управления фон Неймана.

Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление. В основе его лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений.

«Алгоритм - конечный набор предписаний, определяющий решение задачи посредством конечного количества операций».

«Программа (для ЭВМ) - упорядоченная последовательность команд, подлежащая обработке»

Принцип программного управления может быть осуществлен различными способами. Наибольшее распространение получил способ, описанный Дж. фон Нейманом в 1945 г. при построении еще первых образцов ЭВМ.

Суть принципа программного управления заключается в следующем.

1) Все вычисления, предписанные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов-команд. Каждая команда содержит указания на

- конкретную выполняемую операцию;

- место нахождения, т.е. адреса операндов;

- служебные признаки.

Операнды — этопеременные, значения которых участвуют в операциях преобразования данных.

Неотъемлемым элементом любой программы является также список, или массив, всех переменных: входных данных, промежуточных значений и результатов вычислений.

2)Программы, команды и операнды располагаются в ячейках памяти ЭВМ. Номера ячеек памяти являются их адресами.

3) Информация (командная и данные) кодируется двоичными цифрами 0 и 1. Это позволяет размещать в памяти ЭВМ различные типы информации: числовую, текстовую, графическую и др.

Каждый тип информации имеет свои форматы - структурные единицы информации, закодированные двоичными цифрами 0и 1. Обычно все форматы данных, используемые в ЭВМ, кратны байту, т.е. состоят из целого числа байтов.

Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, называется полем. Например, в каждой команде программы различают поле кода операций (КОП), поле адресов операндов. Применительно к числовой информации выделяют знаковые разряды, поле значащих разрядов чисел, старшие и младшие разряды.

Последовательность, состоящая из определенного принятого для данной ЭВМ числа байтов, называется словом. Для больших ЭВМ размер слова составляет четыре байта, для ПЭВМ — два байта. В качестве структурных элементов информации различают также полуслово, двойное слово и др.

Схема ЭВМ, отвечающая программному принципу управления, логично вытекает из последовательного характера преобразований, выполняемых человеком по некоторому алгоритму (программе). Обобщенная структурная схема ЭВМ первых поколений представлена на рис.1.1.

Рис. 1.1.Структурная схема ЭВМ первого и второго поколений

В любой ЭВМ имеются устройства ввода информации (УВВ), с помощью которых пользователи вводят в ЭВМ программы решаемых задач и данные кним. Введенная информация полностью или частично сначала запоминается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), а затем переносится во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), предназначенное для длительного хранения информации, где преобразуется в специальный программный объект - файл. «Файл - идентифицированная совокупность экземпляров полностью описанного в конкретной программе типа данных, находящихся вне программы во внешней памяти и доступных программе посредством специальных операций (ГОСТ 20866-85)»

При использовании файла в вычислительном процессе его содержимое переносится в ОЗУ. Затем программная информация команда за командой считывается в устройство управления (УУ).

Устройство управления предназначается для автоматического выполнения программ путем принудительной координации всех остальных устройств ЭВМ. Цепи сигналов управления показаны на рис.1.1 штриховыми линиями. Вызываемые из ОЗУ команды дешифрируются устройством управления: определяются код операции, которую необходимо выполнить следующей, и адреса операндов, принимающих участие в данной операции.

В зависимости от количества используемых в команде операндов различаются одно-, двух-, трехадресные и безадресные команды. В одноадресных командах указывается, где находится один из двух обрабатываемых операндов. Второй операнд должен быть помещен заранее в арифметическое устройство (для этого в систему команд вводятся специальные команды пересылки данных между устройствами).

Двухадресные команды содержат указания о двух операндах, размещаемых в памяти (или в регистрах и памяти). После выполнения команды в один из этих адресов засылается результат, а находившийся там операнд теряется.

В трехадресных командах обычно два адреса указывают, где находятся исходные операнды, а третий - куда необходимо поместить результат.

В безадресных командах обычно обрабатывается один операнд, который до и после операции находится на одном из регистров арифметико-логического устройства (АЛУ). Кроме того, безадресные команды используются для выполнения служебных операций (очистить экран, заблокировать клавиатуру, снять блокировку и др.).

Все команды программы выполняются последовательно, команда за командой, в том порядке, как они записаны в памяти ЭВМ (естественный порядок следования команд). Этот порядок характерен для линейных программ, т.е. программ, не содержащих разветвлений. Для организации ветвлений используются команды, нарушающие естественный порядок следования команд. Отдельные признаки результатов r (r = 0, r < 0, r > 0 и др.) устройство управления использует для изменения порядка выполнения команд программы.

АЛУ выполняет арифметические и логические операции над данными. Основной частью АЛУ является операционный автомат, в состав которого входят сумматоры, счетчики, регистры, логические преобразователи и др. Оно каждый раз перенастраивается на выполнение очередной операции. Результаты выполнения отдельных операций сохраняются для последующего использования на одном из регистров АЛУ или записываются в память. Результаты, полученные после выполнения всей программы вычислений, передаются на устройства вывода (УВыв) информации. В качестве УВыв могут использоваться экран дисплея, принтер, графопостроитель и др.

Современные ЭВМ имеют достаточно развитые системы машинных операций. Например, ЭВМ типа IBM РС имеют около 200 различных операций (170 - 240 в зависимости от типа микропроцессора). Любая операция в ЭВМ выполняется по определенной микропрограмме, реализуемой в схемах АЛУ соответствующей последовательностью сигналов управления (микрокоманд). Каждая отдельная микрокоманда - это простейшее элементарное преобразование данных типа алгебраического сложения, сдвига, перезаписи информации и т.п.