История развития вычислительной техники

Способы вычисления развивались и совершенствовались человечеством не одно тысячелетие. Например, одним из первых устройств для счета является абак, изобретенный за 3000 лет до н.э. За прошедшее с тех пор время появилось немало счетных устройств, из которых до нас дошли только некоторые экземпляры.

Однако долгое время системы счета на развивались, причиной этому можно назвать, с одной стороны, Инквизицию в Европе, с другой стороны, строгое следование традиционному укладу жизни на Востоке. В итоге, только в 1623 году был изобретен первый механический калькулятор, умевший выполнять четыре арифметических действия. Устройство было названо потому, что как и в настоящих часах работа механизма была основана на использовании звёздочек и шестерёнок.

Примерно в 1820 году был создан первый удачный, серийно выпускаемый механический калькулятор, который мог складывать, вычитать, умножать и делить. Механические калькуляторы, считающие десятичные числа, использовались до 1970-х годов.

Арифмометры были основаны на работах немецкого математика Готфрида Вильгельма Лейбница. Лейбниц также описал двоичную систему счисления, однако вплоть до 1940-х большинство счетных устройств было основано на десятичной системе.

В середине 19 века английский математик Чарльз Бэббидж работал над проектом универсальной цифровой вычислительной машины – прообраза современной ЭВМ. По сути, он сумел разработать все основные узлы , которые используются сегодня при построении ЭВМ. Это устройство было программируемым, программы в него вводились при помощи перфокарт . Первым программистом стала подруга Бэббиджа – Ада Лавлейс . Однако аналитическая машина так и не была закончена в связи с исчерпанием средств и отсутствием финансирования. Кроме того, важной причиной этого стал низкий уровень технологий того времени. В итоге, только спустя 90 лет была построена машина МАРК-I , по архитектуре очень схожая с машиной Бэббиджа.

В 1930-е годы увидели свет работы математиков Алана Тьюринга и Алонзо Черча, в которых давалось определение понятию «вычисление», и было показано, что любую функцию, которая раскладывается в ряд, можно вычислить при помощи автомата. В 1937 году математик Клод Шеннон заметил, что любую функцию, вычислимую по Тьюрингу, можно реализовать в виде электрических схем. Эти два события стали основой информационно-технологического прорыва, случившегося в середине 20 века.

В 1946 году был построен первый электронный цифровой компьютер ЭНИАК, который можно было перепрограммировать для решения полного диапазона задач. Это произошло по заказу Армии США в Лаборатории баллистических исследований для расчётов таблиц стрельбы. В результате нескольких лет эксплуатации ЭНИАК группа авторов во главе с математиком Джоном фон Нейманом разработали принципы построения компьютера, которые стали известны под названием «архитектура фон Неймана» и послужили основой для разработки универсальных цифровых компьютеров.

Архитектура фон Неймана – принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «машина фон Неймана». В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных.

ЭВМ состоит из следующих основных блоков:

– устройства ввода/вывода информации

– память компьютера

– процессор, состоящий из устройства управления (УУ) и арифметико-логического устройства (АЛУ)

В 1946 году были сформулированы принципы фон Неймана:

Принцип двоичного кодирования. Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов.

Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти – число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Принцип адресности памяти. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к хранящимся в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.

Принцип последовательного программного управления. Предполагает, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Принцип жесткости архитектуры. Неизменяемость в процессе работы топологии, архитектуры, списка команд.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относят к типу фон-неймановских.

Поколения ЭВМ

Принято считать, что существует несколько поколений электронно-вычислительных устройств фон-неймановского типа. Поколения отличаются друг от друга технической базой производства и вытекающими отсюда существенными различиями в архитектуре. С поколениями ЭВМ можно связать поколения языков программирования, предусматривающих использование возможностей, предоставляемых каждой архитектурой.

Первое (1946-1954) – поколение машин, построенных на электронных лампах. Надежность работы ламповых устройств была низкой, они потребляли много энергии и выделяли большое количество тепла. Для ввода-вывода данных использовались перфоленты и перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства. Уже в компьютерах первого поколения была реализована концепция хранимой программы. Они сумели зарекомендовать себя в прогнозировании погоды, решении энергетических задач, задач военного характера и других сложнейших операций. По сути, благодаря им сложилось понимание того, что такое ЭВМ и зачем она нужна. Примером такой ЭВМ является ЭНИАК.

С ЭВМ первого поколения связано появление языков программирования первого поколения. Впоследствии они получили название языков низкого уровня. Это ЯМК (язык машинных команд) и Ассемблер.

Второе (1954-1964)поколение ЭВМ. В 1947 году был изобретен транзистор – полупроводниковый триод, радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Транзисторы нашли широкое применение в компьютерах, причем оказались исключительно эффективной заменой электронным лампам. Было достигнуто значительное уменьшение размеров устройств – до размеров письменного стола – и объёмов потребляемой энергии, а также повышение надёжности.

Эти машины имели память на магнитных сердечниках, представляющих собой небольшие кольца, способные запоминать двоичную информацию в виде 0 и 1.

Для компьютеров второго поколения был разработан символический ассемблер, в котором появилось понятие переменной. Он стал первым полноценным языком программирования. Благодаря его возникновению заметно возросли скорость разработки и надёжность программ. Тогда же появились первые языки программирования высокого уровня. Развитие программирования привело к появлению компиляторов, библиотек подпрограмм, режима пакетной обработки, разделения времени, мультипрограммирования и т. д.

Третье (1964-1970)поколение ЭВМ связано с появлением интегральных схем.

Интегра́льная схе́ма (чип, микрочип) – электронная схема произвольной сложности, изготовленная на полупроводниковой пластине и помещённая в неразборный корпус. Были разработаны в 1959 году. На одной ИС может содержаться от нескольких десятков до нескольких сотен электронных компонентов. Применение ИС уменьшило размеры и повысило надежность ЭВМ. Быстродействие машин повысилось в сотни и тысячи раз, а оперативная память в отдельных ЭВМ расширилась до нескольких мегабайт. Были доработаны методы конвейерной и параллельной обработки данных, разработаны методы эффективного использования ресурсов, что привело к появлению операционных систем, позволяющих управлять памятью и другими ресурсами. Таким образом, стало возможным мультипрограммирование.

К третьему поколению языков программирования относятся универсальные языки высокого уровня, с помощью которых удается решать задачи из любых областей. Такие их качества, как относи­тельная простота, независимость от конкретного компьютера и возможность исполь­зования мощных синтаксических конструкций, резко повысили произ­водительность труда программистов. Понятная большинству пользователей структура этих языков позволила писать небольшие программы для решения частных задач инженерного или экономического характера специалистам из некомпьютерных областей. Подавляющее большинство языков этого поколения успешно применяется и сегодня. Примеры таких языков – Fortran, BASIC.

Четвертое (1970-н.вр.)поколение ЭВМ основывается на больших интегральных схемах (БИС) и сверхбольших интегральных схемах (СБИС).

Применялись следующие названия интегральных схем:

– малая интегральная схема (МИС) – до 100 элементов в кристалле,

– средняя интегральная схема (СИС) – до 1000 элементов в кристалле,

– большая интегральная схема (БИС) – до 10000 элементов в кристалле,

– сверхбольшая интегральная схема (СБИС) – более 10 тысяч элементов в кристалле.

Использовались также следующие названия: ультрабольшая интегральная схема (УБИС) – до 1 миллиарда элементов в кристалле и гигабольшая интегральная схема (ГБИС) – более 1 миллиарда элементов в кристалле. В настоящее время эти названия практически не используется, поскольку, например, последние версии процессоров Itanium, 9300 Tukwila, содержат два миллиарда транзисторов. Все схемы с числом элементов, превышающим 10 000, относят к классу СБИС.

В 1980 г. центральный процессор небольшой ЭВМ оказалось возможным разместить на кристалле площадью 1/4 дюйма (0,635 см²). В компьютерах стали использовать быстродействующие системы памяти на интегральных схемах большой емкости. Появление в середине 70-х первых персональных компьютеров предоставило индивидуальному пользователю такие же вычислительные ресурсы, какими в 60-е годы обладали большие компьютеры.

Языки программирования четвертого поколения предназначены для реализации крупных проектов, повы­шения их надежности и скорости создания. Они обычно ориентированы на специ­ализированные области применения, где хороших результатов можно добиться, используя не универсальные, а проблемно-ориентированные языки, оперирующие конкретными понятиями узкой предметной области. Как правило, в эти языки встраиваются мощные операторы, позволяющие одной строкой описать такую функциональность, для реализации которой на языках предыдущих поколений потре­бовались бы тысячи строк исходного кода. Это, например, языки управления базами данных.

Пятое поколение.

В 1980-е годы стало ясно, что использование компьютерной техники позволило резко повысить производительность труда при обработке больших потоков информации, сфера внедрения ЭВМ активно расширялась во все отрасли народного хозяйства. А это заставило разработчиков совершенствовать компьютерную технику. Постепенно прорисовывались требования к ЭВМ пятого поколения. Они должны:

– накапливать и хранить большие массивы информации и оперативно ее выдавать пользователю;

– анализировать информацию и выдавать оптимальные решения, т. е. быть интеллектуальным компьютером;

– общаться с помощью голоса на языке пользователя, воспринимать и обрабатывать текстовую и графическую информацию;

– объединить в сети ЭВМ различных классов для обработки и передачи информации на большие расстояния.

Очевидно, что в ЭВМ пятого поколения должен предусматриваться другой принцип работы процессоров и способы обработки информации в них. В настоящее время компьютеров пятого поколения еще не создано. Однако термин «пятое поколение» иногда применяется в разных смыслах, например при описании систем облачных вычислений.

Рождение языков программирования пятого поколения произошло в середине 90-х годов. К ним отно­сятся также системы автоматического создания прикладных программ с помощью визуальных средств разработки, без знания программирования. Главная идея, кото­рая закладывается в эти языки, – возможность автоматического формирования результирующего текста на универсальных языках программирования (который потом требуется откомпилировать). Сами инструкции вводятся в компьютер в макси­мально наглядном виде с помощью методов, наиболее удобных для человека, не знакомого с программированием.