Лекция 9 История развития вычислительных машин.

Невозможно определить точную дату изобретения компьютера. Действительно, человечество всегда стремилось к тому, чтобы создать устройства, которые упростят работу людей. Потребность выполнения арифметических вычислений возникла давно. Самым первым вычислительным устройством были пять пальцев руки человека. В этом контексте, как первый процессор компьютера, можно рассматривать счеты, которые использовались за 500 лет до Рождества Христова древними греками и римлянами.

Cчеты использовали до 1970-ых и, фактически, их все еще рассматривают как эффективный вычислительный инструмент. Наиболее известный из первых механических устройств - "arithmometer" - был изобретен в 1642 Блезом Паскалем (Blаise Pascal), видным французским математиком, в возрасте 19 лет, хотя он так никогда и не смог построить этот механизм. В 1674 Лейбниц (Leibnitz) (немецкий математик) изобрел более совершенный арифмометр, известный как "зубчатое колесо Лейбница".

В 1801 Джозеф Мари Джаккард (Joseph Marie Jacquard) изобрел ткацкий станок, который использовал перфорированные карты для контроля образцов узоров на ткани, изготавливаемой для женской одежды.

Программа, обеспеченная перфорированными картами, управляла тягами, которые поднимали и опускали различные нити в правильной последовательности, чтобы ткать о пределенный узор. Это - первое зарегистрированное применение перфокарт, использованных, чтобы выполнять программу для работы полуавтоматической, программируемой машины.

В 1830 Чарльзе Бэббидж (Charles Babbage) (одаренный английский математик) предложил построить механическую вычислительную машину, которую он назвал "аналитическая машина". Концептуально, она во многом похожа на современный компьютер.

Машина Бэббиджа предполагала использование перфокарт Джаккарда для ввода данных и программ, обеспечивалась внутренней памятью, предполагала выполнение математических в ычислений в соответствии с программой и использованием центрального процессора, носящего название "mill " (завод) и вывод данных в распечатанном виде. "Завод" был способен к выполнению одного из четырех арифметических действий.

П оследовательность действий определялась инструкциями на операционных перфокартах. Операционные перфокарты могли быть изменены или полностью заменены. Августа Ада Байрон (Augusta Ada Byron), графиня Ловелас и дочь поэта лорда Байрона, работала вместе с Бэббиджем и развила много фундаментальных идей в области программирования и разработки программ, включая концепции ветвления и циклов. Бэббидж предполагал создать память на 1000 различимых символов при кодировании каждого символа группой по 50 двоичных знаков (битов). Приблизительно в то же самое время, другой английский математик, Джордж Буль (George Boole), развивал двоичную теорию логики, которая теперь носит его имя - Булева логика. Буль также установил взаимосвязь между двоичной арифметикой и Булевой логикой, которая дала возможность создать схему, по которой работают современные электронные компьютеры.

Бэббидж не смог закончить работу и машина его мечты никогда не была создана при его жизни, поскольку проблема оказалась

слишком сложной для технологий того времени. Однако, должно быть ясно, что машина Бэббиджа содержит все существенные элементы сегодняшних компьютеров.

И только во второй половине XIX столетия, Герман Холлерит (Herman Hollerith) изобрел устройство кодирования данных, путем пробивания отверстий в картах, разработал и создал

э лектромеханическую машину. Впервые она была использована в 1890 в Америке при обработке результатов переписи населения.

С тех пор машины с перфокартами получили широкое применение. В 1896 Холлерит основал собственную компанию по производству машин, работающих с применением перфокарт, которая явилась предшественницей известной корпорации IBM. С корость вычислений в механических машинах по существу ограничена, поэтому в 30-х годах XX века началось развитие электронно-вычислительных машин, основным элементом которых стала трех-электродная вакуумная лампа.

В 1930-х и начале 1940-х, несколько различных групп исследователей независимо развивали версии современной электронно-вычислительной машины. Машина «Mark I», построенная в 1937 Говардом Х. Аикеном и его партнерами в Университете Гарварда при поддержке и финансировании IBM, использовала тысячи реле. Эти реле представляли собой механические двоичные выключатели, управляемые электрическими потоками. Проект был основан непосредственно на оригинальных концепциях Бэбиджа и использовании механических частей калькулятора от IBM счетных машин. Подобный электромеханический компьютер был разработан и построен Конрадом Зус (Conrad Zuse) в Германии, приблизительно в то же самое время.

Первый полностью электронный цифровой компьютер был, очевидно, изобретен Джоном Атанасофф (John Atanasoff), физиком государственного колледжа из Штата Айова, в 1937. Его машина была построена в 1939 им вместе с аспирантом Клиффордом Берри (Clifford Berry), используя вакуумные лампы, как компоненты переключателей. Машина была известна как ABC (Atanasoff –Berry Computer). Машина не предназначалась для традиционных целей компьютеров, а была создана для решения физических уравнений, над которыми в то время работал Атанасов.

Вторая мировая война дала серьезный толчок усовершенствованию компьютеров и технологий их изготовления. В 1946 в университете Штат Пенсильвания (США) Эккерт (J. Eckert) и Моушли (J. Maushly) для нужд армии построили первый полностью электронный цифровой компьютер с вакуумными лампами, который получил название ENIAK (the Electronic Numerical Integrator and Computer - Электронный Числовой Интегратор и Компьютер). Он была построен с использованием концепций, которые Моушли увидел в машине Атанасова, хотя на тот момент об этом не было широко известно.

Машина весила приблизительно 30 тонн, занимала по площади более 15 000 квадратных футов (200 m²) и содержала 18 000 вакуумных ламп. Ввод команд и данных выполнялся вручную c использованием перфокарт. Система также обеспечивала вывод информации в напечатанном виде.

ENIAK успешно использовали до 1955, затем демонтировали, но не разрушили. Ее элементы можно увидеть в США в Институте Smithsonian, в военной Академии в Вест Поинте, в школе Moor School Университета Штата Пенсильвания и в Мичиганском Университете. Каждая новая программа требовала новой комбинации сигналов. В результате, на создание и выполнение даже самой простой программы требовалось много времени. Сложности в программировании на первом компьютере навели на мысль Джона Неймана (John Neumann) - консультанта проекта ENIAC - о создании новых принципов построения архитектуры компьютера. Наиболее важными из них были:

1. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Компьютер не должен различать, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда.

2. Обработка данных в двоичной форме. Это упростило устройство компьютера и позволило использование двоичной памяти, как для команд, так и для данных. А также признало естественность отношения между состояниями ВКЛ/ВЫКЛ электрических переключателей и вычислениями в двоичной форме в соответствии с Булевой логикой.

Центральный процессор (CPU) должен был включать следующие компоненты: арифметико-логическое устройство (ALU), память и устройство управления (CU). Устройство управления считывает инструкции из памяти и выполняет их. Был также установлен метод обработки операций при вводе – выводе так же через устройство управления. Набор команд содержал команды, представляющие все существенные черты современного компьютера. Другими словами, машина фон Неймана содержала все необходимые черты, считающиеся главными для современной архитектуры компьютера.

Э ти принципы были реализованы в новых компьютерах - EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer - Электронный Дискретный Вариантный Компьютер) в Университете Штата Пенсильвания и IAS в Институте Advanced Studies при Принстонском Университете. Обе машины были построены 1951-1952.

Успех EDVAC и IAS вызвал рост компьютерных разработок, и к нескольким коммерческим компьютерам, включая первые IBM-компьютеры. С этого момента архитектура фон Неймана был твердо закреплена. Она до сего дня остается самым распространенным стандартом. Что очевидно является наиболее важным в рассмотренном историческом обзоре, так это тот факт, что наиболее существенные концепции аппаратных средств ЭВМ, которые составляют сегодняшние цифровые компьютеры, были все развиты к 1951. С тех пор произошли существенные достижения в технологии и в усовершенствовании конструкции. Тем не менее, сегодняшние проекты все еще отражают работу, проделанную над АВС, ENIAC, EDVAC и IAS.

Технологическим прорывом, который сделал возможным создание сегодняшних малогабаритных сложных компьютеров, было изобретение транзистора и, впоследствии, интеграция транзисторов и других электронных компонентов с развитием интегральных схем.

Компании развили лучшие способы перемещающихся данных между различными частями компьютера, лучшие способы обработки памяти и методы увеличения скорости выполнения команд. В сегодняшнем персональном компьютере намного больше мощности, чем в самом большом мейнфрейме 1970-х. Тем не менее, основная архитектура сегодняшних машин очень схожа с тем, что было разработано в 1950-ых.