Лекция № 2. Этапы развития ЭВМ.

Механические вычислительные устройства, конечно же, не могут называться ЭВМ или компьютерами. Для того, чтобы убедиться в этом, достаточно сформулировать понятие «компьютер». В литературе встречается огромное множество определений терминов «компьютер» и «электронно-вычислительная машина». При этом термин ЭВМ в настоящее время используется реже, т.к. сам по себе ограничен. Например, механические, пневматические, гидравлические вычислительные устройства не могут считаться ЭВМ по определению, т.к. они не электронные. И если про эти устройства можно сказать что-то типа: «они слишком примитивны, чтобы считаться ЭВМ», то «оптические компьютеры пятого поколения», о начале разработки которых было объявлено в 80-е годы 20-го века, также не могут считаться ЭВМ – они тоже не электронные.

Прямое значение слова «компьютер» - вычислитель, т.е. любое вычислительное устройство, однако в наше время под компьютером подразумевается универсальное техническое средство, предназначенное для автоматической обработки данных. Встречаются и определения типа «устройство для обработки, передачи и хранения информации», но такие определения слишком размыты, под такое определение можно подогнать и сфетофор.

Принимая приведенное выше определение, мы вынуждены исключить устройства, рассмотренные в предыдущем разделе (и подобные им) из класса компьютеров. Во-первых, трудно назвать устройство, выполняющее 2-4 действия универсальным. Во-вторых под термин «автоматическое» вряд ли можно подогнать устройство, выполняющее свою работу посредством множества ручных манипуляций оператора, либо нуждающееся во вращении ручки с механическим приводом. Под автоматическим выполнением операций в настоящее время понимается программный принцип работы устройства, но введение программируемости в определение компьютера тоже сужает это понятие (а вдруг появятся компьютеры с искусственным интеллектом, самостоятельно решающие поставленные перед ними задачи?).

Первым вычислительным устройством, действительно предназначенным для автоматизации обработки информации, являлась счетная машина Холлерита, описанная в конце предыдущего раздела. Именно в этой машине сочетались электропривод и система хранения информации (перфокарты). Такое сочетание позволяло вывести счетную технику на принципиально новый уровень автоматизации вычислительных работ. Современные компьютеры, конечно же не являются прямыми наследниками машины Холлерита, но они – следствие развития техники в том направлении, первый шаг в котором и был сделан этой машиной.

Появление и начало производства счетных машин Г. Холлерита в 80-х гг. прошлого столетия занимает особое место в истории вычислительной техники и вызвано необходимостью решения новых социально-экономических задач, связанных с обработкой больших объемов информации (прежде всего в сферах учета и статистики).

В конце XIX в. перепись населения как одна из важнейших статистических задач проводилась регулярно - через 10 лет. Необходимы были сведения о национальности, родном языке, возрасте, поле, вероисповедании. В конечном счете объем работы настолько увеличился, что выполнить его оперативно и качественно на механических арифмометрах или суммирующих машинах оказалось невозможным.

Машина Холлерита может считаться той границей, которая отделяет историю компьютеров от ее предыстории. Появившиеся после этой машины образцы техники уже удовлетворяли определению «компьютер».

В развитии компьютеров можно выделить ряд этапов. Как и любая техника, компьютеры развивались отнюдь не плавно. Периоды эволюционного совершенствования характеристик компьютеров периодически прерывались резкими, революционными, изменениями, связанными, прежде всего, с прорывами в технологии. После такого скачка, компьютеры (возможно даже не получив серьезного улучшения характеристик) изменяли свою архитектуру, элементную базу и конструкцию. В связи с этим говорят о поколениях компьютерах, сменяющих друг друга. В разной литературе приводится различное число поколений компьютеров (от 4 до 8). Полагая принципиальным именно технологические, а не структурные или программные отличия, думается более правильным выделить именно 4 поколения компьютеров.

2.1. Компьютеры 1-го поколения

Во многих литературных источниках первой электронно-вычислительной машиной считается ЭВМ, созданная Джоном П. Еккертом (John P. Eckert) и Джоном В. Мочли (John W. Mauchly) вместе с сотрудниками школы электротехники Мура университета штата Пенсильвания. Эта ЭВМ носила название ЭНИАК (ENIAC - Electrical Numerical Integrator and Calculator). К этой машине мы еще вернемся, но сначала сделаем два важных замечания.

Во-первых (закон есть закон), после долгого судебного разбирательства федеральный судья США Эрл Р. Ларсон (Earl R. Larson) 19 октября 1973 года аннулировал патент, ранее выданный Эккерту (Eckert) и Мочли (Mauchly), официально признав Атанасова изобретателем первого электронного цифрового компьютера.

Во-вторых, и компьютер Атанасова и ЭНИАК основой своей элементной базы имеют элекро-вакуумные лампы. Вспомним же определение. «Электроника – это наука о взаимодействии заряженных частиц с электрическим полем …». Электронные лампы не являются первыми электронными компонентами и не на лампах были созданы первые вычислительные устройства, работа которых была основана на электронных компонентах. Существовал целый класс вычислительных машин – релейные. Конечно можно говорить о «полностью электронных» и о «электро-механических» вычислительных машинах, но с точки зрения приоритена это не столь важно.

2.1.1. Электро-механические компьютеры

Вычислительные машины Конрада Цузе

Ко́нрад Цу́зе (нем. Konrad Zuse; 22 июня 1910, Берлин, Германская империя — 18 декабря 1995, Хюнфельд, Германия) — немецкий инженер, пионер компьютеростроения. Наиболее известен как создатель первого действительно работающего программируемого компьютера (1941) и первого языка программирования высокого уровня (1945).

Рис. 2.1. Конрад Цузе

В 1935 году Цузе получил образование инженера в Берлинской высшей технической школе в Шарлоттенбурге, которая сегодня носит название Берлинского технического университета. По её окончании он поступил на работу на авиационную фабрику Хейнкеля в городе Дессау, однако, проработав всего лишь год, уволился, вплотную занявшись созданием программируемой счётной машины. Поэкспериментировав с десятичной системой счисления, молодой инженер предпочёл ей двоичную. В 1938 году появилась первая действующая разработка Цузе, названная им Z1. Это был двоичный механический вычислитель с электрическим приводом и ограниченной возможностью программирования при помощи клавиатуры. Результат вычислений в десятичной системе отображался на ламповой панели. Построенный на собственные средства и деньги друзей и смонтированный на столе в гостиной родительского дома, Z1 работал ненадёжно из-за недостаточной точности выполнения составных частей. Модель Z1 - это первый в мире цифровой механический компьютер с программным управлением. Архитектурными особенностями Z1 являлись также: двоичная кодировка и система представления чисел с плавающей запятой (или “полулогарифмическая” система, если использовать терминологию К. Цузе). При этом длина числа составляла 21 разряд, из которых 1 разряд отводился под знак числа, 7 разрядов предназначались для порядка и его знака, 13 разрядов – для мантиссы.

Вычислительная машина Z1 – по сути тестовая модель, которая никогда не применялась для практических целей. Эта машина была реконструирована в Берлине самим К.Цузе в 1980-х годах, сейчас она экспонируется в Берлинском музее транспорта и технологии.

Технические характеристики z1:

Частота: 1 Гц

Арифметическое устройство: с плавающей точкой, длина машинного слова 22 бита

Средняя скорость вычислений: 5 секунд на операцию сложения, 10 секунд на операцию умножения

Память: 64 машинных слова

Вес: 1000 кг

Рис. 2.2. Воссозданная модель Z1.

Вторая мировая война сделала невозможным общение Цузе с другими энтузиастами создания вычислительной техники в Великобритании и Соединённых Штатах Америки. В 1939 году Цузе был призван на военную службу, однако сумел убедить армейских начальников в необходимости дать ему возможность продолжить свои разработки. В 1940 году он получил поддержку Исследовательского института аэродинамики (нем. Aerodynamische Versuchsanstalt), который использовал его работу для создания управляемыхракет. Благодаря ей Цузе построил доработанную версию вычислителя — Z2 на основе телефонных реле. В машине Z2 арифметическое устройство и устройство управления были реализованы на реле, а память оставалась механической (от модели Z1).

В отличие от Z1, новая машина считывала инструкции с перфорированной 35-миллиметровой киноплёнки. Она тоже была демонстрационной моделью и не использовалась для практических целей. В этом же году Цузе организовал компанию Zuse Apparatebau для производства программируемых машин.

Технические характеристики z2:

Частота: 5 Гц

Арифметическое устройство: с фиксированным положением запятой, длина машинного слова 16 бит

Средняя скорость вычислений: 0,8 секунды на одну операцию сложения

Количество реле в арифметическом устройстве: 600

Память: 64 машинных слова

Потребление энергии: 1000 Вт

Вес: 300 кг

Удовлетворённый функциональностью Z2, в 1941 году Цузе создал уже более совершенную модель — Z3. Модель Z3 – первая в мире двоичная электромеханическая ВМ с программным управлением. Работы по созданию машины Z3 были начаты в 1939 г., а ее монтаж был полностью завершен 5 декабря 1941 г.

12 мая 1941 года в Берлине Конрад Цузе представил собравшимся ученым работу Z3. Успех демонстрации был огромен. Не случайно именно Z3 считается первым работоспособным, свободно программируемым компьютером в мире (его "конкуренты", Mark I и ENIAC появились после 1943 года). Правда, в памяти Z3 программы не хранил, для этого память из 64 слов была мала, да Цузе и не стремился к этому. Имелся недостаток — отсутствие реализации условного перехода.

Рис. 2.3. ВМ Z3.

Рис. 2.4. Реле Z3.

Машина Z3 предназначалась для выполнения операций сложения, вычитания, умножения, деления, извлечения квадратного корня и вспомогательных функций (в частности, двоично-десятичных преобразований чисел). Для представления чисел использовалась двоичная система с плавающей запятой. Длина числа – 22 двоичных разряда, из которых 1 разряд – знак числа, 7 разрядов – порядок или экспонента (в дополнительном коде), 14 разрядов – мантисса (в нормализованной форме). Быстродействие ВМ при выполнении сложения – 3 или 4 операции в 1 сек., а время умножения двух чисел составляло 4 – 5 сек.

Впрочем, программируемость этого двоичного вычислителя, собранного, как и предыдущая модель, на основе телефонных реле, также была ограниченной. Несмотря на то, что порядок вычислений теперь можно было определять заранее, условные переходы и циклы отсутствовали. Тем не менее, Z3 первым среди вычислительных машин Цузе получил практическое применение и использовался для проектирования крыла самолёта.

Однако главная проблема заключалась в том, что высшие военные чины Вермахта не сомневались в быстрой победе германского оружия, а потому придавали мало значения компьютерам. Показателен такой факт. Однажды Цузе и его друг Гельмут Шрейер, инженер по специальности, обратились за помощью к генералам, чтобы те помогли с финансированием ЭВМ, созданной не на реле, а на вакуумных лампах (идея Шрейера). Военные, услышав, что на постройку такого компьютера уйдет около двух лет, отвергли идею Цузе-Шрейере, заявив, что войну Германия выиграет гораздо раньше, обойдясь без помощи новых электронных вычислительных средств.

Табл. 2.1. Основные характеристики Z3

Реализация	Реле (600 — блок вычислений, 1600 — блок памяти)
Частота	5,33 Гц
Вычислительный блок	Обработка чисел с плавающей запятой, длина машинного слова — 22 бита
Средняя скорость вычислений	Умножение, деление — 3 секунды, сложение — 0,7 секунд
Ввод данных	Клавиатура, устройство считывания с перфоленты
Вывод данных	Ламповая панель (десятичное представление)
Память	64 слова по 22 бита
Вес	Около 1000 кг

Вплоть до 1944 года Z3 успешно использовали для авиационных расчетов, когда после бомбардировки, компьютер был уничтожен. Конрад Цузе берется за создание четвертого компьютера — Z4.

В ходе бомбардировок Берлина в 1944 году были уничтожены все три машины, Z1, Z2 и Z3.

Z4 — вычислительная машина Конрада Цузе, создана им на основе опыта разработки первого программируемого компьютера Z3. Компания Цузе готовила Z4 для серийного производства. Z4 умел избегать вычислений неправильных чисел — это позволяло оставлять компьютер в "одиночестве" и днём, и ночью без человеческого контроля. Компьютер изобретался во время второй мировой войны, боясь, что изобретение может быть уничтожено в ходе военных действий, Конрад Цузе принимает решение разобрать и спрятать компьютер. Частично законченный Z4 был погружен на подводу и перевезён в безопасное место в баварской деревне. Именно для этого компьютера Цузе разработал первый в мире высокоуровневый язык программирования, названный им Планкалкюль (нем. Plankalkül исчисление планов).

На долю Z4, в отличие от предшественников, выпала завидная судьба. Компания Цузе готовила Z4 для серийного производства, однако страх перед бомбежками вынудил не окончательно отлаженный компьютер вывезти из Берлина. Цузе спрятал компьютер в разобранном виде в сарае альпийского отеля местечка Хинтерштайн. Послевоенные годы были тяжелым испытанием для Цузе, которому пришлось практически заново собирать Z4. Для восстановления механической памяти брались железные консервные банки, оставленные войсками антигитлеровской коалиции.

В 1946 году Цузе организовал коммерческую компанию по производству компьютеров «Инженерная служба Цузе в Хопферау» (нем. Zuse-Ingenieurbüro Hopferau). Венчурный капитал был получен от Швейцарской высшей технической школы и компании IBM.

Рис. 2.5. Восстановленный Z4.

В 1948 году восстановленный Z4 был на лошадях перевезен в местечко Хопферау, где Цузе посетил профессор Штифель из Высшей технической школы в Цюрихе (ETHZ). До сих пор не совсем ясно, откуда профессор проведал про Z4.

Эта встреча стала поворотным пунктом для дальнейшей жизни Конрада Цузе. На глазах у Штифеля он написал программу, сделал перфокарту и ввел данные в Z4. Полученный результат был правильным. Воодушевленный этим, Штифель предложил арендовать Z4. Чтобы подписать контракт с ETHZ, Цузе зарегистрировал компанию "Zuse KG". Надо сказать, что выбора у цюрихского профессора не было. На тот момент он мог рассчитывать лишь на Z4, поскольку американские компьютеры заполучить было невозможно, а машина Цузе работала надежно (даже несмотря на память из металлических пластин), имела специальный блок для создания программ и ряд других плюсов.

В сентябре 1950 года Z4 был, наконец, закончен и поставлен в ETH Zürich. В то время он был единственным работающим компьютером в континентальной Европе и первым компьютером в мире, который был продан. В этом Z4 на пять месяцев опередил Марк I и на десять — UNIVAC.