История развития вычислительной техники и персональных компьютеров

Первые проекты электронных вычислительных машин появились в конце 1930-х - начале 1940-х гг. Технические предпосылки для этого уже были созданы. В 1904 г. был изобретен первый ламповый диод, а в 1906 г. – первый триод (соответственно двух- и трехэлектродные электронные лампы); в 1914 г. было изобретено электронное реле (ламповый триггер). Триггерные схемы стали широко применяться в электронике для переключения и релейной коммутации.

Благодаря развитию вычислительной техники в середине 1930-х гг. стало возможным создание программно-управляемых вычислительных машин, а построение ВМ на электрон­ных схемах открывало широкие перспективы, связанные с увеличением их надежности и быстродействия.

ЭВМ появились, когда возникла острая необходимость в проведении трудоемких и точных расчетов. Уровень прогресса в таких областях науки и техники, как, например, атомная энергетика и аэрокосмические исследования, во многом зависел от возможности выполнения сложных расчетов, которые нельзя было осуществить на электромеханических счетных машинах.

Требовался переход к вычислительным машинам, работающим с большей производительностью.

Во все времена людям необходимо было считать. Сначала для счета использовали пальцы рук или камешки. Но даже простые арифметические операции с большими числами трудны для мозга человека. Поэтому уже более пятнадцати веков назад в странах Средиземноморья был придуман простейший инструмент для счета – абак, представляющий собой набор костяшек, нанизанных на стержни. Этот прообраз современных счетов широко использовали купцы.

В 1614 г математик Дж. Непер изобрел логарифмы. Открытие Непера состояло в том, что таким способом можно выразить любое число и что сумма логарифмов двух любых чисел равна логарифму произведения этих чисел. Это дало возможность свести действие умножения к более простому действию сложения. Непер создал таблицы логарифмов. Чтобы перемножить два числа, нужно найти в этой таблице их логарифмы, сложить их и отыскать число, соответствующее этой сумме, в обратной таблице таблице антилогарифмов. На основе этих таблиц в 1654 г. Р. Биссакар и в 1657 г. – независимо от него – С. Партридж разработали прямоугольную логарифмическую линейку – основной счетный прибор инженера до середины XX в.

В 1642 г. Блез Паскаль изобрел механическую суммирующую машину, использующую десятичную систему счисления. Каждый десятичный разряд представляло колесико с десятью зубцами, обозначавшими цифры от 0 до 9. Всего колесиков было восемь, т. е. машина Паскаля была восьмиразрядной.

В 1673 г. Готфрид Лейбниц построил механический арифмометр, выполнявший все четыре арифметических действия. В нем использовалась двоичная система счисления.

В 1804 г. Жозеф Жаккар создал ткацкую машину для выработки тканей с крупным узором. Этот узор программировался с помощью целой колоды перфокарт – прямоугольных карточек из картона. На них информация об узоре записывалась пробивкой отверстий (перфораций), расположенных в определенном порядке. При работе машины эти перфокарты «ощупывались» специальными штырями. Именно таким механическим способом с них считывалась информация для плетения запрограммированного узора ткани. Машина Жаккара явилась прообразом машин с программным управлением, созданных в XX в.

В 1820 г. Томас де Кольмар разработал первый коммерческий арифмометр, способный умножать и делить. Арифмометры получили широкое распространение при выполнении сложных расчетов.

В 1830г. Чарльз Бэббидж попытался создать универсальную аналитическую машину, которая должна была выполнять вычисления без участия человека. Для этого в нее вводились программы, заранее записанные на перфокарты из плотной бумаги посредством отверстий, сделанных на них в определенном порядке. Принципы программирования для аналитической машины Бэббиджа разработала в 1843 г. Ада Лавлейс – дочь английского поэта Байрона.

Аналитическая машина должна была запоминать данные и промежуточные результаты вычислений, т. е. иметь память. Эта машина содержала три основные части: устройство для хранения чисел, набиравшихся с помощью зубчатых колес (память), устройство для операций над числами (арифметическое устройство) и устройство для операций над числами с помощью перфокарт (устройство программного управления). Работа по созданию аналитической машины не была завершена, но заложенные идеи помогли в XX в. построить первые компьютеры (напомним: в переводе с английского «компьютер» означает «вычислитель»).

В 1880 г. в России Вильгодт Однер изобрел механический арифмометр с зубчатыми колесами, а в 1890г. начался его массовый выпуск. Под названием «Феликс» этот арифмометр выпускался вплоть до 1950г.

В 1888 г. Герман Холлерит создал первую электромеханическую счетную машину – табулятор, в котором нанесенная на перфокарты информация расшифровывалась электрическим током. В 1890 г. изобретение Холлерита было впервые использовано во второй американской переписи населения. Работа, которую 500 сотрудников раньше выполняли целых семь лет, Холлерит с 43 помощниками на 43 табуляторах выполнили всего за один месяц.

В 1937 г. Джордж Стибиц из обыкновенных электромеханических реле создал двоичный сумматор – устройство, способное выполнять операцию сложения чисел в двоичном коде. И сегодня двоичный сумматор является одним из главных компонентов любого компьютера, основой его арифметического устройства.

В 1937-1942 гг. Джордж Атанасофф работал над моделью вычислительной машины на вакуумных электронных лампах. В ней использовалась двоичная система счисления. Для ввода данных и вывода результатов вычислений применялись перфокарты. В 1942 г. работа над этой машиной была практически завершена, но из-за войны финансирование исследований прекратилось.

В 1937 г. Конрад Цузе сконструировал на основе электромеханических реле свою первую вычислительную машину – Z1. Исходные данные вводились в нее с помощью клавиатуры, а результат вычислений высвечивался на панели с множеством электрических лампочек. В 1938 г. К. Цузе создал усовершенствованную модель – Z2. Программы в нее вводились с помощью перфоленты. Перфоленту изготавливали, пробивая отверстия в использованной 35-миллиметровой фотопленке. В 1941 г. К. Цузе построил действующий компьютер Z3, а позднее – и Z4, основанный на двоичной системе счисления. Они использовались для расчетов при создании самолетов и ракет. В 1942 г. Конрад Цузе и Хельмут Шрайер задумали перевести Z3 c электромеханических реле на вакуумные электронные лампы. Такая машина должна была работать в тысячу раз быстрее, но создать ее не удалось – помешала война.

В 1943-1944 гг. на одном из предприятий в сотрудничестве с учеными Гарвардского университета во главе с Говардом Эйкеном была создана вычислительная машина «Марк-1». Весила она около 35 т. В «Марк-1» использовались идеи, заложенные Ч. Бэббиджем в его аналитической машине. В отличие от Стибица и Цузе, Эйкен не осознал преимуществ двоичной системы счисления и в своей машине использовал десятичную систему. Машина могла манипулировать числами длиной до 23 разрядов. Для перемножения двух таких чисел ей было необходимо затратить 4 с. В 1947 г. была создана машина «Марк-2», в которой использовалась уже двоичная система счисления. В этой машине операции сложения и вычитания занимали в среднем 0,125 с, а умножение – 0,25 с.

Электромеханические реле работали слишком медленно. Поэтому уже в 1943 г. американцы начали разработку вычислительной машины на основе электронных ламп. В 1946 г. Преспер Эккерт и Джон Мочли построили первую электронную цифровую вычислительную машину – ENIAC. Ее вес составлял 30 т, она занимала площадь 170 м². Вместо огромного числа электромеханических реле, в ENIAC работало 18 тыс. электронных ламп. Считала машина в двоичной системе и производила 5000 операций сложения или 300 операций умножения в секунду. На электронных лампах было построено не только арифметическое, но и запоминающее устройство. Числовые данные вводились с помощью перфокарт, а программы – с помощью штекеров и наборных полей, т. е. для каждой новой программы приходилось соединять тысячи контактов. Поэтому для подготовки к решению новой задачи требовалось несколько дней, хотя сама задача решалась за несколько минут. Это был один из основных недостатков машины.

I этап продолжался до начала 60-х гг. Эксплуатировались ЭВМ первого и второго поколений (ламповые и полупроводниковые). Основным критерием создания информационных технологий являлась экономия машинных ресурсов. Цель – максимальная загрузка оборудования. Характерные черты этого этапа: программирование в машинных кодах, появление блок-схем, программирование в символьных адресах, разработка библиотек стандартных программ, машинно-ориентированных языков и Ассемблера. В конце 50-х гг. появляются первые разработки алгоритмических языков (ALGOL, COBOL, FORTRAN) и управляющих программ. Достижением в технологии программирования явилась разработка оптимизирующих трансляторов и появление первых управляющих программ реального времени и пакетного режима Управляющие программы реального времени следили за появлением сигнала прерывания, приходящего по каналам связи (от спутника, датчиков и т д.), и сразу же включали программу его обработки.

В пакетном режиме программы, обрабатываемые ими данные и управляющая информация объединялись в задание, задания объединялись в пакет. Управляющая информация оформлялась в виде языка управления заданиями и содержала сведения об именах задания, программ, данных, их местонахождении, порядке следования и др. Задания автоматически вызывались на выполнение в порядке очередности или по приоритету Пакетный режим резко повысил производительность использования ЭВМ, но затруднил процесс отладки программ и создания новых программных продуктов.

II этап длился до начала 80-х гг. Появились мини-ЭВМ и ЭВМ третьего поколения на больших интегральных схемах. Основным критерием создания информационных технологий стала экономия труда программиста. Цель – разработка инструментальных средств программиста. Появились операционные системы второго поколения, работающие в трех режимах: реального времени, разделения времени и в пакетном режиме. Системы разделения времени позволили пользователю работать в диалоговом режиме, так как ему выделялся квант времени, в течение которого он имел доступ ко всем ресурсам системы. Появились языки программирования высокого уровня (PL, PASCAI. и др.), пакеты прикладных программ (ППП), системы управления базами данных (СУБД), системы автоматизации проектирования (САПР), диалоговые средства общения с ЭВМ, новые технологии программирования (структурное и модульное), появились глобальные и локальные сети ЭВМ. Появились наукоемкие изделия, в себестоимости которых научные исследования составляли от 3,5 до 5 %, а в производстве ЭВМ – 10-20 %.

III этап продолжался до начала 90-х гг. В конце 70-х гг. был сконструирован персональный компьютер – инструмент, позволяющий формализовать и сделать широкодоступными для автоматизации многие из трудноформализуемых процессов человеческой деятельности. Отсюда критерии – создание информационных технологий для формализации знаний, цель – проникновение информационных технологий во все сферы человеческой деятельности. Широкое распространение получили диалоговые операционные системы автоматизированные рабочие места (АРМ), экспертные системы, базы знаний, локальные вычислительные сети, гибкие автоматизированные производства, распределенная обработка данных

Появление персонального компьютера произвело вторую информационную революцию. Стали возможными персональные вычисления. Персональные вычисления – это режим работы специалиста в предметной области непосредственно с персональным компьютером на своем рабочем месте. Впервые за ЭВМ сел непрограммист (пользователь). Информация становится ресурсом наравне с материалами, энергией и капиталом. Появилась новая экономическая категория – национальные информационные ресурсы. Профессиональные знания в наукоемких изделиях на базе персональных компьютеров составляют уже приблизительно 70 % себестоимости, а число занятых в сфере обработки информации – 60-80 % трудового населения развитых стран Профессиональные знания экспортируются посредством продажи наукоемкой продукции.

IV этап – 90-е годы. В этот период разрабатываются информационные технологии для автоформализации знаний, цель – информатизация общества. Появляются машины с параллельной обработкой данных – транспьютеры. Для них создан новый язык – язык параллельного программирования ОККАМ. Появились портативные ЭВМ, не уступающие по мощности большим: RISC-ЭВМ, а также графические операционные системы WINDOWS, OS-2, новые технологии: гипертекст, мультимедиа, объектно-ориентированные, CASE-технология, последние две относятся к новым технологиям программирования.

Телекоммуникация становится средством общения между людьми. Создались предпосылки формирования общего рынка знаний посредством дистанционного обучения, электронной памяти человечества по культуре, искусству, народонаселению, науке, архивам и т.д. Информация становится стратегическим ресурсом. Внедряются дистанционное обучение, автоматизированные офисы, всемирные каталоги изделий. Проектируются геоинформационные системы по управлению природными богатствами, экологией. Создается виртуальная реальность, позволяющая моделировать сложные процессы и системы. Происходит информатизация общества.

Информационная инфраструктура включает телефонную сеть, кабельное телевидение и другие виды коммуникаций, множительную технику, книгоиздательство, видео- и аудиоаппаратуру, парк ЭВМ и программного обеспечения, достаточного для обеспечения всех ин­формационных услуг, сети ЭВМ и электронной почты, а также замену бумагоносителей магнитными и оптическими, выпуск обучающих программ, развитие культуры и искусства, новых видов искусства и средств производства.