Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы программирования для студентов технологического профиля. Учебное пособие
.pdf
11
Аналитическая машина должна была быть не меньше
железнодорожного локомотива и представляла собой
нагромождение стальных и деревянных деталей, колес, часовых
механизмов, приводимых в действие паровым двигателем. Ни
Разностная, ни тем более Аналитическая машины не были
построены (остались только более 200 чертежей различных
устройств), хотя современники всячески поддерживали
изобретателя, в частности, графиня Огаста Ада Байрон (дочь
поэта лорда Байрона). Многое из того, что мы знаем об
Аналитической машине, дошло до нас благодаря научным
трудам этого одаренного любителя математики. Она первая
сумела понять значение данного изобретения, написав, что
Аналитическая машина будет иметь ценность «практически
непредсказуемую в ее возможных применениях». Она также
разработала некоторые приемы программирования, которые
используются и по сей день, например, арифметический цикл. В
честь ее назван один из самых мощных языков
программирования - АДА.
Идеи Бэббиджа были использованы шведским
изобретателем Георгом Шойцом, который построил
видоизмененный вариант Разностной машины, которая в 1855
была удостоена золотой медали на Всемирной выставке в
Париже.
Спустя сто лет после смерти Лейбница английский
математик, самоучка из бедной семьи - Буль (в 12 лет изучил
латынь, в 14 лет знал греческий, французский, немецкий,
итальянский языки) изобрел своеобразную алгебру (1847 г.),
пользуясь которой можно было кодировать любые
высказывания, истинность или ложность которых требовалось
доказать. Он изобрел основные логические операции И, Или,
Не. Логические действия двоичны по своей сути, т.к. оперируют
с двумя сущностями: «Истина» или «Ложь», «Да» или «Нет»,
«Открыт» или «Закрыт», «0» или «1». Работы Буля заложили
теоретическую базу для практической реализации
вычислительных устройств.
12
Через 19 лет после смерти Бэббиджа одна из идей
Аналитической машины - использование перфокарт, нашла
воплощение в статистическом табуляторе, построенном
американцем Германом Холлеритом, который получил за свою
машину несколько премий и звание профессора в
Колумбийском университете. Его машина позволяла проводить
статистический анализ переписи населения с использованием
перфокарт, в которых пробивались отверстия. Содержащаяся в
карте информация, приводила к замыканию контактов, что
существенно ускоряло обработку информации (ранее на
обработку данных тратилось 7,5 лет).
Холлерит организовал фирму по производству
табуляционных машин (Tabulating Machine Company). В 1924
году за пять лет до смерти он создал фирму IBM (International
Business Machines Corporation).
Перед второй мировой войной фирма специализировалась
на производстве таких изделий, как пишущие машины,
настольные калькуляторы и табуляционные машины. В 1941 г.,
когда США вступили во вторую мировую войну, президентом
фирмы IBM был 67-летний старик Уотсон, который превратил
фирму в концерн с многомиллионным оборотом. Обладая
талантом предпринимателя и интуицией инженера, он требовал
от своих сотрудников предельной аккуратности и преданности
делу: «Вы должны вложить всю свою душу в работу, а работу в
душу» - любил повторять он.
В этой же фирме работал аспирант Гарвардского
университета Говард Эйкен. Устав от бесконечных вычислений
над своей докторской диссертацией, он решил создать
программируемый компьютер, о котором в свое время мечтал
Бэббидж.
Уотсон добился, чтобы военные освободили Эйкена от
службы в армии, красочно рассказав им, как задуманный
компьютер сможет рассчитывать траекторию полета
артиллерийских снарядов (на это требовалось полгода труда
квалифицированного расчетчика-математика).
13
С благословения командования военно-морского флота и
при финансовой и технической поддержке фирмы IBM (было
выделено 500 тыс. долларов) Эйкен с бригадой инженеров
взялся за работу. В качестве переключающих устройств он
использовал электромеханические реле, которых в машине было
более 3000.
В 1943 году вычислительная машина была создана и
получила название «Марк 1». Машина получилась весьма
внушительной: 17 метров в длину, 2,5 метра в высоту,
содержала 750 тыс. деталей. Одного электрического провода
было потрачено 800 км. На сложение и вычитание тратилось 0,3
с, на умножение 3 с. Машина управлялась с помощью команд,
закодированных на бумажной перфоленте.
За один день машина выполнила столько расчетов, на
которые раньше уходило полгода. Машина проработала 16 лет,
но не принесла особого успеха создателям. Все дело в том, что
эта машина устарела еще до того как была построена.
Кто же создавал более перспективные вычислительные
машины? - Немец Конрад Цузе, который с детства любил
изобретать и строить. Еще в детстве он сконструировал
действующую модель аппарата для размена денег. Будучи
студентом технического вуза, Цузе стал мечтать о машине,
которая могла бы считать. Не имея ни малейшего представления
об идеях Чарлза Бэббиджа, Цузе стал разрабатывать свою
машину. Цузе быстро понял, что десятичная система счисления
(«Марк 1» работал в десятичной системе счисления) мало
подходит и остановился на двоичной системе. Еще в 1936 году
он устроил мастерскую в гостиной родительского дома. На свои
деньги он через два года построил машину, которая занимала
около четырех квадратных метров. Машина называлась «Z-1»,
имела клавиатуру, ответ высвечивался на панели с лампочками.
Затем он построил машину «Z-2», в которой данные и команды
вводились с перфоленты, изготовленной из бракованной
кинофотопленки. В качестве основных элементов машины
использовались электромеханические реле. По своей
производительности эти машины не уступали «Марк 1». В 1941
14
году Цузе построил «Z-3» - программно – управляемое
устройство, а затем машину «Z-4».
В 1942 году Цузе и австрийский инженер-электрик
Шрайер предложили заменить реле электронными лампами,
которые тогда только что появились и были дорогими. Однако
их предложение не нашло поддержки в правительстве
Германии.
Целеустремленней всех работали англичане, которые
занимались расшифровкой немецких данных. Английская
разведка собрала группу талантливых ученых и изолировала
(засекретила) их от внешнего мира. В эту группу входил
математик Алан Тьюринг. Он был гениальным ученым. В 1936
году в возрасте 24 лет он написал теоретическую работу, в
которой предвосхитил ключевые свойства современного
компьютера. В своей работе он описал гипотетическое
устройство (впоследствии названое машиной Тьюринга),
состоящее из бумажной ленты и читающей головки, которая
могла считывать и обрабатывать записанные на бумаге
символы. Такая машина могла решить любую математическую
или логическую задачу. Бесконечную ленту можно было
рассматривать как своеобразную внутреннюю память
компьютера.
Работа английских ученых в 1943 увенчалась успехом.
Была создана сверхсекретная декодирующая машина, которую
назвали «Колосс». Эта машина содержала около двух тысяч
электронных ламп. Данные в нее вводились с перфоленты,
информация с которой считывалась со скоростью 5000 символов
в секунду. Однако «Колосс» все-таки была специализированной
электронной машиной, предназначенной только для
расшифровки секретных кодов.
Американцы тоже не теряли время зря. Физик Джон У.
Мочли и изобретатель Джон Преспер Экерт написали записку в
военное ведомство на создание быстродействующего
компьютера на электронных лампах. Заявка затерялась в
армейских инстанциях и только 9 апреля 1943 года военные
бюрократы заключили с учеными контракт на постройку
15
машины «ENIAC» ( Electronic Numerical Integrator and Computer
- электронный цифровой интегратор и вычислитель). Машина
содержала 17468 электронных ламп, работала в десятичной
системе счисления (Мочли считал, что так понятнее человеку),
весила 30 тонн, имела длину 26 метров, высоту 6 метров и
работала в 1000 раз быстрее чем «Марк 1». Машина
представляла собой чудовищный конгломерат электронных
ламп и соединительных кабелей.
Недостаток машины – сложность изменения программы,
на что тратилось около двух дней. Для ввода программы
требовалось установить в нужное положение 6 тыс.
переключателей.
Следующая машина тех же конструкторов - «EDVAC»
(Electronic Discrete Automanic Variable Computer - электронный
дискретный переменный компьютер) уже хранила программы в
специальных устройствах (на ртутных лампах) и работала в
двоичной системе, что существенно уменьшило размеры
машины.
Один из консультантов этой машины был Джон фон
Нейман - одаренный математик (в 6 лет он уже знал
древнегреческий, в 8 лет освоил высшую математику, в возрасте
20 – 30 лет, он внес значительный вклад в развитие квантовой
механики и разработал теорию игр). В уме он производил
сложнейшие вычисления, поражая своих учеников.
Фон Нейман был не чужд тщеславия, любил красивых
женщин и автомобили, которые разбивал примерно раз в год.
Некоторые его коллеги считали его «ученым среди ученых».
Поработав в группе Мочли и Экерта, фон Нейман
подготовил доклад, в котором он обрисовал логическую
организацию компьютера.
В своем докладе фон Нейман выделил ряд ключевых
компонентов компьютера: центральное арифметическо-
логическое устройство, центральное устройство управления,
запоминающее устройство и устройство ввода-вывода
информации. Фон Нейман считал также, что компьютер должен
16
быть электронным устройством, работающим с двоичными
числами и выполнять операции последовательно одну за другой.
Именно после этого доклада компьютер был признан
объектом, представляющим научный интерес. И по сей день
современный компьютер часто называют м а ш ин о й ф о н
Н е й ма н а .
Позднее Джон фон Нейман участвовал в разработке
нескольких компьютеров новейшей конструкции. Один из них
«MANIAC» (Mathematical Analyzer, Nomertor, Integrator and
Computer - математический анализатор, счетчик, интегратор и
компьютер), который был использован для решения задач,
связанных с созданием водородной бомбы.
Джон фон Нейман умер в 1954 г. от саркомы.
Джон Мочли и Препнер Экерт организовали свою
собственную фирму (Eckert-Mauchlu) по производству
компьютеров и задались целью создать универсальный
компьютер «UNIVAC» (Universal Automatic Computer –
универсальный автоматический компьютер), который
предназначался для национального бюро переписи населения
США. Машина содержала 5000 радиоламп и работала с
тактовой частотой 2,5 МГц. Это был первый серийный
компьютер массового выпуска (5 шт.). Исходные данные
вводились на магнитной ленте. Однако они так и не смогли
первыми создать компьютер с хранимой программой. Это
сделал английский исследователь Морис Уилкс в 1949 г.,
построив компьютер «EDSAC» (Electronic Delay, Storage
Automatic Calculator - электронный автоматический калькулятор
с памятью на линиях задержки).
Говард Эйкен серьезно поссорился с Уотсоном и создал
второй, третий и даже четвертый вариант компьютера «Марк
1». В отместку Эйкену Уотсон поручил своим сотрудникам
создать ЭВМ с более высоким быстродействием, чем «Марк 1».
Фирма IBM достигла очень больших успехов в конструировании
компьютеров.
Алан Тьюринг участвовал в создании очень мощного
компьютера «ACE» (Automatic Computing Engine -
17
автоматическое вычислительное устройство), который вступил в
эксплуатацию в мае 1950 г.
В 1954 г. Тьюринг умер в возрасте 41 года.
Конрад Цузе потерял во время бомбежек Германии все
свои машины за исключением «Z4». На основе этой машины
через два десятка лет он создал неплохой коммерческий
компьютер.
В конце 50 г. 20 века закончилась эра компьютеров
нулевого поколения. Компьютерами стали заниматься большое
число фирм. Наступила эра ЭВМ п е р в о г о п о к ол е н и я серийных ламповых ЭВМ.
Как развивалась вычислительная техника в СССР?
В СССР до начала войны отношение к вычислительной
технике и новейшей по тем временам науки к и б е р н е т и к и
( кибернетика-наука об общих закономерностях процессов
управления и передачи информации в различных средах) было
резко отрицательным. «Кибернетика - продажная девка
империализма» - так писали газеты. Однако успехи запада,
энтузиазм советских ученых и потребность в вычислениях
изменили ситуацию.
После войны в России сформировалось несколько крупных
научных школ, занимающихся вычислительной техникой,
которые развивались независимо от запада. Одну из таких школ
возглавлял директор Института электротехники АН Украины
Лебедев Сергей Алексеевич, который в конце 1948 года
начинает работу над малой электронной счетной машиной
(МЭСМ). Машина имела 6000 электронных ламп. Ее
проектирование, монтаж, наладка осуществлялась в течение
двух лет силами небольшого коллектива (12 научных
сотрудников и 15 техников).
Следующей машиной Лебедева была Большая электронносчетная машина (БЭСМ-1, 1953 г.). Она выполняла 8000
операций в секунду (на уровне лучших американских машин и
была самой быстродействующей в Европе). В 1958 г. БЭСМ-2
была подготовлена к серийному производству на Казанском
заводе математических машин.
18
В 1955 г. под руководством Лебедева была начата
разработка ЭВМ М20 (ожидаемая производительность -20 тыс.
операций в секунду). Оперативная память была выполнена на
ферритовых сердечниках и составляла 4096 слов, буферная
память была выполнена на трех магнитных барабанах по 4096
слов. ЭВМ занимала площадь 200 кв. м., потребляла 50 кBт, не
считая энергии на охлаждение помещения.
Параллельно с Лебедевым в специальном конструкторском
бюро (СКБ-245) была разработана ламповая ЭВМ «Стрела» с
производительностью 2000 операций в секунду.
Выдающимся конструктором вычислительных машин был
Башир Искандарович Рамеев. Под его руководством в 1954 г.
была создана ламповая машина «Урал-1». Эта ЭВМ с
быстродействием 100 операций в секунду и памятью на
магнитных барабанах относилась к разряду малых недорогих
машин преимущественно для инженерных вычислений.
ЭВМ первого поколения, как правило, были машинами с
жестким циклом выполнения операций, работающие без
совмещения. Это означает, что следующая команда начинает
выполняться только после завершения предыдущей операции.
Кроме того, во время ввода информации с перфолент
(перфокарт) центральный процессор простаивал. Его
арифметическое устройство занималось перекачкой
информации от внешних устройств в запоминающие устройства
машины.
ЭВМ в т о р о г о п о к о л е н и я использовали в качестве
элементной базы т ра нз и с т о р (transistor) или
полупроводниковый триод, который позволял заменить
электронную лампу. Создателями транзистора в 1947 г были
американские ученые – физики Уильям Шокли, Джон Бардин и
Уолтер Браттейн из фирмы «Bell Labs». Небольшие размеры,
малый вес, низкая стоимость, высокая надежность,
продолжительный срок службы, низкое энергопотребление и
другие достоинства этого прибора позволяли использовать его в
качестве элементной базы ЭВМ второго поколения. В США уже
в 1955 г транзисторы использовались для разработки
19
компьютера «TRADIC» (800 транзисторов, 11 тыс. германиевых
диодов), в 1958 г. ЭВМ «Philco-2000» содержала 56 тыс.
транзисторов, 1200 диодов. Быстродействие компьютеров на
транзисторах возросло в 10 раз по сравнению с ламповыми
ЭВМ. Аналогичные машины (приблизительно в тоже время)
были построены в Англии, ФРГ, Японии, Франции и Италии.
В 1960 году в СССР группа разработчиков во главе с Е.
Л. Брусиловским в НИИ математических машин в Ереване
завершила разработку первой в СССР полностью
полупроводниковой ЭВМ «Раздан-2».
Значительным событием в конструировании машин
второго поколения стали ЭВМ «Atlas» (выпущена в Англии в
1961 году), в которой были применены концепции виртуальной
(кажущейся) памяти, «Stretch», «CDC-6600» (США) и «БЭСМ6» (СССР).
Легендой советского компьютеростроения является
машина «БЭСМ-6», которая была разработана в 1966 г.
Лебедевым С.А. Эта машина была вершиной его научной
карьеры, рис. 1.1
БЭСМ-6 выпускали почти 20 лет с 1968-го по 1987 год.
Крупные научные и военно-научные центры имели в своих
вычислительных залах БЭСМ-6, которая обладала
производительностью в 1 млн. операций в секунду!
БЭСМ-6 была первой советской супер-ЭВМ второго
поколения, на полупроводниковых транзисторах.
20
Рисунок. 1.1 - Общий вид ЭВМ БЭСМ-6
В БЭСМ-6 было много принципиально новых идей. На
БЭСМ-6 появились первые полноценные операционные
системы, мощные трансляторы, ценнейшая библиотека
численных методов и виртуальная память - механизм
преобразования математического адреса в физический с
помощью специальных таблиц (термин «виртуальная», правда,
еще не использовался).
Чуть позднее в СССР стали выпускать малые ЭВМ второго
поколения на транзисторах: «Наири» (1964 г.), «МИР-1»,
«МИР-2»), «Проминь-М», «Проминь-2». Эти малогабаритные
машины, выполненные на полупроводниках, обладали
небольшим быстродействием, около 1000 операций/сек. Они
служили для выполнения сравнительно несложных инженерных
расчетов в КБ и НИИ. Все эти машины были построены по
принципу микропрограммного управления и обычно работали в
режиме программно-аппаратной интерпретации входного языка.
Одним из важных достоинств малых машин являлась их
дешевизна и простота использования.
Основной недостаток ЭВМ второго поколения состоял в
том, что они имели примерно одинаковые вычислительные
возможности, но абсолютно разную архитектуру.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]