Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теоретические и практические вопросы дисциплины «Информатика». Учебное пособие
.pdf
11
вступили во Вторую мировую войну, президентом фирмы IBM был
шестидесятисемилетний 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 Айкен. 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 Айкена от службы в
армии, красочно рассказав им, как задуманный компьютер сможет
рассчитывать траекторию полета артиллерийских снарядов (на это
требовалось полгода труда квалифицированного расчетчикаматематика).
С благословения командования военно-морского флота и при
финансовой и технической поддержке фирмы IBM (было выделено
500 тыс. долларов) Айкен 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 I». Машина получилась весьма внушительной:
семнадцать 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 секунды, на умножение 3
секунды. 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
12
система счисления («Марк I» работал в десятичной системе
счисления) неоптимальна 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 I». В 1941 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 году 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
13
электронных лампах. Заявка затерялась в армейских инстанциях и
только 9 апреля 1943 года военные бюрократы заключили с учеными
контракт на постройку 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 I». 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, устройство ввода-вывода информации. Фон Нейман
считал также, что компьютер должен 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 и н о й ф о н Н е й м а н а .
14
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 с е р и й н ы й 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 Айкен серьезно поссорился с Уотсоном и создал второй,
третий и даже четвертый вариант компьютера «Марк I». В отместку
Айкену Уотсон поручил своим сотрудникам создать ЭВМ с более
высоким быстродействием, чем «Марк I». Фирма IBM достигла очень
больших успехов в конструировании компьютеров.
Алан Тьюринг участвовал в создании очень мощного
компьютера «ACE» (Automatic Computing Engine − 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 о л е н и я − серийных ламповых
ЭВМ.
Как развивалась вычислительная техника в СССР?
15
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
(двенадцать научных сотрудников и пятнадцать 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.
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 электроэнергии, 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 сто
операций в секунду и памятью на магнитных барабанах относилась к
разряду малых недорогих машин преимущественно для инженерных
вычислений.
16
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 запоминающее устройство
машины.
ЭВМ в т о р о г о п о к о л е н и я использовали в качестве
элементной базы т р а н з и с т о р ы (transistor) или
полупроводниковые триоды, который позволял заменить электронные
лампы. 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
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 «БЭСМ-6» (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).
БЭСМ-6 выпускали почти 20 лет с 1968 по 1987 год. Крупные
научные и военно-научные центры устанавливали в своих
17
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.
Рис. 1. Общий вид ЭВМ БЭСМ-6
В БЭСМ-6 было реализовано множество 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.
18
Основной недостаток ЭВМ второго поколения состоял в том,
что они имели примерно одинаковые вычислительные возможности,
но абсолютно разную архитектуру.
В начале апреля 1964 года фирма IBM объявила о создании
шести моделей своего с е м е й с т в а IBM System/360 («S/360»), что
ознаменовало появление компьютеров т р е т ь е г о п о к о л е н и я .
Отличительными чертами семейства программно-совместимых
систем являлись:
разработка ряда моделей семейства с различной
производительностью и ценой, но одинаковой архитектурой;
все модели обладали программной совместимостью, т.е.
составленная программа могла быть выполнена на любой модели
(при наличии достаточных ресурсов, например памяти);
полная унификация устройств и аппаратная совместимость между
моделями;
В машинах третьего поколения использовалась более гибкая
система прерываний, позволяющая синхронизировать работу
центрального процессора, процессоров ввода/вывода и должным
образом реагировать на аварийные ситуации в программах
пользователя. Мультипрограммный режим работы компьютера
требовал создания мощных средств защиты памяти. Создавались
механизмы динамического распределения памяти,
совершенствовались операционные системы.
Использование новой элементной базы позволило существенно
повысить быстродействие и объем оперативной памяти нового
поколения машин. Значительно расширилась номенклатура внешних
устройств: появились накопители на сменных магнитных дисках,
алфавитно-цифровые и графические дисплеи, графопостроители и т.д.
Затраты на разработку такой системы в США составили пять
млрд. долларов (сравнимы с затратами проекта «Аполон» − полета
человека на Луну).
Архитектура IBM/360 была настолько удачной, что стала
промышленным эталоном и многие фирмы позднее стали выпускать
IBM совместимые компьютеры.
В машинах третьего поколения вместо транзисторов стали
использоваться и н т е г р а л ь н ы е с х е м ы (ИС), которые заменили
тысячи транзисторов. В результате снизилась цена ЭВМ, ее размеры и,
самое удивительное производительность возросла в 100 раз по
сравнению с ЭВМ второго поколения. Благодаря этому многие
19
организации смогли приобретать такие машины и использовать их для
решения самых различных задач.
Первая попытка создания с е м е й с т в а ЭВМ в СССР связана с
серией «Урал». Идеи, заложенные в архитектуру этого семейства,
весьма близки к тому, что сейчас понимается под архитектурой машин
третьего поколения. Однако машины этого семейства имели
значительные отклонения от тех стандартов на внешнее оборудование
и системы сопряжения, которые приняты к настоящему времени, к
тому же эти машины основывались на технологической базе второго
поколения.
В 1967 году ЦК и Совмин выпустили совместное
постановление о разработке Единой Серии Электронных
Вычислительных Машин (ЕС ЭВМ). Был создан Научноисследовательский центр электронной вычислительной техники
(НИЦЭВТ), под его началом объединились и другие организации.
Было принято решение о воспроизведении архитектуры программно
совместимого семейства IBM 360.
Воспроизведение шло на основе доступных публикаций,
посвященных принципам архитектуры и операционных систем.
Воспроизводя основополагающие принципы архитектуры семейства
IBM, советские специалисты, тем не менее, создавали оригинальные
машины, поскольку точного повторения американских моделей,
естественно, быть не могло. Не было и технологической базы для
создания эквивалентных по мощности и возможностям машин.
За 20 лет было выпущено три поколения ЕС ЭВМ, близких по
архитектуре к семействам IBM-360 и 370. Быстродействие ЕС ЭВМ
варьировалось от 20 тыс. оп/сек в самой младшей модели ЕС-1020 до
500 тыс. оп/сек в наиболее мощной ЕС-1050.
ЕС ЭВМ ориентировались на эффективную универсальную
обработку информации при решении самых разнообразных проблем:
научно-технических, планово-экономических, учетно-статистических
и др. задач. Их применение было связано с вычислительными
работами большого объема, использованием различных баз данных и
сопряжением с высокопроизводительной и дорогостоящей
периферией. Сфера применения ЕС ЭВМ была необычайно широка,
эти машины обеспечивали самые разнообразные потребности страны в
вычислительной технике.
До 1984 года программа ЕС полностью поддерживалась
государством, на нее выделялись значительные средства, а контроль за
20
выпуском очередного ряда осуществляла военно-промышленная
комиссия ЦК КПСС.
Основным сдерживающим моментом в дальнейшем
совершенствовании ЕС ЭВМ была, безусловно, элементная база.
Однако с началом экономической реформы в СССР (1990)
производство машин фактически прекратилось, ЕС так и не перешли
на большие и сверхбольшие интегральные схемы.
Дальнейшее развитие микроэлектроники привело к
возможности размещать на одном кристалле тысячи интегральных
схем. Это привело к появлению ЭВМ ч е т в е р т о г о п о к о л е н и я ,
элементной базой которых стали б о л ь ш и е и н т е г р а л ь н ы е
с х е м ы (БИС).
Такая миниатюризация привела к появлению недорогих
компьютеров. Небольшие ЭВМ могли разместиться на одном
письменном столе. Именно в эти годы зародился термин
«П е р с о н а л ь н ы й к о м п ь ю т е р » (ПК).
Попытки создать компьютер небольших размеров, на котором
можно было бы работать одному человеку, делались, начиная с 1974 г.
Одной из первых таких машин был компьютер, который назывался
«Альтаир 8080», построенный небольшой и малоизвестной
американской фирмой МИТС на основе микропроцессора Intel 8080.
Стоимость компьютера была всего 397 долларов. Его возможности
были ограничены: оперативная память была всего 256 байт, экран и
клавиатура отсутствовали, ввод и вывод информации производился в
двоичном годе. Кроме того, компьютер часто продавался в
разобранном виде (в виде конструктора). Однако компьютер
пользовался бешеным успехом у энтузиастов вычислительной
техники. Молодой программист из Бостона Пол Аллен и студент
Гарвардского университета Билл Гейтс написали программу,
реализующую для Альтаира алгоритмический язык BASIC.
Впоследствии Гейтс и Аллен основали собственную фирму Microsoft.
Вслед за фирмой МИТС создавать подобные ПК стали еще два
десятка фирм. В сентябре 1977 г. в продаже появилась модель
компьютера «Tandy TRS-80» фирмы Tandy Corporation, построенная
на базе новейшего микропроцессора Z-80. Компьютер был снабжен
видеомонитором, клавишным устройством, кассетным магнитофоном,
который предназначался для записей программ и данных.
В начале 1977 г. фирма Apple Computers продемонстрировала
компьютер «Apple II», который весил около 5 кг, имел систему
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]