Основы информатики

Кирьянов Б.Ф. Основы информатики. 11

электричестве еще мало кто думал, поэтому вычислительная машина должна была приводиться в действие паровой машиной.

Рис. 1.2. Машины Чарльза Беббиджа

Кроме аналитической машины Ч. Беббидж разработал и разностную машину (рис 1.2b). Эта машина предназначалась для выполнения вычислений на основе так называемых разностных алгоритмов. Улучшенный проект разностной машины, над которым работал Беббридж в 1847 – 1849 годах назывался «Разностная машина № 2».

Значительную помощь Беббиджу оказала дочь английского поэта Байрона Ада Августа (графиня Лавлейс). Она составляла программы для решения задач на аналитической машине Беббиджа. Кроме того, она составила описание принципов ее работы и считается исторически первой программисткой мира.

Кирьянов Б.Ф. Основы информатики. 12

Идеи Бэббиджа стали реально воплощаться в жизнь в конце 19 века и в 20-м веке. Так, в 1890 г. американец Герман Холлерит построил статистический табулятор с целью ускорения обработки результатов переписи населения. Его машина имела большой успех, на еѐ основе было создано преуспевающее предприятие, которое в 1924 году превратилась в фирму IBM, ставшую впоследствии крупнейшей компьютерной фирмой мира.

В1934 г. Немецкий студент Конрад Цузе, работавший над дипломным проектом, решил сделать в домашних условиях цифровую вычислительную машину с программным управлением. Она должна была работать с двоичными числами (впервые в мире). В 1937 г. машина Z1 (Цузе 1) заработала. Она могла обрабатывать 22-х разрядные двоичные числа с плавающей запятой, имела память на 64 числа и работала полностью на механической (рычажной) основе.

Втом же 1937 г. Джон Атанасов (болгарин по происхождению, живший в США) начал разработку специализированной вычислительной машины, впервые в мире применив электронные лампы в количестве 300 штук.

1942-43 гг. В Англии при участии Алана Тьюринга была создана вычислительная машина "Колосс" (Colossus). В ней было уже 2000 электронных ламп. Машина предназначалась для расшифровки радиограмм германского Вермахта. Работы Цузе и Тьюринга были секретными. Поэтому построенные с их участием машины не вызвали какого-либо резонанса в мире.

В1943-44 гг. под руководством американского ученого Говарда Айкена, по заказу и при поддержке фирмы IBM создан Mark-1 – первый программноуправляемый компьютер. Он был построен на электромеханических реле, а программа обработки данных вводилась с перфоленты. Умножение и деление

производилось в отдельном устройстве. Кроме того, машина имела встроенные блоки, для вычисления sin x, 10x и lg x. В целом Марк-1 был монстром весом около 35 тонн. Но его производительность была "эквивалентна" производительности примерно 20 операторам, работающим с ручными счетными машинами. В Марк-1 Г. Айкен осуществил гениальную идею Беббиджа о принципах построения вычислительных машин. Марк-1 заработал в 1944 г.

Однако только в 1946 г., когда появилась информация об ЭВМ ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer − электронный цифровой интегра-

тор и компьютер), созданной в США Д. Мочли и П. Эккертом, перспективность электронной техники стала очевидной. В ENIAC использовалось 18000 электронных ламп, и она выполняла около 3000 операций в секунду. Машина работала с десятичной системой счисления, а ее память составляла лишь 20 слов.

Кирьянов Б.Ф. Основы информатики. 13

Программы хранились вне оперативной памяти. ENIAC стал первым электронным вычислителем в мире._Он_занимал_площадь_около_300_кв._м. – целый спортивный зал!

Завершающую точку в создании первых электронных вычислительных машин поставили в 1949-52 гг. ученые Англии, Советского Союза и США (Морис Уилкс – "ЭДСАК", 1949 г.; Сергей Лебедев – МЭСМ, 1951 г.; Джон Мочли и Преспер Эккерт, Джон фон Нейман – "ЭДВАК", 1952 г.), создавшие ЭВМ с хранимой в памяти ЭВМ программой.

В Советском Союзе первая электронная цифровая вычислительная машина была разработана в 1950 году под руководством академика С. А. Лебедева в Академии наук Украинской ССР. Она называлась «МЭСМ» (малая электронная_счѐтная_машина). Затем последовала серия БЭСМ (большая электронная машина) АН СССР.

С.А. Лебедев (1902 – 1974) Рис. 1.3. Легенда первых отечественных ЭВМ БЭСМ-6

Но постепенно наступала пора интегральных схем. В 1958 г. американец Джек Килби сконструировал первую интегральную схему.

7 апреля 1964 г. фирма IBM объявила о создании семейства компьютеров System-360. Это был важнейший шаг к унификации, совместимости и стандартизации компьютеров. В этом же году появился язык программирования

BASIC.

1970 г. Швейцарец Никлас Вирт разработал язык программирования Паскаль, получивший впоследствии широкое распространение в обучении и программировании.

1971 г. Под руководством инженера фирмы Intel Теда Хоффа создан первый микропроцессор - 4-х разрядный 4004 или, как его назвали, – "компьютер в

Кирьянов Б.Ф. Основы информатики. 14

одном кристалле". Он состоял из 2250 транзисторов и выполнял все функции центрального процессора универсального компьютера.

1975 г. Студенты Пол Аллен и Билл Гейтс впервые использовали язык Бейсик для программного обеспечения персонального компьютера (микрокомпьютера) "Альтаир" – разработка 1975 г. Они же основали фирму Microsoft. Создан микропроцессор "МОП-технолоджи 6502", он состоял из 4300 транзисторов и широко использовался в персональных компьютерах того времени. Фирма IBM представила на рынок один из первых лазерных принтеров.

1977 г. В массовое производство были запущены три персональных ком-

пьютера: Apple-2 (Apple Computer) на базе процессора 6502, PET (Commodore)

на базе процессора 8088, TRS-80 (Tendy Corporation) на базе процессора Z80.

1983 г. Фирма Apple Computer построила персональный компьютер Apple - первый компьютер, управляемый манипулятором "мышь". В этом же году на-

чалось массовое использование гибких дисков (дискет), как стандартных носителей информации.

1988 г. Основатель фирмы Apple Стив Джобс со своей новой фирмой Next Computer создали компьютер Next и операционную систему Next Step.

В конце 80-х годов прошлого века появились компакт-диски. Фирмой Philips был разработан стандарт записи компакт-дисков CD-I (CD Interactiv).

В 1993 г. фирма Intel представила микропроцессор Pentium. В этом же году фирма Siemens представила свой нейрокомпьютер, мощность которого эквивалентна 8000 рабочим станциям. Компьютер параллельно обрабатывал информацию от сети искусственных нейронов – идеальное решение для задач распознавания речи и изображений.

Об отечественных ЭВМ речь пойдѐт ниже.

1995 г. Главным событием в мире программного обеспечения персональных компьютеров стало создание универсальной многозадачной операционной системы Windows 95. Выпущенная в сентябре 1995 года система Windows 95 стала первой графической операционной системой для компьютеров IBM PC. Впоследствии эта операционная система получила своѐ развитие в Windows 98, Widows 2000-2003, Windows 2007, Windows 2010. Фирма Microsoft в системе

Windows 95 ввела новый стандарт самоустанавливающихся устройств (Plug

And Play).

Основоположниками современной компьютерной науки являются Клод Шеннон (США) – создатель теории информации, Алан Тьюринг (Англия) –

Кирьянов Б.Ф. Основы информатики. 15

математик, создавший теорию программ и алгоритмов, и Джон (Янош) фон Нейман (Венгрия – США), сделавший большой вклад в разработку новых методов программирования, идеи которого используются и в настоящее время. В те же годы возникла еще одна новая наука, связанная с информатикой, − кибернетика, наука об управлении как одном из основных информационных процессов. Еѐ основателем является американский математик Норберт Винер (США). В своем фундаментальном труде «Кибернетика» (1948 год) он сформулировал основные положения кибернетики. Винер − автор трудов по математическому анализу, теории вероятностей, электрическим сетям и вычислительной технике. Одно время слово "кибернетика" использовалось для обозначения вообще всей компьютерной науки, а в особенности тех ее направлений, которые в 60-е годы считались самыми перспективными: искусственного интеллекта и робототехники. Из российских ученых, внѐсших большой вклад в разработку ЭВМ и вычислительных алгоритмов, кроме С.А. Лебедева, можно отметить Ю.Я. Базилевского, И.С. Брука, В.М. Глушкова, М.А. Карцева, В. В. Пржиалковского, А.С. Самарского, С.М. Пригарина, Б.И. Рамеева и др.

Кирьянов Б.Ф. Основы информатики. 16

1.3 Поколения ЭВМ

История развитие ЭВМ делится на несколько периодов, которые характеризуются соответствующими поколениями. Поколения ЭВМ каждого периода отличаются друг от друга элементной базой и математическим обеспечением.

Первое поколение ЭВМ. Это поколение существовало в 1945 – 1954 гг. Машины этого поколения строились на электронных лампах. Это были годы становления вычислительной техники. Большинство машин первого поколения были экспериментальными устройствами, то есть они строились с целью проверки тех или иных теоретических положений. Вес и размеры этих компьютерных динозавров, которые

строились с целью проверки тех или иных теоретических положений. Вес и размеры этих компьютерных динозавров, которые нередко требовали для себя отдельных зданий, давно стали легендой. Ввод чисел в первые машины производился с помощью перфокарт, а программное управление последовательностью выполнения операций осуществлялось, например в ENIAC, как в счетноаналитических машинах, с помощью штекеров и наборных полей. Стоило перегореть хотя бы одной лампе, как ENIAC тут же вставал, и начиналась суматоха: все спешно искали сгоревшую лампу. Когда все лампы работали, инженерный персонал мог настроить ENIAC на какую-нибудь задачу, вручную изменив подключение 6000 проводов. Все эти провода приходилось вновь переключать, если нужно было решать другую задачу.

Первой серийно выпускавшейся ЭВМ 1-го поколения стал компьютер UNIVAC (универсальный автоматический компьютер). Разработчики: Джон Мочли (John Mauchly) и Дж. Преспер Эккерт (J. Prosper Eckert). Он был первым электронным цифровым компьютером общего назначения. UNIVAC, работа по созданию которого началась в 1946 году и завершилась в 1951-м, имел время сложения 120 мкс, умножения -1800 мкс и деления - 3600 мкс. UNIVAC мог сохранять 1000 слов, 12000 цифр со временем доступа до 400 мкс максимально. Магнитная лента несла 120000 слов и 1440000 цифр. Ввод/вывод осуществлялся с магнитной ленты, перфокарт и перфоратора. Его первый экземпляр был передан в Бюро переписи населения США.

Программное обеспечение компьютеров 1-го поколения состояло в основном из стандартных подпрограмм. Примерами машин этого поколения являются: ENIAC, «МЭСМ, БЭСМ, IBM-701, Стрела, М-2, М-3, Урал, Урал-2, Минск-1, Минск-12, М-20, Наири и др. Эти ЭВМ занимали большую площадь,

Кирьянов Б.Ф. Основы информатики. 17

использовали много электроэнергии и использовали очень большое число электронных ламп. Например, в машине Стрела насчитывалось около 6400 электронных ламп и 60 тыс. полупроводниковых диодов. Быстродействие этим ЭВМ не превышало 2 – 3 тыс. операций в секунду, а оперативная память не превышала 2 Кб. Только у машины М-2 (1958 г. выпуска) оперативная память была 4 Кб, а быстродействие 20 тыс. операций в секунду.

стить0подготовку программ для ЭВМ, значително уменьшить габариты и стоимость компьютеров, которые тогда впервые стали изготавливаться на продажу. Машинами второго поколения являются «РАЗДАН-2», «IВМ-7090», «Минск-22, -32», «Урал-14, -16», «БЭСМ-3, -4, -6», «М-220, -222» и др.

Рис. 1.4. ЭВМ Минск-32

Применение полупроводников в электронных схемах ЭВМ привели к увеличению достоверности, производительности до 30 тыс. операций в секунду, и

Кирьянов Б.Ф. Основы информатики. 18

оперативной памяти до 32 Кб. Уменьшились габаритные размеры машин и потребление электроэнергии. Но главные достижения этой эпохи принадлежат

кобласти программ. На втором поколении компьютеров впервые появилось то, что сегодня называется операционной системой. Соответственно расширялась и сфера применения компьютеров. Теперь уже не только ученые получали доступ

квычислительной технике; компьютеры нашли применение в планировании и управлении, а некоторые крупные фирмы даже компьютеризовали свою бухгалтерию, предвосхищая моду на двадцать лет.

Основные технические характеристики ЭВМ "Урал-16":

–структура команд двухадресная;

–система счисления двоичная,

–способ представления чисел – с плавающей запятой;

–разрядность – 36 двоичных разрядов;

–быстродействие 5000 операций/с;

–количество основных команд – 17, каждая из них имеет 8 модификаций;

–емкость ОЗУ на ферритах – 2047 слов, время обращения к ОЗУ – 24 мкс;

–емкость внешнего НМЛ – 120000 чисел; скорость считывания с НМЛ –

2000 чисел/с.

–устройства ввода – вывода обеспечивают ввод информации в машину с фотосчитывающего устройства на киноленте со скоростью 35 чисел/с;

–вывод результатов вычислений на печатающее устройство осуществляется со скоростью 20 чисел/с;

–питание машины – от сети переменного тока с напряжением 380/220 В и частотой 50 Гц.

–потребляемая мощность – около 3 кВт;

–занимаемая площадь – 20 кв. м.

Третье поколение ЭВМ. Разработка в 60-х годах интегральных схем – целых устройств и узлов из десятков и сотен транзисторов, выполненных на одном кристалле полупроводника (то, что сейчас называют микросхемами) привело к созданию ЭВМ 3-го поколения. В это время появляется полупроводниковая память, которая и по сей день используется в персональных компьютерах в качестве оперативной. Применение интегральных схем намного увеличило возможности ЭВМ. Теперь центральный процессор получил возможность параллельно работать и управлять многочисленными периферийными устройствами, одновременно обрабатывая несколько программ

Кирьянов Б.Ф. Основы информатики. 19

(принцип мультипрограммирования). В результате реализации принципа мультипрограммирования появилась возможность работы в режиме разделения времени. Поэтому удаленныеот ЭВМ пользователи получили возможность независимо друг от друга, оперативно взаимодействовать с машиной.

В эти годы производство компьютеров приобретает промышленный размах. Пробившаяся в лидеры фирма IBM первой стала выпускать целое семейство ЭВМ − серию полностью совместимых друг с другом компьютеров от самых маленьких, размером с небольшой шкаф (меньше тогда еще не делали), до самых мощных и дорогих моделей. Наиболее распространенным в те годы было семейство машин System/360 фирмы IBM.

Начиная с ЭВМ 3-го поколения, традиционным стала разработка серийных ЭВМ. Хотя машины одной серии сильно отличались друг от друга по возможностям и производительности, они были информационно, программно и аппаратно совместимы, что важным достоинством этих машин. Например, странами СЭВ были выпущены ЭВМ единой серии «ЕС ЭВМ»: «ЕС-1022», «ЕС-1030», «ЕС-1033», «ЕС-1046», «ЕС-1061», «ЕС-1066» и др. Производи-

тельность этих машин достигала от 500 тыс. до 2 млн. операций в секунду, объѐм оперативной памяти достигал 8 – 192 Мб.

К ЭВМ этого поколения также относится «IВМ-370», «Электроника –

100/25», «Электроника – 79», «СМ – 3», «СМ – 4» и др.

Для серий ЭВМ было сильно расширено программное обеспечение (операционные системы, языки программирования высокого уровня, прикладные программы и т.д.).

К мини-ЭВМ 3-го поколения можно отнести машину «Наири», имевшую троичную систему счисления, польскую машину «Сетунь».

Невысокое качество электронных комплектующих было слабым местом советских ЭВМ третьего поколения. Отсюда постоянное отставание от западных разработок по быстродействию, весу и габаритам, но не по функциональным возможностям. Для того, чтобы компенсировать указанное отставание, велась разработка спецпроцессоров, позволяющих строить высокопроизводительные системы для частных задач. Оснащенная спецпроцессором Фурье-преобразо- ваний ЭВМ СМ-4, использовалась, например, для радиолокационного картографирования Венеры.

Еще в начале 60-х годов появляются первые миникомпьютеры – небольшие маломощные компьютеры, доступные по цене небольшим фирмам, лабораториям и вузам. Миникомпьютеры представляли собой первый шаг на пути к

Кирьянов Б.Ф. Основы информатики. 20

персональным компьютерам, пробные образцы которых были выпущены только в середине 70-х годов. Известное семейство миникомпьютеров PDP фирмы Digital Equipment послужило прототипом для советской машин серии СМ.

Между тем количество элементов и соединений между ними, умещающихся в одной микросхеме, постоянно росло, и в 70-е годы интегральные схемы содержали уже тысячи транзисторов. Это позволило объединить в единственной маленькой детальке большинство компонентов компьютера, что и сделала в 1971 г. фирма Intel, выпустив первый микропроцессор, предназначавшийся для только-только появившихся настольных калькуляторов. Этому изобретению суждено было произвести в следующем десятилетии настоящую революцию: ведь микропроцессор является основой современных персональных компьютеров.

Но и это еще не все – поистине, рубеж 60-х и 70-х годов был судьбонос-

ным временем. В 1969 г. зародилась первая глобальная компьютерная сеть - зародыш того, что мы сейчас называем Интернетом. И в том же 1969 году одновременно появились операционная система Unix и язык программирования С ("Си"), оказавшие огромное влияние на программный мир и до сих пор имеющие широкое применение.

Четвертое поколение ЭВМ. К сожалению, начиная с середины 1970-х годов при смене поколений все меньше становится принципиальных новаций в компьютерной науке. Прогресс идет в основном по пути развития того, что уже изобретено и придумано, – прежде всего за счет повышения разрядности узлов ЭВМ, повышения быстродействия и миниатюризации элементной базы и самих компьютеров.

Обычно считается, что период с 1975 г. принадлежит компьютерам четвертого поколения. Их элементной базой стали большие интегральные схемы (БИС). В одном кристалле интегрируется до 100 тысяч элементов. Быстродействие этих машин составляло десятки млн. операций в секунду, а оперативная память достигла сотен Мб. Появились микропроцессоры (1971 г. фирма Intel), микро-ЭВМ и персональные ЭВМ. Стало возможным коммунальное использование мощности разных машин (соединение машин в единый вычислительный узел и их работа с разделением времени). Однако, есть и другое мнение - многие полагают, что достижения периода 1975–1985 г.г. не настолько велики, чтобы считать его равноправным поколением. Сторонники такой точки зрения называют это десятилетие принадлежащим "третьему с половиной" поколению