1 Эволюция эвм.

1.1 Предпосылки эвм. Механические компьютеры.

Желание облегчить процесс вычисления был издавна. Счет на пальцах, палочках, камешках ,узелках, счеты, все это было придумано издавна, тем самым положив начало вычислительной технике. Так как такой счет послужил не только людям в повседневной жизни, ведь перед человеком ставились все более сложные задачи, которые требовали все более сложных и длительных вычислений, но и для развития математики. Благодаря счету на пальцах появилась десятичная система счисления. Также у древних римлян было введено пальцевое изображение чисел, различные загибы означали единицы, десятки, сотни и тысячи. До нас она дошла только в виде "римских цифр".В V-VI в.в. до нашей эры пользовались доской для вычислений, которую называли «абак», вычисления на ней производились путем перемещения камешков, костей по углублениям в дощечках из камня, бронзы, слоновой кости, количество пересчитываемых предметов соответствовало числу передвинутых костяшек. В древней Руси пользовались похожим устройством, называемым «русский шот», которое в XVII веке преобразовалось уже в привычные русские счеты.

XVII век принес много нового в сферу науки. В этом веке были заложены научные основы физики, механики, химии , астрономии, математики переменных величин, созданы первые счетные машины.

В 1623 году профессор математики Тюбингенского университета Вильгельм Шиккард предложил первую из ныне известных счетных машин, так называемые «считающие часы». Эта машина состояла из 3 частей:

6-разрядных десятичных суммирующего и множительного устройств, а также механизма для записи промежуточных результатов. Все взаимосвязи устройств машины между собой осуществлялись, как и во всех последующих механических арифмометрах, с помощью зубчатых передач, а для перехода в следующий десятичный разряд использовалось косозубое колесо с одним пальцем. Машина Шиккарда не получила широкого распространения, однако использовалось астрономом Иоганном Кеплером ,но тем не менее многие годы считалось, что первый арифмометр создал французский математик Блез Паскаль в 1642 году .Его счетная машина могла выполнять только операции сложения и вычитания. Она представляла собой механическую конструкцию с шестеренками и ручным приводом. В честь Блеза Паскаля назван один из языков программирования. Через 30 лет немецкий математик Готфрид Вильгельм Лейбниц построил другую механическую машину, которая помимо сложения и вычитания могла выполнять операции умножения и деления . В сущности, Лейбниц три века назад создал подобие карманного калькулятора с четырьмя функциями.

В XVIIв. было изобретено и построено несколько счетных устройств, которые не получили широкого распространения из-за ряда недостатков, главным из которых была медлительность процесса. В 1812 г.английский математик и экономист Чарльз Бэббидж взялся за создание машины, которая должна была не просто выполнять арифметические действия, а проводить операции по специальной программе, задающей различные функции. Данная машина предполагалась, как чисто механическое устройство с паровым приводом и состояла из»склада» - хранилища для чисел, «фабрики» - устройства для производства арифметических действий с числами, и устройства, управляющего операциями машины в нужной последовательности, так же проектировались устройства для ввода и вывода чисел. К сожалению, Бэббидж умер, сделав лишь некоторые узлы своей машины.

В 1842 году в Женеве была опубликована небольшая рукопись итальянского военного инженера Л.Ф. Менабреа «Очерк об аналитической машине, изобретённой Чарльзом Бэббиджем», переведённая в последствии ученицей и помощницей Бэббиджа дочерью Дж. Г. Байрона — леди Адой Лавлейс. При содействии Бэббиджа Ада Лавлейс составляла первые программы для решения систем двух линейных уравнений и для вычисления чисел Бернулли. Леди Лавлейс стала первой в мире женщиной-программистом.

В 1878 г.русский ученый П. Чебышев смог предложить счетную машину, выполняющую сложение и вычитание многозначных чисел, однако наибольшую популярность получил тогда довольно удачный арифмометр, изобретенный петербургским инженером Однером в 1874г., позволяющий достаточно быстро производить все четыре арифметических действия.В 30-е годы XX столетия в нашей стране был разработан более совершенный арифмометр — «Феликс». Эти счётные устройства использовались несколько десятилетий, став основным техническим средством облегчения человеческого труда.

В 1890г.американский изобретатель Г.Холлерит впервые построил ручной перфоратор для нанесения цифровых данных на перфокарты и ввел механическую сортировку для раскладки этих перфокарт в зависимости от места пробивания. Им была построена машина - табулятор, которая прощупывала отверстия в перфокартах, воспринимала их как соответствующие числа и подсчитывала их. Данные табуляторы использовались при переписи населения в США, Австрии, Канаде, Норвегии, а так же в России. Компания Холлерита в итоге стала ядром IBM, к 1950 году технологияIBMстал вездесущей в промышленности и правительстве. Девизом послевоенной поры стало предупреждение, напечатанное на большинстве карт «не сворачивать, не скручивать и не рвать». Во многих компьютерных решениях перфокарты использовались вплоть до конца 1970-х годов.

Конец 1930-х годов Джордж Стибитс продемонстрировал автоматическую счетную машину в Дартмутском колледже на конференции, на которой присутствовал ничем не примечательный на тот момент профессор физики из университета Пенсильвании Джон Моушли, ставший позднее очень известным в области компьютерных разработок.

В 1942 году профессор электротехнической школы Мура Пенсильванского университета Д. Маучли представил проект «Использование быстродействующих электронных устройств для вычислений», положивший начало созданию первой электронной вычислительной машины ENIAC. Около года проект пролежал без движения, пока им не заинтересовалась Баллистическая исследовательская лаборатория армии США. В 1943 году под руководством Д. Маучли и Д. Эккерта были начаты работы по созданию ENIAC, демонстрация состоялась 15 февраля 1946 года. Новая машина имела «впечатляющие» параметры: 18000 электронных ламп, площадь 90 × 15 м², весила 30 т и потребляла 150 кВт. ENIAC работала с тактовой частотой 100 кГц и выполняла сложение за 0,2 мс, а умножение — за 2,8 мс, что было на три порядка быстрее, чем это могли делать релейные машины. По своей структуре ЭВМ ENIAC напоминала механические вычислительные машины.

Долгое время считалось, что ENIAC единственный электронный компьютер, но в 1975 году Великобритания сообщила о том, что уже с декабря 1945 года в государственном институте Блетчли-Парк работал первый программируемый ЭВМ «Колосс», но для правильной оценки компьютера Англия не предоставила много данных.

С точки зрения архитектуры ЭВМ с хранимой в памяти программой революционными были идеи американского математика, Члена Национальной АН США и американской академии искусств и наук Джона фон Неймана (1903—1957). Эти идеи были изложены в статье «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства», написанная вместе с А. Берксом и Г. Голдстайном и опубликованная в 1946 году.

Вот как представлял фон Нейман свою ЭВМ:

Машина должна состоять из основных органов: орган арифметики, памяти, управления и связи с оператором, чтобы машина не зависела от оператора.

Она должна запоминать не только цифровую информацию, но и команды, управляющие программой, которая должна проводить операции над числами.

ЭВМ должна различать числовой код команды от числового кода числа.

У машины должен быть управляющий орган для выполнения команд, хранящихся в памяти.

В ней также должен быть арифметический орган для выполнения арифметических действий. И, наконец, в её состав должен входить орган ввода-вывода.

В 1945 г. Англия приступила к созданию первой машины с неймовским типом памяти. Работа была возглавлена Т. Килбрном из Манчестерского университета и Ф. Вильямсем из Кембриджского. Уже 21 июня 1948 года Т. Килбрн и Ф. Вильямс просчитали первую программу на ЭВМ «Марк-1» (одинаковое название с машиной Айкена).

Важнейшую и решающую роль в создании и эволюции ЭВМ сыграла сравнительно молодая наука кибернетика, - наука об общих закономерностях процессов управления в системах любой природы. Формирование кибернетики началось после второй мировой войны.

Начало кибернетики положил американский ученый, профессор Массачусетского технологического института Норберт Винер. В 1948 году он издал книгу "Кибернетика, или управление и связь в животном и машине". В книге он предложил мощный аппарат для решения сложных задач управления основанный на методах прикладной математики.

Целью изучения кибернетики является создание принципов, методов и технических средств для наиболее эффективных в том или ином смысле результатов управления в таких системах.

Основные особенности кибернетики как самостоятельной научной области состоят в следующем:

1.Кибернетика способствовала тому, что классическое представление о мире состоящем из материи и энергии, уступило место представлению о мире, состоящем из трех составляющих: материи, энергии и информации, ибо без информации немыслимы организационные системы.

2.Кибернетика рассматривает управляемые системы не в статике, а в динамике, то есть в их движении, развитии и при этом - в тесной связи с другими (внешними) системами. Это позволяет вскрывать закономерности и устанавливать факты, которые иначе оказались бы не выявленными.

3.Как бы детально и строго ни старались изучать поведение сложной системы, никогд нельзя учесть полное множество всех факторов, прямо или косвенно влияющих на ее поведение. Поэтому всегда следует вводить различные ограничения, считаться с неизбежностью наличия некоторых случайных факторов, являющихся результатом действия этих неучтенных процессов, явлений и связей.

4. В кибернетике часто применяется метод исследования систем с использованием ящика. Под "черных ящиком" понимается такая система, в которой исследователю доступна лишь входная и выходная информация этой системы, а внутреннее устройство неизвестно. Оказывается, что ряд важных выводов о поведение системы можно сделать, наблюдая лишь реакции выходной информации при изменении входной информации. Благодаря этому методу сделано множество крупнейших изобретений и открытий. Самый простой пример «черного ящика» - телевизор, им пользуются все люди, но большинство не имеют представления о его устройстве, нажав кнопку включения телевизора (выходная информация), они ожидают выходной информации, т.е. изображения и звука.

5. Самым важным метод кибернетики является метод моделирования. Сущность метода ,в замене интересующего нас объекта или процесса его моделью.

Модель - это другой объект, процесс или формализованное описание, более удобное для рассмотрения, исследования, управления, интересующие нас характеристики которого подобны характеристикам реального объекта. После такой замены исследуется не первичный объект, а его модель. Результаты этих исследований распространяются на первичный объект.

В электронных цифровых вычислительных машинах при решении задач как раз и создается их абстрактная математическая модель. Математическая модель решения задачи на ЭВМ описывается программой ее решения. Модель решения задачи в ЭВМ (программа) должна составляться так, чтобы обеспечить:

Правильность решения – соответствовать сущности решаемой задачи, не искажать ее содержания.

Своевременность решения- решение не должно формироваться тогда, когда надобность в нем отпала.

Результативность решения – должно вырабатываться конкретное конструктивное решение, а не указываться возможность решения вообще.

Реалистичность решения – решение должно иметь возможность быть реализованным при заданных ограничениях (точность, время решения, затраты на его реализацию).

Определенность – должна вырабатываться вполне определенная результатная информация.

Экономичность в отношении точности – нет смысла искать абсолютно точное сложное решение, если эта точность не будет востребована, вполне достаточно получать решение достоверное, то есть с необходимой точностью.