инфопособие2013

Несмотря на то, что самыми распространенными счетными машинами механического периода были арифмометры, именно в это время были заложены теоретические основы современных ЭВМ. Прародителями их считаются Чарльз Бэббидж (1792 – 1871 гг.) – английский математик и экономист (рис. 2.8, а), и его помощница Августа Ада Лавлейс (1815 – 1852 гг.) – дочь лорда Байрона (рис. 2.8, в).

В механический период на автоматизацию выполнения операций обращалось недостаточно внимания. Многие действия должен был выполнять сам вычислитель. Ч. Бэббидж первый высказал идею создания вычислительной машины с программным управлением, которая была заложена им в 1834 году в его проект аналитической машины (рис. 2.8, б). Свой проект Бэббидж не реализовал, этого не смог сделать впоследствии и его сын. Развитие техники к тому времени не позволяло этого: появившиеся электромеханические реле, были ненадежны. Однако, Бэббидж рассматривал в качестве возможного источника энергии паровые

описал свой проект. Его аналитическая машина состояла из следующих четырех частей:

1)блок хранения исходных данных и результатов вычислений. Он состоял из набора зубчатых колес, идентифицирующих цифры подобно арифмометру. Колеса объединялись в регистры для хранения многоразрядных десятичных чисел. Этот блок Бэббидж назвал складом;

2)блок обработки чисел из склада. Его Бэббидж назвал мельницей (теперь это логическое устройство);

3)блок управления последовательностью вычислений (теперь это устройство управления). Ему Бэббидж не дал названия;

4)блок ввода исходных данных и печати результатов (устройство ввода-вывода).

Здесь сразу следует отметить, что, несмотря на то, что элементная база современных компьютеров такая, какой не могли во время Бэббиджа придумать даже фантасты, но принципы построения аналитической машины и современных ЭВМ те же.

Для ввода информации и управления процессом вычислений Бэббидж предлагал перфокарты, существовавшие до конца 80-х гг. XX в.

Для вывода информации Бэббидж предлагал устройство, выводящее окончательный и промежуточный результат на бумагу. Для вывода графиков расчетов он предлагал использовать графопостроитель.

Долговременное хранение информации предлагалось на специальных металлических пластинках или дисках.

23

(1792-1871); б) аналитическая машина Бэббиджа; в) Ада Лавлейс (1815 – 1852)

Вклад Бэббиджа в развитие вычислительной техники трудно переоценить. Основатель кибернетики, разработчик теории информации Норберт Винер оценил вклад Бэббиджа так: «Бэббидж имел удивительно современные представления о вычислительных машинах, однако, имевшиеся в его распоряжении технические средства намного отставали от его представлений».

Рассказывая о Бэббидже, нельзя обойти стороной имя его ученицы и соратницы Ады Лавлейс. Она сделала полное и доступное описание машины Бэббиджа, написала первую программу для счетной машины, проектировала некоторые узлы машины, исследовала возможность применения двоичной системы счисления, принятой в современных ЭВМ, высказала ряд идей, которые нашли применение в наше время.

Аду Лавлейс можно считать первым программистом, и один из современных языков программирования носит в ее честь имя Ада.

2.3. Электромеханический период

Этот этап является наименее продолжительным (1887 – 1945 гг.)..

Следует отметить, что машины этого периода отличались высокой надежностью и компактностью, в связи с чем, их выпуск не прекращался вплоть до 70-х гг. ХХ столетия .

Став привычными и необходимыми, арифмометры перестали устраивать из-за скорости вычислений. Она зависела от скорости вращения ручки. Первое, что было внедрено для увеличения скорости счета

24

арифмометров, - это замена ручки прибора электроприводом. Скорость вычислений при этом увеличилась, а вот скорость ввода чисел не шла ни

вкакое сравнение с вычислениями. Чтобы устранить эту диспропорцию,

вмашины ввели клавишную установку. Устранение этих недостатков повлекло за собой и другие усовершенствования: развитие техники пошло по пути автоматизации.

Ссоздания первого табулятора Германом Голлеритом (США) (рис. 2.9) в 1887 г. начинается электромеханический этап развития вычислительной техники.

Рис. 2.9. Герман Голлерит (1860 – 1929)— американский инженер и изобретатель

В 1890 г. машина Голлерита (рис. 2.10) была применена для переписи населения. В качестве информационного носителя Голлерит использовал перфокарты. Испытания машина Голлерита прошла успешно и использовалась для переписи населения в России (1897 г.), АвстроВенгрии (1890), в Канаде (1891). В 1890 году он организовал фирму

TabulatingMashineCompany, в 1911 году Голлерит отошел от дел, продал свою фирму, которая, объединившись с другими фирмами, получила название International Business Mashines Corporation или IBM.

25

Г. Голлерит стал основоположником нового направления в развитии вычислительной техники – счетно-перфорационного (счетноаналитического), состоящего в применении табуляторов для выполнения широкого круга экономических, статистических и научно-технических расчетов.

Рис. 2.10 Табулятор Г. Голлерита

На основе работ Голлерита и в других странах начали производиться модели счетно-аналитических комплексов таких как «Пауэрс» фирмы «Ремингтон», «Бюль» фирмы Bull и конечно «Голлерит» фирмы IBM.

Вначале были созданы машины, выполняющие автоматически только деление, их назвали полуавтоматами. Затем появились машины, которые автоматически выполняли умножение, их стали называть автоматическими. Широкое распространение получили полуавтоматические и автоматические электрические вычислительные машины «Рейнметалл», «Гаман-Селекта», ВК-2, ВММ-2 и др.

В Советском Союзе в 30-ые гг. создается завод счетноаналитических машин (САМ), реконструируется завод по выпуску арифмометров «Феликс».

26

Вэто время начинают применяться табуляторы с алфавитноцифровым выводом и создаваться счетно-аналитические комплексы – прообразы локальных информационных сетей. В универмаге города Питсбурга (США) такая система содержала 250 терминалов, соединенных телефонными каналами с 20 табуляторами ―Пауэрс‖ и с 15 пишущими машинками.

В40-е годы XX в. создаются релейные и релейно-механические системы с программным управлением, характеризующимся алгоритмической универсальностью и способные выполнять сложные научно-технические вычисления в автоматическом режиме со скоростями

на порядок превышающими скорость работы арифмометров с электроприводом (рис. 2.11).

а б

Рис. 2.11. Электромеханические арифмометры с программным управлением:

а) арифмометр Friden SRW (США 1952-1966 г.г); б) арифмометр Rheinmetall KELR 2c

(Германия 1931-1957 г.г)

Наибольший вклад в развитие машин этого типа внесли К. Цузе в Германии и Д. Атанасов., Г. Айкен и Д. Стиблиц в США.

Машины К. Цузе серии Z – Z-1, Z-2, несмотря на воплощение в них новых идей (хранение информации в запоминающем устройстве (ЗУ), применения двоичной системы счисления, управление программой) уступали по надежности и использовали не все идеи Бэббиджа.

В 1941 г. К. Цузе создал модель Z-3 – первую программно-

управляемую универсальную вычислительную машину. Она выполняла несколько одноадресных команд: сложение, вычитание, извлечение квадратного корня, умножение на 1/2, 2, 10, 1/10 и 1, программа хранилась на 8-канальной перфоленте. Машина работала

27

в двоичной системе счисления с плавающей точкой, время выполнения операций сложения и умножения составляло соответственно 0,3 и 4 – 5 с.

После войны Цузе изготовил модели Z-3 и Z-4, а в 1945 г. создал язык Plankalkul (исчисление планов), это был машинно-ориентированный язык, однако, в некоторых моментах, касающихся структуры объектов, по своим возможностям превосходящий Алгол, ориентированный на работу с цифрами.

Машины К. Цузе эксплуатировались до 1955 г.

В 1937 г. в США Дж. Атанасов начал работы по созданию ВТ для решения задач математической физики. В 1942 г. им совместно с К. Берри была построена машина АВС (Atanasoff-Berry Computer), состоящая из АЛУ на 300 вакуумных лампах и выполняющая только сложение и вычитание, еще 300 ламп использовались для реализации различных цепей управления и восстановления памяти. Модель АВС-вычислителя реализовала ряд идей, оказавших большое влияние на инженерные решения последующих средств ВТ. Она и ее прототип были первыми специальными машинами, демонстрирующими электронную технологию в цифровой ВТ и использующими восстановление данных в памяти.

Следует отметить, что АВС создавалась независимо от работ Цузе, так как из-за войны его разработки были неизвестны в США.

Всвою очередь, АВС оказала влияние на Д. Маучли (США) , что существенно ускорило создание ЭВМ ENIAC в 1945 г.

Среди моделей электромеханического этапа следует отметить машины серии Mark (рис. 2.12), управление которыми осуществлялось

программами на бумажной перфоленте, они содержали устройства для вычисления функций sinx, 10x и lgx, Mark-2 (1947 г.) была уже полностью релейной, а Mark-3 и Mark-4 использовали элементы электронных технологий.

Вфирме Bell Laboratories под руководством Дж. Стибица велись работы над релейными машинами серии Bell. Первая машина Bell-1 (1940 г.) работала с комплексными числами, а Bell-2 (1943 г.) могла решать задачи вычислительной математики, в ней была встроена схема

обнаружения ошибок, Bell-6 уже включали десятичную арифметику с плавающей точкой и мультипроцессорную архитектуру.

Однако, несмотря на все новшества Mark и Bell были уже устаревшими по сравнению с ENIAC. Несмотря на широкое распространение счетно-аналитических машин и непрерывное их усовершенствование, в них не была устранена основная диспропорция характеристик. Электрическая передача сигналов производилась с огромной скоростью, но счетчики оставались механическими, поэтому все операции развертывались медленно. С механическим принципом работы счетчиков были связаны и большие размеры таких машин.

28

Рис. 2.12. Компьютер Mark-1

Последним крупным проектом релейной ВТ следует считать,

построенную в СССР в 1957 г. релейную вычислительную машину РВМ-1 (рис. 2.13), которая эксплуатировалась до 1964 г., в основном для решения экономических задач. Элементная база РВМ-1 на момент ее создания была уже устаревшей, но ее проект был настолько удачным, что она была вполне конкурентоспособна по надежности и быстродействию по сравнению с ВТ того времени.

Программное управление при помощи перфокарт позволяло получать надежные результаты при довольно большой скорости вычислений, но подготовка перфокарт занимала много времени, требовала дополнительных устройств и не была связана с основной работой машины. Все это обусловливало медленные темпы работы при возможно больших резервах быстродействия, кроме того, это влекло за собой большие размеры машин.

29

Рис. 2.13. Электромеханическая машина РВМ-1

Счетно-аналитические машины распространились по всему миру, они непрерывно совершенствовались, однако, в них не была устранена диспропорция характеристик о которых говорилось выше. Чтобы устранить эти противоречия и уменьшить размеры машины, требовалась новая элементная база. К началу 40-х гг. ХХ в. стало ясно, что это будет электроника.

2.4. Электронный период

Первой машиной этого этапа можно было бы считать созданную в Англии в 1943 г. при участии А. Тьюринга машину для дешифровки Colossus. Она содержала 2000 электронных ламп и обладала довольно высоким быстродействием, но в связи с узкой направленностью и потерей документации к ней (сама машина была разрушена после войны) первенство принято отдавать ENIAC (Electronic Numerical Integrator and

30

Computer). Первоначально она создавалась для решения задач баллистики, но оказалась способной решать и задачи другого типа. Создателями этой машины являются Д. Маучли и Д. Эккерт, которые заимствовали идею у Дж. Атанасова.

По размерам ENIAC превосходила Mark-1 больше, чем в два раза (высота 6м, ширина 4 м, длина 30 м, вес 30 т), а по быстродействию в 1000 раз. Машина содержала 18000 электронных ламп 16-ти основных типов, 1500 реле, 70000 регистров, 10000 конденсаторов, потребляемая мощность

140 кВт.

Еще до начала эксплуатации ENIAC Маучли и Эккерт приступили к разработке нового компьютера EDVAC (Electronic Discrete Automatic Variable Computer). Основная память этой машины была 1024 44-битных слова и вспомогательная 4000 слов для данных. Машина EDVAC производила вычисления уже в двоичной системе. Она содержала 35000 ламп различных типов и около 27000 других электронных элементов. Полностью работа над машиной была завершена в 1952 г., использовалась она для решения военных задач.

В конце 1944 г. к проекту в качестве научного консультанта был подключен Джон фон Нейман (1903 – 1957) – выдающийся математик, внесший большой вклад в теорию игр, один из основоположников нейронных сетей.

Подготовив в 1945 г. итоговый научный отчет о машине EDVAC, Нейман кроме описания машины и ее логических возможностей представил впервые на основе анализа проектных решений, а также идей А. Тьюринга логическую организацию компьютера безотносительно его элементной базы, что позволило заложить основы проектирования ЭВМ.

Архитектура ЭВМ, предложенная фон Нейманом, следующая:

запоминающее устройство (ЗУ), причем в памяти должны сохраняться не только числа, но и команды (этого у Бэббиджа нет); систему ввода и вывода информации. Была обоснована необходимость двоичной системы счисления, электронной технологии и последовательного выполнения операций.

Машины, построенные на этих принципах, называются

фоннеймановскими.

В Англии в 1949 г. под руководством М. Уилкса была разработана первая в мире ЭВМ с хранимыми в памяти программами EDSAC

(Electronic Delay Storage Automatic Calculator). Она работала в двоичной системе счисления, выполняла одноадресные команды в количестве 18 и оперировала с короткими (17 бит) и длинными (35 бит) словами.

31

EDSAC первая машина, которая позволяла не только хранить программы, но и создавать программы из других программ, объединяя их при загрузке в память. Кроме того, машина была снабжена детальным учебником по программированию. Компьютер EDSAC положил начало

первому поколению универсальных ЭВМ.

В Советском Союзе в 1952 г. в Киеве под руководством академика С.А. Лебедева была запущена в эксплуатацию первая МЭСМ (мощная электронная счетная машина). Это была одна из первых в мире машин, с хранимой в памяти программой, а в 1953 г. выпущена машина М-20, производительностью 20000 операций в секунду и имеющая память в виде ферритовых сердечников. В этом же году были выпущены несколько экземпляров машин типа «Стрела». В 1954 г. под руководством Б.И. Рамеева начат выпуск машин серии «Урал». В Киеве, Минске, Ереване также начался выпуск ЭВМ типа «Проминь», «Минск», «Раздан», «Наири», «МИР» (машина для инженерных расчетов).

Начавшийся в 40-х гг. ХХ в., электронный период продолжается по настоящее время. Сегодняшняя вычислительная техника совсем не похожа ни по своему внешнему виду, ни, зачастую, по назначению на первые ЭВМ, но несмотря на непродолжительное (в сравнении с историей человечества) существование этой техники, она оказала и продолжает оказывать огромное влияние на все сферы человеческой жизнедеятельности, меняя не только среду обитания человека, но и его мировоззрение и социум.

Далее будет подробно рассмотрен электронный период развития вычислительной техники, программного обеспечения и сферы применения вычислительной техники в промышленности, управлении, быту и системах коммуникаций и пр.

Контрольные вопросы и задания

1.Назовите периоды развития вычислительной техники.

2.Какие вычислительные средства существовали в период абака?

3.Какие приспособления были придуманы человеком в ручной период для хранения и представления информации?

4.Какие проблемы стояли перед первыми создателями механических вычислительных машин?

5.Какие машины являются наиболее типичными представителями механического периода?

6.Какой вклад в развитие вычислительной техники внесли Ада Лавлейс и Чарльз Бэббидж?

32