инфопособие2011
.pdf
Информатика |
23 |
|
|
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.
а) Чарльз Бэббидж |
б) аналитическая машина |
в) Ада Лавлейс |
(1792-1871) |
Бэббиджа |
(1815 – 1852) |
Рисунок 2.8 Чарльз Бэббидж, Ада Лавлейс и незавершенная аналитическая машина
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.
24 |
Глава 2. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ |
|
|
2.3 Электромеханический период
Этот этап является наименее продолжительным: с 1887 по 1945 год. Следует отметить, что машины этого периода отличались высокой надежностью и компактностью, в связи с чем, их выпуск не прекращался вплоть до 70-х годов ХХ столетия (рис. 2.10).
Став привычными и необходимыми, арифмометры перестали устраивать из-за скорости вычислений. Она зависела от скорости вращения ручки. Первым, что было внедрено для увеличения скорости счета арифмометров, была 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.
Вначале были созданы машины, выполняющие автоматически только деление, их называют 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.
С создания первого табулятора Германом Голлеритом (США) в 1887 году начинается электромеханический этап развития вычислительной техники.
В 1890 году машина Голлерита (рис. 2.9) 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.), Австро-Венгрии (1890), в Канаде (1891). В 1890 году Голлерит организовал фирму
TabulatingMashineCompany, в 1911 году Голлерит отошел от дел, продал свою фирму, которая объединившись с другими фирмами получила название
InternationalBusinessMashinesCorporation или IBM.
Информатика |
25 |
|
|
а |
б |
Рисунок 2.9 а) Герман (1860 — 1929)— американский инженер и изобретатель; б) табулятор Голлерита
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.
На основе работ Голлерита и в других странах начали производиться модели счетно-аналитических комплексов таких как: «Пауэрс» фирмы ―Ремингтон‖, ―Бюль‖ фирмы ―Бюль‖ и, конечно, «Голлерит» фирмы IBM.
В Советском Союзе в 30-е годы создается завод счетно-аналитических машин (САМ), реконструируется завод по выпуску арифмометров ―Феликс‖.
В это 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.
В 40-е годы XX века 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.
26 |
Глава 2. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ |
|
|
а) арифмометр Friden SRW (США 1952-1966 г.г) |
б) арифмометрRheinmetallKELR 2c(Германия 1931- |
|
1957 г.г) |
Рисунок 2.10 Электромеханические арифмометры |
|
Наибольший вклад в развитие |
машин этого типа внесли К. Цузе |
в Германии и Атанасов Д., Айкен Г. и Стиблиц Д. в США.
Машины К. Цузе серии Z - Z-1, Z-2, несмотря на воплощение в них многих новых идей (хранение информации в запоминающем устройстве (ЗУ), использования двоичной системы счисления, управления программой) - уступали по надежности и использовали не все идеи машины Бэббиджа.
В 1941 году К. Цузе создал модель Z-3 – первую программно-
управляемую универсальную вычислительную машину. Z-3 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 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 году 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 года.
В 1937 году в США Дж. Атанасов начал работы по созданию ВТ для решения задач математической физики. В 1942 году 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
Информатика |
27 |
|
|
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.
АВС, в свою очередь оказали влияние на Д. Маучли (США) и ряд этих идей существенно ускорил создание ЭВМ ENIAC в 1945 году.
Среди моделей электромеханического этапа следует отметить машины серии MARK (рис. 2.11), управление которыми осуществлялось программами на бумажной перфоленте, содержали устройства для вычисления функций sinx, 10x и lgx, MARK-2 (1947г.) была уже полностью релейной, а MARK-3 и MARK-4 использовали элементы электронных технологий.
Рисунок 2.11. Компьютер MARK 1
В фирме ―BellLaboratories‖ под руководством Дж. Стибица велись работы над релейными машинами серии ―Bell‖. ―Bell-1‖ (1940 г.) работала с комплексными числами, ―Bell-2‖ (1943 г.) могла решать задачи вычислительной математики, в ней была встроена схема обнаружения ошибок, а ―Bell-6‖ уже включали десятичную арифметику с плавающей точкой и мультипроцессорную архитектуру.
28 |
Глава 2. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ |
|
|
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.
Последним крупным проектом релейной ВТ следует считать,
построенную в СССР в 1957 году релейную вычислительную машину РВМ-1(рис. 2.12), которая эксплуатировалась до 1964 года, 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 и 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.
Рисунок 2.12. Электромеханическая машина РВМ-1
Информатика |
29 |
|
|
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 годов стало ясно, что это будет электроника.
2.4. Электронный период
Первой машиной этого этапа можно было бы считать созданную при участии А. Тьюринга для дешифровки в Англии машину Colossus (1943 г.). Машина 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 (ElectronicNumericalIntegratorand 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.
ENIAC по размерам превосходила MARK-1 больше, чем в два раза (высота 6м, ширина 4м, длина 30 м, вес 30т), 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 (ElectronicDiscreteAutomaticVariable Computer). Основная память этой машины была 1024 44-битных слова и вспомогательная 4000 слов для данных. 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 году, использовалась она для решения военных задач.
В конце 1944 года 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 году 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.
30 |
Глава 2. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ |
|
|
Архитектура ЭВМ, предложенная фон Нейманом, следующая: компьютер должен содержать: арифметически-логическое устройство (АЛУ); центральное устройство управления (УУ), ответственное за функционирование всех основных компонент компьютера; запоминающее устройство (ЗУ), причем, в памяти должны сохраняться не только числа, но и команды (этого у Бэббиджа нет); система ввода и вывода информации. Была обоснована необходимость двоичной системы счисления, электронной технологии и последовательного выполнения операций.
Машины, построенные на этих принципах, называются фон-
неймановскими.
В Англии в 1949 году под руководством М. Уилкса была разработана первая в мире ЭВМ с хранимыми в памяти программами EDSAC (ElectronicDelayStorageAutomaticCalculator). Она работала в двоичной системе счисления, выполняла одноадресные команды в количестве 18 и оперировала с короткими (17 бит) и длинными (35 бит) словами.
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 году 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 году под руководством Б.И. Рамеева начат выпуск машин серии «Урал». В Киеве, Минске, Ереване также начался выпуск ЭВМ типа «Проминь», «Минск», «Раздан», «Наири», «МИР».
Начавшись в сороковые годы ХХ века, 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
Информатика |
31 |
|
|
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?
7.Кого из изобретателей вычислительной техники, можно считать одним из основателей фирмы IBM и какие вычислительные машины им были созданы?
8.Какие машины являются наиболее типичными представителями электромеханического периода?
9.В какой период развития началась автоматизация вычислительной техники?
10.В какой период развития вычислительной техники появилась клавиатура для ввода данных?
11.Кто является создателем первого языка программирования и как он назывался?
12.Кем была разработана первая программно-управляемая универсальная вычислительная машина?
13.Почему, созданная в электронный период электромеханическая вычислительная машина РВМ-1 продолжала эксплуатироваться до 1964 года?
14.Чем обусловлена была необходимость перехода от электромеханических машин к электронным?
15.Какие машины называются машинами фон-неймановского типа?
16.Подготовьте реферат или сообщение по следующим темам:
«Вклад Ч. Бэббиджа и А. Лавлейс в разработку принципов функционирования автоматических цифровых вычислительных машин».
«Советская вычислительная техника электромеханического
периода».
32 |
Глава 3. ПОКОЛЕНИЯ ЭВМ |
|
|
Глава 3. ПОКОЛЕНИЯ ЭВМ
Компьютеры, как и люди, имеют свои поколения. И как у людей, каждое новое поколение отличается от старого (по производительности, емкости, памяти, стоимости, габаритам, размерам и т.д.) примерно в 10 раз. Такой огромный темп развития за всю историю человечества еще не имела ни одна отрасль промышленности.
Для того чтобы показать какими темпами происходит модернизация вычислительной техники, часто приводят следующие сравнения, что если бы такими темпами развивалось самолетостроение в течение 25 лет, то аэробус ИЛ-86 в настоящее время по цене был бы доступен каждому и совершал бы облет земного шара за 20 мин и тратил бы 20 литров горючего.
Поколения ЭВМ отличаются друг от друга элементной базой, логической архитектурой и программным обеспечением (табл. 31). Однако, не всегда удается определить четкую грань между поколениями.
3.1Первое поколение
Впервом поколении(1943-1959 г.г.) элементной базой ЭВМ была электронная лампа, в которой использовался эффект Эдисона (рис. 3.1 а). Великий изобретатель сделал это открытие между делом, но не запатентовал его, хотя патентовал все свои изобретения, т.к. не увидел в нем никакой практической ценности, это и позволило широко и быстро распространить данное изобретение на электронные устройства. Электронные лампы Эдисона к тому времени уже использовались в радиотехнике, именно к ним обратились создатели компьютерной техники.
Электронная лампа – это прибор, работа которого осуществляется за счет изменения потока электронов, двигающихся в вакууме от катода к аноду.Движение электронов происходит за счет термоэлектронной эмиссии
– испускания электронов с поверхности нагретых металлов.Здесь используется свойство металлов, которые обладают большой концентрацией свободных электронов с различной энергией, а, следовательно, и скоростями движения. По мере нагревания металла энергия электронов возрастает, и некоторые из них преодолевают потенциальный барьер на границе металла.
Принцип работы электронной лампы следующий. Если на вход лампы подается логическая единица (например, напряжение 2 Вольта), то на выходе с лампы мы получим либо логический ноль (напряжение менее 1В), или логическую единицу (2В). Логическую единицу получим, если управляющее напряжение отсутствует, так как ток беспрепятственно пройдет от катода к аноду. Если же на сетку подать отрицательное напряжение, то электроны, идущие от катода к аноду, будут отталкиваться от сетки, и, в результате, ток