Для записи программ Бэббидж заимствовал идею применения перфокарт, которую предложил и реализовал в ткацких станках Жаккар. Такие карты представляли собой лист плотной бумаги с отверстиями. Отсутствие и наличие отверстия в том или ином месте означало запись логического нуля и единицы. Ада Лавлейс (дочь поэта Д. Байрона) подготовила первые программы для машины Бэббиджа. В них впервые были реализованы циклы – повторяющиеся неоднократно операции. Ее вклад, как первого в истории Человечества программиста, увековечен в названии современного языка программирования Ада.
Создание первых механических вычислительных устройств способствовало развитию теории вычислений и алгоритмов. Здесь огромный вклад внес Джорж Буль (1815-1864 гг.), который предложил математическое описание логических и арифметических операций, ныне известное как алгебра Буля. По существу Буль создал теоретические основы работы современных цифровых машин.
В1874 Орднер (Россия) разработал механические счетные машинки небольших размеров – арифмометры. В 1931 году в России был организован выпуск арифмометров «Феликс». Лишь недавно они исчезли с прилавков магазинов канцтоваров. А в 1969 году (уже в век электронных вычислительных машин) только в СССР было выпущено 300 000 арифмометров!
В1888 году Герман Холлерит создал первую электромеханическую машину – табулятор для обработки перфокарт. Она помогла осуществить перепись населения США. Обработку ее результатов осуществили 43 помощника Холлерита в течение всего одного месяца. Это был феноменальный успех – результаты предшествующей переписи обрабатывало свыше 500 человек на протяжении десяти дет!
В1896 году Холлерит создал фирму Computing Tabulation Company, которая занималась разработкой и выпуском табуляторов. Из нее и родилась ныне знаменитая корпорация IBM (International Business Machine). Вот уже многие годы эта корпорация лидирует в разработке и производстве больших вычислительных машин для различных сфер экономики.
В1930 году В. Буш создает дифференциальный анализатор, способный решать дифференциальные уравнения. Одна из последних моделей этого устройства, построенная уже в 1942 году (в разгар второй мировой войны), весила 200 тонн.
В1937 году Алан Тьюринг опубликовал фундаментальную математическую работу с описанием алгоритмов математических вы-
44
числений с помощью удивительной по своей простоте гипотетической машины.
Первые двоичные электромеханические машины на основе реле создал в на рубеже тридцатых/сороковых годов ХХ века немецкий инженер Конрад Цузе - это машины Z1 и Z3. Последняя была изготовлена в 1941 году и имела около 2600 реле. Профессор Гарвардского университета Г. Айкен при участии IBM построил в 1944 году еще одну релейную машину ASCC (Mark-1).
Тем временем физик и математик (по национальности венгр) Джон фон Нейман (1903-1957 гг.), житель США, предложил хранить в памяти вычислительных машин как данные для вычислений, так и программы. Это была основополагающая идея, обеспечивающая вычисления под управлением меняющихся в их ходе данных. Что существенно расширило классы алгоритмов вычислений, доступных вычислительным машинам. Он же предложил классическую архитектуру вычислительных машин, состоящую из следующих узлов:
•арифметико-логическое устройство (АЛУ);
•устройство управления (УУ);
•запоминающее устройство (ЗУ);
•система ввода информации;
•система вывода информации.
Эта архитектура так и названа – фон-Неймановской архитектурой. Подобные работы велись и в СССР. Так, в 1957 году была соз-
дана первая релейная советская счетная машина РВМ-1, превосходящая Mark-2 по скорости вычислений в 14 раз. К этому времени стало ясно, что век электромеханических вычислительных машин окончился. И стали появляться электронные вычислительные машины.
1.8.2. Факторы, приведшие к созданию ЭВМ
Переход общества от аграрной к индустриальной экономике привел к чудовищному росту объемов вычислительных работ в социальной и научно-технической сферах. Механические и электромеханические устройства имели слишком низкую скорость работы и малую надежность. Сильно досаждал и шум таких устройств.
Между тем в начале ХХ века появились первые электронные лампы, скорость работы которых в тысячи раз превосходила скорость работы реле. Еще в 1913 году русский ученый Бонч-Бруевич первым соединил выход неинвертирующего входной сигнал нелинейного усилителя на двух электронных лампах с его входом. Тем самым он соз-
дал электронную систему с положительной обратной связью. Так
45
появился ламповый триггер! Но в то время в роли запоминающего устройства триггер на больших вакуумных лампах еще не был затребован. Лампы были больше по размерам, чем реле, и куда их сложнее.
Тем не менее ламповая радиотехника и радиоэлектроника дали огромный толчок в развитии ЭВМ. Но случилось это далеко не сразу. В годы второй мировой войны лампы и устройства (схемы) на них уже широко применялись для связи и радиолокации. В быт входило радиовещание и телевидение - вначале черно-белое, а затем и цветное. Для радиоприемных устройств мощные и большие электронные лампы были не нужны, а потому появились миниатюрные пальчиковые и даже сверхминиатюрные электронные лампы.
Возникла и бурно развивалась импульсная техника, создающая и обрабатывающая импульсные сигналы, характерные для вычислительных устройств. Стало ясно, что необходимые для построения быстрых вычислительных машин цифровые и логические устройства можно построить на электронных лампах.
Война принесла многим народам неисчислимые беды и страдания. Но она же показала, что войскам воюющих сторон остро нужны высокоточные и высокоскоростные вычислительные устройства. Механические и электромеханические вычислители артиллерийских устройств не успевали следить за быстро пролетающими самолетами и даже за внезапно появляющимися из укрытия танками. А прицельное бомбометание из быстро летящих самолетов было целым искусством. Так же, как и прицельная стрельба из быстро движущихся по неровной местности танков.
В итоге, на поражение единичной цели порой уходили сотни дорогих снарядов. Быстрые и мощные вычислители требовались для систем самонаведения артиллерийских снарядов, ракет и торпед на цель, для учета быстро изменяющейся обстановки на поле боя и планирования огромных по своим масштабам операций снабжения.
По окончании войны стало ясно, что такие устройства нужны и для мирных целей - прогноза погоды, выполнения все усложняющихся научных и экономических расчетов. Развитие атомной энергетики и создание различных видов ядерного оружия потребовали выполнения огромной работы по моделированию ядерных взрывов и работы ядерных реакторов. Не менее сложными оказались расчеты при проектировании аэрокосмических аппаратов, которое началось вскоре после войны (а в некоторых областях и раньше).
46
1.8.3. Поколения ЭВМ (компьютеров)
Итак, запросы общества в скоростных вычислительных устройствах неизбежно подталкивали их разработчиков к созданию электронных вычислительных машин, первоначально названных сокращенно ЭВМ. За рубежом в ходу появилось более короткое наименование ЭВМ-компьютеры. Ныне оно прижилось и у нас. Английское слово «computer» в буквальном переводе означает «вычислитель». Далее термины «ЭВМ» и «компьютер» мы будем считать равноценными.
Принято рассматривать пять поколений ЭВМ:
1)Ламповые ЭВМ;
2)Транзисторные ЭВМ;
3)ЭВМ на интегральных схемах низкой и средней степени интеграции;
4)ЭВМ на интегральных схемах высокой степени интеграции;
5)ЭВМ с логическим программированием.
Каждое из поколений имеет свои ярко выраженные особенности и заслуживает обзорного описания.
1.8.4. Ламповые ЭВМ первого поколения
Первые ламповые ЭВМ занимали целые залы, требовали охлаждения и даже кондиционирования воздуха помещений и отличались низкой надежностью. Одна из таких машин - «ЭНИАК» (США) - содержала 18 000 электронных ламп, занимала площадь 170 кв. метров и весила 30 тонн (рис. 1.15). Зато вместо нескольких операций в секунду, что было характерно для механических арифмометров, эта машина
могла выполнять до 5000 двоичных операций сложения в секунду и до 300 двоичных операций умножения.
Рис. 1.15. Зал с ЭВМ «ЭНИАК»
47
Ввод информации в «ЭНИАК» производился с помощью массивных переключателей и коммутационного пульта, наподобие коммутационных пультов на старых АТС. Каждый час выходило из строя в среднем до 60 ламп компьютера, так что половина времени работы машины уходила на ее профилактику и ремонт.
ЭВМ Mark-1 могла уже работать с 23-разрядными десятичными цифрами, затрачивая на их сложение 0,3 секунды, а на умножение - до 4 секунд. В этой машине было 750 000 деталей. Первые массовые серийные ЭВМ UNIVAC появились за рубежом лишь в 1951 году.
В СССР первая малая вычислительная машина МЭСМ была создана под руководством советского академика С. А. Лебедева в 1951 году. А наша большая вычислительная машина БЭСМ (Большая Электронная Счетная Машина), созданная годом позже, была крупнейшей в Европе и самой скоростной (10 000 операций в секунду). В последующем были созданы ЭВМ БЭСМ-2, БЭСМ-3 и БЭСМ-4 (последняя имела скорость счета до 1 миллиона операций в секунду). С 1953 года стали выпускаться первые серийные советские ЭВМ «Стрела», М-2 и «Урал».
1.8.5.Транзисторые ЭВМ второго поколения
Споявлением транзисторов они стали перспективной базой для построения ЭВМ второго поколения. Одной из первых транзисторных ЭВМ стала машина RCA-501. К этому поколению принадлежали так-
же IBM-7090 (США), ATLAS (Великобритания), БЭСМ-4/6, М-220,
Минск-32 (СССР) и др. Известность получили и советские ЭВМ
«Урал-11», «Урал-14» и «Урал-16» (рис. 1.16), соз-
данные в 1964-1971 годах.
Рис. 1.16. ЭВМ «Урал-16» - одна из последних советских ЭВМ второго поколения
Уже на этапе развития второго поколения ЭВМ можно было выделить их сердцевину - центральный процессор. Это было весьма сложное устройство, в сущности выполняющее все логические и арифметические операции над данными под управлением программы.
48
Разработчики каждой ЭВМ создавали свой центральный процессор, на что уходило много времени и сил.
Появление транзисторов привело к возможности резкого увеличения объемов памяти и функциональных возможностей ЭВМ. Там, где раньше применялись тысячи ламп, стали применять сотни тысяч транзисторов. Они уходили на расширение памяти и выполнение сложных функций, отводимых процессору и периферийным устройствам. Поэтому габариты и масса ЭВМ оставались большими.
1.8.6.ЭВМ третьего поколения на интегральных микросхемах
В1959 году корпорации Fairchild и Texas Instruments первыми выпустили на рынок интегральные микросхемы – чипы (chips). Благодаря революционным достижениям микроэлектроники габариты третьего поколения ЭВМ уменьшились настолько, что так называемые «малые» ЭВМ (мини-ЭВМ) стали размещаться на письменном столе. Одновременно возрастала их производительность. Она намного обогнала производительность первых послевоенных ламповых «динозавров».
Пожалуй, высшим достижением нашей отечественной компьютерной индустрии тех лет в области создания ЭВМ третьего поколения стала разработка и производство машин серии EC ЭВМ - аналогов серии машин 360 фирмы IBM. Эти мощные для своего времени ма-
шины, тем не менее, требовали для своего размещения целые залы и были машинами коллективного пользования
(рис. 1.17).
Рис. 1.17. Советская ЭВМ ЕС-1020 третьего поколения
ЭВМ этого поколения стали делать в виде крупных серий про- граммно-совместимых машин. Например, наши машины серии ЕСЭВМ выпускались в двух десятках модификаций. При этом они могли использовать одно и то же программное обеспечение.
В СССР появились даже инженерные ЭВМ настольных габаритов, например «Наири». А разработка научной школы академика Глушкова – инженерная ЭВМ «Мир» стала первой машиной с встро-
49
енной системой символьной компьютерной математики, способной решать математические задачи не только в численном, но и в символьном (аналитическом) виде.
1.8.7. ЭВМ четвертого и пятого поколений на СБИС
ЭВМ четвертого поколения выполняются на сверхбольших (СБИС) интегральных микросхемах. Это существенно уменьшило габариты, массу и электропотребление даже больших ЭВМ. На десятке - другом микросхем, размещенных на небольшой печатной плате, именуемой системной, или материнской, уже можно было выполнить миниатюрный компьютер, вполне эквивалентный мини-ЭВМ третьего поколения и даже превосходящий их. Такие компьютеры получили название одноплатных микро-ЭВМ.
Из больших ЭВМ этого поколения можно отметить IBM 370, которая пришла на смену знаменитой IBM 360. Эта ЭВМ имела скорость 15 миллионов операций в секунду. Из отечественных машин такого рода наиболее известны ЭВМ «Эльбрус». Универсальные ЭВМ четвертого поколения нередко выполняются в типовых стойках (каркасах) и называются мэйнфремами (от английского слова mainframe – главный каркас).
Наиболее мощные их ЭВМ четвертого поколения принято называть супер-ЭВМ или супер-компьютерами. Для увеличения производительности такие ЭВМ нередко делались многопроцессорными – число процессоров от 2-6 до сотен и тысяч. Наиболее известными такими ЭВМ являются ILLIAC-4 (50 миллионов операций в секунду), GRAY-1 (130 миллионов операций в секунду), GRAY-MP (64 процессора, 50 миллионов в секунду), ASCI White (12,4 миллиарда операций в секунду). В Японии создана пока опытная супер-ЭВМ с 5120 процессорами и скоростью до 30 триллионов операций в секунду.
С появлением ЭВМ четвертого поколения наметилось их развитие по двум разным направлениям. Первое – это уже рассмотренные большие ЭВМ и супер-ЭВМ. Это очень дорогие и редкие ЭВМ, используемые при самых серьезных применениях государственного масштаба – прогноз погоды, моделирование ядерных и термоядерных процессов, крупные исследовательские проекты.
А вот второе направление было ориентировано на создание персональных ЭВМ, ориентированных на индивидуальную работу, но тем не менее обладающих основными показателями (производительность, объем памяти и др.) на уровне, выше показателей ЭВМ пред-
50
шествующих поколений. Эти ЭВМ, именуемые также персональными компьютерами (ПК), мы рассмотрим детально в главе 3.
Пятое поколение ЭВМ также основано на СБИС. Предполагалось, что эти машины будут основаны на логическом программировании, при котором машина сможет по заданной задаче сама конструировать программу для ее решения. Однако пока явно зримых успехов на этом направлении мало. Так что говорить о пятом поколении как состоявшимся пока, видимо, преждевременно.
Методические указания
Обратите особое внимание на формулировку основных положений, относящихся к информации, сообщениям и сигналам. Приведите дополнительные примеры полезного применения новых информационных технологий. Ответьте на 10 главных вопросов. Подготовьте дополнительные вопросы по материалам этой главы, используя для этого подробное оглавление. Постарайтесь кратко ответить на все эти вопросы.
10 главных вопросов
1.Что такое информация и какова ее роль?
2.Как оценивается адекватность информации?
3.В каких единицах измеряется объем информации?
4.Какие виды чисел вы знаете?
5.Какими свойствами обладает синусоидальный сигнал?
6.Чем аналоговая информация отличается от цифровой?
7.Какие цифровые информационные устройства и системы вы знаете?
8.Что такое знания и информационная культура общества?
9.Приведите примеры информационных взрывов.
10.Расскажите об основных вехах в истории компьютеров.
51