В конце XIX века Герман Холлерит в Америке изобрел счетно-перфорационные машины. В них использовались перфокартыдля хранения числовой информации.
Каждая такая машина могла выполнять только одну определенную программу, манипулируя с перфокартами и числами, пробитыми на них.
Счетно-перфорационные машины осуществляли перфорацию,
сортировку, суммирование, вывод на печать числовых
таблиц. На этих машинах удавалось решать многие типовые
задачи статистической обработки, бухгалтерского учета и
другие.
Г. Холлерит основал фирму по выпуску счетно-перфорационных машин, которая затем была преобразована в фирму IBM - ныне самого известного в мире производителя компьютеров.
Непосредственными предшественниками ЭВМ были релейные вычислительные машины.
К 30-м годам XX века получила большое развитие релейная автоматика, которая позволяла кодировать информацию в двоичном виде.
В процессе работы релейной машины происходят переключения тысяч реле из одного состояния в другое.
В первой половине XX века бурно
развивалась радиотехника. Основным элементом
радиоприемников и радиопередатчиков в то время были
электронно-вакуумные лампы.
Электронные лампы стали технической основой для первых электронно-вычислительных машин (ЭВМ).
Первая ЭВМ - универсальная машина на электронных лампах построена в США в 1945 году.
Эта машина называлась ENIAC
(расшифровывается так: электронный цифровой интегратор и
вычислитель). Конструкторами ENIAC были Дж.Моучли и
Дж.Эккерт.
Скорость счета этой машины превосходила скорость релейных машин того времени в тысячу раз.
Первый электронный компьютер ENIAC программировался с помощью штеккерно-коммутационного способа, то есть программа строилась путем соединения проводниками отдельных блоков машины на коммутационной доске.
Эта сложная и утомительная процедура подготовки машины к работе делала ее неудобной в эксплуатации.
Основные идеи, по которым долгие годы развивалась вычислительная техника, были разработаны крупнейшим американским математиком Джоном фон Нейманом
В 1946 году в журнале «Nature» вышла статья Дж. фон Неймана, Г. Голдстайна и А. Беркса «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства».
В этой статье были изложены принципы устройства и работы ЭВМ. Главный из них - принцип хранимой в памяти программы, согласно которому данные и программа помещаются в общую память машины.
Принципиальное описание устройства и работы компьютера принято называть архитектурой ЭВМ . Идеи, изложенные в упомянутой выше статье, получили название «архитектура ЭВМ Дж. фон Неймана».
В 1949 году была построена первая ЭВМ с архитектурой Неймана - английская машина EDSAC.
Годом позже появилась американская ЭВМ EDVAC. Названные машины существовали в единственных экземплярах. Серийное производство ЭВМ началось в развитых странах мира в 50-х годах.
В нашей стране первая ЭВМ была
создана в 1951 году. Называлась
она МЭСМ - малая электронная счетнаямашина. Конструктором МЭСМ былСергей Алексеевич Лебедев
Под руководством С.А. Лебедева в 50-х годах были построены серийные ламповые ЭВМ БЭСМ-1 (большая электронная счетная машина), БЭСМ-2, М-20.
В то время эти машины были одними из лучших в мире.
В 60-х годах С.А.Лебедев руководил разработкой полупроводниковых ЭВМ БЭСМ-ЗМ, БЭСМ-4, М-220, М-222.
Выдающимся достижением того периода была машина БЭСМ-6. Это первая отечественная и одна из первых в мире ЭВМ с быстродействием 1 миллион операций в секунду. Последующие идеи и разработки С.А. Лебедева способствовали созданию более совершенных машин следующих поколений.
Электронно-вычислительную технику принято делить на поколения
Смены поколений чаще всего были связаны со сменой элементной базы ЭВМ, с прогрессом электронной техники.
Это всегда приводило к росту вычислительной мощности ЭВМ, то есть быстродействия и объема памяти.
Но это не единственное следствие смены поколений. При таких переходах, происходили существенные изменения в архитектуре ЭВМ, расширялся круг задач, решаемых на ЭВМ, менялся способ взаимодействия между пользователем и компьютером.
Первое поколение ЭВМ - ламповые машины 50-х годов. Скорость счета самых быстрых машин первого поколения доходила до 20 тысяч операций в секунду (ЭВМ М-20).
Для ввода программ и данных использовались перфоленты и перфокарты.
Поскольку внутренняя память этих машин была невелика (могла вместить в себя несколько тысяч чисел и команд программы), то они, главным образом, использовались для инженерных и научных расчетов, не связанных с переработкой больших объемов данных.
Это были довольно громоздкие
сооружения, содержавшие в себе тысячи ламп, занимавшие
иногда сотни квадратных метров, потреблявшие
электроэнергию в сотни киловатт
Программы для таких машин составлялись на языках машинных команд. Это довольно трудоемкая работа.
Поэтому программирование в те времена было доступно немногим.
В 1949 году в США был создан первый полупроводниковый прибор, заменяющий электронную лампу. Он получил название транзистор. Транзисторы быстро внедрялись в радиотехнику.
Второе поколение ЭВМ
В 60-х годах транзисторы стали элементной базой для ЭВМ второго поколения .
Переход на полупроводниковые элементы улучшил качество ЭВМ по всем параметрам: они стали компактнее, надежнее, менее энергоемкими
Быстродействие большинства машин достигло десятков и сотен тысяч операций в секунду.
Объем внутренней памяти возрос в сотни раз по сравнению с ЭВМ первого поколения.
Большое развитие получили устройства внешней (магнитной) памяти: магнитные барабаны, накопители на магнитных лентах.
Благодаря этому появилась возможность создавать на ЭВМ информационно-справочные, поисковые системы.
Такие системы связаны с необходимостью длительно хранить на магнитных носителях большие объемы информации.
Во времена второго поколения активно стали развиваться языки программирования высокого уровня. Первыми из них были ФОРТРАН, АЛГОЛ, КОБОЛ.
Составление программы перестало зависеть от модели машины, сделалось проще, понятнее, доступнее.
Программирование как элемент грамотности стало широко распространяться, главным образом среди людей с высшим образованием.
Третье поколение ЭВМ
создавалось на новой элементной
базе - интегральных схемах. С помощью очень сложной технологии специалисты научились
монтировать на маленькой пластине из полупроводникового
материала, площадью менее 1 см, достаточно сложные
электронные схемы.
Их назвали интегральными схемами (ИС)
Первые ИС содержали в себе десятки, затем - сотни элементов (транзисторов, сопротивлений и др.).
Когда степень интеграции (количество элементов) приблизилась к тысяче, их стали называть большими интегральными схемами - БИС; затем появились сверхбольшие интегральные схемы - СБИС.
ЭВМ третьего поколения начали производиться во второй половине 60-х годов, когда американская фирма IBM приступила к выпуску системы машин IBM-360. Это были машины на ИС.
Немного позднее стали выпускаться машины серии IBM-370, построенные на БИС.
В Советском Союзе в 70-х годах начался выпуск машин серии ЕС ЭВМ (Единая Система ЭВМ) по образцу IBM-360/370.
Переход к третьему поколению связан с существенными изменениями архитектуры ЭВМ.
Появилась возможность выполнять одновременно несколько программ на одной машине. Такой режим работы называется мультипрограммным (многопрограммным) режимом.
Скорость работы наиболее мощных моделей ЭВМ достигла нескольких миллионов операций в секунду.
На машинах третьего поколения появился новый тип внешних запоминающих устройств - магнитные диски .
Как и на магнитных лентах, на дисках можно хранить неограниченное количество информации.
Но накопители на магнитных дисках (НМД) работают гораздо быстрее, чем НМЛ.
Широко используются новые типы устройств ввода-вывода: дисплеи , графопостроители .
В этот период существенно расширились области применения ЭВМ. Стали создаваться базы данных, первые системы искусственного интеллекта, системы автоматизированного проектирования (САПР) и управления (АСУ).
В 70-е годы получила мощное
развитие линия малых (мини) ЭВМ. Своеобразным эталоном
здесь стали машины американской фирмы DEC серии PDP-11.
В нашей стране по этому образцу создавалась серия машин СМ ЭВМ (Система Малых ЭВМ). Они меньше, дешевле, надежнее больших машин.
Машины этого типа хорошо приспособлены для целей управления различными техническими объектами: производственными установками, лабораторным оборудованием, транспортными средствами. По этой причине их называют управляющими машинами.
Во второй половине 70-х годов производство мини-ЭВМ превысило производство больших машин.
Четвертое поколение ЭВМ
Очередное революционное событие в электронике произошло в 1971 году, когда американская фирма Intel объявила о создании микропроцессора .
Микропроцессор - это сверхбольшая интегральная схема, способная выполнять функции основного блока компьютера - процессора
Микропроцессор - это миниатюрный мозг, работающий по программе, заложенной в его память.
Первоначально
микропроцессоры стали встраивать в различные технические
устройства: станки, автомобили, самолеты
. Такие
микропроцессоры осуществляют автоматическое управление
работой этой техники.
Соединив микропроцессор с устройствами ввода-вывода, внешней памяти, получили новый тип компьютера: микроЭВМ
МикроЭВМ относятся к машинам четвертого поколения.
Существенным отличием микроЭВМ от своих предшественников являются их малые габариты (размеры бытового телевизора) и сравнительная дешевизна.
Это первый тип компьютеров, который появился в розничной продаже.
Самой популярной разновидностью
ЭВМ сегодня являются персональные
компьютеры
Появление феномена персональных компьютеров связано с именами двух американских специалистов: Стива Джобса и Стива Возняка.
В 1976 году на свет появился их первый серийный ПК Apple-1, а в 1977 году - Apple-2.
Сущность того, что такое персональный компьютер, кратко можно сформулировать так:
ПК - это микроЭВМ с «дружественным» к пользователю аппаратным и программным обеспечением.
В аппаратном комплекте ПК используется
цветной графический дисплей,
манипуляторы типа «мышь»,
«джойстик»,
удобная клавиатура,
удобные для пользователя компактные диски (магнитные и оптические).
Программное обеспечение позволяет человеку легко общаться с машиной, быстро усваивать основные приемы работы с ней, получать пользу от компьютера, не прибегая к программированию.
Общение человека и ПК может принимать форму игры с красочными картинками на экране, звуковым сопровождением.
Неудивительно, что машины с такими свойствами быстро приобрели популярность, причем не только среди специалистов.
ПК становится такой же привычной бытовой техникой, как радиоприемник или телевизор. Их выпускают огромными тиражами, продают в магазинах.
С 1980 года «законодателем мод» на рынке ПК становится американская фирма IBM.
Ее конструкторам удалось создать такую архитектуру, которая стала фактически международным стандартом на профессиональные ПК. Машины этой серии получили название IBM PC (Personal Computer).
В конце 80-х - начале 90-х годов большую популярность приобрели машины фирмы Apple Corporation марки Macintosh. В США они широко используются в системе образования.
Появление и
распространение ПК по своему значению для общественного
развития сопоставимо с появлением книгопечатания.
Именно ПК сделали компьютерную грамотность массовым явлением.
С развитием этого типа машин появилось понятие «информационные технологии», без которых уже становится невозможным обойтись в большинстве областей деятельности человека.
Есть и другая линия в развитии ЭВМ четвертого поколения. Это - суперЭВМ. Машины этого класса имеют быстродействие сотни миллионов и миллиарды операций в секунду.
Первой суперЭВМ четвертого поколения была американская машина ILLIAC-4, за ней появились CRAY, CYBER и др.
Из отечественных машин к этой серии относится многопроцессорный вычислительный комплекс ЭЛЬБРУС.
ЭВМ пятого поколения
- это машины
недалекого будущего. Основным их качеством должен быть
высокий интеллектуальный уровень.
Машины пятого поколения - это реализованный искусственный интеллект.
Многое уже практически сделано в этом направлении.
Жизнь человек в двадцать первом веке напрямую связана с искусственным интеллектом. Знание основных вех в создании компьютеров – показатель образованного человека. Развитие компьютеров принято делить на 5 этапов — принято говорить о пяти поколениях.
1946-1954годы — вычислительные машины первого поколения
Стоит сказать, что первое поколение ЭВМ (электронных вычислительных машин) было ламповым. Ученые университета в Пенсильвании (США) разработали ЭНИАК — так назывался первый в мире компьютер. Днем, когда он официально введен в строй является 15.02.1946. При сборке аппарата было задействовано 18 тысяч электронных ламп. ЭВМ по нынешним меркам была колоссальна площадь 135 квадратных метров, а вес 30 тонн. Потребности в электроэнергии так же были велики — 150кВт.
Общеизвестный факт — создавалась эта электронная машина непосредственно для помощи в решении сложнейших задач по созданию атомной бомбы. СССР стремительно нагоняло свое отставание и в декабре 1951 года, под руководством и при непосредственном участии академика С. А. Лебедева миру была представлена самая быстрая в Европе ЭВМ. Носила она аббревиатуру МЭСМ (Малая Электронная Счетная Машина). Данный аппарат мог выполнять от 8 до 10 тысяч операций в секунду.
1954 — 1964 годы — вычислительные машины второго поколения
Следующим шагом в развитии стала разработка компьютеров, работающих на транзисторах. Транзисторами называются приборы, созданные из полупроводниковых материалов – позволяющие управлять током, идущим в цепи. Первый известный стабильно работающий транзистор был создан в Америке в 1948 году командой физиков — исследователей Шокли и Бардиным.
По скорости работы электронно-вычислительные машины существенно отличались от предшественников — скорость доходила до сотен тысяч операций в одну секунду. Уменьшились и размеры, да и потребление электрической энергии стало меньше. Также значительно увеличилась сфера использования. Происходило это за счет стремительной разработки программного обеспечения. Наш лучший компьютер – БЭСМ-6 обладала рекордным быстродействием – 1000000 операций в секунду. Разработана в 1965 году под руководством главного конструктора С. А. Лебедева.
1964 — 1971 годы — вычислительные машины третьего поколения
Основным отличием этого периода является начало применения микросхем с малой степенью интеграции. С помощью сложнейших технологий ученые смогли поместить на небольшой полупроводниковой пластине, с площадью меньше 1 сантиметра квадратного, сложные электронные схемы. Изобретение микросхем запатентовано в 1958 году. Изобретатель — Джек Килби. Применение этого революционного изобретения позволило улучшить все параметры – габариты уменьшились примерно до размеров холодильника, быстродействие увеличилось, также как и надежность.
Этот этап в развитии вычислительных машин характеризуется применением в использовании нового запоминающего устройства – магнитного диска. Мини-ЭВМ PDP-8 впервые представлена в 1965 году.
В СССР подобные версии появились гораздо позже — в 1972 году и являлись аналогами моделей, представленных на американском рынке.
1971 год — современность — вычислительные машины четвертого поколения
Инновацией в вычислительных машинах четвертого поколения является применение и использование микропроцессоров. Микропроцессоры представляют собой АЛУ (арифметически-логические устройства), помещенные на одну микросхему и имеющие высокую степень интеграции. Это значит, что микросхемы начинают занимать еще меньше места. Иными словами, микропроцессор – это маленький мозг, выполняющий миллионы операций в секунду по заложенной в него программе. Размеры, вес и потребление мощности резко уменьшились, а быстродействие достигло рекордных высот. И именно тогда в игру включился Intel.
Первый микропроцессор назывался Intel-4004 — название первого микропроцессора, собранного в 1971 году. Он имел разрядность 4 бита, но тогда являлся гигантским технологическим прорывом. Два года спустя Intel представил миру Intel-8008, имеющий восемь бит, в 1975 году появился на свет Альтаир-8800 — это первый персональный компьютер, созданный на основе Intel-8008.
Это было началом целой эры персональных компьютеров. Машину стали использоваться повсеместно в совершенно различных целях. Через год в игру вступил Apple. Проект имел большой успех, а Стив Джобс стал одним из самых известных и богатых человек на Земле.
Непререкаемым эталоном компьютера становится IBM PC. Его выпустили в 1981 году имеющим ОЗУ 1 мегабайт.
Примечательно то, что на данный момент IBM-совместимые электронно-вычислительные машины занимают примерно девяностопроцентную долю выпускаемых компьютеров! Также, нельзя не упомянуть про Pentium. Разработка первого процессора со встроенным сопроцессором завершилась успехом в 1989 году. Сейчас эта торговая марка непререкаемый авторитет в разработках и применении микропроцессоров на рынке компьютеров.
Если говорить о перспективах — то это, безусловно, развитие и внедрение новейших технологий: сверхбольших интегральных схем, магнитно-оптических элементов, даже элементов искусственного разума.
Самообучаемые электронные системы — вот обозримое будущее, называемое пятым поколением в развитии компьютеров.
Человек стремится стереть барьер в общении с компьютером. Очень долго и, к сожалению, неудачно работала над этим Япония, но это уже тема совершенно другой статьи. На данный момент все проекты находятся только в разработке, но с современными темпами развития – это недалекое будущее. Настоящее время – время, когда вершится история!
Поделиться.Еще в первой половине XIX в. Английский математик Чарльз Бэббидж попытался построить универсальное вычислительное устройство, то есть компьютер (Бэббидж называл его Аналитической машиной). Именно Бэббидж впервые додумался до того, что компьютер должен содержать память и управляться с помощью программы. Бэббидж хотел построить свой компьютер как механическое устройство, а программы собирался задавать посредством перфокарт - карт из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий.
Однако довести до конца эту работу Бэббидж не смог - она оказалась слишком сложной для техники того времени.
Немецкий
инженер Конрад Цузе, в 1941 г. построил
небольшой компьютер на основе нескольких
электромеханических реле. Но из-за войны работы Цузе не
были опубликованы.
А в США в 1943 г. на одном из предприятий фирмы IBM американец Говард Эйкен создал более мощный компьютер под названием «Марк-1». Он уже позволял проводить вычисления в сотни раз быстрее, чем вручную, и реально использовался для военных расчетов.
Начиная с 1943 г. в США группа специалистов под руководством Джона Мочли и Преспера Экерта начала конструировать компьютер ENIAC на основе на основе электронных ламп. Созданный ими компьютер работал в тысячу раз быстрее, чем Марк-1.Чтобы упростить и убыстрить процесс задания программ, Экерт и Мочли стали конструировать новый компьютер, который мог бы хранить программу в своей памяти.
В
1945 г. К работе был привлечен знаменитый математик Джон фон
Нейман, который подготовил доклад об этом компьютере. Доклад был
разослан многим ученым и получил широкую известность, поскольку
в нем фон Нейман ясно и просто сформулировал общие принципы
функционирования компьютеров, т.е. универсальных вычислительных
устройств. И до сих пор подавляющее большинство компьютеров
сделано в соответствии с теми принципами, которые изложил в
своем докладе в 1945 г. Джон фон Нейман. Первый компьютер, в
котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949
г. английским исследователем Морисом Уилксом.
В 40-х и 50-х годах компьютеры создавались на основе электронных ламп. Поэтому компьютеры были очень большими (они занимали огромные залы), дорогими и ненадежными - ведь электронные лампы, как и обычные лампочки, часто перегорают.
Но в 1948 г. были изобретены транзисторы - миниатюрные и недорогие электронные приборы, которые смогли заменить электронные лампы. Это привело к уменьшению размеров компьютеров в сотни раз и повышению их надежности.
Первые компьютеры на основе транзисторов появились в конце 50-х годов, а к середине 60-х годов. После появления транзисторов наиболее трудоемкой операцией при производстве компьютеров было соединение и спайка транзисторов для создания электронных схем. Но в 1959 г. Роберт Нойс (будущий основатель фирмы Intel) изобрел способ, позволяющий создавать на одной пластине кремния транзисторы и все необходимые соединения между ними. Полученные электронные схемы стали называться интегральными схемами, или чипами.В 1968 г. фирма Burroughs выпустила первый компьютер на интегральных схемах, а в 1970 г. фирма Intel начала продавать интегральные схемы памяти. В дальнейшем количество транзисторов, которое удавалось разместить на единицу площади интегральной схемы, увеличивалось приблизительно вдвое каждый год, что и обеспечивает постоянное уменьшение стоимости компьютеров и повышение быстродействия.
В начале 1975 г. появился первый коммерчески распространяемый персональный компьютер Альтаир-8800 на основе микропроцессора Intel-8080. И хотя возможности его были весьма ограничены (оперативная память составляла всего 256 байт, клавиатура и экран отсутствовали), его появление было встречено с большим энтузиазмом: в первые же месяцы было продано несколько тысяч комплектов машины.
В конце 1975 г. Пол Аллен и Билл Гейтс (будущие основатели фирмы Microsoft) создали для компьютера "Альтаиро" интерпретатор языка Basic, что позволило пользователям достаточно просто общаться с компьютером и легко писать для него программы. Это также способствовало популярности персональных компьютеров. Персональные компьютеры стали продаваться уже в полной комплектации, с клавиатурой и монитором, спрос на них составил десятки, а затем и сотни тысяч штук в год.
В 1976 году новая компания Apple Computer вышла на
рынок с компьютером Apple I стоимостью 666 долларов. Его
системная плата была привинчена к куску фанеры, а
корпуса и блока питания не было вообще.
Но появившийся в 1977 году компьютер Apple II стал
прообразом большинства последующих моделей, включая и
IBM PC.
В конце 70-х годов распространение персональных компьютеров даже привело к некоторому снижению спроса на большие компьютеры и мини-компьютеры (мини-ЭВМ). Это стало предметом серьезного беспокойства фирмы IBM (International Business Machines Corporation) - ведущей компании по производству больших компьютеров, и в 1979 г. фирма IBM решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров
Прежде всего, в качестве основного микропроцессора компьютера был выбран новейший тогда 16-разрядный микропроцессор Intel-8088. Его использование позволило значительно увеличить потенциальные возможности компьютера, так как новый микропроцессор позволял работать с 1 Мбайтом памяти, а все имевшиеся тогда компьютеры были ограничены 64 Кбайтами.
Пользователи получили возможность самостоятельно модернизировать свои компьютеры и оснащать их дополнительными устройствами сотен различных производителей.
Все это привело к удешевлению IBM PC-совместимых компьютеров и стремительному улучшению их характеристик, а значит, к росту их популярности.
Фирма IBM не сделала свой компьютер единым неразъемным устройством и не стала защищать его конструкцию патентами. Наоборот, она собрала компьютер из независимо изготовленных частей и не стала держать спецификации этих частей и способы их соединения в секрете. Напротив, принципы конструкции IBM PC были доступны всем желающим. Этот подход, называемый принципом открытой архитектуры, обеспечил потрясающий успех компьютеру IBM PC, хотя и лишил фирму IBM возможности единолично пользоваться плодами этого успеха.
Потребность считать возникала у людей вместе с появлением цивилизации.
Им было необходимо осуществлять торговые сделки, проводить землемерные
работы, управлять запасами урожая, следить за астрономическими циклами.
Для этого издревле были изобретены различные инструменты, от счётных палочек и абака, в ходе развития науки и техники эволюционировавшие в калькуляторы и разнообразные вычислительные устройства, в том числе и персональные компьютеры.
|
|
Первое поколение - компьютеры на электронных лампах (1946 - 1956г.). За точку отсчета эры ЭВМ обычно принимают 15 февраля 1946 года, когда ученые Пенсильванского университета США ввели в строй первый в мире электронный компьютер ЭНИАК. В нем использовалось 18 тысяч электронных ламп. Машина занимала площадь 135 м3, весила 30 тонн и потребляла 150 кВт электроэнергии. Она использовалась для решения задач, связанных с созданием атомной бомбы. И хотя механические и электромеханические машины появились значительно раньше, все дальнейшие успехи ЭВМ связаны именно с электронными компьютерами. В СССР в 1952 году академиком С.А. Лебедевым была создана самая быстродействующая в Европе ЭВМ БЭСМ. Быстродействие первых машин было несколько тысяч операций в секунду.
Второе поколение - компьютеры на транзисторах (1956 - 1964 г.). Полупроводниковый прибор - транзистор был изобретен в США в 1948 году Шокли и Бардиным. Компьютеры на транзисторах резко уменьшили габариты, массу, потребляемую мощность, повысили быстродействие и надежность. Типичная отечественная машина (серий "Минск", "Урал") содержала около 25 тысяч транзисторов. Лучшая наша ЭВМ БЭСМ-6 имела быстродействие 1 млн. оп/с.
Третье поколение - компьютеры на микросхемах с малой степенью интеграции (1964 - 1971г.). Микросхема была изобретена в 1958 году Дж. Килби в США. Микросхемы позволили повысить быстродействие и надежность ЭВМ, снизить габариты, массу и потребляемую мощность. Первая ЭВМ на микросхемах IBM-360 была выпущена в США в 1965 году, как и первая мини-ЭВМ PDP-8 размером с холодильник. В СССР большие ЭВМ третьего поколения серии ЕС (ЕС-1022-ЕС-1060) выпускались вместе со странами СЭВ с 1972 года. Это были аналоги американских ЭВМ IBM-360, IBM-370.
Четвертое поколение - компьютеры на микропроцессорах (1971 - настоящее время). Микропроцессор - это арифметическое и логическое устройство, выполненное чаще всего в виде одной микросхемы с большой степенью интеграции. Применение микропроцессоров привело к резкому снижению габаритов, массы и потребляемой мощности ЭВМ, повысило их быстродействие и надежность. Первый микропроцессор Intel-4004 был выпущен в США фирмой Intel в 1971 году. Его разрядность была 4 бита. В 1973г. был выпущен 8-битовый Intel-8008, а в 1974 г. Intel-8080. В 1975 г. появился первый в мире персональный компьютер Альтаир-8800, построенный на базе Intel-8080. Началась эра персональных ЭВМ.
В 1976 г. появился персональный компьютер Apple на базе микропроцессора фирмы Motorola, который имел большой коммерческий успех. Он положил начало компьютерам серии Макинтош. Первый компьютер фирмы IBM с названием IBM PC появился в 1981 году. Он был сделан на базе 16-битового микропроцессора Intel-8088 и имел ОЗУ 1 Мб (у всех других машин было тогда ОЗУ 64 Кб). Фактически он стал стандартом персонального компьютера. Сейчас IBM-совместимые компьютеры составляют 90% всех производимых в мире персональных компьютеров. В 1983г. на базе Intel-8088 был выпущен компьютер IBM PC/ХT, имеющий жесткий диск. В 1982г. был сделан 16-битовый процессор Intel-80286, который был использован фирмой IBM в 1984г. в компьютере серии IBM PC/AT. Его быстродействие было в 3 - 4 раза выше, чем у IBM PC/ХT. В 1985г. фирма Intel разработала 32-битовый процессор Intel-80386.
Он содержал примерно 275 тысяч транзисторов и мог работать с 4 Гб дисковой памяти. Для процессоров Intel-80286 и Intel-80386 появились математические сопроцессоры соответственно Intel-80287 и Intel-80387, которые повышали быстродействие компьютеров при математических расчетах и при работе с плавающей запятой. Процессоры 80486 (1989г.), Pentium (1993г.), Pentium-Pro (1995г.), Pentium-2 (1997г.) и Pentium-3 (1999г.) уже имеют встроенный математический сопроцессор. На базе процессоров Pentium собраны многие современные персональные компьютеры.
Пятое поколение (перспективное) - это ЭВМ, использующие новые технологии и новую элементную базу, например сверхбольшие интегральные схемы, оптические и магнито-оптические элементы, работающие посредством обычного разговорного языка, оснащенные огромными базами данных. Предполагается также использовать элементы искусственного интеллекта и распознавание зрительных и звуковых образов. Такие проекты разрабатываются в ведущих промышленно развитых странах.
Краткая история ЭВМ
Современному человеку сегодня трудно представить свою жизнь без электронно-вычислительных машин (ЭВМ). В настоящее время любой желающий, в соответствии со своими запросами, может собрать у себя на рабочем столе полноценный вычислительный центр. Так было, конечно, не всегда. Путь человечества к этому достижению был труден и тернист. Много веков назад люди хотели иметь приспособления, которые помогали бы им решать разнообразные задачи. Многие из этих задач решались последовательным выполнением некоторых рутинных действий, или, как принято говорить сейчас, выполнением алгоритма. С попытки изобрести устройство, способное реализовать простейшие из этих алгоритмов (сложение и вычитание чисел), все и началось...
Точкой отсчета можно считать начало XVII века (1623 год), когда ученый В. Шикард создал машину, умеющую складывать и вычитать числа. Но первым арифмометром, способным выполнять четыре основных арифметических действия, стал арифмометр знаменитого французского ученого и философа Блеза Паскаля. Основным элементом в нем было зубчатое колесо, изобретение которого уже само по себе стало ключевым событием в истории вычислительной техники. Хотелось бы отметить, что эволюция в области вычислительной техники носит неравномерный, скачкообразный характер: периоды накопления сил сменяются прорывами в разработках, после чего наступает период стабилизации, во время которого достигнутые результаты используются практически и одновременно накапливаются знания и силы для очередного рывка вперед. После каждого витка процесс эволюции выходит на новую, более высокую ступень.
В 1671 году немецкий философ и математик Густав Лейбниц также создает арифмометр на основе зубчатого колеса особенной конструкции - зубчатою колеса Лейбница. Арифмометр Лейбница, как и арифмометры его предшественников, выполнял четыре основных арифметических действия. На этом данный период закончился, и человечество в течение почти полутора веков копило силы и знания для следующего витка эволюции вычислительной техники. XVIII и XIX века были временем, когда бурно развивались различные науки, в том числе математика и астрономия. В них часто возникали задачи, требующие длительных и трудоемких вычислений.
Еще одним известным человеком в истории вычислительной техники стал английский математик Чарльз Бэббидж. В 1823 году Бэббидж начал работать над машиной для вычисления полиномов, но, что более интересно, эта машина должна была, кроме непосредственного производства вычислений, выдавать результаты - печатать их на негативной пластине для фотопечати. Планировалось, что машина будет приводиться в действие паровым двигателем. Из-за технических трудностей Бэббиджу до конца не удалось реализовать свой проект. Здесь впервые возникла идея использовать некоторое внешнее (периферийное) устройство для выдачи результатов вычислений. Отметим, что другой ученый, Шойц, в 1853 году все же реализовал машину, задуманную Бэббиджем (она получилась даже меньше, чем планировалась). Наверное, Бэббиджу больше нравился творческий процесс поиска новых идей, чем воплощение их в нечто материальное. В 1834 году он изложил принципы работы очередной машины, которая была названа им «Аналитической». Технические трудности вновь не позволили ему до конца реализовать свои идеи. Бэббидж смог довести машину лишь до стадии эксперимента. Но именно идея является двигателем научно-технического прогресса. Очередная машина Чарльза Бэббиджа была воплощением следующих идей:
Управление производственным процессом. Машина управляла работой ткацкого станка, изменяя узор создаваемой ткани в зависимости от сочетания отверстий на специальной бумажной ленте. Эта лента стала предшественницей таких знакомых нам всем носителей информации, как перфокарты и перфоленты.
Программируемость. Работой машины также управляла специальная бумажная лента с отверстиями. Порядок следования отверстий на ней определял команды и обрабатываемые этими командами данные. Машина имела арифметическое устройство и память. В состав команд машины входила даже команда условного перехода, изменяющая ход вычислений в зависимости от некоторых промежуточных результатов.
В разработке этой машины принимала участие графиня Ада Августа Лавлейс, которую считают первой в мире программистом.
Идеи Чарльза Бэббиджа развивались и использовались другими учеными. Так, в 1890 году, на рубеже XX века, американец Герман Холлерит разработал машину, работающую с таблицами данных (первый Excel?). Машина управлялась программой на перфокартах. Она использовалась при проведении переписи населения в США в 1890 году. В 1896 году Холлерит основал фирму, явившуюся предшественницей корпорации IBM. Со смертью Бэббиджа в эволюции вычислительной техники наступил очередной перерыв вплоть до 30-х годов XX века. В дальнейшем все развитие человечества стало немыслимым без компьютеров.
В 1938 году центр разработок ненадолго смещается из Америки в Германию, где Конрад Цузе создает машину, которая оперирует, в отличие от своих предшественниц, не десятичными числами, а двоичными. Эта машина также была все еще механической, но ее несомненным достоинством было то, что в ней была реализована идея обработки данных в двоичном коде. Продолжая свои работы, Цузе в 1941 году создал электромеханическую машину, арифметическое устройство которой было выполнено на базе реле. Машина умела выполнять операции с плавающей точкой.
За океаном, в Америке, в этот период также шли работы по созданию подобных электромеханических машин. В 1944 году Говард Эйкен спроектировал машину, которую назвали Mark-1 . Она, как и машина Цузе, работала на реле. Но из-за того, что эта машина явно была создана под влиянием работ Бэббиджа, она оперировала с данными в десятичной форме.
Естественно, из-за большого удельного веса механических частей эти машины были обречены. Нужно было искать новую, более технологичную элементную базу. И тогда вспомнили об изобретении Фореста, который в 1906 году создал трех электродную вакуумную лампу, названную триодом. В силу своих функциональных свойств она стала наиболее естественной заменой реле. В 1946 году в США, в университете города Пенсильвания, была создана первая универсальная ЭВМ - ENIAC . ЭВМ ENIAC содержала 18 тыс. ламп, весила 30 тонн, занимала площадь около 200 квадратных метров и потребляла огромную мощность. В ней все еще использовались десятичные операции, и программирование осуществлял ось путем коммутации разъемов и установки переключателей. Естественно, что такое «программирование» влекло за собой появление множества проблем, вызванных, прежде всего, неверной установкой переключателей. С проектом ENIAC связано имя еще одной ключевой фигуры в истории вычислительной техники - математика Джона фон Неймана. Именно он впервые предложил записывать программу и ее данные в память машины так, чтобы их можно было при необходимости модифицировать в процессе работы. Этот ключевой принцип, был использован в дальнейшем при создании принципиально новой ЭВМ EDVAC (1951 год). В этой машине уже при меняется двоичная арифметика и используется оперативная память, построенная на ультразвуковых ртутных линиях задержки. Память могла хранить 1024 слова. Каждое слово состояло из 44 двоичных разрядов.
После создания EDVAC человечество осознало, какие высоты науки и техники могут быть достигнуты тандемом человек-компьютер. Данная отрасль стала развиваться очень быстро и динамично, хотя здесь тоже наблюдалась некоторая периодичность, связанная с необходимостью накопления определенного багажа знаний для очередного прорыва. До середины 80-х годов процесс эволюции вычислительной техники принято делить на поколения. Для полноты изложения дадим этим поколениям краткие качественные характеристики:
Первое поколение ЭВМ (1945-1954 гг.) В этот период формируется типовой набор структурных элементов, входящих в состав ЭВМ. К этому времени у разработчиков уже сложилось примерно одинаковое представление о том, из каких элементов должна состоять типичная ЭВМ. Это - центральный процессор (ЦП), оперативная память (или оперативно запоминающее устройство - ОЗУ) и устройства ввода-вывода (УВВ). ЦП, в свою очередь, должен состоять из арифметико-логического устройства (АЛУ) и управляющею устройства (УУ). Машины этого поколения работали на ламповой элементной базе, из-за чего поглощали огромное количество энергии и были очень не ненадежны. С их помощью, в основном, решались научные задачи. Программы для этих машин уже можно было составлять не на машинном языке, а на языке ассемблера.
Второе поколение ЭВМ (1955-1964 гг.). Смену поколений определило появление новой элементной базы: вместо громоздкой лампы в ЭВМ стали применяться миниатюрные транзисторы, линии задержки как элементы оперативной памяти сменила память на магнитных сердечниках. Это в конечном итоге привело к уменьшению габаритов, повышению надежности и производительности ЭВМ. В архитектуре ЭВМ появились индексные регистры и аппаратные средства для выполнения операций с плавающей точкой. Были разработаны команды для вызова подпрограмм.
Появились языки программирования высокого уровня - Algol, FORTRAN, COBOL, - создавшие предпосылки для появления переносимого программного обеспечения, не зависящего от типа ЭВМ. С появлением языков высокого уровня возникли компиляторы для них, библиотеки стандартных подпрограмм и другие хорошо знакомые нам сейчас вещи.
Важное новшество, которое хотелось бы отметить, - это появление так называемых процессоров ввода-вывода. Эти специализированные процессоры позволили освободить центральный процессор от управления вводом-выводом и осуществлять ввод-вывод с помощью специализированного устройства одновременно с процессом вычислений. На этом этапе резко расширился круг пользователей ЭВМ и возросла номенклатура решаемых задач. Для эффективного управления ресурсами машины стали использоваться операционные системы (ОС).
Третье поколение ЭВМ (1965-1970 гг .). Смена поколений вновь была обусловлена обновлением элементной базы: вместо транзисторов в различных узлах ЭВМ стали использоваться интегральные микросхемы различной степени интеграции. Микросхемы позволили разместить десятки элементов на пластине размером в несколько сантиметров. Это, в свою очередь, не только повысило производительность ЭВМ, но и снизило их габариты и стоимость. Появились сравнительно недорогие и малогабаритные машины - Мини-ЭВМ. Они активно использовались для управления различными технологическими производственными процессами в системах сбора и обработки информации.
Увеличение мощности ЭВМ сделало возможным одновременное выполнение нескольких программ на одной ЭВМ. Для этого нужно было научиться координировать между собой одновременно выполняемые действия, для чего были расширены функции операционной системы.
Одновременно с активными разработками в области аппаратных и архитектурных решений растет удельный вес разработок в области технологий программирования. В это время активно разрабатываются теоретические основы методов программирования, компиляции, баз данных, операционных систем и т. д. Создаются пакеты прикладных программ для самых различных областей жизнедеятельности человека.
Теперь уже становится непозволительной роскошью переписывать все программы с появлением каждого нового типа ЭВМ. Наблюдается тенденция к созданию семейств ЭВМ, то есть машины становятся совместимы снизу вверх на программно-аппаратном уровне. Первая из таких семейств была серия IBM System/360 и наш отечественный аналог этого компьютера - ЕС ЭВМ.
Четвертое поколение ЭВМ (1970-1984 гг.). Очередная смена элементной базы привела к смене поколений. В 70-е годы активно ведутся работы по созданию больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС), которые позволили разместить на одном кристалле десятки тысяч элементов. Это повлекло дальнейшее существенное снижение размеров и стоимости ЭВМ. Работа с программным обеспечением стала более дружественной, что повлекло за собой рост количества пользователей.
В принципе, при такой степени интеграции элементов стало возможным попытаться создать функционально полную ЭВМ на одном кристалле. Соответствующие попытки были предприняты, хотя они и встречались, в основном, недоверчивой улыбкой. Наверное, этих улыбок стало бы меньше, если бы можно было предвидеть, что именно эта идея станет причиной вымирания больших ЭВМ через каких-нибудь полтора десятка лет.
Тем не менее в начале 70-х годов фирмой Intel был выпущен микропроцессор (МП) 4004. И если до этого в мире вычислительной техники были только три направления (супер ЭВМ, большие ЭВМ (мэйнфреймы) и мини-ЭВМ), то теперь к ним прибавилось еще одно - микропроцессорное. В общем случае под процессором понимают функциональный блок ЭВМ, предназначенный для логической и арифметической обработки информации на основе принципа микропрограммного управления. По аппаратной реализации процессоры можно разделить на микропроцессоры (полностью интегрированы все функции процессора) и процессоры с малой и средней интеграцией. Конструктивно это выражается в том, что микропроцессоры реализуют все функции процессора на одном кристалле, а процессоры других типов реализуют их путем соединения большого количества микросхем.
Итак, первый микропроцессор 4004 был создан фирмой Intel на рубеже 70-х годов. Он представлял собой 4-разрядное параллельное вычислительное устройство, и его возможности были сильно ограничены. 4004 мог производить четыре основные арифметические операции и применялся поначалу только в карманных калькуляторах. Позднее сфера его применения была расширена за счет использования в различных системах управления (например, для управления светофорами). Фирма Intel, правильно предугадав перспективность микропроцессоров, продолжила интенсивные разработки, и один из ее проектов в конечном итоге привел к крупному успеху, предопределившему будущий путь развития вычислительной техники.
Им стал проект по разработке 8-разрядного процессора 8080 (1974 г.). Этот микропроцессор имел довольно развитую систему команд и умел делить числа. Именно он был использован при создании персонального компьютера Альтаир, для которого молодой Билл Гейтс написал один из своих первых интерпретаторов языка BASIC. Наверное, именно с этого момента следует вести отсчет 5-го поколения.
Пятое поколение ЭВМ (1984 г. - наши дни) можно назвать микропроцессорным. Заметьте, что четвертое поколение закончилось только в начале 80-х, то есть родители в лице больших машин и их быстро взрослеющее и набирающее силы «чадо» В течение почти 10 лет относительно мирно существовали вместе. Для них обоих это время пошло только на пользу. Проектировщики больших компьютеров накопили огромный теоретический и практический опыт, а программисты микропроцессоров сумели найти свою, пусть поначалу очень узкую, нишу на рынке.
В 1976 году фирма Intel закончила разработку 16-разрядного процессора 8086. Он имел достаточно большую разрядность регистров (16 бит) и системной шины адреса (20 бит), за счет чего мог адресовать до 1 Мбайт оперативной памяти.
В 1982 году был создан 80286. Этот процессор представлял собой улучшенный вариант 8086. Он поддерживал уже несколько режимов работы: реальный, когда формирование адреса производилось по правилам i8086, и защищенный, который аппаратно реализовывал многозадачность и управление виртуальной памятью. 80286 имел также большую разрядность шины адреса - 24 разряда против 20 у 8086, и поэтому он мог адресовать до 16 Мбайт оперативной памяти. Первые компьютеры на базе этого процессора появились в 1984 году. По своим вычислительным возможностям этот компьютер стал сопоставим с IBM System/370. Поэтому можно считать, что на этом четвертое поколение развития ЭВМ завершилось.
В 1985 году фирма Intel представила первый 32-разрядный микропроцессор 80386, аппаратно совместимый снизу вверх со всеми предыдущими процессорами этой фирмы. Он был гораздо мощнее своих предшественников, имел 32-разрядную архитектуру и мог прямо адресовать до 4 Гбайт оперативной памяти. Процессор 386 стал поддерживать новый режим работы - режим виртуального 8086, который обеспечил не только большую эффективность работы программ, разработанных для 8086, но и позволил осуществлять параллельную работу нескольких таких программ. Еще одно важное нововведение - поддержка страничной организации оперативной памяти - позволило иметь виртуальное пространство памяти размером до 4 Тбайт.
Процессор 386 был первым микропроцессором, в котором использовалась параллельная обработка. Так, одновременно осуществлялись: доступ к памяти и устройствам ввода-вывода, размещение команд в очереди для выполнения, их декодирование, преобразование линейного адреса в физический, а также страничное преобразование адреса (информация о 32-х наиболее часто используемых страницах помещалась в специальную кэш-память).
Вскоре после процессора 386 появился 486. В его архитектуре получили дальнейшее развитие идеи параллельной обработки. Устройство декодирования и исполнения команд было организовано в виде пятиступенчатого конвейера, на втором в различной стадии исполнения могло находиться до 5 команд. На кристалл была помещена кэш-память первого уровня, которая содержала часто используемые код и данные. Кроме этого, появилась кэш-память второго уровня емкостью до 512 Кбайт. Появилась возможность строить многопроцессорные конфигурации. В систему команд процессора были добавлены новые команды. Все эти нововведения, наряду со значительным (до 133 МГц) повышением тактовой частоты микропроцессора, значительно позволили повысить скорость выполнения про грамм.
С 1993 года стали выпускаться микропроцессоры Intel Pentium. Их появление, начале омрачилось ошибкой в блоке операций с плавающей точкой. Эта ошибка была быстро устранена, но недоверие к этим микропроцессорам еще некоторое время оставалось.
Pentium продолжил развитие идей параллельной обработки. В устройство декодирования и исполнения команд был добавлен второй конвейер. Теперь два конвейера (называемых u и v) вместе могли исполнять две инструкции за такт. Внутренний кэш был увеличен вдвое - до 8 Кбайт для кода и 8 Кбайт для данных. Процессор стал более интеллектуальным. В него была добавлена возможность предсказания ветвлений, в связи с чем значительно возросла эффективность исполнения нелинейных алгоритмов. Несмотря на то что архитектура системы оставалась все еще 32-разрядной, внутри микропроцессора стали использоваться 128- и 256-разрядные шины передачи данных. Внешняя шина данных была увеличена до 64 бит. Продолжили свое развитие технологии, связанные с многопроцессорной обработкой информации.
Появление микропроцессора Pentium Pro разделило рынок на два сектора - высокопроизводительных рабочих станций и дешевых домашних компьютеров. В процессоре Pentium Pro были реализованы самые передовые технологии. В частности был добавлен еще один конвейер к имевшимся двум у процессора Pentium. Тем самым за один такт работы микропроцессор стал выполнять до трех инструкций.
Более того, процессор Pentium Pro позволил осуществлять динамическое исполнение команд (Dynamic Execution). Суть его в том, что три устройства декодирования команд, работая параллельно, делят команды на более мелкие части, называемые микрооперациями. Далее эти микрооперации могут исполняться параллельно пятью устройствами (двумя целочисленными, двумя с плавающей точкой и одним устройством интерфейса с памятью). На выходе эти инструкции опять собираются в первоначальном виде и порядке. Мощь Pentium Pro дополняется усовершенствованной организацией его кэш-памяти. Как и процессор Pentium, он имеет 8 Кбайт кэш-памяти первого уровня и 256 Кбайт кэш-памяти второго уровня. Однако за счет схемных решений (использование архитектуры двойной независимой шины) кэш-память второго уровня расположили на одном кристалле с микропроцессором, что значительно повысило производительность. В Pentium Pro реализовали 36-разрядную адресную шину, что позволило адресовать до 64 Гбайт оперативной памяти.
Процесс развития семейства обычных процессоров Pentium тоже не стоял на месте. Если в процессорах Pentium Pro параллелизм вычислений был реализован за счет архитектурных и схемотехнических решений, то при создании моделей процессора Pentium пошли по другому пути. В них включили новые команды, для поддержки которых несколько изменили программную модель микропроцессора. Эти команды, получившие название MMX-команд (MultiMedia eXtention - мультимедийное расширение системы команд), позволили одновременно обрабатывать несколько единиц однотипных данных.
Следующий выпущенный в свет процессор, названный Pentium II, объединил в себе все технологические достижения обоих направлений развития архитектуры Pentium. Кроме этого он имел новые конструктивные особенности, в частности, его корпус выполнен в соответствии с новой технологией изготовления корпусов. Не забыт и рынок портативных компьютеров, в связи с чем процессором поддерживаются несколько режимов энергосбережения.
Процессор Pentium III. Традиционно он поддерживает все достижения своих предшественников, главное (и, возможно, единственное?!) его достоинство - наличие новых 70 команд, Эти команды дополняют группу MMX-команд, но для чисел с плавающей точкой. Для поддержки этих команд в архитектуру процессора был включен специальный блок.