Введение

В познании деятельности компьютера есть несколько уровней. Первый из них, необходимый каждому специалисту, - уровень архитектуры. Архитектура – это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных функциональных узлов. На этом уровне не требуется знание схемных решений современной радиотехники и микроэлектроники. Последнее вообще выходит за приделы информатики, оно требуется лишь разработчикам физических элементов компьютеров.

Уровень архитектуры достаточно глубок, он включает вопросы управления работой ЭВМ (программирования) на языке машинных команд (ассемблера). Такой способ управления гораздо сложнее, чем написание программ на языках высокого уровня, и тем не менее без представления о нём невозможно понять реальную работу компьютера.

Следующий уровень – логические принципы и схемы реализации основных операциональных узлов компьютера (триггеров, сумматоров и т. д.). Понимание этих принципов весьма желательно и существенно расширит кругозор специалиста в области информатики (и её преподавания).

Начальный этап развития вычислительной техники

Всё началось с идеи научить машину считать или хотя бы складывать многоразрядные целые числа. Ещё около 1500 г. великий деятель эпохи Просвещения Леонардо да Винчи разработал эскиз 13-разрядного суммирующего устройства, что явилось первой дошедшей до нас попыткой решить указанную задачу. Первую же действующую суммирующую машину построил в 1642 г. Блез Паскаль – знаменитый французский физик, математик, инженер. Его 8-разрядная машина сохранилась до наших дней.

От замечательного курьёза, каким восприняли современники машину Паскаля, до создания практически полезного и широко используемого агрегата – арифмометра (механического вычислительного устройства, способного выполнять 4 арифметических действия) – прошло почти 250 лет. Уже в начале XIX века уровень развития ряда наук и областей практической деятельности (математики, механики, астрономии, инженерных наук, навигации и др.) был столь высок, что они настоятельнейшим образом требовали выполнения огромного объёма вычислений, выходящих за пределы возможностей человека, не вооружённого соответствующей техникой. Над её созданием и совершенствованием работали как выдающиеся учёные с мировой известностью, так и сотни людей, имена многих из которых до нас не дошли, посвятивших свою жизнь конструированию механических вычислительных устройств.

Ещё в 70-х годах XX века на полках магазинов стояли механические арифмометры и их “ближайшие родственники”, снабжённые электрическим приводом – электромеханические клавишные вычислительные машины. Как это часто бывает, они довольно долго удивительным образом соседствовали с техникой совершенного уровня – автоматическими цифровыми вычислительными машинами (АЦВМ), которые в просторечии чаще называют ЭВМ (хотя, строго говоря, эти понятия не совсем совпадают). История АЦВМ восходит ещё к первой половине XIX века и связана с именем замечательного английского математика и инженера Чарльза Бэббиджа. Им в 1822 г. была спроектирована и почти 30 лет строилась и совершенствовалась машина, названная вначале “разностной”, а затем, после многочисленных усовершенствований проекта, “аналитической”. В “аналитическую” машину были заложены принципы, ставшие фундаментальными для вычислительной техники.

Автоматическое выполнение операций.

Для выполнения расчётов большого объёма существенно не только то, как быстро выполняется отдельная арифметическая операция, но и то, чтобы между операциями не было “зазоров”, требующих непосредственного человеческого вмешательства. Например, большинство современных калькуляторов не удовлетворяют этому требованию, хотя каждое доступное им действие выполняют очень быстро. Необходимо, чтобы операции следовали одна за другой безостановочно.

Работа по вводимой “на ходу” программе.

Для автоматического выполнения операций программа должна вводится в исполнительное устройство со скоростью, соизмеримой со скоростью выполнения операций. Бэббидж предложил использовать для предварительной записи программ и ввода их в машину перфокарты, которые к тому времени применялись для управления ткацкими станками.

Необходимость специального устройства – памяти – для хранения данных (Бэббидж назвал его “складом”).

Эти революционные идеи натолкнулись на невозможность их реализации на основе механической техники, ведь до появления первого электромотора оставалось почти полвека, а первой электронной радиолампы – почти век! Они настолько опередили своё время, что были в значительной мере забыты и переоткрыты в следующем столетии.

Впервые автоматически действующие вычислительные устройства появились в середине XX века. Это стало возможным благодаря использованию наряду с механическими конструкциями электромеханических реле. Работы над релейными машинами начались в 30-е годы и продолжались с переменным успехом до тех пор, пока в 1944 г. под руководством Говарда Айкена – американского математика и физика – на фирме IBM (International Business Machines) не была запущена машина “Марк-1”, впервые реализовавшая идеи Бэббиджа (хотя разработчики, по-видимому, не были с ним знакомы). Для представления чисел в ней были использованы механические элементы (счётные колёса), для управления – электромеханические. Одна из самых мощных релейных машин РВМ-1 была в начале 50-х годов построена в СССР под руководством Н.И.Бессонова; она выполняла до 20 умножений в секунду с достаточно длинными двоичными числами.

Однако, появление релейных машин безнадежно запоздало и они очень быстро вытеснены электронными, гораздо более производительными и надёжными.

Развитие элементной базы компьютеров

Как было отмечено выше, история современных компьютеров насчитывает пять поколений. Условно выделяют соответственно, и пять периодов развития компьютерной техники. Интересно посмотреть, какие же ключевые события происходили в эти периоды и какие открытия приводили к смене компьютерных поколений.

Начало 50-х – конец 50-х.

Появление и расцвет компьютеров первого поколения (элементарная база: электронные лампы), программирование в кодах. Именно в этот период был изобретён транзистор.

Считается, что прародителями первого современного компьютера были Джон Апанасофф (автор проекта) и Клиффорд Герри (конструктор первого компьютера). Компьютер был назван АВС. Разработка проекта началась в 1939 году, а закончилась созданием опытного образца в 1942 году. Однако многие эксперты датой рождения компьютеров первого поколения считают 1944 год, когда был построен компьютер “Марк-1”, получивший мировую известность. Это была машина внушительных размеров – около 17 метров в длину, содержащая 75000 электронных рамп и 3000 механических реле. Данный компьютер производил вычисления с точностью до 23 значащих цифр и при этом выполнял операцию сложения за 3 секунды, а деления – за 12 секунд. Таким образом (имея в виду, что мы привыкли считать вычислительную мощность в количестве вычислений в секунду), у этого компьютера данный показатель был меньше единицы!

Вскоре появился ещё один компьютер, который завоевал мировую известность, - ENIAC (авторы проекта – Джон Мочли и Преспер Эккерт). К началу 50-х ламповые компьютеры получили широкое распространение. Они потребляли большое количество энергии, были крайне несовершенны, однако факт их появления трудно переоценить с точки зрения развития всех последующих поколений ЭВМ.

Практическое применение изобретённого в 1947 году транзистора с конца 50-х оказало решающее воздействие на развитие вычислительной техники. Это открытие определило сущность второго поколения компьютеров – компьютеров на базе полупроводниковых элементов. Исследованием полупроводников занимались многие учёные, однако наиболее известны эксперименты Уильяма Бедфорда Шокли 1947 года; именно эта дата фигурирует в большинстве источников как дата изобретения транзистора. В 1956 году за труды в области полупроводниковой техники Бедфорду Шокли была присуждена Нобелевская премия. Однако использование ламповых компьютеров продолжалось вплоть до начала 70-х годов.

С начала 50-х ламповые машины стали достаточно быстро совершенствоваться. Это направление активно развивалось в СССР. В 1950 году была запущена в эксплуатацию ЭЦВМ МЭСМ (Малая электронная счётная машина), которая производила уже более 100 операций в секунду. А ещё через два года появилась ЭВМ БЭСМ (10 000 операций в секунду). Важное событие произошло в 1955 году: под руководством главного конструктора Г.Амдала в компании IBM была разработана первая коммерческая ЭВМ с аппаратной плавающей арифметикой.

С конца 50-х годов начинают внедрятся полупроводниковые технологии. Например, в 1958 году в СССР была разработана ЭВМ М-20 на ламповых и полупроводниковых элементах.

Конец 50-х – середина 60-х.

Продолжается выпуск ламповых машин. Начинается внедрение полупроводниковых элементов, появляются компьютеры второго поколения: компьютеры уменьшились в размерах, появились так называемые мини-компьютеры, начали применятся алгоритмические языки.

В 1960 году в СССР была разработана первая отечественная полупроводниковая управляющая машина “Днепр”. Полупроводниковые технологии позволили не только повысить надежность, но и существенно уменьшить габариты машин. В начале 60-х компания DEC разработала свой первый мини-компьютер PDP-1, а через два года начались продажи компьютеров PDP-5. Параллельно наращивалась вычислительная мощность компьютеров: и 1962 году IBM разработала для ядерной лаборатории в Лос-Аламосе модель 7030; и 1964 году Сеймур Крей создал ЭВМ CDC 6000, которая и в течение нескольких лет была самым производительным компьютером в мире. А годом позже в СССР появился первый суперкомпьютер БЭСМ 6, который имел производительность 1 млн. операций в секунду. (Примерно в тот же период IBM разработала свои системы IBM System 360.) В это время у нас наблюдалось бурное развитие техники: был начат выпуск знаменитых машин “Минск-32”, “Наири” и семейства “Уралов”.

Середина 60-х – середина 70-х.

Появление так называемой малой степени интеграции (small scale integration) – интегральных микросхем и, соответственно, возникновение компьютеров третьего поколения. Дальнейшее уменьшение габаритов, доступ с удалённых терминалов. В этот период появляется первый микропроцессор.

В 1965 году был выпущен массовый мини-компьютер PDP-8. До конца 60-х были разработаны модели PDP-10 и первого 16-разрядного мини-компьютера PDP-11/20. IBM начинает выпуск первого компьютера из семейства System 370. В 1970-м Intel выпустила первую доступную на рынке микросхему динамической памяти. Особенно важные результаты принёс 1969-й: в этом году сотрудник Intel Тед Хофф изобрёл микропроцессор. В 1970 году другой сотрудник Intel Фредерико Фагин начал работы по проектированию микропроцессора. А через год появился первый в мире четырёхразрядный микропроцессор Intel 4004, содержащий 2300 транзисторов на кристалле, его тактовая частота составляла 108 кГц, быстродействие 60 000 операций в секунду, адресуемая память 640 байт, цена 200 $. Основными разработчиками проекта являлись Боб Нойс, Гордон Мур и Энди Гроув, документация была написана Адамом Осборном. Ещё через год Intel разработала восьмиразрядный процессор 8008 для корпорации Computer Terminal Corp (тактовая частота 108 кГц, 3500 транзисторов, адресное пространство 16 Кбайт). Начиная с данного процессора, Intel удерживает лидерство в области развития микропроцессорной техники и постоянно предлагает на рынок всё более производительные процессоры. Говоря об отечественной компьютерной промышленности, следует сказать, что с начала 70-х в СССР началось производство машин Единой Серии, которые сыграли существенную роль в развитии отечественной вычислительной техники, - ЕС-1020 (1971), ЕС-1030 (1972), ЕС-1050 (1973).

Середина 70-х – середина 80-х.

Появляются компьютеры четвёртого поколения на базе микропроцессоров. Получают распространение персональные компьютеры, имеет место их массовое производство и потребление. Наряду с созданием дешёвых микро-ЭВМ совершенствуются многопроцессорные мощные вычислительные системы.

В 1974 году на базе процессора Intel 8080 был спроектирован компьютер “Альтаир 8800”, который некоторые эксперты называют первым персональным компьютером в истории развития техники. Через год после выхода процессора Intel 8080 Motorola выпустила свой 8-разрядный процессор 6800, получивший широкое распространение.

Следующее важное событие, которое способствовало широкому распространению будущих “домашних” компьютеров, - появление в1977 году компьютера Apple II компании Apple Computer Corporation на процессоре 6502. Это был первый прообраз современного мультимедийного компьютера, который предоставлял возможности цветной графики и звука.

В 1978 году Intel анонсировала процессор 8086, открывший счёт семейству процессоров 80*86. Чип имел 16-разрядные регистры, 20-разрядный адрес, возможность адресовать до 1 Мбайт ОЗУ и обладал тактовой частотой 4-10 МГц.

В последующие два года произошли события, определившие развитие наиболее массового персонального компьютера IBM PC. В 1979 году Intel анонсировала микропроцессор i8088. Этот чип мог физически адресовать область памяти в 1 Мбайт. Первоначально микропроцессор i8088 работал с частотой 4,77 МГц и имел быстродействие около 0,33 млн. инструкций в секунду. Именно этот процессор в 1981 году фирма IBM выбрала для своего исторического компьютера IBM 5150 Personal Computer, который большинством экспертов признаётся первым персональным компьютером в мире.

В 1982 году была основана компания Sun Microsystems, которая впоследствии внесла огромный вклад в создание “сетевого компьютера”. В СССР в начале 80-х был налажен выпуск машин ЕС-1045, появились машины СМ-14 10, СМ-14 20. В этот период шли разработки отечественного персонального компьютера ПЭВМ “Агат”, который серийно начал выпускаться с 1985 года.

С середины 80-х начинается эпоха пятого поколения компьютеров. Элементная база: сверхбольшие интегральные схемы СБИС, резкий рост вычислительной мощности компьютеров, широкомасштабное внедрение компьютерных сетей.

Переход к компьютерам пятого поколения, прежде всего, проявился в колоссальной миниатюризации элементной базы и в наращивании вычислительной мощности и памяти компьютеров. При сохранении понятия “микропроцессор” количественные изменения привели к качественно новым возможностям. Чтобы понять эффект перехода к компьютерам пятого поколения, уместно привести высказывание Дейвида Арнольда, который в 1988 году прокомментировал известное выражение о том, что если бы производительность автомобильной промышленности возрастала с такой же скоростью, как компьютерная, то “роллс-ройс” смог бы проехать 3 млн. миль на одном галлоне бензина. В частности, он сказал: “Теперь (в 1988 году) и половины унции бензина (15 г) хватило бы на всю жизнь машины, а цена роллс-ройса не составляла бы и одного доллара”.

Список литературы

Леонтьев В., Новейшая энциклопедия персонального компьютера – М: ОЛМО – ПРЕСС, 1999 – 640 с .

Рязанцев О., Лучшие издания на российском рынке // Компьютер-ПРЕСС – 1999.-№1 и №4.

Журнал, Компьютер-пресс. 2000г. №1 10-14с.

Шафрин Ю.А. Информационные технологии Ч1-М .

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://referat2000.bizforum.ru/