Из мировой истории цифровой вычислительной техники

1.

Из мировой
истории
цифровой
вычислитель
ной техники

2.

Ручной период вычислений или период абака
1. Использование частей тела
2. Вильгельм Шиккард (Германия), (1592-1636).
Далее стали появляться другие вспомогательные средства счета: палочки, узелки,
насечки и т.п. Характерными свойствами этих устройств было то, что в них
отсутствовала автоматическая передача чисел из низшего порядка в высший.
Выполнение операций сводилось к перекладыванию предметов по определенным
правилам. Приспособления этого периода, такие как счетные доски, счеты, суан-пан
и другие, объединены одним названием - абак. И, часто домеханический период
называют также периодом абака. В те времена задача считалась решенной, если она
решалась на абаке.
3. Палочки Непера
Палочки Непера использовались вплоть до XX века. Даже когда появилось множество
других приспособлений для счета, изобретатели возвращались к ним вновь и вновь,
придумывая разнообразные приборы, основанные на палочках Непера.
4. Логарифмическая линейка
Еще одно замечательное устройство этого периода, прослужившее инженерам всего
мира около 400 лет. Логарифмическая линейка постоянно совершенствовалась.
Наиболее существенный вклад в ее модификацию внесли У. Отред, Р. Деламейн и
французский офицер А. Манхейм.

3.

Эпоха механических вычислительных машин
1. Леонардо да Винчи (Италия) (1452-1519):
Эскизный набросок суммирующей вычислительной машины на зубчатых
колесах для сложения 13-разрядных десятичных чисел (воспроизведен в
металле фирмой IBM в наши дни, полностью работоспособен).
2. Вильгельм Шиккард (Германия), (1592-1636).
100
лет
Потребность в автоматизации вычислений для астронома И. Кепплера.
Схема машины для сложения и умножения 6-разрядных десятичных чисел
3. Блез Паскаль (Франция) (1623-1662):
1641г.: Действующая суммирующая машина – «паскалина» (Паскаль ее
сконструировал в 19-летнем возрасте). Разработана для помощи отцу в расчетах,
нужных при сборе налогов. Суммирование и вычитание 6- и 8-разрядных десятичных
чисел.

4.

4. Вильгельм Готтфрид Лейбниц (Германия) (1646-1716):
а). Арифметическая машина для сложения, вычитания, умножения и деления 12разрядных десятичных чисел.
б). Исследование двоичной системы счисления (сохранилась медаль, нарисованная
им в 1697г., с соотношениями перевода из десятичной в двоичную систему).
5. Жозеф Мари Жаккард (Франция) (1752-1834):
Изобретение перфокарты (1799 г.) как устройства для ввода данных (использовалась
в изобретенном им ткацком станке для управления узорами на тканях).
6. Гаспар Прони (Франция) (1755-1839):
Разработка принципов организации (1795г.) работы вычислителей (почти без
изменений используется и сегодня). Понадобилась для выполнения огромной
работы по переходу к метрической системе.
Разделение труда математиков на три группы, соотношение численности 1: 3: 20:
1. Математики высшей квалификации: создание методов вычислений, в которых
любая задача решалась на базе арифметических действий +, , *, /. На
современном языке такая работа называется АЛГОРИТМИЗАЦИЕЙ.
2. Математики средней квалификации: разработка последовательности действий
для расчетов. На современном языке – ПРОГРАММИРОВАНИЕ.
3. Многочисленная неквалифицированная группа – проведение расчетов. На
современном языке – ВЫПОЛНЕНИЕ ПРОГРАММЫ

5.

Переход к созданию вычислительной машины с ПРОГРАММНЫМ
УПРАВЛЕНИЕМ последовательностью арифметических операций
7. Чарльз Беббидж, Англия (1791-1871)
Проект аналитической машины, содержащей те же основные блоки, что и современная
ЭВМ: 5 основных устройств
а). Арифметическое устройство. б). Устройство памяти
в). Устройство управления.
г). Устройство ввода. д). Устройство вывода.
Для арифметического устройства предполагалось использовать зубчатые колеса,
устройство памяти – на 1000 15-разрядных регистрах по 5- колес в каждом, для программ
– перфокарты. Время сложения двух 50-разрядных чисел 1с., умножения – 1 мин.
8. Ада Августа Лавлейс, Англия (1815-1852).
Программы для машины Беббиджа, поразительно сходные с программами для
первых поколений ЭВМ
Заключение Комитета Британской научной ассоциации по машине Беббиджа, работа
над которой была прервана смертью ученого: «Возможности аналитической машины
простираются так далеко, что их можно сравнить только с пределами человеческих
возможностей»

6.

Ада Августа
Лавлейс
Единственная научная работа леди Лавлейс (52 страницы, Примечания к
очерку Луиса Менебреа «Очерк аналитической машины, изобретенной Ч. Бэббиджем», который она
перевела на английский язык) относилась к "вопросам программирования для
аналитической машины Беббиджа" и предвосхитила основы современного
программирования для цифровых вычислительных машин с программным
управлением.
В одном из своих примечаний она самостоятельно написала первую в
истории человечества компьютерную программу — алгоритм,
представляющий собой список операций для вычисления чисел
Бернулли.
Предвосхищая этапы компьютерного программирования, Ада Лавлейс, так же как и
современные математики, начинает с постановки задачи, затем выбирает метод
вычисления, удобный для программирования, и лишь затем переходит к
составлению программы.
Примечания" Лавлейс заложили основы современного программирования. Ввела
понятия «цикл», «рабочая ячейка», «распределяющая карта», определила связь
рекуррентных формул с циклическими процессами вычислений, описала основные
принципы алгоритмизации, походя разработав от А до Я вычислительную программу, достойную
курсового проекта сегодняшнего студента кибернетического ВУЗа. Кроме того, она предсказала
возможные направления практического использования вычислительной техники: сочинение музыкальных
произведений, конструирование сложных графических объектов и даже компьютерные игры!
С недавнего времени у программистов всего мира появился свой профессиональный
праздник. Он так и называется — «День программиста» — и празднуется 10 декабря.
в день рождения Ады Лавлейс.

7.

9. Джордж Буль, Англия (1815-1864)
Разработка алгебры логики (используется в современных ЭВМ и при создании
алгоритмов, «булева алгебра»). Впервые была использована в 1936г. Клодом
Шенноном (США), догадавшимся, что булеву алгебру можно эффективно
использовать для операций с двоичными числами.
10. Конрад Цузе (Германия) (1910-1985).
Будучи студентом, начал работы по созданию ЭВМ в 1934г. Создание
механической вычислительной машины, оперирующей ДВОИЧНОЙ системой
счисления. Завершена в 1937г, Z1
Z1 занимала 2м2 на столе, работала с 22-мя двоичными разрядами.
Эпоха вычислительных машин на электрических реле
11. Конрад Цузе, Гельмут Шрайер
Релейные машины с программным управлением Z2, Z3. Идея отказа от телефонных
реле, возможность использования электронных ламп

8.

12. Говард Айкен (США) (1900-1973):
Разработка первой в США релейно-механической цифровой
вычислительной машины МАРК-1. По возможностям – почти как Z3,
но размеры: длина 17 м, высота 2,5м, вес 5т, 500 тыс. механических
деталей. Машина за 1 день выполняла вычисления, которые вручную
выполняются за полгода!
На создание ENIAC ушло 200 000 человеко-часов и
Первым в мире стал читать лекции (Гарвардский университет) по новому
486 804,22 доллара США.
предмету, получившему название Computer Science (наука о компьютерах).
электронных
вычислительных
Всего Эпоха
комплекс
включал в себя
17 468 ламп 16машин
различныхв типов,
7200 кремниевых
диодов,
1500 войной
Огромная потребность
вычислениях
в связи с Второй
мировой
70 000
резисторов
и 10 000 конденсаторов.
(шифрование,реле,
таблицы
стрельб
для артиллерии,
управление бомбометанием…)
Вес — 27 тонн.
13.
Джон
Мочли—(США)
(1907-1986) (физик из технической
Объём
памяти
20 число-слов.
школы
при Пенсильванском
Преспер Эккерт
Потребляемая
мощность —университете),
174 кВт.
(1919-1995)
(инженер-электронщик):
Вычислительная
мощность — 357 операций
умножения или 5000 операций сложения в секунду.
Первая в мире
ЭЛЕКТРОННАЯ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ
МАШИНА (ЭВМ), 1943
Тактовая
частота — 100
кГц, то есть один импульс
E N I Aкаждые
C = electronic
numeric integrator and calculator = электронный цифровой
10 микросекунд..
интегратор
и калькулятор
Устройство
ввода-вывода данных — табулятор
перфокарт компании IBM: 125 карт/минуту на ввод,
100 карт/минуту на вывод

9.

14. Джон фон Нейман (США) (1904-1957), участник Манхэттенского проекта
по созданию атомной бомбы, выдающийся математик. «Манифест фон
Неймана»:
1946г.: 6 принципов построения цифровых ЭВМ,
«неймановская структура ЭВМ»
1. ЭВМ должны работать в ДВОИЧНОЙ системе счисления (не в десятичной!)
2. Программа должна размещаться в одном из блоков ЭВМ – в запоминающем устройстве,
обладающем большой емкостью и высокой скоростью выборки и записи команд для ЭВМ
3. Программа (так же, как и числа, с которыми оперирует ЭВМ), записывается в двоичном
коде. По форме представления команды и числа – однотипны. В связи с этим:
а). Промежуточные результаты вычислений, константы и другие числа могут
размещаться в том же запоминающем устройстве, что и программа.
Б). Числовая форма записи программы позволяет производить вычислительные
операции над командами. Отсюда – возможность условных переходов и циклов.
4. Память ЭВМ должна быть устроена иерархически: сверхбыстрая, оперативная,
внешняя память (чтобы согласовать скорость вычислений со скоростью работы памяти)
5. Арифметическое устройство ЭВМ реализует на уровне электронной схемы ТОЛЬКО
операцию сложения. Создание электронных схем для выполнения других
арифметических операций нецелесообразно (они должны быть реализованы программно).
6. В ЭВМ должен использоваться ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ принцип организации вычислений
(одновременно по всем разрядам машинного слова).

10.

Элементы современной истории вычислительной техники
Ванневар Буш (1890-1974) – царь науки.
Чтобы понять мир Билла Гейтса и Билла Клинтона, постарайтесь сначала
понять Ваннвара Буша (Майкл Шерри, историк технологий, США)
Организатор Манхеттенского проекта (1942: назван персоной, от которой зависит – выиграет США
войну или проиграет). Организатор науки, ученый, инженер, преподаватель.
Тезисы, сформулированные в книге «Предел науки – бесконечность» (1945)
1. Правительство должно поддерживать фундаментальные исследования
2. Финансировать следует конкретных ученых, а не проекты.
3. Средства должны выделяться тем организациям, где исследования проводятся в
обстановке открытости
4. Предпочтение следует отдавать университетам как наиболее открытым организациям
5. Необходимо финансировать наиболее перспективных исследователей – а потому
поддерживать тех студентов, которые посвящают себя науке, вне зависимости от
послужного списка и финансовых возможностей
6. Управление фундаментальными исследованиями должно быть сконцентрировано в
одном гражданском агентстве, даже если они делаются в интересах министерства
обороны
7. Исследования, проводимые в промышленных компаниях, ориентированы на создание
конечных продуктов и поэтому не могут рассматриваться как фундаментальные

11.

Даг (Дуглас Карл) Энгельбарт – преемник и последователь Ванневара Буша
(1925 - 02.07.2013)
1. Изобретатель мыши
2. Понимание компьютера как инструмента для расширения интеллектуальных возможностей
человека. Объединение «человек-машина», в котором не нужно пытаться заменить
человека машиной, а оставить за ЭВМ только нетворческие задачи. (этот тезис в настоящее
время выглядит спорно)
3. Создание ряда программных и технических решений, которые сегодня можно
признать классическими:
Редактирование текста в реальном времени.
Гипертекстовые ссылки
Телеконференция и электронная почта
Конфигурирование рабочего места в соответствии с потребностями пользователя
Мышь для указания позиции на экране
Многооконная система вывода информации на экран
Система подсказок (help)с контекстной привязкой
Мультимедиа
Архитектура клиент-сервер
Универсальный пользовательский интерфейс

12.

Рождение сети Интернет
Винтон Серф – «отец» Интернета.
«День рождения» сети 29.10.1969: произошло испытание сети
ARPANet, соединившей первые 2 узла будущей глобальной сети (500
км, Стэнфордский университет – Калифорнийский университет)
Этапы:
1945-1960
Теоретические работы по интенсивному взаимодействию человека с машиной,
появление первых интерактивных устройств и ЭВМ с режимом разделения времени
1961-1970
Разработка технических принципов коммутации пакетов, «блуждающих» по сети. Ввод
в действие ARPANet
1971-1980
Число узлов ARPANet возросло до десятков, появилась электронная почта,
прокладываются специальные кабельные соединения между узлами сети
1981-1990
Принят протокол обмена сообщениями в сети (TCP/IP), вводится система
имен доменов сети, число хостов доходит до 100 000.
2000
Число хостов превысило 72 миллиона
2014
Число хостов на 31.07 составило 996 106 380 (практически миллиард)
День программиста: 256-й день с начала года (первый день года имеет номер 0): в
високосный год приходится на 12.09, а в обычной год – на 13.09

13.

Прогресс в области вычислительной техники:
1997: опубликована книга профессора кафедры информатики университета
штата Виржиния Джона Ли: КОМПЬЮТЕРНЫЕ ПИОНЕРЫ
249 фамилий, из них только 2 из бывшего СССР: академики
Виктор Михайлович Глушков (теория глобальных вычислительных сетей) и
Андрей Петрович Ершов (теория алгоритмов и программирования)
Нужно было бы добавить сюда имя акад. Лебедева С.А., конструктора вычислительной техники, руководителя
проекта по созданию ряда машин БЭСМ (больших электронных счетных машин), скорость вычислений в
которых впервые в мире преодолела рубеж 1 млн операций в секунду
E N I A C, 1946
Микропроцессор Intel, 1977
Скорость вычислений –
почти ПЕТАФЛОП, т.е.
тысяча триллионов
операций с плавающей
точкой в секунду.
Объем памяти: рост в 1000 раз
Размер: уменьшение в 30 000 раз
Надежность: увеличение в 1000 раз
Быстродействие: увеличение в 2000 раз
Стоимость 1 Мбайт памяти: 1983г.: 300$
Супер-ЭВМ CRAY:
(разработка Сеймора Крея)
1997г.: 0.21$
Стоимость ЭВМ:
Notebook 2000$
IBM-360 с теми же возможностями 20 лет назад: 10 млн $
Техническая база: 12
кластеров с 2048
процессоров в
каждом. Емкость
оперативной памяти
65,5 Терабайт (терабайт
= 1000 гигабайт = 1000000
мегабайт)

14.

Поколения вычислительной техники
Развитие вычислительной техники в современном периоде принято рассматривать с точки
зрения смены поколений компьютеров.
Каждое поколение компьютеров в начальный момент развития характеризуется
качественным скачком в росте основных характеристик компьютера, вызванным обычно
переходом на новую элементную базу, а также относительной стабильностью
архитектурных и логических решений.
Разбиение поколений компьютеров по годам весьма условно. В то время, как начиналось
активное использование компьютеров одного поколения, создавались посылки для
возникновения следующего. Кроме элементной базы и временного интервала
используются следующие показатели развития компьютеров одного поколения:
быстродействие, архитектура, программное обеспечение, уровень развития внешних
устройств, сфера практического применения.
Первое поколение компьютеров: 1938 - 1956 годы
Элементная база: электромеханические реле, затем – электронные лампы.
В компьютерах первого поколения использовался машинный язык - способ записи программ, допускающий их непосредственное
исполнение на компьютере. Программа на машинном языке представляет собой последовательность машинных команд, допустимых для
данного компьютера. Процессор непосредственно воспринимает и выполняет команды, выраженные в виде двоичных кодов. Для
каждого компьютера существовал свой собственный машинный язык. Это также ограничивало область применения компьютеров
первого поколения.
Появление первого поколения компьютеров стало возможно благодаря трем техническим новшествам: электронным вакуумным
лампам, цифровому кодированию информации и созданию устройств памяти на электростатических трубках. Компьютеры
первого поколения имели невысокую производительность: до нескольких тысяч операций в секунду. Средства программирования и
программного обеспечение еще не были развиты, использовался низкоуровневый машинный язык. Область применения компьютеров
была ограничена.

15.

Второе поколение компьютеров: 1956-1963 годы
Элементная база: транзисторы.
В 1947 году сотрудники американской компании "Белл" Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Бреттейн изобрели
транзистор. Транзисторы выполняли те же функции, что и электронные лампы, но использовали электрические
свойства полупроводников. По сравнению с вакуумными трубками транзисторы занимали в 200 раз меньше места и
потребляли в 100 раз меньше электроэнергии.
Программирование: появление языков высокого
уровня, компиляторов и интерпретаторов.
В целом, данный период развития вычислительной
Специалисты, использующие в своей деятельности компьютеры,
техники характеризуется
вскоре ощутили потребность
в более естественныхприменением
языках, которые для создания
бы упрощали процесс
программирования,
а также позволяли
компьютеров
транзисторов
и памяти на ферритовых
переносить программы
с одного компьютера
на другой.
Подобные
сердечниках,
увеличением
быстродействия
языки программирования получили название языков высокого
компьютеров
до нескольких
сотен(или
тысяч операций в
уровня. Для их использования
необходимо
иметь компилятор
возникновением
новых
технологий
интерпретатор), тосекунду,
есть программу,
которая преобразует
операторы
языка в машинныйпрограммирования,
язык данного компьютера.
языков программирования
высокого уровня, операционных систем.
Одним из первых языков программирования высокого уровня стал Фортран (FORTRAN - FORmula TRANslation), который
предназначался для естественного отображения математических алгоритмов и стал необычайно популярен среди ученых. Нa Фортране
можно писать большие
программы, разбивая
задачу на
несколько частей
(подпрограммы),
которые программируются отдельно, а затем
Компьютеры
второго
поколения
получили
широкое
объединяются в единое целое. Так как Фортран предназначен в основном для вычислений, в нем отсутствовали развитые средства
распространение,
использовались
научных,
работы со структурами
данных. Этот недостатокони
был исправлен
в языке Кобол для
(COBOL
- Common Business Oriented Language). Кобол
специально предназначался
для обработки
данных.для
Кроме
того, разработчики постарались сделать Кобол
инженерных
и финансово-экономических
финансовых расчетов,
обработки
максимально похожим на естественный английский язык, что позволило писать программы на этом языке даже неспециалистам в
больших
объемов
данных
на предприятиях,
банках, обеспечения.
программировании. Со
вторым поколением
компьютеров
началось
развитие индустриивпрограммного
государственных организациях.

16.

Третье поколение компьютеров: 1964-1977 годы
Элементная база: интегральные микросхемы
В 1964 году компания IBM выпустила компьютер 1MB System 360, построенный на основе интегральных микросхем. Семейство
компьютеров IBM System 360 - самое многочисленное семейство компьютеров третьего поколения и одно из самых удачных в истории
вычислительной техники. Выпуск этих компьютеров можно считать началом массового производства вычислительной техники. Всего
было выпущено более 20 000 экземпляров System 360.
1MB System 360 относится к классу так называемых мэйнфреймов. Компания DEC (Digital Equipment Corporation) представила модель
миникомпьютера PDP-8. Мини-компьютеры, или компьютеры средней производительности, характеризуются высокой надежностью и
сравнительно низкой стоимостью. Низкая по сравнению со стоимостью суперкомпьютеров стоимость миникомпьютеров позволила
начать применять их в небольших организациях - исследовательских лабораториях, офисах, на небольших предприятиях.
Программирование: появление легких для освоения языков программирования (Basic, Pascal)
Внешние устройства: мышь, графический интерфейс.
Текстовые редакторы, электронные таблицы.
Четвертое поколение компьютеров: 1978-1991 годы
Элементная база: СБИС, сверхбольшие интегральные микросхемы
Микропроцессоры. Появление персональных компьютеров.
В 1984 году компания Apple представила компьютер "Макинтош". Операционная система "Макинтоша" включала в себя графический
интерфейс пользователя, позволявший вводить команды, выбирая их с помощью указателя "мышь". Сами команды были представлены в
виде небольших графических изображений - значков. Простота использования в сочетании с большим набором текстовых и графических
программ сделала этот компьютер идеальным для небольших офисов, издательств, школ и даже детских садов. С появлением
"Макинтоша" персональный компьютер стал еще более доступным. Для работы с ним больше не требовалось никаких специальных
навыков, а тем более знания программирования. В 1984 году компания Apple показала на телевидении первый ролик, посвященный
рекламе персонального компьютера. Компьютер действительно перестал быть чем-то особенным и превратился в обычный бытовой
прибор.
На протяжении всего 50 лет компьютеры превратились из неуклюжих диковинных электронных монстров в мощный, гибкий, удобный и
доступный инструмент. Компьютеры стали символом прогресса в XX веке. По мере того как человеку понадобится обрабатывать все
большее количество информации, будут совершенствоваться и средства ее обработки - компьютеры.

17.

Пятое поколение компьютеров: 1992-2013 годы
Компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой,
одновременно выполняющих десятки последовательных инструкций программы.
Компьютеры с многими сотнями параллельно работающих процессоров, позволяющих
строить системы обработки данных и знаний, эффективные сетевые компьютерные
системы.
Шестое и последующие поколения компьютеров:
Искусственный интеллект
Электронные и оптоэлектронные компьютеры с массовым параллелизмом, нейронной
структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) микропроцессоров,
моделирующих архитектуру нейронных биологических систем, распознающие сложные
образы.