История вычислительной техники

      ЭВМ появились, когда возникла острейшая  необходимость в очень трудоемких и точных расчетах, особенно в таких областях науки и техники, как атомная физика и теория динамик полета и управления летательными аппаратами, в исследовании; аэродинамики больших скоростей. Между тем доэлектронная вычислительная техника (механическая и электромеханическая) позволяла только в ограниченной степени механизировать процессы вычислений. Требовался переход к элементам, работающим в более быстром темпе.

      Технические предпосылки для этого уже  были созданы: развивалась электроника и счетно-аналитическая вычислительная техника. В 1904 г. Дж. Флеминг (Великобритания) изобрел первый ламповый диод, а в 1906 г. Ли де Форест (США) — первый триод. До середины 30-х гг. электронные лампы уже стояли во всех радиотехнических устройствах. Но эра ЭВМ начинается с изобретения лампового триггера. Это открытие было сделано независимо друг от друга советским ученым М. А, Бонч-Бруевичем (1918) и английскими учеными У. Экклзом и Ф. Джорданом (1919). Триггерные схемы постепенно стали широко применяться в электронике для переключения и релейной коммутации и т. д. 

1. Аналоговые вычислительные  машины (АВМ).

      В АВМ все математические величины представляются как непрерывные  значения каких-либо физических величин. Главным образом, в качестве машинной переменной выступает напряжение электрической цепи. Их изменения происходят по тем же законам, что и изменения заданных функций. В этих машинах используется метод математического моделирования (создаётся модель исследуемого объекта). Результаты решения выводятся в виде зависимостей электрических напряжений в функции времени на экран осциллографа или фиксируются измерительными приборами. Основным назначением АВМ является решение линейных и дифференцированных уравнений.  

Достоинства АВМ:

·    высокая скорость решения задач, соизмеримая со скоростью прохождения электрического сигнала;

·    простота конструкции АВМ;

·    лёгкость подготовки задачи к решению;

·     наглядность протекания исследуемых  процессов, возможность изменения  параметров исследуемых процессов во время самого исследования.  

Недостатки  АВМ:

·    малая точность получаемых результатов (до 10%);

·    алгоритмическая ограниченность решаемых задач;

·    ручной ввод решаемой задачи в машину;

·   большой объём задействованного оборудования, растущий с увеличением сложности задачи 

2. Электронные вычислительные  машины (ЭВМ). 

      В отличие от АВМ, в ЭВМ числа  представляются в виде последовательности цифр. В современных ЭВМ числа  представляются в виде кодов двоичных эквивалентов, то есть в виде комбинаций 1 и 0. В ЭВМ осуществляется принцип программного управления. ЭВМ можно разделить на цифровые, электрифицированные и счётно-аналитические (перфорационные) вычислительные машины.

          ЭВМ разделяются  на большие ЭВМ, мини-ЭВМ и микроЭВМ. Они отличаются своей архитектурой, техническими, эксплуатационными и габаритно-весовыми характеристиками, областями применения.  

Достоинства ЭВМ:

·   высокая точность вычислений;

·    универсальность;

·    автоматический ввод информации, необходимый  для решения задачи;

·    разнообразие задач, решаемых ЭВМ;

·    независимость количества оборудования от сложности задачи.

Недостатки  ЭВМ:

·     сложность подготовки задачи к решению (необходимость специальных знаний методов решения задач и программирования);

·     недостаточная наглядность протекания процессов, сложность изменения параметров этих процессов;

·    сложность структуры ЭВМ, эксплуатация и техническое обслуживание;

·   требование специальной аппаратуры при работе с элементами реальной аппаратуры 

3.Аналого-цифровые вычислительные машины (АЦВМ).

          АЦВМ - это такие  машины, которые совмещают в себе достоинства АВМ и ЭВМ. Они  имеют такие характеристики, как  быстродействие, простота программирования и универсальность. Основной операцией  является интегрирование, которое выполняется с помощью цифровых интеграторов.

    В АЦВМ числа представляются как в  ЭВМ (последовательностью цифр), а  метод решения задач как в  АВМ (метод математического моделирования). 
 

ПОКОЛЕНИЯ ЭВМ.

      Можно выделить 4 основные поколения ЭВМ. Но деление компьютерной техники на поколения — весьма условная, нестрогая классификация по степени развития аппаратных и программных средств, а также способов общения с компьютером.

      Идея  делить машины на поколения вызвана  к жизни тем, что за время короткой истории своего развития компьютерная техника проделала большую эволюцию, как в смысле элементной базы (лампы, транзисторы, микросхемы и др.), так  и в смысле изменения её структуры, появления новых возможностей, расширения областей применения и характера использования. Этот прогресс показан в данной таблице: 

П О  К О Л Е Н И Я   Э  В М  (*)                              ХАРАКТЕРИСТИКИ

  
 

I   поколение  (до 1955 г.)

  Все ЭВМ I-го поколения были сделаны на основе электронных ламп, что делало их ненадежными - лампы приходилось часто менять. Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами, которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства. Лампы потребляли огромное количество электроэнергии и выделяли много тепла.

      Притом для каждой машины использовался свой язык программирования. Набор команд был небольшой, схема арифметико-логического устройства и устройства управления достаточно проста, программное обеспечение практически отсутствовало. Показатели объема оперативной памяти и быстродействия были низкими. Для ввода-вывода использовались перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства, оперативные запоминающие устройства были реализованы на основе ртутных линий задержки электроннолучевых трубок.

      Эти неудобства начали преодолевать путем интенсивной разработки средств автоматизации программирования, создания систем обслуживающих программ, упрощающих работу на машине и увеличивающих эффективность её использования. Это, в свою очередь, потребовало значительных изменений в структуре компьютеров, направленных на то, чтобы приблизить её к требованиям, возникшим из опыта эксплуатации компьютеров. 

Основные  компьютеры первого  поколения: 

•       1946г. ЭНИАК 

В 1946 г. американские инженер-электронщик  Дж. П. Эккерт и физик Дж.У. Моучли в Пенсильванском университете сконструировали, по заказу военного ведомства США, первую электронно-вычислительную машину - “Эниак” (Electronic Numerical Integrator and Computer). Которая предназначалась для решения задач баллистики. Она работала в тысячу раз быстрее, чем "Марк-1", выполняя за одну секунду 300 умножений или 5000 сложений многоразрядных чисел. Размеры: 30 м. в длину, объём - 85 м3., вес - 30 тонн. Использовалось около 20000 электронных ламп и1500 реле. Мощность ее была до 150 кВт.

•       1949г. ЭДСАК.

Первая  машина с хранимой программой - ”Эдсак” - была создана в Кембриджском университете (Англия) в 1949 г. Она имела запоминающее устройство на 512 ртутных линиях задержки. Время выполнения сложения было 0,07 мс, умножения - 8,5 мс.

•       1951г. МЭСМ

В 1948г. году академик Сергей Алексеевич Лебедев  предложил проект первой на континенте Европы ЭВМ -  Малой электронной  счетно-решающей машины (МЭСМ). В 1951г. МЭСМ официально вводится в эксплуатацию, на ней регулярно решаются вычислительные задачи. Машина оперировала с 20­разрядными двоичными кодами с быстродействием 50 операций в секунду, имела оперативную память в 100 ячеек на электронных лампах.

•          1951г. UNIVAC-1. (Англия)

В 1951 г. была создана машина “Юнивак”(UNIVAC) - первый серийный компьютер с хранимой программой. В этой машине впервые была использована магнитная лента для записи и хранения информации.

•       1952-1953г. БЭСМ-2

    Вводится в эксплуатацию БЭСМ-2(большая  электронная счетная машина) с  быстродействием около 10 тыс. операций в секунду над 39-разрядными двоичными числами. Оперативная память на электронно-акустических линиях задержки - 1024 слова, затем на электронно-лучевых трубках и позже на ферритовых сердечниках. ВЗУ состояло из двух магнитных барабанов и магнитной ленты емкость свыше 100 тыс. слов. 
 

II   поколение  (1958-1964) 

В 1958 г. в ЭВМ были применены полупроводниковые  транзисторы, изобретённые в 1948 г. Уильямом Шокли, они были более надёжны, долговечны, малы, могли выполнить значительно  более сложные вычисления, обладали большой оперативной памятью. 1 транзистор способен был заменить ~ 40 электронных ламп и работает с большей скоростью.

      Во II-ом поколении компьютеров дискретные транзисторные логические элементы вытеснили электронные лампы. В качестве носителей информации использовались магнитные ленты ("БЭСМ-6", "Минск-2","Урал-14") и магнитные сердечники, появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, магнитные барабаны и первые магнитные диски.  

      В качестве программного обеспечения стали использовать языки программирования высокого уровня, были написаны специальные трансляторы с этих языков на язык машинных команд. Для ускорения вычислений в этих машинах было реализовано некоторое перекрытие команд: последующая команда начинала выполняться до окончания предыдущей.

      Появился  широкий набор библиотечных программ для решения разнообразных математических задач. Появились мониторные системы, управляющие режимом трансляции и исполнения программ. Из мониторных систем в дальнейшем выросли современные операционные системы.

      Машинам второго поколения была свойственна  программная несовместимость, которая  затрудняла организацию крупных  информационных систем. Поэтому в  середине 60-х годов наметился  переход к созданию компьютеров, программно совместимых и построенных на микроэлектронной технологической базе.