Краткая история создания ЭВМ

1.1. Типы ЭВМ

Создание ЭВМ  имеет длительную историю от первых механических вычислительных машин (первая половина XVII в.) до современных ЭВМ. Развитие средств вычислительной техники  связано с появлением элементов, становившихся базовыми. Соответственно этому возникали все новые типы ЭВМ, относившиеся к так называемым поколениям ЭВМ. Одним из наиболее важных изобретений XX века считается изобретение микропроцессора, которое сделало возможным возникновение и широкое распространение персональных ЭВМ (ПЭВМ).

В настоящее время существуют разнообразные ЭВМ, которые различаются по назначению, производительности, габаритным характеристикам. В связи с этим имеется определенная классификация ЭВМ от супер-ЭВМ, предназначенных для проведения сложных научных расчетов, до микро-ЭВМ (персональных ЭВМ), предназначенных для индивидуального использования.

                            1.1.1. Краткая история создания ЭВМ

1.1.1.1. Механические и  электромеханические  вычислительные машины

Уже древние  римляне располагали простейшим приспособлением для ускорения счета, основанного на позиционной системе счисления. Это приспособление называлось абак. Самые первые вычислительные машины были механическими и включали в себя только устройство, производящее арифметические действия (арифметическое устройство). В современных ЭВМ эту функцию выполняет процессор. Следующим значительным шагом явилось изобретение программирования как основы использования вычислительной машины. Первая программируемая вычислительная машина была создана в 1834 г. английским математиком Чарльзом Бэббиджем и названа аналитической.

Последующее продвижение  связано с Германом Холлеритом, разработавшим в 1887 г. машину с перфокарточным вводом, способную автоматически составлять таблицы. Эту машину он назвал табулятором (В этой машине был использован электромеханический принцип считывания информации с перфокарт (впервые) и механический принцип обработки данных.) Она использовалась в 1890 г. в Америке при обработке результатов переписи населения. Впоследствии табуляторы Холлерита и перфокарты были использованы и в других странах.

До конца 30-х  годов XX в. заметного прогресса в производстве универсальных вычислительных машин не было. В 1938 г. в Германии Конрад Цузе создал механическую вычислительную машину Z1. В ней в отличие от других машин, оперировавших десятичными числами, впервые были использованы операции с двоичными числами. Модель Z3, разработанная в 1941 г., была универсальной программируемой электрической вычислительной машиной. Ее операционное устройство было выполнено на базе реле.

Абак:  Абак представлял собой дощечку, разделенную деревянными вертикальными перегородками на несколько отделений, соответствующих отдельным разрядам числа. В отделениях помещались камешки (по латыни “calculus” – камешек, отсюда и “калькуляция”, “калькулятор”). Арабские купцы разнесли абак по всему миру, а практичные китайцы нанизали камешки на спицы, вставили в деревянную раму и повернули на 90 градусов. В Россию этот абак попал в XVI веке и стал называться русскими счетами. В Англии до сих пор этот инструмент называется abacus.

Первые  выч.машины: Появление механической машины, способной автоматически выполнять арифметические действия, датируется 1623 годом. Автором ее был Вильгельм Шиккард. (Вильгельм Шиккард – профессор кафедры восточных языков в университете Тюбингена (Германия). Его машина была создана на базе механических часов и представляла собой автоматическое устройство, выполняющее операцию сложения. Эту машину он назвал “суммирующими часами”.) Однако об этой машине в то время было мало известно, поэтому более знаменит настольный арифмометр, изобретенный Б. Паскалем в 1642 г. для механизации канцелярских расчетов, которые производил его отец – муниципальный инспектор по налогообложению. В 1673 г. немецкий математик Готфрид Лейбниц создал механический калькулятор (арифмометр), выполняющий все арифметические операции (сложение, вычитание, умножение, деление и вычисление квадратного корня).

Первая  прогр.выч.м.: Ч. Бэббидж предназначал эту машину для использования в составлении числовых таблиц логарифмов, расчетов в астрономии и т.п. Впервые она была применена в ткацком станке с перфокарточным управлением, изобретенным французом Жаккаром. Программы для этой машины писала Ада Августа (Огюста) Кинг, графиня Лавлейс (дочь поэта лорда Байрона), которая была первой в истории программисткой.

Ч.Беббидж: Он был автором сразу нескольких идей, лежащих в основе современных вычислительных машин:

1) наличие устройства  ввода информации;

2) наличие памяти  для хранения информации;

3) программирование  последовательности действий, выполняемых машиной;

4) оператор программы  должен содержать пару, состоящую  из команды и данных;

5) использование  в машине команды условного  перехода.

1.1.1.2. Электронные вычислительные  машины

Скорость вычислений в механических машинах и электрических  машинах, выполненных на базе реле, была крайне малой. В 1942 г. в колледже штата Айова (США) была создана первая электронная вычислительная машина (ЭВМ) ABC. Существенное продвижение в развитии ЭВМ было достигнуто в октябре 1945 г., когда Джоном Моучли (John Mouchly) и Джоном Эккертом (John Eckert) в Школе электротехники университета штата Пенсильвания (США) была создана универсальная ЭВМ ENIAC. Впоследствии ЭВМ, создаваемые на основе электронных ламп и реле, были названы ЭВМ первого поколения. Уже с середины 50-х годов ХХ в. в качестве элементной базы для ЭВМ начинают использовать полупроводники, что резко снизило энергопотребление и габариты ЭВМ и повысило их надежность и быстродействие (до одного млн операций в секунду). Эти ЭВМ получили название ЭВМ второго поколения.

В 1965 г. в США была создана первая ЭВМ (IBM-360), элементную базу которой составляли интегральные схемы (интегральные схемы устанавливались на печатные платы – пластины из изоляционного материала. При этом уменьшались размеры, повышалась надежность, а быстродействие достигало нескольких млн операций в сек.) Настоящая революция в производстве средств вычислительной техники была вызвана созданием в фирме Intel (США) в 1971 г. так называемой большой интегральной схемы (БИС), получившей название “микропроцессор”. Уже в 1973 г. во Франции Троунг Тронг Ти создал первую персональную ЭВМ. С тех пор производство и внедрение персональных ЭВМ (ПЭВМ) является наиболее бурно развивающейся отраслью. В 1981 г. впервые был выпущен коммерчески реализуемый ноутбук Osborne-1. Он был создан изобретателем Адамом Осборном (Adam Osborne). Автором идеи ноутбука был американский ученый Алан Кэй. ЭВМ, использующие в качестве элементной базы интегральные схемы и БИС, получили название ЭВМ третьего поколения.

Дальнейшее развитие ЭВМ связано с созданием в  1985 г. так называемых сверхбольших интегральных схем (СБИС), содержащих в одном кристалле свыше 100 тыс. элементов. ЭВМ, выполненные на базе СБИС, называются ЭВМ четвертого поколения.

                                          1.1.2. Архитектура ЭВМ

Термин архитектура используется для описания принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных узлов ЭВМ. К понятию архитектура относят то общее, что есть в строении ЭВМ. При этом учитывают не все сведения о построении ЭВМ, а только те, которые могут как-то использоваться при программировании и  работе пользователя с ЭВМ.

Таким образом, архитектура – это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов.

Основы учения об архитектуре вычислительных машин  заложил выдающийся американский математик  Джон фон Нейман. Он подключился  к созданию ЭВМ ENIAC в 1944 г., когда ее конструкция была уже определена. В 1946 г. фон Нейман сформулировал идеи принципиально новой ЭВМ: использование двоичной системы для представления чисел и выполнения арифметических и логических операций, принцип хранимой программы (Фон Нейман предложил хранить программу в двоичном виде (как и данные), причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа), структура ЭВМ. Совокупность принципов, предложенных фон Нейманом, были названы фон неймановской архитектурой.

Позднее в связи  с появлением многопроцессорных  вычислительных систем были разработаны  различные виды архитектур (например, фон неймановская архитектура предполагает общую память как для данных, так и для команд. В так называемой гарвардской архитектуре предусматривается разделение памяти между командами и данными, что позволяет распараллелить выборку данных из памяти), позволяющие выполнять операции параллельно разными процессорами. В частности, М. Флинном (M. Flynn) в начале 60-х годов ХХ в. была предложена классификация архитектур многопроцессорных вычислительных систем, основанная на обработке потоков данных потоками команд. В ее основу заложено два возможных вида параллелизма:

– независимость потоков заданий (команд, инструкций), существующих в системе, и

– независимость (несвязанность) данных, обрабатываемых в каждом потоке.

Относят то общее:  Часто говорят о семействах ЭВМ (все машины одного семейства, независимо от их конкретного устройства и фирмы-производителя, должны быть способны выполнять одну и ту же программу (на практике чаще используется другой принцип совместимости снизу вверх: все программы данной модели выполнимы на последующих)),  то есть группах моделей, совместимых между собой. В пределах одного семейства основные принципы устройства и функционирования машин одинаковы, хотя отдельные модели могут существенно различаться по производительности, стоимости и другим параметрам.

Наиб.общ.при.постр.ЭВМ:  К архитектуре, то есть наиболее общим принципам построения ЭВМ, относятся:

– структура  памяти ЭВМ;

– способы доступа  к памяти и внешним устройствам;

– возможность  изменения конфигурации компьютера;

– система команд;

– форматы данных;

– организация  интерфейса.

Структура ЭВМ: 

Фон Нейман предложил  включить в структуру ЭВМ:

– устройство управления (УУ) В ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчиком команд в УУ. Его наличие тоже является одним из принципов архитектуры фон Неймана.

– арифметико-логическое устройство (АЛУ);

– оперативное  запоминающее устройство (ОЗУ);

– внешнее запоминающее устройство (ВЗУ);

– устройство ввода;

– устройство вывода

В современных  компьютерах устройство управления и арифметико-логическое устройство объединяются в одном устройстве – процессоре.

Фон Неймановская арх.:

Схема устройства такой ЭВМ представлена на рисунке 

Классификация архитектур:

Согласно данной классификации существуют четыре основные архитектуры вычислительных систем: