«От первых поколений ЭВМ к современной электронно-вычислительной технике »

Однако время распространения релейных машин было недолгим. Они имели ряд недостатков: небольшая скорость, малая надежность. Это объяснялось техническими особенностями. Подгорали контакты многочисленных реле, они нуждались в постоянной чистке. Никакие конструктивные разработки уже не могли привести к устранению этих недостатков, пока оставались без изменения основные элементы.

    Переход к принципиально новым машинам был подготовлен бурным развитием радиоэлектроники, которая к 50-м гг. ХХ в. стала активно внедряться в производство. Использование электронных ламп привело к появлению быстродействующих вычислительных машин. Скорость переключения ламповых реле (триггеров) в 5000 раз превысила скорость переключения электромагнитных реле. Введение триггеров повысило надежность машин. Электромагнитные реле выдерживают около миллиона операций, а электронные реле делают до миллиона переключений в секунду. Начался новый этап в развитии вычислительной техники – эра электронных машин.

    В 1937 г. профессор университета штата Айова Джон Атанасов разработал проект вычислительной машины, построенной на электронных лампах.

    Атанасов, американец во втором поколении, болгарин по происхождению, в 1930 г. получил степень доктора философии по теоретической физике. Проблемы теории упругости, квантовой физики, теории кристаллов привели его к необходимости решать дифференциальные уравнения в частных производных с помощью приближенных методов, которые в свою очередь приводили к системам алгебраических уравнений с большим числом неизвестных.

    Используя вычислительные машины, построенные на электромеханических элементах, такие, как табулятор Холлерита, Атанасов убедился, что их скорость явно недостаточна. И тогда он пришел к мысли создать вычислительную машину, элементной базой которой станут электронные лампы.

    В 1939 г. Атанасов приступил к работе над машиной вместе со своим аспирантом Клиффордом Берри. Он хотел построить специализированную ЭВМ для решения системы алгебраических уравнений с 30 неизвестными. Исходные данные вводились в машину с помощью перфокарт в десятичной форме. Затем в машине специальный блок переводил числа в двоичную систему. Принципиально новая идея Атанасова состояла в том, что все вычисления проводились в двоичной системе. Основными арифметическими операциями были сложение и вычитание, сих помощью выполнялись и умножение, и деление. Независимо от Атанасова к использованию двоичной системы пришел немецкий инженер Цузе, двоично-пятеричную систему применял в своей машине Штибитц, двоично-пятеричную систему – Айкен.

    Атанасову не удалось заинтересовать своим проектом крупные фирмы, производившие счетные машины. В те годы мало кто верил в возможность создания вычислительного устройства, работающего на электронных лампах. Работу согласились финансировать агрономическая станция штата Айова и частная нью-йоркская компания “Рисеч корпорейшн”. К 1942 г. машина была почти полностью построена. В ней было использовано 300 ламп. Но вторая мировая война не дала довести машину до эксплуатации. Проблемы военного времени выступили на первый план. Атанасов перешел в акустическое отделение военно-морской лаборатории в Вашингтоне. Его машина была демонтирована. К работе над ЭВМ он больше не возвращался.

    Продолжателем его дела стал Джон Моучли, который неоднократно встречался с Атанасовым, переписывался с ним, обсуждая проект электронной вычислительной машины, ее механизм и теоретические основы. В письме от 30 сентября 1941 г. Моучли спрашивал Атанасова: “Не будете ли Вы возражать, если я займусь разработкой вычислительного устройства, содержащего некоторые особенности Вашей машины?”.[1]

    Джон Моучли, защитивший в 30-е гг. докторскую диссертацию по физике, работал в Институте Карнеги над задачами статистического анализа геофизических данных. Приходилось производить много вычислений, и Моучли пришел к мысли о создании вычислительной машины, основанной на электронных лампах. Он построил несколько удачных моделей. В 30-е гг. электронные устройства строили также П. Кроуфорд в США, Ямашита в Японии, Шрейдер в Германии.

    В 1941 г. Моучли стал сотрудником Электротехнической школы Мура при Пенсильванском университете. В ней уже были построены вычислительные машины на основе электронных ламп. Это были анализаторы – аналоговые машины, созданные для решения дифференциальных уравнений. Они использовались для составления и корректирования таблиц стрельбы и бомбометания. Эту работу школа Мура выполняла по контракту с Артиллерийским управлением армии США.

    Джон Моучли предложил заменить медленнодействующий анализатор автоматической электронной вычислительной машиной. Его докладная записка, поданная в августе 1942 г., заинтересовала Германа Гольдстайна, бывшего доцента математики Мичиганского университета, в годы войны – офицера, осуществлявшего связь между школой Мура и Артиллерийским управлением.

    Проект Моучли содержал также дополнения – технические подробности, относящиеся к использованию электронных ламп в вычислительной технике. Автором дополнений был Д. Преспер Эккерт – преподаватель школы Мура, занимавшийся разработкой измерительных приборов, в которых применялись электронные лампы.

    В 1943 г. Артиллерийское управление заключило договор с Пенсильванским университетом на постройку “электронной машины для расчета баллистических таблиц”. Руководителем проекта стал Моучли, главным инженером – Эккерт, техническим куратором от Министерства обороны – Гольдстайн. Над созданием машины в течение двух с половиной лет трудились 10 инженеров, 200 техников и большое число рабочих. Так создавалась первая в мире электронная вычислительная машина ЭНИАК. Она вступила в действие в 1945 г., через два месяца после капитуляции Японии, которой закончилась вторая мировая война. ЭНИАК создавалась для военных целей. Первоначально ее использовали на Абердинском баллистическом полигоне для расчетов траекторий полета снарядов береговой артиллерии, а затем применяли для решения многих других задач.

    Электронная машина ЭНИАК содержала 18000 электронных ламп и 1500 реле. Она тратила на сложение всего 0,0002 сек, а на умножение – 0,0028 сек. Ее использование привело к пониманию огромных преимуществ электронных вычислительных машин, способных быстро решать трудоемкие задачи. Это был переломный момент в развитии вычислительной техники.

    В 1995 г. исполнилось ровно 50 лет с момента создания первой электронной вычислительной машины. Работа проходила в обстановке глубокой секретности. Единственная публикация об этой машине была помещена в издании Пенсильванского университета Д.П. Эккертом.

    В 1949 г. в Великобритании была построена первая электронная машина ЭДСАК, обладавшая всеми необходимыми компонентами современной ЭВМ. В ней существовала внутренняя память и хранимая программа.

    В 1947 г. в Советском Союзе появился американский журнал со статьями Айкена и Гольдстайна, в которых описывались некоторые принципы построения ЭВМ, но не приводился конкретный материал, связанный с их конструкцией. Работу над первой отечественной ЭВМ нужно было начинать буквально с нуля.

    Созданием первых советских электронных вычислительных машин руководили главным образом специалисты в области электротехники и радиоэлектроники. У истоков работы стоял Сергей Алексеевич Лебедев (1902 – 1974), тогда действительный член Академии наук Украины. В 1947 г. были начаты, а в 1951 г. завершены работы над первой советской ЭВМ. Это была МЭСМ – малая электронная счетная машина.

    Переехав в Москву, Лебедев организовал и возглавил Институт точной механики и вычислительной техники Академии наук СССР, где под его руководством в 1952 г. завершилась работа над БЭСМ – быстродействующей электронной счетной машиной. Вслед за БЭСМ в строй вступили машины “Стрела”, “Минск”, “Урал”, “Киев” и другие. Это уже новая страница в истории отечественной вычислительной техники.

    Таким образом в развитии электронно-вычислительной техники можно выделить несколько поколений ЭВМ. Первое поколение ЭВМ – это поколение машин, построенных на лампах и электронно-лучевых трубках, существовавшее до 1957 г. Чтобы составить представление об этих ЭВМ, заметим, что ЭНИАК представлял собой 27-тонное чудовище, содержащее в себе 18000 ламп и занимавшее зал площадью 200 м. Компьютеры первого поколения имели память на магнитных барабанах.

    Во втором поколении ЭВМ (1958 – 1963 гг.) на смену лампам пришли более надежные и более быстрые транзисторы. Эти машины имели память на магнитных сердечниках, представляющих собой небольшие кольца, способные запоминать двоичную информацию в виде 0 и 1.

    Для третьего поколения ЭВМ (1963-1970 гг.) характерна миниатюризация компонентов, составляющих центральный процессор, с помощью применения первых интегральных схем, представляющих собой небольшие кремниевые пластинки, содержащие от нескольких десятков до нескольких сотен электронных компонентов.

    Начало четвертого поколения компьютеров ознаменовалось в 1970 г. появлением микроинформатики, которая во Франции с 1980 г. заполнила все области деятельности. Технология четвертого поколения – это технология БИС (большие интегральные схемы) и СБИС (сверхбольшие интегральные схемы), позволяющая получить кристаллы со все более высокой плотностью компонентов.

    В 16-разрядном микропроцессоре 8086 фирмы INTEL “упаковано” 29000 транзисторов на пластинке со стороной 5,7 мм, фирма НР (Hewlett Paccard) располагает 32-разрядным микропроцессором, состоящим из 45000 транзисторов на поверхности в 0,64 см². Современные компьютеры становятся все более мощными: от 8 до 16, а затем и до 32 бит; память их часто достигает 2-3 Гб; дискеты содержат около 800 Кб, а жесткие диски от 10 до 20 Мб. В то время как надежность и рабочие характеристики (скорость, размеры, память) компьютеров усовершенствуются, их цена за 10 лет уменьшилась в 100 раз.

    1985 г. считается началом пятого поколения компьютеров, разработанных в Японии, США и Европе.

    Что из себя представляет современная ЭВМ – компьютер?  Когда говорят “компьютер”, обычно имеют в виду сразу три устройства – системный блок, монитор и клавиатуру. Плюс, может быть, маленькую мышь. Это настольный персональный компьютер. У переносного аппаратура целиком находится в одном корпусе. Только вместо мышки там трекбол или другое указательное устройство. В системном блоке размещены и мозг компьютера (процессор), и память, и сердце (блок питания). Все остальное называется периферией и предназначено для связи компьютера с внешним миром – с пользователями, другими компьютерами и устройствами.

    Но эти видимые, осязаемые, весомые предметы составляют только часть компьютера – так называемое железо, аппаратное обеспечение, или хард (искаженное, но общеупотребительное от англ. hardware). А есть еще и другая часть – невидимая, неосязаемая и невесомая: программное обеспечение (ПО), или софт (англ. software). Ни один компьютер не способен работать без программ. Именно двуединая, программно-аппаратная сущность компьютеров и делает их столь многообразно полезными, многоликими.[2]

    Одинаковые компьютеры с различным программным обеспечением по сути разные компьютеры. Почти на любой современный домашний компьютер нетрудно установить программы, которые сделают его файл-сервером, т.е. компьютерным хранилищем информации, центром целой сети компьютеров-клиентов. И тогда верный помощник и незаменимый партнер в играх превратится в нечто, возможно, и нужное в каком-нибудь офисе, но странное и абсолютно 6есполезное дома.

    Машина фон Неймана – схема универсального компьютера, предложенная выдающимся американским математиком Джоном фон Нейманом в 1946 г. По этой схеме действует любой компьютер. Как, впрочем, и каждый универсальный преобразователь информации, не обязательно электронный. Процессор, выполняя ту или иную программу, расположенную в памяти, управляет вводом в память и выводом из нее данных. Попавшие в память данные процессор обрабатывает.

    Вот два простейших случая. Если вы работаете с текстовым редактором, то, нажав на клавиатуре (устройстве ввода) клавишу “пробел”, увидите на экране монитора (устройстве вывода), что курсор сдвинулся вправо. Если же вы нажали на “пробел”, играя в DOOM, то, например, откроется тайник – при условии, что он “перед вами” и вы это “заслужили”. Спорить о том, что “главнее” – процессор, выполняющий программу, или программа, управляющая работой процессора, можно так же долго, как и о том, что появилось раньше –яйцо или курица.

    Самый простой компьютер – машина Тьюринга, придуманная английским математиком Аланом М. Тьюрингом в 1936–1937 гг. Как и машина фон Неймана, это теоретическая модель. Но если машина фон Неймана позволяет уяснить, как устроен компьютер, то машина Тьюринга – как работают цифровые компьютеры. Почти все современные ЭВМ – прямые, хотя и сильно изменившиеся потомки машины Тьюринга.

    Ввод, вывод и память в машине Тьюринга представляют собой ленту, разделенную на квадратики, или ячейки. Каждая ячейка содержит некий символ или пуста. Процессор машины Тьюринга способен за один раз (такт) рассмотреть только одну из ячеек. В зависимости от того, что за символ помещен в данной ячейке, процессор может стереть этот символ, записать в ячейке другой символ, перемотать ленту вперед-назад на некоторое число ячеек, закончить работу, выполнить комбинацию перечисленных действий.

    Например, символ “+”, помещенный в одну из ячеек, может означать такой набор инструкций (команд) процессору: “Передвинься на ячейку вправо, там будет число, прочти и запомни его. Передвинься еще на ячейку вправо, там тоже будет число, прочти его и прибавь к первому числу, полученную сумму запомни. Сотри второе число, на его место запиши результат сложения. Передвинься еще на ячейку вправо и прочти в ней следующую команду”. Символами чисел могут быть в данном случае сами числа.

    Или другая команда – обозначенная символом “=”: “В двух ячейках справа лежит по числу. Сравни их значения. Если числа равны между собой, то запиши в третью ячейку единицу, а если нет – то нуль”. На самом деле и в этом случае инструкции процессору следовало бы излагать также подробно, как и в первом. Но нам, к счастью, нет надобности точно воспроизводить все слишком мелкие детали инструкции, которую должен получать любой процессор, чтобы его можно было построить не только мысленно, но и на практике.

    Тьюринг строго математически доказал: придуманное им примитивное устройство способно решать весьма сложные арифметические и логические задачи даже при очень небольшом числе символов, используемых для обозначения команд и обрабатываемых данных. Но ленты с записанными на них командами и данными легко менять, а потому компьютер (и в виде машины Тьюринга) может справиться с любыми задачами обработки информации, если только... Если только нам удастся изложить способ решения этих задач на языке символов, понятных машине.

    В общем ясно: полезность конкретной машины Тьюринга прямо зависит от того, насколько богат набор символов, которые способен распознавать ее процессор. И конечно, от того, как быстро процессор распознает и обрабатывает символы на ленте, записывает их, переходит от ячейки к ячейке (двигает ленту). А тои жизни может не хватить, чтобы дождаться решения какой-нибудь большой задачи.

    Нетрудно догадаться, что процессор довольно сложное устройство. Как минимум, он должен уметь: 1) читать, писать и стирать символы, переходить от ячейки к ячейке; 2) оперировать с символами (сравнивать, преобразовывать), для чего ему, в частности, необходимо место для их временного хранения-запоминания.

    Действительно, стандартная схема всякого процессора включает в себя устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) с собственной памятью (называемой регистрами, внутренним кэшем и т.д.). Процессор, являющийся лишь частью (хотя и самой важной) компьютера, представляет собой машину фон Неймана.

    Сейчас, когда компьютеры стали привычной деталью нашего обихода, трудно представить себе, как потрясло изобретение Тьюринга его современников. Машина может решать арифметические и логические задачи, которые и большинству-то людей не по зубам! И мало кто из нас осознает, сколь огромно число элементарных операций, которые проделывает компьютер, когда мы, одним движением пальца нажимая на клавиш мыши или клавиатуры, “перелистываем” электронную книгу с картинками.

Очень удобными для работы являются персональные компьютеры – ПК, или по-английски Personal Computer – РС. Эти ЭВМ имеют небольшие размеры, но имеют большую память и высокую скорость обработки информации. Персональные компьютеры называются так потому, что они предназначены для работы одного человека.

Для того чтобы связать компьютер с внешним миром, нужны дополнительные устройства.

Внешние устройства:

Устройства  ввода. Предназначены для ввода информации в ПЭВМ.

Наиболее распространенные устройства ввода:

а)     Клавиатура – это устройство ввода информации. Оно позволяет с помощью буквенных и цифровых клавишей передать компьютеру любую информацию. Клавиатура – это “уши” компьютера с помощью которых он принимает  команды и выполняет их.

б) кнопочный манипулятор – “мышь”;

в) сканер – устройство для ввода графической информации.

Устройства вывода. Предназначены для вывода информации из ПЭВМ. Наиболее распространенные устройства вывода:

а) Дисплей (монитор) – основное устройство отображения информации, подключаемое к системному блоку с помощью контроллера (видеоконтроллера), вставляемого в основную плату ПЭВМ. Имеет экран, который может быть цветным или черно-белым. Монитор – это “язык” компьютера, с помощью которого он передает Вам всю нужную информацию о своей работе. Основные характеристики отображения дисплеев: размер экрана, адресуемость рабочего поля, разрешающая способность, формат отображаемой информации, число цветояркостных градаций, контрастность, число типов линий, угол обзора, разрешающая способность в графическом режиме (точек по вертикали и горизонтали), число одновременно выводимых цветов.

    Для современных ПЭВМ характерно следующее распределение типов видеоконтроллеров различного разрешения:

Видеоконтроллеры содержат схему управления электронно-лучевой трубки, растровую память, сменные микросхемы постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), содержащие образцы матриц знаков, выводимых на экран. Контроллеры согласуются с типом используемого дисплея (монохромные, цветные, телевизоры, панели различного типа).

    Дисплеи подключаются к видеоконтроллеру с помощью специализированного аналогового или цифрового интерфейса.

б) Принтер – это устройство вывода информации на бумагу. Оно позволяет напечатать все, что выводится на дисплей. Печатающее устройство необходимо, если необходимо вывести большое количество данных и пользоваться ими без компьютера. Существует несколько видов принтеров:

1.    Ударно-матричные – печатают с помощью головки с набором иголок через красящую ленту. Головка и лента перемещаются по ширине листа, движениями иголок, головки и листа управляет электронная схема принтера в соответствии с командами, поступающими из компьютера. Число иголок может быть от 9 до 24. На таком принтере можно одновременно изготовить несколько копий, но работает он медленно и шумно, качество печати невысокое. Чтобы увеличить скорость, используют линейно-матричные принтеры: они отбивают точки сразу на всей строке.

2.    Струйные – пьезо- или термоэлектрическая головка принтера под действием электрического импульса заставляет красящее вещество (чернила) выплескиваться из пульверизатора и оседать на бумаге в виде мелких точек. Набор цветных картриджей позволяет получать качественное цветное изображение. Такие принтеры работают бесшумно, невелики по размеру, но сравнительно небольшая скорость и быстро приходится менять картриджи, поэтому цена одной копии велика.

3.   
Лазерные – при работе используется лазерный луч, который попадает на поверхность фотобарабана через зеркальную призму. По мере вращения призмы луч перемещается вдоль барабана, и формируется строка; когда поворачивается сам барабан, происходит смена строк. В результате на поверхности барабана образуются группы электростатических зарядов, соответствующие заданному изображению. Далее тонер подзаряжается и подается на барабан, а изображение переносится на лист бумаги и закрепляется в электронагревательном устройстве – “печке”. Лазерные принтеры гарантируют высокое качество печати, работает он быстро и бесшумно. Но стоимость сменного картриджа, включающего в себя емкость с тонером и сам фотобарабан, довольно высока.

в) Графопостроитель (плоттер) – устройство для координатного вывода информации на бумагу. Может точно выполнять печатные копии сложнейших графиков и рисунков, используется инженерами, архитекторами, физиками и всеми, кто имеет дело с конструкторскими чертежами.

г) Модемы – электронные устройства, предназначенные для организации цифровой связи по телефонным линиям. Модем на выходе информации преобразует числа из компьютера в модулированный звуковой сигнал, который существует только в качестве электротока. На входе происходит обратный процесс – демодуляция.

д) Синтезаторы звука – в настоящее время существуют компьютеры, способные распознавать и синтезировать человеческую речь, однако словарный запас таких машин пока ограничен. Для распознавания речи компьютер кодирует звуки голоса, а затем сравнивает цифровые образы с теми, которые хранятся в его памяти. Для воспроизведения речи компьютер использует хранящиеся в его программе лингвистические правила. С их помощью из слов или частей слов, выраженных в цифровой форме, компьютер формирует предложения. Цифровые образы слов преобразуются в электрические сигналы, усиливаются и попадают в динамик, из которого мы и слышим человеческий голос.