Самая первая вычислительная техника. Вычислительная машина. Развития вычислительной техники

Историю развития вычислительной техники условно делят на 5 поколений.

1-е поколение (1945-1954 гг.) - время становления машин с фон-неймановской архитектурой (Джон фон Нейман), основанной на записывании программы и ее данных в память вычислительной машины. В этот период формируется типовой набор структурных элементов, входящих в состав ЭВМ. Типичная ЭВМ должна состоять из следующих узлов: центральный процессор (ЦП), оперативная память (или оперативное запоминающее устройство - ОЗУ) и устройства ввода-вывода (УВВ). ЦП, в свою очередь, должен состоять из арифметико-логического устройства (АЛУ) и управляющего устройства (УУ). Машины этого поколения работали на ламповой элементной базе, из-за чего поглощали огромное количество энергии и были очень ненадежны. С их помощью, в основном, решались научные задачи. Программы для этих машин уже можно было составлять не на машинном языке, а на языке ассемблера.

2-е поколение (1955-1964 гг.). Смену поколений определило появление новой элементной базы: вместо громоздкой лампы в ЭВМ стали применяться миниатюрные транзисторы, линии задержки как элементы оперативной памяти сменила память на магнитных сердечниках. Это в конечном итоге привело к уменьшению габаритов, повышению надежности и производительности ЭВМ. В архитектуре ЭВМ появились индексные регистры и аппаратные средства для выполнения операций с плавающей точкой. Были разработаны команды для вызова подпрограмм. Появились языки высокого уровня - Algol, FORTRAN, COBOL, - создавшие предпосылки для появления переносимого программного обеспечения, не зависящего от типа ЭВМ. С появлением языков высокого уровня возникли компиляторы для них; библиотеки стандартных подпрограмм и другие хорошо знакомые нам сейчас вещи: Важное новшество - это появление процессоров ввода-вывода. Эти специализированные процессоры позволили освободить ЦП от управления вводом-выводом и осуществлять ввод-вывод с помощью специализированного устройства одновременно с процессом вычислений. Для эффективного управления ресурсами машины стали использоваться операционные системы (ОС).

3-е поколение (1965-1970 гг.). Смена поколений вновь была обусловлена обновлением элементной базы: вместо транзисторов в различных узлах ЭВМ стали использоваться интегральные микросхемы различной степени интеграции. Микросхемы позволили разместить десятки элементов на пластине размером в несколько сантимметров. Это, в свою очередь, не только повысило производительность ЭВМ, но и снизило их габариты и стоимость. Увеличение мощности ЭВМ сделало возможным одновременное выполнение нескольких программ на одной ЭВМ. Для этого нужно было научиться координировать между собой одновременно выполняемые действия, для чего были расширены функции операционной системы. Одновременно с активными разработками в области аппаратных и архитектурных решений растет удельный вес разработок в области технологий программирования. В это время активно разрабатываются теоретические основы методов программирования, компиляции, баз данных, операционных систем и т. д. Создаются пакеты прикладных программ для самых различных областей жизнедеятельности человека. Наблюдается тенденция к созданию семейств ЭВМ, то есть машины становятся совместимы снизу вверх на программно-аппаратном уровне. Примерами таких семейств была серия IBM System 360 и наш отечественный аналог — ЕС ЭВМ.

4-е поколение (1970-1984 гг.). Очередная смена элементной базы привела к смене поколений. В 70-е годы активно ведутся работы по созданию больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС), которые позволили разместить на одном кристалле десятки тысяч элементов. Это повлекло дальнейшее существенное снижение размеров и стоимости ЭВМ. В начале 70-х годов фирмой Intel был выпущен микропроцессор (МП) i4004. И если до этого в мире вычислительной техники были только три направления (суперЭВМ, большие Э.ВМ (мэйнфреймы) и мини-ЭВМ), то теперь к ним прибавилось еще одно - микропроцессорное.

Процессором называется функциональный блок ЭВМ, предназначенный для логической и арифметической обработки информации на основе принципа микропрограммного управления. По аппаратной реализации процессоры можно разделить на микропроцессоры (полностью интегрирующие все функции процессора) и процессоры с малой и средней интеграцией. Конструктивно это выражается в том, что микропроцессоры реализуют все функции процессора на одном кристалле, а процессоры других типов реализуют их путем соединения большого количества микросхем.

5-е поколение можно назвать микропроцессорным. В 1976 году фирма Intel закончила разработку 16-разрядного микропроцессора i8086. Он имел достаточно большую разрядность регистров (16 бит) и системной шины адреса (20 бит), за счет чего мог адресовать до 1 Мбайт оперативной памяти. В 1982 году был создан i80286. Этот микропроцессор представлял собой улучшенный вариант i8086. Он поддерживал уже несколько режимов работы: реальный, когда формирование адреса производилось по правилам i8086, и защищенный, который аппаратно реализовывал многозадачность и управление виртуальной памятью, i80286 имел также большую разрядность шины адреса - 24 разряда против, 20 у i8086, и поэтому он мог адресовать до 16 Мбайт оперативной памяти. Первые компьютеры на базе этого микропроцессора появились в 1984 году. В 1985 году фирма Intel представила первый 32-разрядный микропроцессор i80386, аппаратно совместимый снизу вверх со всеми предыдущими микропроцессорами этой фирмы. Он был гораздо мощнее своих предшественников, имел 32-разрядную архитектуру и мог прямо адресовать до 4 Гбайт оперативной памяти. Микропроцессор i386 стал поддерживать новый режим работы - режим виртуального i8086, который обеспечил не только большую эффективность работу программ, разработанных для i8086, но и позволил осуществлять параллельную работу нескольких таких программ.

История развития средств инструментального счета позволяет лучше понять действие современных вычислительных машин. Как говорил Лейбниц: "Кто хочет ограничиться настоящим без знания прошлого, тот никогда не поймет настоящего." Поэтому изучение истории развития ВТ является важной составной частью информатики.

Люди с древних времен использовали для счета различные приспособления. Первым таким "приспособлением" были собственные пальцы. Полное описание пальцевого счета составил в средневековой Европе ирландский монах Беда Достопочтенный (7 век н.э.). Различные приемы пальцевого счета использовались до 18 века.

В качестве средств инструментального счета использовались веревки с узелками.

Наиболее широкое распространение в древности получил абак, сведения о котором известны с V в до н.э. Числа в нем представлялись камешками, раскладываемые по столбцам. В древнем Риме камешки обозначались словом Calculus, отсюда произошли слова, обозначающие счет (английское calculate – считать).

Счеты, широко использовавшиеся на Руси, по принципу действия похожи на абак.

Необходимость использования различных устройств для счета объяснялись тем, что письменный счет был затруднен. Во-первых, это было связанно со сложной системой записи чисел, во-вторых, писать умели немногие, в-третьих, средства для записи (пергамент) были очень дороги. С распространением арабских цифр и изобретением бумаги (12-13 век) стал широко развиваться письменный счет, и абак стал не нужен.

Первым устройством, механизирующий счет в привычном для нас понимании, стала счетная машинка, построенная в 1642 году французским ученым Блезом Паскалем. Она содержала набор вертикально расположенных колес с нанесенными на них цифрами 0-9. Если такое колесо совершало полный оборот, оно сцеплялось с соседним колесом и проворачивало его одно деление, обеспечивая перенос из одного разряда в другой. Такая машина могла складывать и вычитать числа и использовалась в конторе отца Паскаля для подсчета сумм собираемых налогов.

Различные проекты и даже действующие образы механических счетных машин создавались и до машины Паскаля, но именно машина Паскаля получила широкую известность. Паскаль взял патент на свою машину, продал несколько десятков образцов; его машиной интересовались вельможи и даже короли; например, одна из машин была подарена шведской королеве Христине.

В 1673г. немецкий философ и математик Готфрид Лейбниц создал механическое счетное устройство, которое не только складывало и вычитало, но и умножало и делило. Эта машина стала основой массовых счетных приборов - арифмометров. Выпуск механических счетных машин был налажен в США в 1887, в России в 1894. Но эти машины были ручными, то есть требовали постоянного участия человека. Они не автоматизировали, а лишь механизировала счет.

Большое значение в истории вычислительной техники занимают попытки "заставить" технические устройства выполнять какие-либо действия без участия человека, автоматически.

Большое развитие такие механические автоматы, построенные на основе часовых механизмов, получили в 17-18 веках. Особенно были известны автоматы французского механизма Жака де Вокансона, среди которых была игрушка-флейтист, внешне выглядевшая как обычный человек. Но это были всего лишь игрушки.

Внедрение автоматизации в промышленное производство связывается с именем французского инженера Жаккара, который изобрел устройство управления ткацким станком на основе перфокарт – картонок с отверстиями. По-разному пробивая отверстия на перфокартах, можно было получать на станках ткани с разным переплетением нитей.

Отцом вычислительной техники считается английский ученый 19 века Чарльз Бэббидж, который впервые предпринял попытку построить счетную машину, работающую по программе. Машина предназначалась для помощи Британском морскому ведомству в составлении мореходных таблиц. Бэббидж считал, что машина должна иметь устройство, где будут храниться числа, предназначенные для вычислений ("память"). Одновременно там же должны находиться команды о том, что с этими числами делать ("принцип хранимой программы"). Для выполнения операций над числами в машине должно быть специальное устройство, которое Беббидж назвал "мельницей", а в современных компьютерах ему соответствует АЛУ. Вводиться в машину числа должны были вручную, а выводиться на печатающее устройство ("устройства ввода/вывода"). И наконец, должно было быть устройство, управляющее работой всей машины ("УУ"). Машина Бэббиджа была механической и работала с числами, представленными в десятичной системе.

Научные идеи Беббиджа увлекли дочь знаменитого английского поэта Джорджа Байрона – леди Аду Лавлейс. Она составила программы, по которым машина могла бы производить сложные математические расчеты. Многими понятиями, введенными Адой Лавлейс в описании тех первых в мире программ, в частности, понятием "цикл", широко пользуются современные программисты.

Следующий важный шаг на пути автоматизации вычислений сделал примерно через 20 лет после смерти Беббиджа американец Герман Холлерит, который изобрел электромеханическую машину для вычислений с помощью перфокарт. Машина использовалась для обработки данных переписи населения. На перфокартах вручную пробивались отверстия в зависимости от ответов на вопросы переписи; сортировальная машина позволяла распределять карты на группы в зависимости от места пробитых отверстий, а табулятор подсчитывал число карт в каждой группе. Благодаря этой машине обработку результатов переписи населения Соединенных Штатов Америки 1890г удалось провести втрое быстрее предыдущей.

В 1944 году в США под руководством Говарда Айкина была построена электромеханическая вычислительная машинка, известная как "Марк–1 ", а затем и "Марк–2 ". Эта машина была основана на реле. Поскольку реле имеют два устойчивых состояния, а идея отказаться от десятичной системы еще не приходила в голову конструкторам, то числа представлялись в двоично-десятичной системе: каждая десятичная цифра представлялась четырьмя двоичными и хранилась в группе их четырех реле. Скорость работы составляла около 4х операций в секунду. Тогда же было создано еще несколько релейных машин, в том числе советская релейная вычислительная машина РВМ–1, сконструированная в 1956г Бессоновым и успешно работавшая до 1966г.

За точку отсчета эры ЭВМ обычно принимают 15 февраля 1946г, когда ученые Пенсильванского университета ввели в строй первый в мире компьютер на электронных лампах – ЭНИАК. Первым применением ЭНИАК было решение задач для сверхсекретного проекта атомной бомбы, да и затем он использовался в основном в военных целях. В ЭНИАК не существовало программы, хранимой в памяти; "программирование" осуществлялось с помощью установки проводов-перемычек между отдельными элементами.

С 1944 года в работе над созданием ЭВМ принимал участие Джон фон Нейман. В 1946 году была опубликована его статья, в которой были сформулировали два важнейших принципа, лежащие в основы всех современных ЭВМ: использование двоичной системы счисления и принцип хранимой программы.

Появились ЭВМ и в СССР. В 1952 г под руководством академика Лебедева была создана самая быстродействующая ЭВМ в Европе – БЭСМ, в 1953г начат выпуск серийной ЭВМ "Стрела". Серийные советские машины были на уровне лучших мировых образцов.

Началось бурное развитие ВТ.

Первая вычислительная машина на электронных лампах (ЭНИАК) насчитывала около 20 тыс. электронных ламп, размещалась в огромном зале, потребляла десятки кВт электроэнергии и была очень ненадежна в работе – фактически работала только небольшие промежутки времени между ремонтами.

С тех пор развитие ВТ прошло огромный путь. Выделяют несколько поколений ЭВМ. Под поколением понимается определенный этап развития аппаратуры, характеризующийся ее параметрами, технологией изготовления составных частей и т.д.

1 поколение – начало 50х годов (БЭСМ, Стрела, Урал). Основаны на электронных лампах. Большая потребляемая мощность, малая надежность, низкое быстродействие (2000 оп/с), малый объем памяти (несколько килобайт); отсутствовали средства организации вычислительных процессов, оператор работал непосредственно за пультом.

2 поколение – конец 50х годов (Минск – 2, Раздан, Наири). Полупроводниковые элементы, печатный монтаж, быстродействие (50-60 тыс. оп/с); появление внешних магнитных запоминающих устройств, появились примитивные операционные системы и трансляторы с алгоритмических языков.

3 поколение – середина 60х годов. Построены на основы интегральных микросхем, использовались стандартные электронные блоки; быстродействие до 1,5 млн. оп/с; появились развитые программные средства.

4 поколение – построены на основе микропроцессоров. Компьютеры специализируются, появляются их различные типы: супер ЭВМ – для решения очень сложных вычислительных задач; мэйнфреймы – для решения экономических и расчетных задач в рамках предприятия, ПК – для индивидуальной работы пользования. Сейчас ПК занимают преобладающую часть рынка компьютеров, а их возможности в миллионы раз превосходят возможности первых ЭВМ.

Первый ПК Altair 8800 появился в 1975г в фирме MITS, однако возможности его были весьма ограничены, и коренного перелома в использовании компьютеров не произошло. Революция в индустрии ПК была совершена двумя другими фирмами – IBM и Apple Computer, соперничество которых способствовало бурному развитию высоких технологий, улучшению технических и пользовательских качеств ПК. В результате этого состязания компьютер превратился в неотъемлемую часть повседневной жизни.

История фирмы Apple начался в 1976г, когда в гараже города Лос–Альмос штата Калифорния Стивен Джобс и Стивен Возняк (обоим было чуть за 20) собрали свой первый ПК. Однако настоящий успех пришел к фирме благодаря выпуску компьютера Apple–II, который был создан на основе микропроцессора фирмы Motorolla, внешним видом напоминал обычный бытовой прибор, а по цене был доступен рядовому американцу.

Фирма IBM родилась в 1914 году и специализировалась на выпуске канцелярских товаров пишущих машинок. В пятидесятые годы основатель фирмы Томас Уотсон переориентировал ее на выпуск больших ЭВМ. В области ПК фирма вначале заняла выжидательную позицию. Бешенный успех Apple насторожил гиганта, и в кратчайшие сроки был создан первый IBM PC, представленный в 1981г. Используя свои огромные ресурсы, корпорация буквально наводнила рынок своими ПК, ориентируясь на самую емкую сферу их применения – деловой мир. IBM PC был основан на новейшем микропроцессоре фирмами Intel, позволившими значительно расширить возможности нового компьютера.

Чтобы завоевать рынок, IBM впервые использовала принцип "открытой архитектуры". IBM PC не изготавливался как единое целое, а собирался из отдельных модулей. Любая фирма могла разработать устройство, совместимое с IBM PC. Это принесло IBM огромный коммерческий успех. Но в то же время на рынке стало появляться множество компьютеров – точных копий IBM PC – так называемых клонов. На появление "двойников" фирма ответила резким снижением цен и появлении новых моделей.

В ответ на это фирма Apple создала Apple Macintosh, снабженный мышкой и имеющий высококачественный графический дисплей, а также впервые оснащенный микрофоном и генератором звука. А главное – имелось удобное и легкое в освещении ПО. Мас поступил в продажу и имел определенный успех, но вернуть лидерство на рынке ПК фирме Apple не удалось.

Стремясь приблизиться по удобству использования к компьютерам Apple, фирма IBM стимулировала разработку современного ПО. Огромную роль здесь сыграло создание фирмой Microsoft OC Windows"95.

С тех пор программное обеспечение становиться все более удобным и понятием. ПК оснащаются новыми устройствами и из прибора для профессиональной деятельности становятся "центрами цифровых развлечений", объединяя в себе функции различных бытовых приборов.

Созданный ими компьютер работал в тысячу раз быстрее, чем «Марк-1». Но обнаружилось, что большую часть времени этот компьютер простаивал, ведь для задания метода расчётов (программы) в этом компьютере приходилось в течение нескольких часов или даже нескольких дней подсоединять нужным образом провода. А сам расчет после этого мог занять всего лишь несколько минут или даже секунд.

Чтобы упростить и ускорить процесс задания программ, Мокли и Эккерт стали конструировать новый компьютер, который мог бы хранить программу в своей памяти. В 1945 г. к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман , который подготовил доклад об этом компьютере. Доклад был разослан многим ученым и стал широко известен, поскольку в нем фон Нейман ясно и просто сформулировал общие принципы функционирования компьютеров, т. е. универсальных вычислительных устройств. И до сих пор подавляющее большинство компьютеров сделано в соответствии с теми принципами, которые изложил в своем докладе в 1945 г. Джон фон Нейман. Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 г. английским исследователем Морисом Уилксом .

Разработка первой электронной серийной машины UNIVAC (Universal Automatic Computer) начата примерно в 1947 г. Эккертом и Мокли, основавшими в декабре того же года фирму ECKERT-MAUCHLI. Первый образец машины (UNIVAC-1) был построен для бюро переписи США и пущен в эксплуатацию весной 1951 г. Синхронная, последовательного действия вычислительная машина UNIVAC-1 создана на базе ЭВМ ENIAC и EDVAC . Работала она с тактовой частотой 2.25 МГц и содержала около 5000 электронных ламп. Внутреннее запоминающее устройство с ёмкостью 1000 12-разрядных десятичных чисел было выполнено на 100 ртутных линиях задержки.

Вскоре после ввода в эксплуатацию машины UNIVAC-1 ее разработчики выдвинули идею автоматического программирования. Она сводилась к тому, чтобы машина сама могла подготавливать такую последовательность команд, которая нужна для решения данной задачи.

Сильным сдерживающим фактором в работе конструкторов ЭВМ начала 1950-х годов было отсутствие быстродействующей памяти. По словам одного из пионеров вычислительной техники Д. Эккерта, «архитектура машины определяется памятью». Исследователи сосредоточили свои усилия на запоминающих свойствах ферритовых колец, нанизанных на проволочные матрицы.

В 1951 г. Дж. Форрестер опубликовал статью о применении магнитных сердечников для хранения цифровой информации. В машине «Whirlwind-1» впервые была применена память на магнитных сердечниках. Она представляла собой 2 куба 32 х 32 х 17 с сердечниками, которые обеспечивали хранение 2048 слов для 16-разрядных двоичных чисел с одним разрядом контроля на четность.

Вскоре в разработку электронных компьютеров включается фирма IBM . В 1952 г. она выпустила свой первый промышленный электронный компьютер IBM 701, который представлял собой синхронную ЭВМ параллельного действия, содержащую 4000 электронных ламп и 12 000 германиевых диодов. Усовершенствованный вариант машины IBM 704 отличался высокой скоростью работы, в ней использовались индексные регистры и данные представлялись в форме с плавающей запятой.

IBM 704
После ЭВМ IBM 704 была выпущена машина IBM 709, которая, в архитектурном плане, приближалась к машинам второго и третьего поколений. В этой машине впервые была применена косвенная адресация и впервые появились каналы ввода-вывода.

В 1956 г. фирмой IBM были разработаны плавающие магнитные головки на воздушной подушке. Изобретение их позволило создать новый тип памяти - дисковые запоминающие устройства (ЗУ), значимость которых была в полной мере оценена в последующие десятилетия развития вычислительной техники. Первые ЗУ на дисках появились в машинах IBM 305 и RAMAC. Последняя имела пакет, состоявший из 50 металлических дисков с магнитным покрытием, которые вращались со скоростью 12 000 об./мин. На поверхности диска размещалось 100 дорожек для записи данных, по 10 000 знаков каждая.

Вслед за первым серийным компьютером UNIVAC-1 фирма Remington-Rand в 1952 г. выпустила ЭВМ UNIVAC-1103, которая работала в 50 раз быстрее. Позже в компьютере UNIVAC-1103 впервые были применены программные прерывания.

Сотрудники фирмы Rernington-Rand использовали алгебраическую форму записи алгоритмов под названием «Short Code» (пррвый интерпретатор, созданный в 1949 г. Джоном Мокли). Кроме того, необходимо отметить офицера ВМФ США и руководителя группы программистов, в то время капитана (в дальнейшем единственная в ВМФ женщина-адмирал) Грейс Хоппер , которая разработала первую программу-компилятор. Кстати, термин «компилятор» впервые ввела Г. Хоппер в 1951 г. Эта компилирующая программа производила трансляцию на машинный язык всей программы, записанной в удобной для обработки алгебраической форме. Г. Хоппер принадлежит также авторство термина «баг» в применении к компьютерам. Как-то через открытое окно в лабораторию залетел жук (по-английски - bug), который, сев на контакты, замкнул их, чем вызвал серьезную неисправность в работе машины. Обгоревший жук был подклеен в административный журнал, где фиксировались различные неисправности. Так был задокументирован первый баг в компьютерах.

Фирма IBM сделала первые шаги в области автоматизации программирования, создав в 1953 г. для машины IBM 701 «Систему быстрого кодирования». В СССР А. А. Ляпунов предложил один из первых языков программирования. В 1957 г. группа под руководством Д. Бэкуса завершила работу над ставшим впоследствии популярным первым языком программирования высокого уровня, получившим название ФОРТРАН . Язык, реализованный впервые на ЭВМ IBM 704, способствовал расширению сферы применения компьютеров.

Алексей Андреевич Ляпунов
В Великобритании в июле 1951 г. на конференции в Манчестерском университете М. Уилкс представил доклад «Наилучший метод конструирования автоматической машины», который стал пионерской работой по основам микропрограммирования. Предложенный им метод проектирования устройств управления нашел широкое применение.

Свою идею микропрограммирования М. Уилкс реализовал в 1957 г. при создании машины EDSAC-2. М. Уилкс совместно с Д. Уиллером и С. Гиллом в 1951 г. написали первый учебник по программированию «Составление программ для электронных счетных машин».

В 1956 г. фирма Ferranti выпустила ЭВМ «Pegasus», в которой впервые нашла воплощение концепция регистров общего назначения (РОН). С появлением РОН было устранено различие между индексными регистрами и аккумуляторами, и в распоряжении программиста оказался не один, а несколько регистров-аккумуляторов.

Появление персональных компьютеров

Успех «Альтаир-8800» заставил многие фирмы также заняться производством персональных компьютеров. Персональные компьютеры стали продаваться уже в полной комплектации, с клавиатурой и монитором, спрос на них составил десятки, а затем и сотни тысяч штук в год. Появилось несколько журналов, посвященных персональным компьютерам. Росту объема продаж весьма способствовали многочисленные полезные программы практического значения. Появились и коммерчески распространяемые программы, например программа для редактирования текстов WordStar и табличный процессор VisiCalc (1978 г. и 1979 г. соответственно). Эти и многие другие программы сделали покупку персональных компьютеров весьма выгодной для бизнеса: с их помощью стало возможно выполнять бухгалтерские расчеты, составлять документы и т. д. Использование же больших компьютеров для этих целей было слишком дорого.

В конце 1970-х годов распространение персональных компьютеров даже привело к некоторому снижению спроса на большие компьютеры и мини-компьютеры (мини-ЭВМ). Это стало предметом серьезного беспокойства фирмы IBM - ведущей компании по производству больших компьютеров, и в 1979 г. фирма IBM решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров. Однако руководство фирмы недооценило будущую важность этого рынка и рассматривало создание персонального компьютера всего лишь как мелкий эксперимент - что-то вроде одной из десятков проводившихся в фирме работ по созданию нового оборудования. Чтобы не тратить на этот эксперимент слишком много денег, руководство фирмы предоставило подразделению, ответственному за данный проект, невиданную в фирме свободу. В частности, ему было разрешено не конструировать персональный компьютер «с нуля», а использовать блоки, изготовленные другими фирмами. И это подразделение сполна использовало предоставленный шанс.

В качестве основного микропроцессора компьютера был выбран новейший тогда 16-разрядный микропроцессор Intel-8088 . Его использование позволило значительно увеличить потенциальные возможности компьютера, так как новый микропроцессор позволял работать с 1 мегабайтом памяти, а все имевшиеся тогда компьютеры были ограничены 64 килобайтами.

В августе 1981 г. новый компьютер под названием IBM PC был официально представлен публике, и вскоре после этого он приобрел большую популярность у пользователей. Через пару лет компьютер IBM PC занял ведущее место на рынке, вытеснив модели 8-битовых компьютеров.

IBM PC
Секрет популярности IBM PC в том, что фирма IBM не сделала свой компьютер единым неразъёмным устройством и не стала защищать его конструкцию патентами. Наоборот, она собрала компьютер из независимо изготовленных частей и не стала держать спецификации этих частей и способы их соединения в секрете. Напротив, принципы конструкции IBM PC были доступны всем желающим. Этот подход, называемый принципом открытой архитектуры, обеспечил потрясающий успех компьютеру IBM PC, хотя и лишил фирму IBM возможности единолично пользоваться плодами этого успеха. Вот как открытость архитектуры IBM PC повлияла на развитие персональных компьютеров.

Перспективность и популярность IBM PC сделала весьма привлекательным производство различных комплектующих и дополнительных устройств для IBM PC. Конкуренция между производителями привела к удешевлению комплектующих и устройств. Очень скоро многие фирмы перестали довольствоваться ролью производителей комплектующих для IBM PC и начали сами собирать компьютеры, совместимые с IBM PC. Поскольку этим фирмам не требовалось нести огромные издержки фирмы IBM на исследования и поддержание структуры громадной фирмы, они смогли продавать свои компьютеры значительно дешевле (иногда в 2-3 раза) аналогичных компьютеров фирмы IBM.

Совместимые с IBM PC компьютеры вначале презрительно называли «клонами», но эта кличка не прижилась, так как многие фирмы-производители IBM PC-совместимых компьютеров стали реализовывать технические достижения быстрее, чем сама IBM. Пользователи получили возможность самостоятельно модернизировать свои компьютеры и оснащать их дополнительными устройствами сотен различных производителей.

Персональные компьютеры будущего

ПК будет мал по размерам и иметь мощь современных суперкомпьютеров . ПК станет хранилищем информации, охватывающей все аспекты нашей повседневной жизни, он не будет привязан к электрическим сетям. Этот ПК будет защищен от воров благодаря биометрическому сканеру , который будет узнавать своего владельца по отпечатку пальца.

Основным способом общения с компьютером будет голосовой. Настольный компьютер превратится в «моноблок», вернее, в гигантский компьютерный экран - интерактивный фотонный дисплей. Клавиатура не понадобится, так как все действия можно будет совершать прикосновением пальца. Но для тех, кто предпочитает клавиатуру, в любой момент на экране может быть создана виртуальная клавиатура и удалена тогда, когда в ней не будет нужды.

Компьютер станет операционной системой дома, и дом начнет реагировать на потребности хозяина, будет знать его предпочтения (приготовить кофе в 7 часов, запустить любимую музыку, записать нужную телепередачу, отрегулировать температуру и влажность и т. д.)

Размер экрана не будет играть никакой роли в компьютерах будущего. Он может быль большим, как ваш рабочий стол, или маленьким. Большие варианты компьютерных экранов будут основаны на жидких кристаллах, возбуждаемых фотонным способом, которые будут иметь гораздо более низкое энергопотребление, чем сегодняшние LCD-мониторы. Цвета будут яркими, а изображения - точными (возможны плазменные дисплеи). Фактически сегодняшняя концепция «разрешающей способности» будет в значительно степени атрофирована.

Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Цель урока:

1. познакомить с историей развития вычислительной техники, с устройствами, являющимися предшественниками компьютеров и их изобретателями
2. дать представление о связи развития ЭВМ с развитием человеческого общества,
3. познакомить с основными особенностями ЭВМ разных поколений.
4. Развитие познавательного интереса, умение использовать дополнительную литературу

Тип урока: изучение нового материала

Вид: урок-лекция

Программно-дидактическое обеспечение: ПК, слайды презентации с изображением основных устройств, портретов изобретателей и ученых.

План урока:

1. Организационный момент
2. Актуализация новых знаний
3. Предыстория компьютеров
4. Поколения ЭВМ (компьютеров)
5. Будущее компьютеров
6. Закрепление новых знаний
7. Подведение итогов урока
8. Домашнее задание

1. Организационный момент

Задача этапа : Подготовить учащихся к работе на уроке. (Проверить готовность класса к уроку, наличие школьных необходимых принадлежностей, посещаемость)

2. Актуализация новых знаний

Задача этапа : Подготовка учащихся к активному усвоению новых знаний, обеспечить мотивацию и принятие учащимися цели учебно – познавательной деятельности. Постановка целей урока.

Здравствуйте! Как вы думаете, какие технические изобретения особенно изменили способы труда человека?

(Ученики высказывают свои мнения по данному вопросу, по необходимости учитель их корректирует)

- Вы правы, действительно, основным техническим устройством, повлиявшим на труд человека, является изобретение компьютеров - электронно – вычислительных машин. Сегодня на уроке, мы с вами узнаем, какие вычислительные устройства предшествовали появлению компьютеров, как изменялись сами компьютеры, последовательность становления компьютера, когда машина предназначенная просто для счёта стала сложным техническим устройством. Тема нашего урока: «История вычислительной техники. Поколения компьютеров». Цель нашего урока: познакомиться с историей развития вычислительной техники, с устройствами, являющимися предшественниками компьютеров и их изобретателями познакомиться с основными особенностями ЭВМ разных поколений.

На уроке мы будем работать с помощью мультимедийной презентации, состоящей из 4-х разделов «Предыстория компьютеров», «Поколения компьютеров», «Галерея учёных», «Компьютерный словарь». В каждом разделе есть подраздел «Проверь себя» - это тест, в котором вы сразу узнаете результат.

3. Предыстория компьютеров

Обратить внимание учеников, что ЭВМ – это электронно-вычислительная машина, другое название «компьютер» или «computer» произошло от английского глагола «compute» – вычислять, поэтому слово «компьютер» можно перевести как «вычислитель». То есть и в слове ЭВМ и в слове компьютер главный смысл это вычисления. Хотя мы с вами хорошо знаем, что современные ЭВМ позволяют не только вычислять, но и создавать и обрабатывать тексты, рисунки, видео, звук. Заглянем в историю…

(параллельно оформляем в тетради таблицу «Предыстория компьютеров»)

«Предыстория компьютеров»

Древний человек счетом овладел раньше, чем письменностью. В качестве первого помощника в счете человек избрал свои пальцы. Именно наличие десяти пальцев легло в основу десятичной системы счисления. В разных странах говорят и пишут на разных языках, а считают одинаково. В 5-ом веке до н.э. греки и египтяне использовали для счета – АБАК – устройство, похожее на русские счеты.

Абак – греческое слово и переводится как счетная доска. Идея его устройства заключается в наличии специального вычислительного поля, где по определенным правилам перемещают счетные элементы. Действительно первоначально абак представлял собой доску, покрытую пылью или песком. На ней можно было чертить линии и перекладывать камешки. В Древней Греции абак служил преимущественно для выполнения денежных расчетов. В левой части подсчитывались крупные денежные единицы, а в правой – мелочь. Счет велся в двоично-пятеричной системе счислении. На такой доске было легко складывать и вычитать, добавляя или убирая камешки и перенося их из разряда в разряд.

Придя в Древний Рим абак, изменился внешне. Римляне стали изготавливать его из бронзы, слоновой кости или цветного стекла. На доске присутствовали два ряда прорезей, по которым можно было передвигать косточки. Абак превратился в настоящий счетный прибор, позволяющий представлять даже дроби, и был значительно удобнее греческого. Римляне называли это устройство calculare – «камешки». Отсюда произошел латинский глагол calculare – «вычислять», а от него – русское слово «калькулятор».

После падения Римской империи произошел упадок науки и культуры и абак был закрыт на некоторое время. Возродился он и распространился по Европе только в X веке. Абаком пользовались купцы, менялы, ремесленники. Даже спустя шесть столетий абак оставался важнейшим инструментом для выполнения вычислений.

Естественно, что в течение такого большого промежутка времени абак менял свой внешний вид и в XLL-XLLLвв.он приобрел форму так называемого счета на линиях, так и между ними. Такая форма счета в некоторых европейских странах сохранялась до конца XVLLLв. и лишь затем окончательно уступила место вычислениям на бумаге.

В Китае абак был известен с LV века до нашей эры. На специальной доске выкладывались счетные палочки. Постепенно их сменили разноцветные фишки, а в V веке появились китайские счеты – суан-пан. Они представляли собой раму с двумя рядами нанизанных на прутики косточек. На каждом прутике их было по семь. Из Китая суан-пан пришел в Японию. Произошло это в XVL веке и устройство получило название «соробан».

В Росси счеты появились в то же время, что и в Японии. Но русские счеты были изобретены самостоятельно, что доказывают следующие факторы. Во-первых, русские счеты очень сильно отличаются от китайских. Во-вторых, это изобретение имеет свою историю.

В России был распространен «счет костьми». Он был близок европейскому счету на линиях, но писцы использовали вместо жетонов плодовые косточки. В XVL возник дощаной счет, первый вариант русских счетов. Такие счеты хранятся сейчас в Историческом музе в Москве.

Счеты в России использовались почти 300 лет и сменили их только дешевые карманные калькуляторы.

Первое в мире автоматическое устройство, которое могло выполнять сложение, было создано на базе механических часов, и разработал его в 1623 году Вильгельм Шикард, профессор кафедры восточных языков в одном из университетов Германии. Но неоценимый вклад в развитие устройств помогающих выполнять вычисления, безусловно внесли Блез Паскаль, Годфрид Лейбниц и Чарльз Беббидж.

В 1642 году один из крупнейших ученых в истории человечества – французский математик, физик, философ и богослов Блез Паскаль изобрел и изготовил механическое устройство для складывания и вычитания чисел – АРИФМОМЕТР. ? Как вы думаете, из какого материала был сделан первый в истории арифмометр? (дерево).

Главная идея конструкции будущей машины была сформирована – автоматический перенос разряда. «Каждое колесо… некоторого разряда, совершая движение на десять арифметических цифр, заставляет двигаться следующее только на одну цифру» - эта формула изобретения утверждала приоритет Блеза Паскаля в изобретении и закрепила за ним право производить и продавать машины.

Машина Паскаля осуществляла сложение чисел на специальных дисках - колесиках. Десятичные цифры пятизначного числа задавались поворотами дисков, на которые были нанесены цифровые деления. Результат читался в окошечках. Диски имели один удлиненный зуб, чтобы можно было учесть перенос в следующий разряд.

Исходные числа задавались поворотами наборных колес, вращение ручки приводило в движение различные шестерни и валики, в итоге специальные колеса с цифрами показывали результат выполнения сложения или вычитания.

Паскаль был одним из величайших гениев человечества. Он был математиком, физиком, механиком, изобретателем, писателем. Его имя носят теоремы математики и законы физики. В физике есть единица измерения давления Паскаль. В информатике его имя носит один из самых популярных языков программирования.

В 1673 году немецкий математик и философ Готфрид Вильгельм Лейбниц изобрел и изготовил арифмометр, который мог не только складывать и вычитать числа, но и умножать и делить. Скудость, примитивность первых вычислительных аппаратов не помешала Паскалю и Лейбницу высказать ряд интересных идей о роли вычислительной техники в будущем. Лейбниц писал о машинах, которые будут работать не только с числами, но и сос словами, понятиями, формулами, могли выполнять логические операции. Эта идея большинству современников Лейбница казалась абсурдом. В 18 веке взгляды Лейбница были осмеяны великим английским сатириком Дж.Свифтом, автором известного романа «Путешествия Гулливера».

Лишь в 20-ом веке стала понятна значительность идей Паскаля и Лейбница.

Наряду с устройствами для вычислений развивались и механизмы для АВТОМАТИЧЕСКОЙ РАБОТЫ ПО ЗАДАННОЙ ПРОГРАММЕ (музыкальные автоматы, часы с боем, ткацкие станки Жаккарда).

В начале 19-го века английский математик Чарльз Беббидж, занимавшийся составлением таблиц для навигации, разработал ПРОЕКТ вычислительной «аналитической» машины, в основе которого лежал ПРИНЦИП ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ (ППУ). Новаторская мысль Беббиджа была подхвачена и развита его ученицей Адой Лавлейс, дочерью поэта Джорджа Байрона – которая стала первой программисткой в мире. Однако практическая реализация проекта Беббиджа была невозможной из-за недостаточного развития промышленности и техники.

Основные элементы машины Беббиджа, присущие современному компьютеру:

1. Склад – устройство, где хранятся исходные числа и промежуточные результаты. В современно компьютере это память.
2. Фабрика – арифметическое устройство, в котором осуществляются операции над числами, взятые из Склада. В современном компьютере это Процессор.
3. Блоки ввода исходных данных – устройство ввода.
4. Печать результатов – устройство вывода.

Архитектура машины практически соответствует архитектуре современных ЭВМ, а команды, которые выполняла аналитическая машина, в основном включают все команды процессора.

Интересным историческим фактом является то, что первую программу для аналитической машины написал Ада Августа Лавлейс – дочь великого английского поэта Джорджа Байрона. Именно Беббидж заразил ее идеей создания вычислительной машины.

Идея программирования механических устройств с помощь перфокарты впервые была реализована в 1804 году в ткацком станке. Впервые применили их конструкторы ткацких станков. Преуспел в этом дел лондонский ткач Жозеф Мари Жаккард. В 1801 году он создал автоматический ткацкий станок, управляемый перфокартами.

Нить поднималась или опускалась при каждом ходе челнока в зависимости от того, есть отверстие или нет. Поперечная нить могла обходить каждую продольную той Ии иной стороны в зависимости от программы на перфокарте, создавая тем самым затейливый узор из переплетенных нитей. Такое плетение получило название «жаккард» и считается одним из самых сложных и запутанных плетений. Такой ткацкий станок, работающий по программе, был первым массовым промышленным устройством и считается одним из самых совершенных машин, когда-либо созданных человеком.

Идея записи программы на перфокарте пришла в голову и первой программистке Аде Августе Лавлейс. Именно она предложила использовать перфорированные карты в аналитической машине Беббиджа. В частности, в одном из писем она писала: «Аналитическая машина точно так же плетет алгебраические узоры, как ткацкий станок воспроизводит цвета и листья».

Герман Холлерит также использовал в своей машине перфокарты для записи и обработки информации. Перфокарты использовались и в компьютерах первого поколения.

До 40-х годов двадцатого века вычислительная техника представлялась арифмометрами, которые из механических стали электрическими, где электромагнитные реле затрачивали на умножение чисел несколько секунд, которые работали точно по тем же принципам, как и арифмометры Паскаля и Лейбница. Кроме того, они были очень ненадежны, часто ломались. Интересно, что однажды причиной поломки электрического арифмометра оказался мотылек, застрявший в реле, по-английски «мотылек, жук» – bug, отсюда появилось понятие «жучок» как неполадка в ЭВМ.

Герман Холлерит родился 29 февраля 1860 года в американском городе Буффало в семье немецких эмигрантов. Герману легко давались математика и естественные науки, и в 15 лет он поступил в Горную школу при Колумбийском университете. На способного юношу обратил внимание профессор того же университета и пригласил его после окончания школы в возглавляемое им национальное бюро по переписи населения. Перепись населения производилась каждые десять лет. Население постоянно росло, и ее численность в США к тому времени составляло около 50 миллионов человек. Заполнить на каждого человека карточку вручную, а затем подсчитать и обработать результаты, было практически невозможно. Этот процесс затянулся на несколько лет, почти до следующей переписи. Необходимо было найти выход из этой ситуации. Герману Холлериту идею механизировать этот процесс подсказал доктор Джон Биллингс, возглавлявший департамент сводных данных. Он предложил использовать для записи информации перфокарты. Свою машину Холлерит назвал табулятором и в 1887 году он был опробован в Балтиморе. Результаты оказались положительными, и эксперимент повторили в Сент-Луисе. Выигрыш во времени был почти десятикратным. Правительство США сразу же заключило с Холлеритом контракт на поставку табуляторов, и уже в 1890 году перепись населения прошла с использованием машин. Обработка результатов заняла менее двух лет и сэкономила 5 миллионов долларов. Система Холлерита не только обеспечивала высокую скорость, но и позволяла сравнить статистические данные по самым разным параметрам. Холлерит разработал удобный клавишный перфоратор, позволяющий пробивать около 100 отверстий в минуту одновременно на нескольких картах, автоматизировал процедур подачи и сортировки перфокарт. Сортировку осуществляло устройство в виде набора ящиков с крышками. Перфокарты продвигались по своеобразному конвейеру. С одной стороны карты находились считывающие штыри на пружинках, с другой – резервуар с ртутью. Когда штырь попадал в отверстие на перфокарте, то благодаря ртути, находящейся на другой стороне, замыкал электрическую цепь. Крышка соответствующего ящика открывалась и туда попадала перфокарта. Табулятор использовали для переписи населении в нескольких странах.

В 1896 году герма Холлерит сновал компанию Tabulating Machine Company (TMC) и его машины применялись повсюду – и на крупных промышленных предприятиях и в обычных фирмах. И в 1900 году табулятор использовался для переписи населения. переименовывает фирму в IBM (International Business Machines).

4. Поколения ЭВМ (компьютеров)

(параллельно оформляем записи в тетради и таблицу «Поколения ЭВМ (компьютеров)»)

I поколение ЭВМ: В 30-х годах 20-го века в развитии физики произошел прорыв, коренной переворот. В вычислительных машинах стали использоваться уже не колеса, валики и реле, а вакуумные электронные лампы. Переход от электромеханических элементов к электронным сразу увеличил быстродействие машин в сотни раз. Первая действующая ЭВМ была построена в США в 1945 году, в университете штата Пенсильвания учеными Эккертом и Моучли и называлась ЭНИАК. Эта машина была построена по заказу министерства обороны США для средств ПВО, для автоматизации управления. Чтобы правильно рассчитать траекторию и скорость движения снаряда для поражения воздушной цели, надо было решить систему из 6-ти дифференциальных уравнений. Эту задачу и должна была решать первая ЭВМ. Первая ЭВМ занимала два этажа одного здания, весила 30 тонн и состояла из десятков тысяч электронных ламп, которые соединялись проводами, общая протяженность которых составляла 10 тысяч км. Когда ЭВМ ЭНИАК работала, электричество в городке отключалась, так много электричества потреблялось этой машиной, электронные лампы быстро перегревались и выходили из строя. Целая группа студентов занималась только тем, что непрерывно искала и заменяла перегоревшие лампы.

В СССР основоположником вычислительной техники стал Сергей Алексеевич Лебедев, создавший МЭСМ (малая счетная машина) 1951 год (Киев) и БЭСМ (быстродействующая ЭСМ) – 1952 г., Москва.

II поколение: В 1948 году американским ученым Уолтером Брайттеном был изобретен ТРАНЗИСТОР, полупроводниковый прибор, который заменил радиолампы. Транзистор был намного меньше радиолампы, был более надежным и потреблял намного меньше электричества, он один заменял 40 электронных ламп! Вычислительные машины стали меньше в размерах и значительно дешевле, их быстродействие достигло нескольких сот операций в секунду. Теперь ЭВМ были размером с холодильник, их могли приобрести и использовать научные и технические институты. В то время СССР шел в ногу со временем и выпускал ЭВМ мирового уровня БЭСМ-6.

III поколение: Вторая половина 20-го века характеризуется бурным развитием науки и техники, особенно физики полупроводников и с 1964 года транзисторы стали размещать на микросхемах, выполненных на поверхностях кристаллов. Это позволило преодолеть миллионный барьер в быстродействии.

IV поколение: Начиная с 1980 года ученые научились на одном кристалле размещать несколько интегральных микросхем, развитие микроэлектроники привело к созданию микропроцессоров. Кристалл ИС меньше и тоньше контактной линзы. Быстродействие современных ЭВМ исчисляется сотнями миллионов операций в секунду.

В 1977 году появился первый ПК (персональный компьютер) фирмы Apple Macintosh. С 1981 года лидером в производстве ПК стала фирма IBM (International Business Machine), эта фирма работала на рынке США еще с 19-го века и выпускала различные устройства для офисов – счеты, арифмометры ручки и т.д. и зарекомендовала себя как надежная фирма, которой доверяло большинство деловых людей в США. Но не только поэтому ПК IBM были намного популярнее, чем ПК Apple Macintosh. ПК Apple Macintosh представляли собой “черный ящик” для пользователя – он не разобрать модернизировать ПК, присоединять к ПК новые устройства, а ПК IBM были открыты для пользователя и тем самым позволяли собирать ПК как детский конструктор, поэтому большинство пользователей выбрали ПК IBM. Хотя мы с вами при слове ЭВМ представляем именно ПК, но существуют задачи, которые даже современные ПК решить не могут, с которыми могут справиться только суперЭВМ, быстродействие которых исчисляется миллиардами операций в секунду.

Научная школа Лебедева по своим результатам успешно соперничала с ведущей фирмой США IBM . Среди ученых мира, современников Лебедева, нет человека, который подобно ему обладал бы столь мощным творческим потенциалом, чтобы охватить своей научной деятельностью период от создания первых ламповых ЭВМ до сверхбыстродействующей суперЭВМ. Когда американский ученый Норберт Винер, которого называют «первый киберпророк», в 1960 году приезжал в СССР, он отметил « Они совсем немного отстают от нас в аппаратуре, зато далеко впереди нас в ТЕОРИИ автоматизации». К сожалению, в 60-х годах наука кибернетика подвергалась гонениям, как «буржуазная лженаука», ученых-кибернетиков сажали в тюрьмы, из-за чего советская электроника стала заметно отставать от зарубежной. Хотя создавать новые ЭВМ становилось невозможным, запретить мыслить ученым никто не мог. Поэтому до сих пор наши российские ученые опережают мировую научную мысль в области теории автоматизации.

Для разработки программ для ЭВМ создавались различные языки программирования (алгоритмические языки). Фортран FORTRAN – FORmula TRANslated – первый язык, создан в 1956 году Дж. Бэкусом. В 1961 году появился Бейсик BASIC (Beginners All-purpose Simbolic Instartion Code –многоцелевой язык символических инструкций для начинающих) Т.Куртц, дж. Кемени.В 1971 году профессор Цюрихского университета Николас Вирт создал язык Паскаль Pascal, который назвал в честь ученого Блеза Паскаля. Создавались и другие языки: Ада, Алгол, Кобол, Си, Пролог, Фред, Лого, Лисп и др. Но до сих пор самым популярным языком программирования является Паскаль, многие более поздние языки взяли из Паскаля основные команды и принципы построения программы, например язык Си, Си+ и система программирования Delphi, даже Бейсик, изменившись позаимствовал из Паскаля его структурированность и универсальность. Мы с вами в 11-ом классе будем изучать язык Паскаль и научимся создавать программы для решения задач с формулами, для обработки текста, научимся рисовать и создавать движущиеся рисунки.

Суперкомпьютеры

5. Будущее компьютеров

• Преимущества искусственного интеллекта (ИИ):
• Молекулярные компьютеры
• Биокомпьютеры
• Оптические компьютеры
• Квантовые компьютеры

6. Закрепление новых знаний

Закрепление нового материала возможно с помощью теста в мультимедийной презентации к уроку: раздел «Проверь себя» в каждой части презентации: «Предыстория компьютеров», «Поколения ЭВМ», «Галерея учёных».

Проверка знаний по данной теме возможно с помощью тестов «История вычислительной техники» (Приложение 1 ) в 4-х вариантах и тест об учёных «Информатика в лицах» (Приложение 2 )

7. Подведение итогов урока

Проверка заполненных таблиц (Приложение 3 )

8. Домашнее задание

• лекция в тетради по презентации, таблицы «Предыстория компьютеров», «Поколения ЭВМ»
• подготовить сообщение про 5-ое поколение ЭВМ (будущее компьютеров)

Как только человек открыл для себя понятие "количество", он сразу же принялся подбирать инструменты, оптимизирующие и облегчающие счёт. Сегодня сверхмощные компьютеры, основываясь на принципах математических вычислений, обрабатывают, хранят и передают информацию - важнейший ресурс и двигатель прогресса человечества. Нетрудно составить представление о том, как происходило развитие вычислительной техники, кратко рассмотрев основные этапы этого процесса.

Основные этапы развития вычислительной техники

Самая популярная классификация предлагает выделить основные этапы развития вычислительной техники по хронологическому принципу:

• Ручной этап. Он начался на заре человеческой эпохи и продолжался до середины XVII столетия. В этот период возникли основы счёта. Позднее, с формированием позиционных систем счисления, появились приспособления (счёты, абак, позднее - логарифмическая линейка), делающие возможными вычисления по разрядам.
• Механический этап. Начался в середине XVII и длился почти до конца XIX столетия. Уровень развития науки в этот период сделал возможным создание механических устройств, выполняющих основные арифметические действия и автоматически запоминающих старшие разряды.
• Электромеханический этап - самый короткий из всех, какие объединяет история развития вычислительной техники. Он длился всего около 60 лет. Это промежуток между изобретением в 1887 году первого табулятора до 1946 года, когда возникла самая первая ЭВМ (ENIAC). Новые машины, действие которых основывалось на электроприводе и электрическом реле, позволяли производить вычисления со значительно большей скоростью и точностью, однако процессом счёта по-прежнему должен был управлять человек.
• Электронный этап начался во второй половине прошлого столетия и продолжается в наши дни. Это история шести поколений электронно-вычислительных машин - от самых первых гигантских агрегатов, в основе которых лежали электронные лампы, и до сверхмощных современных суперкомпьютеров с огромным числом параллельно работающих процессоров, способных одновременно выполнить множество команд.

Этапы развития вычислительной техники разделены по хронологическому принципу достаточно условно. В то время, когда использовались одни типы ЭВМ, активно создавались предпосылки для появления следующих.

Самые первые приспособления для счёта

Наиболее ранний инструмент для счёта, который знает история развития вычислительной техники, - десять пальцев на руках человека. Результаты счёта первоначально фиксировались при помощи пальцев, зарубок на дереве и камне, специальных палочек, узелков.

С возникновением письменности появлялись и развивались различные способы записи чисел, были изобретены позиционные системы счисления (десятичная - в Индии, шестидесятиричная - в Вавилоне).

Примерно с IV века до нашей эры древние греки стали вести счёт при помощи абака. Первоначально это была глиняная плоская дощечка с нанесёнными на неё острым предметом полосками. Счёт осуществлялся путём размещения на этих полосах в определённом порядке мелких камней или других небольших предметов.

В Китае в IV столетии нашей эры появились семикосточковые счёты - суанпан (суаньпань). На прямоугольную деревянную раму натягивались проволочки или верёвки - от девяти и более. Ещё одна проволочка (верёвка), натянутая перпендикулярно остальным, разделяла суанпан на две неравные части. В большем отделении, именуемом "землёй", на проволочки было нанизано по пять косточек, в меньшем - "небе" - их было по две. Каждая из проволочек соответствовала десятичному разряду.

Традиционные счёты соробан стали популярными в Японии с XVI века, попав туда из Китая. В это же время счёты появились и в России.

В XVII столетии на основании логарифмов, открытых шотландским математиком Джоном Непером, англичанин Эдмонд Гантер изобрёл логарифмическую линейку. Это устройство постоянно совершенствовалось и дожило до наших дней. Оно позволяет умножать и делить числа, возводить в степень, определять логарифмы и тригонометрические функции.

Логарифмическая линейка стала прибором, завершающим развитие средств вычислительной техники на ручном (домеханическом) этапе.

Первые механические счётные устройства

В 1623 году немецким учёным Вильгельмом Шиккардом был создан первый механический "калькулятор", который он назвал считающими часами. Механизм этого прибора напоминал обычный часовой, состоящий из шестерёнок и звёздочек. Однако известно об этом изобретении стало только в середине прошлого столетия.

Качественным скачком в области технологии вычислительной техники стало изобретение суммирующей машины "Паскалины" в 1642 году. Её создатель, французский математик Блез Паскаль, начал работу над этим устройством, когда ему не было и 20 лет. "Паскалина" представляла собой механический прибор в виде ящичка с большим количеством взаимосвязанных шестерёнок. Числа, которые требовалось сложить, вводились в машину поворотами специальных колёсиков.

В 1673 году саксонский математик и философ Готфрид фон Лейбниц изобрёл машину, выполнявшую четыре основных математических действия и умевшую извлекать квадратный корень. Принцип её работы был основан на двоичной системе счисления, специально придуманной учёным.

В 1818 году француз Шарль (Карл) Ксавье Тома де Кольмар, взяв за основу идеи Лейбница, изобрёл арифмометр, умеющий умножать и делить. А ещё спустя два года англичанин Чарльз Бэббидж приступил к конструированию машины, которая способна была бы производить вычисления с точностью до 20 знаков после запятой. Этот проект так и остался неоконченным, однако в 1830 году его автор разработал другой - аналитическую машину для выполнения точных научных и технических расчётов. Управлять машиной предполагалось программным путём, а для ввода и вывода информации должны были использоваться перфорированные карты с разным расположением отверстий. Проект Бэббиджа предугадал развитие электронно-вычислительной техники и задачи, которые смогут быть решены с её помощью.

Примечательно, что слава первого в мире программиста принадлежит женщине - леди Аде Лавлейс (в девичестве Байрон). Именно она создала первые программы для вычислительной машины Бэббиджа. Её именем впоследствии был назван один из компьютерных языков.

Разработка первых аналогов компьютера

В 1887 году история развития вычислительной техники вышла на новый этап. Американскому инженеру Герману Голлериту (Холлериту) удалось сконструировать первую электромеханическую вычислительную машину - табулятор. В её механизме имелось реле, а также счётчики и особый сортировочный ящик. Прибор считывал и сортировал статистические записи, сделанные на перфокартах. В дальнейшем компания, основанная Голлеритом, стала костяком всемирно известного компьютерного гиганта IBM.

В 1930 году американец Ванновар Буш создал дифференциальный анализатор. В действие его приводило электричество, а для хранения данных использовались электронные лампы. Эта машина способна была быстро находить решения сложных математических задач.

Ещё через шесть лет английским учёным Аланом Тьюрингом была разработана концепция машины, ставшая теоретической основой для нынешних компьютеров. Она обладала всеми главными свойствами современного средства вычислительной техники: могла пошагово выполнять операции, которые были запрограммированы во внутренней памяти.

Спустя год после этого Джордж Стибиц, учёный из США, изобрёл первое в стране электромеханическое устройство, способное выполнять двоичное сложение. Его действия основывались на булевой алгебре - математической логике, созданной в середине XIX века Джорджем Булем: использовании логических операторов И, ИЛИ и НЕ. Позднее двоичный сумматор станет неотъемлемой частью цифровой ЭВМ.

В 1938 году сотрудник университета в Массачусетсе Клод Шеннон изложил принципы логического устройства вычислительной машины, применяющей электрические схемы для решения задач булевой алгебры.

Начало компьютерной эры

Правительства стран, участвующих во Второй мировой войне, осознавали стратегическую роль вычислительных машин в ведении военных действий. Это послужило толчком к разработкам и параллельному возникновению в этих странах первого поколения компьютеров.

Пионером в области компьютеростроения стал Конрад Цузе - немецкий инженер. В 1941 году им был создан первый вычислительный автомат, управляемый при помощи программы. Машина, названная Z3, была построена на телефонных реле, программы для неё кодировались на перфорированной ленте. Этот аппарат умел работать в двоичной системе, а также оперировать числами с плавающей запятой.

Первым действительно работающим программируемым компьютером официально признана следующая модель машины Цузе - Z4. Он также вошёл в историю как создатель первого высокоуровневого языка программирования, получившего название "Планкалкюль".

В 1942 году американские исследователи Джон Атанасов (Атанасофф) и Клиффорд Берри создали вычислительное устройство, работавшее на вакуумных трубках. Машина также использовла двоичный код, могла выполнять ряд логических операций.

В 1943 году в английской правительственной лаборатории, в обстановке секретности, была построена первая ЭВМ, получившая название "Колосс". В ней вместо электромеханических реле использовалось 2 тыс. электронных ламп для хранения и обработки информации. Она предназначалась для взлома и расшифровки кода секретных сообщений, передаваемых немецкой шифровальной машиной "Энигма", которая широко применялась вермахтом. Существование этого аппарата ещё долгое время держалось в строжайшей тайне. После окончания войны приказ о его уничтожении был подписан лично Уинстоном Черчиллем.

Разработка архитектуры

В 1945 году американским математиком венгерско-немецкого происхождения Джоном (Яношем Лайошем) фон Нейманом был создан прообраз архитектуры современных компьютеров. Он предложил записывать программу в виде кода непосредственно в память машины, подразумевая совместное хранение в памяти компьютера программ и данных.

Архитектура фон Неймана легла в основу создаваемого в то время в Соединённых Штатах первого универсального электронного компьютера - ENIAC. Этот гигант весил около 30 тонн и располагался на 170 квадратных метрах площади. В работе машины были задействованы 18 тыс. ламп. Этот компьютер мог произвести 300 операций умножения или 5 тыс. сложения за одну секунду.

Первая в Европе универсальная программируемая ЭВМ была создана в 1950 году в Советском Союзе (Украина). Группа киевских учёных, возглавляемая Сергеем Алексеевичем Лебедевым, сконструировала малую электронную счётную машину (МЭСМ). Её быстродействие составляло 50 операций в секунду, она содержала около 6 тыс. электровакуумных ламп.

В 1952 году отечественная вычислительная техника пополнилась БЭСМ - большой электронной счётной машиной, также разработанной под руководством Лебедева. Эта ЭВМ, выполнявшая в секунду до 10 тыс. операций, была на тот момент самой быстродействующей в Европе. Ввод информации в память машины происходил при помощи перфоленты, выводились данные посредством фотопечати.

В этот же период в СССР выпускалась серия больших ЭВМ под общим названием "Стрела" (автор разработки - Юрий Яковлевич Базилевский). С 1954 года в Пензе началось серийное производство универсальной ЭВМ "Урал" под руководством Башира Рамеева. Последние модели были аппаратно и программно совместимы друг с другом, имелся широкий выбор периферических устройств, позволяющий собирать машины различной комплектации.

Транзисторы. Выпуск первых серийных компьютеров

Однако лампы очень быстро выходили из строя, весьма затрудняя работу с машиной. Транзистор, изобретённый в 1947 году, сумел решить эту проблему. Используя электрические свойства полупроводников, он выполнял те же задачи, что и электронные лампы, однако занимал значительно меньший объём и расходовал не так много энергии. Наряду с появлением ферритовых сердечников для организации памяти компьютеров, использование транзисторов дало возможность заметно уменьшить размеры машин, сделать их ещё надёжнее и быстрее.

В 1954 году американская фирма "Техас Инструментс" начала серийно производить транзисторы, а два года спустя в Массачусетсе появился первый построенный на транзисторах компьютер второго поколения - ТХ-О.

В середине прошлого столетия значительная часть государственных организаций и крупных компаний использовала компьютеры для научных, финансовых, инженерных расчётов, работы с большими массивами данных. Постепенно ЭВМ приобретали знакомые нам сегодня черты. В этот период появились графопостроители, принтеры, носители информации на магнитных дисках и ленте.

Активное использование вычислительной техники привело к расширению областей её применения и потребовало создания новых программных технологий. Появились языки программирования высокого уровня, позволяющие переносить программы с одной машины на другую и упрощающие процесс написания кода ("Фортран", "Кобол" и другие). Появились особые программы-трансляторы, преобразовывающие код с этих языков в команды, прямо воспринимаемые машиной.

Появление интегральных микросхем

В 1958-1960 годах, благодаря инженерам из Соединённых Штатов Роберту Нойсу и Джеку Килби, мир узнал о существовании интегральных микросхем. На основе из кремниевого или германиевого кристалла монтировались миниатюрные транзисторы и другие компоненты, порой до сотни и тысячи. Микросхемы размером чуть более сантиметра работали гораздо быстрее, чем транзисторы, и потребляли намного меньше энергии. С их появлением история развития вычислительной техники связывает возникновение третьего поколения ЭВМ.

В 1964 году фирмой IBM был выпущен первый компьютер семейства SYSTEM 360, в основу которого легли интегральные микросхемы. С этого времени можно вести отсчёт массового выпуска ЭВМ. Всего было произведено более 20 тыс. экземпляров данного компьютера.

В 1972 году в СССР была разработана ЕС (единая серия) ЭВМ. Это были стандартизированные комплексы для работы вычислительных центров, имевшие общую систему команд. За основу была взята американская система IBM 360.

В следующем году компания DEC выпустила мини-компьютер PDP-8, ставший первым коммерческим проектом в этой области. Относительно низкая стоимость мини-компьютеров дала возможность использовать их и небольшим организациям.

В этот же период постоянно совершенствовалось программное обеспечение. Разрабатывались операционные системы, ориентированные на то, чтобы поддерживать максимальное количество внешних устройств, появлялись новые программы. В 1964 году разработали Бейсик - язык, предназначенный специально для подготовки начинающих программистов. Через пять лет после этого возник Паскаль, оказавшийся очень удобным для решения множества прикладных задач.

Персональные компьютеры

После 1970 года начался выпуск четвёртого поколения ЭВМ. Развитие вычислительной техники в это время характеризуется внедрением в производство компьютеров больших интегральных схем. Такие машины теперь могли совершать за одну секунду тысячи миллионов вычислительных операций, а ёмкость их ОЗУ увеличилась до 500 миллионов двоичных разрядов. Существенное снижение себестоимости микрокомпьютеров привело к тому, что возможность их купить постепенно появилась у обычного человека.

Одним из первых производителей персональных компьютеров стала компания Apple. Создавшие её Стив Джобс и Стив Возняк сконструировали первую модель ПК в 1976 году, дав ей название Apple I. Стоимость его составила всего 500 долларов. Через год была представлена следующая модель этой компании - Apple II.

Компьютер этого времени впервые стал похожим на бытовой прибор: помимо компактного размера, он имел изящный дизайн и интерфейс, удобный для пользователя. Распространение персональных компьютеров в конце 1970 годов привело к тому, что спрос на большие ЭВМ заметно упал. Этот факт всерьёз обеспокоил их производителя - компанию IBM, и в 1979 году она выпустила на рынок свой первый ПК.

Два года спустя появился первый микрокомпьютер этой фирмы с открытой архитектурой, основанный на 16-разрядном микропроцессоре 8088, производимом компанией "Интел". Компьютер комплектовался монохромным дисплеем, двумя дисководами для пятидюймовых дискет, оперативной памятью объемом 64 килобайта. По поручению компании-создателя фирма "Майкрософт" специально разработала операционную систему для этой машины. На рынке появились многочисленные клоны IBM PC, что подтолкнуло рост промышленного производства персональных ЭВМ.

В 1984 году компанией Apple был разработан и выпущен новый компьютер - Macintosh. Его операционная система была исключительно удобной для пользователя: представляла команды в виде графических изображений и позволяла вводить их с помощью манипулятора - мыши. Это сделало компьютер ещё более доступным, поскольку теперь от пользователя не требовалось никаких специальных навыков.

ЭВМ пятого поколения вычислительной техники некоторые источники датируют 1992-2013 годами. Вкратце их основная концепция формулируется так: это компьютеры, созданные на основе сверхсложных микропроцессоров, имеющие параллельно-векторную структуру, которая делает возможным одновременное выполнение десятков последовательных команд, заложенных в программу. Машины с несколькими сотнями процессоров, работающих параллельно, позволяют ещё более точно и быстро обрабатывать данные, а также создавать эффективно работающие сети.

Развитие современной вычислительной техники уже позволяет говорить и о компьютерах шестого поколения. Это электронные и оптоэлектронные ЭВМ, работающие на десятках тысяч микропроцессоров, характеризующиеся массовым параллелизмом и моделирующие архитектуру нейронных биологических систем, что позволяет им успешно распознавать сложные образы.

Последовательно рассмотрев все этапы развития вычислительной техники, следует отметить интересный факт: изобретения, хорошо зарекомендовавшие себя на каждом из них, сохранились до наших дней и с успехом продолжают использоваться.

Классы вычислительной техники

Существуют различные варианты классификации ЭВМ.

Так, по назначению компьютеры делятся:

• на универсальные - те, которые способны решать самые различные математические, экономические, инженерно-технические, научные и другие задачи;
• проблемно-ориентированные - решающие задачи более узкого направления, связанные, как правило, с управлением определёнными процессами (регистрация данных, накопление и обработка небольших объёмов информации, выполнение расчётов в соответствии с несложными алгоритмами). Они обладают более ограниченными программными и аппаратными ресурсами, чем первая группа компьютеров;
• специализированные компьютеры решают, как правило, строго определённые задачи. Они имеют узкоспециализированную структуру и при относительно низкой сложности устройства и управления достаточно надёжны и производительны в своей сфере. Это, к примеру, контроллеры или адаптеры, управляющие рядом устройств, а также программируемые микропроцессоры.

По размерам и производительной мощности современная электронно-вычислительная техника делится:

• на сверхбольшие (суперкомпьютеры);
• большие компьютеры;
• малые компьютеры;
• сверхмалые (микрокомпьютеры).

Таким образом, мы увидели, что устройства, сначала изобретённые человеком для учёта ресурсов и ценностей, а затем - быстрого и точного проведения сложных расчётов и вычислительных операций, постоянно развивались и совершенствовались.