История вычислительной техники кратко и понятно. История вычислительной техники

Самыми первыми вычислительными приспособлениями были собственные пальцы человека. Когда этого средства оказывалось недостаточно, в ход шли камушки, палочки, ракушки. Складывая такой набор десятками, а затем и сотнями, человек учился считать и пользоваться средствами измерения чисел. Именно с камушков и ракушек началась история развития вычислительной техники. Раскладывая их по разным столбцам (разрядам) и добавляя или убирая нужное количество камушков, можно было производить сложение и вычитание больших чисел. При многократном сложении можно было выполнять даже такое сложное действие, как умножение.

Затем начинается история развития средств Первым средством для вычисления стали изобретенные на Руси счеты. В них числа разбивались на десятки с помощью горизонтальных направляющих с косточками. Они стали незаменимым помощником торговцев, чиновников, приказчиков и управляющих. Эти люди умели пользоваться счетами просто виртуозно. В дальнейшем такое необходимое устройство проникло и в Европу.

Самым первым механическим устройством для счета, которое знает история развития вычислительной техники, стала счетная машина, которую в 1642 году построил выдающийся французский ученый Блез Паскаль. Его механический «компьютер» мог производить такие действия, как сложение и вычитание. Эту машину звали «Паскалина» и состояла она из целого комплекса, в котором устанавливались вертикально колеса с нанесенными цифрами от 0 до 9. Колесо при полном обороте цепляло соседнее колесо и поворачивало его на одну цифру. Количество колес определяло количество разрядов вычислительной машины. Если на ней устанавливали пять колес, то она могла уже проводить операции с огромными числами вплоть до 99999.

Затем в 1673 году немецкий математик Лейбниц создал устройство, которое могло не только вычитать и складывать, но также делить и умножать. В отличие от колеса были зубчатые и имели девять разных длин зубьев, чем и обеспечивались такие невероятно «сложные» действия, как умножение и деление. техники знает много имен, но одно имя известно даже неспециалистам. Это английский математик Его заслуженно называют отцом всей современной вычислительной техники. Именно ему принадлежит идея, что в вычислительной машине необходимо устройство, которое будет хранить числа. Причем это устройство должно не только хранить числа, но и давать команды вычислительной машине, что она должна с этими числами делать.

Идея Бэббиджа и легла в основу устройства и разработки всех современных компьютеров. Такой блок в вычислительной процессором. Однако ученый не оставил никаких чертежей и описаний машины, которую он изобрел. Это сделал один из его учеников в своей статье, которую он написал на французском языке. Статью прочитала графиня Ада Августа Лавлейс - дочь знаменитого поэта Джорджа Байрона, которая перевела ее на английский язык и разработала для этой машины собственные программы. Благодаря ей история развития вычислительной техники получила один из самых совершенных языков программирования - АДА.

XX век дал новый толчок развитию вычислительной техники, связанный с электричеством. Было изобретено электронное устройство, которое запоминало электрические сигналы - ламповый триггер. Созданные с его помощью первые компьютеры могли считать в тысячи раз быстрее, чем самые совершенные механические счетные машины, но были еще очень громоздкими. Первые ЭВМ весили около 30 тонн и занимали помещение размером больше 100 кв. метров. Дальнейшее развитие получили с появлением чрезвычайно важного изобретения - транзистора. Ну а современные средства вычислительной техники немыслимы без применения микропроцессора - сложной интегральной микросхемы, разработанной в июне 1971 года. Такова краткая история развития вычислительной техники. Современные достижения науки и техники подняли уровень современных компьютеров на небывалую высоту.

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)»)

ПОКОЛЕНИЯ ЭВМ
№	период	Элементная база	Быстро-действие (оп/сек.)	Носители информации	программы	применение	Примеры ЭВМ
I
II
III
IV
V

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)

Первым устройством, предназначенным для облегчения счета, были счеты. С помощью костяшек счетов можно было совершать операции сложения и вычитания и несложные умножения.

1642 г. - французский математик Блез Паскаль сконструировал первую механическую счетную машину «Паскалина», которая могла механически выполнять сложение чисел.

1673 г. — Готфрид Вильгельм Лейбниц сконструировал арифмометр, позволяющий механически выполнять четыре арифметических действия.

Первая половина XIX в. - английский математик Чарльз Бэббидж попытался построить универсальное вычислительное устройство, то есть компьютер. Бэббидж называл его аналитической машиной. Он определил, что компьютер должен содержать память и управляться с помощью программы. Компьютер по Бэббиджу — это механическое устройство, программы для которого задаются посредством перфокарт - карт из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий (они в то время уже широко употреблялись в ткацких станках).

1941 г. — немецкий инженер Конрад Цузе построил небольшой компьютер на основе нескольких электромеханических реле.

1943 г. — в США на одном из предприятий фирмы IBM Говард Эйкен создал компьютер под названием «Марк-1». Он позволял проводить вычисления в сотни раз быстрее, чем вручную (с помощью арифмометра), и использовался для военных расчетов. В нем использовалось сочетание электрических сигналов и механических приводов. «Марк-1» имел размеры: 15 * 2-5 м и содержал 750 000 деталей. Машина была способна перемножить два 32-разрядных числа за 4 с.

1943 г. - в США группа специалистов под руководством Джона Мочли и Проспера Экерта начала конструировать компьютер ENIAC на основе электронных ламп.

1945 г. - к работе над ENIAC был привлечен математик Джон фон Нейман, который подготовил доклад об этом компьютере. В своем докладе фон Нейман сформулировал общие принципы функционирования компьютеров, т. е. универсальных вычислительных устройств. До сих пор подавляющее большинство компьютеров сделано в соответствии с теми принципами, которые изложил Джон фон Нейман.

1947 г. - Экертом и Мочли начата разработка первой электронной серийной машины UNIVAC (Universal Automatic Computer). 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 была создана на базе ЭВМ ENIAC и EDVAC. Работала она с тактовой частотой 2,25 МГц и содержала около 5000 электронных ламп. Внутреннее запоминающее устройство емкостью 1000 12-разрядных десятичных чисел было выполнено на 100 ртутных линиях задержки.

1949 г. - английским исследователем Морнсом Уилксом построен первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана.

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 с 32-32-17 сердечниками, которые обеспечивали хранение 2048 слов для 16-разрядных двоичных чисел с одним разрядом контроля на четность.

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

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.

1952 г. — фирма Remington Rand выпустила ЭВМ UNIVAC-t 103, в которой впервые были применены программные прерывания. Сотрудники фирмы Remington Rand использовали алгебраическую форму записи алгоритмов под названием «Short Code» (первый интерпретатор, созданный в 1949 г. Джоном Мочли).

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 12000 об. /мин. На поверхности диска размещалось 100 дорожек для записи данных, по 10 000 знаков каждая.

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

1957 г. — группа под руководством Д. Бэкуса завершила работу над первым языком программирования высокого уровня, получившим название ФОРТРАН. Язык, реализованный впервые на ЭВМ IBM 704, способствовал расширению сферы применения компьютеров.

1960-е гг. — 2-е поколение ЭВМ, логические элементы ЭВМ реализовываются на базе полупроводниковых приборов-транзисторов, развиваются алгоритмические языки программирования, такие как Алгол, Паскаль и другие.

1970-е гг. - 3-е поколение ЭВМ, интегральные микросхемы, содержащие на одной полупроводниковой пластине тысячи транзисторов. Начали создаваться ОС, языки структурного программирования.

1974 г. - несколько фирм объявили о создании на основе микропроцессора Intel-8008 персонального компьютера — устройства, выполняющего те же функции, что и большой компьютер, но рассчитанного на одного пользователя.

1975 г. - появился первый коммерчески распространяемый персональный компьютер Альтаир-8800 на основе микропроцессора Intel-8080. Этот компьютер имел оперативную память всего 256 байт, клавиатура и экран отсутствовали.

Конец 1975 г. — Пол Аллен и Билл Гейтс (будущие основатели фирмы Microsoft) создали для компьютера «Альтаир» интерпретатор языка Basic, позволивший пользователям просто общаться с компьютером и легко писать для него программы.

Август 1981 г. — компания IBM представила персональный компьютер IBM PC. В качестве основного микропроцессора компьютера использовался 16-разрядный микропроцессор Intel-8088, который позволял работать с 1 мегабайтом памяти.

1980-е гг. — 4-е поколение ЭВМ, построенное на больших интегральных схемах. Микропроцессоры реализовываются в виде единой микросхемы, Массовое производство персональных компьютеров.

1990-е гг. — 5-е поколение ЭВМ, сверхбольшие интегральные схемы. Процессоры содержат миллионы транзисторов. Появление глобальных компьютерных сетей массового пользования.

2000-е гг. — 6-е поколение ЭВМ. Интеграция ЭВМ и бытовой техники, встраиваемые компьютеры, развитие сетевых вычислений.

ОСНОВЫ ПК

Люди всегда испытывали потребность в счете. Для этого они использовали пальцы рук, камешки, которые складывали в ку­чки или располагали в ряд. Число предметов фиксировалось с по­мощью черточек, которые проводились по земле, с помощью за­рубок на палках и узелков, которые завязывались на веревке.

С увеличением количества подлежащих подсчету предметов, развитием наук и ремесел появилась необходимость в проведении простейших вычислений. Самым древним инструментом, известным в различных странах, являются счеты (в Древнем Риме они называ­лись calculi). Они позволяют производить простейшие вычисления над большими числами. Счеты оказались настолько удачным инст­рументом, что дожили с древних времен почти до наших дней.

Никто не может назвать точное время и место появления сче­тов. Историки сходятся во мнении, что их возраст составляет не­сколько тысяч лет, а их родиной могут быть и Древний Китай, и Древний Египет, и Древняя Греция.

1.1. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ

РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

С развитием точных наук появилась настоятельная необходи­мость в проведении большого количества точных вычислений. В 1642 г. французский математик Блез Паскаль сконструировал первую механическую счетную машину, известную как суммиру­ющая машина Паскаля (рис. 1.1). Эта машина представляла собой комбинацию взаимосвязанных колесиков и приводов. На колеси­ках были нанесены цифры от 0 до 9. Когда первое колесико (еди­ницы) делало полный оборот, в действие автоматически приво­дилось второе колесико (десятки); когда и оно достигало цифры 9, начинало вращаться третье колесико и т.д. Машина Паскаля могла только складывать и вычитать.

В 1694 г. немецкий математик Готфрид Вильгельм фон Лейбниц сконструировал более совершенную счетную машину (рис. 1.2). Он был убежден, что его изобретение найдет широкое применение не только в науке, но и в быту. В от­личие от машины Паскаля Лейб­ниц использовал цилиндры, а не колесики и приводы. На цилинд­ры были нанесены цифры. Каждый цилиндр имел девять рядов высту­пов или зубцов. При этом первый ряд содержал 1 выступ, второй - 2 и так вплоть до девятого ряда, который содержал 9 выступов. Ци­линдры были подвижными и при­водились в определенное положе­ние оператором. Конструкция ма­шины Лейбница была более совер­шенной: она была способна выпол­нять не только сложение и вычи­тание, но и умножение, деление и даже извлечение квадратного корня.

Интересно, что потомки этой конструкции дожили до 70-х годов XX в. в форме механических каль­куляторов (арифмометр типа «Фе­ликс») и широко использовались для различных расчетов (рис. 1.3). Однако уже в конце XIX в. с изоб­ретением электромагнитного реле появились первые электромехани­ческие счетные устройства. В 1887 г. Герман Голлерит (США) изобрел электромеханический табулятор с вводом чисел с помощью перфо­карт. На идею использовать перфо­карты его натолкнула пробивка компостером проездных билетов на железнодорожном транспорте. Раз­работанная им 80-колонная перфо­карта не претерпела существенных изменений и в качестве носителя информации использовалась в пер­вых трех поколениях компьютеров. Табуляторы Голлерита использова­лись во время 1-й переписи насе­ления в России в 1897 г. Сам изобретатель тогда специально приезжал в Санкт-Петербург. С этого времени электромеханические табуляторы и другие подобные им устройства стали широко применяться в бухгалтерском учете.

В начале XIX в. Чарльз Бэббидж сформулировал основные по­ложения, которые должны лежать в основе конструкции вычис­лительной машины принципиально нового типа.

В такой машине, по его мнению, должны быть «склад» для хранения цифровой информации, специальное устройство, осу­ществляющее операции над числами, взятыми со «склада». Бэб­бидж называл такое устройство «мельницей». Другое устройство служит для управления последовательностью выполнения опера­ций, передачей чисел со «склада» на «мельницу» и обратно, на­конец, в машине должно быть устройство для ввода исходных дан­ных и вывода результатов вычислений. Эта машина так никогда и не была построена - существовали лишь ее модели (рис. 1.4), но принципы, положенные в ее основу, были позже реализованы в цифровых ЭВМ.

Научные идеи Бэббиджа увлекли дочь известного английско­го поэта лорда Байрона - графиню Аду Августу Лавлейс. Она заложила первые фундаментальные идеи о взаимодействии раз­личных блоков вычислительной машины и последовательности решения на ней задач. Поэтому Аду Лавлейс по праву считают первым в мире программистом. Многими понятиями, введенны­ми Адой Лавлейс в описания первых в мире программ, широко пользуются современные программисты.

Рис. 1.1. Суммирующая машина Паскаля

Рис. 1.2. Счетная машина Лейбница

Рис. 1.3. Арифмометр «Феликс»

Рис. 1.4. Машина Бэббиджа

Началом новой эры развития вычислительной техники на базе электромеханических реле стал 1934 г. Американская фирма IBM (International Buisness Machins) начала выпуск алфавитно-циф­ровых табуляторов, способных выполнять операции умножения. В середине 30-х годов XX в. на основе табуляторов создается про­образ первой локальной вычислительной сети. В Питсбурге (США) в универмаге была установлена система, состоящая из 250 терми­налов, соединенных телефонными линиями с 20 табуляторами и 15 пишущими машинками для расчетов с покупателями. В 1934 - 1936 гг. немецкий инженер Конрад Цузе пришел к идее создания универсальной вычислительной машины с программным управлением и хранением информации в запоминающем устройстве. Он сконструировал машину «Z-3» - это была первая программно-управляемая вычислительная машина – прообраз современных ЭВМ (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Вычислительная машина Цузе

Это была релейная машина, использующая двоичную систему счисления, имеющая память на 64 числа с плавающей запятой. В арифметическом блоке пользовалась параллельная арифметика. Команда включала операционную и ад­ресную части. Ввод данных осуществлялся с помощью десятичной клавиатуры, был предусмотрен цифровой вывод, а также автоматическое преобразование десятич­ных чисел в двоичные и обратно. Ско­рость выполнения операции сложения - три операции в секунду.

В начале 40-х годов XX в. в лаборато­риях IBM совместно с учеными Гарвар­дского университета была начата разработка одной из самых мощных электромеханических вычислительных машин. Она получила название MARK-1, содержала 760 тыс. компонентов и весила 5 т (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Вычислительная машина MARK -1

Последним наиболее крупным проектом в сфере релейной вычислительной техники (ВТ) следует считать построенную в 1957 г. в СССР РВМ-1, которая по целому ряду задач была вполне конкурентоспособна тогдашним ЭВМ. Тем не менее с появлением электронной лампы дни электромеханических устройств остава­лись сочтены. Электронные компоненты обладали большим пре­восходством в быстродействии и надежности, что и определило дальнейшую судьбу электромеханических вычислительных машин. Наступила эра электронных вычислительных машин.

Переход к следующему этапу развития средств вычислитель­ной техники и технологии программирования был бы невозмо­жен без основополагающих научных исследований в области пе­редачи и обработки информации. Развитие теории информации связано прежде всего с именем Клода Шеннона. Отцом киберне­тики по праву считается Норберт Винер, а создателем теории ав­томатов является Генрих фон Нейман.

Концепция кибернетики родилась из синтеза многих научных направлений: во-первых, как общий подход к описанию и ана­лизу действий живых организмов и вычислительных машин или иных автоматов; во-вторых, из аналогий между поведением со­обществ живых организмов и человеческого общества и возмож­ностью их описания с помощью общей теории управления; и, наконец, из синтеза теории передачи информации и статисти­ческой физики, который привел к важнейшему открытию, связывающему количество информации и отрицательную энтропию в системе. Сам термин «кибернетика» происходит от греческого слова, означающего «кормчий», он впервые был применен Н.Ви­нером в современном смысле в 1947 г. Книга Н.Винера, в кото­рой он сформулировал основные принципы кибернетики, на­зывается «Кибернетика или управление и связь в животном и машине».

Клод Шеннон - американский инженер и математик, чело­век, которого называют отцом современной теорий информации. Он доказал, что работу переключателей и реле в электрических схемах можно представить посредством алгебры, изобретенной в середине XIX в. английским математиком Джорджем Булем. С тех пор булева алгебра стала основой для анализа логической струк­туры систем любого уровня сложности.

Шеннон доказал, что всякий зашумленный канал связи харак­теризуется предельной скоростью передачи информации, назы­ваемой пределом Шеннона. При скоростях передачи выше этого предела неизбежны ошибки в передаваемой информации. Однако с помощью соответствующих методов кодирования информации можно получить сколь угодно малую вероятность ошибки при любой зашумленности канала. Его исследования явились фунда­ментом для разработки систем передачи информации по линиям связи.

В 1946 г. блестящий американский математик венгерского про­исхождения Генрих фон Нейман сформулировал основную кон­цепцию хранения команд компьютера в его собственной внутрен­ней памяти, что послужило огромным толчком к развитию элек­тронно-вычислительной техники.

Во время Второй мировой войны он служил консультантом в атомном центре в Лос-Аламосе, где занимался расчетами взрыв­ной детонации ядерной бомбы и участвовал в разработке водо­родной бомбы.

Нейману принадлежат работы, связанные с логической орга­низацией компьютеров, проблемами функционирования машин­ной памяти, самовоспроизводящихся систем и др. Он принимал участие в создании первой электронной вычислительной машины ENIAC, предложенная им архитектура компьютера была положе­на в основу всех последующих моделей и до сих пор так и называ­ется - «фон-неймановской».

I поколение компьютеров . В 1946 г. в США были закончены работы по созданию ENIAC - первой вычис­лительной машины на электрон­ных компонентах (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Первая ЭВМ ENIAC

Новая машина имела впечатляющие па­раметры: в ней использовалось 18 тыс. электронных ламп, она зани­мала помещение площадью 300 м 2 , имела массу 30 т, энергопотребле­ние - 150 кВт. Машина работала с тактовой частотой 100 кГц и вы­полняла операцию сложения за 0,2 мс, а умножения - за 2,8 мс, что было на три порядка быстрее, чем это могли делать релейные машины. Быстро обнаружились и недостатки новой машины. По своей структуре ЭВМ ENIAC напоминала механические вычис­лительные машины: использовалась десятичная система; программа набиралась вручную на 40 наборных полях; на перенастройку ком­мутационных полей уходили недели. При пробной эксплуатации выяснилось, что надежность этой машины очень низка: поиск не­исправностей занимал до нескольких суток. Для ввода и вывода данных использовались перфоленты и перфокарты, магнитные лен­ты и печатающие устройства. В компьютерах I поколения была ре­ализована концепция хранимой программы. Компьютеры I поко­ления использовались для прогнозирования погоды, решения энер­гетических задач, задач военного характера и в других важных об­ластях.

II поколение компьютеров. Одним из самых важных достиже­ний, которые привели к революции в конструировании ЭВМ и в конечном счете к созданию персональных компьютеров, было изобретение транзистора в 1948 г. Транзистор, который является твердотельным электронным переключательным элементом (вен­тилем), занимает гораздо меньше места и потребляет значитель­но меньше энергии, выполняя ту же работу, что и лампа. Вычис­лительные системы, построенные на транзисторах, были намно­го компактнее, экономичнее и гораздо эффективней ламповых. Переход на транзисторы положил начало миниатюризации, ко­торая сделала возможным появление современных персональных ЭВМ (как, впрочем, и других радиотехнических устройств - ра­диоприемников, магнитофонов, телевизоров и т.д.). Для машин II поколения встала задача автоматизации программирования, по­скольку увеличивался разрыв между временем на разработку про­грамм и непосредственно временем счета. Второй этап развития вычислительной техники конца 50-х - начала 60-х годов XX в. характеризуется созданием развитых языков программирования (ал­гол, фортран, кобол) и освоением процесса автоматизации уп­равления потоком задач с помощью самой ЭВМ, т.е. разработкой операционных систем.

В 1959 г. IBM выпустила коммерческую машину на транзисто­рах IBM 1401. Она была поставлена более чем в 10 тыс. экземпля­рах. В том же году IBM создала свой первый большой компьютер (мэйнфрейм) модели IBM 7090, полностью выполненный на базе транзисторов, с быстродействием 229 тыс. операций в секунду, а в 1961 г. разработала модель IBM 7030 для ядерной лаборатории США в Лос-Аламосе.

Ярким представителем отечественных ЭВМ II поколения ста­ла большая электронная суммирующая машина БЭСМ-6, разра­ботанная С.А. Лебедевым и его коллегами (рис. 1.8). Для компью­теров этого поколения характерно использование языков программирования высокого уров­ня, которые получили свое раз­витие в компьютерах следующе­го поколения. Транзисторные машины II поколения заняли всего лишь пять лет в биографии ЭВМ.

Рис. 1.8. БЭСМ-6

III поколение компьютеров . В 1959 г. инженеры фирмы Texas Instruments разработали способ размещения нескольких транзи­сторов и других элементов на одной основе (или подложке) и соединения этих транзисторов без использования проводников. Так родилась интегральная схема (ИС, или чип). Первая интегральная схема содержала всего шесть транзисторов. Теперь компьютеры проектировались на основе интегральных схем малой степени интеграции. Появились операционные системы, которые стали брать на себя задачи управления памятью, устройствами ввода-вывода и другими ресурсами.

В апреле 1964 г. IBM анонсировала System 360 - первое семей­ство универсальных программно-совместимых компьютеров и пе­риферийного оборудования. Элементной базой семейства System 360 были выбраны гибридные микросхемы, благодаря чему но­вые модели стали считать машинами III поколения (рис. 1.9).

Рис. 1.9. ЭВМ III поколения IBM

При создании семейства System 360 IBM в последний раз позволила себе роскошь выпускать компьютеры, несовместимые с предыду­щими. Экономичность, универсальность и небольшие габариты компьютеров этого поколения быстро расширила сферу их при­менения - управление, передача данных, автоматизация науч­ных экспериментов и т. д. В рамках этого поколения в 1971 г. был раз­работан первый микропроцессор как неожиданный результат рабо­ты фирмы Intel над созданием микрокалькуляторов. (Заметим, кста­ти, что микрокалькуляторы и в наше время прекрасно уживаются со своими «братьями по крови» - персональными компьютерами.)

IV поколение компьютеров . Этот этап в развитии вычислительной техники связан с разработкой бо­льших и сверхбольших интеграль­ных микросхем. В компьютерах IV поколения стали использоваться быстродействующие системы памяти на интегральных схемах емкостью несколько мегабайт.

Четырехразрядный микропро­цессор Intel 8004 был разработан в 1971 г. В следующем году был выпущен восьмиразрядный про­цессор, а в 1973 г. фирма Intel выпустила процессор 8080, ко­торый был в 10 раз быстрее, чем 8008, и мог адресовать 64 Кбайт памяти. Это был один из самых серьезных шагов по пути к со­зданию современных персональ­ных компьютеров. Фирма IBM выпустила свой первый персо­нальный компьютер в 1975 г. Модель 5100 имела 16 Кбайт памяти, встроенный интерпретатор языка BASIC и встроенный кассетный лентопротяжный механизм, который использовался в качестве запоминающего устройства. Дебют IBM PC состоялся в 1981 г. В этот день новый стандарт занял свое место в компьютерной индустрии. Для этого семейства было написано большое количество различных программ. Новая модификация получила название «расширенного» (IBM PC-XT) (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Персональная ЭВМ IBM PC - XT

Производители отказались от использования магнитофона в качестве накопителя информации, добавили второй привод для гибких дисков, а в качестве основного устройства для сохранения данных и программ использовался жесткий диск емкостью 20 МБ. Модель базировалась на использовании микропроцессора - Intel 8088. Вследствие естественного прогресса в области разработки и производства микропроцессорной техники фирма Intel - постоянный партнер IBM - освоила выпуск новой серии процессоров - Intel 80286. Соответственно, появилась и новая модель IBM РС. Она получила название IBM PC-AT. Следующий этап - разработка микропроцессоров Intel 80386 и Intel 80486, которые еще можно встретить и в наши дни. Затем были разработаны процессоры Pentium, которые и являются самыми популярными процессорами на сегодняшний день.

V поколение компьютеров. В 90-х годах XX в. огромное внимание стало уделяться не столько повышению технических характеристик компьютеров, сколько их «интеллектуальности», открытой архитектуре и возможностям объединения в сети. Внимание акцентируется на разработке баз знаний, дружественного интерфейса с пользователем, графических средств представления информации и разработке средств макропрограммирования. Четких определений этого этапа развития средств ВТ нет, по­скольку элементная база, на которой основывается данная клас­сификация, осталась прежней - ясно, что все компьютеры, выпускаемые в настоящее время, можно отнести к V поколе­нию.

1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПЬЮТЕРОВ

Компьютеры могут быть классифицированы по ряду призна­ков, в частности по принципу действия, назначению, способам организации вычислительного процесса, размерам и вычислитель­ной мощности, функциональным возможностям и др.

По принципу действия компьютеры можно разделить на две большие категории: аналоговые и цифровые.

Аналоговые компьютеры (аналоговые вычислительные машины - АВМ) - вычислительные машины непрерывного дей­ствия (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Аналоговая вычислительная машина

Они работают с информацией, представленной в аналоговой форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений ка­кой-либо физической величины. Существуют устройства, в кото­рых вычислительные операции выполняются с помощью гидрав­лических и пневматических элементов. Однако наибольшее рас­пространение получили электронные АВМ, в которых машинны­ми переменными служат электрические напряжения и токи.

Работа АВМ основана на общности законов, описывающих процессы различной природы. Например, колебания маятника подчиняются тем же законам, что и изменения напряженности электрического поля в колебательном контуре. И вместо того что­бы изучать реальный маятник, можно изучать его поведение на модели, реализованной на аналоговой вычислительной машине. Мало того, на этой модели можно изучать и некоторые биологи­ческие и химические процессы, подчиняющиеся тем же законам.

Основными элементами та­ких машин являются усилители, резисторы, конденсаторы и ка­тушки индуктивности, между которыми могут устанавливать­ся соединения, отражающие ус­ловия той или иной задачи. Про­граммирование задач осуществ­ляется путем набора элементов на наборном поле. На АВМ наи­более эффективно решаются математические задачи, содер­жащие дифференциальные урав­нения, не требующие сложной логики. Результаты решения выводятся в виде зависимостей элек­трических напряжений в функции времени на экран осциллогра­фа или фиксируются измерительными приборами.

В 40 - 50-х годах XX в. электронные аналоговые вычислитель­ные машины создавали серьезную конкуренцию только что по­явившимся компьютерам. Основными их достоинствами являлись высокое быстродействие (соизмеримое со скоростью прохожде­ния электрического сигнала по цепи), наглядность представления результатов моделирования.

Среди недостатков можно отметить невысокую точность вы­числений, ограниченность круга решаемых задач, ручную уста­новку параметров задачи. В настоящее время АВМ используются лишь в очень ограниченных областях - для учебных и демонстра­ционных целей, научных исследований. В практике повседневной жизни они не используются.

Цифровые компьютеры (электронные вычислительные машины - ЭВМ) основаны на дискретной логике «да-нет», «ноль-единица». Все операции производятся компьютером в соответствии с заранее составленной программой. Скорость вычислений опре­деляется тактовой частотой системы.

По этапам создания и элементной базе цифровые компьютеры условно подразделяются на пять поколений:

I поколение (1950-е гг.) - ЭВМ на электронных вакуумных
лампах;

II поколение (1960-е гг.) - ЭВМ на полупроводниковых элементах (транзисторах);

III поколение (1970-е гг.) - ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенями интеграции (десятки и сотни транзисторов в одном корпусе);

VI поколение (1980-е гг.) - ЭВМ на больших и сверхбольших
интегральных схемах - микропроцессорах (миллионы транзисторов в одном кристалле);

V поколение (1990-е гг. - по настоящее время) - суперкомпьютеры с тысячами параллельно работающих микропроцессоров,
позволяющих строить эффективные системы обработки огромных
массивов информации; персональные ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах и дружественных интерфейсах с пользователем, что
определяет их внедрение практически во все сферы деятельности
человека. Сетевые технологии позволяют объединить пользователей ЭВМ в единое информационное общество.

По вычислительной мощности в 70 - 80-х годах XX в. сложи­лась следующая систематика ЭВМ.

Суперкомпьютеры - это ЭВМ, обладающие максимальными возможностями в плане быстродействия и объема вычислений. Используются для решения задач национального и общечелове­ческого масштабов - национальная безопасность, исследования в области биологии и медици­ны, моделирование поведения больших систем, прогноз пого­ды и т.д. (рис. 1.12).

Рис. 1.12. Суперкомпьютер CRAY 2

Большие ЭВМ (мэйнфрей­мы) - компьютеры, которые используются в крупных научных центрах и университетах для проведения исследований, в корпоративных системах - бан­ках, страховых, торговых учреж­дениях, на транспорте, в инфор­мационных агентствах и изда­тельствах. Мэйнфреймы объеди­няются в крупные вычислитель­ные сети и обслуживают сотни и тысячи терминалов - машин, на которых непосредственно работают пользователи и клиенты.

Мини-компьютеры - это специализированные ЭВМ, которые используются для выполнения определенного вида работ, требу­ющих относительно больших вычислительных мощностей: графи­ка, инженерные расчеты, работа с видео, верстка полиграфиче­ских изданий и т.п.

Микрокомпьютеры - это самый многочисленный и многоли­кий класс ЭВМ, основу которого составляют персональные ком­пьютеры, в настоящее время использующиеся практически во всех отраслях человеческой деятельности. Миллионы людей использу­ют их в своей профессиональной деятельности для взаимодей­ствия через Интернет, развлечения и отдыха.

В последние годы сложилась систематика, отражающая разно­образие и особенности большого класса компьютеров, на кото­рых работают непосредственные пользователи. Эти компьютеры различаются вычислительной мощностью, системным и приклад­ным программным обеспечением, набором периферийных уст­ройств, интерфейсом с пользователем и, как следствие, размера­ми и ценой. Однако все они построены на общих принципах и единой элементной базе, обладают высокой степенью совмести­мости, общими интерфейсами и протоколами обмена данными между собой и сетями. Основу этого класса машин составляют персональные компьютеры, которые в приведенной выше систе­матике соответствуют классу микроЭВМ.

Такая систематика, как и любая другая, достаточно условна; поскольку четкой границы между различными классами компь­ютеров провести невозможно, появляются модели, которые трудно отнести к определенному классу. И тем не менее она в общих чертах отражает существующее в настоящее время разнообразие вычислительных устройств.

Серверы (от англ. serve - «об­служивать», «управлять») - многопользовательские мощные ЭВМ, обеспечивающие функци­онирование вычислительных се­тей (рис. 1.13).

Рис. 1.13. Сервер S 390

Они служат для обработки запросов от всех ра­бочих станций, подключенных к сети. Сервер предоставляет дос­туп к общим сетевым ресурсам - вычислительным мощностям, базам данных, библиотекам программ, принтерам, факсам - и распределяет эти ресурсы меж­ду пользователями. В любом уч­реждении персональные компь­ютеры объединяются в локаль­ную сеть - это позволяет обес­печить обмен данными между компьютерами конечных пользователей и рационально использо­вать системные и аппаратные ресурсы.

Дело в том, что подготовка документа на компьютере (будь то счет на товар или научный отчет) занимает значительно больше времени, чем его печать. Гораздо выгоднее иметь один мощный сетевой принтер на несколько компьютеров, а распределением очереди на печать будет заниматься сервер. Если компьютеры объединены в локальную сеть, удобно иметь на сервере единую базу данных - прайс-лист всех товаров магазина, план работы научного учреждения и т.д. Кроме того, сервер обеспечивает общий выход в Интернет для всех ра­бочих станций, разграничивает доступ к информации различных категорий пользователей, устанавливает приоритеты доступа к об­щим сетевым ресурсам, ведет статистику пользования Интерне­том, контроль за работой конечных пользователей и т.д.

Персональный компьютер (PC - Personal computer) - это наи­более распространенный класс компьютеров, способных решать задачи различного уровня - от составления бухгалтерской отчет­ности до инженерных расчетов. Он рассчитан в основном на ин­дивидуальное использование (отсюда название класса, к которо­му он относится). Персональный компьютер (ПК) имеет специ­альные средства, позволяющие включать его в состав локальных и глобальных сетей. Основное содержание этой книги будет посвя­щено описанию аппаратных и программных средств именно этого класса компьютеров.

Ноутбук (от англ. notebook - «записная книжка») - этот усто­явшийся термин совершенно неправильно отражает особенности этого класса персональных компьютеров (рис. 1.14).

Рис. 1.14. Ноутбук

Его размеры и масса больше соответствуют формату большой книги, а функциональные возможности и технические характеристики пол­ностью соответствуют обычному настольному (desktoр) ПК. Дру­гое дело, что эти устройства бо­лее компактные, легкие и, са­мое главное, потребляют значительно меньше электроэнергии, что позволяет работать от аккумуляторов. Программное обеспе­чение этого класса ПК, начиная от операционной системы и за­канчивая прикладными программами, абсолютно ничем не отли­чается от настольных компьютеров. В недавнем прошлом этот класс ПК определялся как Laptop - «наколенник». Это название зна­чительно более точно отражало их особенности, но оно почему-то так и не прижилось.

Итак, основная особенность персональных компьютеров клас­са ноутбуков - мобильность. Небольшие габаритные размеры и масса, моноблочное исполнение позволяют легко размещать его в любом месте рабочего пространства, переносить с одного места на другое в специальном чехле или чемоданчике типа «дипло­мат», а питание от аккумуляторов - позволяет использовать даже в дороге (машине или самолете).

Все модели ноутбуков можно условно подразделить на три клас­са: универсальные, для бизнеса и компактные (субноутбуки). Уни­версальные ноутбуки являются полноценной заменой настольного ПК, поэтому они имеют относительно большие размеры и массу, но вместе с тем отличаются большим размером экрана и удобной клавиатурой, аналогичной настольному ПК. Имеют обычные встро­енные накопители: CD-ROM (R, RW, DVD), винчестер и флоп­пи-дисковод. Такая конструкция практически исключает возмож­ность использовать его как «дорожный» ПК. Заряда аккумулято­ров хватает только на 2-3 ч работы.

Ноутбуки бизнес-класса предназначены для использования в офисе, дома, в дороге. Они имеют существенно меньшие габарит­ные размеры и массу, минимальный состав встроенных устройств, но расширенные средства для подключения дополнительных уст­ройств. ПК этого класса служат скорее дополнением для офисно­го или домашнего десктопа, а не их заменой.

Компактные ноутбуки (субноутбуки) являются воплощением самых передовых достижений компьютерной технологии. Они имеют самую высокую степень интеграции различных устройств (в материнскую плату встроены такие компоненты, как поддержка звука, видео, локальной сети). Ноутбуки этого класса обычно снабжаются беспроводными интерфейсами устройств ввода (дополнительная клавиатура, мышь), имеют встроенный радиомодем для связи с Интернетом, в качестве накопителей информации используются компактные смарт-карты и т.д. При этом масса таких устройств не превышает 1 кг, а толщина - около 1 дюйма (2,4 см). Заряда аккумуляторов хватает на несколько часов работы, однако и стоят такие компьютеры в два-три раза дороже обычных ПК.

Карманный персональный компьютер (КПК) (РС - Росket) - состоит из тех же частей, что и настольный компьютер: процессора, памяти, звуковой и видеосистемы, экрана, слотов расширения, с помощью которых можно увеличить память или добавить другие устройства. Батарейное питание обеспечивает работу в течение двух месяцев. Все эти составляющие очень компактны и тесно интегрированы, благодаря чему аппарат весит 100...200 г и помещаются на ладони, в нагрудном кармане рубашки или дамской сумочке (рис. 1.15).

Рис. 1.15. Карманный персональный компьютер

Недаром эти устройства называют еще «наладонниками» (Palmtop).

Однако функциональные возможности КПК сильно отличаются от настольного компьютера или ноутбука. Прежде всего, у него относительно небольшой экран, как правило, нет клавиатуры и мыши, поэтому взаимодействие с пользователем организовано иначе: для этого используется экран КПК - он чувствителен к нажатию, для чего пользуются специальной палочкой, которая называется «стилус». Для набора текста на КПК применяется так называемая виртуальная клавиатура - ее клавиши отображаются прямо на экране, а текст набирается стилусом. Другое важное отличие - отсутствие винчестера, поэтому объемы хранимой информации относительно невели­ки. Основным хранилищем про­грамм и данных является встроен­ная память объемом до 64 Мбайт, а роль дисков выполняют карточ­ки флэш-памяти. На этих карточ­ках хранятся программы и данные, которые не обязательно размещать в памяти быстрого доступа (фото­альбомы, музыка в формате МРЗ, электронные книги и др.). Из-за этих особенностей КПК часто ис­пользуют в паре с настольным ПК, для чего существуют специальные интерфейсные кабели.

Ноутбук и КПК предназначены для совершенно разных задач, построены на разным принципах и лишь дополняют друг друга, но никак не заменяют.

С ноутбуком работают точно также как и настольным компьютером, а КПК включают и выключают по несколько раз на дню. Загрузка программ и выключение происхо­дит практически мгновенно.

По техническим характеристикам современные КПК вполне сравнимы с настольными компьютерами, которые выпускались всего несколько лет назад. Этого вполне достаточно для качествен­ного воспроизведения текстовой информации, например при ра­боте с электронной почтой или текстовым редактором. Современ­ные КПК снабжаются также встроенным микрофоном, динами­ками и гнездами для подключения наушников. Связь с настоль­ным ПК и другими периферийными устройствами осуществляет­ся через порт USB, инфракрасный порт (IгDA) или Вluetooth (современный беспроводной интерфейс).

Кроме специальной операционной системы КПК обычно снаб­жаются встроенными приложениями, в состав которых входит текстовый редактор, табличный редактор, планировщик, брау­зер для работы в Интернете, набор диагностических программ и т.д. В последнее время компьютеры класса Pocket РС стали снаб­жаться встроенными средствами связи с Интернетом (в качестве внешнего модема может использоваться и обычный сотовый телефон).

Благодаря своим возможностям карманные персональные компьютеры можно рассматривать не просто как упрощенный ПК с урезанными возможностями, а как совершенно равноправный член компьютерного сообщества, имеющий свои неоспоримые преиму­щества даже по сравнению с самыми продвинутыми моделями настольных компьютеров.

Электронные секретари (PDA - Personal Digital Assistant) - имеют формат карманного компьютера (массой не более 0,5 кг), но используются для других целей (рис. 1.16).

Рис. 1.16. Электронный секретарь

Они ориентирова­ны на использование электронных справочников, хранящих име­на, адреса и номера телефонов, информацию о распорядке дня и встречах, списки текущих дел, записи расходов и т.п. Элект­ронный секретарь может иметь встроенный текстовый и графи­ческие редакторы, электронные таблицы и другие офисные при­ложения.

Большинство PDA имеют модемы и могут обмениваться ин­формацией с другими ПК, а при подключении к вычислительной сети могут получать и отправлять электронную почту и факсы. Некоторые PDA для дистанционного беспроводного обмена ин­формацией с другими компьютерами оборудованы радиомодема­ми и инфракрасными портами. Электронные секретари имеют небольшой жидкокристаллический дисплей, обычно размещен­ный в откидной крышке компьютера. Ручной ввод информации возможен с миниатюрной клавиатуры или с использованием се сорного экрана, как у КПК. Компьютером PDA можно назвать лишь с большими оговорками: иногда эти устройства относят к категории сверхпортативных компьютеров, иногда к категории «интеллектуальных» калькуляторов, другие считают, что это, скорее, органайзер с расширенными возможностями.

Электронные записные книжки (от англ. organizer - «организатор») - относятся к «легчайшей категории» портативных компьютеров (масса их не превышает 200 г). Органайзеры имеют вместительную память, в которую можно записать необходимую информацию и отредактировать ее с помощью встроенного текстового редактора; в памяти можно хранить деловые письма, тексы соглашений, контрактов, распорядок дня и деловых встреч. В органайзер встроен внутренний таймер, который напоминает о важных событиях. Доступ к информации может быть защищен паролем. Органайзеры часто оснащают встроенным переводчиком, имеющим несколько словарей.

Вывод информации осуществляется на небольшой монохромный жидкокристаллический дисплей. Благодаря низкому потреблению мощности питание от аккумулятора обеспечивает без подзарядки хранение информации до пяти лет.

Смартфон (англ. smartphone) - компактное устройство, сочетающее в себе функции сотового телефона, электронной записной книжки и цифровой фотокинокамеры с мобильным доступом в Интернет (рис. 1.17).

Рис. 1.17. Смартфон

Смартфон имеет микропроцессор, оперативную память, постоянное запоминающее устройство; выход в Интернет осуществляется по каналам сотовой связи. Качество фотоснимков невысокое, но достаточное для использования в Интернете и пересылки по электронной почте. Время видеозаписи - порядка 15 с. Имеет встроенный накопитель для смарт-карт. Заряда батарей хватает для 100 ч работы. Масса 150 г. Очень удобное и полезное устройство, однако его стоимость соизмерима с ценой хорошего настольного компьютера.

Потребность в приспособлениях, позволяющих ускорить процесс счёта, появилась у человека ещё тысячи лет назад. Тогда для этого использовались простейшие средства, вроде счётных палочек. Позже появился абак, больше известный нам как счёты. Он позволял выполнять только самые простейшие арифметические действия. С тех пор многое изменилось. Практически у каждого дома стоит компьютер, а в кармане лежит смартфон. Всё это можно объединить под общим названием «Компьютерные технологии» или «Вычислительная техника». В этой статье вы узнаете немного больше об истории её развития.

1623 год. Вильгельм Шиккард думает: «А почему бы мне не изобрести первый арифмометр?» И он его изобретает. У него получается механический прибор, способный выполнять основные арифметические действия (сложение, умножение, деление и вычитание) и работающий с помощью зубчатых колёс и цилиндров.

1703 год. Готфрид Вильгельм Лейбниц описывает двоичную систему счисления в своём трактате «Explication de l’Arithmtique Binaire», что на русский язык переводится как «Объяснение Двоичной Арифметики». Реализация использующих её компьютеров гораздо проще, и сам Лейбниц об этом знал. Ещё в 1679 году он создал чертёж двоичной вычислительной машины. Но на практике первое подобное устройство появилось только в середине XX века.

1804 год. Впервые появляются перфорированные карты (перфокарты). Их использование не прекратилось и в 1970-х годах. Они представляют собой листы тонкого картона, в некоторых местах которого имеются отверстия. Информация записывалась различными последовательностями этих отверстий.

1820 год. Чарльз Ксавьер Томас (да, почти как профессор Икс) выпускает арифмометр Томаса, вошедший в историю как первое устройство для счёта, выпускаемое серийно.

1835 год. Чарльз Бэббидж хочет изобрести свою собственную аналитическую машину и описывает её. Изначально задачей прибора должно было стать вычисление логарифмических таблиц с высокой точностью, но позже Бэббидж передумал. Теперь его мечтой стала машина общего назначения. На то время создание подобного аппарата было вполне реально, но работать с Бэббиджем оказалось непросто из-за его характера. В результате разногласий проект был закрыт.

1845 год. Израиль Штаффель создаёт первый в истории прибор, способный извлекать из чисел квадратные корни.

1905 год. Перси Лудгерт издаёт проект программируемого механического компьютера.

1936 год. Конрад Цузе решает создать свою вычислительную машину. Он называет его Z1.

1941 год. Конрад Цузе выпускает Z3 - первый в мире компьютер, управляемый программой. Впоследствии было выпущено ещё несколько десятков аппаратов серии Z.

1961 год. Выпуск ANITA Mark VII - первого в мире полностью электронного калькулятора.

Пара слов о поколениях компьютеров.

1 поколение. Это так называемые ламповые компьютеры. Они работают с помощью электронных ламп. Первое подобное устройство было создано в середине XX века.

2 поколение. Все пользовались компьютерами 1 поколения, пока вдруг в 1947 году Уолтер Браттейн и Джон Бардин не изобрели очень важную вещь - транзистор. Так появилось второе поколения компьютеров. Они потребляли гораздо меньше энергии, а их производительность была больше. Эти устройства были распространены в 50-х-60-х годах XX века, пока в 1958 году не была изобретена интегральная схема.

3 поколение. Работа этих компьютеров была основана на интегральных схемах. Каждая такая схема содержит сотни миллионов транзисторов. Впрочем, создание третьего поколения не остановило выпуск компьютеров второго поколения.

4 поколение. В 1969 году Тэду Хоффу в голову пришла идея заменить множество интегральных схем одним маленьким устройством. Оно было позже названо микросхемой. Благодаря этому стало возможным создавать совсем маленькие микрокомпьютеры. Первое такое устройство было выпущено компанией Intel. А в 80-х годах микропроцессоры и микрокомпьютеры оказались самыми распространёнными. Мы и сейчас пользуемся ими.

Это была краткая история развития компьютерных технологий и вычислительной техники. Надеюсь, мне удалось Вас заинтересовать. До свидания!