1. 25.1. Лічильно-обчислювальних ЗАСОБИ ДО ПОЯВИ ЕОМ
2. 25.2. ПЕРШЕ ПОКОЛІННЯ ЕОМ
3. 25.3. ДРУГЕ ПОКОЛІННЯ ЕОМ
4. 25.4. ТРЕТЄ ПОКОЛІННЯ ЕОМ
5. 25.5. ЧЕТВЕРТА ПОКОЛІННЯ ЕОМ
6. Контрольні питання І ЗАВДАННЯ

Інформатика для юристів та економістів: Підручник для вузів

С. Симонович

Тема 25.
Історія розвитку комп'ютерної техніки
РОЗДІЛ 5.
Історія і перспективи розвитку комп'ютерної техніки 25.1. Лічильно-вирішальні засоби до появи ЕОМ 25.2. Перше покоління ЕОМ 25.3. Друге покоління ЕОМ 25.4. Третє покоління ЕОМ 25.5. Четверте покоління ЕОМ

Вивчивши цю тему, ви дізнаєтеся:

• як розвивалися лічильно-вирішальні засоби до створення ЕОМ;
• що таке елементна база і як її зміна впливало на створення нових типів ЕОМ;
• як розвивалася комп'ютерна техніка від покоління до покоління.

25.1. Лічильно-обчислювальних ЗАСОБИ ДО ПОЯВИ ЕОМ

Історія обчислень сягає своїм корінням у глибину віків так само, як і історія розвитку людства. Накопичення запасів, поділ здобичі, обмін - всі ці дії пов'язані з обчисленнями. Для підрахунків люди використовували власні пальці, камінчики, палички, вузлики та ін.
Потреба знаходити власні шляхи розв'язання все більш і більш складних завдань і, як наслідок, все більш складних і тривалих обчислень поставила людину перед необхідністю шукати способи, винаходити пристосування, які змогли б йому в цьому допомогти. Історично склалося так, що в різних країнах з'явилися свої грошові одиниці, міри ваги, довжини, обсягу, відстані і т. Д. Для перекладу з однієї системи заходів в іншу були потрібні обчислення, які зазвичай могли виробляти лише спеціально навчені люди, досконально знали всю послідовність дій. Їх нерідко запрошували навіть з інших країн. І цілком природно виникла потреба у винаході пристроїв, які допомагають рахунку. Так поступово стали з'являтися механічні помічники. До наших днів дійшли свідчення про багатьох таких винаходах, назавжди увійшли в історію техніки.
Одним з перших пристроїв (V - IV століття до н. Е.), Що полегшували обчислення, можна вважати спеціальне пристосування, назване згодом абаком (рис. 25.1). Спочатку це була дошка, посипана тонким шаром дрібного піску або порошку з блакитної глини. На ній загостреною паличкою можна було писати букви, цифри. Згодом абак був удосконалений і обчислення на ньому вже проводилися шляхом переміщення кісток і камінчиків в поздовжніх поглибленнях, а самі дошки почали виготовляти з бронзи, каменю, слонової кістки та ін. Згодом ці дошки стали розкреслюють на кілька смуг і колонок. У Греції абак існував ще в V столітті до н. е., у японців цей прилад називався "серобян", у китайців - "суан-пан".

У Древній Русі при рахунку застосовувалося пристрій, схожий на абак, і називалося воно "російський щот". У XVII столітті цей прилад уже мав вигляд звичних російських рахунок, які можна зустріти і в наші дні.
На початку XVII століття, коли математика стала грати ключову роль в науці, все гостріше відчувалася необхідність у винаході лічильної машини. На цей час припадає створення молодим французьким математиком і фізиком Блез Паскаль першої лічильної машини (рис. 25.2, а), названої паскалина, яка виконувала додавання і віднімання.

У 1670 - 1680 роках німецький математик Готфрід Лейбніц сконструював лічильну машину (рис. 25.2, б), яка виконувала всі чотири арифметичні дії.

Протягом наступних двохсот років було винайдено і побудовано ще кілька подібних рахункових пристроїв, які через низку недоліків не набули широкого поширення.
Лише в 1878 році російський вчений П. Чебишев сконструював лічильну машину, що виконувала додавання і віднімання багатозначних чисел. Найбільш широке поширення в той час отримав арифмометр, сконструйований петербурзьким інженером Однером в 1874 році. Конструкція приладу виявилася вельми вдалою, так як дозволяла досить швидко виконати всі чотири арифметичні дії.
У 30-і роки XX століття в нашій країні був розроблений більш досконалий арифмометр - "Фелікс" (рис. 25.3). Ці лічильні пристрої застосовувалися кілька десятиліть і були основним технічним засобом, що полегшує працю людей, пов'язаних з обробкою великих обсягів числової інформації.

Важливою подією XIX століття був винахід англійського математика Чарльза Беббіджа, який увійшов в історію як винахідник першої обчислювальної машини - прообразу сучасних комп'ютерів. У 1812 р він почав працювати над так званою "разностной" машиною. Попередні обчислювальні машини Паскаля і Лейбніца виконували тільки арифметичні дії. Беббидж ж прагнув сконструювати машину, яка виконувала б певну програму, проводила б розрахунок числового значення заданої функції. В якості основного елемента різницевої машини Беббідж використовував зубчасте колесо для запам'ятовування одного розряду десяткового числа. В результаті він зміг оперувати 18-розрядними числами. До 1822 року він побудував невелику діючу модель і розрахував на ній таблицю квадратів.
Удосконалюючи разностную машину, Беббидж приступив в 1833 році до розробки аналітичної машини (рис. 25.4). Вона повинна була відрізнятися від різницевої машини більшою швидкістю і більш простою конструкцією. Згідно з проектом, нову машину передбачалося приводити в дію силою пара.

Аналітична машина була задумана як чисто механічний апарат з трьома основними блоками. Перший блок - пристрій для зберігання чисел на регістрах з зубчастих коліс і система, яка передає ці числа від одного вузла до іншого (в сучасній термінології - це пам'ять). Другий блок - пристрій, що дозволяє виконувати арифметичні операції. Беббідж назвав його "млином". Третій блок призначався для управління послідовністю дій машини. У конструкцію аналітичної машини входило також пристрій для введення вихідних даних і друку отриманих результатів.
Передбачалося, що машина буде діяти за програмою, яка задавала б послідовність виконання операцій і передачі чисел з пам'яті в млин і назад. Програми, в свою чергу, повинні були кодуватися і переноситься на перфокарти. У той час подібні карти вже використовувалися для автоматичного управління ткацькими верстатами. Тоді ж математик леді Ада Лавлейс - дочка англійського поета лорда Байрона - розробляє перші програми для машини Беббіджа. Вона заклала багато ідей і ввела ряд понять і термінів, які використовуються і до цього дня.
На жаль, через недостатнє розвитку технології проект Беббіджа не був реалізований. Проте його роботи мали важливе значення; багато наступних винахідники скористалися ідеями, закладеними в основу придуманих їм пристроїв.
Необхідність автоматизувати обчислення при перепису населення в США підштовхнула Генріха Холлерита до створення в 1888 році пристрою, названого табулятором (рис. 25.5), в якому інформація, нанесена на перфокарти, розшифровувалась за допомогою електричного струму. Це пристрій дозволило обробити дані перепису населення всього за 3 роки, замість витрачених раніше восьми років. У 1924 році Холлерит заснував фірму IBM для серійного випуску табуляторів.

Величезний вплив на розвиток обчислювальної техніки надали теоретичні розробки математиків: англійця А. Тьюринга і працював незалежно від нього американця Е. Посту. "Машина Тьюринга (Посту)" - прообраз програмованого комп'ютера. Ці вчені показали принципову можливість вирішення автоматами будь-якої проблеми за умови, що її можна представити у вигляді алгоритму, орієнтованого на виконувані машиною операції.
З моменту виникнення ідеї Беббіджа про створення аналітичної машини до її реального впровадження в життя пройшло понад півтора століття. Чому ж настільки великим виявився розрив у часі між народженням ідеї і її технічним втіленням? Це обумовлено тим, що при створенні будь-якого пристрою, в тому числі і комп'ютера, дуже важливим фактором є вибір елементної бази, тобто тих деталей, з яких збирається вся система.

25.2. ПЕРШЕ ПОКОЛІННЯ ЕОМ

Поява електронно-вакуумної лампи дозволило вченим втілити в життя ідею створення обчислювальної машини. Вона з'явилася в 1946 році в США і отримала назву ЕНІАК (ENIAC - Electronic Numerical Integrator and Calculator, "електронний чисельний інтегратор і калькулятор" - рис. 25.6). Ця подія ознаменувала початок шляху, яким пішов розвиток електронно-обчислювальних машин (ЕОМ).

Подальше вдосконалення ЕОМ визначалося розвитком електроніки, появою нових елементів і принципів дій, тобто поліпшенням і розширенням елементної бази. В даний час налічується вже кілька поколінь ЕОМ. Під поколінням ЕОМ розуміють всі типи і моделі електронно-обчислювальних машин, розроблені різними конструкторськими колективами, але побудовані на одних і тих же наукових і технічних принципах. Зміна поколінь обумовлювалася появою нових елементів, виготовлених із застосуванням принципово інших технологій.
Перше покоління (1946 - середина 50-х років). Елементної базою служили електронно-вакуумні лампи, що встановлюються на спеціальних шасі, а також резистори і конденсатори. Елементи з'єднували проводами навісним монтажем. У ЕОМ ЕНІАК було 20 тис. Електронних ламп, з яких щомісяця замінювалося 2000. За одну секунду машина виконувала 300 операцій множення або ж 5000 додавань багаторозрядних чисел.
Видатний математик Джон фон Нейман і його колеги виклали в своєму звіті основні принципи логічної структури ЕОМ нового типу, які пізніше були реалізовані в проекті ЕДВАК (1950 г). У звіті стверджувалося, що ЕОМ повинна створюватися на електронній основі і працювати в двійковій системі числення. До її складу повинні входити такі пристрої: арифметичне, центральний управляючий, що запам'ятовує, для введення даних і виведення результатів. Вчені також сформулювали два принципи роботи: принцип програмного управління з послідовним виконанням команд і принцип зберігається програми. Конструкція більшості ЕОМ наступних поколінь, де були реалізовані ці принципи, отримала назву "фон-неймановской архітектури".
Перша вітчизняна ЕОМ була створена в 1951 році під керівництвом академіка С. А. Лебедєва, і називалася вона МЕСМ (мала електронна рахункова машина). Потім в експлуатацію ввели БЕСМ-2 (велику електронну лічильну машину). Найпотужнішою ЕОМ 50-х років в Європі була радянська електронно-обчислювальна машина М-20 з швидкодією 20 тис. Оп / с і обсягом оперативної пам'яті 4000 машинних слів.
З цього часу почався бурхливий розквіт вітчизняної обчислювальної техніки, і до кінця 60-х років в нашій країні успішно функціонувала найкраща по продуктивності (1 млн. Оп / с) ЕОМ того часу - БЕСМ-6, в якій були реалізовані багато принципів роботи наступних поколінь комп'ютерів.
З поява нових моделей ЕОМ відбулися зміни і в назві цієї сфери діяльності. Раніше будь-яку техніку, яка використовується для обчислень, узагальнено називали "лічильно-вирішальними приладами та пристроями". Тепер же все, що має відношення до ЕОМ, називають обчислювальною технікою.
Перерахуємо характерні риси ЕОМ першого покоління.

• Елементна база: електронно-вакуумні лампи, резистори, конденсатори. З'єднання елементів: навісний монтаж проводами.
• Габарити: ЕОМ виконана у вигляді величезних шаф і займають спеціальний машинний зал.
• Швидкодія: 10 - 20 тис. Оп / с.
• Експлуатація занадто складна через частого виходу з ладу електронно-вакуумних ламп. Існує небезпека перегріву ЕОМ.
• Програмування: трудомісткий процес в машинних кодах. При цьому необхідно знати всі команди машини, їх двійкове подання, архітектуру ЕОМ. Цим в основному були зайняті математики-програмісти, які безпосередньо і працювали за її пультом управління. Обслуговування ЕОМ вимагало від персоналу високого професіоналізму.

25.3. ДРУГЕ ПОКОЛІННЯ ЕОМ

Друге покоління припадає на період від кінця 50-х до кінця 60-х років.
До цього часу був винайдений транзистор, який прийшов на зміну електронним лампам. Це дозволило замінити елементну базу ЕОМ на напівпровідникові елементи (транзистори, діоди), а також резистори і конденсатори більш досконалої конструкції (рис. 25.7). Один транзистор замінював 40 електронних ламп, працював з більшою швидкістю, був дешевше і надійніше. Середній термін його служби в 1000 разів перевершував тривалість роботи електронних ламп.

Змінилася і технологія з'єднання елементів. З'явилися перші друковані плати (рис. 25.7) - пластини з ізоляційного матеріалу, наприклад гетинакса, на які за спеціальною технологією фотомонтажу наносився струмопровідний матеріал. Для кріплення елементної бази на друкованій платі були спеціальні гнізда.
Така формальна заміна одного типу елементів на інший істотно вплинула на всі характеристики ЕОМ: габарити, надійність, продуктивність, умови експлуатації, стиль програмування і роботи на машині. Змінився технологічний процес виготовлення ЕОМ.

Перерахуємо характерні риси ЕОМ другого покоління (рис. 25.8).

• Елементна база: напівпровідникові елементи. З'єднання елементів: друковані плати і навісний монтаж.
• Габарити: ЕОМ виконані у вигляді однотипних стійок, трохи вище людського зросту. Для їх розміщення потрібно спеціально обладнаний машинний зал, в якому під підлогою прокладаються кабелі, що з'єднують між собою численні автономні пристрої.
• Продуктивність: від сотень тисяч до 1 млн. Оп / с.
• Експлуатація: спростилася. З'явилися обчислювальні центри з великим штатом обслуговуючого персоналу, де встановлювалося зазвичай кілька ЕОМ. Так виникло поняття централізованої обробки інформації на комп'ютерах. При виході з ладу кількох елементів проводилася заміна цілком всієї плати, а не кожного елементу окремо, як в ЕОМ попереднього покоління.
• Програмування: істотно змінилося, так як стало виконуватися переважно на алгоритмічних мовах. Програмісти вже не працювали в залі, а віддавали свої програми на перфокартах або магнітних стрічках спеціально навченим операторам. Рішення задач проводилося в пакетному (мультипрограммном) режимі, тобто всі програми вводилися в ЕОМ поспіль один за одним, і їх обробка велася в міру звільнення відповідних пристроїв. Результати рішення роздруковувалися на спеціальній перфорованої по краях папері.
• Відбулися зміни як в структурі ЕОМ, так і в принципі її організації. Жорсткий принцип управління замінився мікропрограмним. Для реалізації принципу програмованість необхідна наявність в комп'ютері постійної пам'яті, в осередках якої завжди присутні коди, які відповідають різним комбінаціям керуючих сигналів. Кожна така комбінація дозволяє виконати елементарну операцію, тобто підключити певні електричні схеми.
• Запроваджено принцип поділу часу, який забезпечив поєднання в часі роботи різних пристроїв, наприклад одночасно з процесором працює пристрій введення-виведення з магнітної стрічки.

25.4. ТРЕТЄ ПОКОЛІННЯ ЕОМ

Цей період триває з кінця 60-х до кінця 70-х років. Подібно до того як винахід транзисторів призвело до створення комп'ютерів другого покоління, поява інтегральних схем ознаменувало новий етап у розвитку обчислювальної техніки - народження машин третього покоління.
У 1958 році Джон Кілбі вперше створив дослідну інтегральну схему. Такі схеми можуть містити десятки, сотні і навіть тисячі транзисторів і інших елементів, які фізично нероздільні. Інтегральна схема (рис. 25.9) виконує ті ж функції, що і аналогічна їй схема на елементній базі ЕОМ другого покоління, але при цьому вона має істотно менші розміри і більш високу ступінь надійності.

Першою ЕОМ, виконаної на інтегральних схемах, була IBM-360 фірми IBM. Вона поклала початок великої серії моделей, назва яких починалося з IBM, а далі слідував номер, який збільшувався у міру вдосконалення моделей цієї серії. Тобто чим більше був номер, тим більші можливості надавалися користувачу.
Аналогічні ЕОМ стали випускати і в країнах РЕВ (Ради Економічної Взаємодопомоги): СРСР, Болгарії, Угорщини, Чехословаччини, НДР, Польщі. Це були спільні розробки, причому кожна країна спеціалізувалася на певних пристроях. Випускалися два сімейства ЕОМ:

• великі - ЄС ЕОМ (єдина система), наприклад ЄС-1022, ЄС-1035, ЕО-1065;
• малі - СМ ЕОМ (система малих), наприклад СМ-2, СМ-3, СМ-4.

У той час будь-обчислювальний центр оснащувався однією-двома моделями ЄС ЕОМ (рис. 25.10). Представників сімейства СМ ЕОМ, що становлять клас міні-ЕОМ, можна було досить часто зустріти в лабораторіях, на виробництві, на технологічних лініях, на випробувальних стендах. Особливість цього класу ЕОМ полягала в тому, що всі вони могли працювати в реальному масштабі часу, тобто орієнтуючись на конкретну задачу.

Наведемо характерні риси ЕОМ третього покоління.

• Елементна база: Інтегральні схеми, Які вставляються в СПЕЦІАЛЬНІ гнізда на друкованій платі.
• Габарити: Зовнішнє оформлення ЄС ЕОМ схоже з ЕОМ іншого поколение. Для їх размещения такоже нужно машинний зал. А малі ЕОМ - це, в основному, дві стійки приблизно в півтора людських зрости і дисплей. Вони не потребували, як ЄС ЕОМ, в спеціально обладнаному приміщенні.
• Продуктивність: від сотень тисяч до мільйонів операцій в секунду.
• Експлуатація: дещо змінилася. Більш оперативно проводиться ремонт звичайних несправностей, але через велику складність системної організації потрібно штат висококваліфікованих фахівців. Велику роль відіграє системний програміст.
• Технологія програмування та вирішення завдань: така ж, як на попередньому етапі, хоча дещо змінився характер взаємодії з ЕОМ. У багатьох обчислювальних центрах з'явилися дисплейні зали, де кожен програміст в певний час міг під'єднатися до ЕОМ в режимі поділу часу. Як і раніше, основним залишався режим пакетної обробки завдань.
• Відбулися зміни в структурі ЕОМ. Поряд з мікропрограмним способом управління використовуються принципи модульності і магістральних. Принцип модульності проявляється в побудові комп'ютера на основі набору модулів - конструктивно і функціонально закінчених електронних блоків в стандартному виконанні. Під магістральних розуміється спосіб зв'язку між модулями комп'ютера, тобто все вхідні і вихідні пристрої з'єднані одними і тими ж проводами (шинами). Це прообраз сучасної системної шини.
• Збільшилися обсяги пам'яті. Магнітний барабан поступово витісняється магнітними дисками, розробленими у вигляді автономних пакетів. З'явилися дисплеї, графічні.

25.5. ЧЕТВЕРТА ПОКОЛІННЯ ЕОМ

Цей період виявився найтривалішим - від кінця 70-х років по теперішній час. Він характеризується всілякими новаціями, що приводять до істотних змін. Однак кардинальних, революційних змін, що дозволяють говорити про зміну цього покоління ЕОМ, поки не відбулося. Хоча, якщо порівнювати ЕОМ, наприклад, початку 80-х років і сьогоднішні, то очевидно істотна відмінність.
Слід особливо відзначити одну з найзначніших ідей, втілених в комп'ютері на даному етапі: використання для обчислень одночасно декількох процесорів (мультипроцессорная обробка). Також зазнала зміна та структура комп'ютера.
Нові технології створення інтегральних схем дозволили розробити в кінці 70-х - початку 80-х років ЕОМ четвертого покоління на великих інтегральних схемах (ВІС), ступінь інтеграції яких становить десятки і сотні тисяч елементів на одному кристалі. Найбільш великим зрушенням в електронно-обчислювальної техніки, пов'язаних із застосуванням БІС, стало створення мікропроцесорів. Зараз цей період розцінюється як революція в електронній промисловості. Перший мікропроцесор був створений фірмою Intel в 1971 році. На одному кристалі вдалося сформувати мінімальний за складом апаратури процесор, що містить 2250 транзисторів.
З появою мікропроцесора пов'язане одне з найважливіших подій в історії обчислювальної техніки - створення і застосування персональних ЕОМ (рис. 25.11), що навіть вплинуло на термінологію. Поступово міцно вкорінений термін "ЕОМ" був витіснений став вже звичним словом "комп'ютер", а обчислювальна техніка стала називатися комп'ютерної.

Початок широкого продажу персональних ЕОМ пов'язано з іменами С. Джобса і В. Возняка, засновників фірми "Епл комп'ютер" (Apple Computer), яка з 1977 року налагодила випуск персональних комп'ютерів "Apple". У комп'ютерах цього типу за основу був узятий принцип створення "дружньої" обстановки роботи людини на ЕОМ, коли при створенні програмного забезпечення одним з основних вимог стало забезпечення зручної роботи користувача. ЕОМ повернулася обличчям до людини. Подальше її вдосконалення йшло з урахуванням зручності роботи користувача. Якщо раніше при експлуатації ЕОМ був реалізований принцип централізованої обробки інформації, коли користувачі концентрувалися навколо однієї ЕОМ, то з появою персональних комп'ютерів відбулося зворотний рух - децентралізація, коли один користувач може працювати з декількома комп'ютерами.
З 1982 року фірма IBM приступила до випуску моделі персонального комп'ютера, який став еталоном на довгі часи. IBM випустила документацію по апаратурі і програмні специфікації, що дозволило іншим фірмам розробляти як апаратне, так і програмне забезпечення. Таким чином, з'явилися сімейства (клони) "двійників" персональних комп'ютерів IBM.
У 1984 році фірмою IBM був розроблений персональний комп'ютер на базі процесора 80286 фірми Intel з шиною архітектури промислового стандарту - ISA (Industry Standart Architecture). З цього часу почалася жорстка конкуренція між кількома корпораціями, що виробляють персональні комп'ютери. Один тип процесора змінював інший, що часто вимагало додаткової суттєвої модернізації, а часом і повної заміни комп'ютерів. Гонка в пошуку все більш і більш досконалих технічних характеристик всіх пристроїв комп'ютера триває і донині. Щороку потрібно проводити докорінну модернізацію існуючого комп'ютера.
Загальна властивість сімейства IBM PC - сумісність програмного забезпечення від низу до верху і принцип відкритої архітектури, що передбачає можливість доповнення наявних апаратних засобів без вилучення старих або їх модифікацію без заміни всього комп'ютера.
Сучасні ЕОМ перевершують комп'ютери попередніх поколінь компактністю, величезними можливостями і доступністю для різних категорій користувачів.
Комп'ютери четвертого покоління розвиваються в двох напрямках, про які буде розказано в наступних темах цього розділу. Перший напрямок - створення багатопроцесорних обчислювальних систем. Друге - виготовлення дешевих персональних комп'ютерів як в настільному, так і в переносному виконанні, а на їх основі - комп'ютерних мереж.

Контрольні питання І ЗАВДАННЯ

1. Розкажіть про історію розвитку лічильно-обчислювальних пристроїв до появи ЕОМ.
2. Що таке покоління ЕОМ і чим спричиняється зміна поколінь?
3. Розкажіть про перше покоління ЕОМ.
4. Розкажіть про другому поколінні ЕОМ.
5. Розкажіть про третьому поколінні ЕОМ.
6. Розкажіть про четвертому поколінні ЕОМ.
7. Коли і чому назва "ЕОМ" стало поступово замінюватися терміном "комп'ютер"?
8. Чим прославився математик Джон фон Нейман?