История развития средств вычислительной техники(Первые вычислительные машины)

Содержание:

Введение

История счётных устройств насчитывает много веков. Древнейшим счетным инструментом, который сама природа предоставила в распоряжение человека, была его собственная рука. Для облегчения счета люди стали использовать пальцы сначала одной руки, затем обеих, а в некоторых племенах и пальцы ног.

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. Позднее, около 500 г. н.э., абак был усовершенствован и на свет появились счёты – устройство, состоящее из набора костяшек, нанизанных на стержни.

На Руси долгое время считали по косточкам, раскладываемым в кучки. Примерно с XV века получил распространение "дощаный счет", который почти не отличался от обычных счетов и представлял собой рамку с укрепленными горизонтальными веревочками, на которые были нанизаны просверленные сливовые или вишневые косточки.

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».

Тема исследования: История развития средств вычислительной техники.

Цель исследования: Изучить историю развития средств вычислительной техники

Предмет исследования: История развития средств вычислительной техники

Задачи исследования:

Изучить историю ЭВМ

Изучить поколения ЭВМ

Глава 1 История развития ЭВМ

1.1 Первые вычислительные машины

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.
Это была первая механическая машина, которая могла только складывать и вычитать. В наше время по его описанию построена ее модель (рис.1).

Рис.1 Модель машины Шиккарда

В 1642 г. французский математик Блез Паскаль (1623-1662) сконструировал счетное устройство, чтобы облегчить труд своего отца – налогового инспектора. Это устройство позволяло суммировать десятичные числа. Внешне оно представляло собой ящик с многочисленными шестеренками. Основой суммирующей машины стал счетчик-регистратор, или счетная шестерня. Она имела десять выступов, на каждом из которых были нанесены цифры.

Для передачи десятков на шестерне располагался один удлиненный зуб, зацеплявший и поворачивающий промежуточную шестерню, которая передавала вращение шестерне десятков. Дополнительная шестерня была необходима для того, чтобы обе счетные шестерни – единиц и десятков – вращались в одном направлении. Счетная шестерня при помощи храпового механизма (передающего прямое движение и не передающего обратного) соединялись с рычагом. Отклонение рычага на тот или иной угол позволяло вводить в счетчик однозначные числа и суммировать их. В машине Паскаля храповой привод был присоединен ко всем счетным шестерням, что позволяло суммировать и многозначные числа.

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.

Это был более совершенный прибор, в котором использовалась движущаяся часть (прообраз каретки) и ручка, с помощью которой оператор вращал колесо. Машина являлась прототипом арифмометра, использующегося с 1820 года до 60-х годов ХХ века.

Рис.2. Вычислительная машина Лейбница

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.

В 1804 г. французский изобретатель Жозеф Мари Жаккар(1752-1834) придумал способ автоматического контроля за нитью при работе на ткацком станке. 

Рис.3.Перфокарта

1820 год. Чарльз Ксавьер Томас (да, почти как профессор Икс) выпускает арифмометр Томаса, вошедший в историю как первое устройство для счёта, выпускаемое серийно. Бурное развитие механических калькуляторов привело к тому, что к 1890 году добавился ряд полезных функций: запоминание промежуточных результатов с использованием их в последующих операциях, печать результата и т.п. Создание недорогих, надежных машин позволило использовать их для коммерческих целей и научных расчетов.

Рис.4 Арифмометр Томаса

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.
Разностная машина, работала на паровом двигателе. Она высчитывала таблицы логарифмов методом постоянной дифференциации и заносила результаты на металлическую пластину. Работающая модель, которую он создал в 1822 году, была шестицифровым калькулятором, способным производить вычисления и печатать цифровые таблицы.

Рис.5 Машина Бэббиджа

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

1.2 Начало XX века

1905 год. Перси Лудгерт издаёт проект программируемого механического компьютера.

Рис.5 Механический компьютер

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.

Рис. 6. Z3 — первый в мире компьютер, управляемый программой.

В 1946 году Джон фон Нейман предложил ряд новых идей организации ЭВМ, в том числе концепцию хранимой программы, т.е. хранения программы в запоминающем устройстве. В результате реализации идей фон Неймана была создана архитектура ЭВМ, во многих чертах сохранившаяся до настоящего времени.

В 1952г. началась опытная эксплуатация отечественного компьютера БЭСМ-1.

В СССР в 1952-1953 годах А.А.Ляпуновразработал операторный метод программирования (операторное программирование), а в 1953-1954 годах Л.В.Канторович – концепцию крупноблочного программирования [2].

В 1955 году увидел свет первый алгоритмический язык FORTRAN (FORmule TRANslator – переводчик формул). Он использовался для решения научно-технических и инженерных задач и разработан сотрудниками фирмы IBM под руководством Джон Бэкуса.

В 1958г. Джек Килби из Texas Instruments и Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor независимо друг от друга изобретают интегральную схему.

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

Рис.7 Первый электронный калькулятор

1.3 Вторая половина XX века

29 октября 1969 года принято считать днем рождения Сети. В этот день была предпринята самая первая, правда, не вполне удавшаяся, попытка дистанционного подключения к компьютеру, находившемуся в исследовательском центре Стэнфордского университета (SRI), с другого компьютера, который стоял в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе (UCLA). Удаленные друг от друга на расстояние 500 километров, SRI и UCLA стали первыми узлами будущей сети ARPANet.

В 1971г. фирмой Intel (США) создан первый микропроцессор(МП) –программируемое логическое устройство, изготовленное по технологии СБИС. Появился компьютер IBM/370 модель 145 – первый компьютер, в основной памяти которого использовались исключительно интегральные схемы. В свет выходит первый карманный калькуляторPoketronic [8].

Рис. 8 Микропроцессор

1974 г. Фирма Intel разработала первый универсальный восьмиразрядный микропроцессор 8080 с 4500 транзисторами

В 1976г. молодые американцы Стив Джобс и Стив Возняк организовали предприятие по изготовлению персональных компьютеров "Apple" ("Яблоко"), предназначенных для большого круга непрофессиональных пользователей.

Рис.9 Персональный компьютер

В 1980 году появился язык ADA, названный в память об Аде Лавлейс – первой программистки в истории вычислительной техники. Он был создан во Франции по заказу американского министерства обороны как универсальный язык программирования. В него включены такие возможности как системное программирование, параллельность и т.д.

1981 г. Фирма IBM выпустила первый персональный компьютер IBM PC на базе микропроцессора 8088. 1982 г. Фирма Intel выпустила микропроцессор 80286 [4].

В 1982 году было положено начало знаменитой серии х86. 16-разрядный микропроцессор Intel 80286 на базе 134 тыс. транзисторов по производительности втрое опережал модели конкурентов. Отличительной особенностью этой разработки было то, что здесь впервые реализован принцип программной совместимости с процессорами следующих поколений за счет встроенных средств управления памятью [7].

В 1982 году Питер Нортон случайно стер нужный файл с жесткого диска своего персонального компьютера. Восстановление файла оказалось сложным и кропотливым делом. Однако сложившаяся ситуация привела к тому, что Нортон создал программу, являющуюся прообразом сегодняшних утилит

1.4 Последний этап

В 1993г. фирма Intelвыпустила 64-разрядный микропроцессор Pentium, который состоял из 3,1 млн. транзисторов и мог выполнять 112 млн. операций в секунду. Появился формат сжатия видео MPEG.

1993 год: Apple Newton

Рис.9 Apple Newton

Встречайте Apple Newton – предка всем известного iPad. Если быть точнее, Newton – это название целой платформы, а не только изображенного на рисунке устройства. Под Newton OS работали различные устройства от Apple, Sharp, Motorola и других производителей. Это была первая попытка Apple в сегменте PDA. По сути, сам термин PDA был придуман в то время исполнительным директором Apple, Джоном Скалли (John Sculley). Среди различного рода инновационных решений Newton, самым ярким было распознавание рукописного ввода через тачскрин.

Линейка PDA Apple на базе NewtonOS называлась MessagePad. Первый MessagePad использовал процессор ARM 610 с частотой 20 МГц и 640 Кбайт оперативной памяти. Но, несмотря на относительно мощное «железо», линейка Newton оказалась полным провалом. Первые MessagePad очень мало времени работали в автономном режиме, к тому же пользователи сразу заметили некорректную работу распознавания рукописного ввода. В 1998 году Apple признала поражение [6].

Для компании Apple 1990-е оказались сложным временем. Её доля на рынке уменьшалась, потери росли, а операционная система Mac OS устарела по сравнению с Windows 95, которая произвела революцию в мире PC. Но в 1997 году в Apple вернулся Стив Джобс (Steve Jobs) и всё изменил. Первое, что было необходимо, получить существенные инвестиции. Денежные вливания осуществил заклятый враг Apple – компания Microsoft, которая также согласилась создать пакет Office для Mac. В августе 1998 года Стив Джобс представил миру iMac, напоминающий первый Macintosh 1984 года. Конструкция «всё-в-одном» скрывала большую часть кабелей и шнуров, а прозрачный корпус радикально отличался от тогда ещё стандартных корпусов PC. Первый iMac оснащался быстрым процессором G3, сетевым контроллером 100 Мбит/с, большим дисплеем высокого разрешения, быстрым CD-приводом, разъёмами USB, к тому же инженеры отказались от дискет. Смелый дизайн в паре с мощным «железом» обеспечил iMac незамедлительный успех. За первые пять месяцев было продано не менее 800 000 штук. Этот успех восстановил доверие пользователей к Apple. Остальное — история.

2001 год: Microsoft Tablet PC

Рис.11 Первый планшет : Microsoft Tablet PC

Идея компьютера в форме планшета, появилась практически одновременно с самим компьютером. Такие устройства можно была видеть в научно-фантастическом сериале Star Trek 1960-х годов. Вполне логично, что производители сделали немало усилий, чтобы реализовать эту идею. В 2001 году Microsoft решила, что время, наконец, пришло, и представила свой концепт Tablet PC. Как такового прототипа устройства не существовало. Вместо этого Microsoft представила концепцию и список аппаратных требований, необходимых для работы специально модифицированной версии Windows XP. Однако на то время требования были слишком амбициозными. Для работы процессоров x86 в экосистеме Windows требовались громоздкие, тяжёлые аккумуляторы, к тому же вес добавлял жидкокристаллический дисплей со стилусом. Из-за технических ограничений того времени Tablet PC не смог бы воплотить идеологию «лёгкого, тонкого устройства, которое легко поместится в портфель или папку и будет лежать в руке наподобие обычного бумажного планшета». Один из лучших Microsoft Tablet PC под названием HP Compaq TC 1100 (на изображении) весил 1,8 кг и был 20 мм в толщину [3].

2007 год: Asus Eee PC

Рис.12 Asus Eee PC

В начале 2000-х Microsoft, Intel и некоторые другие производители пытались найти победную формулу миниатюрного компьютера. После Tablet PC были слишком медленные Ultra Mobile PC (UMPC) от Microsoft и Mobile Internet Device (MID) от Intel, успехом они не пользовались и в технологическом плане вели в тупик. Однако разработка Intel MID побудила компанию к созданию процессора Atom, который позволил Asus разработать свой Eee PC. Эти семи- и десятидюймовые устройства дали ход новой категории маленьких доступных лёгких портативных компьютеров, известных как нетбуки. Всего за несколько месяцев, нетбуки произвели революцию на рынке ноутбуков. Ни один производитель PC не хотел упускать шанс, что привело к изобилию моделей. В 2008 году на долю нетбуков приходилось примерно 40% всех проданных ноутбуков. Однако успех был недолгим, их начали вытеснять планшеты. На сегодняшний день нетбуки занимают совершенно незначительную долю рынка.

2010 год: Apple iPad

Рис.13 2010 год: Apple iPad

После десятилетия проб и ошибок Apple, наконец, нашла выигрышную формулу планшета. Технологический прогресс в сегменте смартфонов очень помог Стиву Джобсу и его компании. Высокопроизводительные процессоры ARM с низким энергопотреблением, тонкие дисплеи и более мощные аккумуляторы стали широко доступны.

Но Apple была достаточно умна и учла ошибки Microsoft. Вместо Mac OS X, на iPad была установлена операционная система iOS, учитывающая особенности аппаратной начинки планшета. Вместо копирования программ, предназначенных для работы с клавиатурой и мышью, приложения для iOS были разработаны специально под интерфейс тачскрина.

Успех к iPad пришёл практически мгновенно. Он продавался быстрее, чем iPhone. Прошло уже три года после премьеры, но iPad по-прежнему занимает около половины рынка планшетов. Конкуренты, наконец, догнали Apple iPad по качеству, и сейчас планшеты на базе ОС Android постепенно забирают их долю рынка. Исторически Apple никогда не вела конкурентную борьбу в ценовом аспекте, и если компания хочет оставить за собой звание первопроходца, лучше бы ей начать работать над следующей цифровой революцией.

Глава 2 Поколения ЭВМ

2.1 1 поколение. 

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

Рис 14 Компьютеры на основе ламп

2.2 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.

2.3 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.

Рис. 15 Интегральная схема

2.4 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.

2.5 5 поколение ЭВМ

ЭВМ пятого поколения – это ЭВМ будущего. Программа разработки, так называемого, пятого поколения ЭВМ была принята в Японии в 1982 г. Предполагалось, что к 1991 г. будут созданы принципиально новые компьютеры, ориентированные на решение задач искусственного интеллекта. С помощью языка Пролог и новшеств в конструкции компьютеров планировалось вплотную подойти к решению одной из основных задач этой ветви компьютерной науки – задачи хранения и обработки знаний. Коротко говоря, для компьютеров пятого поколения не пришлось бы писать программ, а достаточно было бы объяснить на "почти естественном" языке, что от них требуется.

В результате гонки наращивания производительности возникает множество проблем. Наиболее острая из них – перегрев в сверхплотной упаковке, вызванный существенно меньшей площадью теплоотдачи. Концентрация энергии в современных микропроцессорах чрезвычайно высока. Нынешние стратегии рассеяния образующегося тепла, такие как снижение питающего напряжения или избирательная активация только нужных частей в микроцепях малоэффективны, если не применять активного охлаждения.

С уменьшением размеров транзисторов стали тоньше и изолирующие слои, а значит, снизилась и их надежность, поскольку электроны могут проникать через тонкие изоляторы(туннельный эффект). Данную проблему можно решить снижением управляющего напряжения, но лишь до определенных пределов.

На сегодняшний день основное условие повышения производительности процессоров – методы параллелизма. Как известно, микропроцессор обрабатывает последовательность инструкций(команд), составляющих ту или иную программу. Если организовать параллельное (то есть одновременное) выполнение инструкций, общая производительность существенно вырастет. Решается проблема параллелизма методами конвейеризации вычислений, применением суперскалярной архитектуры и предсказанием ветвлений.

Многоядерная архитектура. Эта архитектура подразумевает интегрирование нескольких простых микропроцессорных ядер на одном чипе. Каждое ядро выполняет свой поток инструкций. Каждое микропроцессорное ядро значительно проще, чем ядро многопотокового процессора, что упрощает проектирование и тестирование чипа. Но между тем усугубляется проблема доступа к памяти, необходима замена компиляторов.

Многопотоковый процессор. Данные процессоры по архитектуре напоминают трассирующие: весь чип делится на процессорные элементы, напоминающие суперскалярный микропроцессор. В отличие от трассирующего процессора, здесь каждый элемент обрабатывает инструкции различных потоков в течение одного такта, чем достигается параллелизм на уровне потоков. Разумеется, каждый поток имеет свой программный счетчик и набор регистров.

"Плиточная" архитектура. Сторонники считают, что ПО должно компилироваться прямо в "железе", так как это даст максимальный параллелизм. Такой подход требует достаточно сложных компиляторов, которые пока еще не созданы. Процессор в данном случае состоит из множества "плиток" (tiles), каждая из которых имеет собственное ОЗУ и связана с другими "плитками" в своеобразную решетку, узлы которой можно включать и отключать. Очередность выполнения инструкций задается ПО.

Многоэтажная архитектура. Здесь речь идет не о логической, а о физической структуре. Идея состоит в том, что чипы должны содержать вертикальные "штабеля" микроцепей, изготовленных по технологии тонкопленочных транзисторов, заимствованной из производства TFT-дисплеев. При этом относительно длинные горизонтальные межсоединения превращаются в короткие вертикальные, что снижает задержку сигнала и увеличивает производительность процессора. Идея "трехмерных" чипов уже реализована в виде работающих образцов восьмиэтажных микросхем памяти. Вполне возможно, что она приемлема и для микропроцессоров, и в недалеком будущем все микрочипы будут наращиваться не только горизонтально, но и вертикально.

Заключение

В данной курсовой работе была рассмотрена история развития вычислительной техники.

Решены следующие задачи:

Изучена история ЭВМ

Изучены поколения ЭВМ

Потребность в более быстрых, дешевых и универсальных компьютерах вынуждает производителей постоянно наращивать число транзисторов в них. Однако этот процесс не бесконечен. Поддерживать экспоненциальный рост этого числа, предсказанный Гордоном Муром в 1973 году, становится все труднее. Специалисты утверждают, что этот закон перестанет действовать, как только затворы транзисторов, регулирующие потоки информации в чипе, станут соизмеримыми с длиной волны электрона(в кремнии, на котором сейчас строится производство, это порядка 10 нанометров). И произойдет это где-то между 2010 и 2020 годами. По мере приближения к физическому пределу архитектура компьютеров становится все более изощренной, возрастает стоимость проектирования, изготовления и тестирования чипов. Таким образом, этап эволюционного развития рано или поздно сменится революционными изменениями.

Список литературы

1. Балашов Е.П., Частиков А.П. Эволюция мини- и микроЭВМ. Малые вычислительные машины. - М.: Знание, 1983.
2. Брандел М. Рождение Ethernet // CW Россия. - 2000. - 7 марта.
3. Брукшир, Дж.Г. Информатика и вычислительная техника; СПб: Питер - М., 2013. - 624 c.
4. Вычислительная техника, алгоритмы и системы управления; ИНЭУМ - М., 2015. - 275 c.
5. 7. Крайзмер, Л.П. Информатика и вычислительная техника; Лениздат - М., 2015. - 270 c.
6. 8. Курносов, А.П. Вычислительная техника и программирование; Финансы и статистика - М., 2013. - 344 c.
7. 9. Кушниренко, А.Г.; Лебедев, Г.В.; Сворень, Р.А. Основы информатики и вычислительной техники; Просвещение; Издание 3-е - Л., 2015. - 224 c.
8. 12. Стрыгин, В.В.; Щарев, Л.С. Основы вычислительной техники и программирования; Высшая школа - М., 2016. - 359 c.
9. 13. Сырецкий Г. А. Информатика. Фундаментальный курс. Том 1. Основы информационной и вычислительной техники; БХВ-Петербург - М., 2014. - 832 c.