Введение
В познании деятельности компьютера есть несколько уровней. Первый из них, необходимый каждому специалисту, - уровень архитектуры. Архитектура – это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных функциональных узлов. На этом уровне не требуется знание схемных решений современной радиотехники и микроэлектроники. Последнее вообще выходит за приделы информатики, оно требуется лишь разработчикам физических элементов компьютеров.
Уровень архитектуры достаточно глубок, он включает вопросы управления работой ЭВМ (программирования) на языке машинных команд (ассемблера). Такой способ управления гораздо сложнее, чем написание программ на языках высокого уровня, и тем не менее без представления о нём невозможно понять реальную работу компьютера.
Следующий уровень – логические принципы и схемы реализации основных операциональных узлов компьютера (триггеров, сумматоров и т. д.). Понимание этих принципов весьма желательно и существенно расширит кругозор специалиста в области информатики (и её преподавания).
Начальный этап развития вычислительной техники
Всё началось с идеи научить машину считать или хотя бы складывать многоразрядные целые числа. Ещё около 1500 г. великий деятель эпохи Просвещения Леонардо да Винчи разработал эскиз 13-разрядного суммирующего устройства, что явилось первой дошедшей до нас попыткой решить указанную задачу. Первую же действующую суммирующую машину построил в 1642 г. Блез Паскаль – знаменитый французский физик, математик, инженер. Его 8-разрядная машина сохранилась до наших дней.
От замечательного курьёза, каким восприняли современники машину Паскаля, до создания практически полезного и широко используемого агрегата – арифмометра (механического вычислительного устройства, способного выполнять 4 арифметических действия) – прошло почти 250 лет. Уже в начале XIX века уровень развития ряда наук и областей практической деятельности (математики, механики, астрономии, инженерных наук, навигации и др.) был столь высок, что они настоятельнейшим образом требовали выполнения огромного объёма вычислений, выходящих за пределы возможностей человека, не вооружённого соответствующей техникой. Над её созданием и совершенствованием работали как выдающиеся учёные с мировой известностью, так и сотни людей, имена многих из которых до нас не дошли, посвятивших свою жизнь конструированию механических вычислительных устройств.
Ещё в 70-х годах XX века на полках магазинов стояли механические арифмометры и их “ближайшие родственники”, снабжённые электрическим приводом – электромеханические клавишные вычислительные машины. Как это часто бывает, они довольно долго удивительным образом соседствовали с техникой совершенного уровня – автоматическими цифровыми вычислительными машинами (АЦВМ), которые в просторечии чаще называют ЭВМ (хотя, строго говоря, эти понятия не совсем совпадают). История АЦВМ восходит ещё к первой половине XIX века и связана с именем замечательного английского математика и инженера Чарльза Бэббиджа. Им в 1822 г. была спроектирована и почти 30 лет строилась и совершенствовалась машина, названная вначале “разностной”, а затем, после многочисленных усовершенствований проекта, “аналитической”. В “аналитическую” машину были заложены принципы, ставшие фундаментальными для вычислительной техники.
Автоматическое выполнение операций.
Для выполнения расчётов большого объёма существенно не только то, как быстро выполняется отдельная арифметическая операция, но и то, чтобы между операциями не было “зазоров”, требующих непосредственного человеческого вмешательства. Например, большинство современных калькуляторов не удовлетворяют этому требованию, хотя каждое доступное им действие выполняют очень быстро. Необходимо, чтобы операции следовали одна за другой безостановочно.
Работа по вводимой “на ходу” программе.
Для автоматического выполнения операций программа должна вводится в исполнительное устройство со скоростью, соизмеримой со скоростью выполнения операций. Бэббидж предложил использовать для предварительной записи программ и ввода их в машину перфокарты, которые к тому времени применялись для управления ткацкими станками.
Необходимость специального устройства – памяти – для хранения данных (Бэббидж назвал его “складом”).
Эти революционные идеи натолкнулись на невозможность их реализации на основе механической техники, ведь до появления первого электромотора оставалось почти полвека, а первой электронной радиолампы – почти век! Они настолько опередили своё время, что были в значительной мере забыты и переоткрыты в следующем столетии.
Впервые автоматически действующие вычислительные устройства появились в середине XX века. Это стало возможным благодаря использованию наряду с механическими конструкциями электромеханических реле. Работы над релейными машинами начались в 30-е годы и продолжались с переменным успехом до тех пор, пока в 1944 г. под руководством Говарда Айкена – американского математика и физика – на фирме IBM (International Business Machines) не была запущена машина “Марк-1”, впервые реализовавшая идеи Бэббиджа (хотя разработчики, по-видимому, не были с ним знакомы). Для представления чисел в ней были использованы механические элементы (счётные колёса), для управления – электромеханические. Одна из самых мощных релейных машин РВМ-1 была в начале 50-х годов построена в СССР под руководством Н.И.Бессонова; она выполняла до 20 умножений в секунду с достаточно длинными двоичными числами.
Однако, появление релейных машин безнадежно запоздало и они очень быстро вытеснены электронными, гораздо более производительными и надёжными.
Развитие элементной базы компьютеров
Как было отмечено выше, история современных компьютеров насчитывает пять поколений. Условно выделяют соответственно, и пять периодов развития компьютерной техники. Интересно посмотреть, какие же ключевые события происходили в эти периоды и какие открытия приводили к смене компьютерных поколений.
Начало 50-х – конец 50-х.
Появление и расцвет компьютеров первого поколения (элементарная база: электронные лампы), программирование в кодах. Именно в этот период был изобретён транзистор.
Считается, что прародителями первого современного компьютера были Джон Апанасофф (автор проекта) и Клиффорд Герри (конструктор первого компьютера). Компьютер был назван АВС. Разработка проекта началась в 1939 году, а закончилась созданием опытного образца в 1942 году. Однако многие эксперты датой рождения компьютеров первого поколения считают 1944 год, когда был построен компьютер “Марк-1”, получивший мировую известность. Это была машина внушительных размеров – около 17 метров в длину, содержащая 75000 электронных рамп и 3000 механических реле. Данный компьютер производил вычисления с точностью до 23 значащих цифр и при этом выполнял операцию сложения за 3 секунды, а деления – за 12 секунд. Таким образом (имея в виду, что мы привыкли считать вычислительную мощность в количестве вычислений в секунду), у этого компьютера данный показатель был меньше единицы!
Вскоре появился ещё один компьютер, который завоевал мировую известность, - ENIAC (авторы проекта – Джон Мочли и Преспер Эккерт). К началу 50-х ламповые компьютеры получили широкое распространение. Они потребляли большое количество энергии, были крайне несовершенны, однако факт их появления трудно переоценить с точки зрения развития всех последующих поколений ЭВМ.
Практическое применение изобретённого в 1947 году транзистора с конца 50-х оказало решающее воздействие на развитие вычислительной техники. Это открытие определило сущность второго поколения компьютеров – компьютеров на базе полупроводниковых элементов. Исследованием полупроводников занимались многие учёные, однако наиболее известны эксперименты Уильяма Бедфорда Шокли 1947 года; именно эта дата фигурирует в большинстве источников как дата изобретения транзистора. В 1956 году за труды в области полупроводниковой техники Бедфорду Шокли была присуждена Нобелевская премия. Однако использование ламповых компьютеров продолжалось вплоть до начала 70-х годов.
С начала 50-х ламповые машины стали достаточно быстро совершенствоваться. Это направление активно развивалось в СССР. В 1950 году была запущена в эксплуатацию ЭЦВМ МЭСМ (Малая электронная счётная машина), которая производила уже более 100 операций в секунду. А ещё через два года появилась ЭВМ БЭСМ (10 000 операций в секунду). Важное событие произошло в 1955 году: под руководством главного конструктора Г.Амдала в компании IBM была разработана первая коммерческая ЭВМ с аппаратной плавающей арифметикой.
С конца 50-х годов начинают внедрятся полупроводниковые технологии. Например, в 1958 году в СССР была разработана ЭВМ М-20 на ламповых и полупроводниковых элементах.
Конец 50-х – середина 60-х.
Продолжается выпуск ламповых машин. Начинается внедрение полупроводниковых элементов, появляются компьютеры второго поколения: компьютеры уменьшились в размерах, появились так называемые мини-компьютеры, начали применятся алгоритмические языки.
В 1960 году в СССР была разработана первая отечественная полупроводниковая управляющая машина “Днепр”. Полупроводниковые технологии позволили не только повысить надежность, но и существенно уменьшить габариты машин. В начале 60-х компания DEC разработала свой первый мини-компьютер PDP-1, а через два года начались продажи компьютеров PDP-5. Параллельно наращивалась вычислительная мощность компьютеров: и 1962 году IBM разработала для ядерной лаборатории в Лос-Аламосе модель 7030; и 1964 году Сеймур Крей создал ЭВМ CDC 6000, которая и в течение нескольких лет была самым производительным компьютером в мире. А годом позже в СССР появился первый суперкомпьютер БЭСМ 6, который имел производительность 1 млн. операций в секунду. (Примерно в тот же период IBM разработала свои системы IBM System 360.) В это время у нас наблюдалось бурное развитие техники: был начат выпуск знаменитых машин “Минск-32”, “Наири” и семейства “Уралов”.