 |
НАУЧНАЯ БИБЛИОТЕКА - РЕФЕРАТЫ - Как появились компьютеры
Как появились компьютеры
На протяжении жизни всего лишь одного
поколения рядом
с человеком вырос странный новый вид :вычислительные и
подобные им машины, с которыми,
как он обнаружил, ему
придется делить мир.
Ни история, ни
философия, ни здравый смысл не могут
подсказать нам, как эти машины повлияют на нашу жизнь в
будущем,
ибо они работают совсем не так, как машины,
созданные в эру промышленной революции.
Марвин Минский
Рассматривая историю общественного
развития, марксисты утверждают, что ’’ история есть ни что иное,
как последовательная смена отдельных поколений
. Очевидно, это справедливо и для истории компьютеров.
Вот некоторые определения термина ’’ поколение
компьютеров ’’, взятые из 2-х источников. ’’ Поколения вычислительных
машин - это сложившееся в последнее время разбиение вычислительных машин на
классы, определяемые элементной базой и производительностью ’’.(
Паулин Г. Малый толковый словарь по вычислительной технике: пер. с
нем. М.. : Энергия, 1975 ). ’’ Поколения компьютеров -
нестрогая классификация вычислительных систем по степени развития аппаратных и
в последнее время - программных средств
.( Толковый словарь по вычислительным системам: Пер. с англ. М.:
Машиностроение, 1990 ).
Утверждение понятия принадлежности
компьютеров к тому или иному поколению и появление самого термина ’’ поколение ’’
относится к 1964 г., когда фирма IBM выпустила серию компьютеров IBM /
360 на гибридных микросхемах (монолитные интегральные схемы в то время ещё не
выпускались в достаточном количестве), назвав эту серию компьютерами третьего
поколения. Соответственно предыдущие компьютеры - на транзисторах и электронных
лампах - компьютерами второго и третьего поколений. В дальнейшем эта
классификация, вошедшая в употребление, была расширена и появились компьютеры
четвёртого и пятого поколений.
Для понимания истории компьютерной
техники введённая классификация имела, по крайней мере, два аспекта: первый
- вся деятельность, связанная с компьютерами, до создания компьютеров ENIAC рассматривалась
как предыстория ; второй - развитие компьютерной техники определялось
непосредственно в терминах технологии аппаратуры и схем.
Второй аспект подтверждает и главный
конструктор фирмы DEC и один из изобретателей мини-компьютеров Г.Белл,
говоря, что ’’ история компьютерной индустрии почти всегда
двигалась технологией’’.
Переходя к оценке и рассмотрению
различных поколений, необходимо прежде всего заметить, что поскольку процесс
создания компьютеров происходил и происходит непрерывно ( в нём участвуют
многие разработчики из многих стран, имеющие дело с решением различных проблем
), затруднительно, а в некоторых случаях и бесполезно, пытается точно
установить, когда то или иное поколение начиналось или заканчивалось.
В 1883 г. Томас Альва Эдисон, пытаясь продлить срок службы лампы с
угольной нитью ввёл в её вакуумный баллон платиновый электрод и положительное
напряжение, то в вакууме между электродом и нитью протекает ток.
Не найдя никакого объяснения столь
необычному явлению, Эдисон ограничивается тем, что подробно описал его, на
всякий случай взял патент и отправил
лампу на Филадельфийскую выставку. О ней в декабре 1884 г. в журнале ’’Инженеринг’’ была заметка ’’ Явление в лампочке Эдисона’’.
Американский изобретатель не распознал
открытия исключительной важности (по сути это было его единственное
фундаментальное открытие - термоэлектронная эмиссия).Он не понял, что его лампа
накаливания с платиновым электродом по существу была первой в мире электронной лампой.
Первым, кому пришла в голову мысль о
практическом использовании ’’ эффекта Эдисона ’’ был
английский физик Дж. А. Флеминг (1849 -
1945 ). Работая с 1882 г. консультантом
эдисоновской компании в Лондоне,
он узнал о ’’ явлении ’’ из первых уст - от самого Эдисона. Свой диод -
двухэлектродную лампу Флейминг создал в
1904 г.
В октябре 1906 г. американский инженер
Ли де
Форест изобрёл электронную лампу - усилитель, или аудион, как он её тогда
назвал, имевший третий электрод - сетку. Им был введён принцип, на основе которого строились все дальнейшие
электронные лампы, - управление током, протекающим между анодом и катодом, с
помощью других вспомогательных элементов.
В 1910 г. немецкий инженеры Либен, Рейнс и Штраус сконструировали триод,
сетка в котором выполнялась в форме перфорированного листа алюминия и
помещалась в центре баллона, а чтобы увеличить эмиссионный ток, они предложили
покрыть нить накала слоем окиси бария или кальция.
В 1911 г. американский физик Ч. Д.
Кулидж предложил применить
в качестве покрытия вольфрамовой нити накала окись тория - оксидный катод
- и получил вольфрамовую проволоку, которая произвела переворот в ламповой
промышленности.
В 1915 г. американский физик Ирвинг
Ленгмюр сконструировал двухэлектронную
лампу - кенотрон, применяемую в качестве выпрямительной лампы в
источниках питания. В 1916 г. ламповая промышленность стала выпускать особый
тип конструкции ламп - генераторные лампы с водяным охлаждением.
Идея лампы с двумя сотками - тетрода
была высказана в 1919 г. немецким физиком Вальтером Шоттки и независимо от него в 1923 г. - американцем Э. У. Халлом, а реализована эта идея
англичанином Х. Дж. Раундом во второй половине 20-х г.г.
В 1929 г. голландские учёные Г.
Хольст и Б. Теллеген создали
электронную лампу с 3-мя сетками - пентод. В 1932 г. был создан гептод, в 1933
- гексод и пентагрид, в 1935 появились
лампы в металлических корпусах.. Дальнейшее
развитие электронных ламп шло по пути улучшения их функциональных
характеристик, по пути многофункционального использования.
Проекты и реализация машин ’’ Марк
- 1 ’’, EDSAC и EDVAC в Англии и США , МЭСМ в
СССР заложили основу для развёртывания работ по созданию ЭВМ вакуумноламповой
технологии - серийных ЭВМ первого поколения.
Разработка первой электронной серийной
машины UNIVAC (Universal Automatic Computer) начата примерно в 1947 г.
Эккертом и Маучли, основавшими в декабре того же года фирму ECKERT-MAUCHLI. Первый образец машины ( UNIVAC-1 ) был построен для бюро
переписи США и пущен в эксплуатацию весной 1951 г. Синхронная,
последовательного действия вычислительная машина UNIVAC-1
создана на базе
ЭВМ ENIAC и EDVAC. Работала она с тактовой частотой 2,25 МГц и
содержала около 5000 электронных ламп. Внутреннее запоминающее устройство в
мкостью 1000 12 -разрядных десятичных чисел было выполнено на 100 ртутных
линиях задержки.
Вскоре после ввода в эксплуатацию
машины UNVIAC - 1 её разработчики выдвинули идею автоматического
программирования. Она сводилась к тому, чтобы машина сама могла подготавливать
такую последовательность команд, которая нужна для решения данной задачи.
Пятидесятые годы - годы расцвета
компьютерной техники, годы значительных достижений и нововведений как в
архитектурном, так и в научно - техническом отношении. Отличительные
особенности в архитектуре современной ЭВМ по сравнению с неймановской
архитектурой впервые появились в ЭВМ первого поколения.
Сильным сдерживающим фактором в работе
конструкторов ЭВМ начала 50 - х г.г.
было отсутствие быстродействующей памяти. По словам одного из пионеров
вычислительной техники - Д. Эккерта, ’’ архитектура машины
определяется памятью ’’. Исследователи
сосредоточили свои усилия на запоминающих свойствах ферритовых колец,
нанизанных на проволочные матрицы.
В 1951 г. в 22 - м томе ’’ Journal of Applid Phisics ’’ Дж. Форрестер опубликовал
статью о применении магнитных сердечников для хранения цифровой информации. В
машине ’’ Whirlwind - 1 ’’ впервые была применена память на магнит. Она
представляла собой 2 куба с 323217 сердечниками, которые обеспечивали хранение 2048 слов для
16 - разрядных двоичных чисел с одним разрядом контроля на чётность.
В разработку электронных компьютеров
включилась фирма IBM. В 1952 г. она выпустила свой первый промышленный
электронный компьютер IBM 701, который представлял собой
синхронную ЭВМ параллельного действия, содержащую 4000 электронных ламп и 12000
германиевых диодов. Усовершенствованный вариант машины IBM 704 отличалась высокой
скоростью работы, в ней 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.
В 1956 г. фирмой IBM были
разработаны плавающие магнитные головки на воздушной подушке. Изобретение их
позволило создать новый тип памяти - дисковые 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 10000 знаков каждая.
Вслед за первым серийным компьютером UNIVAC -
1 фирма Remington - Rand в 1952 г. выпустила ЭВМ UNIVAC -
1103, которая работала в 50 раз быстрее. Позже в компьютере UNIVAC - 1103 впервые были применены программные прерывания.
Сотрудники фирмы Remington
- Rand использовали
алгебраическую форму записи алгоритмов под названием ’’
Short Cocle ’’ ( первый
интерпретатор, созданный в 1949 г. Джоном Маучли ). Кроме того, необходимо
отметить офицера ВМФ США и руководителя группы программистов, в то время
капитана ( в дальнейшем единственная женщина в ВМФ- адмирала ) Грейс Хоппер,
которая разработала первую программу- компилятор А- О. (Кстати, термин " компилятор
" впервые ввела Г. Хоппер в 1951 г. ). Эта
компилирующая программа производила трансляцию на машинный язык всей программы,
записанной в удобной для обработки алгебраической форме.
Фирма
IBM также сделала первые шаги в области автоматизации программирования,
создав в 1953 г. для машины IBM 701 "
Систему
быстрого кодирования ". В нашей стране А. А.
Ляпунов предложил один из первых языков программирования. В 1957 г. группа под
руководством Д. Бэкуса завершила работу над ставшим в последствии популярным
первым языком программирования высокого уровня, получившим название ФОРТРАН.
Язык, реализованный впервые на ЭВМ IBM 704, способствовал
расширению сферы применения компьютеров.
В
Великобритании в июле 1951 г. на конференции в Манчестерском университете М.
Уилкс представил доклад " Наилучший метод
конструирования автоматической машины", который стал пионерской
работой по основам микропрограммирования. Предложенный им метод проектирования
устройств управления нашел широкое применение.
Свою
идею микропрограммирования М. Уилкс реализовал в 1957 г. при создании машины EDSAC-2.
М. Уилкс совместно с Д. Уиллером и С. Гиллом в 1951 г. написали первый учебник
по программированию " Составление программ для электронных счетных машин
" (русский перевод- 1953 г.).
В
1951 г. фирмой Ferranti начат серийный выпуск машины " Марк-1". А
через 5 лет фирма Ferranti выпустила ЭВМ ’’
Pegasus ’’, в
которой впервые нащла 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.
В
нашей стране в 1948 г. проблемы развития вычислительной техники становятся
общегосударственной задачей. Развернулись работы по созданию серийных ЭВМ
первого поколения.
В
1950 г. в Институте точной механики и вычислительной техники ( ИТМ и ВТ )
организован отдел цифровых ЭВМ для разработки и создания большой ЭВМ. В 1951 г.
здесь была спроектирована машина БЭСМ ( Большая Электронная Счётная Машина ), а
в 1952 г. началась её опытная эксплуатация.
В
проекте вначале предполагалось применить память на трубках Вильямса, но до 1955
г. в качестве элементов памяти в ней использовались ртутные линии
задержки. По тем временам БЭСМ
была весьма производительной машиной - 800 оп / с. Она имела
трёхадресную систему команд, а для упрощения программирования широко применялся
метод стандартных программ, который в дальнейшем положил начало модульному
программированию, пакетам прикладных программ. Серийно машина стала выпускаться
в 1956 г. под названием БЭСМ - 2.
В
этот же период в КБ, руководимом М. А . Лесечко, началось проектирование другой
ЭВМ, получившей название ’’ Стрела ’’.
Осваивать серийное производство этой машины было поручено московскому заводу
САМ. Главным конструктором стал Ю. А. Базилевский, а одним из его помощников - Б. И. Рамеев, в дальнейшем конструктор
серии ’’ Урал ’’. Проблемы серийного производства предопределили
некоторые особенности ’’ Стрелы ’’ : невысокое по сравнению с БЭСМ быстродействие,
просторный монтаж и т. д. В машине в качестве внешней памяти применялись 45 -
дорожечные магнитные ленты, а
оперативная память - на трубках Вильямса. ’’ Стрела ’’ имела
большую разрядность и удобную систему команд.
Первая
ЭВМ ’’ Стрела ’’ была установлена в отделении прикладной
математики Математического института АН
( МИАН ), а в конце 1953 г. началось серийное её производство.
В
лаборатории электросхем энергетического института под руководством И. С.
Брука в 1951 г. построили макет
небольшой ЭВМ первого поколения под
названием М-1.
В
следующем году здесь была созлана вычислительная машина М - 2, которая положила
начало созданию экономичных машин среднего класса. Одним из ведущих разработчиков данной машины был М. А. Карцев, внёсший впоследствии большой
вклад в развитие отечественной вычислительной техники. В машине М - 2
использовались 1879 ламп, меньше, чем в ’’ Стреле ’’, а средняя
производительность составляла 2000 оп / с. Были задействованы 3 типа памяти :
электростатическая на 34 трубках Вильямса, на магнитном барабане и на магнитной
ленте с использованием обычного для того времени магнитофона МАГ - 8.
В
1955 - 1956 г.г. коллектив лаборатории выпустил малую ЭВМ М - 3 с
быстродействием 30 оп / с и оперативной
памятью на магнитном барабане. Особенность М - 3 заключалась в том, что для центрального устройства управления был использован асинхронный принцип работы. Необходимо
отметить, что в 1956 г. коллектив И. С. Брука
выделился из состава энергетического института и образовал Лабораторию
управляющих машин и систем, ставшую впоследствии Институтом электронных
управляющих машин ( ИНЭУМ ).
Ещё
одна разработка малой вычислительной машины под названием ’’ Урал ’’ была
закончена в 1954 г. коллективом сотрудников под руководством Рамеева.. Эта
машина стала родоначальником целого семейства ’’ Уралов ’’, последняя серия которых ( ’’ Урал -16 ’’ ),
была выпущена в 1967 г. Простота машины, удачная конструкция, невысокая
стоимость обусловили её широкое применение.
В
1955 г. был создан Вычислительный центр Академии наук, предназначенный для
ведения научной работы в области машинной математики и для предоставления открытого вычислительного обслуживания
другим организациям Академии.
Во
второй половине 50 - х г.г. в нашей стране
было выпущено ещё 8 типов машин по
вакуумно - ламповой технологии. Из них наиболее удачной была ЭВМ М - 20, созданная под руководством С. А.
Лебедева, который в 1954 г. возглавил
ИТМ и ВТ.
Машина
отличалась высокой производительностью ( 20 тыс. оп / с ), что было
достигнуто использованием совершенной
элементной базы и соответствующей функционально - структурной организации. Как
отмечают А. И. Ершов и М. Р. Шура - Бура, ’’ эта солидная основа
возлагала большую ответственность на разработчиков, поскольку машина, а более
точно её архитектуре, предстояло воплотиться в нескольких крупных сериях ( М -
20, БЭСМ - 3М, БЭСМ - 4, М - 220, М - 222 ) ’’. Серийный выпуск ЭВМ М - 20 был начат в 1959 г.. В
1958 г. под руководством В. М. Глушкова
( 1923 - 1982) в Институте кибернетики АН Украины была создана вычислительная
машина ’’ Киев ’’, имевшая производительность 6 - 10 тыс. оп / с. ЭВМ
Киев ’’ впервые в нашей стране использовалась для
дистанционного управления технологическими процессами.
В то
же время в Минске под руководством Г. П. Лопато и В. В. Пржиялковского начались работы по созданию первой машины
известного в дальнейшем семейства ’’ Минск - 1 ’’. Она
выпускалась минским заводом вычислительных машин в различных модификациях : ’’
Минск - 1 ’’, ’’ Минск - 11 ’’, ’’ Минск
- 12 ’’, ’’ Минск - 14 ’’. Машина широко
использовалась в вычислительных центрах нашей страны. Средняя
производительность машины составляла 2 - 3 тыс. оп / с.
При
рассмотрении техники компьютеров первого поколения, необходимо особо
остановиться на одном из устройств ввода - вывода. С начала появления первых
компьютеров выявилось противоречие между высоким быстродействием центральных
устройств и низкой скоростью работы внешних устройств. Кроме того, выявилось
несовершенство и неудобство этих устройств.
Первым
носителем данных в компьютерах, как известно, была перфокарта. Затем появились
перфорационные бумажные ленты или просто перфоленты. Они пришли из телеграфной
техники после того, как в начале XIX в. отец и сын из Чикаго
Чарлз и Говард Крамы изобрели телетайп. Перфоленты стали заменять
перфокарты в табуляторах, а затем в
первых компьютерах - в релейных машинах Д. Штибитца и Г. Айкена, в английских
машинах ’’ Колосс ’’ из
Блетчи - Парка и др.
Первые
нововведения в системах ввода - вывода были отмечены в машине ’’ Whirlwind - 1 ’’ Идспользовались 2 устройства :
электронно - лучевая
| |
|
|
