Полная версия

Главная arrow Информатика

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

История развития вычислительной техники

У древнего человека был свой счетный инструмент — десять пальцев на руках. Загибал человек пальцы — складывал, разгибал — вычитал. И человек догадался: для счета можно использовать все, что попадется под руку, — камешки, палочки, косточки. Потом стали завязывать узелки на веревке, делать зарубки на палках и дощечках (рис. 1.1).

а б

Рис. 1.1. Узелки (а) и зарубки на дощечках (б)

Период абака. Абаком (гр. abax — доска) называлась дощечка, покрытая слоем пыли, на которой острой палочкой проводились линии и в полученных колонках размещались какие-нибудь предметы по позиционному принципу. В V—IV вв. до н. э. были созданы древнейшие из известных счетов — «саламинская доска» (по названию острова Саламин в Эгейском море), которая у греков и в Западной Европе называлась «абак». В Древнем Риме абак появился в V—VI вв. н. э. и назывался calculi или abakuli. Изготавливался абак из бронзы, камня, слоновой кости и цветного стекла. До нашего времени сохранился бронзовый римский абак, на котором камешки передвигались в вертикально прорезанных желобках (рис. 1.2).

Абак

Рис. 1.2. Абак

В XV—XVI вв. в Европе был распространен счет на линиях или счетных таблицах с укладываемыми на них жетонами.

В XVI в. появились русские счеты с десятичной системой счисления. В 1828 г. генерал-майор Ф. М. Свободской выставил на обозрение оригинальный прибор, состоящий из множества счетов, соединенных в общей раме (рис. 1.3). Все операции сводились к действиям сложения и вычитания.

Русские счеты

Рис. 1.3. Русские счеты

Период механических устройств. Этот период продолжался от начала XVII до конца XIX в.

В 1623 г. Вильгельм Шиккард описал устройство счетной машины, в которой были механизированы операции сложения и вычитания. В 1642 г. французский механик Блез Паскаль сконструировал первую механическую счетную машину — «Паскалину» (рис. 1.4).

В 1673 г. немецким ученым Гофтридом Лейбницем была создана первая механическая вычислительная машина, выполняв-

Счетная машина «Паскалина»

Рис. 1.4. Счетная машина «Паскалина»

шая четыре арифметических действия (сложение, вычитание, умножение и деление). В 1770 г. в Литве Е. Якобсон создал суммирующую машину, определяющую частное и способную работать с пятизначными числами.

В 1801 — 1804 гг. французский изобретатель Ж. М. Жаккар впервые использовал перфокарты для управления автоматическим ткацким станком.

В 1823 г. английский ученый Чарлз Бэббидж разрабатывает проект «Разностной машины», предвосхитившей современную программно-управляемую автоматическую машину (рис. 1.5).

В 1890 г. житель Петербурга Вильгодт Однер изобрел арифмометр и наладил их выпуск. К 1914 г. в одной только России насчитывалось более 22 тыс. арифмометров Однера. В первой четверти XX в. эти арифмометры были единственными математическими машинами, широко применявшимися в различных областях человеческой деятельности (рис. 1.6).

Машина Бэббиджа Рис. 1.6. Арифмометр

Рис. 1.5. Машина Бэббиджа Рис. 1.6. Арифмометр

Период ЭВМ. Этот период начался в 1946 г. и продолжается в настоящее время. Он характеризуется соединением достижений в области электроники с новыми принципами построения вычислительных машин.

В 1946 г. под руководством Дж. Моучли и Дж. Эккерта в США была создана первая ЭВМ — «ЭНИАК» (ENIAC) (рис. 1.7). Она имела следующие характеристики: длина 30 м, высота 6 м, вес 35 т, 18 тыс. вакуумных ламп, 1500 реле, 100 тыс. сопротивлений и конденсаторов, 3500 оп/с. Тогда же эти ученые начали работу над новой машиной — «ЭДВАК» (EDVAC — Electronic

Электронная вычислительная машина «ЭНИАК»

Рис. 1.7. Электронная вычислительная машина «ЭНИАК»

Discret Variable Automatic Computer — электронный автоматический вычислитель с дискретными переменными), программа которой должна была храниться в памяти компьютера. В качестве внутренней памяти предполагалось использовать ртутные трубки, применявшиеся в радиолокации.

В 1949 г. в Великобритании была построена ЭВМ «EDSAC» с хранимой в памяти программой.

Появление первых ЭВМ до сих пор вызывает споры. Так, немцы считают первой ЭВМ машину для артиллерийских расчетов, созданную Конрадом Цузе в 1941 г., хотя она работала на электрических реле и была, таким образом, не электронной, а электромеханической. Для американцев — это «ЭНИАК» (1946 г., Дж. Моучли и Дж. Эккерт). Болгары считают изобретателем ЭВМ Джона (Ивана) Атанасова, сконструировавшего в 1941 г. в США машину для решения систем алгебраических уравнений.

Англичане, порывшись в секретных архивах, заявили, что первый электронный компьютер был создан в 1943 г. в Англии и предназначался для расшифровки переговоров немецкого высшего командования. Это оборудование считалось настолько секретным, что после войны оно было уничтожено по приказу Черчилля, а чертежи сожжены, чтобы секрет не попал в чужие руки.

Секретную повседневную переписку немцы вели с помощью шифровальных машинок «Энигма» (лат. enigma — загадка). К началу Второй мировой войны англичане уже знали, как работает «Энигма», и искали способы расшифровки ее посланий, но у немцев появилась еще одна шифровальная система, предназначенная только для самых важных сообщений. Это была изготовленная фирмой «Лоренц» в небольшом количестве экземпляров машина «Шлюссельцузатц-40» (название переводится как «шифровальная приставка»). Внешне она представляла собой гибрид обычного телетайпа и механического кассового аппарата. Текст, набиравшийся на клавиатуре, телетайп переводил в последовательность электрических импульсов и пауз между ними (каждой букве соответствует набор из пяти импульсов и «пустых мест»). В «кассовом аппарате» вращались два комплекта по пять зубчатых колесиков, которые случайным образом добавляли к каждой букве еще два набора по пять импульсов и пропусков. Колесики имели разное количество зубцов, и это количество можно было менять: зубцы были сделаны подвижными, их можно было сдвигать в сторону либо выдвигать на место. Имелось еще два «моторных» колесика, каждое из которых вращало свой комплект зубчаток.

В начале передачи зашифрованного послания радист сообщал адресату исходное положение колесиков и число зубцов на каждом из них. Эти установочные данные менялись перед каждой передачей. Выставив такие же наборы колесиков в таком же положении на своей машине, принимавший радист добивался того, что лишние буквы автоматически вычитались из текста, и телетайп печатал исходное сообщение.

В 1943 г. математиком Максом Ньюменом в Англии была разработана электронная машина «Колоссус». Колесики машины моделировались 12 группами электронных ламп — тиратронов. Автоматически перебирая разные варианты состояний каждого тиратрона и их сочетаний (тиратрон может находиться в двух состояниях — пропускать или не пропускать электрический ток, т. е. давать импульс или паузу), «Колоссус» разгадывал начальную установку шестеренок немецкой машины. Первый вариант «Колоссуса» имел 1500 тиратронов, а второй, заработавший в июне 1944 г., — 2500. За час машина «проглатывала» 48 км перфоленты, на которую операторы набивали ряды единиц и нулей из немецких посланий, в секунду обрабатывалось 5000 букв. Эта ЭВМ имела память, основанную на заряжавшихся и разряжавшихся конденсаторах. Она позволила читать сверхсекретную переписку Гитлера, Кессельринга, Роммеля и т. д.

Примечание. Современный компьютер разгадывает начальное положение колесиков «Шлюссельцузатц-40» вдвое медленнее, чем это делал «Колоссус», так, задача, которая в 1943 г. решалась за 15 мин, занимает у ПЭВМ «Репйит» 18 ч! Дело в том, что современные компьютеры задуманы как универсальные, предназначенные для выполнения самых разных задач, и не всегда могут состязаться со старинными ЭВМ, умевшими делать только одно действие, зато очень быстро.

Первая отечественная электронная вычислительная машина МЭСМ была разработана в 1950 г. Она содержала более 6000 электронных ламп. К этому поколению ЭВМ можно отнести: «БЭСМ-1», «М-1», «М-2», «М-3», «Стрела», «Минск-1», «Урал-1», «Урал-2», «Урал-3», «М-20», «Сетунь», «БЭСМ-2», «Раздан» (табл. 1.1). Быстродействие их не превышало 2—3 тыс. оп/с, емкость оперативной памяти — 2 К или 2048 машинных слов (1 К = 1024) длиной 48 двоичных знаков.

Таблица 1.1. Характеристики отечественных ЭВМ

Характери

стика

Первое поколение

Второе поколение

БЭСМ-1

М-2

Стрела

БЭСМ-2

М-20

Урал-2,

Урал-4

Минск-12,

Минск-14

Адресность

3

3

3

3

3

1

2

Длина ма-

39

34

43

39

45

40

31

шинного ело-

ва (двоичные разряды)

Быстродейст-

8000-

3000

2000

10 000

20 000

5000

2000

вис, оп/с

10 000

ОЗУ, тип,

ЭЛТ 1024

ЭЛТ 512

ЭЛТ 2048

Ферритовый сердечник

емкость

(слов)

4096

4096

2048

2048

ВЗУ, тип,

НМЛ

НМЛ

НМЛ

НМЛ

НМЛ

НМЛ

НМЛ

емкость

120 тыс.

50 тыс.

200 тыс.

200 тыс.

300 ТЫС.

3,1 млн

3,1 МЛН

(слов)

НМБ

НМБ

НМБ

НМБ

НМБ

НМБ

512

512

12 тыс.

12 тыс.

64 тыс.

64 тыс.

Около половины всего объема данных в информационных системах мира хранится на больших ЭВМ. Для этих целей фирма 1ВМ еще в 1960-х гг. начала выпускать вычислительные машины 1ВМ/360, 1ВМ/370 (рис. 1.8), которые получили широкое распространение в мире.

С появлением первых вычислительных машин в 1950 г. возникла идея использования вычислительной техники для целей управления технологическими процессами. Управление на базе ЭВМ позволяет поддерживать параметры процесса в режиме, близком к оптимальному. В результате сокращается расход материалов, энергии, повышается производительность и качество, обеспечивается быстрая перестройка оборудования на выпуск продукции другого вида.

ЭВМ IBM 360

Рис. 1.8. ЭВМ IBM 360

Пионером промышленного использования управляющих ЭВМ за рубежом явилась фирма Digital Equipment Corp. (DEC), которая выпустила в 1963 г. для управления ядерными реакторами специализированную ЭВМ «PDP-5». Исходными данными служили измерения, получаемые в результате аналого-цифрового преобразования, точность которых составляла 10—11 двоичных разрядов. В 1965 г. фирма DEC выпускает первую миниатюрную ЭВМ «PDP-8» размером с холодильник и стоимостью 20 тыс. долл., в качестве элементной базы которой были использованы интегральные схемы.

До появления интегральных схем транзисторы изготовлялись по отдельности, и при сборке схем их приходилось соединять и паять вручную. В 1958 г. американский ученый Джек Килби придумал, как на одной пластине полупроводника получить несколько транзисторов. В 1959 г. Роберт Нойс (будущий основатель фирмы Intel) изобрел более совершенный метод, позволивший создавать на одной пластине и транзисторы, и все необходимые соединения между ними. Полученные электронные схемы стали называться интегральными схемами, или чипами. В дальнейшем количество транзисторов, которое удавалось разместить на единицу площади интегральной схемы, увеличивалось каждый год приблизительно вдвое. В 1968 г. фирма Burroughs выпустила первый компьютер на интегральных схемах, а в 1970 г. фирма Intel начала продавать интегральные схемы памяти.

В 1970 г. был сделан еще один шаг на пути к персональному компьютеру — Маршиан Эдвард Хофф из фирмы Intel сконструировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большой ЭВМ. Так появился первый микропроцессор Intel-4004, который поступил в продажу в конце 1970 г. Конечно, возможности Intel-4004 были куда скромнее, чем у центрального процессора большой ЭВМ, — он работал гораздо медленнее и мог обрабатывать одновременно только 4 бита информации (процессоры больших ЭВМ обрабатывали 16 или 32 бита одновременно). В 1973 г. фирма Intel выпустила 8-битовый микропроцессор Intel-8008, а в 1974 г. — его усовершенствованную версию Intel-8080, которая до конца 1970-х гг. была стандартом для микрокомпьютерной индустрии (табл. 1.2).

Таблица 1.2. Поколения ЭВМ и их основные характеристики

Поколение

ЭВМ

Первое

(1946-1954)

Второе

(1955-1964)

Третье

(1965-1974)

Четвертое (с 1975 г.)

Элементная база ЭВМ

Электронные лампы, реле

Транзисторы,

параметроны

ИС, БИС

Сверхбольшие ИС (СБИС)

Производительность центрального процессора

До 3 • 105 оп/с

До 3 • 106 оп/с

До 3 • 107 оп/с

Более

3 • 107 оп/с

Тип оперативной памяти (ОП)

Триггеры,

ферритовые

сердечники

Миниатюрные

ферритовые

сердечники

Полупроводниковая на

БИС

Полупроводниковая на

СБИС

Объем ОП

До 64 Кб

До 512 Кб

До 16 Мб

Более 16 Мб

Характерные типы ЭВМ

поколения

Малые, средние, большие, специальные

Большие,

средние,

мини- и мик-роЭВМ

СуперЭВМ,

ПК, специальные, общие, сети ЭВМ

Типичные модели поколения

ЕЭБАС,

ЕГПАС,

1ЛЧ1УАС,

БЭСМ

RCA-501,

IBM 7090, БЭСМ-6

1ВМ/360,

РЭР, УАХ,

ЕС ЭВМ,

СМ ЭВМ

1ВМ/360,

БХ-2, 1ВМ РС/ХТ/АТ, РБ/2, Сгау, сети

Характерное

программное

обеспечение

Коды, автокоды, ассемблеры

Языки программирования, диспетчеры, АСУ, АСУТП

ППП, СУБД, САПРы, ЯВУ, операционные

системы

БД, ЭС, системы параллельного программирования

Поколения ЭВМ определяются элементной базой (лампы, полупроводники, микросхемы различной степени интеграции (рис. 1.9)), архитектурой и вычислительными возможностями (табл. 1.3).

Таблица 1.3. Особенности поколений ЭВМ

Поколение

Особенности

I поколение (1946-1954)

Применение вакуумно-ламповой технологии, использование систем памяти на ртутных линиях задержки, магнитных барабанах, электронно-лучевых трубках. Для ввода-вывода данных применялись перфоленты и перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства

II поколение (1955-1964)

Использование транзисторов. Компьютеры стали более надежными, быстродействие их повысилось. С появлением памяти на магнитных сердечниках цикл ее работы уменьшился до десятков микросекунд. Главный принцип структуры — централизация. Появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, устройства памяти на магнитных дисках

III поколение (1965-1974)

Компьютеры проектировались на основе интегральных схем малой степени интеграции (МИС от 10 до 100 компонентов на кристалл) и средней степени интеграции (СИС от 10 до 1000 компонентов на кристалл). В конце 1960-х гг. появились мини-компьютеры. В 1971 г. появился первый микропроцессор

IV поколение (с 1975 г.)

Использование при создании компьютеров больших интегральных схем (БИС от 1000 до 100 тыс. компонентов на кристалл) и сверхбольших интегральных схем (СБИС от 100 тыс. до 10 млн компонентов на кристалл). Главный акцент при создании компьютеров сделан на их «интеллектуальности», а также на архитектуре, ориентированной на обработку знаний

а б в

Рис. 1.9. Элементная база ЭВМ: а — электронная лампа; б — транзистор;

в — интегральная микросхема

Первым микрокомпьютером был «Altair-8800», созданный в 1975 г. небольшой компанией в Альбукерке (штат Нью-Мексико) на основе микропроцессора Intel-8080. В конце 1975 г. Пол Аллен и Билл Гейтс (будущие основатели фирмы Microsoft) создали для компьютера «Altair» интерпретатор языка Basic, что позволило пользователям достаточно просто писать программы.

Впоследствии появились компьютеры «TRS-80 РС», «РЕТ РС» и «Apple» (рис. 1.10).

Компьютер «Apple»

Рис. 1.10. Компьютер «Apple»

Отечественная промышленность выпускала DEC-совмести-мые (диалоговые вычислительные комплексы ДВК-1, ..., ДВК-4 на основе ЭВМ «Электроника МС-101», «Электроника 85», «Электроника 32») и IBM PC-совместимые (ЕС 1840 — ЕС 1842, ЕС 1845, ЕС 1849, ЕС 1861, Искра 4861), существенно уступавшие по своим характеристикам вышеназванным.

В последнее время широко известны персональные компьютеры, выпускаемые фирмами США: Compaq Computer, Apple (Macintosh), Hewlett Packard, Dell, DEC; фирмами Великобритании: Spectrum, Amstard; фирмой Франции Micra; фирмой Италии Olivetty; фирмами Японии: Toshiba, Panasonic, Partner.

Наибольшей популярностью в настоящее время пользуются персональные компьютеры фирмы IBM (International Business Machines Corporation).

В 1983 г. появился компьютер IBM PC XT со встроенным жестким диском, а в 1985 г. компьютер IBM PC АТ на основе 16-разрядного процессора Intel 80286 (рис. 1.11).

В 1989 г. разработан процессор Intel 80486 с модификациями 486SX, 486DX, 486DX2 и 486DX4. Тактовые частоты процессоров 486DX в зависимости от модели равны 33, 66 и 100 МГц.

Новое семейство моделей ПК IBM получило название PS/2 (Personal System 2). Первые модели семейства PS/2 использовали процессор Intel 80286 и фактически копировали ПК АТ, но на базе иной архитектуры.

В 1993 г. появились процессоры Pentium с тактовой частотой 60 и 66 МГц.

В 1994 г. фирма Intel стала производить процессоры Pentium с тактовой частотой 75, 90 и 100 МГц. В 1996 г. тактовая частота процессоров Pentium выросла до 150, 166 и 200 МГц (рис. 1.12).

CD-ROM

Системный

блок

Манипулятор типа «мышь»

Рис. 1.12. Конфигурация мультимедийного компьютера

В 1997 г. фирма Intel выпустила новый процессор Pentium MMX с тактовыми частотами 166 и 200 МГц. Аббревиатура ММХ означала, что данный процессор оптимизирован для работы с графической и видеоинформацией. В 1998 г. фирма Intel объявила о выпуске процессора Celeron с тактовой частотой 266 МГц.

С 1998 года фирма Intel анонсировала версию процессора Pentium® II Хеоп™ с тактовой частотой 450 МГц (табл. 1.4).

Таблица 1.4. Компьютеры фирмы IBM

Тип

компьютера

Процессор

Тактовая частота, МГц

Объем

оперативной

памяти

Год

выпуска

IBM PC XT

18086 (8088)

5

640 Кб

1981

То же

I80286

20

2 Мб

1982-1983

«

I80386

30-40

8 Мб

1984-1987

«

180486

40-60

16 Мб

1988-1991

«

Pentium

(MMX)

90-200

64 Мб

1992-1996

IBM PC AT/ATX

Pentium 2

200-400

512 Мб

1997-1998

IBM PC ATX

Pentium 3

700-1000

1 Гб

1999-2000

To же

Pentium 4

1000-3000

2 Гб

С 2001

Долгое время производители процессоров — прежде всего Intel и AMD для повышения производительности процессоров повышали их тактовую частоту. Однако при тактовой частоте более 3,8 ГГц чипы перегреваются и о выгоде можно забыть. Потребовались новые идеи и технологии, одной из которых и стала идея создания многоядерных чипов. В таком чипе параллельно работают два процессора и более, которые при меньшей тактовой частоте обеспечивают большую производительность. Исполняемая в данный момент программа делит задачи по обработке данных на оба ядра. Это дает максимальный эффект, когда и операционная система, и прикладные программы рассчитаны на параллельную работу, как, например, для обработки графики.

Многоядерная архитектура — это вариант архитектуры процессоров, предполагающий размещение двух или более «исполняющих», или вычислительных, ядер Pentium® в одном процессоре. Многоядерный процессор вставляется в процессорный разъем, но операционная система воспринимает каждое из его исполняющих ядер как отдельный логический процессор, обладающий всеми соответствующими исполняющими ресурсами (рис. 1.13).

В основе такой реализации внутренней архитектуры процессора лежит стратегия «разделяй и властвуй». Иначе говоря, разде-

Структура типового многоядерного процессора

Рис. 1.13. Структура типового многоядерного процессора

ляя вычислительную работу, выполняемую в традиционных микропроцессорах одним ядром Pentium, между несколькими исполнительными ядрами Pentium, многоядерный процессор может выполнять больше работы за конкретный интервал времени. Для этого программное обеспечение (ПО) должно поддерживать распределение нагрузки между несколькими исполнительными ядрами. Эта функциональность называется параллелизмом на уровне потоков, или организацией поточной обработки, а поддерживающие ее приложения и операционные системы (такие, как Microsoft Windows ХР) называются многопоточными.

Многоядерность влияет и на одновременную работу стандартных приложений. Например, одно ядро процессора может отвечать за программу, работающую в фоновом режиме, в то время как антивирусная программа занимает ресурсы второго ядра. На практике двухъядерные процессоры не производят вычисления в два раза быстрее одноядерных: хотя прирост быстродействия и оказывается значительным, но при этом он зависит от типа приложения.

Первые двухъядерные процессоры появились на рынке в 2005 г. Со временем у них появлялось все больше преемников. Поэтому «старые» двухъядерные процессоры сегодня серьезно подешевели. Их можно найти в компьютерах ценой от 600 долл, и ноутбуках ценой от 900 долл. Компьютеры с современными двухъядерными чипами стоят примерно на 100 долл, дороже, чем модели, оснащенные «старыми» чипами. Один из главных разработчиков многоядерных процессоров — корпорация Intel.

Перед появлением двухъядерных чипов изготовители предлагали одноядерные процессоры с возможностью параллельного выполнения нескольких программ. Некоторые процессоры серии Pentium 4 имели функцию Hyper-Threading, возвращающую значение в байтах и содержащую логический и физический идентификаторы текущего процесса. Ее можно рассматривать как предшественницу архитектуры Dual-Core, состоящей из двух оптимизированных мобильных исполнительных ядер. Dual-Core означает, что в то время, пока одно ядро занято запуском приложения, или, например, проверкой на вирусную активность, другое ядро будет доступно для выполнения иных задач, например, пользователь сможет путешествовать по Интернету или работать с таблицей. Хотя у процессора было одно физическое ядро, чип был сконструирован так, что мог исполнять две программы одновременно (рис. 1.14).

Панель управления

ОСРВ QNX Neutrino (одна копия)

Ядро 0

Ядро 1

Интерфейс командной строки (ядра 0 и 1)

Маршрутизация (ядра 0 и 1)

Управление, администрирование и техническое обслуживание (ядра 0 и 1)

Аппаратное обеспечение информационной панели

Мониторинг информационной панели (ядра 0 и 1)

Рис. 1.14. Схема использования многопроцессорной обработки

в панели управления

Операционная система распознает такой чип как два отдельных процессора. Обычные процессоры обрабатывают 32 бита за один такт. Новейшие чипы успевают обработать за один такт вдвое больше данных, т. е. 64 бита. Это преимущество особенно заметно при обработке больших объемов данных (например, при обработке фотографий). Но для того чтобы им воспользоваться, операционная система и приложения должны поддерживать именно 64-битный режим обработки.

Под специально разработанными 64-битными версиями Windows ХР и Windows Vista в зависимости от необходимости запускаются 32- и 64-битные программы.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>