LOGO Лекция 8 История

LOGO Лекция 8 История вычислительной История науки и есть сама наука. И. Гете техники

Contents История компьютеров невелика: лишь в 40 е годы прошлого столетия было положено начало созданию вычислительной машины современной архитектуры и с современной логикой. Компьютер проделал в своем развитии и совершенствовании такой стремительный путь, с каким не сравнится ни одно другое изобретение человека. История технических открытий и изобретений только с первого взгляда кажется цепью случайных озарений, результатом усилий гениальных одиночек, творящих по внутреннему побуждению. Кроме внутреннего побуждения талантливых изобретателей, есть еще потребности общественного развития. Они то и определяют в конечном счете судьбу технического изобретения. Нужны материальные предпосылки и соответствующие социально экономические условия, чтобы техническая новинка получила «права гражданства» . Современные вычислительные машины представляют одно из самых значительных достижений человеческой мысли, влияние которого на развитие научно технического прогресса трудно переоценить. Области применения ЭВМ непрерывно расширяются. Этому в значительной степени способствует распространение персональных ЭВМ, и особенно микро. ЭВМ. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 2

Contents Вычислительная техника: • область техники, объединяющая средства автоматизации математических вычислений и обработки информации в различных областях человеческой деятельности; • наука о принципах построения, действия и проектирования этих средств. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 3

Contents По признаку физической формы представления обрабатываемой информации различают: • аналоговые. В аналоговых средствах вычислительной техники аналоговые обработке подвергаются физические величины, которые в определенном непрерывном диапазоне моделируют математические величины. (логарифмическая линейка). • цифровые. В цифровых средствах вычислительной техники цифровые обработке подвергаются цифровые (дискретные) коды математических величин. Счетная механическая машина Паскаля, аналитическая машина Бэббиджа, счетные устройства П. Л. Чебышева и В. Т. Однера. • аналого цифровые (гибридные) средства вычислительной техники. аналого цифровые Гибридные вычислительные машины характеризуются глубоким взаимным проникновением цифровых и аналоговых схем и работой их в едином вычислительном процессе с целью использования преимуществ цифровой и аналоговой вычислительной техники. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 4

8. 1 РУЧНЫЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ВЫЧИСЛЕНИЙ История вычислительной техники началась едва ли не раньше, чем окончательно сформировалась понятие числа. Потребность в поиске решений все более и более сложных задач и, как следствие, все более сложных и длительных вычислений, поставила человека перед необходимостью находить способы, изобретать приспособления, которые смогли бы ему в этом помочь. 5

8. 1. 1 Пальцевый счет Пальцы стали первой вычислительной техникой. К счету по пальцам рук восходят многие системы счисления, например пятеричная (одна рука), десятеричная (две руки), двадцатеричная (пальцы рук и ног), сорокаричная (суммарное число пальцев рук и ног у покупателя и продавца). Североевропейский пальцевой счет Позволял показывать пальцами одной руки, складываемыми в различные комбинации, все числа от 1 до 100. Причем большим и указательным пальцами изображались десятки, остальными тремя единицы ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 6

Древнерусский пальцевый счет В древнерусской нумерации единицы назывались "перстами", перстами десятки "суставами", а все остальные числа "сочислениями". суставами сочислениями Русские начинают счет на пальцах, первым загибая мизинец, и заканчивают большим пальцем, обозначающим цифру 5, при этом указательный палец сопоставлялся с цифрой 4. Но когда показывают количество, выставляют указательный палец, затем средний и безымянный. Четверичная система счета основана на "перстах" руки, не Четверичная система считая большого пальца. Счет восьмерками по сути, является сочетанием двоичной и Счет восьмерками четверичной систем. Элементы восьмеричной системы существовали на Руси еще в начале XX столетия. Пальцевой счет девятками является самым распространенным русским народным способом умножения на пальцах с помощью так называемых девятериц своеобразной таблицы умножения, обозначающей девятилетние сроки человеческой жизни. . Счет десятками Русь переняла от Орды для весовых измерений и денежного счета, опередив в этом даже Европу, которая познакомилась с десятеричной системой счисления через арабов только в XIII веке. Окончательно эта система счисления прижилась в России вместе с реформами Петра 1. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 7

8. 1. 2 Фиксация счета Фиксация результатов счета производилась различными способами: • нанесение насечек, • кости, • камни, • счетные палочки, • узелки, • деревянные палочки (бирки), • четки своеобразные бусы • и др. Бусы из раковин (около 30 тысяч лет до нашей эры) одно из первых известных историкам приспособления для счета Обыкновенная кость с зарубками, получившая название «вестоницкая кость» , использовалась ими для ведения счета предположительно за 30 тыс. лет до н. э. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 8

Contents ЗАРУБКИ НА ДОСКЕ (1350 г. до нашей эры) Узелковый способ счета и хранения данных На барельефе храма использовали индейцы Майя. Кроме того, египетского фараона Сети I, система узелков выполняла также роль в Абидасе записаны на своего рода хроник и летописей, имея пальмовой ветви числа в достаточно сложную структуру. Однако виде зарубок использование ее требовало хорошей тренировки памяти. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 9

8. 1. 3 Средства ручных вычислений Счетная доска Гудеа (около 2 тыс. лет до нашей эры). На коленях статуи шумерского царя Гудеа правителя Лагаша установлена доска, на которой вырезана масштабная линейка в половину локтя вавилонского царя. Линейка разделена на 16 равных частей, из которых вторая справа разделена на 6, четвертая на 5, шестая на 4, восьмая на 3 и десятая на 2 равные части. Наименьшие деления около миллиметра ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 10

Абак (счеты) и его национальные разновидности АБАК (лат. abacus доска) счётная доска, применявшаяся для арифметических вычислений. Согласно одной из распространенных версий, оно имеет семитские корни и означает «дощечка, покрытая пылью» . Абак появился в Древнем Вавилоне около 3 тыс. до н. э. В Древнем Риме абак появился в V VI вв Представлял собой доску, н. э. , и назывался calculi или abakuli. calculi abakuli разграфленную на полосы Римляне применяли мраморные доски с или со сделанными выточенными желобками и мраморными углублениями. Счетные марки шариками. Изготовлялся абак также из (камешки, косточки) бронзы, камня, слоновой кости и передвигались по линиям или цветного стекла. углублениям. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 11

Китайская разновидность абака СУАНПАНЬ появилась в V VI веке н. э. Суаньпань представляет собой прямоугольную раму, в которой параллельно другу протянуты проволоки числом от девяти и более; перпендикулярно этому направлению суаньпань перегорожен на две неравные части. В большом отделении("земля") на каждой проволоке нанизано по пять шариков, в меньшем("небо") по два. Шарики в «земле» это как бы пять пальцев руки, а шарики в «небе» две руки. Проволоки это десятичные разряды: единицы, десятки и так далее. СОРОБАН (серобоян) японский абак, происходит от китайского суаньпаня, который был завезен в Японию в XV XVI веках. Соробан проще своего предшественника, у него на "небе" на один шарик меньше, чем у суаньпаня ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 12

РУССКИЙ ЩОТ На Руси долгое время считали по косточкам, раскладываемым в кучки. Многовековой путь совершенствования абака привел к созданию счетного прибора законченной классической формы, используемого вплоть до эпохи расцвета клавишных настольных ЭВМ, мы его называем "счеты". Примерно с XV века получил распространение "дощатый счет". "Дощатый счет" почти не отличался от обычных счетов и представлял собой рамку с укрепленными горизонтальными веревочками, на которые были нанизаны просверленные сливовые или вишневые косточки. Похожее на абак устройство стало называться «РУССКИЙ ЩОТ» . ЩОТ СЧЕТЫ это простое механическое устройство для произведения арифметических расчётов, являющееся одним из первых вычислительных устройств. Счёты представляют собой рамку с укрепленными горизонтальными веревками, на которые были нанизаны просверленные сливовые или вишневые косточки. Эта рамка разбивалась сначала на четыре, а затем на два счетных поля. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 13

Contents Долгое время считалось, что русские счеты ведут свое происхождение от китайского суаньпаня, и лишь в начале 50 х годов ленинградский ученый И. Г. Спасский убедительно показал оригинальное русское происхождение этого счетного прибора — у него: во первых, горизонтальное расположение спиц с косточками во вторых, для представления чисел использована десятичнаая (а не пятеричная) система счисления. В XVII веке этот прибор обрел вид привычных русских счетов. В "Переписной книге деловой казны" Патриарха Никона (1658 г). встречается слово "счоты", в это время в Росси счеты уже изготавливались для продажи. 1860 г. А. Н. Больман создает вариант русских счетов, конструкция которых была сориентирована на серийное производство. В этих устройствах при наборе чисел, над которыми производятся действия (сложение и вычитание), одновременно осуществляется и перенос десятков, но только в соседний разряд ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 14

Contents Русские счеты широко использовались при начальном обучении арифметике в качестве учебного пособия. Благодаря французскому математику Ж. Пон селе, который познакомился со счетами, будучи военнопленным офицером наполеоновской армии, аналогичный прибор появился во французских школах, а затем и в некоторых других странах Европы. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 15

8. 1. 4 Ручные устройства аналитических вычислений Открытие в начале XVII в логарифмов и логарифмических таблиц шотландским математиком Джоном Непером (1550 1617), позволивших заменять умножение и деление соответственно сложением и вычитанием, явилось следующим крупным шагом в развитии вычислительных систем ручного этапа. При помощи логарифмических таблиц легко было выполнять умножение и деление больших чисел. Однако в практической работе их использование имеет ряд неудобств, поэтому Дж. Непер в 1614 г. , качестве альтернативного метода предложил специальные счетные палочки (названные впоследствии СЧЕТНЫМИ ПАЛОЧКАМИ НЕПЕРА), позволявшие производить операции НЕПЕРА умножения и деления непосредственно над исходными числами. В основу данного метода Непер положил способ умножения решеткой. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 16

Логарифмические линейки Логарифмы послужили основой создания вычислительного инструмента логарифмической линейки. В 1622 году У. Оугтред, используя принцип действия устройства Непера для облегчения выполнений действий умножения и деления, разработал логарифмическую линейку, которая в 19 20 веках стала основным инструментом инженеров. 1630 год Р. Деламейн предложил конструкцию круговой логарифмической линейки. Англичане Р. Биссакар и С. Патридж (1654 1657 гг) разработали прямоугольную логарифмическую линейку — устройство, позволяющее значительно ускорить процесс вычисления. Шкала на логарифмической линейке размечалась с помощью таблиц логарифмов. Работа логарифмической линейки основывалась на свойствах логарифмов — для умножения двух чисел достаточно сложить их логарифмы. Благодаря данному свойству, сложная операция умножения сводится к простой операции сложения. Конструкция которой в основном сохранилась до наших дней ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 17

Логарифмическая линейка двадцатого века Логарифмическая линейка аналоговое вычислительное устройство, позволяющее выполнять • умножение и деление чисел, • возведение в степень (в квадрат и куб) • вычисление логарифмов, • вычисление тригонометрических функций • другие операции Точность вычисления обычных линеек два три десятичных знака. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 18

8. 1. 5 Механические вычислительные устройства Развитие механики в XVII в. стало предпосылкой создания вычислительных устройств и приборов, использующих механический принцип вычислений. Такие устройства строились на механических элементах и обеспечивали автоматический перенос старшего разряда. Эти устройства были способны выполнять не два, а четыре арифметических действия. Почти три столетия талантливые ученые, инженеры и конструкторы создавали механические счетные машины, облегчающие выполнение четырех математических действий. Названные в начале 19 го столетия АРИФМОМЕТРАМИ (от греч. arithmos – число и metreo – измеряю), они оставались самыми популярными математическими машинами в различных сферах деятельности человека до середины ХХ в. К началу ХIХ в. с развитием промышленности и торговли, расширением финансовых операций все острее ощущалась потребность в быстрых и точных расчетах. Единичные авторские экземпляры не могли удовлетворить всевозрастающий спрос на вычислительную технику. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 19

МЕХАНИЧЕСКИЕ КАЛЬКУЛЯТОРЫ получили широкое распространение только в ХVIII веке, когда значительно возросли потребности в большом количестве сложных вычислений. . Классический механический арифмометр — настольная механическая вычислительная машина, предназначенная для точного Автоматический арифмометр с умножения и деления, а также кнопочной клавиатурой для сложения и вычитания. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 20

Антикитерский механизм 150 -100 год до н. э. Фрагменты Антикитерского механизма Антикитерский механизм (Antikythera mechanism) древняя механическая Антикитерский механизм аналоговая вычислительная машина для расчета астрономических позиций. Оперируя дисками, можно узнать точную дату и изучить положение зодиакальных созвездий относительно Солнца, Луны и пяти известных в древности планет – Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера и Сатурна. Антикитерский механизм также может производить операции сложения, вычитания и деления. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 21

Суммирующее устройство Леонардо да Винчи 1512 г Эскиз тринадцатиразрядного десятичного суммирующего устройства на основе колес с десятью зубцами был сделан Леонардо да Винчи в одном из своих дневников Это устройство что то вроде счетной машинки в основе которой находятся стержни, с одной стороны меньшее с другой большее, все стержни (всего 13) должны были располагаться таким образом, чтобы меньшее на одном стержне касалось большего на другом. Десять оборотов первого колеса должны были приводить к одному полному обороту второго, 10 второго к одному полному третьего и т. д. В 1969 году по чертежам Леонардо да Винчи американская фирма IBM по производству компьютеров в целях рекламы построила в металле машину и убедились в полной состоятельности идеи ученого. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 22

Вычислительные часы Шиккарда 1623 г. Считается, что первая машина, реализована в единственном экземпляре и предназначалась для автоматизированного выполнения четырех арифметических операций над 6 разрядными числами, была создана в 1623 году профессором математики Тюбингенского университета Вильгельмом Шиккардом Вычисляющие часы – первое механическая счетная машина, позволяющая Вычисляющие часы складывать, вычитать, делить и умножать числа. Однако, она была известна довольно узкому кругу лиц, и поэтому долгое время (почти 300 лет со дня ее изобретения) первой счетной машиной считалось изобретение Блеза Паскаля (Паскалин). Машина Шиккарда состояла из трех независимых устройств: суммирующего, множительного и записи чисел. Использованная принципиальная схема машины Шиккарда явилась классической она (или ее модификации) использовалась в большинстве последующих механических счетных машин вплоть до замены механических деталей электромагнитными ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 23

Суммирующая машин Паскаля 1642 г. Основой практически всех последующих разработок счетных устройств за 5 столетий было зубчатое колесо, разработанное великим французским математиком и философом Блеззом Паскалем. Именно Паскалю принадлежит первенство в разработке «суммирующей» машины «ПАСКАЛИН» ПАСКАЛИН ( «Паскалево колесо» ), которая кроме сложения десятичных чисел выполняла и вычитание. Машина практического применения не получила, хотя о них много говорилось и писалось. Возможно, потому что клерки, в помощь которым предназначалась машина, боялись потерять из за нее работу, а работодатели скупились покупать дорогое устройство, предпочитая дешевую рабочую силу. Идеи, заложенные в основу построения «Паскалины» , стали основой для развития вычислительной техники. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 24

Ступенчатый вычислитель Лейбница 1673 г. В 1673 году немецкий философ, математик, физик Готфрид Вильгельм Лейбниц сконструировал счетную машину, позволяющую складывать, вычитать, умножать, делить, извлекать квадратные корни, при этом использовалась изобретенная Лейбницем ДВОИЧНАЯ СИСТЕМА СЧИСЛЕНИЯ. СЧИСЛЕНИЯ Видоизмененное колесо Лейбница стало основой массовых счетных приборов арифмометров. В машине Г. Лейбница следует отметить два решения: использование ступенчатых валиков для установки чисел и передачи десятков, а также разделение машины на подвижную и неподвижную части, обеспечивающие возможность умножения многозначных чисел. Это был 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. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 25

Суммирующая машина Якобсона 1770 г. 1770 г. создается одно из первых механических вычислительных устройств суммирующая машина. Надпись, сделанная на этой машине, гласит, что она "изобретена и изготовлена евреем Евной Якобсоном, часовым мастером и механиком в городе Несвиже в Литве, Минское воеводство". Эта машина , находящаяся в настоящее время в коллекции научных инструментов Музея им. М. В. Ломоносова (Санкт Петербург), сохранилась достаточно. Интересной особенностью машины Якобсона было особое устройство, которое позволяло автоматически подсчитывать число произведенных вычитаний, иначе говоря определять частное. Наличие этого устройства, остроумно решенная проблема ввода чисел, возможность фиксации промежуточных результатов все это позволяет считать "часового мастера из Несвижа" выдающимся конструктором счетной техники. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 26

Счетное устройство Стэнхоупа 1775 г. 1775, 1777 и 1780 гг. Стэнхоуп изобрел счетные машины. Последняя машина была суммирующей и представляла собой модификацию творения Сэмюела Морленда, две другие были арифмометрами, т. е. выполняли все четыре арифметических действия. В счетной машине использовался модифицированный "ступенчатый валик" Лейбница, ступеньки которого разделены по длине на отдельные зубья и представляют собой зубчатые рейки, состоящие из девяти зубьев Значение изобретений Стэнхоупа для развития счетной техники велико. Он первый разделил на два этапа самую сложную машинную операцию "передачу десятков". Такое деление в счетных машинах второй половины XIX в. и в XX в. стало общепринятым. Кроме того, Стэнхоуп нашел удачное расположение элементов, выполняющих передачу, поместив длинные пальцы по спиральной линии на поверхности оси переносов. Эта идея была впоследствии использована конструкторами арифмометров с "однеровским колесом", получившим широкое распространение в XX в. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 27

Программируемая на перфокартах машина Жаккара 1804 г. Французский изобретатель Жозеф Мари Жаккар в 1804 году придумал способ автоматического контроля за нитью при работе на ткацком станке. Способ заключался в использовании специальных карточек с просверленными в нужных местах отверстиями (в зависимости от узора, который предполагалось нанести на ткань). в 1820 он сконструировал прядильную машину, работу которой можно было программировать с помощью специальных карт. Создание ткацкого станка, управляемого картами с пробитыми на них отверстиями и соединенные друг с другом в виде ленты, относится к одному из ключевых открытий, обусловивших дальнейшее развитие вычислительной техники. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 28

Счетная машина Томаса 1818 г. В 1818 г. К. Томас, воспользовавшись идеями Лейбница, изобрел счетную машину для выполнения четырех арифметических действий и назвал ее арифмометром. Введя в модель Лейбница ряд эксплуатационных усовершенствований, он в 1821 году начинает выпускать в своей парижской мастерской 16 разрядные арифмометры, которые получают известность как «томас машины» . Принципиальное конструктивное отличие арифмометра К. Томаса от машины Г. Лейбница заключалось в том, что счетный механизм стал располагаться на подвижной каретке, а установочный – на неподвижной части. 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. Термин "арифмометр", предложенный К. Томасом, прочно утвердился в арифмометр счетной технике: все машины, выполняющие четыре действия, было принято называть арифмометрами. . ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 29

Разностная и аналитическая машина Бэббиджа 1822 г. Считается, что первым ученым, предложившим использовать принцип программного управления для автоматического выполнения арифметических вычислений, был Чарльз Бэббидж. В работе Чарльза Бэббиджа прослеживается два направления: • 1822 г. разностная машина Бэббиджа представляла собой устройство с фиксированной программой действий. Чтобы перейти от вычисления одной функции к другой, необходимо вмешательство человека: он должен ввести в регистры машины новые исходные данные. Эту операцию Бэббидж пытался автоматизировать, но к тому времени у него возникла идея создания другой, более совершенной машины. • 1833 г. аналитическая вычислительная машины для любых вычислений. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 30

Contents Во время буржуазной революции во Франции барон Гаспар де Прони получил задание ввести метрическую систему во французский кадастр. Воодушевленный работами Адама Смита о разделении труда, он устроил мануфактуры «по переработке данных» со строго научным разделением труда: На первом этапе • группа ученых формулирует задачу, • среднее звено организовывает и следит за работой, • сами расчеты выполняют несколько десятков счетчиков. Их труд сводился к простейшим действиям сложения вычитания. Кстати, цех счетчиков состоял в основном из переквалифицировавшихся парикмахеров, т. к. с падением монархии мода на пышные прически прошла. Эти таблицы попали в руки английскому математику профессору Кембриджского университета иностранному член корреспонденту Петербургской АН (1832) Чарльзу Бэббиджу и натолкнули его на идею замены счетчиков машиной, которая сразу бы осуществляла и арифметические действия и печатала результаты. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 31

Contents В 1822 году Бэббиджем была выдвинута идея создания программно управляемой счетной машины, имеющей арифметическое устройство, устройство управления, ввода и печати. В 1823 году он построил пробную модель , предназначенную для решения дифференциальных уравнений, названную “РАЗНОСТНОЙ МАШИНОЙ. МАШИНОЙ Работа модели основывалась на принципе, известном в математике как "метод конечных разностей". При вычислении многочленов используется только операция сложения, которая легко автоматизируется. Ценность разностной машины Чарльза Бэббиджа в том, что он впервые предложил машину, которая в отличие от всех предыдущих могла не только производить один раз заданное действие, но и осуществлять целую программу вычислений. Сам Бэббидж достаточно ясно представлял назначение своей машины. Он пропагандировал использование математических методов в различных областях науки и предсказывал при этом широкое применение вычислительных машин. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 32

Счетный механизм Буняковского 1867 г. В 1867 г. вице президент Российской академии наук Владимир Яковлевич Буняковский создает счетный механизм, основанный на принципе действия русских счетов и на принципе связанных цифровых. По устройству «русские самосчеты» не похожи на русские счеты, только русские самосчеты принцип действия их одинаков. Этот механический счетный прибор предназначен для многократных сложений и вычитаний. Самосчеты использовались для вычисления средних месячных и годовых температур и высот барометра. Это был единственный прибор, облегчавший утомительные вычисления в метеорологии. Он оказал серьезное влияние на развитие отечественной изобретательской деятельности, в частности на работы П. Л. Чебышева в области счетной техники. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 33

Счетная машина Чебышева 1878 г В 1878 году русский ученый П. Чебышев предложил счетную машину, выполнявшую сложение и вычитание многозначных чисел. Во всех предыдущих конструкциях перенос десятков из низшего разряда в высший происходил скачкообразно, после того как десяток уже накапливался. В арифмометре Чебышева был использован новый принцип непрерывная передача десятков. Принцип этот состоит в том, что шестеренка единиц, делая один оборот, поворачивает шестеренку десятков на 1/10 оборота, а шестеренку сотен на 1/100 и т. д. Этим обеспечивается плавное изменение угла поворота всех колес, вступающих во взаимодействие. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 34

Арифмометр Однера 1880 г. 1880 год. Вильгод Теофил Однер, швед по национальности, жил в Санкт Петербурге в России и работал мастером экспедиции, выпускающей государственные денежные и ценные бумаги. Над арифмометром он начал работать в 1874 году, а в 1890 году налаживает их массовый выпуск. Их модификация "Феликс" выпускалась до 50 х годов. Главная особенность заключается в применении зубчатых колес с переменным числом зубцов (это колесо носит имя Однера) вместо ступенчатых валиков Лейбница. Оно проще валика конструктивно и имеет меньшие размеры. Умер Вильгодт Однер в 1906 году. Его предприятие по производству арифмометров перешло его наследникам и просуществовало до 1917 года. В первой четверти 20 го века счетные аппараты Однера под разными названиями выпускались во всем мире. Стоит отметить, что в 1914 году только "российский парк" подобных аппаратов составлял 22 тысячи единиц. Только распространение электронных калькуляторов вытеснило арифмометры Олнера из всеобщего употребления ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 35

Contents Арифмометр является ручной вычислительной машиной, предназначенной для выполнения арифметических действий, в основном деления и умножения. • счетная емкость установочного механизма 9 разрядов. • счетная емкость результатного счетчика 13 разрядов. В России выпуск арифмометров • счетная емкость счетчика оборотов 8 Однера, получивших в разрядов. последствии название “Феликс”, • производительность работы: при делении 5 был начат в 1925 году. значных чисел на 4 значные 85 операций в В конце 1960 х годов час; • скорость вращения 180 200 оборотов в мин. производство "Феликсов" • габариты машины: длина 275 мм, ширина прекратилось (последним их 140 мм, высота 126 мм. делал курский завод "Счетмаш"), • габариты футляра: длина 305 мм, ширина однако на протяжении еще 175 мм, высота 146 мм. полутора десятков лет они • вес машины без футляра 4, 5 кг. использовались во множестве • вес машины с футляром 6 кг. советских контор ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 36

8. 1. 6 Электромеханический этап развития вычислительной техники. Когда механические арифмометры исчерпали свои возможности то появились арифмометры с электрическим приводом — зубчатые колесики крутились электродвигателями. Небольшой моторчик освободил вычислителя от необходимости крутить ручку, да и скорость счета увеличилась. Сам механизм счетного устройства, поначалу остававшийся неизменным, стал также постепенно модернизироваться. Рычажный набор, который осуществлял медленную установку чисел и приводил к значительному проценту ошибок, заменили более удобным клавишным. Появились машины, записывающие результат на бумажной ленте, а также другие комбинации счетных и пишущих устройств. Однако и эта ветка развития усовершенствований для облегчения счета вела в конечном итоге в тупик. В арифмометрах, даже с электрическим приводом, обеспечивалась механизация вычислений, но не их автоматизация, т. е не было главного — возможности перенастройки на другие задачи, многозадачности. Арифмометр помогал человеку считать, но не помогал ему думать. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 37

Contents Распространение СЧЕТНО-АНАЛИТИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ связано с тем, что перфорационные машины по сравнению с арифмометрами имеют большую скорость и меньшую вероятность ошибок при вычислениях. После того как исходные данные пробиты в виде отверстий в перфокартах, остальная работа выполняется машинами, входящими в состав счетно аналитического комплекса. Конкретный комплекс счетно аналитической техники может состоять из различного числа устройств, но в него обязательно входят четыре устройства: • входной ПЕРФОРАТОР, служит для пробивки отверстий в ПЕРФОРАТОР перфокартах • КОНТРОЛЬНИК, для проверки правильности пробивки отверстий в КОНТРОЛЬНИК перфокартах. • СОРТИРОВАЛЬНАЯ МАШИНА. Основной функцией является МАШИНА группировка перфокарт по признакам для дальнейшей обработки на табуляторе. . • ТАБУЛЯТОР. Это основное устройство счетно аналитического ТАБУЛЯТОР комплекса. Его обязательными частями являются механизмы, обеспечивающие подачу перфокарт, восприятие пробивок, счет пробивок и печатание результатов, а также устройство управления. 38 ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Основные успехи электромеханического этапа • существенно возросли производительность и надежность вычислительной техники. • на данном этапе развития вычислительной техники происходит индустриализация обработки информации. Особенно это было заметно по концентрации вычислительных мощностей в СССР, начиная с создания в 30 х годах машинно счетных стаций, которые к 1936 году превратились в крупнейшие в мире предприятия механизированного учета. Впоследствии эти станции явились основой создания современных вычислительных центров и коллективного пользования вычислительных центров, оборудованных ЭВМ различных типов и классов. • была реализована идея Бэббиджа создания универсальной вычислительной машины с программным управлением, по сложности соизмеримая с наиболее сложными техническими системами того времени. Уже на этом этапе выявляется зависимость возможностей вычислительной техники от ее системной сложности; многие наработки данного этапа легли в основу развития современного этапа развития ВТ электронного ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 39

Счетно-аналитический комплекс Холлерита 1884 г. Американский инженер Герман Холлерит (Herman Hillerith, 1860 1929) применил способ Жаккарда для ввода данных при помощи перфокарт в собственной разработке, получившей название СЧЕТНО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ХОЛЛЕРИТА. ХОЛЛЕРИТА Первый счетно аналитический комплекс, предназначенный для обработки информации на перфокарточных носителях был создан в США Г. Холлеритом в 1887 г. и состоял из ручного перфоратора, сортировочной машины и табулятора. Он предназначался для обработки результатов переписи населения в нескольких странах, в том числе и в России. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 40

В конце XIX в. перепись населения как одна из важнейших статистических задач проводилась регулярно через 10 лет, это требование статистики строго соблюдали все развитые страны. Обработка полученных данных проводилась в течение нескольких лет, как правило, вручную или с помощью механических вычислительных машин. Причем статистиков уже не удовлетворяли данные только о количестве населения. Необходимы были сведения о национальности, родном языке, возрасте, поле, вероисповедании. Для этого необходимо было классифицировать собранный материал и выполнить счет по различным признакам. При этом объем работы настолько увеличивался, что выполнить его оперативно и качественно на механических арифмометрах или суммирующих машинах оказалось невозможным, потребовалось создание нового специального класса вычислительных машин, получивших название счетно аналитических, а с начала 1960 х гг. перфорационных. Обработка результатов переписи населения 1880 года в Америке заняла почти семь лет у 1500 сотрудников, вручную обрабатывавших таблицу за таблицей. Учитывая рост населения, на обработку результатов следующей переписи потребовалось бы не менее 10 лет. Поэтому на следующую перепись статистическое ведомство объявило конкурс на оптимизацию работы. Победил Герман Холлерит, создавший табулятор, где информация, нанесенная на перфокарты, расшифровывалась электрическим током и автоматически формирующий таблицы данных. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 41

Contents Замысел Г. Холлерита состоял в том, чтобы на каждого человека завести личную карточку и все подлежащие обработке данные представить отверстиями в фиксированных местах (позициях). Эта перфокарта являлась оригинальной авторской запатентованной разработкой. Она была сделана из плотного картона размером приблизительно с долларовую бумажку, но размер карточки мог колебаться в зависимости от количества позиций, каждая из которых отвечала за определенный признак (пол, семейное положение, вероисповедание и т. д. ), например в австрийской переписи 1890 г. применялись перфокарты, имеющие 20 х12 позиций, в российской переписи 1897 г. 22 х12 позиций. Сведения заносились на перфокарту вручную с помощью пробивного устройства пантографа или перфоратора. Набивкой карточек занимались 700 рабочих. На каждого пантографа перфоратора из 63 миллионов жителей США заводился такой регистрационный лист, в определенных местах которого набивались все его данные: возраст, семейное положение, количество детей, религиозная принадлежность. На лицевой панели перфоратора имеется таблица признаков в виде карты шаблона с карты шаблона отверстиями по всей координатной сетке, над которой по радиусу перемещается рычаг со штифтом на конце. Если в специальную раму для карточки положить чистую перфокарту и опустить штифт в отверстие, соответствующее какому либо признаку, то специальное устройство в раме в той же позиции перфокарты пробьет идентичный признак. За час на перфораторе можно заполнить не более 80 карточек. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 42

Управление механическими счетчиками и сортировкой осуществлялось электрическими импульсами, возникающими при замыкании электрической цепи при наличии отверстия в перфокарте. Поэтому машина Г. Холлерита была признана первой электромеханической счетной машиной с программным управлением В 1896 г. Холлерит основал фирму серийного выпуска табуляторов, которую в 1911 решил продать. В результате она объединилась с двумя другими приборостроительными фирмами в корпорацию, которая в 1924 году получила наименование IBM (International Business machines Corporation). и стала впоследствии мировым лидером в производстве компьютеров. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 43

Сумматор Бэрроуза 1892 Американец Уильям Бэрроуз начал работать над своим изобретением в 1884 году, В 1892 г. . Бэрроуз заканчивает первый коммерческий сумматор, который печатает исходные цифры и результат вычисления. Машина Бэрроуза неоднократно подвергалась модификации и усовершенствованию. Расширился, например, «ассортимент» выполняемых на машине операций, в частности, появились операции «Печатание без сложения» , «Сложение без печати» , «Поперечное сложение» , «Печатание списков и таблиц» и т. д. Впоследствии приводной рычаг был заменен электрическим двигателем. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 44

Клавишный арифмометр Линдстрема "Рекорд" 1920 г. В Европе промышленное производство клавишных арифмометров наладил талантливый немецкий инженер и предприниматель Карл Линдстрем. Его конструкция отличалась оригинальностью: традиционное горизонтальное расположение ступенчатых валиков он заменил на вертикальное и сместил их в шахматном порядке. Это позволило сократить габариты машины. Под маркой "Рекорд" Арифмометр "Рекорд". В машины выпускались с середины 1920 х 1920– 1930 гг. Так постепенно расширялась демонстрировался в техническая база для организации Москве на выставке механизированного учета и "Социалистический учет" формирования машиносчетных бюро. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 45

Вэннивер Буш (Vannevar Bush 1890 1974) конструирует ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ АНАЛИЗАТОР. По сути, это, первая успешная АНАЛИЗАТОР попытка создать компьютер, способный выполнять громоздкие научные вычисления. Роль Буша в истории компьютерных технологий очень велика, но наиболее часто его имя всплывает в связи с пророческой статьей "As We May Think" (1945), в которой он описывает концепцию гипертекста. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 46

Полуавтоматический арифмометр КСМ-1 1935 г. Первые отечественные "томас машины" были разработаны в 1935 г. на московском заводе "Счетмаш" им. Дзержинского. Они получили название КСМ (клавишная счетная машина) и выпускались до 1941 г. Клавиатура машины состоит из 8 вертикальных рядов по 10 клавишей в каждом, т. е. можно набрать 8 значные числа. Для удобства набора группы разрядов клавиатуры окрашены в разные цвета. Если цифра набрана ошибочно, то для ее замены достаточно нажать на нужную цифру в том же ряду и тогда неверно набранная цифра погасится автоматически. В подвижной каретке находится 16 разрядный счетчик результатов и 8 разрядный счетчик оборотов, имеющие устройства для передачи десятков из одного разряда в другой. Имеются подвижные запятые (для удобства считывания). Звонок сигнализирует о переполнении счетчика результатов. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 47

Советские машины ВМА-2 и ВМП-2 50 -е года ХХ века. На машине ВМА 2 можно выполнять операции: • сложение и вычитание чисел, • автоматическое умножение положительных и отрицательных чисел, • автоматическое умножение на постоянный множитель и на ряд множителей, • автоматическое деление чисел с В послевоенные годы были прерыванием деления на любом разряде, выпущены полные автоматы ВММ • перенос числа из счетчика результатов в 2 и ВМА 2. Характерной устройство установки чисел, особенностью вычислительных многоклавишных машин является • автоматическую установку делимого в наличие в арифметическом каретке, устройстве двух счетчиков. В • автоматическое гашение счетчиков одном счетчике накапливаются результатов и оборотов, числа, переносимые из устройства • возведение в степень и вычисление установки чисел, а во втором квадратного корня [вычисление подсчитывается количество квадратного корня возможно, но не произведенных переносов автоматизировано. ]. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 48

Клавишная электромеханическая вычислительная машина"Быстрица-2" Начиная с 50 х годов ХХ века в клавишных машинах стали использовать электропривод. Вычислительная десятиклавишная машина Быстрица– 2, полуавтомат, на котором можно выполнять четыре арифметических действия: деление, сложение и вычитание – автоматически, умножение – полуавтоматически. Наличие электропривода увеличивало скорость ведущих механизмов по сравнению с ручным приводом. Машины работали при помощи электродвигателя переменного тока с напряжением 220 в. и скоростью не менее 4. 8 обор/сек. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 49

Советская программно-управляемая релейная машина РВМ-1 Советская "Релейная вычислительная машина” РВМ 1 была сконструирована и построена в 1954 1957 гг. под руководством Николая Ивановича Бессонова (1906 1963) в Институте теоретической и экспериментальной физики АН СССР. Она содержала 5, 5 тыс. реле и работала в двоичной системе с числами с плавающей запятой (для мантиссы отводилось 27, а для порядка 6 разрядов). Благодаря применению так называемого каскадного принципа выполнения арифметических операций, изобретенного Бессоновым, удалось заметно повысить быстродействие машины, выполнявшей свыше двадцати умножений в секунду. В РВМ 1 широко использовались выборки функций по аргументу из статической памяти и специальные вспомогательные устройства и команды. Это позволило в несколько раз уменьшить количество действий при вычислении элементарных функций, переводе чисел из десятичной системы в двоичную и обратную и т. п. В 1961 1962 гг. на РВМ 1 выполнялись расчеты для новой системы ценообразования. Целый ряд технических усовершенствований настолько улучшил ее надежность и эксплуатационные качества, что она проработала до 1965 г. , конкурируя с уже действовавшими ЭВМ. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 50

8. 2 ЭВМ и их классификация по поколениям ПОКОЛЕНИЕ ЭВМ – это все типы и ПОКОЛЕНИЕ ЭВМ модели ЭВМ, разработанные различными конструкторскими коллективами, но построенные на одних и тех же научных и технических принципах. Временные рамки этих поколений несколько размыты, так как каждое следующее поколение зарождалось внутри предыдущего. Поколения вычислительных машин это сложившееся в последнее время Поколения вычислительных машин разбиение вычислительных машин на классы, определяемые элементной базой и производительностью. Поколения компьютеров нестрогая классификация вычислительных Поколения компьютеров систем по степени развития аппаратных и в последнее время программных средств. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 51

Поколения ЭВМ 1 е поколение (1946 начало 1 е поколение 50 х гг. ). Элементная база – ЭВМ отличались большими габаритами, большим электронные лампы. потреблением энергии, малым быстродействием, низкой надежностью, программированием в кодах. Для ввода вывода данных использовались перфоленты и перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства. Оперативные запоминающие устройства были реализованы на основе ртутных линий задержки электроннолучевых трубок. Для каждой машины использовался свой язык программирования. Показатели объема оперативной памяти и быстродействия были низкими. Компьютеры данного поколения сумели зарекомендовать себя в прогнозировании погоды, энергетических задач, задач военного характера и других сложнейших операциях, но они были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 52

Contents 2 е поколение (конец 50 х начало 60 х гг. ). 2 е поколение Элементная база – полупроводниковые элементы, 1 транзистор способен был заменить ~ 40 электронных ламп и работает с большей скоростью. Они были более надёжны, долговечны, малы, могли выполнить значительно более сложные вычисления, обладали большой оперативной памятью. В качестве носителей информации использовались магнитные ленты и магнитные сердечники, появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, магнитные барабаны и первые магнитные диски. В качестве программного обеспечения стали использовать языки программирования высокого уровня, были написаны специальные трансляторы с этих языков на язык машинных команд. Появился широкий набор библиотечных программ для решения разнообразных математических задач. Появились мониторные системы, управляющие режимом трансляции и исполнения программ. Из мониторных систем в дальнейшем выросли современные операционные системы. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 53

Contents 3 е поколение (конец 60 х конец 70 х). Это семейства машин с единой 3 е поколение архитектурой, т. е. программно совместимых. Элементная база – интегральные схемы, многослойный печатный монтаж В 1960 г. появились первые интегральные схемы (микросхемы), которые получили широкое распространение в связи с малыми размерами, но громадными возможностями. Компьютер с использованием интегральных схем достигает производительности в 10 млн. операций в секунду. Имеют развитые операционные системы, обладают возможностями мультипрограммирования, т. е. одновременного выполнения нескольких программ. Многие задачи управления памятью, устройствами и ресурсами стала брать на себя операционная система или же непосредственно сама машина. Резкое снижение габаритов ЭВМ, повышение их надежности, увеличение производительности. Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Ёмкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов. Доступ с удаленных терминалов. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 54

Contents 4 е поколение (с середины 70 х по настоящее время). 4 е поколение Элементная база – микропроцессоры и большие интегральные схемы (БИС), которые по мощности примерно соответствовали 1000 ИС. Это привело к снижению стоимости производства компьютеров. Улучшились технические характеристики. В 1980 г. центральный процессор небольшой ЭВМ оказалось возможным разместить на кристалле площадью 1/4 дюйма (0, 635 см 2. ). Быстродействие таких машин составляет тысячи миллионов операций в секунду. Емкость ОЗУ возросла до 500 млн. двоичных разрядов. В таких машинах одновременно выполняются несколько команд над несколькими наборами операндов. C точки зрения структуры машины этого поколения представляют собой многопроцессорные и многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних устройств. Ёмкость оперативной памяти порядка 1 64 Мбайт. Массовый выпуск персональных компьютеров. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 55

Contents 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. Вместе со сменой поколений ЭВМ менялся и характер их использования. Если первоначально они создавались и использовались в основном для решения вычислительных задач, то в дальнейшем сфера их применения значительно расширилась, включая в себя задачи статистической обработки информации, планово экономические, научно технические, а также автоматизации управления производственно технологическими процессами. 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’’. технологией ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 56

Contents В повседневной жизни употребляются два термина компьютер и ЭВМ. Эти термины обычно отождествляют, хотя они не являются синонимами. КОМПЬЮТЕР электронное устройство для программируемой обработки данных. Иначе говоря, это электронная цифровая машина, являющаяся универсальным средством управления, автоматизации, обработки данных, которыми могут быть не только числа, но и всевозможные тексты, сигналы, изображения, представленные в цифровой форме. Термин ЭВМ означает электронную ЭВМ машину, предназначенную преимущественно для решения вычислительных задач. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 57

8. 2. 1 Первое поколение - ЭВМ 1944 — 1958 гг. Элементной базой машин этого поколения были электронные лампы – диоды и триоды. Особенности: • поскольку лампы имеют существенные размеры и их тысячи, то машины имели огромные размеры. • то часто компьютер простаивал из за поиска и замены вышедшей из строя лампы. • лампы потребляли огромное количество электроэнергии и выделяли большое количество тепла, следовательно, вычислительные машины требовали специальных мощных охладительных систем. • компьютеры были слишком дорогими машинами, которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства. Машины предназначались для решения сравнительно несложных научно технических задач. Применение электронных ламп позволило повысить скорость вычислений уже в первых несовершенных моделях на три прядка по сравнению с автоматическими релейными машинами, а в более совершенных на четыре порядка. Быстродействие: несколько десятков тысяч операций в секунду ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 58

Contents Элементы вычислительных В машинах первого поколения были устройств первого поколения реализованы основные логические принципы построения электронно вычислительных машин и концепции Джона фон Неймана, касающиеся работы ЭВМ по вводимой в память программе и исходным данным (числам). Это время разработки и совершенствования структуры компьютеров, совершенствования программного обеспечения, развития методов и языков программирования. Первые компьютеры использовались для расчетов в ядерной физике, для проектирования и запуска ракет, поэтому сведения о новых разработках были закрыты и разработка вычислительных машин в СССР проводилась самостоятельно, с незначительным влиянием Запада до начала 60 х годов, когда компьютеры стали массовой продукцией, рекламируемой фирмами производителями. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 59

Mark-1 1937 -1944 г В 1937 году гарвардский математик Говард Эйкен (Howard Aiken) предложил проект создания большой счетной машины для решения дифференциальных уравнений. Проектирование Mark 1 началось в 1939 году, нью йоркским предприятием IBM. В 1943 году Говард Эйкен на основе техники XX века — электромеханических реле — смог построить машину названную Harvard Mark I которая применялась для расчета сложных баллистических таблиц. Mark I весил 5 тонн, длина его была 17 метров и в высоту более 2, 5 м, 5 тонн 17 метров 2, 5 м содержал около 750 тыс. деталей и 3304 реле, соединенных проводами 750 тыс. деталей 3304 реле общей протяженностью около 800 км. Он считывал программу с бумажной 800 км ленты, на которую с помощью перфоратора наносилась последовательность вычислений, и способен был осуществлять три сложения в секунду, а на то чтобы взять логарифм, требовалась минута. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 60

Contents Машина выполняла пять операций четыре арифметических и операцию отыскания в таблицах требуемых величин. Скорость движения перфоленты составляла 200 шагов в минуту. За один шаг перфоленты выполнялись операции сложения и вычитания (0, 3 сек. ) Операции умножения и деления производились соответственно за 5, 7 и 15, 3 секунд. В машине использовалась десятичная система счисления. Сложение и вычитание производилось накапливающим сумматором, состоявшим из 72 механических счетчиков, в каждом счетчике использовалось 24 цифровых колеса (23 колеса для одного десятичного числа и одно для знака числа. Вычислительная машина содержала устройства для выполнения различных математических операций: суммирующее устройство, множительно делительное устройство, счетчики для вычисления логарифмических и тригонометрических функций и три интерполятора. Для запоминания данных служили 72 счетчика сумматора и память на релейных схемах с ручной установкой 60 чисел. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 61

Вычислительные машины Стибица "Белл» 1938 -1946 гг. Стибиц являясь сотрудником компании "Bell Telephone Laboratories", разработал в 1938 году вычислительную машину "Белл 1" на электромагнитных реле, способную оперировать с комплексными числами. В 1940 году он устроил эффектное зрелище на заседании американского математического общества в Дортмунте. Оставив свой компьютер дома, в Нью Йорке, он взял с собой телеграфный аппарат, который подсоединил к компьютеру через телефонную линию. Стибиц поразил присутствующих: он излагал задачу, которая телеграфом отсылалась на компьютер, и через короткий промежуток времени телеграф отпечатывал ответ, выданный компьютером. Впервые было продемонстрировано дистанционное управление вычислительной машиной. В Нью Йорк из Дортмунта по телеграфу было передано два комплексных числа, произведение двух чисел было получено на телетайпе в городе Дортмунте в зале заседания. В 1942 1944 годах была построена вычислительная машина "Белл III" с управлением при помощи программы, записанной на перфоленте, машина содержала устройство умножения, средства автоматического просмотра таблиц, записанных на бумажную перфоленту, и запоминающее устройство на 10 слов. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 62

Вычислительные машины Z 1 -Z 4 Конрада Цузе 1938 -1945 гг. В 30 х годах Цузе занимался проектированием самолетов, и ему приходилось выполнять огромные объемы вычислений для определения оптимальной конструкции крыльев. Уже в 1934 г. Цузе сформулировал основные принципы, на которых должны работать будущие компьютеры: • двоичная система счисления; • использование устройств, работающих по принципу «да/нет «(логические 1 и 0); • полностью автоматизированный процесс работы вычислителя; • программное управление процессом вычислений; • поддержка арифметики с плавающей запятой; • использование памяти большой емкости. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 63

Цузе первым в мире определил, что обработка данных начинается с бита (бит он называл «статусом да/нет» , а формулы двоичной алгебры - условными суждениями), первым ввел термин «машинное слово» (Word), первым объединил в вычислителе арифметические и логические операции, отметив, что «элементарная операция компьютера - проверка двух двоичных чисел на равенство. Результатом будет двоичное число со значениями (равно, не равно)» . В 1936 г. Цузе запатентовал идею механической памяти. Год спустя он создал работающую память для хранения 12 двоичных чисел по 24 бита. В 1938 году в Берлине Цузе создали прототип механического двоичного программируемого калькулятора, названного ”Z 1“. которая имела клавиатуру для ввода условий задачи. Арифметический модуль мог работать с числами с плавающей запятой, осуществлял преобразования двоичных чисел в десятичные и обратно и поддерживал ввод и вывод данных. По завершению вычислений результат высвечивался на панели с множеством маленьких лампочек. Общая площадь, которую занимала машина составляла 4 кв. м. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 64

Contents Машина Z 2, была завершена в 1940 г. Это первый в мире электромеханический компьютер. Цузе отказался от механических устройств и заменил их электромеханическими электромагнитные реле. Механическим устройством оставалась только память. Релейный Z 2 был построен и успешно заработал. . Для модели Z 2 К. Цузе придумал остроумное и дешевое устройство ввода: Цузе стал кодировать инструкции для машины, пробивая отверстия а перфокартах, представляющих собой 35 миллиметровую использованную фотопленку. К сожалению, прототип компьютера Z 2 был уничтожен во время бомбежек Берлина в 1944 году, остались чертежи. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 65

Contents 1941 ой год. Цузе строит первый в мире электронный программируемый калькулятор Z 3 на 2600 электромеханических реле 1400 для памяти, 600 для арифметического модуля и оставшиеся как часть схем управления. Общая стоимость материалов составила в то время приблизительно 6500 долларов. Это первая в мире реализация принципа программного управления. Программа вводилась с 8 дорожечной перфоленты, в качестве которой применялась обычная кинопленка. Использовалась двоичная система счисления и одноадресная система команд. Z 3 выполнял 3, 4 сложения в секунду. Как и в предыдущих моделях в Z 3 не предусматривалась условная передача управления и машина не позволяла решать сложные задачи с разветвленными алгоритмами. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 66

Contents Арифметический модуль состоял из двух механизмов для порядка и мантиссы, которые функционировали параллельно. Это обеспечивало не только выполнение четырех стандартных арифметических операций, но и позволяло вычислять квадратные корни. Z 3 выполнял 4 арифметические операции, вычисление квадратного корня, вычисления с числами в формате с плавающей точкой, умножение на 1, 0, 1, 0, 5, 2 и 10. Длина слова составляла 22 бита: 14 для мантиссы, семь для порядка, 1 для знака. Скорость работы Z 3 была примерно равна скорости работы американского компьютера Harvard Mark I, созданного в конце 40 х годов. Z 3 выполнял 3 4 операции сложения в секунду и умножал два числа за 4 5 секунд, позволяя при этом обрабатывать числа с плавающей запятой более эффективно, чем Mark I. Но память составляла всего 64 слова, поэтому Z 3 никогда не использовались для решения серьезных проблем. Z 3 никогда не использовался для решения серьезных проблем, потому что ограниченная память не позволяла загрузить достаточное количество информации, чтобы обеспечить решение систем линейных уравнений, для чего он и создавался. Z 3 первое устройство, которое можно назвать полностью компьютером с автоматическим контролем над операциями. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 67

Настольная модель ЭВМ Атанасова 1939 г. Американский физик болгарского происхождения Дж. В. Атанасов в 1937 году формирует принципы автоматической цифровой вычислительной машины на ламповых схемах для решения систем линейных уравнений. • в своей работе компьютер будет использовать электричество и достижения электроники. • вопреки традиции его работа будет основана на двоичной, а не на десятичной системе счисления. • основой запоминающего устройства послужат конденсаторы, содержимое которых будет периодически обновляться во избежание ошибок. • расчет будет проводиться с помощью логических, а не математических действий. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 68

Программируемый электронный компьютер Colossus 1 и Colossus II 1943 г В обстановке секретности в 1943 г. в научно исследовательской лаборатории Почтового департамента Англии был создан программируемый электронный компьютер "Colossus". Секретность была необходима потому, что проектировалось устройство для дешифровки кодов, которыми пользовались вооруженные силы Германии в период второй мировой войны. Математический метод дешифровки был разработан группой математиков, в число которых входил Алан Тьюринг. В то время секретные сообщения немецких военных были зашифрованы кодом ENIGMA, который хорошо знали английские шифровальщики, но для совершенно секретных сообщений немцы использовали другой шифр (шифровальную машину Лоренца), который англичане смогли разгадать только с помощью Colossus. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 69

Универсальный электронно-цифровой компьютер ENIAC 1943 -1946 гг. Американские инженер электронщик Д. П. Эккерт (John Presper Eckert) и физик Д. У. Моучли (John Mauchly, 1907 1980) по заказу армии США для обсчета баллистических таблиц армии сконструировали в Пенсильванском университете универсальный электронно цифровой компьютер ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) первый ламповый компьютер. Мокли разработал архитектуру компьютера, а Эккерт воплотил его идею в жизнь. В группу разработчиков входили десять инженеров и двести техников. Весной 1945 года ЭВМ была построена, а 14 февраля 1946 года рассекречена состоялась публичная демонстрация работы компьютера. Для проверки работы ENIAC была выбрана задача расчета возможности создания водородной бомбы. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 70

Компьютер был десятизначным, включал 12 десятизначных сумматоров с регистрами для хранения результатов. Для ускорения выполнения арифметических операций у ENIAC имелись умножитель, делитель, извлекатель корня. Компьютер содержал 17468 вакуумных ламп шестнадцати типов, 1, 5 тыс. реле, 7200 кристаллических диодов и 4100 магнитных элементов, 4100 распологались они в шкафах общим объемом около 100 м 3. Он весил 30 тонн , занимал площадь в 300 кв. метром и потреблял 130 140 киловатт электроэнергии. Эта первая электронная цифровая Общая вычислительная машина за 1 с производила 300 стоимость операций умножения или 5000 сложений многоразрядных чисел. ENIAC приблизительно в 1000 машины – раз превосходил по быстродействию релейный Mark I, $750 000. операция сложения занимала в нем 200 мкс, умножения – 2800 мкс, деления – 24 000 мкс. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 71

Ввод чисел в машину производился с помощью перфокарт, а программное управление последовательностью выполнения операций осуществлялось, как в счетно аналитических машинах, с помощью штекеров и наборных полей. Использование электронных ламп вместо механических и электромеханических элементов, позволило резко увеличить скорость выполнения машинных операций. Ламповый ENIAC тратил на умножение 0, 0028 секунды, а на сложение и того меньше 0, 0002 секунды. Однако из за того, что высота стеклянной лампы – 7 см, машины были огромных размеров. Каждые 7 8 мин. одна из ламп выходила из строя, а так как в компьютере их было 15 20 тысяч, то для поиска и замены поврежденной лампы требовалось очень много времени. Кроме того, они выделяли огромное количество тепла, и для эксплуатации «современного» компьютера того времени требовались специальные системы охлаждения. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 72

Компьютер с хранимой программой EDVAC 1945 -1952 гг. В 1945 году Джон фон Нейман разработал концепцию электронно вычислительной машины “EDVAC” с вводимыми в память программами и числами (“EDVAC”—Electronic Discrete Variable Computer). Под руководством Джона Моучли (John Mauchly) и Джона Эккерта (John Presper Eckert) был разработан проект первого компьютера EDVAC с хранимой программой. Работа шла медленно и компьютер EDVAC Пенсильванского университета был пущен в эксплуатацию только в 1952 году. Главными элементами концепции были: принцип хранимой программы и принцип параллельной организации вычислений, согласно которому операции над числом проводятся по всем его разрядам одновременно. EDVAC работал быстрее своего предшественника, сложение занимало 1 мкс, деление – 3 мкс. Он содержал всего 3, 5 тыс. электронных ламп. По размерам он тоже был значительно меньше и располагался на 13 м 2 площади. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 73

Вычислительная машина Whirlwind 1947 -1951 гг. Компьютер В 1945 году в Массачусетском технологическом институте Whirlwind 1 начаты работы по применению вычислительной техники для (Вихрь) моделирования работы самолетов. К 1947 году был создан проект компьютера Whirlwind, а в марте 1951 года компьютер был введен в эксплуатацию. Одной из основных целей проекта было создание компьютера с максимально высоким быстродействием. Здесь был частично применен асинхронный принцип управления, что позволило достичь быстродействия 20 тысяч операций в секунду). Выполняемая программа хранилась в памяти и, в отличие от EDVAC, обработка данных производилась не последовательно по одному двоичному разряду, а параллельно во всех разрядах машинного слова. В Whirlwind, впервые была использована память на магнитных сердечниках Емкость запоминающего устройства составляла 1024 числа. В Whirlwind впервые, была использована универсальная шина. При помощи универсальной шины связи между различными устройствами компьютера осуществляются более просто и надежно. В качестве систем ввода вывода использовались два устройства: электронно лучевая трубка Вильямса и пишущая машинка с перфолентой (флексорайтер). ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 74

Программируемое электронно- вычислительное устройство Baby 1948 г. В Манчестерском университете в июне 1948 года Том Килбурн вместе с Джеффри Тутилло создает компьютер с хранимой программой под названием Small Scale Experimental Machine, или сокращенно Baby первое в мире программируемое электронно вычислительное устройство. The Baby произвел первые вычисления, которые положили начало развитию электронной вычислительной техники. Действующая машина весила более тонны, состоящая из полутора тысяч ламп и километров проводов. В сравнении с современными компьютерами, быстродействие первого компьютера ничтожно. Однако The Baby позволял решать комплексные математические уравнения за минуты, а не за недели. Том Килбурн просчитал первую программу на компьютере Baby. Программа по определению максимального множителя числа была реализована компьютером за 52 минуты. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 75

Первая советская малая электронносчетноя машина — «МЭСМ» 1948 -1950 гг. В 1948 году Сергеем Александровичем Лебедевым (1990 1974) и Б. И. Рамеевым был предложен первый проект отечественной цифровой электронно вычислительной машины. Под руководством академика Лебедева С. А. и Глушкова В. М. разрабатываются отечественные ЭВМ: сначала МЭСМ малая электронная счетная машина (1951 год, Киев), затем БЭСМ быстродействующая электронная счетная машина (1952 год, Москва). Параллельно с ними создавались Стрела, Урал, Минск, Раздан, Наири. Малая электронная счетная машина была первой отечественной универсальной ламповой ЭВМ в СССР (название "компьютер" не было принято в те времена). В 1952 1953 гг. МЭСМ была самой быстродействующей и практически единственной регулярно эксплуатируемой ЭВМ в Европе. Работа по созданию машины носила научно исследовательский характер и имела целью экспериментальную проверку общих принципов построения универсальных ЦВМ. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 76

Основные параметры • система счета двоичная с фиксированной запятой • операции: сложение, вычитание, умножение, деление, сдвиг, сравнение с учетом знака, сравнение по абсолютной величине, передача управления, передача чисел с магнитного барабана, сложение команд, останов. • быстродействие 50 операций в 1 секунду; • система ввода чисел последовательная. • скорость работы около 3000 операций в минуту. • ввод исходных данных с перфорационных карт или посредством набора кодов на штеккерном коммутаторе. • съем результатов фотографирование или посредством электромеханического печатающего устройства. • емкость оперативного ЗУ 31 число и 63 команды; • постоянное (штеккерное) ЗУ на 31 число и 63 команды; • возможность подключения дополнительного ЗУ на магнитном барабане, емкостью в 5000 слов. • потребляемая мощность состовляла 15 к. Вт, • машина размещалась на площади 60 кв. м. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 77

Первый электронно-цифровой компьютер с сохраняемой программой EDSAC 1949 г. Электронно цифровой Группа Морриса Уилкса Кембриджского университета Англии опередила компьютер EDSAC конструкторов EDVAC и в 1949 году создала первый электронно цифровой компьютер с сохраняемой программой EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Computer), первый компьютер нового типа. В названии компьютера отражен тот факт, что в компьютере использовалась память на ультразвуковых ртутных линиях задержки. . Для поддержания постоянной В 1949 году на первом температуры запоминающее устройство электронно цифровом помещалось в термостат. компьютере с сохраняемой Такая память стала использоваться в программой EDSAC была первых компьютерах с хранимой в успешно выполнена первая памяти программой. программа. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 78

Contents • запоминающее устройство состояло из 32 ртутных трубок, по 576 двоичных разрядов в каждой трубке. • частота синхроимпульсов составляла 526 к. Гц. • среднее время выборки одного слова равнялось 550 мксек. • в компьютере применялось арифметическое устройство последовательного типа. Оно состояло из одноразрядного сумматора и регистров для хранения операндов и результата на ртутных линиях задержки. • машины такого класса не могли выполнять больше 1 2 тысяч операций в секунду. • в машине было использовано 24500 электронных ламп. Результаты выводились на телеграфный аппарат. В процессе эксплуатации компьютера EDSAC был освоен метод использования библиотечных подпрограмм, В этом компьютере впервые стала применяться система мнемонических обозначений для машинных команд, названную ЯЗЫКОМ АССЕМБЛЕРА. что позволяло перейти от программирования в машинных кодах к программированию на специальных языках программирования. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 79

UNIVAC-1 1951 г. В 1951 году была закончена работа по созданию UNIVAC (Universal Automatic Computer). Первый образец машины UNIVAC 1 был построен для бюро переписи США. Синхронная, последовательного действия вычислительная машина UNIVAC 1 создана была на базе ЭВМ ENIAC и EDVAC. Он мог хранить в памяти 1000 слов, 12000 цифр со 12000 временем доступа 400 мкс. На магнитной ленте 400 могло храниться 120000 слов и 1440000 цифр. 120000 1440000 Устройства ввода/вывода работали с носителями на магнитных лентах и перфокартах. Операции сложения выполнялись за 120 мкс. , умножения за 120 1800 мкс. , деления за 3600 мкс. 1800 3600 Работал с тактовой частотой 2, 25 МГц и содержала около 5000 электронных ламп. Внутреннее 5000 запоминающее устройство емкость 1000 12 1000 разрядных десятичных чисел было выполнено на 100 ртутных линиях задержки. 100 ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 80

В 1951 г. были завершены работы по созданию UNIVAC I использовал 5 200 вакуумных ламп, весил 13 тонн, потреблял 125 к. Вт, мог выполнить приблизительно 1 905 операций в секунду на частоте 2. 25 МГц. занимал площадь 35. 5 квадратных метров площади. Он представляла собой электронное устройство с хранимыми в памяти программами, которые вводились туда уже не с перфокарт, а с помощью магнитной ленты; это обеспечивало высокую скорость чтения и записи информации, а, следовательно, и более высокое быстродействие машины в целом - машина была связана с 10 -ю лентопротяжными механизмами. Скорость обращения к ленте достигала 12, 5 тыс. символов в секунду. Быстрая память была организована с помощью 100 ртутных трубок и имела емкость в 91 000 двоичных знаков (около 11 Кб). Сложение занимало 500 мкс, умножение – 2500 мкс, деление – 4000 мкс. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 81

Семейство БЭСМ 1951 1966 гг БЭСМ" (большая электронная счетная машина) семейство цифровых вычислительных машин общего назначения, ориентированных на решение сложных задач науки и техники. Разработана в Институте точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ) АН СССР. Работа над первой машиной была закончена в 1952. В проекте вначале предполагалось применить память на трубках Вильямса, но до 1955 г. в качестве элементов памяти в ней использовались ртутные линии задержки. Вначале в ней использовалось оперативное ЗУ на электронно акустических линиях задержки, замененное в дальнейшем устройством на электроннолучевых трубках, а затем на ферритовых сердечниках емкостью 1024 слова с произвольной выборкой. Внешнее ЗУ на двух магиитных барабанах по 5120 слов (скорость считывания с барабана 800 чисел в 1 секунду) и магнитной ленте (120 тысяч чисел). ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 82

Созданная в том же году, что и EDVAC, БЭСМ превосходила EDVAC по многим параметрам. В БЭСМ были осуществлены решения, вошедшие в практику построения компьютеров только через несколько лет. Например, чтобы уменьшить диспропорцию между быстродействием вычислений и медленным выводом результатов на печать, было разработано устройство, дешифрирующее запись на магнитной ленте с отображением десятичных цифр результата на неоновых лампах. Вывод данных осуществлялся фотографированием результата. Скорость выдачи данных с использованием магнитной ленты намного возрастала. Арифметико логическое устройство БЭСМ, выполненное на ламповых логических схемах, обладало рекордным быстродействием (10000 оп/сек. ), которое могло быть реализовано только при переходе к технологиям памяти, позволявшим параллельное считывание всех разрядов слова. . За 1959 1966 годы было создано 4 модели семейства: "БЭСМ 2", "БЭСМ 3", "БЭСМ ЗМ" и "БЭСМ 4". Совершенствование шло по пути увеличения и модернизации внешних устройств, перехода на полупроводниковую элементную базу, увеличения емкости ОЗУ на магнитных сердечниках, а также емкости внешних ЗУ. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 83

ЭВМ "Стрела" 1953 г. В 1953 г. в специализированном конструкторском бюро СКБ 245 Министерства машиностроения и приборостроения, руководимом М. А. Лесечко, началось проектирование ЭВМ, получившей название ’’Стрела’’. В 1953 г. ЭВМ "Стрела" была принята Государственной комиссией в эксплуатацию. Первая ЭВМ ’’ Стрела ’’ была установлена в отделении прикладной математики Математического института АН ( МИАН ), а в конце 1953 г. началось серийное её производство. Серия оказалась очень маленькой: всего за четыре года было выпущено семь машин. Проблемы серийного производства определили некоторые особенности ’’Стрелы’’: невысокое быстродействие, просторный монтаж и т. д. Построенная на 6000 электронных лампах, ЭВМ "Стрела" имела среднюю производительность вычислений 2 тысячи трехадресных операций с плавающей точкой в секунду, полезное машинное время работы доходило до 18 часов в сутки. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 84

Семейство малых ЭВМ «Урал» 1954 - 1967 г. 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. Компьютер "Киев" стал первой в Европе машиной с адресным языком программирования, а также первой системой цифровой обработки изображений и дистанционного управления технологических процессов. Технические характеристики: • элементная база: электронные лампы(2400 пальчиковой серии), точечные диоды ( 10000 шт) и 5000 импульсных трансформаторов • оперативное ЗУ объёмом 1024 слова • постоянное ЗУ объёмом 512 слов • внешнее ЗУ объёмом 9 тыс. слов • структура команд: трёхадресная, 32 операции(16, операций управления • 8 арифметических и 4 логических операции) ЭВМ ’’ Киев ’’ впервые в нашей стране использовалась для дистанционного управления технологическими процессами. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 85

8. 2. 2 Второе поколение – ЭВМ на транзисторах. 1955 — 1967 гг. Элементной базой машин этого поколения были полупроводниковые приборы, изобретённые в 1948 г. Уильямом Шокли, они были более надёжны, долговечны, малы, могли выполнить значительно более сложные вычисления, обладали большой оперативной памятью. 1 транзистор способен был заменить ~ 40 электронных ламп и работает с большей скоростью. По сравнению с электронными лампами использование транзисторов позволило уменьшить размеры вычислительной техники, повысить надежность, увеличить скорость работы (до 1 млн. операций в секунду) и почти свести на нет теплоотдачу. Развиваются способы хранения информации: широко используется магнитная лента, позже появляются диски. В этот период была замечена первая компьютерная игра. Большое внимание начали уделять созданию системного программного обеспечения, компиляторов и средств ввода вывода. Во II ом поколении компьютеров дискретные транзисторные логические элементы вытеснили электронные лампы. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 86

Оперативное запоминающее устройство на Большой модуль магнитных сердечниках. оперативной памяти с ручками для переноски В качестве носителей информации использовались магнитные ленты и магнитные сердечники, появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, магнитные барабаны и первые магнитные диски. Запоминающие устройства на магнитных сердечниках, магнитных барабанах и магнитных лентах вытеснили полностью запоминающие устройства на электронно лучевых трубках и ртутных ультразвуковых линиях задержки, применяемых в компьютерах первого поколения. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 87

Contents В качестве программного обеспечения стали использовать языки программирования высокого уровня, были написаны специальные трансляторы с этих языков на язык машинных команд. Для ускорения вычислений в этих машинах было реализовано некоторое перекрытие команд: последующая команда начинала выполняться до окончания предыдущей. В конце указанного периода появились универсальные и достаточно эффективные компиляторы для Кобола, Фортрана и других языков. Появился широкий набор библиотечных программ для решения разнообразных математических задач. Появились мониторные системы, управляющие режимом трансляции и исполнения программ. Из мониторных систем в дальнейшем выросли современные операционные системы. Переход к полупроводниковой технологии позволил значительно уменьшить габариты и потребляемую компьютером мощность. Быстродействие, надежность и скорость вычислений повысились в несколько раз, транзисторный компьютер IBM 7090 позволил решать задачи в 5 раз быстрее, чем его ламповый аналог IBM 709. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 88

Основные особенности компьютеров 2 -го поколения: • повышенная надежность, • уменьшение габаритов и энергопотребления, • снизилась стоимость компьютера в целом и стоимость выполнения одной операции, • возник новый критерий оценки компьютера цена/производительность. • в связи с переходом на ферриты произошло удешевление ОЗУ, Внешнее ЗУ на сменных • увеличился объем оперативной памяти. магнитных дисках • в АЛУ стали встраиваться регистры на транзисторах. • появляется новый тип команд, связанный с применением регистров. • расширяется количество устройств ввода/вывода. • появляются внешние запоминающие Лентопротяжные механизмы ввода и вывода устройства на магнитных лентах, магнитных данных на магнитные ленты барабанах, магнитных дисках, магнитных картах ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 89

Алфавитно цифровые • появляются устройства вывода на алфавитно печатающие устройства цифровые печатающие устройства, вывод на телетайп, прием и передача данных по телеграфу. • общее устройство управления становилось слишком большим, поэтому появляются дополнительно местные устройства управления. • развиваются языки высокого уровня (Алгол 60, Кобол, Фортран 2) и трансляторы к ним. • появляется пакетная обработка данных. Применение запоминающих устройств на магнитных лентах позволяло записывать несколько программ, которые автоматически выполнялись в компьютере одна за другой и в той же последовательности результаты записывались на другую ленту. Этот вид обработки получил название ПАКЕТНОЙ ОБРАБОТКИ. Подготовленные к решению программы передавались ОБРАБОТКИ оператору, оператор вводил программу в компьютер, получал результат и передавал его пользователю, после чего пользователь вносил изменения в программу и вновь передавал ее оператору, процесс отладки был сложным. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 90

Суперкомпьютер CDC-6600 1957 -1965 гг Наиболее мощной вычислительной системой, разработанной до 1965 года был компьютер ", Control Data Corp. 6600". В состав системы входило 11 устройств обработки данных, в том числе центральный процессор и 10 компьютеров спутников. Каждый компьютер спутник имел оперативное запоминающее устройство емкостью 4096 слов по 12 двоичных разряда. Мультипроцессорная организация позволяла эффективно совмещать во времени работу отдельных компонентов системы. Центральное оперативное запоминающее устройство со временем обращения 1 мксек состояло из 32 блоков по 4096 60 разрядных слов. Центральный процессор состоял из 10 независимых блоков, каждый из которых был предназначен для выполнения определенной операции (суммирование, умножение, деление, логические операции и т. д. ). ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 91

Малая цифровая вычислительная машина "Сетунь" 1959 г. В 1959 г. под руководством Н. П. Брусенцова на ВЦ МГУ им. М. В. Ломоносова разработана малая ЦВМ, предназначенная для решения научно технических и экономических задач средней сложности "Сетунь", ", заложившей основы RISC архитектуры. В 1962 1964 ЭВМ выпускалась серийно. Особенностью ЭВМ "Сетунь" является троичная симметричная система представления чисел (цифрами 1, 0, 1) с фиксированной после второго разряда или плавающей (программированной) точкой с операциями нормализации чисел(приведения к определенному виду) и сдвига. Возможно, это был единственный в мире компьютер, работавший в троичной системе счисления При работе с оперативным запоминающим устройством время выполнения операции сложения 180 микросекунд, умножения 320 мксек, передачи управления 100 микросекунд. Среднее время группового обращения к памяти на магнитном барабане 7500 микросекунд. Ввод данных в машину осуществлялся с пятидорожечной бумажной перфоленты со скоростью 800 строк/сек. "СЕТУНЬ" имела два входных устройства (фотоввода). Вывод данных из машины осуществлялся на двухцветную печать со скоростью 7 знаков/сек. и на бумажную перфоленту со скоростью 20 строк/сек (а также на телетайп). ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 92

Первый мини-компьютер PDP 1 корпорации DEC 1960 г. В 1960 году DEC представила компьютерной консалтинговой компании “Bolt, Beranek and Newman» первый в мире мини компьютер – модель PDP 1 (Programmed Data Processor, программируемый процессор данных), компьютер с монитором и клавиатурой, который стал одним из самых заметных явлений на рынке. Эта 18 разрядная система была способна выполнять 100 000 операций в секунду (например, операция сложения или вычитания занимала 1/100 секунды, а умножение – в среднем 1/50 секунды). Сама машина занимала на полу всего 1, 5 кв. м. PDP 1 стал, по сути, первой игровой платформой благодаря студенту MIT Стиву Расселу, написавшему для него компьютерную игрушку Star War!. В 1968 году Digital наладила серийное производство мини компьютеров PDP 8. Именно эту модель PDP 8 смогли приобретать лаборатории, университеты и небольшие предприятия, которые не могли позволить себе приобретать гигантские мейнфреймы IBM. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 93

Первая советская полупроводниковая вычислительная машина "Раздан 2" 1961 г. В СССР в 1961 г. был начат серийный выпуск первой полупроводниковой вычислительной машины "Раздан 2". Машина была предназначена для решения научно технических и инженерных задач, не требовавших высокой производительности (скорость вычислений до 5 тысяч операций в 1 секунд). Оперативное запоминающее устройство было выполнено на ферритовых сердечниках. Для расширения круга решаемых задач, требующих большого объема памяти, в машине предусмотрено внешнее запоминающее устройство — накопитель на магнитной ленте. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 94

Цифровая электронная вычислительная машина "Минск 23" Цифровая электронная вычислительная машина "Минск 23" предназначена для работы в системе организации производства, а также для решения таких планово экономических задач, как оперативный учет производства, начисление зарплаты, составление бухгалтерских сводок и т. д. Машина позволяла решать также инженерные, научно технические и технологические задачи. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 95

Вычислительная машина БЭСМ-6 1967 г. В 1967 году в России создана самая мощная вычислительная машина семейства БЭСМ – БЭСМ 6, Высокопроизводительная и оригинальная по архитектуре отечественная вычислительная машина создана на транзисторной элементной базе. Это была вычислительная машина мирового уровня(быстродействие ее около 1 миллион операций в 1 секунду). . Технические характеристики его таковы: • длина слова 50 разрядов (2 для проверки на парность); • система счисления двоичная; • форма представления чисел с плавающей запятой; • время выполнения операций: сложения 1, 2 мс, умножения 2, 1 мс; • система команд одноадресная; • емкость ОЗУ на сердечниках 32 тысяч слов (8 блоков; • время обращения к ОЗУ 2 микросекунды; • число линий прерывания 40; • время выборки из памяти 0, 8 микросекунды; • тактовая частота 10 мегагерц. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 96

"БЭСМ 6" имеет развитое матемематическое обеспечение, в состав которого входят: • операционная система управления поточной обработкой задач • система программирования на символических машинно ориентированных языках и на языках высокого уровня на ФОРТРАНе, АЛГОЛе и ЛИСПе. В состав математического обеспечения входят пакеты стандартных программ для ФОРТРАНа и АЛГОЛа, охватывающие широкий круг инженерных и научно технических задач. Общий объем математического обеспечения достигает нескольких сотен тысяч команд. Операционная система (ОС) организует мультипрограммную обработку нескольких задач, каждая из которых располагает полным объемом виртуальной памяти, предусмотренной в машине. ОС распределяет физические ресурсы памяти между задачами, обеспечивает одновременную работу внешних ЗУ и устройств ввода вывода; организует вызов в работу необходимых трансляторов и компиляторов, обращение к стандартным программам и следит за правильностью выполнения рабочих программ, фиксируя ошибки, возникающие при их исполнении. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 97

8. 2. 3 Третье поколение –ЭВМ на интегральных схемах 1964 — 1974 гг. Третье поколение компьютеров разрабатывалось на новой элементной базе малые интегральные схемы (МИС). В 1952 году Г. В. Даммер выдвинул идею создания монолитной полупроводниковой интегральной схемы, но только в 1962 году началось промышленное производство интегральных схем, которые получили широкое распространение в связи с малыми размерами, но громадными возможностями. . ИС это кремниевый кристалл, площадь которого примерно 10 мм 2. 1 ИС способна заменить десятки тысяч транзисторов. 1 кристалл выполняет такую же работу, как и 30 ти тонный “Эниак”. А компьютер с использованием ИС достигает производительности в 10 млн. операций в секунду. Благодаря интегральным схемам удалось существенно улучшить технико эксплуатационные характеристики ЭВМ. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 98

Contents Машины третьего поколения по сравнению с машинами второго поколения • больший объем оперативной памяти, • увеличилось быстродействие, • повысилась надежность, • потребляемая мощность, занимаемая площадь и масса уменьшились. Машины третьего поколения это • семейства машин с единой архитектурой, т. е. программно совместимых. • в качестве элементной базы в них используются интегральные схемы, которые также называются микросхемами. • имеют развитые операционные системы. • обладают возможностями мультипрограммирования, т. е. одновременного выполнения нескольких программ. • задачи управления памятью, устройствами и ресурсами выполняются операционной системой или непосредственно самой машиной. В это время происходит бурное развитие вычислительных машин реального времени. Появилась тенденция, в соответствии с которой в задачах управления наряду с большими вычислительными машинами находится место и для использования малых машин. ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 99

Признаки компьютеров третьего поколения. • использование новой элементной базы интегральные схемы. • в центральный процессор вводится система прерываний. • управление компьютером автоматизировано. Управление осуществляет комплекс программ, объединенный в операционную систему(ОС). • появляется полупроводниковая память • развивается иерархия памяти. Оперативная память делится на блоки с независимыми системами управления. Эти блоки могут работать одновременно. • вводятся специальные периферийные процессоры (каналы) для управления внешними запоминающими устройствами и периферийными устройствами. • появился расширенный набор внешних устройств. Разработаны устройства внешней памяти с увеличенной емкостью и скоростью передачи данных • появились устройства ввода графической информации с чертежа, оптические читающие устройства, графопостроители. • оперируют с произвольной буквенно цифровой информацией, единица адресации памяти байт, а не слово ЛЕКЦИЯ 8 ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 100