Автоматизация вычислений

Идея автоматизации вычислительных операций пришла из часовой промышленности. Старинные монастырские башенные часы были построены так, чтобы в заданное время включать механизм, связанный с системой колоколов.

В 1833 годуанглийский ученый, профессор Кембриджского университета Чарльз Беббидж разработал проект аналитической машины, которая имела черты современного компьютера. Это был гигантский арифмометр с программным управлением, арифметическим и запоминающим устройствами. Оно имело устройство для ввода информации, блок управления, запоминающее устройство и устройство вывода результатов.

Сотрудницей и помощницей Ч. Беббиджа во многих его научных изысканиях была леди Ада Лавлейс (урожденная Байрон).

Она разработала первые программы для машины и предвосхитила основы современного программирования для цифровых вычислительных машин с программным управлением. Заложила многие идеи и ввела ряд понятий и терминов, сохранившихся до настоящего времени.

Она предсказала появление современных компьютеров как многофункциональных машин не только для вычислений, но и для работы с графикой, звуком. В середине 70-х годов двадцатого столетия министерство обороны США официально утвердило название единого языка программирования американских вооруженных сил. Язык носит название Ada. День программиста отмечается в день рождения Ады Лавлейс 10 декабря.

Особенностью Аналитическоймашины стало то, что здесь впервые был реализован принцип разделения информации на команды и данные. Для ввода и вывода данных Бэббидж предлагал использовать перфокарты-листы из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий.

В 1888 году американский инженер ГерманХоллерит сконструировал первую электромеханическую счётную машину. Эта машина, названная табулятором, могла считывать и сортировать статистические записи, закодированные на перфокартах. Для работы этой машины использовалось электричество. В 1890 изобретение Холлерита было использовано в 11-ой американской переписи населения. Работа, которую 500 сотрудников выполняли в течение семи лет, Холлерит с 43 помощниками на 43 табуляторах выполнил за один месяц.

Дальнейшее развитие науки и техники позволили в 1940-х годах построить первые вычислительные машины. В 1944 г. американский инженер ГовардЭйкен при поддержке фирмы Ай-Би-Эм (IBM) сконструировал компьютер для выполнения баллистических расчетов. Этот компьютер, названный «Марк1», по площади занимал примерно половину футбольного поля и включал более 800 километров проводов, около 750 тыс.деталей, 3304 реле. «Марк-1» был основан на использовании электромеханическихреле и оперировал десятичными числами, закодированными на перфоленте. Машина могла манипулировать числами длиной до 23 разрядов. Для перемножения двух 23-разрядных чисел ей было необходимо 4 секунды.

Но электромеханические реле работали недостаточно быстро. В 1946 г. По заказу Армии США был создан первый широкомасштабный электронный цифровой компьютер ЭНИАК (ENIAC - электронный числовой интегратор и вычислитель), который можно было перепрограммировать для решения полного диапазона задач. Разработали его американские ученые ДжонУильямМокли и ДжонПресперЭкерт.В ЭНИАКе в качестве основы компонентной базы электромеханические реле были заменены вакуумными лампами. Всего комплекс включал 17468 ламп, 7200 кремниевых диодов, 1500 реле, 70000 резисторов и 10000 конденсаторов. Потребляемая мощность – 150 кВт по тем временам было достаточно для освещения большого города. Вычислительная мощность – 300 операций умножения или 5000 операций сложения в секунду. Вес – 27 тонн, более 30 метров. Вычисления проводились в десятичной системе. ЭНИАК использовался для расчета баллистических таблиц, предсказания погоды, расчетов в области атомной энергетики, аэродинамики, изучения космоса.

В СССР вычислительная машина МЭСМ (малая электронная счётная машина) была создана в 1951г. под руководством академика СергеяАлексеевичаЛебедева.Машина вычисляла факториалы натуральных чисел и решала уравнения параболы. Одновременно Лебедев работал над созданием БЭСМ - быстродействующей электронной счётной машины, разработка которой была завершена в 1953 г.

В 1971 г.фирмой Intel (США) был создан первый микропроцессор - программируемое логическое устройство, изготовленное по технологии СБИС (сверхбольших интегральных схем).

В 1964г. сотрудник Стэндфордского исследовательского центра Дуглас Энгельбарт продемонстрировал работу первой мыши-манипулятора, но только четыре года спустя мышка была показана на компьютерной конференции в Сан-Франциско.

Первый персональный компьютер (ПК) в 1976 г. выпустила фирма Apple; в СССР ПК появились в 1985 г.В СССР первый серийно выпускавшийся персональный компьютер «АГАТ» начал производиться в 1984 году. Были также разработаны и получили широкое распространение такие персональные компьютеры как БК-0010, Корвет, МС0511 «УКНЦ» и другие. Выпускались также компьютеры ЕС ПЭВМ, совместимые с IBM PC.

Поколения ЭВМ

ЭВМ принято делить на поколения. Для компьютерной техники характерна прежде всего быстрота смены поколений - за её короткую историю развития уже успели смениться четыре поколения и сейчас мы работаем на компьютерах пятого поколения. Определяющими признаками при отнесении ЭВМ к тому или иному поколению являются их элементная база (из каких в основном элементов они построены), быстродействие, емкость памяти, способы управления и переработки информации.

Первое поколение. 1950-1960-е годы

Компьютеры на электронных вакуумных лампах (диодах и триодах), а в качестве оперативных запоминающих устройств использовались электронно-лучевые трубки, в качестве внешних запоминающих устройств применялись накопители на магнитных лентах, перфокартах, перфолентах и штекерные коммутаторы.

Программирование работы ЭВМ этого поколения выполнялось в двоичной системе счисления на машинном языке, то есть программы были жестко ориентированы на конкретную модель машины.

Машины предназначались для решения сравнительно несложных научно-технических задач. Они были значительных размеров, потребляли большую мощность, имели невысокую надежность работы.

Быстродействие их не превышало 2-3 тысяч операций в секунду, емкость оперативной памяти - 2048 машинных слов длиной 48 двоичных знаков. Использовались в основном для научных расчетов.

В конце этого периода стали выпускаться устройства памяти на магнитных сердечниках.

Примеры ЭВМ первого поколения: ЭНИАК, МЭСМ, БЭСМ и первые модели ЭВМ "Минск" и "Урал".

Второе поколение ЭВМ. 1960-1970-е годы

Элементной базой машин этого поколения были полупроводниковые элементы (транзисторы). Транзисторы (твердые диоды и триоды) заменили электронные лампы в процессорах, а ферритовые (намагничиваемые) сердечники – электронно-лучевые трубки в оперативных запоминающих устройствах. Машины предназначались для решения различных трудоемких научно-технических задач, а также для управления технологическими процессами в производстве.

Появление полупроводниковых элементов в электронных схемах существенно увеличило емкость оперативной памяти, надежность и быстродействие ЭВМ. Уменьшились размеры, масса и потребляемая мощность.

Скорость ЭВМ возросла до сотен тысяч операций в секунду, а память – до десятков тысяч машинных слов. Создаются долговременные запоминающие устройства на магнитных лентах. Начали применять языки программирования высокого уровня, такие как Фортран.

В 1964 году появился первый монитор для компьютеров - IBM 2250. Это был монохромный дисплей с экраном 12 × 12 дюймов и разрешением 1024 × 1024 пикселов. Он имел частоту кадровой развертки 40 Гц.

Третье поколение ЭВМ: 1970-1980-е годы

Элементная база ЭВМ - малые интегральные схемы (МИС), что привело к дальнейшему увеличению скорости до миллиона операций в секунду и памяти до сотен тысяч слов. Машины предназначались для широкого использования в различных областях науки и техники.

ЭВМ третьего поколения также характеризуется крупнейшими сдвигами в архитектуре ЭВМ, их программном обеспечении, организации взаимодействия человека с машиной. Это, прежде всего наличие развитой конфигурации внешних устройств (алфавитно-цифровые терминалы, графопостроители, магнитные диски (30 см в диаметре) и т.п.), развитая операционная система.

В период машин третьего поколения произошел крупный сдвиг в области применения ЭВМ. Если раньше ЭВМ использовались в основном для научно-технических расчетов, то в 60-70-е годы первое место стала занимать обработка символьной информации, в основном экономической.

IV поколение. 1980-1990-е годы

Переход к машинам четвертого поколения – ЭВМ на большихинтегральных схемах (БИС) – происходил во второй половине 70-х годов и завершился приблизительно к 1980 г. Теперь на одном кристалле размером 1 см² стали размещаться сотни тысяч электронных элементов. Скорость и объем памяти возросли в десятки тысяч раз по сравнению с машинами первого поколения и составили примерно 10⁹ операций в секунду и 10⁷ слов соответственно.

Наиболее крупным достижением, связанным с применением БИС, стало создание микропроцессоров, а затем на их основе микро-ЭВМ. Если прежние поколения ЭВМ требовали для своего расположения специальных помещений, системы вентиляции, специального оборудования для электропитания, то требования, предъявляемые к эксплуатации микро-ЭВМ, ничем не отличаются от условий эксплуатации бытовых приборов. При этом они имеют достаточно высокую производительность, экономичны в эксплуатации и дешевы.

Микро-ЭВМ используются в измерительных комплексах, системах числового программного управления, в управляющих системах различного назначения.

Дальнейшее развитие микро-ЭВМ привело к созданию персональныхкомпьютеров (ПК), широкое распространение которых началось с 1975 г., когда фирма IBM выпустила свой первый персональный компьютер IBMPC.

В период машин четвертого поколения стали также серийно производиться супер-ЭВМ. В нескольких серийных моделях была достигнута производительность свыше 1 млрд. операций в секунду.

К числу наиболее значительных разработок четвертого поколения относится ЭВМ «Крей-3».

Примером отечественной суперЭВМ является многопроцессорный вычислительный комплекс «Эльбрус».

V поколение. 1990-настоящее время

С 90-х годов в истории развития вычислительной техники наступила пора пятого поколения. Высокая скорость выполнения арифметических вычислений дополняется высокими скоростями логического вывода.

Сверхбольшие интегральные схемы повышенной степени интеграции, использование оптоэлектронных принципов (лазеры, голография).

Способны воспринимать информацию с рукописного или печатного текста, с бланков, с человеческого голоса, узнавать пользователя по голосу, осуществлять перевод с одного языка на другой. Используются модели и средства, разработанные в области искусственного интеллекта. Архитектура содержит несколько блоков: блок общения – обеспечивает интерфейс между пользователем и ЭВМ на естественном языке; база знаний – хранятся знания, накопленные человечеством в различных предметных областях; решатель - организует подготовку программы решения задачи на основании знаний, получаемых из базы знаний и исходных данных, полученных из блока общения. Ядро вычислительной системы составляет ЭВМ высокой производительности.

В связи с появлением новой базовой структуры ЭВМ в машинах пятого поколения широко используются модели и средства, разработанные в области искусственногоинтеллекта.

Классификация ЭВМ

Существует достаточно много систем классификации ЭВМ по различным признакам.

I. Классификация по назначению:

1)СуперЭВМ предназначены для решения крупномасштабных вычислительных задач, для обслуживания крупнейших информационных банков данных.Это очень мощные компьютеры с производительностью свыше 100 мегафлопов (1 мегафлоп — миллион операций с плавающей точкой в секунду). Они называются сверхбыстродействующими. Эти машины представляют собой многопроцессорные и (или) многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних устройств. Различают суперкомпьютеры среднего класса, класса выше среднего и переднего края (high end).

2)Большие ЭВМ - для комплектования ведомственных, территориальных и региональных вычислительных центров. Мэйнфреймы предназначены для решения широкого класса научно-технических задач и являются сложными и дорогими машинами. Их целесообразно применять в больших системах при наличии не менее 200 — 300 рабочих мест.

3)Средние ЭВМ - широкого назначения для управления сложными технологическими производственными процессами. ЭВМ этого типа могут использоваться и для управления распределенной обработкой информации в качестве сетевых серверов.

4)Персональные и профессиональные ЭВМ, позволяющие удовлетворять индивидуальные потребности пользователей. На базе этого класса ЭВМ строятся автоматизированные рабочие места (АРМ) для специалистов различного уровня.

5)Встраиваемые микропроцессоры, осуществляющие автоматизацию управления отдельными устройствами и механизмами.

II. Классификация ПК по типоразмерам:

1) Настольные (desktop) - используются для оборудования рабочих мест, отличаются простотой изменения конфигурации. Наиболее распространены.

2) Портативные – удобны для транспортировки, можно работать при отсутствии рабочего места.

Основные разновидности портативных компьютеров:

Laptop (наколенник, от lap — колено и top — поверх). По размерам близок к обычному портфелю. По основным характеристикам (быстродействие, память) примерно соответствует настольным ПК. Сейчас компьютеры этого типа уступают место ещё меньшим.

Notebook (блокнот, записная книжка). По размерам он ближе к книге крупного формата. Имеет вес около 3 кг. Является переносным персональным компьютером. Он имеет компактные габариты и встроенные аккумуляторы, позволяющие работать без сетевого напряжения.

Palmtop (наладонник) — это самый маленький ПК. Он не имеет внешней памяти на магнитных дисках, она заменена на энергозависимую электронную память. Эта память может перезаписываться при помощи линии связи с настольным компьютером. Карманный компьютер можно использовать как словарь-переводчик или записную книжку

III. Классификация по условиям эксплуатации:

По условиям эксплуатации компьютеры делятся на два типа:

1) офисные (универсальные) – на их основе можно собирать вычислительные системы произвольного состава;

2) специализированные – предназначены для решения конкретного круга задач (например, бортовые компьютеры автомобилей, самолетов).