История развития ЭВМ
Устройства, облегчающие счёт или запоминание его результатов, известны давно. Это абак (четыре тысячи лет до нашей эры) и русские счёты (XVI в.). Но они не обладали главным свойством компьютера – производить вычисления автоматически. Автоматические вычисления, заключающиеся в генерации и регистрации сигналов (перемещений) через определённые промежутки времени, производят механические часы (XIV в.). Первая счётная машина была построена французским учёным Блезом Паскалем в 1642 г. Она была механической с ручным приводом и могла выполнять операции сложения и вычитания. Немецкий математик Готфрид Лейбниц в 1672 г. построил механическую машину, которая могла делать также операции умножения и деления. В 1804 г. в ткацком станке Жаккарда была реализована идея гибкого программного управления с помощью перфорированной бумажной ленты.
Впервые машину, работающую по программе, разработал в 1834 г. английский учёный Чарльз Бэббидж. Она содержала запоминающее устройство, вычислительное устройство, устройство ввода с перфокарт и печатающее устройство. Команды считывались с перфокарты и выполняли считывание данных из памяти в вычислительное устройство и запись в память результатов вычислений. Все устройства машины Бэббиджа, включая память, были механическими и содержали тысячи шестерёнок, при изготовлении которых требовалась точность, недоступная в XIX в. Первым программистом можно назвать Аду Лавлейс, предложившей использовать перфокарты для программирования.
Герман Холлерит, сотрудник американского Национального бюро по переписи населения, создал в 1887 г. первый электромеханический табулятор. Принцип работы этой счётной машины основан на замыкании электрической цепи через отверстия перфокарты, приведении в действие исполнительного механизма и увеличении показаний соответствующего счётчика на единицу. В 1896 г. Холлерит основал фирму Tabulating Machihe Company, которая была поглощена компанией Computer Tabulating Recording Company, переименованной позже в International Business Machihe (IBM).
В XX в. начала развиваться электроника, и её возможности немедленно взяли на вооружение разработчики вычислительных машин. С построения вычислительных машин, базовая система элементов которых была построена на электронных компонентах, начинается отсчёт поколений ЭВМ. Отметим, что деление периода развития цифровой техники на этапы связано, в основном, с переводом базовой системы элементов на новые технологии производства электронных компонентов.
Первое поколение – электронные лампы (1945–1955 гг.) Их использование определяло и достоинства, и недостатки цифровых устройств. Электронные лампы обеспечивали высокую скорость переключения логических элементов, что увеличивало скорость вычисления по сравнению с попытками создать вычислительную машину, базовый элемент которой был построен на основе электромеханического реле. Электронные лампы были достаточно долговечны и обеспечивали надёжную работу компьютера. К сожалению, недостатков у ламповых компьютеров тоже было достаточно. Электронные лампы работали с напряжениями в десятки вольт и расходовали много энергии, кроме того, размер электронных ламп, по современным понятиям микроэлектроники, был огромным – несколько десятков кубических сантиметров. Для построения вычислительной машины нужны были тысячи логических элементов, поэтому размер ламповых вычислительных машин по занимаемой площади составлял десятки квадратных метров, а потребляемая мощность колебалась в пределах от единиц до десятков и даже сотен киловатт. Скорость обработки информации в ламповых машинах колебалась от нескольких сотен до нескольких тысяч операций в секунду.
Второе поколение – транзисторы (1955–1965 гг.). Они отличались от электронных ламп малыми размерами, низким напряжением питания и малой потребляемой мощностью. Новая элементная база для компьютеров на основе транзисторов произвела революцию в производстве компьютеров. Значительное уменьшение габаритов, снижение потребляемой мощности и стоимости позволило создавать архитектуры компьютера с большими функциональными возможностями, резко повысить быстродействие компьютеров до сотен тысяч и даже миллионов операций в секунду. Увеличение производительности обеспечивалось как за счёт более высокой скорости работы транзисторов по сравнению с электронными лампами, так и путём введения в состав вычислительной машины нескольких обрабатывающих устройств, работающих параллельно. Площадь, требуемая для размещения компьютера, снизилась до нескольких квадратных метров, предпринимались попытки изготавливать и настольные варианты. Снижение стоимости увеличило число потенциальных пользователей компьютеров. Появились крупные фирмы по производству компьютеров широкого назначения: International Business Machines (IBM), Control Data Corporation (CDC), Digital Equipment Corporation (DEC) и др. Следует отметить компьютер PDP-8 фирмы DEC – первого мини-компьютера с общей шиной, оказавшего большое влияние на развитие архитектур персональных компьютеров.
Третье поколение – интегральные схемы (1965–1980 гг.). Требование уменьшения габаритов электронных устройств привело к тому, что сначала полупроводниковые приборы стали производиться в бескорпусном исполнении, а затем в 1958 г. была предпринята попытка разместить в одном полупроводниковом кристалле все компоненты одного функционального узла. Так появились интегральные схемы (ИС), которые позволили резко уменьшить размеры полупроводниковых схем и снизить потребляемую мощность. На основе ИС строились мини-ЭВМ, которые выполнялись в виде одной стойки и периферийных устройств. Мощность, потребляемая компьютером на ИС, уменьшилась до сотен ватт. Увеличение быстродействия узлов, построенных на ИС, позволило довести быстродействие компьютеров до десятков миллионов операций в секунду. Электронная промышленность приступила к массовому производству электронных компонентов на ИС, что позволило снизить их стоимость и резко уменьшить стоимость аппаратной составляющей компьютеров. Уменьшение стоимости привело к разработке и практической реализации мощных вычислительных систем, использующих параллельную обработку: многопроцессорные и конвейерные вычислители.
Четвёртое поколение – сверхбольшие интегральные схемы (с 1980 гг.) Используя последние научно-технические достижения физики, химии, кристаллографии, материаловедения и даже космонавтики (в невесомости можно получить полупроводниковые кристаллы очень высокой чистоты), удалось достичь размещения на одном кристалле размером несколько квадратных миллиметров сначала сотен, затем тысяч и, наконец, миллионов транзисторов и других электронных компонентов. Теперь полупроводниковая схема содержала уже не набор нескольких логических элементов, из которых строились затем функциональные узлы компьютера, а целиком функциональные узлы и, в первую очередь процессор, который, учитывая его размеры, получил название микропроцессор, устройства управления внешними устройствами – контроллеры внешних устройств. Такие микросхемы большой и сверхбольшой степени интеграции получили название больших (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС) соответственно. Итогом такого бурного развития микроэлектроники стало появление одноплатных и однокристальных ЭВМ, где на одной плате, размером несколько десятков квадратных сантиметров, размещались СБИС, содержащие все функциональные блоки компьютера. Одноплатные компьютеры встраивались в различные промышленные, медицинские и бытовые приборы для оперативной обработки информации и управления.
Стоимость одноплатных компьютеров так упала, что появилась возможность их приобретения отдельными людьми. Такой возможностью воспользовались английские инженеры Стив Джобс и Стив Возняк. Используя выпускаемые промышленностью функциональные узлы: плата микро-ЭВМ с процессором и памятью, клавиатура, дисплей, они собрали дешёвую настольную вычислительную машину – микрокомпьютер. Его привлекательность для непрофессиональных пользователей заключалась в том, что это было готовое к употреблению устройство, содержащее всё необходимое оборудование и программное обеспечение для работы. Этот микрокомпьютер получил название Apple и стал первым в мире персональным компьютером.
Персональными компьютерами, которые получили большое распространение на компьютерном рынке, заинтересовалась крупная компания, занимавшаяся выпуском мощных вычислительных систем, – IBM, и решила наладить выпуск своей модели персонального компьютера. Совместно с фирмой Intel, разработавшей микропроцессорный комплект, и фирмой Microsoft, которая оснастила компьютер операционной системой MS DOS, IBM создала персональный компьютер IBM PC. Значительный потенциал фирмы IBM позволил в короткие сроки произвести огромное количество таких компьютеров. Их привлекательная для покупателей цена и некоторые новшества, например, больший, по сравнению с выпускавшимися в то время персональными компьютерами других фирм, объём оперативной памяти, позволили компьютеру IBM PC стать самой популярной «персоналкой» в мире.
Дальнейшая классификация вычислительных систем по их принадлежности к различным поколениям весьма условна. В настоящее время элементная база микропроцессорных систем активно развивается, но в её основе по-прежнему лежат СБИС. Количество элементов в современных многоядерных процессорах приближается к миллиарду. Некоторые специалисты выделяют пятое, шестое и последующие поколения как усовершенствование микроэлектронных технологий (многопроцессорные компьютеры, оптоэлектроника, криоэлектроника, нанотехнологии). Другие рассматривают последующие поколения как изменение структур обработки команд и данных внутри микропроцессора (нейрокомпьютеры с системами логического вывода, естественным речевым и видеоинтерфейсом).