| 7 классы | Планирование уроков на учебный год (ФГОС) | Основные компоненты компьютера и их функции

Урок 10
Основные компоненты компьютера и их функции

2.1.1. Компьютер

Ключевые слова:

компьютер процессор память устройства ввода информации устройства вывода информации

Одним из важных объектов, изучаемых на уроках информатики, является компьютер, получивший своё название по основной функции - проведению вычислений (англ. computer - вычислитель).

Первый компьютер был создан в 1945 г. в США. Познакомиться с историей компьютеров вы можете, совершив виртуальное путешествие по музеям вычислительной техники. Так, много интересной информации о компьютерах можно узнать, посетив . Обратите внимание, что для обозначения компьютерной техники 1940-1970-х годов часто используется аббревиатура ЭВМ (электронная вычислительная машина).

Современный компьютер - универсальное электронное программно управляемое устройство для работы с информацией.

Универсальным устройством компьютер называется потому, что он может применяться для многих целей - обрабатывать, хранить и передавать самую разнообразную информацию, использоваться человеком в разных видах деятельности.

Современные компьютеры могут обрабатывать разные виды информации : числа, текст, изображения, звуки. Информация любого вида представляется в компьютере в виде двоичного кода - последовательностей нулей и единиц. Некоторые способы двоичного кодирования представлены на рис. 2.1.

Информацию, предназначенную для обработки на компьютере и представленную в виде двоичного кода, принято называть двоичными данными или просто данными. Одним из основных достоинств двоичных данных является то, что их копируют, хранят и передают с использованием одних и тех же универсальных методов, независимо от вида исходной информации.

Способы двоичного кодирования текстов, звуков (голоса, музыки), изображений (фотографий, иллюстраций), последовательностей изображений (кино и видео), а также трёхмерных объектов были придуманы в 80-х годах прошлого века. Позже мы рассмотрим способы двоичного кодирования числовой, текстовой, графической и звуковой информации более подробно. Теперь же главное - знать, что последовательностям 1 и 0 в компьютерном представлении соответствуют электрические сигналы - «включено» и «выключено». Компьютер называется электронным устройством , потому что он состоит из множества электронных компонентов, обрабатывающих эти сигналы.

Обработку данных компьютер проводит в соответствии с программой - последовательностью команд, которые необходимо выполнить над данными для решения поставленной задачи. Как и данные, программы представляются в компьютере в виде двоичного кода. Программно управляемым устройством компьютер называется потому, что его работа осуществляется под управлением установленных на нём программ. Это программный принцип работы компьютера .

Современные компьютеры бывают самыми разными: от мощных компьютерных систем, занимающих целые залы и обеспечивающих одновременную работу многих пользователей, до мини-компьютеров, помещающихся на ладони (рис. 2.2).

Сегодня самым распространённым видом компьютеров является персональный компьютер (ПК) - компьютер, предназначенный для работы одного человека.

выберите шаблон, позволяющий правильно объединить все файлы имя которых заканчивается буквосочетанием "фы" и имеющих расширение из двух символов,в одну

группу?
А)*фы*.??
Б) *фы.??
В)фык*.??
Г)фф*фы.*????

Документ объёмом 8 Мбайт можно передать с одного компьютера на другой

двумя способами:
А) сжать архиватором, передать архив по каналу связи, распаковать;
Б) передать по каналу связи без использования архиватора.
Какой способ быстрее и на сколько, если:
скорость передачи данных по каналу связи составляет 221 бит/с;
объём сжатого архиватором документа равен 50 % от исходного;
время, требуемое на сжатие документа, – 10 секунд, на распаковку –
3 секунды?
В ответе напишите букву А, если быстрее способ А, или Б, если быстрее
способ Б. Сразу после буквы напишите число, обозначающее, на сколько
секунд один способ быстрее другого.
Так, например, если способ Б быстрее способа А на 23 секунды, в ответе
нужно написать Б23.
Единицы измерения «секунд», «сек.», «с» к ответу добавлять не нужно.

Помогите решить на с++ или pascale срочно

Таймер - это часы, которые умеют подавать звуковой сигнал по прошествии некоторого периода времени. Напишите программу, которая определяет, когда должен быть подан звуковой сигнал.Входные данныеВ первой строке входного файла INPUT.TXT записано текущее время в формате ЧЧ:ММ:СС (с ведущими нулями). При этом оно удовлетворяет ограничениям: ЧЧ - от 00 до 23, ММ и СС - от 00 до 60.Во второй строке записан интервал времени, который должен быть измерен. Интервал записывается в формате Ч:М:С (где Ч, М и С - от 0 до 109, без ведущих нулей). Дополнительно если Ч=0 (или Ч=0 и М=0), то они могут быть опущены. Например, 100:60 на самом деле означает 100 минут 60 секунд, что то же самое, что 101:0 или 1:41:0. А 42 обозначает 42 секунды. 100:100:100 - 100 часов, 100 минут, 100 секунд, что то же самое, что 101:41:40.

ПОЖАЛУЙСТА! СРОЧНО!

У Толи есть доступ к сети Интернет по высокоскоростному одностороннему радиоканалу,обеспечивающему скорость получения информации 220 бит в секунду. У Миши нет скоростного доступа вИнтернет, но есть возможность получать информацию от Толи по низкоскоростному телефонному каналусо средней скоростью 213 бит в секунду. Миша договорился с Толей, что тот будет скачивать для негоданные объемом 10 Мбайт по высокоскоростному каналу и ретранслировать их Мише понизкоскоростному каналу. Компьютер Толи может начать ретрансляцию данных не раньше, чем им будутполучены первые 1024 Кбайт этих данных. Каков минимально возможный промежуток времени (всекундах) с момента начала скачивания Толей данных до полного их получения Мишей? В ответе укажитетолько число, слово «секунд» или букву «с» добавлять не нужно

2
Документ обьемом 10мбайт можно передать с одного компьютера на другой 2 способами а-сжать архиватором по каналу связи и распаковать
б-передать по каналу связи без использования архиватора
какой способ быстрее если
-средняя скорость передачи данных составляет 2^18бит в секунду
-объем сжатого архиватором документа равен 30% от исходного
-время требуемое на сжатие документа 7 секунд, на распаковку 1 секунда?
в ответе указать решение и на сколько их разница в секундах будет больше.

4 декабря 1948 года Государственный комитет Совета министров СССР по внедрению передовой техники в народное хозяйство зарегистрировал 30 номером 10475 изобретение И. С. Бруком и Б. И. Рамеевым цифровой электронной вычислительной машины.

В советской научно-технической литературе термин «информатика» появился в 1968 году, а в школах соответствующая учебная дисциплина появилась в 1985 году.

В начале 1947 года, слушая передачи «Би-Би-Си», Б.И. Рамеев узнал о том, что в США создана ЭВМ ЭНИАК, и принял решение заняться этой новой тогда областью науки и техники. По рекомендации А.И. Берга Б.И. Рамеев обратился к члену-корреспонденту АН СССР И.С. Бруку и в мае 1948 г. был принят инженером-конструктором в Лабораторию электросистем Энергетического института АН СССР.

Уже в августе 1948 г. И.С. Брук и Б.И. Рамеев представили первый в СССР проект «Автоматическая цифровая электронная машина». В нем было дано описание принципиальной схемы машины, определены арифметические операции в двоичной системе счисления, управление работой машины от главного программного датчика, считывающего программу, записанную на перфоленту и обеспечивающего выдачу результатов на такую же ленту и ввод с нее полученных чисел снова в машину для последующих вычислений. Продолжить совместные работы с И.С. Бруком Б.И. Рамееву не удалось из-за того, что в начале 1949 г. его снова призвали в армию как специалиста по радиолокации, работавшего в ЦНИИ № 108 у А.И. Берга, и зачислили преподавателем в школу подводников на Дальнем Востоке.

В начале 1950 г. на базе Московского завода САМ было создано СКБ-245, которому поручалось создание цифровых вычислительных машин. На должность заведующего одной из лабораторий СКБ-245 был приглашен Б.И. Рамеев, возвращенный из армии по ходатайству министра машиностроения и приборостроения СССР П.И. Паршина. При этом министр дал подписку о своей личной ответственности за деятельность Б.И.Рамеева, чего требовали правила выполнения секретных исследований, которые в те годы распространялись на разработки ЭВМ.

Б.И. Рамеев предложил эскизный проект машины, использовав ряд идей, выдвинутых им ранее совместно с И.С. Бруком. Этот проект, утвержденный Техническим советом СКБ-245, был положен в основу машины «Стрела», первой ЭВМ, освоенной в промышленном производстве в СССР. Как заместитель главного конструктора «Стрелы» Б.И. Рамеев участвовал в создании машины в целом. Под его руководством и при непосредственном участии были разработаны арифметическое устройство машины и память на магнитном барабане. Решение по выбору элементной базы на электронных лампах (а не на реле) было предложено Б.И. Рамеевым.

На первоначальном этапе своего развития сфера разработки компьютеров в СССР шла в ногу с мировыми тенденциями. О история развития советских ЭВМ до 1980-го года и пойдёт речь в этой статье.

Предыстория ЭВМ

В современной разговорной – да и научной тоже – речи выражение «электронная вычислительная машина» повсеместно изменено на слово «компьютер». Это не совсем верно теоретически – компьютерные вычисления могут быть основаны не на использовании электронных приспособлений. Однако исторически сложилось, что ЭВМ стали основным инструментом для проведения операций с большими объёмами численных данных. А поскольку над их совершенствованием работали исключительно математики, все типы информации стали кодироваться численными «шифрами», и удобные для их обработки ЭВМ из научно-военной экзотики превратились в универсальную широко распространённую технику.

Инженерная база для создания электронных вычислительных машин была заложена в Германии в годы Второй мировой войны. Там прототипы современных компьютеров использовались для шифрования. В Британии в те же годы совместными усилиями шпионов и учёных была спроектирована аналогичная машина для расшифровки – Colossus. Формально ни немецкие, ни британские аппараты электронными вычислительными машинами считаться не могут, скорее электронно-механическими – операциям отвечали переключения реле и вращение роторов-шестерёнок.

После завершения войны разработки нацистов попали в руки Советского Союза и, в основном, США. Сложившееся в то время научное сообщество отличалось сильной зависимостью от «своих» государств, но что важнее – высоким уровнем проницательности и трудолюбия. Ведущие специалисты сразу нескольких областей заинтересовались возможностями электронно-вычислительной техники. А правительства согласились, что устройства для быстрых, точных и сложных вычислений – это перспективно, и выделили средства на соответствующие исследования. В США до и во время войны велись свои кибернетические разработки – непрограммируемый, но полностью электронный (без механической компоненты) компьютер Атанасова-Берри (ABC), а также электромеханический, но программируемый под разные задачи ЭНИАК. Их модернизация с учётом трудов европейских (немецких и британских) учёных привела к появлению первых «настоящих» ЭВМ. В это же время (в 1947-м году) в Киеве был организован Институт электротехники АН УССР, во главе которого встал Сергей Лебедев, инженер-электротехник и родоначальник советской информатики. В один год с появлением института Лебедев открывает под его крышей лабораторию моделирования и вычислительной техники, в которой в последующие несколько десятилетий разрабатываются лучшие ЭВМ Союза.

ЭНИАК

Принципы первого поколения ЭВМ

В 40-х годах известный математик Джон фон Нейман пришёл к выводу, что вычислительные машины, в которых программы задаются буквально вручную, переключением рычагов и проводов, чрезмерно сложны для практического использования. Он создаёт концепцию, по которой исполняемые коды хранятся в памяти так же, как и обрабатываемые данные. Отделение процессорной части от накопителя данных и принципиально одинаковый подход к хранению программ и информации стали краеугольными камнями архитектуры фон Неймана. Эта компьютерная архитектура до сих пор является самой распространённой. Именно от первых устройств, построенных на архитектуре фон Неймана, отсчитываются поколения ЭВМ.

Одновременно с формулировкой постулатов архитектуры фон Неймана в электротехнике начинается массовое применение вакуумных ламп. На тот момент только они позволяют в полной мере реализовать автоматизацию вычислений, предлагаемую новой архитектурой, поскольку время реакции электронных ламп чрезвычайно мало. Однако каждая лампа требовала для работы отдельного питающего провода, кроме того, физический процесс, на котором основано функционирование вакуумных ламп – термоэлектронная эмиссия – накладывал ограничения на их миниатюризацию. Как следствие, ЭВМ первого поколения потребляли сотни киловатт энергии и занимали десятки кубометров пространства.

В 1948-м году Сергей Лебедев, занимавшийся на своём директорском посту не только административной работой, но и научной, подал в АН СССР докладную записку. В ней говорилось о необходимости в кратчайшие сроки разработать свою электронную вычислительную машину, и ради практического использования, и ради научного прогресса. Разработки этой машины велись полностью с нуля – об экспериментах западных коллег Лебедев и его сотрудники информации не имели. За два года машина была спроектирована и смонтирована – для этих целей под Киевом, в Феофании, институту отвели здание, ранее принадлежавшее монастырю. В 1950-м ЭВМ, названная (МЭСМ), произвела первые вычисления – нахождение корней дифференциального уравнения. В 1951-м году инспекция академии наук, возглавляемая Келдышем, приняла МЭСМ в эксплуатацию. МЭСМ состояла из 6000 вакуумных ламп, выполняла 3000 операций в секунду, потребляла чуть меньше 25 кВт энергии и занимала 60 квадратных метров. Имела сложную трёхадресную систему команд и считывала данные не только с перфокарт, но и с магнитных лент.

Пока Лебедев строил свою машину в Киеве, в Москве образовалась своя группа электротехников. Электротехник Исаак Брук и изобретатель Башир Рамеев, оба – сотрудники Энергетического института им. Кржижановского, ещё в 1948-м подали в патентное бюро заявку на регистрацию проекта собственной ЭВМ. К 1950-му году Рамеева поставили во главе особой лаборатории, где буквально за год была собрана М-1– ЭВМ значительно менее мощная, чем МЭСМ (выполнялось всего 20 операций в секунду), но зато и меньшая по размерам (около 5 метров квадратных). 730 ламп потребляли 8 кВт энергии.

В отличие от МЭСМ, которая использовалась главным образом в военных и промышленных целях, вычислительное время серии «М» отводилось и учёным-ядерщикам, и организаторам экспериментального шахматного турнира между ЭВМ. В 1952-м году появилась М-2, производительность которой выросла в сто раз, а число ламп – всего лишь вдвое. Этого удалось достичь активным использованием управляющих полупроводниковых диодов. Энергопотребление увеличилось до 29 кВт, площадь – до 22 квадратных метров. Несмотря на явную успешность проекта, в массовое производство ЭВМ не запустили – этот приз ушёл ещё одному кибернетическому творению, созданному при поддержке Рамеева – «Стреле».

ЭВМ «Стрела» создавалась в Москве, под руководством Юрия Базилевского. Первый образец устройства завершили к 1953-му году. Как и М-1, «Стрела» использовала память на электронно-лучевых трубках (МЭСМ использовала триггерные ячейки). «Стрела» оказалась наиболее удачным из этих трёх проектов, поскольку её сумели запустить в серию – за сборку взялся Московский завод счётно-аналитических машин. За три года (1953-1956) было выпущено семь «Стрел», которые затем отправились в МГУ, в вычислительные центры АН СССР и нескольких министерств.

Во многих смыслах «Стрела» была хуже, чем М-2. Она выполняла те же 2000 операций в секунду, но при этом использовалось 6200 ламп и больше 60 тысяч диодов, что в сумме давало 300 квадратных метров занимаемой площади и порядка 150 кВт энергопотребления. М-2 подвели сроки: её предшественница хорошей производительностью не отличалась, а к моменту ввода в эксплуатацию доведенной до ума версии «Стрелы» уже были отданы в производство.

М-3 вновь была «урезанным» вариантом – ЭВМ выполняла 30 операций в секунду, состояла из 774-х ламп и потребляла 10 кВт энергии. Зато и занимала эта машина только 3 кв.м., благодаря чему пошла в серийное производство (было собрано 16 ЭВМ). В 1960-м году М-3 модифицировали, производительность довели до 1000 операций в секунду. На базе М-3 в Ереване и Минске разрабатывались новые ЭВМ «Арагац», «Раздан», «Минск». Эти «окраинные» проекты, шедшие параллельно с ведущими московскими и киевскими программами, добились серьёзных результатов уже позже, после перехода на транзисторные технологии.

В 1950-м году Лебедева перевели в Москву, в Институт точной механики и вычислительной техники. Там за два года была спроектирована ЭВМ, прообразом которой в своё время считалась МЭСМ. Новую машину назвали БЭСМ – Большая электронная счётная машина. Этот проект положил начало самой успешной серии советских компьютеров.

Доработанная ещё за три года БЭСМ отличалась великолепным по тем временам быстродействием – до 10 тысяч операций в минуту. При этом использовалось всего 5000 ламп, а потребляемая мощность составляла 35 кВт. БЭСМ являлась первой советской ЭВМ «широкого профиля» – её изначально предполагалось предоставлять учёным и инженерам для проведения их расчётов.

БЭСМ-2 разрабатывалась для серийного производства. Число операций в секунду довели до 20 тысяч, оперативная память, после испытаний ЭЛТ, ртутных трубок, была реализована на ферритовых сердечниках (на следующие 20 лет этот тип ОЗУ стал ведущим). Выпуск начался в 1958-м году, и за четыре года с конвейеров завода им. Володарского сошло 67 таких ЭВМ. С БЭСМ-2 началась разработка военных компьютеров, руководивших системами ПВО – М-40 и М-50. В рамках этих модификаций был собран первый советский компьютер второго поколения – 5Э92б, и дальнейшая судьба серии БЭСМ уже оказалась связана с транзисторами.

С 1955-го года Рамеев «передислоцировался» в Пензу для разработки ещё одной ЭВМ, более дешёвой и массовой «Урал-1». Состоящая из тысячи ламп и потребляющая до 10 кВт энергии, эта ЭВМ занимала порядка ста квадратных метров и стоила куда дешевле мощных БЭСМ. «Урал-1» выпускался до 1961-го года, всего было произведено 183 компьютера. Их устанавливали в вычислительных центрах и конструкторских бюро по всему миру, в частности, в центре управления полётами космодрома «Байконур». «Урал 2-4» также являлись ЭВМ на электронных лампах, но уже использовали ферритовую оперативную память, выполняли по несколько тысяч операций в секунду и занимали 200-400 квадратных метров.

В МГУ разрабатывали собственную ЭВМ – «Сетунь». Она также пошла в массовое производство – на Казанском заводе вычислительных машин было выпущено 46 таких ЭВМ. Их спроектировал математик Соболев совместно с конструктором Николаем Брусенцовым. «Сетунь» – ЭВМ на троичной логике; в 1959-м году, за несколько лет до массового перехода на транзисторные компьютеры, эта ЭВМ со своими двумя десятками вакуумных ламп выполняла 4500 операций в секунду и потребляла 2,5 кВт электричества. Для этого использовались ферритодиодные ячейки, которые советский инженер-электротехник Лев Гутенмахер опробовал ещё в 1954-м году при разработке своей безламповой электронной вычислительной машины ЛЭМ-1. «Сетуни» благополучно функционировали в различных учреждениях СССР, но будущее было за ЭВМ взаимно совместимыми, а значит – основанными на одной и той же, двоичной логике. Тем более что мир получил транзисторы, убравшие вакуумные лампы из электротехнических лабораторий.

ЭВМ первого поколения США

Серийное производство ЭВМ в США началось раньше, чем в СССР – в 1951-м году. Это был UNIVAC I, коммерческий компьютер, созданный скорее для обработки статистических данных. Его производительность была примерно такой же, что и у советских разработок: использовалось 5200 вакуумных ламп, выполнялось 1900 операций в секунду, потреблялось 125 кВт энергии.

Зато научные и военные компьютеры отличались куда большей мощностью (и размерами). Разработка ЭВМ Whirlwind началась ещё до Второй мировой, причём её назначением было ни много ни мало – подготовка пилотов на авиационных симуляторах. Естественно, в первой половине 20-го века это было нереальной задачей, поэтому война прошла, а Whirlwind так и не построили. Но затем началась холодная война, и разработчики из Массачусетского технологического института предложили вернуться к грандиозной идее.

В 1953-м году (тогда же, когда в свет вышли М-2 и «Стрелы») Whirlwind был завершён. Этот компьютер выполнял 75000 операций в секунду и состоял из 50 тысяч вакуумных ламп. Потребление энергии достигало нескольких мегаватт. В процессе создания ЭВМ были разработаны ферритовые накопители данных, оперативная память на электронно-лучевых трубках и нечто вроде примитивного графического интерфейса. На практике от Whirlwind так и не было проку – его модернизировали под перехват самолётов-бомбардировщиков, а на момент сдачи в эксплуатацию воздушное пространство уже перешло под власть межконтинентальных ракет.

Бесполезность Whirlwind для военных не поставила крест на подобных ЭВМ. Создатели компьютера передали основные наработки компании IBM. В 1954-м году на их основе был спроектирован IBM 701 – первый серийный компьютер этой корпорации, на тридцать лет обеспечивший ей лидерство на рынке вычислительной техники. Его характеристики были полностью аналогичны Whirlwind. Таким образом, быстродействие у американских компьютеров было выше, чем у советских, да и многие конструктивные решения были найдены раньше. Правда, это касалось скорее использования физических процессов и явлений – архитектурно ЭВМ Союза зачастую были совершеннее. Возможно, потому, что Лебедев и его последователи разрабатывали принципы построения ЭВМ практически с нуля, опираясь не на старые идеи, а на последние достижения математической науки. Однако обилие нескоординированных проектов не позволило СССР создать свою IBM 701 – удачные особенности архитектур были рассредоточены по разным моделям, и таким же распылением отличалось финансирование.

Принципы второго поколения ЭВМ

ЭВМ на вакуумных лампах отличались сложностью программирования, большими габаритами, высоким энергопотреблением. При этом ломались машины часто, ремонт их требовал участия профессиональных электротехников, а правильность исполнения команд серьёзно зависела от исправности аппаратной части. Узнать, вызвана ошибка неправильным подключением какого-то элемента или «опечаткой» программиста было крайне тяжёлой задачей.

В 1947-м году в лаборатории Белла, обеспечившей США в 20-м веке добрую половину передовых технологических решений, Бардин, Браттейн и Шокли изобрели биполярный полупроводниковый транзистор. 15 ноября 1948 года в журнале «Вестник информации» А.В. Красилов опубликовал статью «Кристаллический триод». Это была первая публикация в СССР о транзисторах. был создан независимо от работы американских учёных.

Кроме пониженного энергопотребления и большей скорости реакции, транзисторы выгодно отличались от вакуумных ламп своими долговечностью и на порядок меньшими габаритами. Это позволяло создавать вычислительные блоки промышленными методами (конвейерная сборка ЭВМ на вакуумных лампах представлялась маловероятной из-за их размеров и хрупкости). Заодно решалась проблема динамического конфигурирования компьютера – небольшие периферийные устройства легко было отключать и заменять другими, что в случае с массивными ламповыми компонентами не являлось возможным. Себестоимость транзистора была выше, чем себестоимость вакуумной лампы, однако при массовом производстве транзисторные компьютеры окупались значительно быстрее.

Переход на транзисторные вычисления в советской кибернетике прошёл плавно – не было создано никаких новых КБ или серий, просто старые БЭСМы и «Уралы» перевели на новую технологию.

Полностью полупроводниковая ЭВМ 5Э92б, спроектированная Лебедевым и Бурцевым, была создана под конкретные задачи противоракетной обороны. Она состояла из двух процессоров – вычислительного и контроллера периферийных устройств – имела систему самодиагностики и допускала «горячую» замену вычислительных транзисторных блоков. Производительность равнялась 500000 операций в секунду для основного процессора и 37000 – для контроллера. Столь высокая производительность дополнительного процессора была необходима, поскольку в связке с ЭВМ работали не только традиционные системы ввода-вывода, но и локаторы. ЭВМ занимала больше 100 квадратных метров. Её проектирование началось в 1961-м, а завершилось в 1964-м году.

Уже после 5Э92б разработчики занялись универсальной транзисторной ЭВМ – БЭСМами. БЭСМ-3 осталась макетом, БЭСМ-4 дошла до серийного производства и была выпущена в количестве 30 машин. Она выполняла до 40 операций в секунду и являлась «подопытным образцом» для создания новых языков программирования, пригодившихся с появлением БЭСМ-6.

За всю историю советской вычислительной техники БЭСМ-6 считается самой триумфальной. На момент своего создания в 1965-м году эта ЭВМ была передовой не столько по аппаратным характеристикам, сколько по управляемости. Она имела развитую систему самодиагностики, несколько режимов работы, обширные возможности по управлению удалёнными устройствами (по телефонным и телеграфным каналам), возможность конвейерной обработки 14 процессорных команд. Производительность системы достигала миллиона операций в секунду. Имелась поддержка виртуальной памяти, кеша команд, чтения и записи данных. В 1975-м году БЭСМ-6 обрабатывала траектории полёта космических аппаратов, участвовавших в проекте «Союз-Аполлон». Выпуск ЭВМ продолжался до 1987-го года, а эксплуатация – до 1995-го.

С 1964-го года на полупроводники перешли и «Уралы». Но к тому времени монополия этих ЭВМ уже прошла – почти в каждом регионе производили свои компьютеры. Среди них были украинские управляющие ЭВМ «Днепр», выполняющие до 20000 операций в секунду и потребляющие всего 4 кВт, ленинградские УМ-1, тоже управляющие, и требующие всего 0,2 кВт электричества при производительности 5000 операций в секунду, белорусские «Мински», «Весна» и «Снег», ереванские «Наири» и многие другие. Особого внимания заслуживают разработанные в киевском Институте кибернетики ЭВМ «МИР» и «МИР-2».

Эти инженерные ЭВМ стали выпускаться серийно в 1965-м году. В известном смысле глава Института кибернетики, академик Глушков, опередил Стива Джобса и Стива Возняка с их пользовательскими интерфейсами. «МИР» представлял собой ЭВМ с подключенной к ней электрической печатной машинкой; задавать команды процессору можно было на человекочитаемом языке программирования АЛМИР-65 (для «МИР-2» использовался язык высокого уровня АНАЛИТИК). Команды задавались как латинскими, так и кириллическими символами, поддерживались режимы редактирования и отладки. Вывод информации предусматривался в текстовом, табличном и графическом видах. Производительность «МИРа» составляла 2000 операций в секунду, для «МИР-2» этот показатель достигал 12000 операций в секунду, потребление энергии составляло несколько киловатт.

ЭВМ второго поколения США

В США электронные вычислительные машины продолжала разрабатывать IBM. Впрочем, у этой корпорации был и конкурент – небольшая компания Control Data Corporation и её разработчик Сеймур Крэй. Крэй одним из первых брал на вооружение новые технологии – сперва транзисторы, а затем и интегральные схемы. Он же собрал первые в мире суперкомпьютеры (в частности, самый быстрый на момент своего создания CDC 1604, который долго и безуспешно пытался приобрести СССР) и первым стал применять активное охлаждение процессоров.

Транзисторный CDC 1604 появился на рынке в 1960-м году. Он был основан на германиевых транзисторах, выполнял больше операций, чем БЭСМ-6, но имел худшую управляемость. Однако уже в 1964-м (за год до появления БЭСМ-6) Крэй разработал CDC 6600 – суперкомпьютер, отличавшийся революционной архитектурой. Центральный процессор на кремниевых транзисторах выполнял лишь простейшие команды, всё «преобразование» данных переходило в ведомство десяти дополнительных микропроцессоров. Для его охлаждения Крэй применял циркулирующий в трубках фреон. В итоге CDC 6600 стал рекордсменом по быстродействию, обогнав IBM Stretch в три раза. Справедливости ради, «соревнования» БЭСМ-6 и CDC 6600 никогда не проводилось, а сравнение по числу выполняемых операций на том уровне развития техники уже не имело смысла – слишком многое зависело от архитектуры и системы управления.

Принципы третьего поколения ЭВМ

Появление вакуумных ламп ускорило выполнение операций и позволило воплотить в жизнь идеи фон Неймана. Создание транзисторов решило «габаритную проблему» и позволило снизить энергопотребление. Однако оставалась проблема качества сборки – отдельные транзисторы буквально припаивались друг к другу, а это было плохо и с точки зрения механической надёжности, и с точки зрения электроизоляции. В начале 50-х годов инженерами высказывались идеи интеграции отдельных электронных компонентов, но только к 60-м появились первые опытные образцы интегральных микросхем.

Вычислительные кристаллы стали не собирать, а выращивать на специальных подложках. Электронные компоненты, выполняющие различные задачи, стали соединять при помощи металлизации алюминием, а роль изолятора была отведена p-n-переходу в самих транзисторах. Интегральные микросхемы стали плодом интеграции же трудов как минимум четырёх инженеров – Килби, Леговеца, Нойса и Эрни.

Поначалу микросхемы проектировались по тем же принципам, по которым осуществлялась «маршрутизация» сигналов внутри ламповых ЭВМ. Затем инженеры стали применять так называемую транзисторно-транзисторную логику (ТТЛ), более полно использовавшую физические преимущества новых решений.

Немаловажным было обеспечение совместимости, аппаратной и программной, различных ЭВМ. Особенно много внимания уделялось совместимости моделей одних и тех же серий – до межкорпоративного и тем более межгосударственного сотрудничества ещё было далеко.

Советская промышленность была в полной мере обеспечена ЭВМ, однако многообразие проектов и серий начинало создавать проблемы. По сути, универсальная программируемость компьютеров ограничивалась их аппаратной несовместимостью – у всех серий были разные разрядности процессоров, наборы команд и даже размеры байтов. Кроме того, серийность производства ЭВМ была весьма условной – компьютерами обеспечивались лишь крупнейшие вычислительные центры. В то же время, отрыв американских инженеров увеличивался – в 60-х годах в Калифорнии уже уверенно выделялась Кремниевая долина, где вовсю создавались прогрессивные интегральные микросхемы.

В 1968-м году была принята директива «Ряд», по которой дальнейшее развитие кибернетики СССР направлялось по пути клонирования компьютеров IBM S/360. Сергей Лебедев, остававшийся на тот момент ведущим инженером-электротехником страны, отзывался о «Ряде» скептически – путь копирования по определению являлся дорогой отстающих. Однако другого способа быстро «подтянуть» отрасль никто не видел. Был учреждён Научно-исследовательский центр электронной вычислительной техники в Москве, основной задачей которого было выполнение программы «Ряд» – разработки унифицированной серии ЭВМ, подобных S/360. Результатом работы центра стало появление ЕС ЭВМ в 1971-м году. Несмотря на сходство идеи с IBM S/360, прямого доступа к этим компьютерам советские разработчики не имели, поэтому проектирование ЭВМ начиналось с дизассемблирования программного обеспечения и логического построения архитектуры на основании алгоритмов её работы.

Разработка ЕС ЭВМ велась совместно со специалистами из дружественных стран, в частности, ГДР. Однако попытки догнать США в сфере разработки компьютеров завершились крахом в 1980-х годах. Причиной фиаско послужил как экономический и идеологический спад СССР, так и появление концепции персональных компьютеров. К переходу на индивидуальные ЭВМ кибернетика Союза была не готова ни технически, ни идейно.

Как только человек открыл для себя понятие "количество", он сразу же принялся подбирать инструменты, оптимизирующие и облегчающие счёт. Сегодня сверхмощные компьютеры, основываясь на принципах математических вычислений, обрабатывают, хранят и передают информацию - важнейший ресурс и двигатель прогресса человечества. Нетрудно составить представление о том, как происходило развитие вычислительной техники, кратко рассмотрев основные этапы этого процесса.

Основные этапы развития вычислительной техники

Самая популярная классификация предлагает выделить основные этапы развития вычислительной техники по хронологическому принципу:

• Ручной этап. Он начался на заре человеческой эпохи и продолжался до середины XVII столетия. В этот период возникли основы счёта. Позднее, с формированием позиционных систем счисления, появились приспособления (счёты, абак, позднее - логарифмическая линейка), делающие возможными вычисления по разрядам.
• Механический этап. Начался в середине XVII и длился почти до конца XIX столетия. Уровень развития науки в этот период сделал возможным создание механических устройств, выполняющих основные арифметические действия и автоматически запоминающих старшие разряды.
• Электромеханический этап - самый короткий из всех, какие объединяет история развития вычислительной техники. Он длился всего около 60 лет. Это промежуток между изобретением в 1887 году первого табулятора до 1946 года, когда возникла самая первая ЭВМ (ENIAC). Новые машины, действие которых основывалось на электроприводе и электрическом реле, позволяли производить вычисления со значительно большей скоростью и точностью, однако процессом счёта по-прежнему должен был управлять человек.
• Электронный этап начался во второй половине прошлого столетия и продолжается в наши дни. Это история шести поколений электронно-вычислительных машин - от самых первых гигантских агрегатов, в основе которых лежали электронные лампы, и до сверхмощных современных суперкомпьютеров с огромным числом параллельно работающих процессоров, способных одновременно выполнить множество команд.

Этапы развития вычислительной техники разделены по хронологическому принципу достаточно условно. В то время, когда использовались одни типы ЭВМ, активно создавались предпосылки для появления следующих.

Самые первые приспособления для счёта

Наиболее ранний инструмент для счёта, который знает история развития вычислительной техники, - десять пальцев на руках человека. Результаты счёта первоначально фиксировались при помощи пальцев, зарубок на дереве и камне, специальных палочек, узелков.

С возникновением письменности появлялись и развивались различные способы записи чисел, были изобретены позиционные системы счисления (десятичная - в Индии, шестидесятиричная - в Вавилоне).

Примерно с IV века до нашей эры древние греки стали вести счёт при помощи абака. Первоначально это была глиняная плоская дощечка с нанесёнными на неё острым предметом полосками. Счёт осуществлялся путём размещения на этих полосах в определённом порядке мелких камней или других небольших предметов.

В Китае в IV столетии нашей эры появились семикосточковые счёты - суанпан (суаньпань). На прямоугольную деревянную раму натягивались проволочки или верёвки - от девяти и более. Ещё одна проволочка (верёвка), натянутая перпендикулярно остальным, разделяла суанпан на две неравные части. В большем отделении, именуемом "землёй", на проволочки было нанизано по пять косточек, в меньшем - "небе" - их было по две. Каждая из проволочек соответствовала десятичному разряду.

Традиционные счёты соробан стали популярными в Японии с XVI века, попав туда из Китая. В это же время счёты появились и в России.

В XVII столетии на основании логарифмов, открытых шотландским математиком Джоном Непером, англичанин Эдмонд Гантер изобрёл логарифмическую линейку. Это устройство постоянно совершенствовалось и дожило до наших дней. Оно позволяет умножать и делить числа, возводить в степень, определять логарифмы и тригонометрические функции.

Логарифмическая линейка стала прибором, завершающим развитие средств вычислительной техники на ручном (домеханическом) этапе.

Первые механические счётные устройства

В 1623 году немецким учёным Вильгельмом Шиккардом был создан первый механический "калькулятор", который он назвал считающими часами. Механизм этого прибора напоминал обычный часовой, состоящий из шестерёнок и звёздочек. Однако известно об этом изобретении стало только в середине прошлого столетия.

Качественным скачком в области технологии вычислительной техники стало изобретение суммирующей машины "Паскалины" в 1642 году. Её создатель, французский математик Блез Паскаль, начал работу над этим устройством, когда ему не было и 20 лет. "Паскалина" представляла собой механический прибор в виде ящичка с большим количеством взаимосвязанных шестерёнок. Числа, которые требовалось сложить, вводились в машину поворотами специальных колёсиков.

В 1673 году саксонский математик и философ Готфрид фон Лейбниц изобрёл машину, выполнявшую четыре основных математических действия и умевшую извлекать квадратный корень. Принцип её работы был основан на двоичной системе счисления, специально придуманной учёным.

В 1818 году француз Шарль (Карл) Ксавье Тома де Кольмар, взяв за основу идеи Лейбница, изобрёл арифмометр, умеющий умножать и делить. А ещё спустя два года англичанин Чарльз Бэббидж приступил к конструированию машины, которая способна была бы производить вычисления с точностью до 20 знаков после запятой. Этот проект так и остался неоконченным, однако в 1830 году его автор разработал другой - аналитическую машину для выполнения точных научных и технических расчётов. Управлять машиной предполагалось программным путём, а для ввода и вывода информации должны были использоваться перфорированные карты с разным расположением отверстий. Проект Бэббиджа предугадал развитие электронно-вычислительной техники и задачи, которые смогут быть решены с её помощью.

Примечательно, что слава первого в мире программиста принадлежит женщине - леди Аде Лавлейс (в девичестве Байрон). Именно она создала первые программы для вычислительной машины Бэббиджа. Её именем впоследствии был назван один из компьютерных языков.

Разработка первых аналогов компьютера

В 1887 году история развития вычислительной техники вышла на новый этап. Американскому инженеру Герману Голлериту (Холлериту) удалось сконструировать первую электромеханическую вычислительную машину - табулятор. В её механизме имелось реле, а также счётчики и особый сортировочный ящик. Прибор считывал и сортировал статистические записи, сделанные на перфокартах. В дальнейшем компания, основанная Голлеритом, стала костяком всемирно известного компьютерного гиганта IBM.

В 1930 году американец Ванновар Буш создал дифференциальный анализатор. В действие его приводило электричество, а для хранения данных использовались электронные лампы. Эта машина способна была быстро находить решения сложных математических задач.

Ещё через шесть лет английским учёным Аланом Тьюрингом была разработана концепция машины, ставшая теоретической основой для нынешних компьютеров. Она обладала всеми главными свойствами современного средства вычислительной техники: могла пошагово выполнять операции, которые были запрограммированы во внутренней памяти.

Спустя год после этого Джордж Стибиц, учёный из США, изобрёл первое в стране электромеханическое устройство, способное выполнять двоичное сложение. Его действия основывались на булевой алгебре - математической логике, созданной в середине XIX века Джорджем Булем: использовании логических операторов И, ИЛИ и НЕ. Позднее двоичный сумматор станет неотъемлемой частью цифровой ЭВМ.

В 1938 году сотрудник университета в Массачусетсе Клод Шеннон изложил принципы логического устройства вычислительной машины, применяющей электрические схемы для решения задач булевой алгебры.

Начало компьютерной эры

Правительства стран, участвующих во Второй мировой войне, осознавали стратегическую роль вычислительных машин в ведении военных действий. Это послужило толчком к разработкам и параллельному возникновению в этих странах первого поколения компьютеров.

Пионером в области компьютеростроения стал Конрад Цузе - немецкий инженер. В 1941 году им был создан первый вычислительный автомат, управляемый при помощи программы. Машина, названная Z3, была построена на телефонных реле, программы для неё кодировались на перфорированной ленте. Этот аппарат умел работать в двоичной системе, а также оперировать числами с плавающей запятой.

Первым действительно работающим программируемым компьютером официально признана следующая модель машины Цузе - Z4. Он также вошёл в историю как создатель первого высокоуровневого языка программирования, получившего название "Планкалкюль".

В 1942 году американские исследователи Джон Атанасов (Атанасофф) и Клиффорд Берри создали вычислительное устройство, работавшее на вакуумных трубках. Машина также использовла двоичный код, могла выполнять ряд логических операций.

В 1943 году в английской правительственной лаборатории, в обстановке секретности, была построена первая ЭВМ, получившая название "Колосс". В ней вместо электромеханических реле использовалось 2 тыс. электронных ламп для хранения и обработки информации. Она предназначалась для взлома и расшифровки кода секретных сообщений, передаваемых немецкой шифровальной машиной "Энигма", которая широко применялась вермахтом. Существование этого аппарата ещё долгое время держалось в строжайшей тайне. После окончания войны приказ о его уничтожении был подписан лично Уинстоном Черчиллем.

Разработка архитектуры

В 1945 году американским математиком венгерско-немецкого происхождения Джоном (Яношем Лайошем) фон Нейманом был создан прообраз архитектуры современных компьютеров. Он предложил записывать программу в виде кода непосредственно в память машины, подразумевая совместное хранение в памяти компьютера программ и данных.

Архитектура фон Неймана легла в основу создаваемого в то время в Соединённых Штатах первого универсального электронного компьютера - ENIAC. Этот гигант весил около 30 тонн и располагался на 170 квадратных метрах площади. В работе машины были задействованы 18 тыс. ламп. Этот компьютер мог произвести 300 операций умножения или 5 тыс. сложения за одну секунду.

Первая в Европе универсальная программируемая ЭВМ была создана в 1950 году в Советском Союзе (Украина). Группа киевских учёных, возглавляемая Сергеем Алексеевичем Лебедевым, сконструировала малую электронную счётную машину (МЭСМ). Её быстродействие составляло 50 операций в секунду, она содержала около 6 тыс. электровакуумных ламп.

В 1952 году отечественная вычислительная техника пополнилась БЭСМ - большой электронной счётной машиной, также разработанной под руководством Лебедева. Эта ЭВМ, выполнявшая в секунду до 10 тыс. операций, была на тот момент самой быстродействующей в Европе. Ввод информации в память машины происходил при помощи перфоленты, выводились данные посредством фотопечати.

В этот же период в СССР выпускалась серия больших ЭВМ под общим названием "Стрела" (автор разработки - Юрий Яковлевич Базилевский). С 1954 года в Пензе началось серийное производство универсальной ЭВМ "Урал" под руководством Башира Рамеева. Последние модели были аппаратно и программно совместимы друг с другом, имелся широкий выбор периферических устройств, позволяющий собирать машины различной комплектации.

Транзисторы. Выпуск первых серийных компьютеров

Однако лампы очень быстро выходили из строя, весьма затрудняя работу с машиной. Транзистор, изобретённый в 1947 году, сумел решить эту проблему. Используя электрические свойства полупроводников, он выполнял те же задачи, что и электронные лампы, однако занимал значительно меньший объём и расходовал не так много энергии. Наряду с появлением ферритовых сердечников для организации памяти компьютеров, использование транзисторов дало возможность заметно уменьшить размеры машин, сделать их ещё надёжнее и быстрее.

В 1954 году американская фирма "Техас Инструментс" начала серийно производить транзисторы, а два года спустя в Массачусетсе появился первый построенный на транзисторах компьютер второго поколения - ТХ-О.

В середине прошлого столетия значительная часть государственных организаций и крупных компаний использовала компьютеры для научных, финансовых, инженерных расчётов, работы с большими массивами данных. Постепенно ЭВМ приобретали знакомые нам сегодня черты. В этот период появились графопостроители, принтеры, носители информации на магнитных дисках и ленте.

Активное использование вычислительной техники привело к расширению областей её применения и потребовало создания новых программных технологий. Появились языки программирования высокого уровня, позволяющие переносить программы с одной машины на другую и упрощающие процесс написания кода ("Фортран", "Кобол" и другие). Появились особые программы-трансляторы, преобразовывающие код с этих языков в команды, прямо воспринимаемые машиной.

Появление интегральных микросхем

В 1958-1960 годах, благодаря инженерам из Соединённых Штатов Роберту Нойсу и Джеку Килби, мир узнал о существовании интегральных микросхем. На основе из кремниевого или германиевого кристалла монтировались миниатюрные транзисторы и другие компоненты, порой до сотни и тысячи. Микросхемы размером чуть более сантиметра работали гораздо быстрее, чем транзисторы, и потребляли намного меньше энергии. С их появлением история развития вычислительной техники связывает возникновение третьего поколения ЭВМ.

В 1964 году фирмой IBM был выпущен первый компьютер семейства SYSTEM 360, в основу которого легли интегральные микросхемы. С этого времени можно вести отсчёт массового выпуска ЭВМ. Всего было произведено более 20 тыс. экземпляров данного компьютера.

В 1972 году в СССР была разработана ЕС (единая серия) ЭВМ. Это были стандартизированные комплексы для работы вычислительных центров, имевшие общую систему команд. За основу была взята американская система IBM 360.

В следующем году компания DEC выпустила мини-компьютер PDP-8, ставший первым коммерческим проектом в этой области. Относительно низкая стоимость мини-компьютеров дала возможность использовать их и небольшим организациям.

В этот же период постоянно совершенствовалось программное обеспечение. Разрабатывались операционные системы, ориентированные на то, чтобы поддерживать максимальное количество внешних устройств, появлялись новые программы. В 1964 году разработали Бейсик - язык, предназначенный специально для подготовки начинающих программистов. Через пять лет после этого возник Паскаль, оказавшийся очень удобным для решения множества прикладных задач.

Персональные компьютеры

После 1970 года начался выпуск четвёртого поколения ЭВМ. Развитие вычислительной техники в это время характеризуется внедрением в производство компьютеров больших интегральных схем. Такие машины теперь могли совершать за одну секунду тысячи миллионов вычислительных операций, а ёмкость их ОЗУ увеличилась до 500 миллионов двоичных разрядов. Существенное снижение себестоимости микрокомпьютеров привело к тому, что возможность их купить постепенно появилась у обычного человека.

Одним из первых производителей персональных компьютеров стала компания Apple. Создавшие её Стив Джобс и Стив Возняк сконструировали первую модель ПК в 1976 году, дав ей название Apple I. Стоимость его составила всего 500 долларов. Через год была представлена следующая модель этой компании - Apple II.

Компьютер этого времени впервые стал похожим на бытовой прибор: помимо компактного размера, он имел изящный дизайн и интерфейс, удобный для пользователя. Распространение персональных компьютеров в конце 1970 годов привело к тому, что спрос на большие ЭВМ заметно упал. Этот факт всерьёз обеспокоил их производителя - компанию IBM, и в 1979 году она выпустила на рынок свой первый ПК.

Два года спустя появился первый микрокомпьютер этой фирмы с открытой архитектурой, основанный на 16-разрядном микропроцессоре 8088, производимом компанией "Интел". Компьютер комплектовался монохромным дисплеем, двумя дисководами для пятидюймовых дискет, оперативной памятью объемом 64 килобайта. По поручению компании-создателя фирма "Майкрософт" специально разработала операционную систему для этой машины. На рынке появились многочисленные клоны IBM PC, что подтолкнуло рост промышленного производства персональных ЭВМ.

В 1984 году компанией Apple был разработан и выпущен новый компьютер - Macintosh. Его операционная система была исключительно удобной для пользователя: представляла команды в виде графических изображений и позволяла вводить их с помощью манипулятора - мыши. Это сделало компьютер ещё более доступным, поскольку теперь от пользователя не требовалось никаких специальных навыков.

ЭВМ пятого поколения вычислительной техники некоторые источники датируют 1992-2013 годами. Вкратце их основная концепция формулируется так: это компьютеры, созданные на основе сверхсложных микропроцессоров, имеющие параллельно-векторную структуру, которая делает возможным одновременное выполнение десятков последовательных команд, заложенных в программу. Машины с несколькими сотнями процессоров, работающих параллельно, позволяют ещё более точно и быстро обрабатывать данные, а также создавать эффективно работающие сети.

Развитие современной вычислительной техники уже позволяет говорить и о компьютерах шестого поколения. Это электронные и оптоэлектронные ЭВМ, работающие на десятках тысяч микропроцессоров, характеризующиеся массовым параллелизмом и моделирующие архитектуру нейронных биологических систем, что позволяет им успешно распознавать сложные образы.

Последовательно рассмотрев все этапы развития вычислительной техники, следует отметить интересный факт: изобретения, хорошо зарекомендовавшие себя на каждом из них, сохранились до наших дней и с успехом продолжают использоваться.

Классы вычислительной техники

Существуют различные варианты классификации ЭВМ.

Так, по назначению компьютеры делятся:

• на универсальные - те, которые способны решать самые различные математические, экономические, инженерно-технические, научные и другие задачи;
• проблемно-ориентированные - решающие задачи более узкого направления, связанные, как правило, с управлением определёнными процессами (регистрация данных, накопление и обработка небольших объёмов информации, выполнение расчётов в соответствии с несложными алгоритмами). Они обладают более ограниченными программными и аппаратными ресурсами, чем первая группа компьютеров;
• специализированные компьютеры решают, как правило, строго определённые задачи. Они имеют узкоспециализированную структуру и при относительно низкой сложности устройства и управления достаточно надёжны и производительны в своей сфере. Это, к примеру, контроллеры или адаптеры, управляющие рядом устройств, а также программируемые микропроцессоры.

По размерам и производительной мощности современная электронно-вычислительная техника делится:

• на сверхбольшие (суперкомпьютеры);
• большие компьютеры;
• малые компьютеры;
• сверхмалые (микрокомпьютеры).

Таким образом, мы увидели, что устройства, сначала изобретённые человеком для учёта ресурсов и ценностей, а затем - быстрого и точного проведения сложных расчётов и вычислительных операций, постоянно развивались и совершенствовались.