Реферат: «История развития вычислительной техники»

Слово «компьютер» означает «вычислитель», т.е. устройство для вычислений. Потребность в автоматизации обработки данных, в том числе вычислений, возникла очень давно. Всю историю вычислительной техники принято делить на три основных этапа – домеханический (ручной), механический, электронно-вычислительный[1] . Эти три периода включают в себя весь прогресс от счета на пальцах до вычислений сверхмощных компьютеров.

В наше время трудно представить себе, что без компьютеров можно обойтись. А ведь не так давно, до начала 70-х годов вычислительные машины были доступны весьма ограниченному кругу специалистов, а их применение, как правило, оставалось окутанным завесой секретности и мало известным широкой публике. Однако в 1971 году произошло событие, которое в корне изменило ситуацию и с фантастической скоростью превратило компьютер в повседневный рабочий инструмент десятков миллионов людей. В том, вне всякого сомнения знаменательном году еще почти никому не известная фирма Intel из небольшого американского городка с красивым названием Санта-Клара (шт. Калифорния), выпустила первый микропроцессор. Именно ему мы обязаны появлением нового класса вычислительных систем – персональных компьютеров, которыми теперь пользуются, по существу, все, от учащихся начальных классов и бухгалтеров до ученых и инженеров.

Сегодня невозможно представить себе жизнь без персонального компьютера. В мире существует множество компьютеров различных фирм, различных групп сложности, назначения и поколений.

Ранние приспособления и устройства для счёта.

Человечество научилось пользоваться простейшими счётными приспособлениями тысячи лет назад.

Сравнительно сложным приспособлением для счёта могли быть чётки, применяемые в практике многих религий. Верующий как на счётах отсчитывал на зёрнах чёток число произнесённых молитв, а при проходе полного круга чёток передвигал на отдельном хвостике особые зёрна-счётчики, означающие число отсчитанных кругов.

Рисунок 1

Наиболее известным простейшим счетным устройством считается «Абак» (Счеты)

Первый в мире эскизный рисунок тринадцатиразрядного десятичного суммирующего устройства на основе колес с десятью зубцами принадлежит Леонардо да Винчи.

В 1623 году Вильгельм Шикард придумал «Считающие часы» — первый механический калькулятор, умевший выполнять четыре арифметических действия. Считающими часами устройство было названо потому, что как и в настоящих часах работа механизма была основана на использовании звёздочек и шестерёнок. Практическое использование это изобретение нашло в руках друга Шикарда, философа и астронома Иоганна Кеплера.

Считается, что первым реально осуществленным и ставшим известным механическим цифровым вычислительным устройством стала "паскалина" великого французского ученого Блеза Паскаля.
Через 30 лет после "паскалины" в 1673 г. появился "арифметический прибор" Готфрида Вильгельма Лейбница - двенадцатиразрядное десятичное устройство для выполнения арифметических операций, включая умножение и деление.
Лейбниц также описал двоичную систему счисления, центральный ингредиент всех современных компьютеров.

Джон Непер заметил, что умножение и деление чисел может быть выполнено сложением и вычитанием, соответственно, логарифмов этих чисел. Действительные числа могут быть представлены интервалами длины на линейке, и это легло в основу вычислений с помощью логарифмической линейки, что позволило выполнять умножение и деление намного быстрее.

Появление перфокарт (1801 г).

В 1801 году Жозеф Мари Жаккар разработал ткацкий станок, в котором вышиваемый узор определялся перфокартами. Серия карт могла быть заменена, и смена узора не требовала изменений в механике станка. Это было важной вехой в истории программирования.

Перфока́рта (от лат. perforo — пробиваю и лат. charta — лист из папируса; бумага) — носитель информации, предназначенный для использования в системах автоматической обработки данных. Сделанная из тонкого картона, перфокарта представляет информацию наличием или отсутствием отверстий в определённых позициях карты.

Рисунок 2

Гомеоскопическая перфорированная таблица С.Н. Корсаков.[3] (1832).

В 1812 году английский математик Чарльз Бэббидж начал работать над так называемой разностной машиной, которая должна была вычислять любые функции, в том числе и тригонометрические, а также составлять таблицы. Свою первую разностную машину Бэббидж построил в 1822 году и рассчитывал на ней таблицу квадратов, таблицу значений функции y=x² +x+41 и ряд других таблиц. Однако из-за нехватки средств эта машина не была закончена. Эта неудача не остановила Бэббиджа, и в 1834 году он приступил к новому проекту – созданию Аналитической машины, которая должна была выполнять вычисления без участия человека. С 1842 по 1848 год Бэббидж упорно работал, расходуя собственные средства. К сожалению, он не смог довести до конца работу по созданию Аналитической машины – она оказалась слишком сложной для техники того времени. Но заслуга Бэббиджа в том, что он впервые предложил и частично реализовал, идею программно-управляемых вычислений. Именно Аналитическая машина по своей сути явилась прототипом современного компьютера.

Первые электромеханические цифровые компьютеры

Z-серия Конрада Цузе

В 1936 году, работая в изоляции в нацистской Германии, Конрад Цузе начал работу над своим первым вычислителем серии Z, имеющим память и (пока ограниченную) возможность программирования. Созданная, в основном, на механической основе, но уже на базе двоичной логики, модель Z1, завершённая в 1938 году, так и не заработала достаточно надёжно, из-за недостаточной точности выполнения составных частей.

Следующая машина Цузе — Z3, была завершена в 1941 году. Она была построена на телефонных реле и работала вполне удовлетворительно. Тем самым, Z3 стала первым работающим компьютером, управляемым программой. Во многих отношениях Z3 была подобна современным машинам, в ней впервые был представлен ряд новшеств, таких как арифметика с плавающей запятой. Замена сложной в реализации десятичной системы на двоичную, сделала машины Цузе более простыми и, а значит, более надёжными; считается, что это одна из причин того, что Цузе преуспел там, где Бэббидж потерпел неудачу.

Программы для Z3 хранились на перфорированной плёнке. Условные переходы отсутствовали, но в 1990-х было теоретически доказано, что Z3 является универсальным компьютером (если игнорировать ограничения на размер физической памяти). В двух патентах 1936 года, Конрад Цузе упоминал, что машинные команды могут храниться в той же памяти что и данные — предугадав тем самым то, что позже стало известно как архитектура фон Неймана и было впервые реализовано только в 1949 году в британском EDSAC.

Британский «Колосс»

Во время Второй мировой войны, Великобритания достигла определённых успехов во взломе зашифрованных немецких переговоров. Код немецкой шифровальной машины «Энигма» был подвергнут анализу с помощью электромеханических машин, которые носили название «бомбы». Такая «бомба», разработанная Аланом Тьюрингом и Гордоном Уэлшманом (англ. Gordon Welchman), исключала ряд вариантов путём логического вывода, реализованного электрически. Большинство вариантов приводило к противоречию, несколько оставшихся уже можно было протестировать вручную.

Немцы также разработали серию телеграфных шифровальных систем, несколько отличавшихся от «Энигмы». Машина Lorenz SZ 40/42 использовалась для армейской связи высокого уровня. Первые перехваты передач с таких машин были зафиксированы в 1941 году. Для взлома этого кода, в обстановке секретности, была создана машина «Колосс» (Colossus). Спецификацию разработали профессор Макс Ньюман (Max Newman) и его коллеги; сборка Colossus Mk I выполнялась в исследовательской лаборатории Почтового департамента Лондона и заняла 11 месяцев, работу выполнили Томми Флауэрс (Tommy Flowers) и др.

«Колосс» стал первым полностью электронным вычислительным устройством. В нём использовалось большое количество электровакуумных ламп, ввод информации выполнялся с перфоленты. «Колосс» можно было настроить на выполнение различных операций булевой логики, но он не являлся тьюринг-полной машиной. Помимо Colossus Mk I, было собрано ещё девять моделей Mk II. Информация о существовании этой машины держалась в секрете до 1970-х гг. Уинстон Черчилль лично подписал приказ о разрушении машины на части, не превышающие размером человеческой руки. Из-за своей секретности, «Колосс» не упомянут во многих трудах по истории компьютеров.

«ЭНИАК»

Американский ENIAC, который часто называют первым электронным компьютером общего назначения, публично доказал применимость электроники для масштабных вычислений. Это стало ключевым моментом в разработке вычислительных машин, прежде всего из-за огромного прироста в скорости вычислений, но также и по причине появившихся возможностей для миниатюризации. Созданная под руководством Джона Мочли и Дж. Преспера Эккерта (J. Presper Eckert), эта машина была в 1000 раз быстрее, чем все другие машины того времени. Разработка «ЭНИАК» продлилась с 1943 до 1945 года. В то время, когда был предложен данный проект, многие исследователи были убеждены, что среди тысяч хрупких электровакуумных ламп многие будут сгорать настолько часто, что «ЭНИАК» будет слишком много времени простаивать в ремонте, и тем самым, будет практически бесполезен. Тем не менее, на реальной машине удавалось выполнять несколько тысяч операций в секунду в течение нескольких часов, до очередного сбоя из-за сгоревшей лампы.

«ЭНИАК», безусловно, удовлетворяет требованию полноты по Тьюрингу. Но «программа» для этой машины определялась состоянием соединительных кабелей и переключателей — огромное отличие от машин с хранимой программой, появившихся позже. Тем не менее, в то время, вычисления, выполняемые без помощи человека, рассматривались как достаточно большое достижение, и целью программы было тогда решение только одной единственной задачи. (Улучшения, которые были завершены в 1948 году, дали возможность исполнения программы, записанной в специальной памяти, что сделало программирование более систематичным, менее «одноразовым» достижением.)

Переработав идеи Эккерта и Мочли, а также, оценив ограничения «ЭНИАК», Джон фон Нейман написал широко цитируемый отчёт, описывающий проект компьютера (EDVAC), в котором и программа, и данные хранятся в единой универсальной памяти. Принципы построения этой машины стали известны под названием «архитектура фон Неймана» и послужили основой для разработки первых по-настоящему гибких, универсальных цифровых компьютеров.[1]

Первое поколение компьютеров с архитектурой фон Неймана

Необходимо отметить огромную роль американского математика фон Неймана в становлении техники первого поколения. Нужно было осмыслить сильные и слабые стороны ENIAC и дать рекомендации для последующих разработок. В отчете фон Неймана и его коллег Г. Голдстайна и А.Беркса (июнь 1946 года) были четко сформулированы требования к структуре компьютеров. Отметим важнейшие из них:

· машины на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления;

· программа, как и исходные данные, должна размещаться в памяти машины;

· программа, как и числа, должна записываться в двоичном коде;

· трудности физической реализации запоминающего устройства, быстродействие которого соответствует скорости работы логических схем, требуют иерархической организации памяти (то есть выделения оперативной, промежуточной и долговременной памяти);

· арифметическое устройство (процессор) конструируется на основе схем, выполняющих операцию сложения; создание специальных устройств для выполнения других арифметических и иных операций нецелесообразно;

· в машине используется параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над числами производятся одновременно по всем разрядам).

Практически все рекомендации фон Неймана впоследствии использовались в машинах первых трех поколений, их совокупность получила название «архитектура фон Неймана». Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 году английским исследователем Морисом Уилксом. С той поры компьютеры стали гораздо более мощными, но подавляющее большинство из них сделано в соответствии с теми принципами, которые изложил в своем докладе в 1945 года Джон фон Нейман.[4]

1950-е — начало 1960-х: второе поколение

Транзисторы, в качестве миниатюрной и более эффективной замены электровакуумным лампам, совершили революцию в вычислительной технике[2] .

Следующим крупным шагом в истории компьютерной техники, стало изобретение транзистора в 1947 году. Они стали заменой хрупким и энергоёмким лампам. О компьютерах на транзисторах обычно говорят как о «втором поколении», которое доминировало в 1950-х и начале 1960-х. Благодаря транзисторам и печатным платам, было достигнуто значительное уменьшение размеров и объёмов потребляемой энергии, а также повышение надёжности. Например, IBM 1620 на транзисторах, ставшая заменой IBM 650 на лампах, была размером с офисный стол. Однако компьютеры второго поколения по-прежнему были довольно дороги и поэтому использовались только университетами, правительствами, крупными корпорациями.

Компьютеры второго поколения обычно состояли из большого количества печатных плат, каждая из которых содержала от одного до четырёх логических вентилей или триггеров. Первыми советскими серийными полупроводниковыми ЭВМ стали «Весна» и «Снег», выпускаемые с 1964 по 1972 год. Пиковая производительность ЭВМ «Снег» составила 300 000 операций в секунду.

Бурный рост использования компьютеров начался с так называемым «3-им поколением» вычислительных машин. Начало этому положило изобретение интегральных схем, которые независимо друг от друга изобрели лауреат Нобелевской премии Джек Килби и Роберт Нойс. Позже это привело к изобретению микропроцессора Тэдом Хоффом (компания Intel)[3] .

В течение 1960-х наблюдалось определённое перекрытие технологий 2-го и 3-го поколений. В конце 1975 года, в Sperry Univac продолжалось производство машин 2-го поколения, таких как UNIVAC 494.

Появление микропроцессоров привело к разработке микрокомпьютеров — небольших недорогих компьютеров, которыми могли владеть небольшие компании или отдельные люди. Микрокомпьютеры, представители четвёртого поколения, первые из которых появился в 1970-х, стали повсеместным явлением в 1980-х и позже. Стив Возняк, один из основателей Apple Computer, стал известен как разработчик первого массового домашнего компьютера, а позже — первого персонального компьютера. Компьютеры на основе микрокомпьютерной архитектуры, с возможностями, добавленными от их больших собратьев, сейчас доминируют в большинстве сегментов рынка.

Перспективы развития вычислительной техники.

Первое, что приходит на ум любому человеку при оценке перспектив развития вычислительной техники, — это обязательное уменьшение размеров компьютеров, неуклонное увеличение их быстродействия и объема памяти.

Легко прогнозировать, что число выпускаемых ЭВМ будет увеличиваться, а сфера их использования — расширяться. Даже непосвященному человеку сейчас понятно, что будущее вычислительной техники тесно связано с глобальными Сетями.

Многие люди могут вспомнить, что в настоящее время ведется разработка ЭВМ пятого поколения, основными особенностями которых будут речевой ввод и вывод информации, а также способность машин к самообучению (интеллектуальность). В будущем широкое распространение получит виртуальная реальность. Такое представление навевается современными научно-фантастическими фильмами и книгами.

Информационная магистраль даст возможность быстро находить ответы на многие возникающие вопросы. Предположим, что в выпуске новостей рядом с премьер-министром телезритель заметил неизвестного ему человека. С помощью пульта дистанционного управления телезритель сможет указать на эту персону. На экране появится биография этого человека и перечень телевизионных репортажей, в которых неизвестный фигурировал в последнее время. Выбрав нужный репортаж из предложенного списка, пользователь сможет посмотреть соответствующий видеоматериал.

В перспективе, когда информационная магистраль ослабит зависимость предприятий от городских структур, многие фирмы децентрализуются, рассредоточат рабочие места. Так в США уже несколько миллионов человек не ходили ежедневно в офисы, а работали дома и поддерживали связь с внешним миром через факсы, телефоны и электронную почту.

Компьютеры позволят подгонять серийные товары под запросы конкретного потребителя. Все чаще товары будут создавать так, чтобы они точно соответствовали пожеланиям заказчика. Тогда поточное производство многих категорий товаров сменится серийным производством с подгонкой под заказчика (обувь, одежда, мебель).

Скоро появятся швейные машины со встроенными ЭВМ, способные при пошиве каждой рубашки следовать разным наборам команд. Заказывая одежду, пользователь сообщит свои размеры, фасон и прочие переменные параметры. Все эти сведения через информационную магистраль попадут на фабрику, которая тут же выполнит заказ и передаст его службе быстрой доставки.

Перемены не обойдут банковское дело. Большинство людей сейчас вкладывает деньги в филиалы банков, расположенных недалеко от дома или от работы. Несмотря на некоторые отличия в процентных ставках и наборе услуг, редко кто меняет свой банк на более выгодный банк, если до его филиала надо ехать куда-то в сторону. Да и перевод счета из банка в банк пока что занимает много времени. Но когда информационная магистраль уменьшит значимость географического фактора, появятся электронные банки, у которых нет никаких филиалов. Благодаря минимуму накладных расходов, электронные банки окажутся весьма конкурентоспособными, а все операции будут осуществляться через компьютерные системы. Потребность в наличных средствах сократится, потому что большую часть покупок будут совершать через компьютеры-бумажники или электронные смарт-карты.

Несомненно, что в будущем значительно поднимется роль образования, которое дает ключ к решению общих проблем. В быстро меняющемся мире именно образование помогает быстрее адаптироваться к новым условиям.

Все это является лишь небольшой частью того, что принесет нам дальнейшее развитие вычислительной техники.

Заключение

Для многих мир без компьютера – далекая история, примерно такая же далекая, как открытие Америки или Октябрьская революция. Но каждый раз, включая компьютер, невозможно перестать удивляться человеческому гению, создавшему это чудо.

Современные персональные IВМ РС-совместимые компьютеры являются наиболее широко используемым видом компьютеров, их мощность постоянно увеличивается, а область применения расширяется. Эти компьютеры могут объединяться в сети, что позволяет десяткам и сотням пользователей легко обмениваться информацией и одновременно получать доступ к общим базам данных. Средства электронной почты позволяют пользователям компьютеров с помощью обычной телефонной сети посылать текстовые и факсимильные сообщения в другие города и страны и получать информацию из крупных банков данных. Глобальная система электронной связи Intеrnеt обеспечивает за крайне низкую цену возможность оперативного получения информации из всех уголков земного шара, предоставляет возможности голосовой и факсимильной связи, облегчает создание внутрикорпоративных сетей передачи информации для фирм, имеющих отделения в разных городах и странах.

Однако возможности IВМ РС-совместимых персональных компьютеров по обработке информации все же ограничены, и не во всех ситуациях их применение оправдано.

Список используемой литературы.

1. http://edu.mccme.ru/School/INet/sch1685/history.htm

2. http://library.istu.edu/hoe/books/vt.pdf

3. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F_%D0%AD%D0%92%D0%9C

4. http://www.overclockers.ru/lab/15576.shtml

5. http://infocom.uz/2004/01/19/naikratchayshaya-vsemirnaya-istoriya-kompyuterostroeniya-s-drevnih-vremen-i-do-nashih-dney/

Приложение

Объемы поставок лидеров рынка ПК в 2007—2008 гг.

Таблица 1

Компания	Поставки в 2008 г. (млн. шт.)	Доля рынка в 2008 г. (%)	Поставки в 2007 г. (млн. шт.)	Доля рынка в 2007 г. (%)	Рост в 2008 г. по отношению к —2007 г. (%)
Hewlett-Packard	55,687	18,4	49,428	18,1	12,662863
Dell	43,144	14,3	38,703	14,2	11,474563
Acer	33,497	11,1	26,484	9,7	26,480139
Lenovo	21,869	7,2	20,115	7,4	8,719861
Toshiba	13,500	4,5	10,955	4,1	23,231401
Остальные	134,510	44,5	126,767	46,5	6,108057
Всего	302,207	100	272,452	100	10,92119

Динамика продаж ПК в мире в 2008—2013 гг.

Таблица 2

Форм-фактор	2008	2009	2010	2011	2012	2013
Настольные ПК и ПК-серверы	-5,2%	-12,7%	-1,5%	2,5%	3,0%	2,7%
Ноутбуки	31,9%	4,3%	14,2%	21,2%	17,2%	14,9%
Всего	9,7%	-4,5%	6,7%	13,1%	11,6%	10,4%

Поставки ПК в 2008—2013 гг. в мире (млн. штук)

Таблица 3

Форм-фактор	2008 г.	2009 г.	2010 г.	2011 г.	2012 г.	2013 г.
Настольные ПК и ПК-серверы	152,8	133,4	131,3	134,6	138,7	142,4
Ноутбуки	142,4	148,6	169,6	205,6	241,1	277,0
Всего	295,2	282	300,9	340,2	379,8	419,4

[1] Иногда выделяют еще и электронный этап с 40-х годов XX-го века (прим. автора).

[2] Бордовский Г.А., Исаев Ю.В., Морозов В.В. Информатика в понятиях и терминах, М., 1991.

[3] Озерцовский С. «Микропроцессоры Intel: от 4004 до Pentium Pro», журнал Computer Week #41 – 1996г.