История развития вычислительной техники



Важным компонентом, составляющим процесс вычислений и обработки данных, является вычислительная техника. Вероятно, всем известные счётные палочки, используемые и в настоящее время в начальных классах многих школ для обучения счёту, были первыми приспособлениями для вычислений.

С их развитием они становились более сложными. Примером служат финикийские глиняные фигурки, которые также предназначались для наглядного представления количества предметов при подсчете. Фигурки, для удобства, помещались в специальные контейнеры. Ими пользовались торговцы и счетоводы того времени.

Простейшие приспособления для счёта постепенно перерождались во всё более сложные устройства, такие как: абак, логарифмическая линейка, механический арифмометр, электронный компьютер. И, невзирая на простоту ранних вычислительных устройств, получить результат при помощи простых счёт можно даже быстрее, чем нерасторопный владелец современного калькулятора. Стоит отметить, что производительность и скорость счёта современных вычислительных устройств давно уже превосходят возможности самого выдающегося расчётчика-человека.

Вычислительные аппараты, а также разного рода их конструкции использовались людьми на протяжении всего своего существования. Некоторые из них используются и в повседневной жизни сейчас, а некоторые затерялись в переулках времени.

Знание истории развития вычислительной техники и опыт компьютерной информатики являются необходимым составным элементом компьютерной культуры.

Ключевые слова: вычислительная техника, развитие, позиционная система счисления, разряд единиц, автоматический режим, программное управление, элементная база, поколения ЭВМ.

1. Начальный этап. Период докомпьютерной эпохи

Такой период можно назвать «ручным» и свое начало он берет ещё на заре человеческой цивилизации. У разных народов на разных континентах фиксация результатов счёта производилась разными способами: пальцевой счет, нанесение засечек, счетные палочки, узелки и т. д.

Наконец, появление приборов, которые используют вычисление по разрядам, предполагало наличие некоторой позиционной системы счисления, десятичной, восьмеричной, пятеричной, троичной и т. д. К таким приборам относятся: абак, русские, японские и китайские счёты.

Именно со счётов следует начать историю цифровых устройств. Подобный инструмент был известен у многих народов, например, абак Древней Греции представлял собой деревянную дощечку, посыпанную морским песком. Её нередко называли «саламинской доской» по имени острова Саламин в Эгейском море. На песке проводили бороздки (засечки), на которых камешками обозначались числа. Каждая из таких бороздок соответствовала разрядам единиц, десяток, сотен и т. д. Если в какой-то бороздке при счете набиралось более десяти камешков, их снимали и добавляли один камушек в следующем разряде.

Усовершенствованный римлянами со временем такой абак представлял уже мраморную доску, на которой были выточены желобки и прилагались мраморные шарики. [1]

В Китае счёты назывались «суан — пан» и состояли из деревянной рамки, разделенной на верхние и нижние секции. Палочки соотносились с колонками, а косточки — с числами. В основе счета лежала не десятка, а пятерка и поэтому в каждой такой секции располагались косточки: 5 — в нижней части и 2 в верхней. Так, для того, чтобы выставить на этих счетах число 6, ставили сначала косточку, соответствующую пятерке, а затем добавляли одну косточку в разряд единиц.

Подобное устройство для счёта у японцев носило название «серобян».

На Руси долгое время считали по косточкам, которые раскладывались по кучкам. Примерно с XV века распространение получил, так называемый «дощатый счет», завезенный западными купцами с ворванью и текстилем. Он почти не отличался от обычных счетов и представлял собой рамку с укрепленными горизонтальными веревочками, на которые были нанизаны просверленные сливовые или вишневые косточки. [1]

В IX веке учёные из Индии сделали одно из величайших открытий в математике. Ими была изобретена, используемая во всем мире, позиционная система счисления. При записи числа, в котором отсутствует какой — либо разряд (например, 11101 или 16304).

При записи на месте «пустого» разряда ставили точку, а позднее рисовали кружок, называемый «сунья».

Арабские математики перевели это слово по смыслу на свой язык «сифр», а современное слово «нуль» происходит от латинского.

В конце XV — начале XVI века Леонардо да Винчи создал 13- разрядное суммирующее устройство с десятизубными кольцами. По описанию, основу машины составляли стержни, на которых (с разных сторон по одному) закреплялись два отличных по размеру зубчатых колеса. Эти стержни должны были располагаться таким образом, чтобы меньшее колесо на одном стержне входило в зацепление с большим колесом на другом стержне. При этом меньшее колесо второго стержня сцеплялось с большим колесом третьего и т. д.

Согласно замыслу автора, десять оборотов первого колеса, должны были приводить к одному полному обороту второго, а десять оборотов второго — к полному обороту третьего и т. д. Целая система, состоящая из 13 стержней с зубчатыми колесами, приводилась в движение набором грузиков [2].

2. Развитие механики

В середине XVII века сложился новый этап в истории вычислительной техники, который стал предпосылкой для развития вычислительных устройств и приборов. Такой этап использовал механический принцип вычислений и обеспечивал перенос старших разрядов. Вместе с этим применение таких машин поспособствовало «автоматизации умственного труда».

Во второй половине XIX века возросло количество вычислительных работ в целом ряде областей человеческой деятельности, что вызвало настоятельную потребность в вычислительной технике и повышение требований к ней.

В этот период английским математиком Чарльзом Бэббиджем была выдвинута идея разработки программно-управляемой счётной машины, которая имела бы арифметическое устройство (АУ), устройство управления (УУ), ввода и печати.

Разностная машина — первая спроектированная Беббиджем машина (1822 г.), работающая на паровом двигателе. Работающая модель представляла собой калькулятор из шести цифр, способный производить вычисления и выводить на печать цифровые таблицы.

Главным достижением этой эпохи можно считать разработку успешной конструкции арифмометра шведско-русским механиком и изобретателем Вильгодт Теофил Однером. Главная особенность его детища заключалась в применении зубчатых колес с переменным числом зубцов вместо ступенчатых валиков. Они были проще валика конструктивно и имели меньшие размеры. [2]

Первоначально появление в этот период электронно-вычислительных машин (ЭВМ) мало повлияло на выпуск арифмометров, прежде всего из-за различия в назначении, а также в стоимости и распространенности. Однако, с 60-х годов в массовое использование все активнее проникают электронные клавишные вычислительные машины, которые выпускались вначале на лампах, а с 1964 г. на транзисторах. Лидером в этом направлении сразу же стала Япония, которая сумела отличиться мини атюризацией электронной техники, включая вычислительной техники.

3. Электромеханический этап

Наименее продолжительным этапом в развитии вычислительной техники и охватывающим около 60 лет является электромеханический — от создания первого табулятора американским инженером Германом Холлерит до изобретения первой ЭВМ ENIAK (1945). Необходимость проведения массовых расчётов, а также развитие прикладной электротехники выступили предпосылками для создания проектов такого типа.

Счётно-аналитический комплекс, который был предназначен для обработки информации на перфокарточных носителях является классическим типом средств этапа электромеханики, а значение работ Холлерита для развития вычислительной техники определяется двумя факторами: во-первых, Герман стал основоположником нового счетно-перфорационного направления в вычислительной технике — с соответствующим им оборудованием для широкого круга экономических и научно-технических расчетов. Которое в свою очередь, привело к созданию машиносчётных станций, послуживших прообразом современных вычислительных центров. Во-вторых, даже в наше время использование большого числа разнообразных устройств ввода/вывода информации не отменило полностью использование перфокарточной технологии. [3]

Завершается электромеханический этап в развитии вычислительной техники созданием целого ряда сложных релейных и релейно-механических систем с программным управлением, которое характеризуется универсальностью алгоритмов и способностью выполнять сложные научно-технические вычисления в автоматическом режиме (со скоростями, на порядок превышающими скорость работы арифмометров с электропроводом).

Описанные выше аппараты можно рассматривать в качестве прямых предшественников универсальных ЭВМ. [4]

4. Поколения современных ЭВМ

Наличие представлений о поколениях ЭВМ составляет компьютерную грамотность. А когда говорят о поколениях, то в первую очередь говорят об историческом портрете электронно-вычислительных машин (ЭВМ).

Развитие современных ЭВМ в целом принято делить на поколения. Такое деление весьма условное и представляет собой нестрогую классификацию по степени развития аппаратных и программных средств, а также способов взаимодействия между пользователем и компьютером.

Идея разделения развития ЭВМ на поколения вызвана к жизни тем, что за время короткой истории своего развития компьютерная техника проделала большую эволюцию, как в смысле развития элементной базы (лампы, транзисторы, микросхемы и др.), так и в смысле изменения её структуры (рост быстродействия и увеличение объёма памяти), появились новые возможности, расширились области применения и характер её использования.

Этот прогресс показан в таблице .

ПАРАМЕТРЫ СРАВНЕНИЯ	ПОКОЛЕНИЯ ЭВМ
	Первое	Второе	Третье	Четвертое
Период времени	1946–1959	1960–1969	1970–1979	С 1980 г.
Элементная база (для УУ, АЛУ)	Электронные (или электрические) лампы	Полупроводники (транзисторы)	Интегральные схемы	Большие интегральные схемы (БИС)
Основной тип ЭВМ	Большие	Большие	Малые (Мини)	Микро
Быстродействие	10–20 тыс. (опер/сек.)	1000 тыс. (опер/сек.)	10 млн. (опер/сек.)	100 млн. (опер/сек.)
Объём оперативной памяти	100 Кбайт	1 Мбайт	10 Мбайт	1 Гбайт
Основные устройства ввода	Пульт, перфокарточный и перфоленточный ввод	Добавились алфавитно-цифровой дисплей, клавиатура	Алфавитно-цифровой дисплей, клавиатура	Цветной графический дисплей, сканер, клавиатура
Основные устройства вывода	Алфавитно-цифровое печатающее устройство (АЦПУ), перфоленточный вывод	Алфавитно-цифровое печатающее устройство (АЦПУ), перфоленточный вывод	Графопостроитель, принтер	Графопостроитель, принтер
Внешняя память	Магнитные ленты, барабаны, перфоленты и перфокарты	Добавился магнитный диск	Перфоленты, магнитный диск	Магнитные и оптические диски
Программное обеспечение	Машинные коды	Алгоритмические языки, операционные системы	Операционные системы	Базы и банки данных

Пятое поколение ЭВМ строится по принципу человеческого мозга и управляется голосом. Они будут основаны на принципиально новой элементной базе с предполагаемым применением принципиально новых технологий.

Основным их качеством должен быть высокий интеллектуальный уровень, в частности, распознавание речи, образов. Это требует перехода от традиционной фон-неймановской архитектуры компьютера к архитектурам, учитывающим требования задач создания искусственного интеллекта. [5]

Много тысяч лет назад люди научились пользоваться простыми счётными приспособлениями, и необходимость определять количество предметов, используемых в меновой торговле оказалась наиболее востребованной.

Использование меняемого предмета, которое не требовало точного пересчёта количества его составляющих было одним из самых простых решений. Для этих целей использовались простейшие балансирные весы. Они стали, таким образом, одним из первых устройств для количественного определения массы.

Стоит отметить, что в настоящее время трудно представить себе, что без персональных компьютеров можно обойтись. Компьютеры прочно входят в наши жизни, становясь главными помощниками для человека… На компьютерном рынке нам представляется огромное множество для их выбора у различных фирм, исходя из различных групп сложности, по назначению и поколению.

А ведь не так давно, до начала 70-х годов вычислительные машины были доступны весьма ограниченному кругу специалистов, и их применение, как правило, оставалось окутанным завесой секретности и малоизвестным широкой публике.

В 1971 году произошло событие, изменившее в корне ситуацию с хорошим быстродействием и превратило компьютер в инструмент, используемый в повседневной жизни десятками миллионов людей. Из небольшого города в Америке с красивым названием Санта-Клара (штат Калифорния) ещё почти никому не известная, на тот момент времени, фирма Intel выпустила первый микропроцессор. Благодаря которому мы обязаны появлению персональных компьютеров нового класса вычислительных систем, используемые повсеместно от учащихся в начальных классах и бухгалтеров до ученых и инженеров.

Литература:

1. Степанов А. Н. Информатика: Учебник для вузов. 4-е изд. — Спб.: Питер, 2006. — 684 с.
2. А. В. Павлов. Архитектура вычислительных систем — СПб: Университет ИТМО, 2016. — 86 с.
3. Алексеев Е. Г., Богатырев С. Д. Информатика. Мультимедийный электронный учебник.
4. Максимов Н. В. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем. 5-е изд., перераб. и доп. — М.: 2013. — 512 с.
5. Информатика: Учебник / Под общ. ред. А. Н. Данчула. — М.: Изд-во РАГС, 2004. — 528 с.