Лекция 1_1
Тема: Основные этапы развития информационного общества. Этапы развития технических средств.
План
Основные этапы развития вычислительной техники
Ручной
Механический
Электромеханический
Электронный
Поколения компьютеров
I поколение
II поколение
I II поколение
IV поколение
V поколение
Проблемы и перспективы
Основные этапы развития вычислительной техники
Ручной - с 50-го тысячелетия до н. э.
Этот период автоматизации вычислений начался на заре человеческой цивилизации и базировался на использовании пальцев рук, камешков, палочек и т. п. Постепенно формировалась потребность в изобретении устройств, помогающих счету. Одно из таких устройств известно под названием абак
Абак (IV тысячелетие до н.э.)– наиболее раннее счетное механическое устройство, первоначально представлявшее собой глиняную пластину с желобами, в которых раскладывались камни, представлявшие числа. Местом появления считается Азия. В средние века в Европе абак сменился разграфленными таблицами. Вычисления с их помощью называли счетом на линиях, а в России в XVI-XVII веках появилось намного более передовое изобретение, дошедшее и до наших дней - русские счеты
Дж. Непер, шотландский математик, начало XVII века
Первым устройством для выполнения умножения был набор деревянных брусков, известных как палочки Непера. На наборе из деревянных брусков была размещена таблица умножения. Кроме того, Джон Непер изобрел логарифмы.
Механический - с середины XVII века
Развитие механики в XVII веке стало предпосылкой создания вычислительных устройств и приборов, использующих механический способ вычислений.
Вильгельм Шикард, Германия, 1623 г.
Создал первое в мире автоматическое устройство для выполнения операции сложения на базе механических часов.
Блез Паскаль, французский механик, 1642 г.
Разработал более компактное суммирующее устройство на основе зубчатых колес (первый в мире калькулятор, выпускающийся серийно). Выполнял операции сложения и вычитания.
Готфрид фон Лейбниц, немецкий математик, 1673 г.
Сконструировал счетную машину, позволяющую выполнять все четыре арифметических операции. Эта машина послужила прообразом для создания арифмометра – механического устройства для практических вычислений. Арифмометр многократно совершенствовался, в том числе русскими учеными-изобретателями П. Л. Чебышевым и В. Т. Однером. Арифмометр использовался вплоть до середины XX века и явился предшественником современного калькулятора.
Чарльз Бэббидж
Выдвинул идею создания программно-управляемой счетной машины, имеющей арифметическое устройство, устройство управления, ввода и печати. Первая спроектированная Бэббиджем машина была создана в 1822 году и работала на паровом двигателе.
Второй проект Бэббиджа - аналитическая машина, использующая принцип программного управления и предназначавшаяся для вычисления любого алгоритма. Проект не был реализован, но получил широкую известность и высокую оценку ученых.
Ада Лавлейс
С Чарльзом Бэббиджем работала графиня Огаста Ада Лавлейс, дочь поэта лорда Байрона. Ей принадлежала идея использования перфокарт для программирования вычислительных операций (1843). Она разработала первые программы для машины Бэббиджа, заложила многие идеи и ввела ряд понятий и терминов программирования, сохранившихся до настоящего времени. Аду Лавлейс называют первым в мире программистом. Сегодня ее именем назван один из языков программирования.
Электромеханический - с девяностых годов XIX века
Г. Холлерит, 1884 г.
Создает в США первый счетно-аналитический комплекс, предназначенный для обработки результатов переписи населения в нескольких странах, в том числе и в России. Изобретение включало перфокарту и сортировальную машину. Перфокарта Холлерита оказалась настолько удачной, что без малейших изменений просуществовала до наших дней.
Для проведения вычислений Холлерит наряду с механическими устройствами впервые применяет электричество.
А. Тьюринг и Э. Пост
Огромное влияние на дальнейшее развитие вычислительной техники оказали работы математиков, которые доказали принципиальную возможность решения автоматами любой
проблемы при условии, что ее можно представить в виде алгоритма с учетом выполняемых машиной операций.
Электронный - с сороковых годов XX века
1943 год - американец Говард Эйкен с помощью работ Чарльза Бэббиджа на основе техники 20 века - электромеханических реле, смог построить на одном из предприятий фирмы IBM такую машину под названием "Марк-1".
1946 год - группа специалистов под руководством Джона Мокли и Дж.Проспера Эккерта сконструировали подобную машину уже на основе электронных ламп, а не реле. Их машина называлась "ЭНИАК" (первый электронный компьютер общего назначения). "ЭНИАК" начал свою работу 15 февраля 1946 года. Он состоял из 18 тыс. радиоламп и более 80 тыс. других радиодеталей. Занимаемая им площадь равнялась 132 м2. Скорость его работы равнялась всего 5 тыс. операций в секунду.
Дальнейшее совершенствование ЭВМ определялось прогрессом в области электроники (т. е. развитием элементной базы). Было положено начало новому поколению ЭВМ.
Под поколением ЭВМ принято понимать все типы и модели ЭВМ, построенные на одних и тех же научных и технологических принципах.
Каждое следующее поколение отличается от предыдущего принципиально другой технологией изготовления новых электронных элементов.
1945 год - математик Дж. Фон Нейман в своем докладе сформулировал общие принципы функционирования компьютеров (эти принципы используют до сих пор).
1949 год - английским ученым Морисом Уилксом был построен первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана.
1948 год - были изобретены транзисторы, миниатюрные и недорогие электронные приборы, которые заменили электронные лампы. Это привело к уменьшению размеров компьютеров в сотни раз и повышению их надежности.
Конец 50-х годов - первые компьютеры на основе транзисторов.
1965 год - Фирма Digital Equipment выпустила первый мини-компьютер PDP-8 размером с холодильник и стоимостью всего 20 тыс. дол. (компьютеры 40-50-х стоили миллионы долларов).
1959 год - Роберт Нойс (будущий основатель фирмы Inel) изобрел способ, позволяющий создавать на одной пластине кремния транзисторы и все необходимые соединения между ними. Полученные схемы стали называться интегральными схемами или чипами. Интегральные схемы значительно сократили габариты изделий, избавили от необходимости трудоемкой пайки соединений между элементами, а уменьшние количества соединений способствовало повышению надежности приборов. Повысилась также скорость их работы, так как электрические импульсы преодолевали теперь значительно меньшие расстояния.
1968 год - фирма Burroughs выпустила первый компьютер на интегральных схемах.
1970 год - фирма Intel начала продавать интегральные схемы памяти. В 1970 году был сделан еще один важный шаг на пути к персональному компьютеру - Маршиан Эдвард Хофф из фирмы Intel сконструировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большого компьютера. Так появился первый микропроцессор Intel 4004, который был выпущен в продажу в 1971 году. Рост производительности микропроцессоров не заставил себя ждать. В 1973 году фирма Intel выпустила 8-битовый микропроцессор Intel 8008, а в 1974 - его усовершенствованную версию - Intel 8080, которая до конца 70-х стала стандартом для микрокомпьютерной индустрии.
1974 год - несколько фирм объявили о создании на основе микропроцессора Intel 8008 персонального компьютера, т.е. устройства, выполняющего те же функции, что и большой компьютер, но рассчитанного на одного пользователя.
1975 год - первый коммерчески распространяемый персональный компьютер Альтаир-8800 на основе микропроцессора 8080 (цена 500 дол.). Его возможности были весьма (ограничены - оперативная память всего - 256 байт, клавиатура и экран отсутствовали), однако на рынке он имел успех.
В конце 1975 года Пол Аллен и Билл Гейтс (будущие основатели фирмы Microsoft), создали для компьютера "Альтаир" интерпретатор языка Бейсик, что позволило пользователям достаточно просто общаться с компьютером и писать для него программы.
Август 1981 года - первый компьютер под названием IBM PC, через 1-2 года компьютер IBM PC занял ведущее место на рынке, вытеснив модели 8-битовых компьютеров.
Поколения компьютеров
I поколение (1945-1955
на электронных лампах
быстродействие 10-20 тыс. операций в секунду
каждая машина имеет свой язык
нет операционных систем
ввод и вывод: перфоленты, перфокарты, магнитные ленты
Подробно
Элементная база: электронно-вакуумные лампы, резисторы, конденсаторы. Соединение элементов: навесной монтаж проводами.
Габариты: ЭВМ выполнена в виде громадных шкафов и занимают специальный машинный зал.
Быстродействие: 10 - 20 тыс. оп/с.
Эксплуатация слишком сложна из-за частого выхода из строя электронно-вакуумных ламп. Существует опасность перегрева ЭВМ.
Программирование: трудоемкий процесс в машинных кодах. При этом необходимо знать все команды машины, их двоичное представление, архитектуру ЭВМ. Этим в основном были заняты математики-программисты, которые непосредственно и работали за ее пультом управления. Обслуживание ЭВМ требовало от персонала высокого профессионализма.
II поколение (1955-1965)
на полупроводниковых транзисторах (1948, Дж. Бардин, У. Брэттейн и У. Шокли)
10-200 тыс. операций в секунду
первые операционные системы
первые языки программирования: Фортран (1957), Алгол (1959)
средства хранения информации: магнитные барабаны, магнитные диски
Подробно
Элементная база: полупроводниковые элементы. Соединение элементов: печатные платы и навесной монтаж.
Габариты: ЭВМ выполнены в виде однотипных стоек, чуть выше человеческого роста. Для их размещения требуется специально оборудованный машинный зал, в котором под полом прокладываются кабели, соединяющие между собой многочисленные автономные устройства.
Производительность: от сотен тысяч до 1 млн. оп/с.
Эксплуатация: упростилась. Появились вычислительные центры с большим штатом обслуживающего персонала, где устанавливалось обычно несколько ЭВМ. Так возникло понятие централизованной обработки информации на компьютерах. При выходе из строя нескольких элементов производилась замена целиком всей платы, а не каждого элемента в отдельности, как в ЭВМ предыдущего поколения.
Программирование: существенно изменилось, так как стало выполняться преимущественно на алгоритмических языках. Программисты уже не работали в зале, а отдавали свои программы на перфокартах или магнитных лентах специально обученным операторам. Решение задач производилось в пакетном (мультипрограммном) режиме, то есть все программы вводились в ЭВМ подряд друг за другом, и их обработка велась по мере освобождения соответствующих устройств. Результаты решения распечатывались на специальной перфорированной по краям бумаге.
Произошли изменения как в структуре ЭВМ, так и в принципе ее организации. Жесткий принцип управления заменился микропрограммным. Для реализации принципа программируемости необходимо наличие в компьютере постоянной памяти, в ячейках которой всегда присутствуют коды, соответствующие различным комбинациям управляющих сигналов. Каждая такая комбинация позволяет выполнить элементарную операцию, то есть подключить определенные электрические схемы.
Введен принцип разделения времени, который обеспечил совмещение во времени работы разных устройств, например одновременно с процессором работает устройство ввода-вывода с магнитной ленты.
III поколение (1965-1980)
на интегральных микросхемах (1958, Дж. Килби)
быстродействие до 1 млн. операций в секунду
оперативная памяти – сотни Кбайт
операционные системы – управление памятью, устройствами, временем процессора
языки программирования Бэйсик (1965), Паскаль (1970, Н. Вирт), Си (1972, Д. Ритчи)
совместимость программ
Подробно
Элементная база: интегральные схемы, которые вставляются в специальные гнезда на печатной плате.
Габариты: внешнее оформление ЕС ЭВМ схоже с ЭВМ второго поколения. Для их размещения также требуется машинный зал. А малые ЭВМ - это, в основном, две стойки приблизительно в полтора человеческих роста и дисплей. Они не нуждались, как ЕС ЭВМ, в специально оборудованном помещении.
Производительность: от сотен тысяч до миллионов операций в секунду.
Эксплуатация: несколько изменилась. Более оперативно производится ремонт обычных неисправностей, но из-за большой сложности системной организации требуется штат высококвалифицированных специалистов. Большую роль играет системный программист.
Технология программирования и решения задач: такая же, как на предыдущем этапе, хотя несколько изменился характер взаимодействия с ЭВМ. Во многих вычислительных центрах появились дисплейные залы, где каждый программист в определенное время мог подсоединиться к ЭВМ в режиме разделения времени. Как и прежде, основным оставался режим пакетной обработки задач.
Произошли изменения в структуре ЭВМ. Наряду с микропрограммным способом управления используются принципы модульности и магистральности. Принцип модульности проявляется в построении компьютера на основе набора модулей - конструктивно и функционально законченных электронных блоков в стандартном исполнении. Под магистральностью понимается способ связи между модулями компьютера, то есть все входные и выходные устройства соединены одними и теми же проводами (шинами). Это прообраз современной системной шины.
Увеличились объемы памяти. Магнитный барабан постепенно вытесняется магнитными дисками, выполненными в виде автономных пакетов. Появились дисплеи, графопостроители.
IV поколение (с 1980 по …)
компьютеры на больших и сверхбольших интегральных схемах (БИС, СБИС)
суперкомпьютеры
персональные компьютеры
появление пользователей-непрофессионалов, необходимость «дружественного» интерфейса
более 1 млрд. операций в секунду
оперативная памяти – до нескольких гигабайт
многопроцессорные системы
компьютерные сети
мультимедиа (графика, анимация, звук)
Следует особо отметить одну из самых значительных идей, воплощенных в компьютере на данном этапе: использование для вычислений одновременно нескольких процессоров (мультипроцессорная обработка).
V поколение (проект 1980-х, Япония)
Цель – создание суперкомпьютера с функциями искусственного интеллекта
обработка знаний с помощью логических средств (язык Пролог)
сверхбольшие базы данных
использование параллельных вычислений
распределенные вычисления
голосовое общение с компьютером
постепенная замена программных средств на аппаратные
Проблемы:
идея саморазвития системы провалилась
неверная оценка баланса программных и аппаратных средств
традиционные компьютеры достигли большего
ненадежность технологий
израсходовано 50 млрд. йен
Проблемы и перспективы
Проблемы:
приближение к физическому пределу быстродействия
сложность программного обеспечения приводит к снижению надежности
Перспективы:
квантовые компьютеры
эффекты квантовой механики
параллельность вычислений
2006 – компьютер из 7 кубит
оптические компьютеры («замороженный свет»)
биокомпьютеры на основе ДНК
химическая реакция с участием ферментов
330 трлн. операций в секунду
Вопросы и задания
I. Ответьте на следующие вопросы:
1. Кто разработал идею механической машины с программным управлением?
2. Установите хронологическую последовательность изобретения перечисленных приспособлений для счета:
___Аналитическая машина Ч. Беббиджа
___Арифмометр "Паскалина"
___Абак
___Счеты
3. Как называются все типы и модели электронно-вычислительных машин, построенные на одних и тех же научных и технических принципах?
4. Что является основой классификации ЭВМ по поколениям?
5. Кто считается основоположником отечественной электронно-вычислительной техники?
6. Что является элементной базой ЭВМ первого поколения?
7. Программирование ЭВМ первого поколения выполняется:
1) на структурных языках программирования
2) на объектно-ориентированных языках программирования
3) на языке машинных кодов
4) на языках высокого уровня
8. Установите соответствие между поколениями ЭВМ и основными составляющими элементной базы:
Укажите соответствие для всех 4 вариантов ответа:
1) Интегральные схемы (микросхемы)
2) БИС, СБИС, микропроцессоры
3) Транзисторы
4) Электронные лампы
__ I поколение
__ II поколение
__ III поколение
__ IV поколение
9. Продолжите фразу: "Деление электронной вычислительной техники на поколения обусловлено..."
10. Программирование ЭВМ второго поколения выполняется:
Выберите один из 4 вариантов ответа:
1) на алгоритмических языках программирования
2) на объектно-ориентированных языках программирования
3) на национальных языках
4) на специальном международном языке
11. Принципы модульности и магистральности были впервые реализованы в ЭВМ:
Выберите один из 4 вариантов ответа:
1) 1-го поколения
2) 2-го поколения
3) 3-го поколения
4) 4-го поколения
II. Подготовьте сообщения по темам:
квантовые компьютеры,
оптические,
биокомпьютеры,
искусственный интеллект.
современные суперкомпьютеры
и подберите видео или графическое сопровождение к ним. |
