Реферат: История компьютера

Первым, кому пришла в голову мысль о практическом использовании ’’ эффекта Эдисона ’’ был английский физик Дж.А.Флеминг (1849 - 1945). Работая с 1882 г. консультантом эдисоновской компании в Лондоне, он узнал о ’’ явлении ’’ из первых уст - от самого Эдисона. Свой диод - двухэлектродную лампу Флейминг создал в 1904 г.

В октябре 1906 г. американский инженер Ли де Форест изобрёл электронную лампу - усилитель, или аудион, как он её тогда назвал, имевший третий электрод - сетку. Им был введён принцип, на основе которого строились все дальнейшие электронные лампы, - управление током, протекающим между анодом и катодом, с помощью других вспомогательных элементов.

В 1910 г. немецкий инженеры Либен, Рейнс и Штраус сконструировали триод, сетка в котором выполнялась в форме перфорированного листа алюминия и помещалась в центре баллона, а чтобы увеличить эмиссионный ток, они предложили покрыть нить накала слоем окиси бария или кальция.

Дальнейшее развитие электронных ламп, улучшение их характеристик и функциональных возможностей привело к созданию на их основе совершенно новых электронных приборов.

ЭНИАК

Начиная с 1943г. группа специалистов под руководством Г.Эйкен (Ho­ward H.Aiken), Д.Моучли и П.Эккерта (J.Mauchly and P.Eckert) в США начала конструировать подобную машину на основе электронных ламп, а не реле. Эта машина была названа ENIAC (Electronic Numeral Integrator And Computer) и работала она в тысячу раз быстрее, чем "Марк-1". Он содержал 18 тысяч вакуумных ламп, занимал площадь 9´15 метров, весил 30 тонн и потреблял мощность 150 киловатт. ENIAC имел и существенный недостаток - управление им осуществлялось с помощью коммутационной панели, у него отсутствовала память, и для того чтобы задать программу приходилось в течение нескольких часов или даже дней подсоединять нужным образом провода. Кроме того, подлинным бичом была ужасающая ненадежность компьютера, так как за день работы успевало выйти из строя около десятка вакуумных ламп.

Чтобы упростить процесс задания программ, Моучли и Эккерт стали конструировать новую машину, которая могла бы хранить программу в своей памяти. В 1945г. к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман (J. von Neumann), который подготовил доклад об этой машине. В этом докладе фон Нейман ясно и просто сформулировал общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств, т.е. компьютеров. Это первая действующая машина, построенная на вакуумных лампах, официально была введена в эксплуатацию 15 февраля 1946 года. Эту машину пытались использовать для решения некоторых задач, подготовленных фон Нейманом и связанных с проектом атомной бомбы. Затем она была перевезена на Абердинский полигон, где работала до 1955 года.

ENIAC стал первым представителем первого поколения компьютеров. Любая классификация условна, но большинство специалистов согласилось с тем, что различать поколения следует исходя из той элементной базы, на основе которой строятся машины. Таким образом, первое поколение представляется ламповыми машинами.

Нейман

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).

На рис.2 показано, каковы должны быть связи между устройствами компьютера согласно принципам фон Неймана (одинарные линии показывают управляющие связи, пунктир - информационные).

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 1949г. 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 1945г. Джон фон Нейман.

Новые машины первого поколения сменяли друг друга довольно быстро. В1951 году заработала первая советская электронная вычислительная машина МЭСМ. В 1952 году на свет появилась американская машина EDWAC. Стоит также отметить построенный ранее, в 1949 году, английский компьютер EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator) - первую машину с хранимой программой. В 1952 году советские конструкторы ввели в эксплуатацию БЭСМ - самую быстродействующую машину в Европе, а в следующем году в СССР начала работать "Стрела" - первая в Европе серийная машина высокого класса. Среди создателей отечественных машин в первую очередь следует назвать имена С.А.Лебедева, Б.Я.Базилевского, И.С.Брука, Б.И.Рамеева, В.А.Мельникова, М.А.Карцева, А.Н.Мямлина.

Возможности машин первого поколения были достаточно скромны. Так, быстродействие их по нынешним понятиям было малым: от 100 ("Урал-1") до 20 000 операций в секунду (М-20 в 1959 году). Эти цифры определялись в первую очередь инерционностью вакуумных ламп и несовершенством запоминающих устройств. Объем оперативной памяти был крайне мал - в среднем 2 048 чисел (слов), этого не хватало даже для размещения сложных программ, не говоря уже о данных. Промежуточная память организовывалась на громоздких и тихоходных магнитных барабанах сравнительно небольшой емкости (5 120 слов у БЭСМ-1). Медленно работали и печатающие устройства, а также блоки ввода данных.

Создание МЭСМ

Советские ученые и инженеры начали работы в области компьютерной техники с опозданием в несколько лет. Тем не менее, этот временной разрыв был быстро ликвидирован.

В 1948 году на научном семинаре в Академии наук СССР присутствующих ознакомили с содержанием американской публикации, в которой кратко и отрывочно описывалась конструкция первой действующей электронной вычислительной машины ЭНИАК. Более подробную информацию получить было невозможно, так как в эти годы отношения между СССР и США были очень напряженными. Это сказывалось и на состоянии научных связей. Однако участники семинара понимали: создавать отечественный компьютер надо, причем, в сжатые сроки.

За создание первой отечественной ЭВМ взялся академик АН УССР С.А.Лебедев. Работы развернули в полуразрушенной монастырской обители Феофании, в пятнадцати километрах от Киева. В течение 1948 года были закончены все подготовительные работы и создан рабочий проект машины. Начерченная на ватмане блок-схема стала потом классической, и повторялась в большинстве советских ЭВМ первого поколения. В нее вошли арифметическое устройство (процессор), запоминающее устройство, устройство управления и внешние устройства. Машина должна была собираться из мелких и средних блоков. Сборка блоков велась на бракованных дюралюминиевых шасси, которые удалось достать на одном из киевских заводов. Несложные расчеты показали, что собранная машина займет площадь около 50 квадратных метров.

Остановимся на устройстве главных блоков МЭСМ. В машине было два вида "памяти" - оперативное запоминающее устройство и долговременная память. Оперативная память получилась внушительных размеров - четыре панели высотой три метра и шириной один метр. Долговременная память была воплощена в виде магнитного барабана - быстро вращающегося цилиндра с магнитным покрытием. Опыта изготовления таких барабанов не было, поэтому пришлось обратиться за помощью в Институт физики Академии неук УССР. В результате, группа специалистов под руководством члена-корреспондента АН УССР А.А.Харкевича, в течение года с небольшим построила барабан. МЭСМ получила дополнительную память объемом 5 000 чисел. Всего в МЭСМ было 6000 электронных ламп, от которых требовалось одно - работать в строго заданных идентичных режимах. Лампы в то время были несовершенными и отличались довольно большим разбросом значений своих параметров. Поэтому их приходилось предварительно проверять и отбраковывать. После включения машины все равно надо было выжидать полтора-два часа. Вскоре разработчики решили вообще не выключать машину, и она стала работать круглосуточно. Но возникла новая проблема, связанная с перегревом МЭСМ. Результатом был постоянный выход из строя электронных схем. Ввод данных в машину производился с помощью магнитной ленты, а для вывода результатов использовалось цифропечатающее устройство, сопряженной с памятью.

На что же была способна МЭСМ? Она могла выполнять 50 математических операций в секунду, запоминать в оперативной памяти 31 число и 63 команды. Всего машина выполнила 12 различных команд. Из 6 000 электронных ламп 4 000 использовались в запоминающем устройстве. МЭСМ потребляла мощность, равную 25 киловаттам.

Осенью 1951 года на машине начали решать первые реальные пробные задачи. Одной из них была задача из области баллистики, которая особенно запомнилась разработчикам, так как машина впервые выделила и локализовала ошибку проводивших расчеты математиков высокой квалификации.

25 декабря 1951 года произошло знаменательное событие, открывшее историю советской компьютерной техники. Именно в этот день МЭСМ была принята в эксплуатацию весьма представительной комиссией Академии наук СССР во главе с академиком М.В.Келдышем.

Почти сразу же в Феофанию началось паломничество московских и киевских математиков с задачами, которые нельзя было решить без помощи ЭВМ. Одной из важнейших практических задач успешно решенной на МЭСМ, были расчеты устойчивости параллельной работы агрегатов Куйбышевской ГЭС. В результате были выработаны рекомендации, позволившие существенно повысить величину передаваемых в Москву мощностей.

Поскольку до 1953 года МЭСМ оставалась единственной в стране (кстати, и в Европе) работающей электронной вычислительной машиной, она была предельно загружена решением важных и особо важных задач. В то время график распределения машинного времени утверждал президент Академии наук СССР. МЭСМ просуществовала до 1956 года, после чего ее демонтировали и передали в качестве учебного пособия в Киевский политехнический институт. Фактически МЭСМ можно назвать действующим макетом ЭВМ, поскольку все ее электронные схемы были развешены по стенам и работавший на ней программист оказывался как бы внутри машины. В то же время МЭСМ стала первой реально работающей вычислительной машиной.

МЭСМ передала эстафету построенной в 1952 году в Институте точной механики и вычислительной техники Академии наук СССР машине БЭСМ. Руководителем этой разработки снова был академик С.А.Лебедев. По своим параметрам БЭСМ на порядок превосходила МЭСМ. Еще через год под руководством доктора технических наук Ю.Я.Базилевского была создана ЭВМ "Стрела" - первый компьютер, запущенный в серийное производство. В 50-х годах появились и другие ЭВМ: "Урал", М-2, М-3, БЭСМ‑2, "Минск‑1", - которые воплощали в себе все более прогрессивные инженерные решения.